《高分子物理》课程建设及教学方法探讨

胡应模　吕凤柱　安琪　张以河

摘要：高分子物理作为高分子材料及相关专业的专业基础课，受到人们的广泛重视。本文介绍了中国地质大学（北京）高分子物理课程的内容设置，探讨了特色专业中高分子物理的教学方法；以结构与性能关系为中心，从基本概念、影响因素分析入手循序渐进的教学方式，结合科研实验教学，增进学生的互动思维能力，得到同学们的一致认可。

关键词：高分子物理；教学方法；教学互动；实践教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）38-0165-03

中国地质大学（北京）材料化学专业自1995年设立以来，一直在为自己的专业特色不断地思索，最初的以矿物结构与性能分析为专业方向，经过了20年不断地求索和发展逐渐过渡到了以功能矿物材料为基体的功能矿物/高分子复合材料为特色的专业方向，让材料化学专业毕业的学生既具有系统的矿物材料的知识体系，同时掌握高分子材料、复合材料领域的基础知识，把矿物的功能与高分子聚合物的优良性能相结合，培养出新型功能复合材料的综合型人才，更好地适应时代的发展和社会的需求，因此在2010年修订培养方案时，高分子物理作为专业基础课纳入了新的培养方案[1]。

《高分子物理》是高分子材料及相关专业的重点专业基础课，主要阐述了高分子的结构与性能的关系[2]，即高分子物质的结构与各层次结构单元的运动规律的学科，涉及的概念以及内容较多，且仍在不断丰富和完善之中，所以要讲好和学好高分子物理课程都具有一定的难度。所以如何讲授好《高分子物理》课程一直是我们在思考的问题，通过多年的教学实践与经历，对本专业的高分子物理课程教学大纲和教学方法进行改进，为新一轮教学大纲的修订提供参考，以增强教、学效果。

一、教学内容设置

在培养方案制定时考虑到宽口径、重特色、存个性发展的原则，尽可能压缩课堂教学，注意学生自学能力的培养，培养方案修订时要求压缩课堂教学，所以高分子物理课程只设了32学时，在学时数较少的情况下如何让学生熟练掌握高分子物理的主要内容，而是教学内容的设置尤其重要。

高分子物理阐述的是高分子的结构与性能之间的关系，我们拟通過对高分子链结构、凝聚态结构、高分子溶液性质、分子运动与转变、粘弹性、聚合物的屈服与断裂以及其光、电、阻尼性、表界面特性等相关内容的讲授，让学生掌握高分子结构与性能关系，了解高分子材料性能设计的基本原理，为今后的学习和研究打下良好的基础。

二、教学方法探讨

针对我校材料化学专业的特色和知识体系结构状态，对高分子物理的讲授采取循序渐进的方式，从基本概念的介绍、影响因素的分析来阐述高分子的结构对性能的影响，结合科研实验教学让学生体会从理论学习到实际应用的直观感受，并使学生带着问题去查阅相关资料，调动学生的学习积极性。

1.基本概念介绍。为了让学生更好地理解高分子物理的内容，首先必须让学生对一些基本概念充分理解，将有利于后面相关内容的学习。高分子物理的主要内容是高分子聚合物的结构与性能的关系，那么高分子的结构是什么，它包括近程结构、远程结构和凝聚态结构。

近程结构也叫聚合物的一级结构，是构成聚合物最基本的微观结构，包括高分子基本结构单元的化学组成和立体化学结构，即高分子链的原子种类、排列顺序、取代基和端基的类别、单体单元的链接方式、支链的类型和长度等，也就是聚合物链的基本组成；除了聚合链的化学结构外，聚合物链的大小、形态也会影响聚合物的性能，叫聚合物的远程结构又称为二级结构，指单个大分子链的大小、形状（构型、构象），如：直链、无规线团、折叠链等直接影响聚合物的宏观性能；另外，聚合物分子链之间的堆砌方式形成了由微观结构到宏观结构的过渡，称为聚合物的凝聚态结构，主要指大分子链之间的几何排列方式（如何堆砌形式），包括晶态结构、非晶态、取向态、液晶态、织态结构等，凝聚态结构是在聚合物的加工过程中形成的，直接影响了聚合物的宏观物理性能。只有充分理解这些基本概念的真实含义，才有利于理解聚合物的不同性能，如柔性链、刚性链、玻璃化转变温度等，不同材料的性能就能相应的从其结构得到合理解释，为材料的设计打下良好的基础。

