“熔喷法非织造驻极体材料的制备”综合型应用物理实验设计

徐娙梅 彭辉丽 陈钢进

[摘 要]为了让应用物理专业学生更好地接受应用基础研究、应用开发研究和工程技术的初步训练，以大型熔喷生产设备微型化研究成果为基础，将熔喷法非织造驻极体材料的制备过程转化成本科近代物理实验的教学内容，设计了“熔喷法非织造驻极体材料的制备”综合型实验，实现了在近代物理实验教学过程中同时达到科学性、创新性和启发性的教学目标。

[关键词]综合型实验;实验教学;应用物理

[基金项目]2018年度杭州电子科技大学“大学物理实验A1”（sjkg201804）

[作者简介]徐娙梅（1965—），女，浙江武义人，本科，杭州电子科技大学理学院高级实验师，主要从事物理实验教学研究;陈钢进（1961—），男，浙江磐安人，理学博士，杭州电子科技大学理学院教授（通信作者），主要从事驻极体及其相关现象研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-05-08

一、引言

培养出专业基础扎实、科研能力强、综合素质高的创新型人才已经成为当前高等教育教学改革和可持续发展面临的一个现实而又迫切需要解决的问题[1]。提高本科教学基础阶段，特别是实践教学环节的教学水平，不但能够让学生更好掌握相应的专业基础知识、增强理论知识点的理解力，而且对提高學生的动手与操作水平、培养学生的科研与创新能力至关重要。近年来，将先进的科研方法与成果应用到本科实践性教学中，实现科研与教学的有机结合，已成为培养学生创新思维能力，提高本科实践性教学水平的有效途径[2，3]。

熔喷法非织造材料制备工艺是聚合物挤压法非织造工艺中的一种，我国于20世纪80年代中后期开始广泛应用，主要产品有过滤材料、医疗卫生用材料、环境保护材料、服装材料、擦拭材料、吸油材料、保暖材料、电池隔膜等。尤其是熔喷驻极体非织造材料不仅有低流阻、高效率、除尘灭菌等功能，而且对有致癌作用的亚微米级粒子有较强的捕获能力，是一种高科技产品[4]，在医疗设施洁净、制药工业和生物制品洁净、高新科技产业洁净及旅馆酒店、家庭和公共场所洁净及口罩等方面的应用上具有独特优势，已成为新一代环境净化的主导产品。

尽管熔喷设备体积庞大、生产工艺复杂、新产品开发所需成本高，但熔喷过程涉及的知识面广，技术发展快。将熔喷技术中的先进科研成果和产业化生产技术融合进教学过程，必将会给培养学生的创新思维能力带来很好的促进作用。

本文在前期开发的微型熔喷设备和驻极体新材料研究成果的基础上，将熔喷驻极体非织造材料的制备过程转化为本科近代物理实验的教学内容，设计并实施了“熔喷法非织造驻极体材料的制备”综合型实验。旨在通过采用教学与科研相结合的方式，将熔喷法非织造驻极体材料制备技术中的新方法、新思想引入教学，丰富充实教学内容，确保实验教学的前沿性和时代性，使学生在熟悉和掌握熔喷法非织造驻极体材料制备技术和生产工艺的同时，能够紧跟最新科技发展动态，提高创新思维能力、动手操作能力和解决实际问题的能力。

二、实验仪器与材料

实验仪器采用自行研发的微型熔喷试验机，基本结构和实验流程如图1所示，和大型生产线的配置基本相当，具有省时、省料、操作简单等优点，即可用于科学研究，进行新材料试验与配方研究，也可模拟产业化生产过程，进行工艺条件优化、配色等。用该设备展开科技实验教学，即可让学生了解企业大规模材料生产过程，亦可使学生掌握熔喷非织造材料的基本知识、制备材料的实验方法，引导学生分析非织造材料性能的影响因素等。

