免洗手消毒用酒精凝膠的制備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與課程思政實(shí)踐

李秋平，朱琳，胡敏杰，羅利娟，吳昊

寧波工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315211

精細(xì)化學(xué)品實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用化學(xué)與精細(xì)化工方向非常重要的一門(mén)基礎(chǔ)實(shí)踐課程，其教學(xué)內(nèi)容主要圍繞常見(jiàn)精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)原理、生產(chǎn)過(guò)程以及應(yīng)用前景展開(kāi)設(shè)計(jì)，該課程既是相關(guān)專業(yè)學(xué)生未來(lái)從事精細(xì)化工產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的重要理論基礎(chǔ)，又是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與對(duì)精細(xì)化工行業(yè)專業(yè)興趣的重要實(shí)踐課程[1,2]。隨著我國(guó)精細(xì)化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，精細(xì)化學(xué)品種類(lèi)也越來(lái)越多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，光我國(guó)市場(chǎng)上能找到的精細(xì)化學(xué)品商品就高達(dá)2萬(wàn)多種，而且這一數(shù)目還在逐年增長(zhǎng)中[3]。如何從眾多的精細(xì)化學(xué)品中挑選具有代表意義且操作性強(qiáng)的產(chǎn)品用作相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生在掌握精細(xì)化學(xué)品的設(shè)計(jì)原理與生產(chǎn)方法的同時(shí)，更能深刻體會(huì)精細(xì)化學(xué)品在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用情況，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，這一問(wèn)題就顯得尤為迫切[4]。

免洗手消毒用酒精凝膠是一種能快速滅活有害微生物的消毒劑，是預(yù)防疾病的很好工具[5,6]。將消毒酒精做成凝膠狀產(chǎn)品便于攜帶和保存，與普通溶劑型消毒液相比，消毒凝膠可有效防止酒精的噴濺與滴落，具有使用方便、消毒高效快速和免水洗環(huán)保等特點(diǎn)。在此嚴(yán)重新型冠狀病毒蔓延的背景下，該產(chǎn)品可為一線的醫(yī)護(hù)人員、志愿者等人群提供一定的便捷有效的保護(hù)。疫情初期，面對(duì)免洗手消毒用酒精凝膠等產(chǎn)品供不應(yīng)求的問(wèn)題，許多網(wǎng)絡(luò)視頻和文章紛紛開(kāi)始教授人們免洗手消毒用酒精凝膠的制作方法，抗擊疫情，砥礪前行。有鑒于此，通過(guò)在精細(xì)化學(xué)品實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)免洗手消毒用酒精凝膠的制作教學(xué)單元，不僅能實(shí)現(xiàn)課程本身的教學(xué)目的，還可通過(guò)教學(xué)過(guò)程增強(qiáng)學(xué)生的衛(wèi)生防護(hù)意識(shí)，并在課程過(guò)程中植入許多思政元素，從而達(dá)到立德樹(shù)人的真正目的。像化學(xué)這樣與我們生活息息相關(guān)的學(xué)科，是最容易挖掘出思政元素的，通過(guò)簡(jiǎn)單的教學(xué)設(shè)計(jì)就可將“立德樹(shù)人”的根本任務(wù)融入課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全課程育人的格局[7]。在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中植入思政教育元素，也成了當(dāng)下各高?；瘜W(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的改革重點(diǎn)[8]。

本實(shí)驗(yàn)是寧波工程學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)精細(xì)化學(xué)品實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)新冠肺炎疫情這一突發(fā)事件而增設(shè)的課程單元，在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中充分融入了多項(xiàng)思政教育元素，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，內(nèi)容貼近生活，適合在各級(jí)各類(lèi)學(xué)校化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生中普及開(kāi)設(shè)。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

在條件允許的情況下，本實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生獨(dú)自完成，不需組隊(duì)。要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前認(rèn)真預(yù)習(xí)，尤其要認(rèn)真預(yù)習(xí)“實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)部分”，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和各成分實(shí)際用量，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可帶走各自所生產(chǎn)的酒精凝膠產(chǎn)品。同時(shí)，每位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后應(yīng)提交一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并在查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與思考題進(jìn)行認(rèn)真思考。

