《高分子材料与纺丝技术》课程课内实验项目的开设

孔令乾　杨洪芳

摘要：为提高《高分子材料与纺丝技术》实验课程的授课效果，在其实验课程中开设聚乙烯醇的缩醛反应、铜氨纤维的制备、纤维素的水解和纤维的镀银等实验。这些实验所用材料是该课程主讲的高分子材料，直接使用這些材料有助于学生掌握其理化性能。另外，在实验的完成过程中有部分操作可看作模拟纺丝，对学生理解纺丝技术有促进作用。这些实验设计比让学生操作大型的纺丝设备更能让学生明白高分子材料的结构和性能与纺丝技术之间的关系。

关键词：非织造材料与工程；实验开设；纺丝技术；高分子材料

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）27-0259-02

一、引言

非织造材料又被称为非织造织物、无纺织物和非织造布等，是我国战略性新兴纤维材料的重要组成部分[1，2]。近年来，各种新型纤维和差别化纤维的不断研发极大地丰富了非织造材料的产品类型，其附加值和效益也越来越高。非织造材料产业发展势头迅猛，已广泛应用于国防、环境、能源、医疗卫生、水利工程、土木建筑等领域[3]。高分子材料如化学纤维、塑料、橡胶、涂料和黏合剂等已随着我国国民经济及科学技术的发展在各个领域得到了广泛应用，成为了国民经济、国防工业和高科技领域不可缺少的材料[4，5]。化学纤维是高分子材料的重要组成部分，同时也是非织造材料的重要原料。高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工的特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能。学好高分子材料的相关知识对非织造材料与工程专业的学生来说至关重要。《高分子材料与纺丝技术》课程是非织造材料与工程专业的一门重要专业课，主要开设在二年级第四学期。学好本门课程有助于学生了解和掌握各种高分子材料的特点及其纺丝技术，对以后工作中的技术开发、工艺和设备设计及生产打下基础。因此本课程在教学中举足轻重。课程的主要内容是讲解聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚氨酯纤维和再生纤维素纤维等纤维的结构、性能及其纺丝工艺和纺丝方法，另外对常规纤维的改性也有涉及。其中聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚氨酯纤维和再生纤维素纤维的结构与性能是本门课的关键点。因为对于高分子材料来说，官能团和结构决定其性能，而其性能又决定了该材料在纺丝时具体是采用熔体纺丝还是溶液纺丝，是干法纺丝还是湿法纺丝，其具体工艺该如何选择。可见高分子材料的结构与性能在本门课程的知识体系中具有重要地位，在《高分子材料与纺丝技术》课程中有8个课时的课内实验，但是目前国内关于这8个课时的课内实验如何开设、怎么开设都没有明确的规定和标准。现在对于《高分子材料与纺丝技术》课程课内实验的开设大都重视纺丝技术，即把开设实验的重点都集中在向学生演示大型纺丝仪器的运行或者让学生们自己操作。但是这样开设实验的话跟纺织工程专业的区别不大，没有体现出高分子材料在非织造材料与工程专业中的重要性和特殊性。鉴于高分子材料的结构与性能在本门课程的重要性，本人认为在开设这8个课时的课内实验时，应该把如何让学生掌握高分子材料的结构与性能放在首位。通过实验让学生们认识和了解高分子材料的结构和性能与纤维的成型及改性之间的关系。

二、开设的实验项目

（一）聚乙烯醇的缩醛反应

聚乙烯醇可溶解于水，水温越高溶解度越大，对于部分聚乙烯醇加热到65℃—75℃即可完全溶解于水。这种溶解于水的性能严重限制了其应用，为改善其耐水性能，一般让聚乙烯醇进行缩醛反应。聚乙烯醇可以与醛类（甲醛、乙醛、丁醛）进行缩醛反应，生成六元环缩醛结构。聚乙烯醇缩甲醛是由聚乙烯醇相邻的羟基之间与甲醛作用，生成1，3—二氧六环的环状物。生成聚乙烯醇缩醛后其耐水性能明显提高。

