熔體紡絲在材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的利用

孫 君，戴禮興，程 絲，王新波

(蘇州大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州 215123)

熔體紡絲在材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的利用

孫 君，戴禮興，程 絲，王新波

(蘇州大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州 215123)

針對(duì)蘇州大學(xué)材料專業(yè)的特點(diǎn)及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)中熔體紡絲的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)，將以往熔體紡絲作為演示性和驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)改為大型的綜合性、實(shí)踐性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，通過(guò)親自動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生對(duì)熔體紡絲實(shí)驗(yàn)有了更深刻的理解，更好地掌握專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也有利于教師和學(xué)生的教學(xué)與科研互動(dòng)。

熔體紡絲；差別化；結(jié)構(gòu)與性能；互動(dòng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高本科教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度方面，具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的作用[1]。熔體紡絲實(shí)驗(yàn)教學(xué)是蘇州大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)和高分子材料與工程的大型實(shí)驗(yàn)課程中的重要一部分。這一實(shí)驗(yàn)是圍繞著我校對(duì)上述兩個(gè)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)——即著重培養(yǎng)能在高分子材料的設(shè)計(jì)、合成、改性、加工成型及應(yīng)用等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及經(jīng)營(yíng)管理等方面工作的具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的高級(jí)工程技術(shù)人才而開(kāi)展的。

我校的熔體紡絲實(shí)驗(yàn)是工業(yè)生產(chǎn)上纖維成型加工生產(chǎn)基本過(guò)程的一種小型模擬，是對(duì)纖維成型技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行綜合實(shí)踐，對(duì)纖維成型工藝探索發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新方法提供訓(xùn)練，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)并親自動(dòng)手操作，體驗(yàn)和真正理解理論課上所講的纖維成型加工技術(shù)。

1 過(guò)去熔體紡絲教學(xué)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題

合成纖維的成形普遍采用高聚物的熔體或濃溶液進(jìn)行紡絲，前者稱為熔體紡絲，后者稱為溶液紡絲。熔體紡絲主要工藝包括：紡絲熔體的制備;熔體從噴絲孔擠出;熔體絲條的拉伸、冷卻固化以及絲條的上油和卷繞[2]。

我校的熔體紡絲設(shè)備是集紡絲、牽伸和卷繞于一體且屬于切片紡絲的大型加工設(shè)備，有專任的實(shí)驗(yàn)技術(shù)員進(jìn)行管理。目前，許多高校都在探討如何提高大型儀器的利用率，充分發(fā)揮大型儀器的使用功能，如何讓大型儀器設(shè)備既能為高校的教學(xué)、學(xué)科建設(shè)與發(fā)展服務(wù)，又能為高水平的科研工作和高水平的論文發(fā)表服務(wù)[3]。

在以往的教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于受到實(shí)驗(yàn)的課時(shí)數(shù)和實(shí)驗(yàn)的設(shè)備臺(tái)數(shù)的限制，熔體紡絲的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般是作為一個(gè)演示性和驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。通常，由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師講解原理，介紹螺桿以及計(jì)量泵的工作原理，由實(shí)驗(yàn)技術(shù)員以PP作為紡絲原料來(lái)做演示實(shí)驗(yàn)，單一的紡制常規(guī)的圓形絲，對(duì)纖維的牽伸等不做要求，能夠?qū)⒗w維卷繞起來(lái)便意味著教學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)束。然而，使用PP作為紡絲原料進(jìn)行紡絲，是熔體紡絲中工藝較為簡(jiǎn)單的一種，如果只是向?qū)W生介紹和演示這種簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)纖維成型只有片面的認(rèn)識(shí)，而并不能對(duì)于纖維成型整個(gè)工藝過(guò)程有一個(gè)較為全面的了解。特別是，我校高分子材料專業(yè)的學(xué)生其專業(yè)方向大部分側(cè)重在高分子材料加工及纖維方向[4]。因此，在纖維成型中原料的差別化以及異型絲的開(kāi)發(fā)與普及是必要的，尤其應(yīng)讓學(xué)生充分了解工藝參數(shù)對(duì)纖維性能的影響。

