高分子材料性能的三大矛盾分析及在教學(xué)中的運用*

任 強,李 堅,俞 強

(常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇常州213164)

高分子材料性能的三大矛盾分析及在教學(xué)中的運用*

任 強,李 堅,俞 強

(常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇常州213164)

高分子材料性能中存在著極性和非極性、柔性和剛性、使用性能和加工性能的三大矛盾,三大矛盾在高分子結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系中居于核心地位。在高分子類專業(yè)課的教學(xué)中向?qū)W生傳遞三大矛盾論,并用于分析在應(yīng)用中遇到的具體問題,有助于培養(yǎng)學(xué)生辯證看待、綜合統(tǒng)籌分析高分子科學(xué)問題的能力;有助于學(xué)生合理構(gòu)建高分子科學(xué)的知識體系;有助于培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的觀念,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

高分子材料;矛盾分析論;教學(xué);知識體系;理論與實踐結(jié)合

高分子科學(xué)既是一門應(yīng)用科學(xué),又是一門基礎(chǔ)科學(xué),內(nèi)容豐富,教學(xué)過程中的理論和實踐的結(jié)合非常重要。多年的教學(xué)工作經(jīng)驗表明,學(xué)生在學(xué)習(xí)完所有課程后并不容易對高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用的關(guān)系形成一個完整的認(rèn)識,理論與實踐結(jié)合能力較弱。在后續(xù)的畢業(yè)論文環(huán)節(jié),工作崗位上或者進(jìn)一步讀研深造時,不易將所學(xué)知識與具體情境聯(lián)系起來分析問題和解決問題。因此,如何引導(dǎo)學(xué)生通過一種合理的邏輯關(guān)系形成對高分子材料結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系的深入認(rèn)識,形成良好的專業(yè)素養(yǎng),是筆者在教學(xué)中一直思考和探索的問題。

一、高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能特點分析

矛盾論是馬克思主義哲學(xué)中認(rèn)識分析問題的基本方法,[1]13采用矛盾分析方法來認(rèn)識高分子科學(xué)內(nèi)的問題有利于學(xué)生將高分子領(lǐng)域內(nèi)的新知識同化到自己原有的知識體系中去,形成科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。從哲學(xué)的觀點看,現(xiàn)象反應(yīng)本質(zhì),結(jié)構(gòu)決定性能。高分子物質(zhì)是由眾多來源于單體的原子團通過共價鍵連結(jié)而形成的分子量很大的物質(zhì),其分子量一般在104-106間。聚合物的組成結(jié)構(gòu)層次極為豐富,基本可分為一次結(jié)構(gòu) (近程結(jié)構(gòu)),二次結(jié)構(gòu) (遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)),三次結(jié)構(gòu) (晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu))及高次結(jié)構(gòu)(織態(tài)結(jié)構(gòu))。[2]

學(xué)生在三大基礎(chǔ)化學(xué)中的研究對象主要是尺寸為小于一個納米到幾個納米的小分子物質(zhì),進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)后所面對的研究對象都是尺寸在幾十到幾百個納米的大分子,大分子的運動特性與小分子差異很大。面對眾多的新概念,新理論及與應(yīng)用實踐密切聯(lián)系的一些問題,學(xué)生往往感覺以往學(xué)習(xí)中的邏輯性被打破,在三年級學(xué)習(xí)高分子化學(xué)和高分子物理專業(yè)基礎(chǔ)課的相當(dāng)長一段時間內(nèi)甚至是大四學(xué)習(xí)專業(yè)課階段,只能靠死記硬背來被動接受一些“知識”,這種“知識”并未被學(xué)生很好地消化吸收后而納入到自己的知識體系中去,因此極易遺忘,更談不上應(yīng)用。

筆者根據(jù)多年的教學(xué)和科研經(jīng)驗將高分子材料認(rèn)識和研究中涉及的問題概括為三大基本矛盾,如圖1所示。(一)極性和非極性的矛盾

聚合物分子鏈?zhǔn)怯梢欢ǖ膩碓从趩误w的化學(xué)基團組成,包括主鏈、側(cè)基和端基。這些化學(xué)基團都存在一個極性 (具體體現(xiàn)為親水性)和非極性 (體現(xiàn)為親油性)的問題,最終決定了聚合物的親水和親油性。親水性強的聚合物可以具有水分散性甚至水溶性,是日化及工農(nóng)業(yè)等方面重要的功能材料。大部分親油性的塑料和橡膠具有很好的耐水性,可以代替金屬和木材做成大量輕質(zhì)耐用的生活和工業(yè)用品。聚合物的極性和非極性主要取決于所用單體。單純講極性,學(xué)生比較容易理解。但在具體應(yīng)用時,學(xué)生往往不容易考慮到極性和非極性二者平衡的影響,如在不同HLB值 (親水和親油平衡值)表面活性劑的應(yīng)用、偶聯(lián)劑及相容劑的作用原理、雙親性聚合物的合成和應(yīng)用方面,其實理論根源都在于極性和非極性的矛盾。為了讓學(xué)生達(dá)到對這一對矛盾的深入認(rèn)識,教師需在不同的情境下反復(fù)強化。

