疫情背景下高分子化學(xué)實驗教學(xué)的一點探討

汪海平

(江漢大學(xué) 光電材料與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430056)

引言

始于2020年的新冠肺炎疫情迫使越來越多國家的學(xué)校教育由傳統(tǒng)線下課堂向遠程線上學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，也極大促進了學(xué)堂在線、優(yōu)課聯(lián)盟和中國大學(xué)MOOC等慕課學(xué)習(xí)平臺在國內(nèi)高校中的廣泛應(yīng)用[1-3]。化學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，在疫情防控期間，其相關(guān)實驗課程的教學(xué)與理論課程教學(xué)相比面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)，在學(xué)生暫時不能返校進行傳統(tǒng)面對面實驗技能培訓(xùn)的特殊情況下，如何將“停課不停學(xué)、教學(xué)質(zhì)量不降低”的要求落到實處，是擺在化學(xué)教育工作者面前亟需考慮的問題[4，5]。

目前，針對化學(xué)實驗實施遠程教學(xué)的策略主要有三種形式：化學(xué)實驗視頻展示、虛擬仿真實驗和家庭化學(xué)實驗?；瘜W(xué)實驗視頻展示主要是借助網(wǎng)絡(luò)以視頻形式向?qū)W生展示實驗操作的過程，這種教學(xué)方式在打破時空限制、互動模式和教學(xué)資源等方面雖然有一定的優(yōu)勢，但在鍛煉學(xué)生處理實際問題能力的方面仍有不足[4]?；瘜W(xué)中的虛擬仿真實驗是借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上模擬完成傳統(tǒng)實驗中的各個操作環(huán)節(jié)，雖然這種網(wǎng)上虛擬實驗室能夠突破傳統(tǒng)實驗對“時、空”的限制，但仍然存在一些缺點，比如虛擬仿真實驗的開發(fā)或訪問成本對許多學(xué)校來說還是太昂貴，對實驗基本操作細節(jié)體現(xiàn)不足，存在實驗環(huán)節(jié)與現(xiàn)實脫節(jié)的矛盾，導(dǎo)致學(xué)生缺乏處理真實實驗問題的能力[6，7]。家庭化學(xué)實驗是指學(xué)生在家里也可以動手實驗，與專業(yè)的化學(xué)實驗室相比，家庭化學(xué)實驗在實驗內(nèi)容、精度和嚴謹性上有一定局限性[8，9]。然而，研究表明，在疫情期間不能去學(xué)校上課的情況下，開展與現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系的家庭化學(xué)實驗活動是培養(yǎng)學(xué)生探究能力和化學(xué)核心素養(yǎng)，以及提高學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的有效手段之一[10]。目前，許多家庭化學(xué)實驗都是以廚房食材或網(wǎng)購的家庭化學(xué)實驗箱作為實驗用材料，其實驗內(nèi)容在本質(zhì)上都僅限于一般的化學(xué)概念，很少有為學(xué)生提供通過動手實驗學(xué)習(xí)高分子化學(xué)的家庭實驗項目[11，12]。

基于上述分析，本文特推薦一個貼近生活的高分子化學(xué)動手實驗，以兩種日常生活中易于獲得、在家可以安全使用的膠粘劑(502膠水和有機硅密封膠)作為主要的實驗材料，通過簡易的方法比較兩種膠粘劑的粘接性能，為學(xué)生提供在家動手實驗學(xué)習(xí)高分子化學(xué)知識的機會。該實驗專為掌握了一定有機化學(xué)知識的大二或大三學(xué)生而設(shè)計，實驗內(nèi)容涉及高分子合成化學(xué)、分子間相互作用、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等高分子化學(xué)知識，可以作為教師在課堂外教授高分子化學(xué)實驗的補充工具。

1 實驗預(yù)習(xí)

為了保證實驗?zāi)軌蜻_到預(yù)期的效果，在實驗前可以布置如下思考題，讓學(xué)生以任務(wù)的形式、有意識地通過查閱相關(guān)文獻，領(lǐng)會實驗?zāi)康暮驮怼?/p>

1)有機硅密封膠和502膠水兩者的固化產(chǎn)物分別是熱固性還是熱塑性聚合物？解釋為什么？

2)交聯(lián)劑是指什么？

3)當(dāng)酸性有機硅密封膠固化時，它會釋放出乙酸分子，有些人不喜歡這種氣味，請寫出一種您認為沒有氣味可替代的交聯(lián)劑的分子式。

4)如果502膠水或有機硅密封膠在完全沒有水的情況下固化會發(fā)生什么？

2 實驗部分

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

1)了解作為502膠使用的α—氰基丙烯酸乙酯以及有機硅密封膠的固化反應(yīng)機理;

2)理解熱固性聚合物與熱塑性聚合物之間物理力學(xué)性能產(chǎn)生差異的原因;

3)通過比較兩種膠粘劑在不同干濕條件下固化后的粘接性能，探索聚合物的結(jié)構(gòu)對材料性能的影響規(guī)律;

4)通過設(shè)計膠粘劑粘接性能的測試方案，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.2 實驗原理