（二）铜氨纤维的制备

铜氨纤维是一种新型纤维素纤维，具有清爽、抗静电、垂坠等性能，所以也是一种价格昂贵的纤维。其简易制备过程如下：将脱脂棉等纤维素原料溶解在氢氧化铜的浓氨溶液内配成纺丝液，在碱溶液的凝固浴中纺丝成形，再在2—3%的硫酸溶液内再生出纤维素。生成的水合纤维素，经后加工即得到铜氨纤维。其废弃物容易分解，符合生态环保要求。

（三）纤维素的水解

纤维素在一定温度和酸性催化剂条件下，发生水解，最终生成葡萄糖。葡萄糖分子中含有醛基，故具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制得的氢氧化铜还原为红色的Cu2O沉淀；也能和银氨溶液发生银镜反应。可用这两种方法鉴别纤维素是否水解。

（四）纤维的镀银

镀银纤维的基材一般采用的是合成纤维，因表面镀了一层纯银而具有银的天然金属光泽。金属银在所有金属中导电、导热性能最强，是最有效的储存及反射材质。现代医学界认为银具有非常有效的广谱抗菌性，目前尚未发现任何人体对纯银产生过敏的报告。镀银纤维因此具有良好的抗菌除臭、热传导、热反射、抗静电、防辐射等功能。让学生学习纤维镀银对它们掌握纤维的改性思路和方法有帮助。

三、实验项目设计思路

第一，课堂讲授时学生们对可以溶解于水的纤维非常感兴趣，因为生活中很难遇到以前也没听说过。但是同时也对这种纤维存在的意义产生了怀疑，认为这种纤维无法在日常生活中使用，也迫切想知道改善其耐水性能的方法。通过该实验，学生们可亲自观察聚乙烯醇溶解于水的过程，进一步明白聚乙烯醇的结构和其缩醛后耐水性能提高的原因。

第二，铜氨纤维作为一种价格较贵的纤维，同学们在日常生活中并不常见，即使拿样品给学生看仍无法消除他们对铜氨纤维的距离感和陌生。让学生自己合成铜氨纤维则可以拉近铜氨纤维与他们之间的距离。实验过程涉及到铜氨溶液的制备、脱脂棉的溶解和纺丝成型等主要试验环节。铜氨溶液的制备是要求学生严格把控硫酸铜和氢氧化钠的比例，氢氧化钠一旦过量则实验失败。脱脂棉的溶解过程可直接验证上一过程氢氧化钠是否过量，过量则脱脂棉不溶解。通过这两步可以让学生明白实验过程中严谨的重要性。纺丝成型可采用模拟纺丝，用注射器将铜氨纤维素溶液推入NaOH溶液即可形成长丝，推入速度的快慢和NaOH溶液的浓度跟长丝的粗细有直接关系。通过以上实验过程，学生的感受更直接也更能联系和理解学过的理论知识。

第三，再生纤维素纤维是《高分子材料与纺丝技术》课程的重点和难点。纤维素的水解是制备再生纤维素纤维的关键。通过本次实验可以让学生进一步明白纤维素的结构和化学性能。也可以让学生自己用多种方法证明纤维素的单元就是葡萄糖，这比老师在课堂上讲授要印象深刻。

第四，《高分子材料与纺丝技术》课程也涉及到一些新型纤维的制备及改性。基于此设计了纤维的镀银试验。在本试验中给学生提供多种纤维（玻璃纤维、碳纤维和聚酯纤维等），学生可以自己选择纤维进行试验然后根据试验结果给出实验现象的解释。

四、教学效果

高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。通过“聚乙烯醇的缩醛反应”、“铜氨纤维的制备”、“纤维素的水解”和“纤维写的镀银”等实验可提高学生对高分子材料的结构和性能与纤维的成型及改性之间关系的认识。

参考文献：

[1]郭秉臣，王山英，曾鹏程，欧鹏.我国非织造工业的技术提升和发展[J].产业用纺织，2012，（5）：1-4.

[2]赵博.《非织造技术》课程建设实践与教学改革探索[J].纺织教育，2017，（5）：91-93.