基于精细化学品化学课程中涂料章节多维度构筑应用化学知识体系

杨兴兵,刘长路,赖 川,蔡光容,陈 晓

(四川文理学院 化学化工学院,四川 达州 635000)

精细化学品应用广泛,因此精细化学品的发展已经成为衡量一个国家的化学工业技术,特殊精细化学的发展直接关系到一个国家的经济发展.[1]精细化学品具有种类繁多、技术密集度高、产品附加值高、学科知识跨度大等特点,因此许多高校的应用化学或材料化学专业均开设了精细化学品化学的课程.[2-3]

《精细化学品化学》是应用化学专业本科生的必修课,该课程系统阐述各精细化学品的定义、分类、制备方法、构效关系等理论.通过课程的学习,使学生掌握精细化工的认识、特点、发展方向；了解常见精细化学品的分类、结构、生产工艺、性能、使用范围；了解现代精细化工领域中所采用的新技术.这门课程有助于学生学习和积累从事精细化工科研工作所需的基本知识和技能；有助于培养学生综合运用知识、灵活解决实际问题的能力.

基于创新创业人才的培养,有学校对该课程的教学进行了研究和探讨,精选教学内容、改进教学方法、优化考核方式,增强了学生的学习兴趣和探索意识.使学生的综合素质和创新实践能力得到了明显提高,有高校提出了合理的组织教学内容、明确重难点、合理运用教学方法、多种考核方式结合等改善精细化学品化学教学的措施,在实际应用中加深了学生对专业知识的理解,提高了学生的课程学习兴趣和学习主动性,展现出了良好的教学效果.[4]

精细化学品化学是我校应用化学专业的核心专业课程,主要目的是让学生对众多的精细化学品有一定的认识,同时该课程在大三上学期开设,让学生在学习完化学基础主干课程后再深入了解品种总多的精细化学品,有助于学生加深化学基础知识的学习,同时有助于学生将基础理论与实际化学产品相结合.经过多年教学实践,我们摸索出了一套培养学生构建多维立体的化学知识体系的教学模式.本文以精细化学品化学课程中的涂料为例讲解涂料工业的多维学科知识体系的构建.

1 培养学生对涂料的兴趣

在精细化学品化学课堂教学中不仅采用其他课程常用培养学生兴趣的方法,如课堂多互动交流、引入化学实验、多举应用实例等手段[5-7]等；还根据涂料课程内容特点引入了涂料企业情况介绍、行业发展、研究热点等相关内容.

2020年中国涂料1968 家规模以上涂料企业实现产量2459 万吨；2021年上半年,中国涂料行业整体经济运行情况平稳,实现主营业务1700余亿元、利润111 亿元、产量1342 万吨.[8]通过这些行业数据的介绍让学生对涂料行业有一定了解.涂料行业规模以上企业均为跨国大公司,通过课堂讲解各公司的特色和产品类型也便于学生对涂料分类有较为全面的认识,同时也有利于学生职业发展.比如巴斯夫和PPG 公司都是跨国公司涂料产业但是各有发展重点,PPG 侧重金属涂料,巴斯夫侧重工业涂料和汽车涂料；国内巴德富是的建筑涂料的龙头,东方雨虹重点产品是防水涂料等.

涂料作为具有一定历史的产品,产业也根据市场需求不断提升品质,因此向同学们介绍相关的行业高水平期刊,例如《PROGRESS IN ORGANIC COATINGS》、《APPLIED SURFACE SCIENCEJCT COATINGSTECH》等国际行业知名期刊及国内的《涂料工业》及《中国涂料》等期刊；同时也向同学介绍了中国涂料工业协会网址,便于同学了解涂料技术动态和前沿科技的发展和具备一定的科研意识.

通过以上对涂料行业的整体和前沿研发的介绍,让学生对涂料工业有了基础认识,也对涂料的概念有了一定产品形态的认识；同时也培养了学生的主动探索行业热点的信息获取能力.

