多层次温故知新下“化纤工艺学”课程中高分子化学知识的有效利用

金欣　王闻宇

摘 要 “化纤工艺学”作为我校材料科学与工程专业大学三年级的专业课，与专业基础课高分子化学的知识紧密连接。在“化纤工艺学”的教学中，如何充分联系高分子化学中聚合机理知识有助于学生更好地理解各种纤维原料合成中聚合度的控制、工艺条件及聚合实施方法等概念。本文例举在“化纤工艺学”教学中的几点利用高分子化学知识解释，加深同学们对知识要点的学习和理解，得到很好的教学效果。

关键词 教学 课程联系 化纤工艺学 高分子化学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.07.053

Effective Utilization of Polymer Chemistry Knowledge in the Course of

"Chemical Fiber Technology" under Different Levels of Knowledge and Practice

JIN Xin[1]， WANG Wenyu[2]

（[1] College of Materials Science and Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387；

[2] Textile College of Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387）

Abstract "Chemical Fiber Technology" is a professional course in the third year of our university's Material Science and Engineering University， and it is closely connected with the knowledge of the specialized basic course Polymer Chemistry. In the teaching of "Chemical Fiber Technology"， how to fully link the knowledge of the polymerization mechanism in "Polymer Chemistry" helps students better understand the concepts of polymerization degree control， process conditions， and polymerization implementation methods in the synthesis of various fiber raw materials. This article exemplifies the use of "polymer chemistry" knowledge in the teaching of "chemical fiber technology" to deepen students' knowledge and understanding of the key points of knowledge and obtain good teaching results.

Keywords teaching； course contact； Chemical Fiber Technology； Polymer Chemistry

天津工业大学材料科学与工程专业的前身是化学纤维专业，是我国最早成立的高分子材料类专业之一。“化纤工艺学”课程是我校材料科学与工程专业高分子材料方向的主干课，该课程开设已有40余年的历史。课程突出了我校在长期的办学过程中已形成的纤维材料的传统特色和优势，形成了包括化学纤维概论、化纤成形原理、化纤工艺实验和大型综合实验的课程体系，是一门实践性很强的综合性课程，是我国纺织高等教育的重点课程之一。在我校的培养体系中该课程在大学三年级上半学期进行学习。

从本专业课程体系来看，“化纤工艺学”和高分子化学课程密切相关。高分子化学是“化纤工艺学”学习的基础。同学们在大学二年级已经完成专业基础课高分子化学的学习，在此基础上在进入大学三年级后进行专业课程的学习。笔者根据教学中的心得，以高分子化学的两个知识点为例，讲述“化纤工艺学”相关概念的角度出发，探讨“化纤工艺学”的课堂教学。

1 聚酯纤维和聚酰胺纤维原料制备中工艺和实施方法的不同

在“化纤工艺学”中聚酯纤维和聚酰胺纤维都是通过熔体纺丝制备纤维的典型产品。聚酯和聚酰胺分别作为聚酯纤维和聚酰胺纤维的原料，都是重要的线型缩聚物，但两者在缩聚的具体实施方法和要求的真空度确有区别。聚酯的缩聚合采取熔融缩聚且很高的真空度，而聚酰胺的缩聚合是前期在水溶液中聚合，后期转入熔融缩聚，这一知识点在“化纤工艺学”各章原料制备部分的讲解中均有涉及，但是分别在两章中进行讲述。笔者在讲述这两章时，将高分子化学中第二章缩聚和逐步聚合的平衡缩聚和聚合度控制原理进行复习和联系讲解。由于缩聚反应的特点是可逆的平衡反应，平衡常数对反应程度，继而对聚合物将产生很大的影响。在聚合过程中应将副产物小分子排除，得到较高的聚合度。然而，聚酯和聚酰胺的平衡常数大小不同，在实际缩聚中的聚合方式和工艺会有所区别。

1.1 教學内容

（1）聚酯化反应的平衡常数较小（K=4）。如果聚酯化生成的小分子副产物不能及时排除，由于逆反应，将得不到很高的反应程度和聚合物。因此，采用熔融缩聚方式且反应必须抽真空将缩聚体系中生成的乙二醇不断地排除，真空度越大，残存的乙二醇越少，聚酯的聚合度越高。若聚合过程中真空度不高，则使得缩聚时间过长，聚酯熔体粘度低，色泽泛黄。[1，2]

（2）聚酰胺化学反应平衡常数中等（K≈400）。由于其平衡常数较大，对体系中副产物水分的含量要求不像聚合缩聚中这么严格。在缩聚过程中，前期进行水溶液缩聚，也能达到一定聚合度；后期转入熔融缩聚，采用真空后缩聚，便可获得具有较高聚合度的产物。并且所要求的真空度并不像合成聚酯时那样高，就可达到所要求的分子量。[1，2]

1.2 教学方与手段改革

（1）课堂教学中相关专业知识的衔接： 在“化纤工艺学”概论部分中聚酯纤维和聚酰胺纤维的课堂教学中，首先采用启发式教学，在课堂中提出聚酯和聚酰胺聚合方法和工艺的不同。启发同学们联系高分子化学缩聚反应平衡的特点，采取提问和讨论的形式，最后老师进行以上知识点的总结，让同学们在学习专业课的同时，进一步联系专业基础课的理论知识，再进一步加深对专业知识点的理解。

（2）利用多媒体教学对专业知识进行巩固：在“化纤工艺学”中充分利用多媒体教学，在课堂给同学们观看聚酯和聚酰胺纤维生产录像。在观看纤维生产录像前，通过上述课堂讨论，已经使同学们对专业知识点进行了回忆，在此基础上提醒同学们认真学习录像中聚酯和聚酰胺合成中工艺的不同，在专业课“化纤工艺学”的学习中，再一次温故知新，将专业基础课高分子化学的相关知识点进行回顾与总结。

