基于新工科理念的高分子材料专业综合教学实验探索

方正军， 易 兵， 李 靖， 邬 峰

（湖南工程学院a.材料与化工学院；b.改革发展处；c.教务处，湖南湘潭411104）

0 引 言

新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新型、系统化、开放式的特征［1-3］。新工科背景下，工科专业的人才培养要求学生具有系统的工程实践学习经验，具备设计和实施工程实践的能力，并能对结果进行分析［4-5］。将科研成果融入实验教学，更新实验教学模式，充实实验教学内容，逐步缩小理论与实践距离，是提高学生工程实践能力和创新能力的重要途径。

在新工科背景下，为了使学生受到良好的工程实践锻炼，一些工科专业开始探索专业综合教学实验内容的改革，增设应用性强的实验项目。王忠辉等［6］在轻化工程专业开设了“基于石墨烯增强的CdTe 量子点电化学发光法测定过氧化氢” 的综合实验；蒋亮等［7］结合材料科学与工程专业和材料成形及控制工程专业的实践教学实际，设计了铁酸镁制备的研究型综合实验。这些实验项目的实施，有利于新工科人才的培养。

高分子材料专业是我校的工科专业，目前尚存在教学内容与实际应用联系不紧密的问题，大部分学生对于如何优化高分子材料制备及成形工艺、设计功能高分子材料、调整高分子材料的特性等常见工程性问题还存在困惑［8］。针对该现象，设计了一个以培养学生综合全面、创新能力强、面向未来的新工科人才为目的的专业综合教学实验——“荧光增白剂在聚丙烯中的应用”。该实验涵盖了高分子材料制备成形、性能测定、结构表征等多方面专业核心课程知识，融合了老师科研项目，突出了实验的综合性、前沿性，强化了实验的实际应用，有利于培养学生创新思维和工程应用能力。

1 实验背景和意义

随着塑料工业的蓬勃发展，人们对塑料制品包括外观性能在内的各项性能要求不断提高以及特殊用途塑料的需求，用荧光增白剂来改善塑料制品的外观性能已越来越受到关注［9-10］。聚丙烯（PP）具有合成工艺简单、相对密度小、加工性及机械性能好等特点，近年来成为发展迅速的一种通用型塑料［11-12］。因此，用于增白PP的荧光增白剂成为高分子材料添加剂领域关注的一个焦点［13］。本实验就是基于这样一个具有前沿性和应用性的科研课题而发展的。

2 实验设计

2.1 设计思路

本实验围绕荧光增白剂这条主线展开（见图1），先制备经不同含量的两种荧光增白剂（KSN 和CBS）增白的PP 样板；再通过测试样板的拉伸、白度、热及抗紫外等性能，比较经这两种增白剂增白的样板性能，得出KSN较CBS 更适用于PP样板增白这一结论；为了解释这一现象，采用扫描电镜对KSN和CBS增白的样板进行结构分析，发现在PP 中添加CBS 增白剂导致PP样板性能较差的原因是因为CBS 和PP 不能很好地相容；为了解决相容性问题，再采用马来酸酐（MAH）对PP 进行改性，将CBS 添加至改性后的PP中，进行性能测试，发现各项性能较未改性前都有较大提高，电镜分析结果也表明，CBS 和改性后的PP 相容性也大幅度增加。这一设计过程充分调动了学生的主动性和积极性，从生疑到释疑，从发现问题到解决问题，有助于学生更好地理解这两类荧光增白剂的特性和适用范围。

图1 实验主要内容和设计思路

2.2 实验目的

（1）学习高分子材料添加剂的特性及添加工艺、高分子材料制备及成形工艺，并掌握工艺优化技术；

（2）掌握高分子材料性能测试和结构表征技术，分析原因，并找到解决办法；

（3）掌握高分子材料改性方法及改性工艺的优化；

（4）培养学生创新思维能力和实践应用能力，提升学生团队合作意识、意志力、责任感等综合素质；

（5）拓宽学生视野，激发学生对高分子材料添加剂的关注，并针对该方向开展更多的研究工作。

2.3 实验试剂与仪器

（1）实验试剂。过氧化苯甲酰、硬脂酸、马来酸酐，天津科密欧化学试剂有限公司；分析纯丙酮、二甲苯、无水乙醇，广东汕头市西陇化工有限公司；KSN 和CBS荧光增白剂，东莞市山一塑化有限公司；聚丙烯，中国石油化工集团。