圖1 水引發(fā)α-氰基丙烯酸乙酯固化反應(yīng)機理

家用的酸性有機硅密封膠一般主要由α，ω—端羥基聚二甲基硅氧烷預(yù)聚物(PDMS)和作為三官能團交聯(lián)劑的甲基三乙酰氧基硅烷(MTAS)組成[14]，其固化反應(yīng)機理如圖2所示。PDMS的端羥基與MTAS中的部分可水解基團發(fā)生縮合反應(yīng)，生成端乙酰氧基PDMS預(yù)聚物，并釋放醋酸分子(AcOH)，接著預(yù)聚物末端的乙酰氧基發(fā)生如下兩種反應(yīng)：①受端羥基PDMS的親核進攻，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng);②吸收空氣中的水分，進行水解、縮聚，最終形成共價交聯(lián)的有機硅網(wǎng)絡(luò)。由于每次發(fā)生上述反應(yīng)時都會釋放出醋酸分子，因此可以通過醋酸的氣味判斷有機硅密封膠是否發(fā)生固化反應(yīng)。空氣中水分的含量將直接影響乙酰氧基的水解程度，進而影響固化物的交聯(lián)密度。通常含水量越高，交聯(lián)密度越大，所得固化物的機械強度也會越大[15]。

圖2 端羥基聚二甲基硅氧烷(PDMS)與甲基三乙酰氧基硅烷(MTAS)的交聯(lián)固化反應(yīng)機理

2.3 實驗用品

酸性有機硅密封膠，502膠水，帶提手的空牛奶桶(1個)，細繩(長度20～40 cm)，帶刻度量杯。

陶土是一種由硅酸鋁粘土燒結(jié)而成的陶瓷材料，它能吸收并保留其孔隙中的水分。在測試依賴水固化的膠粘劑的粘接性能時，陶土是非常合適的基材，因此，本實驗選擇由陶土制成的花盆底托作為測試膠粘劑粘接性能的基材。

2.4 實驗步驟

通過將兩種膠粘劑在不同的干濕環(huán)境下固化，考察水對有機硅密封膠和502膠水在陶土花盆底托上粘接強度的影響，每個條件重復(fù)測定3次，每次測試使用2個陶土花盆底托。

2.4.1 膠粘劑的粘接實驗

干固化：按圖3描述的方法，先用棉簽在干燥的花盆底托平坦的一側(cè)涂上有機硅密封膠或502膠水，接著用手壓的方式將其與另一個花盆底托平坦側(cè)緊密貼合在一起，讓膠粘劑固化 24 h，測試待用。其中，有機硅密封膠的用量以填縫層厚度約一元硬幣的厚度為宜，502膠水的使用量約豌豆大小。

濕固化：先將陶土花盆底托浸泡在水中至少 5 min，然后取出陶土花盆底托并用干紙巾將其表面擦干，緊接著按圖3描述的方法進行膠粘劑的粘接實驗。

圖3 膠粘劑的粘接示意圖

2.4.2 粘接強度測試

準備一個空牛奶桶，稱其質(zhì)量(以克為單位)，記為m，如果身邊沒有秤，可以假設(shè)空牛奶桶質(zhì)量為60克。根據(jù)圖4 中描述的方法對每對粘接后的陶土花盆底托進行粘接強度測試。首先，將空牛奶桶用繩子掛在粘接好的花盆底托上，接著用帶刻度的量杯將水慢慢倒入牛奶桶中，在整個實驗過程中盡量以前后一致的速度倒水，直至膠粘劑失效，兩個花盆底托分開，記錄所加水的總體積L(以毫升為單位)和膠粘劑殘留物的情況，此時膠粘劑失效質(zhì)量為(m+L)，單位為克。本實驗通過膠粘劑的失效質(zhì)量間接判斷膠粘劑的粘接強度。

圖4 膠粘劑的粘接性能測試示意圖

如果條件允許，上述測試可以使用專業(yè)實驗室里電子萬能拉力機進行補充，通過獲得膠合陶土的拉伸曲線，進一步量化粘合或內(nèi)聚破壞所需的確切力。

3 結(jié)果與討論

在表1中記錄膠粘劑失效時牛奶桶中水的體積，并計算每種固化條件下的膠粘劑失效質(zhì)量及其平均值。同時，將膠粘劑失效時觀察到殘留膠粘劑的外觀和質(zhì)地等現(xiàn)象記錄在表2中。

結(jié)合表1、表2中的實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，試回答以下問題：

表1 膠粘劑的極限強度

表2 膠粘劑失效時的現(xiàn)象記錄

1)有機硅密封膠在哪種條件(濕或干)下固化后的交聯(lián)密度更高？為什么？

2)502膠在哪種條件(濕或干)下固化后得到聚合物分子量更大？為什么？

3)哪一種粘合劑(有機硅密封膠或502膠)對陶土花盆底托有更強的粘合作用?

4)較高的含水量對有機硅密封膠和502膠的固化會產(chǎn)生怎樣的影響?

4 結(jié)語

為了應(yīng)對新冠疫情對傳統(tǒng)師生面對面的教學(xué)方式提出的挑戰(zhàn)，保證學(xué)生“停課不停學(xué)”，本文創(chuàng)建了一種使用家用膠粘劑遠程學(xué)習(xí)高分子化學(xué)知識的動手實驗。通過本實驗可以鍛煉學(xué)生查閱文獻、制造測試樣品和分析解決問題的能力，有助于學(xué)生理解并掌握高分子化學(xué)中的一些關(guān)鍵概念，例如高分子化學(xué)反應(yīng)、熱塑性與熱固性區(qū)別、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系等。該實驗可以作為本科生的暑期研究項目，也可以為化學(xué)教育工作者提供一個在實驗室之外教授高分子科學(xué)實驗的有利工具。