2 聚酰胺和聚丙烯腈聚合度的控制

在“化纤工艺学”第四章和第六章分别讲述聚酰胺纤维和聚丙烯腈纤维，其原料聚酰胺和聚丙烯腈分别通过缩聚和自由基聚合而制备，在制备中如何控制聚酰胺和聚丙烯腈的聚合度，进而得到一定相对分子质量的聚合物是聚合中的关键。有关如何控制产物的聚合度已经在高分子化学第二章缩聚和逐步聚合以及第三章自由基聚合中分别学习。但聚酰胺和聚丙烯腈的聚合机理不同，分别属于缩聚和自由基聚合。聚合机理不同，因而是采取不同方法来控制产物的聚合度。但这部分知识是分别在高分子化学中的第二章和第三章进行讲解的。因此，在学习“化纤工艺学”中有必要将这部分知识要点进行复习及联系讲解。

2.1 教学内容

（1）聚酰胺属于线型缩聚产物，采用端基封锁来控制聚合度。对于线型缩聚物，虽然反应程度和平衡条件是影响线型缩聚物聚合度的主要因素，但在实际生产中却不能用作控制手段。在高分子化学中指出，控制线型缩聚物聚合度的方法使在两官能团等当量的基础上，使某官能团稍过量或另加入少量单官能团物质，使端基封锁，不再反应，反应程度被稳定在某一数值，就可以得到预定聚合度的产物。那么在聚酰胺的实际生产中是如何利用高分子化学的理论知识进行聚合度调控的呢？在聚酰胺实际生产中为了保证己二胺和己二酸具有相等的摩尔比，防止因为任何组分过量而导致由酸或氨基端基构成的链增长终止，先使得己二酸和己二胺生成聚酰胺66盐，然后利用这种盐作为中间体进行缩聚制取聚己二酰己二胺。缩聚时，聚酰胺66盐中加入少量的单官能团的醋酸或己二酸进行端基封锁，控制分子量。如要求相对分子质量在13000左右，则己二酸用量为（0.9wt%）或醋酸（0.5%）（按聚酰胺66盐质量计算）。[1，2]

（2）聚丙烯腈属于自由基聚合产物，采用链转移来控制聚合度。聚丙烯腈是通过自由基机理进行聚合，在自由基聚合反应中，除了链引发、链增长和链终止反应外，往往还伴有链转移反应。在实际生产中，应用链转移的原理来控制分子量。在丙烯腈的硫氰酸钠法聚合中，将丙烯腈、第二单体、异丙醇（单体总量1%～3%）、引发剂及硫氰酸钠水溶液等加入配料桶，然后在实际混合桶中混合调温后，用计量泵送入聚合物进行聚合。其中，异丙醇作为相对分子质量调节剂，起着链转移的作用，用来对聚丙烯腈的聚合度进行控制。在聚合过程中，异丙醇分子中与伯碳原子相连的氢原子活性大，易与增长着的大分子自由基作用而生成稳定的自由基，使链增产反应终止。[1，2]

2.2 教学方与手段改革

（1）课堂教学中相关专业知识的讨论： 在“化纤工艺学”概论部分中聚酰胺纤维和聚丙烯睛纤维原料的制备中，让同学们参与教学。改掉老师一言堂，学生只是听课而较少参与讨论的教学方法。首先老师提出聚酯和聚丙烯睛聚合中聚合控制方法有何不容？让同学们带着问题，进行思考，并引导同学们联系高分子化学如何对逐步和连锁聚合产物的聚合度进行控制。采取提问和讨论的形式，让同学们参与课堂教学，最后老师进行以上知识点的总结，同学们在大三专业的学习中，进一步联系专业基础课的理论知识，经过相关知识点的多次讲解和撞基，进一步加深对专业知识点的理解。

（2）企业实践和毕业设计环节的进一步巩固：在同学们去相关企业进行实践前后或毕业设计环节，专业教师应敏锐地思考出其中相关知识点，对知识点进行复习和总结，让同学们带着专业问题去实践或做毕业设计；或是实践后或在做毕业设计后对专业问题的验证来进一步思考两课程间的联系，这种温故知新下的企業实践和毕业设计，会起到对专业知识更好的巩固效果。

3 结语

“化纤工艺学”的教学过程中有关聚合反应中聚合度调控、工艺条件及实施方法等是以高分子化学中逐步聚合和连锁聚合机理等知识要点紧密联系的。[1-4]学生已经在大学二年级高分子化学中学习了有关聚合机理及动力学方面的知识。在大学三年级开设专业课”化纤工艺学”中的学习过程中，从课堂理论教学、多媒体教学、企业实践及毕业设计等方面多层次地联系高分子化学中的相关知识点对”化纤工艺学”中的合成纤维原料合成中聚合度调控及工艺条件等有更深的理解，势必对学生更好地理解专业基础课和专业课的联系有很好的帮助，有利于学生加深理解和掌握”化纤工艺学”课程的内容，达到更好的 教学效果。

基金项目：天津市教育科学“十三五”规划重点课题（HE1001）；天津市教育科学“十三五”规划一般课题（HE3001）

参考文献

[1] 肖长发，尹翠玉，等.化学纤维概论（2版）[M].北京：中国纺织出版社，2006.

[2] 潘祖仁.高分子化学（3版）[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3] 郝智，伍玉娇，罗筑，黄彩娟.高分子化学课程教学改革与实践初探.高分子通报，2012.5：116.

[4] 朱琳，袁新华，王保志.化纤加工工艺学课程教学内容和手段的而研究.科技创新导报，2012.28：194.