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 掌握免洗手消毒用酒精凝膠的配方設(shè)計(jì)原理；

(2) 練習(xí)并掌握免洗手消毒用酒精凝膠的一般生產(chǎn)過(guò)程；

(3) 熟悉酒精凝膠的消毒原理，增強(qiáng)學(xué)生的傳染病預(yù)防意識(shí)和防護(hù)能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)制作的免洗手消毒用酒精凝膠的最主要成分是乙醇，乙醇在其中主要起到殺菌消毒和揮發(fā)性溶劑的作用。大量的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，乙醇含量75% (體積百分比)左右的酒精可以很好地滲透進(jìn)入病毒內(nèi)部，使所有病毒蛋白都能脫水、變性而凝固，并最終殺死病毒。雖然提高乙醇濃度有利于蛋白脫水變性，但是過(guò)高的酒精濃度會(huì)使病毒外殼蛋白迅速變性凝固，形成一層堅(jiān)固的薄膜，從而阻止酒精的進(jìn)一步滲透，導(dǎo)致無(wú)法徹底殺死病毒；另一方面，如果乙醇濃度過(guò)低，雖可進(jìn)入病毒內(nèi)部，但由于其對(duì)蛋白質(zhì)的滲透性較差，也無(wú)法有效地使病毒蛋白變性[9]。同時(shí)，在相同溫度下乙醇的蒸氣壓是水的2–3倍，其揮發(fā)速度遠(yuǎn)高于水分，在幾番搓手消毒之后能迅速揮發(fā)，可免除洗手之后還要擦干的不便。由于酒精具有很強(qiáng)的流動(dòng)性和揮發(fā)性，少量的酒精倒在手上，稍微一搓手即會(huì)完全揮發(fā)，根本無(wú)法使其布滿雙手皮膚，想要用普通酒精洗手消毒需消耗較大的用量才能實(shí)現(xiàn)完全的消毒效果。而添加了增稠劑的酒精可在一定程度上降低其流動(dòng)性與揮發(fā)性，在搓手之時(shí)，酒精能輕易地以凝膠的狀態(tài)涂滿雙手，并在此過(guò)程中完成消毒過(guò)程，之后隨著雙手的揉搓又逐漸完全揮發(fā)。

本實(shí)驗(yàn)制作的洗手凝膠的另一個(gè)主要成分是卡波姆，它的主要作用就是增稠?？ú肥且环N非常重要的流變調(diào)節(jié)劑，通常是由丙烯酸或丙烯酸酯與烯丙基醚經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)而制得的樹(shù)脂材料。由于分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羧酸基團(tuán)，卡波姆具有一定的酸性和親水性，可在水中顯著溶脹，但是單純的乙醇對(duì)卡波姆來(lái)說(shuō)卻是不良溶劑，需要借助一定的有機(jī)胺才能實(shí)現(xiàn)這一效果。

卡波姆在溶液中可通過(guò)兩種機(jī)制增稠：

(1) 通過(guò)不同卡波姆分子之間的分子鏈相互纏繞實(shí)現(xiàn)增稠效果，由于卡波姆分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羧基結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)調(diào)節(jié)pH可使其羧基結(jié)構(gòu)陰離子化而相互排斥，使得初始卷曲的卡波姆分子卷曲鏈?zhǔn)嬲归_(kāi)，體積增大上千倍，增加了分子之間相互纏繞的概率，從而大大提高卡波姆的增稠效果。研究結(jié)果表明，當(dāng)體系的pH在6–12范圍內(nèi)的時(shí)候，卡波姆的增稠效果最好。

(2) 另外，羧基陰離子化的卡波姆分子還可通過(guò)羰基氧與多元醇分子中的羥基氫形成氫鍵，并交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增稠效果。