具体熔喷工艺过程为：将聚合物细颗粒导入罐体中，利用超静音空压机对压缩空气进行加热，并提供给罐体中的聚合物颗粒材料和喷头，将细颗粒熔融并挤压，使熔体从喷头的喷丝孔中挤出。当熔体挤出喷丝孔时，受到喷丝孔两侧与熔体喷出方向呈一定角度的高压热气流的喷吹，熔体被拉伸，形成超细长丝的纤维，同时受到外侧冷空气的冷却而固化，在气流作用下凝聚在滚筒接收器上，形成熔喷超细纤维自黏合形成布。通过自动控制系统完成接收滚筒在平面上的匀速左右往返运动和旋转，同时采用负压吸附纤维完成接收成网。

三、教学过程设计

整个实验过程包括从聚合物粒子，经熔喷过程制备获得聚合物非织造布，利用电晕极化装置对熔喷非织造布进行充电，形成驻极体。教学内容按熔喷非织造布的制备、材料形貌结构和微观结构分析、熔喷工艺条件的改变对材料微结构的影响、驻极体的形成四部分进行。该实验要求学生掌握熔喷法的基本原理，熟悉熔喷设备的操作流程，探索不同工艺条件下的材料制备工艺，了解驻极体形成的基本物理机制。

（一）熔喷非织造布的制备

开机预热，将准备好的原料倒入样品罐中，打开微型熔喷实验机的工控系统和压缩空气加热器，根据实验要求，通过计算机设定熔喷过程中的热风温度、热风压力、熔体温度、熔体流出速度以及纤维接收距离等工艺条件。设定好接收距离，再打开料桶加热器和热风，原料将在微型熔喷实验机的料桶中受热熔化形成熔体。等到料桶温度、熔体温度和热风温度达到实验要求时，再开启料桶压力，并打开滚筒装置，设定滚筒的转速和移动速度，在料桶压力的作用下熔体从直径 0.4mm的喷嘴口挤出，在喷嘴口周围的热空气的牵伸下，熔体拉长，并受到室温空气的冷却固化形成纤维，纤维再黏附到滚筒的表面后，利用自身的余热使纤维热熔黏合，随着滚筒的转动和左右往复移动中形成熔喷非织造布。

熔喷非织造布的制备是整个实验的核心内容。材料的性能取决于其结构，通过改变材料制备工艺如牵伸风温度、风量、压力、接收距离等条件，可以控制材料结构，通过添加不同助剂可以改变材料结构。要求学生掌握制备工艺和条件，在了解熔喷法非织造原理的同时，探索不同工艺条件对非织造布微结构的影响。

（二）材料形貌結构和微观结构分析

所获熔喷非织造布的晶相结构采用x射线衍射仪表征。通过对所获x射线衍射谱的分析，可获得熔喷非织造材料的晶型和结晶度。聚丙烯材料可以有5种晶型，分别为：α、β、γ、δ和拟六方晶型。通过与标准谱的比对，可获取熔喷非织造布的晶型。所谓结晶度就是结晶的程度，即结晶部分的重量或体积对全体重量或体积的百分数。采用特殊的分析方法，可获得熔喷非织造布的结晶度。具体结果如图2所示。

熔喷非织造布的形貌结构采用扫描电子显微镜分析。通过形貌分析，可获得不同工艺条件下获得的熔喷非织造布的纤维粗细、表面粗糙度等性质。如图2所示，当喷头温度为200℃时获得的非织造布纤维比220℃时获得的粗，而且叠加紧密程度稍差。

（三）熔喷非织造布驻极体性能的赋予

为赋予熔喷非织造布以驻极体特性，需要采用一定的手段将电荷注入非织造布的体内，这一过程称为注极（也称充电）。实验中采用了电晕注极方法。电晕放电是指在常压下气体介质在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励而出现大量带电离子。利用这一原理将这些带电离子沉积到电介质表面或近表面，甚至到达电介质内部形成空间电荷，这时电介质便通过电晕极化成为驻极体。注极后的PP熔喷非织造布驻极体电荷存储性能采用表面电位表征，表面电位采用补偿式非接触方法测量。

