熔体纺丝在材料专业实验教学中的利用

孙 君，戴礼兴，程 丝，王新波

(苏州大学 材料与化学化工学部，江苏 苏州 215123)

熔体纺丝在材料专业实验教学中的利用

孙 君，戴礼兴，程 丝，王新波

(苏州大学 材料与化学化工学部，江苏 苏州 215123)

针对苏州大学材料专业的特点及现有的实验条件，对材料专业实验中熔体纺丝的实验教学进行了改进，将以往熔体纺丝作为演示性和验证性的实验改为大型的综合性、实践性质的实验。结果表明，通过亲自动手设计实验和操作实验设备，学生对熔体纺丝实验有了更深刻的理解，更好地掌握专业知识，同时也有利于教师和学生的教学与科研互动。

熔体纺丝；差别化；结构与性能；互动

实验教学是提高本科教学质量的重要环节，在培养学生的实践能力、分析和解决实际问题的能力以及严谨的科学态度方面，具有其他教学环节不可替代的作用[1]。熔体纺丝实验教学是苏州大学材料科学与工程专业和高分子材料与工程的大型实验课程中的重要一部分。这一实验是围绕着我校对上述两个专业的培养目标——即着重培养能在高分子材料的设计、合成、改性、加工成型及应用等领域从事科学研究、技术开发、工艺设计、生产及经营管理等方面工作的具有创新能力和创新精神的高级工程技术人才而开展的。

我校的熔体纺丝实验是工业生产上纤维成型加工生产基本过程的一种小型模拟，是对纤维成型技术问题进行综合实践，对纤维成型工艺探索发现和技术创新方法提供训练，学生可以自行设计实验工艺参数并亲自动手操作，体验和真正理解理论课上所讲的纤维成型加工技术。

1 过去熔体纺丝教学实验的问题

合成纤维的成形普遍采用高聚物的熔体或浓溶液进行纺丝，前者称为熔体纺丝，后者称为溶液纺丝。熔体纺丝主要工艺包括：纺丝熔体的制备;熔体从喷丝孔挤出;熔体丝条的拉伸、冷却固化以及丝条的上油和卷绕[2]。

我校的熔体纺丝设备是集纺丝、牵伸和卷绕于一体且属于切片纺丝的大型加工设备，有专任的实验技术员进行管理。目前，许多高校都在探讨如何提高大型仪器的利用率，充分发挥大型仪器的使用功能，如何让大型仪器设备既能为高校的教学、学科建设与发展服务，又能为高水平的科研工作和高水平的论文发表服务[3]。

在以往的教学实验过程中，由于受到实验的课时数和实验的设备台数的限制，熔体纺丝的实验教学一般是作为一个演示性和验证性的实验。通常，由实验指导教师讲解原理，介绍螺杆以及计量泵的工作原理，由实验技术员以PP作为纺丝原料来做演示实验，单一的纺制常规的圆形丝，对纤维的牵伸等不做要求，能够将纤维卷绕起来便意味着教学实验的结束。然而，使用PP作为纺丝原料进行纺丝，是熔体纺丝中工艺较为简单的一种，如果只是向学生介绍和演示这种简单的实验，会导致学生对纤维成型只有片面的认识，而并不能对于纤维成型整个工艺过程有一个较为全面的了解。特别是，我校高分子材料专业的学生其专业方向大部分侧重在高分子材料加工及纤维方向[4]。因此，在纤维成型中原料的差别化以及异型丝的开发与普及是必要的，尤其应让学生充分了解工艺参数对纤维性能的影响。

2 教学模式的更新

实验课的教学模式在不断地探索和改革中成长[5_8]，但着眼点基本是以学生为中心，要调动学生的积极性，使实验教学具研究性以及探索性。熔体纺丝实验教学内容原来是一个纯粹的纺丝实验部分。即由实验技术员先行将纺丝原料准备好，设置并调节好纺丝工艺，然后再让学生按照实验指导老师演示的操作步骤，进行机械式的重复，根据将纺丝用切片纺制成合格纤维的总要求，将实验修改为三个部分，即向前增加了纺丝前的原料准备工作，向后延伸了纺丝后的性能测试与分析工作，并且，纺丝工业参数在实验技术员指导下由学生在合理范围内自行设定。让学生自行分组，针对不同纺丝原料，分别设计实验方案，制定相应的工艺参数，自己动手操作，观察和分析试验中的各种现象并测试自己制备的纤维的结构和性能，真正掌握结构、性能与加工工艺之间的关系。并且，可以与其他组成员的结果相对照，可以较为全面地分析工艺参数对纤维性能的影响，以期完善自己的设计。因此，此实验的开设，可以调动学生的主观能动性，积极参与，合理分工，进而培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，更能使其加强对知识的综合理解和应用能力，将多学科知识交叉运用，做真正的工科型人才[9]。

3 熔体纺丝实验教学

3.1 原料的准备

熔体纺丝实验不同于一般的高分子化学实验，前期的准备工作较多，而且，为了达到原料的差别化，我们除了购买市售的纺丝切片如PP、PET、PA6等，还利用现有的实验教学设备聚合反应釜，自行聚合出一些改性纺丝原料。通过纺丝教学实验，让学生对高分子原料从聚合到纺丝成型有一个感性的认识;另外，我们同时配备了异型丝的喷丝板，通过更换喷丝组件中的喷丝板，可以让学生直观地看到常规丝和异型丝的差别化。正是由于原料的多样化，既需要学生能够对切片进行一系列的纺前处理;干燥、含水率的检测、熔融指数测定，玻璃化转变温度的测定等，还可以让学生对不同纺丝原料有一个直观的了解。