（2）实验仪器。集热式恒温磁力搅拌器（DF-101S，巩义予华）、循环水式真空泵（SHZ-D（Ⅲ），巩义予华）、旋转蒸发仪（RE-52，巩义予华）、真空干燥箱（ZK-82，上海市实验仪器）、白度计（WSB-2，上海昕瑞）、热失重分析仪（HENVEN，北京恒久）、平板硫化机（50180，东莞壹锐）、防紫外线及防晒测试仪（YG902C，宁波大禾）、拉伸性能试验机（WDW，济南凯锐）。

2.4 实验方案

2.4.1 增白塑料试样的制备［14-15］

按照荧光增白剂与PP 配比分别为0.005%、0.010%、0.015%和0.020%，称取一定量的荧光增白剂KSB，分别与0.3 g 硬脂酸混合后，加入装有10 mL无水乙醇的烧杯中，待固体溶解后，再与30 g PP在烧杯中均匀混合，将混合物倒在模板上铺展均匀，置于在平板硫化仪，待无水乙醇挥发后，设置参数，制备荧光增白剂KSB 增白的塑料试样。塑料试样成形条件设置为上板温220 ℃，下板温200 ℃，低压时间4 min，高压时间6 min，冷却时间3 min。成形前和成形后的样品见图1。在同样的方法和条件下制备荧光增白剂CBS增白塑料试样。

2.4.2 试样的性能测试

（1）热稳定性能测试。对增白后的试样进行热稳定性能测试，观察荧光增白剂对PP 热性能的影响。称量5 ～10 mg的样品放入陶瓷小坩埚中，在加热炉的天平上左侧放置不加试样的小坩埚，右侧放置加试样的小坩埚。通入氮气，温度由室温升至600 ℃，升温速率为10 ℃/ min。采集数据，根据热重曲线得到Te、Ti和Tr3 个数值。

（2）拉伸性能测试。根据实际情况（主要是试样的长度及夹具的间距）设置好限位装置；设置参数；夹持试样，使试样纵轴与上、下夹具中心线相重合；运行，开始试验，待试片拉断后，打开夹具取出试片；重复测定5 个试样；数据处理，绘制聚合物应力-应变曲线。

（3）白度性能测试。打开仪器电源，让白度仪预热30 min，调零及校正后，将试样上光滑无气泡的位置对准仪器光孔的位置进行测试。测量6 个点，计算平均值。

（4）抗紫外性能测试。将试样板上找出一块光滑无气泡的区域剪出一块半径为2 ～3 cm圆形。打开电源，让机器预热30 min，将剪出的目标物放入防紫外线及防晒测试仪中，设定参数，进行测定。

2.4.3 试样扫描电镜分析

取直径为10 ～15 mm 的试样，置于样品台，喷一层约10 nm厚度的金膜导电层。在20 kV 的高压下，改变聚光镜电流和放大倍数，利用二次电子信号成像观察样品分散均匀性和表面形貌。

2.4.4 MAH改性PP［16］

在装有搅拌杆、球形冷凝管和滴液漏斗的三口烧瓶中，加入5.0 g PP和50 mL二甲苯，电动搅拌，升温至110 ℃，加入MAH，待物料完全混合均匀，升温至130 ℃后，边搅拌边滴加溶有0.1 g过氧化苯甲酰的二甲苯溶液，滴加完毕，继续搅拌3 h，降温60 ℃，加入丙酮，析出胶状固体，抽滤，丙酮淋洗，用滤纸包好置于索氏提取器，用丙酮提取24 h，在80 ℃下真空干燥，得到PP-g-MAH。

