科研成果轉化教學在聚合物改性課程中的實踐

[摘要]通過結合自身科研成果，探索科研成果與教學相結合在聚合物改性課程的實踐。不僅豐富了課堂教學內容，而且有效地提高了教學質量，加深了學生對知識的認識和理解，以及對知識的靈活應用，極大地激發了學生對于學術研究的興趣，培養學生利用知識解決實際問題的能力和科技創新意識。

[關鍵詞]科研成果；教學；表面改性

[中圖分類號]G642；TQ316.6""""" [文獻標識碼]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2023.10.032

引言

聚合物改性課程是材料類及相近專業的選修課，適合高分子材料與工程、功能材料等專業的學生，屬于工程學科，包括共混改性、填充改性、化學改性、表面改性，其中主要講授聚合物改性的基本概念、基本理論和研究方法等。以往只是采取老師單線講解的模式，雖然已經側重應用部分的講解，但是學生對知識的掌握往往停留在表面，不能深入地理解知識內涵。如何讓學生更好地參與到課堂教學中，如何更好地幫助學生理解和掌握這部分知識，在進行教學活動時，需要通過創新性的教學方法激發學生的學習興趣。在新時代高校改革發展中，應秉持教學與科研并重、科研與教學相互促進，最終實現教學相長 ^[1]。因此，結合自身在聚合物改性研究中的科研成果，探索科研成果與教學相結合的理念在課程改革的實踐。引導學生積極思考、調動學習積極性，并培養學生自主學習能力和科技創新意識，提高學生分析和解決工程實際問題的能力。

一、課程實踐

（一）科研成果在化學改性中的實踐

化學改性就是在大分子組成中引入少量別種性質的片段以定向改變聚合物的性質。只在聚合物的側基或端基上引入或改變官能團，從而賦予聚合物以新的功能 ^[2]。作者以環氧官能化溶聚丁苯橡膠成果為例引入教學，相關成果“Structure and Performance of Silica-Grafted Epoxidized Solution-Polymerized Styrene?Butadiene Nanocomposites”為題，發表在ACS旗下的國際期刊Industrial amp; Engineering Chemistry Research ^[3]。

溶聚丁苯橡膠（SSBR）具有分子量分布窄、耐磨、抗濕滑特點，是制備綠色輪胎胎面膠的重要材料。然而，SSBR為非極性橡膠，與常用的二氧化硅（silica）之間存在相容性問題，導致白炭黑在橡膠中分散差，無法滿足綠色輪胎胎面膠的性能要求。通過SSBR的官能化改性，向分子鏈中引入環氧基團，提高橡膠的極性，從而改善二氧化硅與橡膠的相容性問題。而且二氧化硅表面的硅羥基與環氧基團不僅能形成氫鍵相互作用，還能形成化學結合，進一步增強填料與橡膠間的相互作用，從而制備高性能綠色輪胎如圖1所示。結果表明，環氧化程度越高，二氧化硅與ESSBR相互作用越強，二氧化硅分散越好，復合材料的性能更好。

（二）科研成果在填充改性中的實踐

偶聯劑在填充改性中有廣泛應用，偶聯劑的化學結構含有兩類基團，一類是親無機填料的基團，一類是親有機聚合物的基團。借助偶聯劑的作用，可以使表面性質相差懸殊的無機填料和有機聚合物之間獲得良好的界面作用 ^[2]。作者以3-巰基丙基乙氧基-雙（十三烷基-五乙氧基-硅氧烷）（Si747）成果為例引入教學，相關成果“Ternary silicone dielectric elastomer micro-nanocomposites with enhanced mechanical and electromechanical properties”為題，發表在Wiley旗下的國際期刊Polymer Composites ^[4]。

介電彈性體作為一種智能材料，在生物醫療器械，航空等領域擁有廣闊的應用前景。所使用的介電彈性體材料不僅需要介電性能好，而且也需要保證力學性能，加工性能等優良。硅橡膠由于其優異的綜合性能，已成為理想的介電彈性體材料之一。但是硅橡膠主鏈由硅和氧原子交替構成，本身極性弱，導致其介電常數很低。向硅橡膠中添加高介電常數的無機填料，如鈦酸鋇（BT）納米顆粒，增加介電常數，但無機填料的表面能較大，與硅橡膠之間存在較大的表面能差異，這會導致填料的團聚和缺陷的增加，從而導致復合材料的擊穿強度的下降。無機填料在硅橡膠基體中的均勻分散是復合材料獲得優異性能的關鍵。首次采用硅烷偶聯劑Si747這種新穎的雙官能團硅烷偶聯劑對BT納米顆粒進行改性，Si747水解后可以通過縮合接枝到BT納米顆粒表面，而Si747中的巰基可以與硅橡膠（MVSR）中的雙鍵反應 ^[5]，BT納米顆粒通過Si747與MVSR分子鏈相連，從而改善分散性，所制備的介電彈性體復合材料的力學性能和機電性能優異。