四、教学效果评价

本实验以大型熔喷生产设备微型化研究成果为基础，将熔喷法非织造驻极体材料的制备过程转化成本科近代物理实验的教学内容，教学效果主要体现在如下几个方面。

1.实现了综合学习物理基础知识的目的。在所设计的实验中包括熔喷非织造布的制备、材料形貌结构和微观结构分析、熔喷工艺条件的改变对材料微结构的影响、驻极体的形成等四部分内容，涉及材料的物理相变、晶相结构、介电性能等物理基础知识，实现了学生综合能力培养的目的。

2.突出了实验技能的培养。在本实验中提供给学生的四部分实验内容，另外还要求学生熟练使用计算机进行实验过程控制、实验数据采集、实验结果分析。对学生实验技能得到了综合的培养。

3.达到了培养拓展知识能力的目的。知识的积累是一个基于已有知识、吸收新的知识的不断拓展的过程。在本实验中，除要求学生完成规定的实验内容外，要求学生通过阅读科技文献、补充读物，对实验结果做出解释，以促进、培养学生学习新知识的兴趣和提高阅读专业文献的水平。

4.体现了科学研究属性。本实验源于教师的科学研究为基础，结合学生已掌握的物理学知识，要求学生通过改变实验条件，实现材料结构和性能的优化。体现了将基础知识运用于科学研究的特色。通过对材料性能的测试分析，学生可直接接触纳米材料、驻极体性能等先进的科学知识。让学生得到了从事研究工作的直接体验。

通过本实验，学生了解了熔喷法制备非织造材料的基本原理和方法，掌握了从固态颗粒、经液态、到固态纤维的新材料形成物理相变机制，体会了工艺条件的改变会对材料性能产生重大的影响，在较短的时间内，得到了科学研究的锻炼。与此同时，教师可及时地把科研工作的新内容补充到实验教学中，根据学生掌握的程度，鼓励有潜质、有兴趣的学生跟踪学科发展前沿，继续开展其他熔喷驻极体材料的制备以及性能分析，深入开展研究工作，为后续毕业论文选题奠定基础。

五、结语

将科研成果转化为实验教学内容，实现了科研与教学的结合，不仅丰富了实验教学内容，同时也增加了实验教学的深度，是培养学生创新意识、创新能力和提高教师教学水平的有效途径。通过这项教学改革，让学生在本科阶段就接触到学科前沿的研究内容和科学研究方法，并能在实验中经历一个完整的科研过程，可开阔学生视野，训练学生的创新思维，提高学生的科学素养和科研能力，培养学生严谨、求实的科学作风，为学生毕业以后从事教学和科研工作打下一个良好的基础。

参考文献

[1]葛金芳，解雪峰，吴繁荣，等.科研教学互动在培养创新型药学人才中的探索与实践[J].中国高等教育，2015（10）：28-29.

[2]扈旻，邓北星，马晓红，等.科研成果转化为实验教学内容的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29（10）：21-23.

[3]成协设，刘薇，王立金.开展创新性实验教学实现理论到创新的有效对接[J].实验室科学，2011，14（1）：200-202.

[4]何宏升，邓南平，范兰兰，等.熔喷非织造技术的研究及应用进展[J].纺织导报，2016（S1）：71-80.

A Comprehensive Experiment Design of Applied Physics on

"Preparation of Melt-blown Non-woven Electret Materials"

XU Xing-mei， PENG Hui-li， CHEN Gang-jin

（School of Science， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： In order to enable students majoring in applied physics to better receive initial training in applied basic research， applied development research and engineering technology， a comprehensive experiment on "preparation of melt-blown non-woven electret materials" is designed and introduced into the teaching content of Modern Physics Experiment course for undergraduates based on the research results of miniaturization of large melt-blown production equipment， which has achieved the goal of scientific， innovative and enlightening teaching in the course of Modern Physics Experiment.

Key words： comprehensive experiment; experiment teaching; applied physics