2.影响因素分析。要从聚合物的结构预测其性能，首先必须了解影响聚合物性能的基本因素，如：聚合物的耐热性能就是聚合物的重要指标之一，表征聚合物热性能的基本参数是“玻璃化转变温度（Tg）”。那么什么是玻璃化转变温度，影响Tg的因素有哪些，如何从影响聚合物Tg的因素来讨论聚合物的性能（从微观分析到宏观性能）等，作为一条主线来介绍聚合物的结构如何影响其性能。首先，玻璃化转变是非晶态高分子聚合物的固有性质，是高分子运动形式发生转变的宏观体现，主要体现在恒定的外力作用下，聚合物的形变与温度的关系，从聚合物玻璃态向高弹态发生转变的温度叫做“玻璃化转变温度（Tg）”，它直接影响到材料的加工工艺和使用性能，一直以来是高分子物理研究的重要内容。聚合物的Tg的高低决定了聚合物的应用领域，一般地，Tg是橡胶的使用下限温度，塑料使用的上限温度，从学科上说Tg是衡量聚合物链柔性高低的表征温度，Tg越小，链的柔性越好，常用作橡胶；Tg越大，链的刚性越好，主要用作塑料。那么要考察影响聚合物的性能，首先要掌握影响聚合物玻璃化转变温度（Tg）的因素，从分子结构上讲，玻璃化转变是高聚物从冻结状态到解冻状态的一个松弛过程，在玻璃化转变温度时高分子链段开始运动，高分子链或链段的运动能力又取决于高分子链的柔性，聚合物玻璃化转变实际上就是高分子链段运动的宏观表现，所以考察影响玻璃化转变温度（Tg）的因素从讨论影响高分子链柔性的因素即可。

讨论影响高分子链的柔性，需要从内因和外因两个方面来进行考虑，内因是指分子链结构，又回到了结构决定性能的基本观点。首先是主链的结构，若主链全由C-C单键组成，内旋转容易，链柔顺性好，Tg低；主链含有芳杂环时，内旋转难，链柔性差，Tg高；主链中含有孤立C=C双键时，链柔顺性好，Tg低；但含有共轭双键时，链不能旋转，是刚性链，Tg高。其次是取代基的结构，取代基的极性越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差，Tg高；非极性取代基的体积越大，内旋转位阻越大，柔顺性越差，Tg高；链段之间若能形成氢键，高分子链的柔性较差，Tg高；若分子链中的取代基形成对称分布，其柔顺性大于不对称分布的链，Tg要低些。（3）高分子链的长短，对于同类非极性聚合物在一定限度内，链越长柔性越好，Tg有所降低。（4）分子间作用力，分子间作用力增大，阻止分子链内旋转，则柔顺性减小，Tg升高。（5）支化和交联，支链长，则阻碍链的内旋转，柔顺性下降，Tg升高；当交联度不大时（含硫2-3%的橡胶）对链的柔顺性影响不大，但交联度达到一定程度时分子链不能转动，Tg升高。（6）分子链的规整性，分子结构越规整，容易形成紧密堆积，结晶能力强，则柔顺性变差，Tg升高。玻璃化转变实际上是高分子链段运动的宏观表现，除了上述内因外，还与测定条件相关，如温度、外力及检测的频率等，测定的温度越高，分子链越容易运动，表现出较好的柔性，测得的Tg偏低；外力越大，分子链被强迫形变，表观柔性增加，测得的Tg偏低；另外，反复对同一个式样测定，会使分子链发生松弛，表现柔性增加，Tg偏低。endprint

玻璃化转变温度（Tg）是非晶态聚合物的一个重要的物理性质，在发生玻璃化转变，许多物理性质发生急剧变化，如模量、比容、折光指数、粘度、介电常数、比热等，聚合物的模量从玻璃态转变为高弹态时一下跌落几个数量级，玻璃化转变温度也是凝聚态物理基础理论中的一个重要问题和难题，涉及动力学和热力学的众多前沿问题，玻璃化转变的理论还在不断的发展和完善中。