復合材料的應力-應變曲線如圖2所示，從中可以發現，通過添加改性填料復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率得到顯著改善。此外，可以發現曲線的形狀發生變化，特別是當應變大于1000％時，應力隨著應變的增加而迅速增加，這表明填料與MVSR之間的界面粘合性極好。伸長率的增加歸因于BT-Si747納米顆粒干擾了MVSR的交聯，導致交聯密度降低。Si747改性的BT納米顆粒增加了BT-Si747與MVSR之間的界面粘附力，而降低的交聯密度使鏈在外力作用下滑動，從而形成拉伸鏈或平行排列的鏈，因此力學性能得到改善。在較低電場下，復合材料的驅動性能得到了顯著改善。在47.48 kV/mm的電場下可獲得8.81％的電致形變，該值是純MVSR的兩倍（在60.21 kV/mm的電場下為4.4％）。

（三）科研成果在表面改性中的實踐

表面改性是指通過物理或化學方法使材料表面性能發生變化的一類改性方法 ^[2]。與其他改性方法的不同之處：改性僅局限于制品表面100～100|ìm。作者以水性炭黑成果為例引入教學，2023年8月13日，作者團隊和青島黑貓新材料研究院共同研發的“高分散水性炭黑的開發”項目通過了中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定。產品性能指標達到國際同類產品先進水平，打破了國外技術壁壘，可替代國外高端產品，這是我國在高端色素炭黑領域的又一項突破。

普通炭黑表面自由能很高，很容易團聚在一起，且其表面是非極性的，不易被極性溶劑水潤濕，很難在水中穩定地分散，因此限制了它在水性基料中的應用。通過炭黑表面改性，提高炭黑表面的斥力，可在水中形成穩定的溶劑化層，促進炭黑的浸潤性 ^[5]，提高炭黑在水中的分散性，制備出高分散水性炭黑。如圖3所示，分別顯示了原始炭黑和不同反應時間下改性炭黑的傅里葉紅外光譜圖。通過原始炭黑與不同反應時間條件下制備的改性炭黑的傅里葉紅外光譜圖對比，1627cm^-1和1593cm^-1處是C=C骨架的伸縮振動峰，1720cm^-1是-C=O的伸縮振動峰 ^[6]。發現原始炭黑-伸縮振動峰的峰強最小，改性炭黑的峰強增加，其原因是炭黑經過改性后，增加了炭黑表面的含氧官能團含量。

圖3 原始炭黑和不同反應時間下改性炭黑的紅外光譜圖

由科研成果所轉化的教學內容，不僅豐富了課堂教學內容，而且有效地提高了教學質量，在對以上科研實例進行講授和討論時，應用了聚合物改性課程所學的理論知識，來對結果進行分析討論，極大地激發了學生對于學術研究的興趣。不僅讓學生學會將所學理論知識融會貫通，還使學生學會將所學的專業知識在實際科學研究中的真實應用，培養學生分析問題和解決問題的能力，增強了學生的學習熱情和探索自然規律的興趣。

二、結語

目前新工科背景下專業相關課程的教學需要不斷豐富和更新教學內容，以科研促進教學，將科研成果等引入教學中，及時更新教學內容，通過這種教學方法，引導學生更為深入的理解所學知識點，掌握融會貫通的能力，不僅能夠提升課程的教學效果和學生的學習質量，還能培養學生的自主學習能力，提升學生的實踐能力、創新能力。

參考文獻：

[1]李強，徐婉珍，沈洪銳，等.“科研反哺教學”模式在應用型本科院校的探索與實踐[J].計算機工程與科學，2019，41（S1）：153-156．

[2]王國全.聚合物改性[M].中國輕工業出版社，2016.

[3]J. Yuan， L. Liu， X. Wang， L. Xu， L. Zhang， Structure and Performance of Silica Grafted Epoxidized Solution Polymerized Styrene-Butadiene Nanocomposites[J].Industrial amp; Engineering Chemistry Research， 2022， 61（8）， 3031-3043.

[4]M. Han， L. Liu， J. Yuan，L. Zhang，Ternary silicone dielectric elastomer micro-nanocomposites with enhanced mechanical and electromechanical properties[J].Polymer Composites. 2021，42：126-140.

[5]唐昆.原料炭黑性能對水基墨中自分散性炭黑特性的影響[J].炭黑譯叢，2005：12-17.

[6]M. Atif， R. Bongiovanni， M. Giorcelli， E. Celasco， A. Tagliaferro， Modification and characterization of carbon black with mercaptopropyltrimethoxysilane[J].Applied Surface Science，2013， 286：142-148.

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助，項目名稱：高性能介電彈性體的制備與表征（項目編號：JD2210）

作者簡介：

劉玲（1975.5-），女，漢族，河北石家莊人，博士，副教授，研究方向：高分子材料；

張亞潔（1976.12-），女，漢族，遼寧鞍山人，碩士，助理研究員，研究方向：材料科學與工程。