除了上述兩種主要物質(zhì)外，在生產(chǎn)卡波姆酒精凝膠之時(shí)，還常用三乙醇胺調(diào)節(jié)體系的pH，并加入一定量的甘油護(hù)手和輔助增稠。當(dāng)然，還可視需求加入香精、蘆薈凝膠和抗氧化劑等各種物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配，改善產(chǎn)品性能，使其更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的酒精凝膠配方及各組分作用如表1所示。

表1 免洗手消毒用酒精凝膠配方

本實(shí)驗(yàn)涉及磁力攪拌、冷凝回流等基本實(shí)驗(yàn)操作，又涉及到了日用化學(xué)品的配方設(shè)計(jì)原理與基本生產(chǎn)過(guò)程，適合用作應(yīng)用化學(xué)或精細(xì)化工等相關(guān)專業(yè)本?？聘吣昙?jí)學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：分析天平、150 mL三口燒瓶、150 mL燒杯、恒溫磁力攪拌器、恒壓滴液漏斗、玻璃棒、量筒、藥匙、按壓瓶、回流冷凝管、磁子、pH試紙、空心塞、稱量紙。

實(shí)驗(yàn)藥品：卡波姆940 (上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、三乙醇胺(99%，美國(guó)陶氏化學(xué)公司)、乙醇(95%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、甘油(99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、去離子水(自制)、玫瑰香精(杭州西湖香精香料有限公司)。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 利用恒溫磁力攪拌器、150 mL三口燒瓶和回流冷凝管搭建回流冷凝反應(yīng)器。

(2) 稱取0.4–0.5 g卡波姆置于三口燒瓶?jī)?nèi)，加入20 mL去離子水，加入磁子進(jìn)行磁力攪拌。打開(kāi)冷凝水，將反應(yīng)器溫度升高到75 °C，在此溫度下攪拌大約30 min至卡波姆粉末完全溶脹，體系呈透明凝膠狀，隨后將反應(yīng)器溫度下調(diào)到60 °C。

(3) 量取95%的乙醇79 mL，置于恒壓滴液漏斗，裝到三口燒瓶上，在持續(xù)回流與攪拌下，以2–3滴/秒的速度滴入凝膠體系中，滴加完后再加入1 mL甘油，最終該體系會(huì)變成微乳白與微渾濁的膠狀溶液。

(4) 趁熱將溶液轉(zhuǎn)移至150 mL燒杯，使用三乙醇胺調(diào)節(jié)pH，一滴一滴的滴加，每次滴加完后要充分?jǐn)嚢杈鶆?，大約2–3滴左右即能發(fā)現(xiàn)體系黏稠度明顯增加，且從略微乳白渾濁狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆该骶鶆虻哪z，用pH試紙測(cè)試并記錄溶液pH。

(5) 適量滴加2–3滴玫瑰香精增香，待攪拌均勻后將樣品裝入100 mL深色擠壓瓶。

(6) 擠壓部分產(chǎn)品到手上，觀察產(chǎn)品流動(dòng)性，搓揉使其涂布滿雙手，體驗(yàn)產(chǎn)品性能。

1.5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1) 卡波姆的溶脹步驟非常關(guān)鍵，必須等溶液變成完全透明凝膠狀才能進(jìn)行后續(xù)步驟。

(2) 乙醇加入速度不可過(guò)快，且必須及時(shí)攪拌均勻，否則可能導(dǎo)致局部卡波姆聚沉現(xiàn)象。

(3) 調(diào)節(jié)pH時(shí)三乙醇胺應(yīng)逐滴逐滴地滴加，且每次滴加后應(yīng)充分?jǐn)嚢?，然后根?jù)情況再?zèng)Q定是否繼續(xù)滴加三乙醇胺，三乙醇胺滴加過(guò)頭會(huì)使卡波姆聚沉從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)徹底失敗。

(4) 實(shí)驗(yàn)失敗產(chǎn)品不得倒入下水道，以免堵塞下水管道。

1.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后應(yīng)得到無(wú)色透明凝膠狀且酒精含量達(dá)75%左右的產(chǎn)品，其外觀與擠壓到手上后的效果可參考圖1。體驗(yàn)所制備酒精凝膠的洗手效果時(shí)，產(chǎn)品應(yīng)在搓揉的過(guò)程中無(wú)明顯顆粒感，且經(jīng)多次搓手后迅速揮發(fā)，無(wú)殘留，無(wú)須額外擦干為最佳。同時(shí)，還要列出實(shí)際配方成分與用量表以供參考。