圖1 高分子材料性能中的三大矛盾在結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系中的核心地位

(二)柔性和剛性的矛盾

聚合物分子的主鏈和側(cè)基都存在一個由于σ鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)容易與否而帶來的柔性和剛性問題 (一次結(jié)構(gòu)),柔性和剛性直接決定了聚合物的次級轉(zhuǎn)變和玻璃化轉(zhuǎn)變狀態(tài)及聚合物的高次結(jié)構(gòu),最終決定了聚合物在一定條件下的物理機械性能。分子鏈呈柔性且不易結(jié)晶的聚合物往往體現(xiàn)為較柔軟、韌性好、制品手感好、如硅橡膠。分子鏈呈剛性的聚合物往往表現(xiàn)為材料的模量大、耐熱性能好、尺寸穩(wěn)定性好、如聚對苯二甲酰對苯二胺。在很多情況下,聚合物剛性和柔性的調(diào)和是設(shè)計目標(biāo)樹脂最重要的方面,如涂料用樹脂大部分是需要通過剛?cè)嵝再|(zhì)不同的單體來共聚得到具有適當(dāng)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的樹脂,以保證漆膜達(dá)到硬度、韌性、成膜性能及耐熱性能等的平衡。[3]

(三)使用性能和加工性能的矛盾

使用性能與加工性能對于聚合物材料來說往往是一對矛盾。使用性能包括力學(xué)性能和其他功能性。聚合物加工成型時一般要具有流動性。通常認(rèn)為聚合物的加工成型是指塑料,橡膠的熱塑化成型過程。筆者認(rèn)為學(xué)生在形成知識體系時也可以將涂料的涂裝認(rèn)為是一種聚合物的成型方法,只不過得到的是一種聚合物的涂膜而已。粉末涂料的涂裝本身也就是一種聚合物熱熔成型方法。聚合物要具有較高的強度,必須使分子量大到一定程度,但分子量過大又會使聚合物的溶液和熔體粘度明顯變大,降低溶液或熔體的加工流動性,因此分子量及分子量分布的控制是聚合物分子設(shè)計的一個重要方面。另外,要使聚合物具有一定的功能性,經(jīng)常需要帶有特殊的官能團,這也往往會為加工性能帶來負(fù)面影響,在實踐過程中需要綜合考慮。

從高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系來看(如圖1所示),三大矛盾居于核心地位。一種聚合物的結(jié)構(gòu)決定了其性能,但多種性能的變化存在一個此消彼漲的問題,即三大矛盾中的全部或部分同時達(dá)到應(yīng)用要求,才具有應(yīng)用價值。如果達(dá)不到應(yīng)用要求,還可以通過物理方法A (addition,添加)、B(blend,共混)、C(composite,復(fù)合)進(jìn)行改性,進(jìn)一步調(diào)節(jié)三大矛盾的平衡。如果仍然達(dá)不到要求,就需要重新考慮高分子的結(jié)構(gòu),對高分子的化學(xué)組成、分子量、分子量分布、分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇或設(shè)計,或?qū)Ω叻肿舆M(jìn)行化學(xué)改性,這正是高分子化學(xué)的重要研究內(nèi)容。了解三大矛盾即聚合物的結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系正是高分子物理的主要研究內(nèi)容。

二、高分子材料性能三大矛盾分析在教學(xué)中的運用

高分子材料性能三大矛盾分析是通過馬克思主義哲學(xué)視角看待高分子材料結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用間的關(guān)系,如果在教學(xué)活動中加以合理利用,可以有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí),具體分析如下：

