二元共混聚合物相圖的教學(xué)思考與體會(huì)

廖博　劉清泉

摘 要 二元共混聚合物相圖是高分子的多組分體系中比較難懂和難講的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。筆者根據(jù)自己多年來(lái)執(zhí)教高分子物理的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了關(guān)于二元共混聚合物相圖的教學(xué)心得和體會(huì)。

關(guān)鍵詞 高分子物理 二元共混聚合物 相圖

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.07.052

The Teaching Thinking and Experience of

Phase Diagram of BinaryPolyblend

LIAO Bo， LIU Qingquan

（School of Materials Science and Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan， Hunan 411201）

Abstract Phase diagram of binary polyblend is a difficult knowledge point in the polymer multicomponent systems. Based on the author's teaching experience of polymer physics for many years， the authors summarized the teaching experience of Phase diagram of binary polyblend.

Keywords Polymer Physics； Binary Polyblend； phase diagram

高分子物理中有一章講述的是多組分體系，該章內(nèi)容主要包括高分子共混物的相容性、高分子嵌段共聚物熔體與嵌段共聚物溶液等。其中，高分子共混物的相容性主要講述的是二元共混聚合物的相圖、二元共混聚合物的相分離機(jī)理、織態(tài)織構(gòu)等。這章內(nèi)容雖然不是高分子物理這門(mén)課程中的重點(diǎn)，知識(shí)點(diǎn)也不多，卻是學(xué)生比較難理解，教師不好講授的內(nèi)容。這章內(nèi)容中最難懂的是第一節(jié)共混聚合物的相分離中相圖的理解與掌握。筆者執(zhí)教高分子物理時(shí)所采用的教材是何曼君等主編、復(fù)旦大學(xué)出版社出版的《高分子物理》。對(duì)于二元共混聚合物相圖的編寫(xiě)，編者的本意是為了簡(jiǎn)單易懂，寥寥數(shù)語(yǔ)就將二元共混聚合物的相圖引出。然而，由于教材引出二元共混聚合物相圖時(shí)過(guò)于簡(jiǎn)單，并沒(méi)有交代清楚為什么所有極小值點(diǎn)的連線為兩相共存線，以及所有拐點(diǎn)為亞穩(wěn)極限線，導(dǎo)致讀者學(xué)習(xí)二元共混聚合物的相圖時(shí)只能機(jī)械的記住它的三個(gè)相區(qū)，而不是理解。因此，最后致使讀者難以理解分相過(guò)程對(duì)共混物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理性能的影響。筆者對(duì)這點(diǎn)欠缺反復(fù)思考，如何才能將這章內(nèi)容講述地系統(tǒng)而詳盡，讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)易于理解和接受。筆者在十來(lái)年高分子物理的講授過(guò)程中，講解這章內(nèi)容時(shí)經(jīng)常思考推敲，尤其是二元共混聚合物相圖的講解積累了一些自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，得出了一些心得和體會(huì)，在這里分享給可能任教高分子物理這門(mén)課程的新教師。

1 重點(diǎn)與難點(diǎn)的分析

筆者認(rèn)為，講授好這章內(nèi)容，教師首先要清楚本章的難點(diǎn)和重點(diǎn)，才能做到難點(diǎn)講透、重點(diǎn)突出；教師授課時(shí)思路清晰，學(xué)生才能很好理解并掌握這章內(nèi)容。

本章內(nèi)容的難點(diǎn)是二元共混聚合物相圖的理解。因此，如果在講授過(guò)程中能將相圖講透，學(xué)生們理解了二元相圖，而不是機(jī)械的記憶，這將有助于學(xué)生為后面知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。然而，對(duì)于二元共混聚合物的相圖，教師不能簡(jiǎn)單直接地告訴學(xué)生二元相圖分為三個(gè)相區(qū)，而是要讓學(xué)生明白為什么會(huì)分成三個(gè)相區(qū)，即講清楚二元共混聚合物相圖的是如何獲得。二元共混聚合物的相圖是被兩相共存線和亞穩(wěn)極限線分成了三個(gè)相區(qū)，即均相區(qū)、兩相共存區(qū)和不穩(wěn)區(qū)。因此，教師講授時(shí)的重點(diǎn)就應(yīng)落在兩相共存線、亞穩(wěn)極限線和三個(gè)相區(qū)的講述。如果在教學(xué)過(guò)程能夠?qū)上喙泊婢€、亞穩(wěn)極限和三個(gè)相區(qū)的物理意義線講清楚，學(xué)生就基本能掌握和理解二元共混聚合物的相圖。