2 应用化学知识体系的构建

涂料体系组成复杂,同时成膜机理理论涉及物理化学学科.涂料涉及高分子化学、有机化学、无机化学、分析化学、物理化学的相关知识,在学习过程中只有将五大基础化学组合起来才能完整的掌握涂料的原材料性能、工艺技术、涂料配方、涂料分析等工作.因此为了加深学生运用基础化学知识解决涂料工业实际问题,在课程中穿插了涉及到的部分基础化学知识.

2.1 涂料中的高分子化学

涂料由成膜物质、颜料、溶剂和助剂等组成.其中,成膜物质作为涂料的主要原料,涉及聚氨酯、聚酯、醇酸树脂、氨基树脂、丙烯酸树脂等涂料树脂.相应的树脂也是一个庞大的产业链,如涂料中的丙烯酸酯乳液的合成原理涉及到丙烯酸酯的自由基聚合,根据自由基聚合原理中的引发剂、乳化剂、单体配比、聚合工艺等都影响到产品的分子量和分子量分布以及最终乳液的稳定性.乳液聚合也是科学研究的热点问题,聚合工艺和生产方式也关系到乳液质量,乳液的质量直接决定了涂料的质量.

部分热固性涂料树脂还涉及到高分子化学中聚合物的化学反应的原理.这种交联反应型涂料的涂膜硬度大、力学性能优异,是很多工业涂料的首选方法.但是选择什么样的功能单体作为反应交联的主体,以及如何选择可反应的另一组分涂料树脂都是需要相关高分子化学的理论知识.

2.2 涂料中的分析化学

涂料作为生产的精细化工产品,在原材料入库、生产工艺过程控制、终端产品均需要相关的检测标准和控制指标.

对于涂料生产前的原材料检测是生产的重要控制环节,如涂料树脂的色泽、稳定性实验、耐高温、耐低温、固含量、耐溶剂等都是常规检测,部分助剂可以通过气相色谱、粒径分析仪、高效凝胶色谱做比对分析.

制备出的涂料产品后检测更为复杂,首先需要检验涂料的状态、外观、颜色、粘度、流出时间、细度、比重、遮盖力、干燥时间、不挥发物含量、镜面光泽、硬度、柔韧性、耐弯曲性、附着力、耐冲击性、耐水性、耐化学试剂性、耐热性、流挂性、耐湿热性、、耐盐雾性、耐老化性等,其次需要检测特殊用途的性能检测,如阻燃、抗静电等.

图1 涂料的性能检测

2.3 涂料中的其他化学

涂料的使用最终在基材表面形成一层坚韧的薄膜.—般说来,涂料首先是一种流体,在涂布完成之后才形成固体薄膜,因此是一个玻璃化温度不断升高的过程.成膜方式主要有溶剂挥发与热熔、化学、乳胶成膜三种方式.涂料的成膜过程涉及到化学反应和物理化学的吸附原理,流变学和表面化学等.涂料的生产涉及化学工艺相关知识,涂料原料及产品储运涉及化学安全知识.

2.4 涂料常见问题涉及的化学知识

涂料使用过程中常见有厚边现象、缩孔现象、桔子皮现象、贝纳尔漩流窝、发花和浮色现象等问题.这些问题都涉及到物理化学的表面张力问题.如:

(1) 缩孔是湿的涂层上面落上一滴表面张力低的液体,可使邻近的涂料表面张力降低,向周围表面张力较高处铺展,形成一个火山口的缺陷.

(2) 涂料在干燥过程中,随着溶剂蒸发,表面浓度升高,温度下降,表面张力升高,由于表层和底层的表面张力不同产生一种很大的推动力,使涂料从底层往上层移动,这种移动导致局部涡流,形成贝纳尔漩流窝.