3.结合科研实验教学。为了让学生更好地理解相关内容，我们结合实验与科研结果进行分析，如通过乌氏粘度计法测定聚苯乙烯的分子量，了解聚合物溶解的过程和乌氏粘度计测定聚合物分子量的基本原理。聚合物的溶解与小分子的溶解有明显的差别，小分子化合物（如：食盐或糖）放入其良溶剂中很快扩散到溶剂中形成均匀的溶液，而聚合物在其良溶剂中的溶解分为溶胀和溶解两个阶段，首先聚合物与溶剂接触时，由于聚合物链与溶剂分子大小相差悬殊，溶剂分子向聚合物渗透快，而聚合物分子向溶剂扩散慢，结果溶剂分子从边沿向聚合物分子鏈间的空隙渗入，链间距逐渐增大，体积慢慢胀大，但整个分子链还不能完全运动，这一阶段叫聚合物的溶胀；随着溶剂分子的不断渗入，聚合物分子链间的空隙增大，加之渗入的溶剂分子还能使高分子链溶剂化，从而削弱了高分子链间的相互作用，使分子链得以运动，直至脱离其他链的作用，进入溶液中，当所有的高分子都进入溶液后，溶解过程方告完成，形成了均匀的溶液，这一阶段才叫聚合物的溶解。聚合物从放入溶剂开始，经溶胀到溶解这一过程的时间较长，根据分子量的大小，要几个小时或几天甚至更长的时间。

前人研究证明聚合物的分子量与其特征粘度具有如下关联：[η]=KMα，对于一定聚合物-溶剂体系，在一定温度下，K、α是两个恒定的参数，可以从相关手册上查到，若能测出聚合物的特征粘度[η]，就可得其分子量M[2]。乌氏粘度计法是测定聚合物粘度的基本方法，通过对聚苯乙烯的分子量的测定，了解乌氏粘度计（图1）法测定聚合物分子量的基本原理、影响因素以及其数据处理（图2），图中ηsp、ηr分别为聚合物的相对粘度、增比粘度。

利用乌氏粘度计测定聚合物的粘度时，一般都需配置聚合物的稀溶液（浓度约为10-3g/mL），稀溶液中液体的粘度可用η=k·t来表示，其中k为与粘度计及溶液密度相关的常数（10-3g/mL的稀溶液与溶剂的密度近似相等），t为液体从a线开始到b线的流经时间（图1），所以相对粘度ηr=t/t0、增比粘度ηsp=（t-t0）/t0，t为聚合物溶液的流经时间，t0为纯溶剂的流经时间。实验时，配置不同浓度的聚合物溶液，用乌氏粘度计分别测定其流经时间，记录实验数据，通过对实验数据的处理作图（类似图2），作反向延长线与Y轴相交即可得该聚合物的特征粘度[η]，依据[η]=KMα即可计算出该聚合物的分子量（M）。通过该实验既可以直接观察聚合物的溶解过程，又掌握了乌氏粘度计测定聚合物粘度的基本原理、操作方法与注意事项，了解影响聚合物粘度测定的主要因素。

4.学生互动。老师在准备课堂教学时要阅读大量的相关资料信息，这过程学生并不了解，只是上课时被动地听老师介绍，因学生有时缺乏系统广泛的知识，常常一知半解，老师的辛劳有点白费。如何调动学生的学习主动性、增进教学互动、增进教学效果，是每一位老师应该深思的问题，除了课堂提问外，让学生带着问题听课也是一种值得尝试的方法[3]。为了调动学生们的学习积极性，主动思考问题，第一次上课时给同学们布置任务，让学生几个人一组，对聚合物的性质（导电性、耐热性、光学性质、磁学性质、阻尼性、表面及界面性能等）任选一主题，对聚合物具有这一性能的原理、结构与性能的关系、及其应用现状等进行资料查阅、整理，做成PPT课件后在课堂上给大家进行介绍、大家提问讨论。这样的话，当同学们选定了主题后，就会主动进行文献资料查询，课堂上也会自觉注意听取相关的内容，同时培养学生的自主学习归纳总结的能力，相助合作的精神，广泛收集相关资料，也极大地扩展了同学们的知识面，比老师一一介绍更生动，得到了同学们的一致认可。

三、结束语

高分子物理是研究聚合物结构和性能的一门学科，为从事高分子聚合物设计、改性、加工及应用的科技工作者必须掌握的基础知识，既有较强理论性又具有很强应用性，概念多、抽象而不容易掌握其内容。在32学时内要系统地学习完这么多的内容，需要我们每一个老师认真地考虑如何组织教学内容、改进教学思路，除了讲授重点突出，需要“理论与实验”相结合便于学生直观形象地理解，还必须引导好学生主动思考的学习习惯，培养学生的创新思维，以科学的方法和技巧去开发他们的创造才能，为他们以后从事科研开发工作打好扎实的基础。

参考文献：

[1]中国地质大学（北京）本科培养方案[Z].2010年9月.

[2]金光日，华幼卿，高分子物理[M].第三版.化学工业出版社，2009.

[3]黄增芳，马军现，王可.高分子物理课程中的互动式教学探索和实践[J].广州化工，2015，43（13）：196-197.endprint