2 教學(xué)模式的更新

實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)模式在不斷地探索和改革中成長(zhǎng)[5_8]，但著眼點(diǎn)基本是以學(xué)生為中心，要調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)具研究性以及探索性。熔體紡絲實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容原來(lái)是一個(gè)純粹的紡絲實(shí)驗(yàn)部分。即由實(shí)驗(yàn)技術(shù)員先行將紡絲原料準(zhǔn)備好，設(shè)置并調(diào)節(jié)好紡絲工藝，然后再讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師演示的操作步驟，進(jìn)行機(jī)械式的重復(fù)，根據(jù)將紡絲用切片紡制成合格纖維的總要求，將實(shí)驗(yàn)修改為三個(gè)部分，即向前增加了紡絲前的原料準(zhǔn)備工作，向后延伸了紡絲后的性能測(cè)試與分析工作，并且，紡絲工業(yè)參數(shù)在實(shí)驗(yàn)技術(shù)員指導(dǎo)下由學(xué)生在合理范圍內(nèi)自行設(shè)定。讓學(xué)生自行分組，針對(duì)不同紡絲原料，分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，制定相應(yīng)的工藝參數(shù)，自己動(dòng)手操作，觀察和分析試驗(yàn)中的各種現(xiàn)象并測(cè)試自己制備的纖維的結(jié)構(gòu)和性能，真正掌握結(jié)構(gòu)、性能與加工工藝之間的關(guān)系。并且，可以與其他組成員的結(jié)果相對(duì)照，可以較為全面地分析工藝參數(shù)對(duì)纖維性能的影響，以期完善自己的設(shè)計(jì)。因此，此實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，積極參與，合理分工，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，更能使其加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的綜合理解和應(yīng)用能力，將多學(xué)科知識(shí)交叉運(yùn)用，做真正的工科型人才[9]。

3 熔體紡絲實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 原料的準(zhǔn)備

熔體紡絲實(shí)驗(yàn)不同于一般的高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)，前期的準(zhǔn)備工作較多，而且，為了達(dá)到原料的差別化，我們除了購(gòu)買市售的紡絲切片如PP、PET、PA6等，還利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備聚合反應(yīng)釜，自行聚合出一些改性紡絲原料。通過(guò)紡絲教學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)高分子原料從聚合到紡絲成型有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí);另外，我們同時(shí)配備了異型絲的噴絲板，通過(guò)更換噴絲組件中的噴絲板，可以讓學(xué)生直觀地看到常規(guī)絲和異型絲的差別化。正是由于原料的多樣化，既需要學(xué)生能夠?qū)η衅M(jìn)行一系列的紡前處理;干燥、含水率的檢測(cè)、熔融指數(shù)測(cè)定，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定等，還可以讓學(xué)生對(duì)不同紡絲原料有一個(gè)直觀的了解。

3.2 熔體紡絲實(shí)驗(yàn)

我們的熔體紡絲機(jī)是一套集紡絲和拉伸于一體的設(shè)備，最高卷繞速度可達(dá)2 550 m/min，故而可以制備具有一定強(qiáng)度以及取向度的牽伸絲。具體的步驟為：在教學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中，首先向?qū)W生講述熔體紡絲機(jī)的工作原理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要變更的參數(shù);然后，通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，用不同的紡絲原料，或者是相同的紡絲原料，但是想要得到一定線密度的成品絲，讓學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)，檢測(cè)分析原料成分之后，設(shè)計(jì)紡絲工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的紡絲工藝參數(shù)先進(jìn)性初步判定是否可行，判定可行的基礎(chǔ)上，再指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行上機(jī)的紡絲操作。