2 二元共混聚合物相圖的講授思路與手段

教師既然明白了此內(nèi)容的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)，那么自然心中有數(shù)，就應(yīng)該注意哪些地方應(yīng)該講透或著重講解。筆者在講解二元共混聚合物的相圖時(shí)，常按以下幾步逐步講解，采用以下一些講授手段。

第一步：二元共混聚合物相容性問(wèn)題的引出。參照教材[1]引出高分子共混物的概念，并強(qiáng)調(diào)高分子共混物是一種廣義上的高分子溶液，與高分子溶液一樣，同樣存在相容性問(wèn)題，亦同樣有UCST型和LCST型。

第二步：引導(dǎo)學(xué)生寫(xiě)出二元共混聚合物的自由能公式。前面章節(jié)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了高分子溶液的自由能公式，在這里，可以要求學(xué)生回憶高分子溶溶的自由能公式并寫(xiě)出。提醒學(xué)生二元共混聚合物是廣義的高分子溶液，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生去嘗試寫(xiě)出二元共混聚合物的自由能公式。其實(shí)只要將高分子溶液的自由能公式中的溶劑替換成高分子，就可以得到二元共混聚合物的自由能公式。

第三步：交代LCST和UCST型共混聚合物的區(qū)別。LCST型和UCST型的區(qū)別在與相互作用參數(shù)與溫度的關(guān)系不一樣。LCST型的相互作用參數(shù)隨著溫度的增加而增加，而UCST型則恰好相反。

第四步：做LCST型共混聚合物在不同溫度下的自由能的理論曲線。由于二元共混聚合物的自由能與兩個(gè)參量相關(guān)，即自由能與組分1（2）的體積分?jǐn)?shù)和相互作用參數(shù)有關(guān)。而相互作用參數(shù)又與溫度有關(guān)，即不同溫度下，其相互作用參數(shù)也不同。因此，溫度不同，自由能理論曲線亦不同。當(dāng)溫度遠(yuǎn)小于臨界分相溫度時(shí)，自由能恒為負(fù)值，兩種聚合物在任何情況都可以相容。當(dāng)溫度遠(yuǎn)小于臨界溫度時(shí)，自由能的理論曲線在臨界分相時(shí)的理論曲線的下方。當(dāng)溫度高于臨界分相溫度時(shí)，這時(shí)的理論曲線有兩個(gè)極小值和一個(gè)極大值，也就有兩個(gè)拐點(diǎn)。注意，溫度高于臨界溫度時(shí)的理論曲線要盡量多做幾條曲線。當(dāng)溫度等于臨界溫度時(shí)，此時(shí)的極大值和極小值重合于一個(gè)點(diǎn)。

第五步：做出亞穩(wěn)極限線和兩相共存線。兩相共存線即連接所有理論曲線極小值點(diǎn)的連線。而亞穩(wěn)極限線為所有理論曲線拐點(diǎn)的連線。因此，二元共混聚合物的相圖即得到，兩條線將整個(gè)相圖分成了三個(gè)相區(qū)，均相區(qū)、亞穩(wěn)區(qū)和不穩(wěn)區(qū)。