(一)有助于培養(yǎng)學(xué)生辯證看待,綜合統(tǒng)籌分析高分子科學(xué)問題的能力

根據(jù)馬克思主義哲學(xué)的觀點,矛盾論是唯物辯證法的核心,是辯證看待、綜合統(tǒng)籌分析和解決問題的理論基礎(chǔ)。[1]116-119通常教學(xué)過程中進(jìn)行理論分析時往往強調(diào)某個性能與結(jié)構(gòu)間關(guān)系的單因素分析,三大矛盾論則是根據(jù)矛盾對立統(tǒng)一的特點進(jìn)行綜合統(tǒng)籌地分析問題。如在復(fù)合材料課程中講講授乙烯基樹脂相關(guān)內(nèi)容時,從三大矛盾的角度引導(dǎo)學(xué)生分析樹脂中甲基、異丙基、仲羥基、苯環(huán)的作用可以明顯提高學(xué)生對樹脂結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深入理解,[4]學(xué)生除了學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容外,還潛移默化地培養(yǎng)了聚合物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。

(二)有助于幫助學(xué)生合理構(gòu)建高分子科學(xué)的知識體系

根據(jù)認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論的代表人物之一布魯納的認(rèn)知發(fā)現(xiàn)說,[5]一門課程知識體系構(gòu)建的成功與否直接影響到教學(xué)的效果,知識的概括水平越高,就越容易被理解和遷移,越容易被學(xué)生吸納到自己原有的知識體系中去而形成新的知識體系。三大矛盾分析從學(xué)生較為熟悉的馬克思主義哲學(xué)原理出發(fā),對高分子材料結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系特點進(jìn)行了高度概括,每一個環(huán)節(jié)都對應(yīng)高分子科學(xué)與工程專業(yè)的一些主要專業(yè)課程,有利于幫助學(xué)生科學(xué)合理地構(gòu)建知識體系。

(三)有助于培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的觀念,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

根據(jù)托爾曼的認(rèn)知-目的論,[6]學(xué)習(xí)是有目的的,學(xué)習(xí)的過程就是期待獲得的過程。三大矛盾分析建立的前提就是將高分子材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系放到理論與實踐緊密結(jié)合的背景下,每一個矛盾都是高分子材料在應(yīng)用時所要考慮的具體問題的高度概括。在教學(xué)過程中向?qū)W生傳遞三大矛盾的觀念時,必須與一些具體的應(yīng)用實踐背景相聯(lián)系,如在學(xué)習(xí)熱塑性聚酯材料相關(guān)內(nèi)容時,從柔性和剛性矛盾角度來分析聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的結(jié)構(gòu)與性能變化關(guān)系,學(xué)生很容易掌握相關(guān)知識并認(rèn)識到新型熱塑性聚酯PTT開發(fā)的重要價值。[7]在理論教學(xué)中注意與實踐緊密結(jié)合容易使學(xué)生了解所學(xué)知識的應(yīng)用價值,明白學(xué)習(xí)目的,從而產(chǎn)生更高的學(xué)習(xí)熱情。

[1]楊俊一.馬克思主義哲學(xué)原理 [M].上海：上海教育出版社,2003.

[2]何曼君.高分子物理 [M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社,2006：34-37.

[3]洪嘯吟.涂料化學(xué) [M].北京：科學(xué)出版社,2005：45-46.

[4]倪禮忠.聚合物基復(fù)合材料 [M].上海：華東理工大學(xué)出版社,2007：60-61.

[5]譚頂良.高等教育心理學(xué) [M].南京：河海大學(xué)出版社,2006：33-43.

[6]謝 婧.認(rèn)知主義學(xué)習(xí)概述[J].文教資料,2006(28)：101-102.

[7]趙 育.新型熱塑性聚酯-聚對苯二甲酸丙二醇酯[J].塑料科技,2000(2)：33-36.

Three Main Contradictions Analysis Theory and Its Application in Teaching

REN Q iang,L IJian,YU Q iang
(School of Materials Science and Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

Threemain contradictions in polymeric materials including polarity and nonpolarity,flexility and rigidity,usability and process ability are put forward based on contradiction analysis theory.Three main contradictions analysis theory hold the p redominant position in the relationship of polymer structure property-application. It is of great significance to convey three main contradictions analysis theory to students and to analyze the specific problem s in application field in teaching.It is helpful to cultivate the dialectically analytic capability of students in polymer science,to build the polymer science know ledge system logically,to form a thinking habit with combination of theory and practice,and learn actively.

polymeric materials;contradiction analysis theory;teaching;know ledge system;combination of theory and practice

李 艷)

G42 文獻(xiàn)標(biāo)碼：A

1672-9048(2010)03-0114-03

2010-04-20

任 強 (1977—),男,四川渠縣人,博士研究生,講師,主要從事高分子材料專業(yè)的教學(xué)與研究。