3.3 纖維性能的檢測(cè)以及影響因素分析

為了讓學(xué)生進(jìn)一步了解到纖維成型后性能的優(yōu)劣，我們?cè)诎才湃垠w紡絲的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，并不是完成了紡絲實(shí)驗(yàn)便結(jié)束了教學(xué)過(guò)程，而是要求學(xué)生對(duì)自己紡制的纖維進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)，進(jìn)而理解不同的紡絲工藝對(duì)纖維性能的影響。目前，我們?cè)趯W(xué)生完成紡絲試驗(yàn)之后，還要進(jìn)行如下的性能檢測(cè)：測(cè)定纖維的線密度，觀察纖維的截面，測(cè)定纖維的斷裂強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率，測(cè)定纖維的取向度等。由于每組學(xué)生實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)均不相同，即使使用的是相同的原料，在紡絲的過(guò)程中，指導(dǎo)教師通過(guò)調(diào)節(jié)油盤(pán)的轉(zhuǎn)速，即可讓學(xué)生理解油劑對(duì)纖維成型的作用;牽伸盤(pán)溫度以及轉(zhuǎn)速，就能使學(xué)生了解牽伸倍數(shù)和溫度對(duì)纖維的線密度、斷裂強(qiáng)度以及取向度的影響。也正是由于采用分組多層次的實(shí)驗(yàn)，從而使學(xué)生能夠?qū)w維成型及其影響因素有一個(gè)較為直觀的了解，在加深感性印象的同時(shí)，由指導(dǎo)老師進(jìn)一步將他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納分析，建立理性的知識(shí)結(jié)構(gòu)層次。學(xué)生在經(jīng)過(guò)自己分組動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，并且與其他同學(xué)的工藝相比較，可以非常直觀地判定出紡絲拉伸工藝對(duì)纖維成型的影響，分析出自己設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工藝的優(yōu)劣，從而培養(yǎng)了學(xué)生的自主意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)熔體紡絲機(jī)功能的開(kāi)發(fā)并在學(xué)生實(shí)驗(yàn)及教學(xué)中進(jìn)行普及利用，有利于學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識(shí)，有利于教師和學(xué)生的教學(xué)與科研互動(dòng)，同時(shí)也增加了該設(shè)備的利用率。通過(guò)在熔體紡絲試驗(yàn)中由學(xué)生自己進(jìn)行原料的分析測(cè)試、設(shè)定紡絲工藝參數(shù)和纖維成型后對(duì)其相關(guān)性能的檢測(cè)，使學(xué)生對(duì)聚合物成型纖維加工認(rèn)識(shí)，從理論到實(shí)際，有很大提高。對(duì)紡絲機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和加工工藝的理解有質(zhì)的飛躍，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作等方面均取得了較好的效果。

[1]程絲，王新波，嚴(yán)明.高分子材料專業(yè)大型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].紡織教育，2008(1)：53_54，11.

[2]董紀(jì)震，羅鴻烈，王慶瑞，等.合成纖維生產(chǎn)工藝學(xué)[M].2版.北京：中國(guó)紡織出版社，1996.

[3]李海林，廖欣軍，劉紅梅.關(guān)于高校大型儀器設(shè)備提高利用率的探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2008(2)：177_ 178.

[4]程絲，范麗娟，王新波.紅外光譜儀在材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的利用及實(shí)踐探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009(2)：159_160，163.

[5]謝月新，黃小益，譚喬來(lái)，等.研究型實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式的試驗(yàn)報(bào)告[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011(1)：126 _128.

[6]史鳳隆，鄒開(kāi)鳳.探索新的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2008(2)：19_20.

[7]王富武，武玉玲，郝愛(ài)軍，等.改革教學(xué)模式提高組織學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量[J].解剖學(xué)雜志，2006，29(1)：2，75.

[8]譚萍，郭萍.化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式新思考[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2011(10)：151.

[9]白秀娥，戴禮興，嚴(yán)明.聚合物加工實(shí)驗(yàn)課程體系的改革與建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(6)：16_18.

Utilization of M elt-spinning on the EXperiment and Teaching of M aterials Specialty

SUN Jun，DAILixing，CHENG Si，WANG Xinbo
(College of Chemistry Chemical Engineering and Materials Science，Soochow University，Suzhou 215123，China)

The experiment teaching ofmelt-spinning course formaterials specialty was improved considering the characteristics ofmaterial specialty and the existingmelt-spinning equipment of Soochow University.Allmelt-spinning processwere demonstrated by teachers in previous experiment teaching process，practicalmelt-spinning experimentwere explored through requiring students to design experiments and operate instruments in person，which is different from previous experimental teaching.The result showed that the exploitation and improvement ofmelt-spinning experiment teaching ismore beneficial for students to grasp the profession knowledge and to strengthen the connection between teaching and research.

melt-spinning;differential;structure and properties;mutual

TQ31；TQ34；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.035

2012_09_07；修改日期：2013_10_12

江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助。

孫 君（1984_），男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事高性能纖維研究及教學(xué)工作。