材料工艺学开放式实践教学与大学生创新能力培养

牛永盛, 李红春, 师进生, 刘清芝

(青岛农业大学 化学与药学院, 山东 青岛 266109)

材料工艺学开放式实践教学与大学生创新能力培养

牛永盛, 李红春, 师进生, 刘清芝

(青岛农业大学 化学与药学院, 山东 青岛 266109)

结合教师的科研项目,培养大学生在科研理念引导下,通过“聚碳酸亚丙酯/醋酸淀粉薄膜的制备与表征”的实践过程,使学生在课余时间利用实验室的科研设备,完成前沿的二氧化碳固定成塑料材料及其改性的内容,掌握薄膜的制备工艺,了解表征方法。通过复合薄膜制备的实践锻炼,使学生经历了知识、能力、科研素质和创新能力的培养,同时探索开放式实践教学如何发挥学生的创新意识和独立从事科研的能力。

开放式实验教学； 人才培养； 科研创新意识； 实践创新能力

材料工艺学作为一门必修课程,实践环节成为本课程的一大难点。在本课程中涉及到的实验,要么设备昂贵、要么精密度高,现有数稀缺，不适合开设集中实验课程。基于此,结合教师的科研项目,针对一些材料制备加工方面的项目选择性开设一些开放性研究实验,使学生的动手能力得到锻炼,对材料的合成原理、应用、研究新方法和发展前景得到学习或掌握,自学和研究开发能力、实践创新能力得到培养[1-2]。本文以脂肪族聚碳酸酯的合成与加工工艺为例,介绍开放式实验教学的模式。

在授课时,首先讲解材料合成的意义。去年国内外学者广泛报道了二氧化碳的利用技术,美国橡树岭国家实验室研发了一种嵌入钉状纳米碳的纳米铜颗粒的催化剂,在温和条件下把二氧化碳转化为乙醇[3]；另有一个国际科研小组研发了一种将二氧化碳转化为固态碳酸盐的新技术[4]；我国科学家孙剑和葛庆杰首次实现了二氧化碳直接加氢制取高辛烷值汽油[5]。这些新技术可激发对二氧化碳固定的兴趣,到了1989年日本学者将二氧化碳转变为脂肪族聚碳酸酯[6],还有其他学者进行了大量的研究工作[7-9]。为了提高其性能,我们研制了一种复合薄膜。具体设计如下。

1 方案与步骤

1.1 方案

首先,要求学生围绕着二氧化碳基塑料查阅相关的参考文献,并撰写较高水平的文献综述。其次,安排学生跟随教师课题组讨论实验实施方案,使学生了解课题内容、实验原理、实验方法和实施过程。最后,由学生自主进行以下实验:

(1) 利用二氧化碳和环氧丙烷共聚反应制备聚碳酸亚丙酯；

(2) 利用醋酸改性淀粉,制备酯化淀粉；

(3) 利用流延法制备复合薄膜；

(4) 对复合薄膜的微观形态和力学性能进行测试分析。

通过这一个开放性实验,不仅使学生掌握基本知识和科研技能,而且在完成过程中培养学生独立思考、自己动手的研究创新能力[10-11]。

1.2 实验方法步骤

(1) 采用二氧化碳和环氧丙烷共聚反应合成聚碳酸亚丙酯。把催化剂加入到干洁的高压反应釜,抽真空,注入一定体积的环氧丙烷,通入预定压力的二氧化碳气体,加热搅拌开始反应。反应结束后,排除未反应的二氧化碳气体,加入一定体积的丙酮,使聚合物完全溶解,用水沉降,洗涤,干燥。

(2) 醋酸淀粉的制备。将新干燥的淀粉和乙酸混合搅拌,然后缓慢添加冷的乙酸酐,升温反应。对反应产物通过过滤、蒸馏水洗涤、干燥。

(3) 聚碳酸亚丙酯/醋酸淀粉薄膜的制备。将聚碳酸亚丙酯和醋酸淀粉按一定比例溶解在二氯甲烷中,剧烈搅拌。然后利用流延法在玻璃板上铺膜,干燥后,脱模。

(4) 红外吸收光谱分析。本实验材料压片法制备试样,扫描范围4 000～500 cm-1。

(5) 扫描电镜测试。将试样在液氮中冰冻脆裂,在断面真空镀金,观察断面形貌。

(6) 力学性能测试。将制备的薄膜利用哑铃型裁刀制备标准试样,利用微机控制电子万能试验机进行拉伸实验,测定拉伸强度和断裂伸长率,同一样品重复3次,取平均值。

2 结果与分析

2.1 红外分析

淀粉与醋酸淀粉的红外谱图见图1。在3 452.51 cm-1处是淀粉分子中羟基的伸缩振动峰,而醋酸淀粉的羟基峰变为3 492.98 cm-1,而此峰变窄,强度明显减弱。同时在醋酸淀粉的红外谱图中,在1 748.25 cm-1处出现了羰基的伸缩振动峰,在1 377.56 cm-1和1 241.22 cm-1处为乙酸的特征吸收峰。这证明醋酸淀粉被成功酯化。