3.2 熔体纺丝实验

我们的熔体纺丝机是一套集纺丝和拉伸于一体的设备，最高卷绕速度可达2 550 m/min，故而可以制备具有一定强度以及取向度的牵伸丝。具体的步骤为：在教学实验预习中，首先向学生讲述熔体纺丝机的工作原理，实验过程中需要变更的参数;然后，通过对学生进行分组，用不同的纺丝原料，或者是相同的纺丝原料，但是想要得到一定线密度的成品丝，让学生自行查阅文献，检测分析原料成分之后，设计纺丝工艺参数。实验指导教师对学生设计的纺丝工艺参数先进性初步判定是否可行，判定可行的基础上，再指导学生进行上机的纺丝操作。

3.3 纤维性能的检测以及影响因素分析

为了让学生进一步了解到纤维成型后性能的优劣，我们在安排熔体纺丝的实验教学时，并不是完成了纺丝实验便结束了教学过程，而是要求学生对自己纺制的纤维进行相关的检测，进而理解不同的纺丝工艺对纤维性能的影响。目前，我们在学生完成纺丝试验之后，还要进行如下的性能检测：测定纤维的线密度，观察纤维的截面，测定纤维的断裂强度以及断裂伸长率，测定纤维的取向度等。由于每组学生实验的工艺参数均不相同，即使使用的是相同的原料，在纺丝的过程中，指导教师通过调节油盘的转速，即可让学生理解油剂对纤维成型的作用;牵伸盘温度以及转速，就能使学生了解牵伸倍数和温度对纤维的线密度、断裂强度以及取向度的影响。也正是由于采用分组多层次的实验，从而使学生能够对纤维成型及其影响因素有一个较为直观的了解，在加深感性印象的同时，由指导老师进一步将他们的实验结果归纳分析，建立理性的知识结构层次。学生在经过自己分组动手实验，并且与其他同学的工艺相比较，可以非常直观地判定出纺丝拉伸工艺对纤维成型的影响，分析出自己设计的试验工艺的优劣，从而培养了学生的自主意识和创新意识。

4 结束语

对熔体纺丝机功能的开发并在学生实验及教学中进行普及利用，有利于学生更好地掌握专业知识，有利于教师和学生的教学与科研互动，同时也增加了该设备的利用率。通过在熔体纺丝试验中由学生自己进行原料的分析测试、设定纺丝工艺参数和纤维成型后对其相关性能的检测，使学生对聚合物成型纤维加工认识，从理论到实际，有很大提高。对纺丝机的结构、工作原理和加工工艺的理解有质的飞跃，在培养学生的创新精神、实践动手能力和团队分工协作等方面均取得了较好的效果。

[1]程丝，王新波，严明.高分子材料专业大型实验教学的实践与探索[J].纺织教育，2008(1)：53_54，11.

[2]董纪震，罗鸿烈，王庆瑞，等.合成纤维生产工艺学[M].2版.北京：中国纺织出版社，1996.

[3]李海林，廖欣军，刘红梅.关于高校大型仪器设备提高利用率的探讨[J].实验室科学，2008(2)：177_ 178.

[4]程丝，范丽娟，王新波.红外光谱仪在材料专业实验教学中的利用及实践探索[J].实验室科学，2009(2)：159_160，163.

[5]谢月新，黄小益，谭乔来，等.研究型实验课教学模式的试验报告[J].中国现代教育装备，2011(1)：126 _128.

[6]史凤隆，邹开凤.探索新的实验课教学模式培养学员创新能力[J].实验室科学，2008(2)：19_20.

[7]王富武，武玉玲，郝爱军，等.改革教学模式提高组织学实验课教学质量[J].解剖学杂志，2006，29(1)：2，75.

[8]谭萍，郭萍.化学实验课教学模式新思考[J].知识经济，2011(10)：151.

[9]白秀娥，戴礼兴，严明.聚合物加工实验课程体系的改革与建设[J].实验室研究与探索，2008，27(6)：16_18.

Utilization of M elt-spinning on the EXperiment and Teaching of M aterials Specialty

SUN Jun，DAILixing，CHENG Si，WANG Xinbo
(College of Chemistry Chemical Engineering and Materials Science，Soochow University，Suzhou 215123，China)

The experiment teaching ofmelt-spinning course formaterials specialty was improved considering the characteristics ofmaterial specialty and the existingmelt-spinning equipment of Soochow University.Allmelt-spinning processwere demonstrated by teachers in previous experiment teaching process，practicalmelt-spinning experimentwere explored through requiring students to design experiments and operate instruments in person，which is different from previous experimental teaching.The result showed that the exploitation and improvement ofmelt-spinning experiment teaching ismore beneficial for students to grasp the profession knowledge and to strengthen the connection between teaching and research.

melt-spinning;differential;structure and properties;mutual

TQ31；TQ34；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.035

2012_09_07；修改日期：2013_10_12

江苏省优势学科建设工程资助。

孙 君（1984_），男，硕士，助理实验师，主要从事高性能纤维研究及教学工作。