第六步：均相區(qū)、亞穩(wěn)區(qū)和不穩(wěn)區(qū)的物理意義的講解。此時(shí)，雖然通過(guò)前面的講述得到了三個(gè)相區(qū)，但此時(shí)的學(xué)生幾乎不理解為什么亞穩(wěn)極限線里圍的區(qū)域是不穩(wěn)區(qū)，而亞穩(wěn)極限和兩相共存線里圍的區(qū)域?yàn)閮上喙泊鎱^(qū)。這點(diǎn)教師如果不講透，學(xué)生理解起來(lái)難度很大。因此，教師講授時(shí)必須將此點(diǎn)講透。當(dāng)溫度大于臨界溫度時(shí)，自由能的理論曲線有兩個(gè)極小值。因此，共混體系不穩(wěn)定，有向自由能極小的方向變化的趨勢(shì)。當(dāng)組分1（2）體積分?jǐn)?shù)小于或大于”時(shí)，其自由能不能向極小變化，此時(shí)就是極小，所以它在均相區(qū)。而當(dāng)組分1（2）體積分?jǐn)?shù)小于或大于”時(shí)，此時(shí)的自由會(huì)向極小變化，怎么變化？即變成一個(gè)濃度小的，一個(gè)濃度大的”。因此，處于兩相共存線之間的區(qū)域要分相。那么，在這里就基本交代清楚了為什么兩相共存線之間的區(qū)域不是均相了。然而，還有一關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)講，那就是為什么所有拐點(diǎn)的連線為亞穩(wěn)極限線，而所有極小值點(diǎn)的連線為兩相共存線。這一點(diǎn)，高分子物理教材中并沒(méi)有交代。筆者記得自己第一次接觸時(shí)，也沒(méi)法理解。這一點(diǎn)必須得講清楚，學(xué)生才好理解。這一點(diǎn)要講清楚，就得從濃度變化引起的自由能的變化趨勢(shì)去講。拐點(diǎn)是自由能對(duì)組分1（2）的體積分?jǐn)?shù)的二階偏導(dǎo)和三階偏導(dǎo)等于零的點(diǎn)，所以理論曲線上兩個(gè)拐點(diǎn)之間以及極小值與拐點(diǎn)之間，自由能對(duì)組分1（2）的體積分?jǐn)?shù)的三階偏導(dǎo)的符號(hào)不一樣。在兩拐點(diǎn)之間，自由能對(duì)體積分?jǐn)?shù)的三階偏導(dǎo)是小于零的，而在極小值與拐點(diǎn)之間的三階偏導(dǎo)是大于零的。因此，當(dāng)濃度稍微變化時(shí)，自由能的變化趨勢(shì)是不一樣。在在兩拐點(diǎn)之間，由于濃度稍微變化一點(diǎn)，其自由能皆是減小的，濃度稍微漲落，共混體系的自由能則自發(fā)的向極小發(fā)展；所以，拐點(diǎn)之間的區(qū)域?yàn)椴环€(wěn)區(qū)。極小值與拐點(diǎn)之間區(qū)域則不同，濃度稍微變化一點(diǎn)，其自由能并不是減小，只有當(dāng)濃度變化較大時(shí)，自由能才能向極小的方向發(fā)展。因此，該區(qū)域?yàn)閬喎€(wěn)區(qū)域。此外，為了幫助學(xué)生理解三個(gè)相區(qū)，可以考慮采用下面的生活實(shí)例幫助學(xué)生理解。如圖1所示，磚頭立于地面時(shí)A、B和C的三種可能狀態(tài)分別代表均相狀態(tài)、不穩(wěn)狀態(tài)和亞穩(wěn)狀態(tài)。[2]對(duì)于亞穩(wěn)狀態(tài)C，可以進(jìn)一步指出。磚頭從C狀態(tài)變化到A狀態(tài)，如果傾斜的角度很小，其能量是增加的，即不會(huì)向極小A狀態(tài)發(fā)展。只有傾斜角度較大時(shí)，也即從圖1中C的狀態(tài)中變成D狀態(tài)以后，才能夠向能量極小的的A狀態(tài)發(fā)展。這個(gè)簡(jiǎn)單直觀的生活實(shí)例的引入，更加有助于學(xué)生對(duì)二元共混聚合物相圖的理解。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者在講述二元共混聚合物的相圖時(shí)，雖然每次講解的時(shí)候可能略有差異，但基本思路和手段都大同小異。筆者發(fā)現(xiàn)，按此思路講解，學(xué)生很容易理解和掌握二元共混聚合物的相圖。同時(shí)，學(xué)生理解和掌握了二元共混聚合物的相圖后，對(duì)于二元共混聚合物分相過(guò)程對(duì)共混物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理性能的影響的理解就更顯容易。

基金項(xiàng)目：“化工與材料”國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目（教高廳函2016[7]）

參考文獻(xiàn)

[1] 何曼君，張紅東，陳維孝，董西俠.高分子物理[M].復(fù)旦大學(xué)出版社，2009.

[2] 萬(wàn)俊.高分子物理課程的教學(xué)體會(huì)[J].高教論壇，2009.1：80-81.