2.4.5 数据分析

整理两类增白剂对PP 增白后试样的性能数据，采用Origin作图，分析PP改性前和改性后增白试样的热、拉伸、白度及抗紫外性能。

2.5 思考与讨论

（1）试样制备成形后，如何初步确定样板中增白剂的均匀程度？

（2）在试样制备过程中，如何提高荧光增白剂与塑料PP粒子的混合均匀度？

（3）是否增白剂量越多，增白效果越好？为什么？

（4）试样的热稳定性能测试时，为什么要使用氮气气氛？

（5）扫描电镜分析时，加速电压对谱图质量有何影响？

（6）哪些因素对改性后的PP质量有影响？

3 教学效果

（1）理论联系实际，使学生从“知其然”到“知其所以然”。本实验是功能高分子材料领域的一个研究热点，实验内容以特殊用途塑料这一实际应用为主线，探讨不同类型荧光增白剂对塑料性能的影响。内容涵盖了基础化学和专业课程的多个知识点和实验技能，在实验过程中，学生需要将这些知识灵活运用，用以指导实验。不仅加强了学生理论联系实际的能力，同时锻炼学生解决实际工程问题的能力，强化学生的工程实践意识和专业技能训练、探索能力开发模式。使学生对项目的原理和工艺不再仅仅只停留在表面，使学生从“知其然”过渡到“知其所以然”。符合“新工科” 建设与发展的内涵及“回归工程实践”工程教育理念。

（2）问题导向，助推学生创新能力培养。让学生设计实验方案，完成KSN和CBS这两种荧光增白剂对PP的增白，并测试增白试样的性能，通过数据分析，学生发现问题。例如就增白性能来说，通过对这两种增白剂的增白效果比较，发现CBS 达到一定添加量后，样板的白度迅速减弱，但是KSN仍然有一个上升的趋势（见图2），即CBS的泛黄点浓度较KSN低。为了解释这一现象，揭开谜团，引导学生研究经这两种增白剂增白后试样的结构，解惑释疑。学生带着问题进一步查阅资料，进行知识迁移，采用MAH对PP进行改性，解决PP和增白剂不相容的问题，从而提高了CBS 的泛黄点浓度（见图3）。整个实验过程，从生疑到释疑，从发现问题到解决问题，激发学生探究和学习的激情，充分发挥学生的主动性和创造性，更利于学生创新能力的培养。

图2 KSN和CBS含量对PP增白性能的影响

图3 KSN和CBS含量对改性后PP增白性能的影响

（3）多维度提高学生综合素质。通过查阅文献，了解荧光增白剂的种类，同时也了解部分荧光增白剂给环境带来一定的污染，引导学生树立环保意识，增强学生保护环境的责任感；在实验前，根据同组异质、异组同质的原则，对学生进行分组，学生在文献查阅、实验方案确定、方案实施、实验结果分析，都以小组合作完成，锻炼了学生的沟通能力，培养学生团队合作精神；在发现CBS荧光增白剂对PP增白效果差时，鼓励学生“刨根问底”，最终明白问题所在，并找到解决问题的办法，这一过程，不仅使学生收获了成就感，同时在一定程度上培养学生拼搏精神与意志力。

4 结 语

该实验通过PP 样板的制备与成形，使学生掌握高分子材料成形加工原理、工艺影响因素及优化；通过马来酸酐对塑料PP 的改性，对学生进行有机合成及提纯方面的知识与技能训练；通过仪器分析测试及表征，使学生掌握仪器的基本原理和操作方法；通过数据比较与分析，使学生掌握数据处理方法及相关作图技巧。侧重培养学生的综合运用能力和创新思维，强化学生的动手实践能力，以及学生自主获取知识和综合应用知识的能力，多维度提升学生的综合素质，为培养综合能力全面、创新能力强、面向未来的新工科人才打下良好的基础。