(3) 发花和浮色是溶剂蒸发形成,当涂料运动时带动悬浮的颜料粒子运动,由于果颜料的大小、比重不同,就引起颜料的重新分布,于是一种颜料在表面上或表面的某些部位上呈较高的浓度.

只有掌握了相关问题的产生原因以及产生该问题的基本原理,才能更快更准确的解决涂料生产过程中或使用过程中所产生的问题.

精细化学品的生产涉及到众多的化学知识,通过相关知识的应用,学生知道了基础化学理论的运用,也增加了学生复习基础知识的积极性.在精细化学品化学的涂料章节中通过相关理论的联系运用,不仅加深了基础化学理论知识的影响,更有利于学生将枯燥的基础理论用于实际问题的分析.

3 理论与实验的结合

精细化学品化学教学采用课堂理论教学与实践教学紧密结合的方式,采用传统教学方法和现代教育技术应用结合的方法.教学形式主要由课堂讲授、小组讨论、讲座、实验、实习、考核(含考查、考试、实习实验报告、学习体会)几部分构成.

课堂教学由主讲教师按照教学大纲和教学日历的进度要求进行讲授, 在每一章讲授前提出学习重点、每章授课结束后总结难点、要点,并要求学生完成课后思考题；讲座要求写心得体会；小组讨论要求汇报；实践教学按照实验大纲和实验指导书进行,要求学生课后完成实验报告.

实践教学以培养创新时代应用人才为目标,培养实践能力为主线,培养专业技能为核心.根据应用化学专业学生的知识、能力和素质结构的要求和后续专业课程学习的需要制定实践教学的大纲、教学内容和考核标准.

教研组通过多年的累计也在应用化学综合实验课程中开设了涂料相关的实验.作为常用的环保的丙烯酸酯乳液树脂作为了我们的实验课程,其实验配方和步骤如表1.

表1 丙烯酸酯乳液树脂配方

(1) 实验配方

(2)实验步骤

在三颈瓶中加入去离子水、十二烷基磺酸钠,装好搅拌器、回流装置和滴液漏斗,加热到80～85℃,搅拌预乳化.同时将过硫酸铵溶解在20mL 去离子水中,并向三颈瓶中加入15mL 过硫酸铵溶液.当温度不再升高并稳定后,开始缓慢滴加甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸单体混合液及十二烷基磺酸钠溶液,在2～3h 内滴完.滴加完毕后,加入剩余的过硫酸铵溶液,在85℃下保温搅拌30min,冷却出料,得到丙烯酸乳液,观察乳液性状.

实验前要求学生做好实验预习,教师讲解加入问题导向,如:从原材料比例分析,该产品适合用于什么涂料?实验过程中有段时间为淡蓝色后面变成乳白色是什么原因?为什么控制温度为80℃?为什么聚合过程中需要滴加?带着这些问题进入实验过程,学生会认真观察实验现象、做好记录、并分析问题.同时鼓励实验小组之间对不同的实验现象进行交流和反思.同时实验评价不简单以实验结果好坏作为唯一标准,也将实验失败的原因总结分析并做出改进方案作为实验结果的评判依据.

同时也开设了涂料的制备实验,让学生将前面实验的乳液用于制备外墙涂料,最后检测涂料相关的性能.通过一些列的具体实验让学生对涂料的整个制备过程有了具体的认识.同时项目组老师也有研发氨基树脂和丙烯酸乳液的项目,让部分学生参与项目中,更有利于学生综合能力的培养.

结 论

在精细化学品化学课程的涂料章节教研室引入了最新的涂料行业情况、市场分析和产业前沿热点问题,有效的激发了学生的学习兴趣.同时在教学过程将学生学习的基础知识融入涂料课程中,有效的将知识融会贯通,同时在实验课程的开设过程中也设置了涂料实验,从而加上了学生对涂料的认识.通过以上方法不仅全面构筑了学生的应用化学知识体系,同时培养了学生的学习兴趣.