图1 淀粉和醋酸淀粉的红外谱图

2.2 微观形态分析

聚碳酸亚丙酯薄膜、聚碳酸亚丙酯与淀粉的薄膜和聚碳酸亚丙酯与醋酸淀粉的薄膜断面的扫描电镜照片见图2。从图2(a)可以看出,聚碳酸亚丙酯薄膜的断面光滑均一。聚碳酸亚丙酯与淀粉的薄膜断面图2(b)具有明显的颗粒,说明聚碳酸亚丙酯与淀粉明显分离,并且淀粉在聚碳酸亚丙酯基体中分散不均。对图2(c),聚碳酸亚丙酯与醋酸淀粉的薄膜断面均匀分散一些小颗粒,相界面变得模糊,这说明酯化的醋酸淀粉与聚碳酸亚丙酯之间的相容性改善。

图2 薄膜断面的扫描电镜图

2.3 薄膜的力学性能

聚碳酸亚丙酯薄膜、聚碳酸亚丙酯与淀粉薄膜和聚碳酸亚丙酯与醋酸淀粉薄膜的拉伸强度和断裂伸长率见图3。与聚碳酸亚丙酯薄膜相比较,聚碳酸亚丙酯与淀粉的薄膜的拉伸强度和断裂伸长率明显降低,这也进一步表明聚碳酸亚丙酯薄膜和淀粉的相容性较差,两相界面易产生应力集中,从而使薄膜材料的力学性能减弱；对于聚碳酸亚丙酯与醋酸淀粉薄膜的断裂伸长率明显增强,这表明两者具有较好的相容性。同时由于醋酸淀粉的引入,增加了聚碳酸亚丙酯分子链间的距离,削弱了聚碳酸亚丙酯分子间作用力,是薄膜的柔韧性提高,进而拉伸强度下降。

图3 薄膜的力学性能

3 结语

这种开放式研究性实验的实施,拓宽了学生的知识面,激励了学生探究实验真理的学习动力,培养了创新能力[12-13]。在实践过程中,教师不仅传播了专业知识和操作技能,更重要的是培养学生分析问题能力、解决问题能力、实践能力和创新思维能力,为学生独立开展工作增强了自信心。这种开放式研究性实验模式,使实验室资源得到充分利用,学生的学习热情得到鼓舞,教学效果显著,推进培养应用型人才具有深远意义。

References)

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Open practical teaching of material technology and cultivation of college students’ innovative ability

Niu Yongsheng，Li Hongchun，Shi Jinsheng，Liu Qingzhi

(College of Chemistry and Pharmacy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109， China)

In combination with the teachers’ scientific research projects, under the guidance of the scientific research, and through the practical process of the “Preparation and characterization of poly (propylene carbonate)/acetic acid starch film,” the students can use the scientific research equipment in the laboratory in the spare time to complete the cutting-edge carbon dioxide fixation into the plastic material and modified content, master the preparation process of thin films and understand the characterization methods. Through the practical training for preparation of the composite film, the students have experienced the training of knowledge, ability, scientific research quality and innovative ability. At the same time, the exploration on how the open practical teaching gives full play to students’ innovative awareness and ability of independent scientific research is carried out.

open experimental teaching; talent cultivation; scientific research innovative awareness; practical innovative ability

2017-06-04

国家自然科学基金项目资助(51303093); 山东省研究生教育创新计划项目(SDYC13051)；青岛农业大学应用型人才培养特色名校建设工程教学研究项目(XJG2013073, XJG2013078); 青岛农业大学应用型人才培养特色名校建设工程课程建设项目(XJP2013013 XDSJP2013010, XYX2014019)

牛永盛(1980—),男,山东菏泽,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为有机高分子材料设计、制备及其应用

E-mail：ysniu2004@163.com

师进生(1972—),男,博士,教授,主要研究方向为无机发光材料.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.006

G642.0; TQ323.4

A

1002-4956(2017)12-0023-03