圖1 酒精凝膠外觀(左)與擠壓至手上后的效果圖(右)

1.7 實(shí)驗(yàn)思考

實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后可針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題與本實(shí)驗(yàn)未能充分實(shí)踐的拓展知識(shí)設(shè)置合理的思考題，例如：

(1) 是否可以預(yù)先將卡波姆充分溶脹，實(shí)驗(yàn)之時(shí)直接使用，而不再需要加熱回流。

(2) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果不小心加入乙醇過(guò)快導(dǎo)致卡波姆部分聚沉了，是否還能補(bǔ)救。

(3) 是否可以使用其他類(lèi)型的卡波姆代替卡波姆940進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(4) 是否可以在配方中加入第二種消毒劑，例如苯扎溴銨等，以便增強(qiáng)消毒效果。

2 課程思政設(shè)計(jì)

作為在抗擊與預(yù)防新冠肺炎中被大量使用的一種防疫物資，制備免洗手消毒用酒精凝膠產(chǎn)品本身就具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，在充分挖掘酒精凝膠產(chǎn)品本身特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為至少可以從以下幾個(gè)方面挖掘思政元素并開(kāi)展課程思政育人工作：

(1) 從酒精凝膠產(chǎn)品的消毒應(yīng)用出發(fā)，普及酒精產(chǎn)品的殺菌消毒科普知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生在掌握了這些知識(shí)以后積極向親人朋友傳播相關(guān)知識(shí)，解除許多人對(duì)酒精凝膠消毒產(chǎn)品的不信任心態(tài)，提高大家的衛(wèi)生防護(hù)意識(shí)，為國(guó)家的防疫工作貢獻(xiàn)一份力量。

(2) 積極引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想我國(guó)防疫過(guò)程中酒精凝膠和消毒藥劑等各種防疫相關(guān)的精細(xì)化學(xué)品供應(yīng)充足的情況，以及我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)從新冠肺炎疫情影響中快速恢復(fù)的現(xiàn)實(shí)，對(duì)比國(guó)外大部分國(guó)家各種防疫物資緊缺和疫情防控徹底失控的狀況，激發(fā)學(xué)生愛(ài)黨愛(ài)國(guó)的意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)中國(guó)特色社會(huì)主義路線的自信。

(3) 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可能會(huì)遇上學(xué)生滴加乙醇過(guò)快導(dǎo)致卡波姆發(fā)生部分凝聚，以及滴加過(guò)量的三乙醇胺導(dǎo)致產(chǎn)品制備失敗的情況，此時(shí)任課教師可以積極引導(dǎo)學(xué)生分析失敗原因和指導(dǎo)學(xué)生采取補(bǔ)救措施。讓學(xué)生體會(huì)到一時(shí)的挫折并不可怕，關(guān)鍵是遇上了挫折要懂得去分析原因，并采取相應(yīng)的措施去克服挫折與困難，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、認(rèn)真思考與不折不撓的科研精神。

(5) 還可通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生正確看待精細(xì)化學(xué)品行業(yè)與工業(yè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)發(fā)展的重要意義，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)化工相關(guān)行業(yè)的專業(yè)興趣與熱情，培養(yǎng)學(xué)生作為化學(xué)研究者與化學(xué)實(shí)踐者的自豪感。

3 結(jié)語(yǔ)

本精細(xì)化學(xué)品合成實(shí)驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、成功率高等特點(diǎn)，且具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義，既可作為生動(dòng)有趣的大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，又可作為一堂課程思政深度融合的專業(yè)課程。課程設(shè)計(jì)包含了實(shí)用性與思政性的雙重教學(xué)改革目標(biāo)，因此非常適合用于應(yīng)用化學(xué)或精細(xì)化工等相關(guān)專業(yè)的本專科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。