科研成果轉(zhuǎn)化教學(xué)在聚合物改性課程中的實踐

[摘要]通過結(jié)合自身科研成果，探索科研成果與教學(xué)相結(jié)合在聚合物改性課程的實踐。不僅豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，而且有效地提高了教學(xué)質(zhì)量，加深了學(xué)生對知識的認(rèn)識和理解，以及對知識的靈活應(yīng)用，極大地激發(fā)了學(xué)生對于學(xué)術(shù)研究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生利用知識解決實際問題的能力和科技創(chuàng)新意識。

[關(guān)鍵詞]科研成果；教學(xué)；表面改性

[中圖分類號]G642；TQ316.6""""" [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2023.10.032

引言

聚合物改性課程是材料類及相近專業(yè)的選修課，適合高分子材料與工程、功能材料等專業(yè)的學(xué)生，屬于工程學(xué)科，包括共混改性、填充改性、化學(xué)改性、表面改性，其中主要講授聚合物改性的基本概念、基本理論和研究方法等。以往只是采取老師單線講解的模式，雖然已經(jīng)側(cè)重應(yīng)用部分的講解，但是學(xué)生對知識的掌握往往停留在表面，不能深入地理解知識內(nèi)涵。如何讓學(xué)生更好地參與到課堂教學(xué)中，如何更好地幫助學(xué)生理解和掌握這部分知識，在進(jìn)行教學(xué)活動時，需要通過創(chuàng)新性的教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在新時代高校改革發(fā)展中，應(yīng)秉持教學(xué)與科研并重、科研與教學(xué)相互促進(jìn)，最終實現(xiàn)教學(xué)相長 ^[1]。因此，結(jié)合自身在聚合物改性研究中的科研成果，探索科研成果與教學(xué)相結(jié)合的理念在課程改革的實踐。引導(dǎo)學(xué)生積極思考、調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，并培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和科技創(chuàng)新意識，提高學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。

一、課程實踐

（一）科研成果在化學(xué)改性中的實踐

化學(xué)改性就是在大分子組成中引入少量別種性質(zhì)的片段以定向改變聚合物的性質(zhì)。只在聚合物的側(cè)基或端基上引入或改變官能團(tuán)，從而賦予聚合物以新的功能 ^[2]。作者以環(huán)氧官能化溶聚丁苯橡膠成果為例引入教學(xué)，相關(guān)成果“Structure and Performance of Silica-Grafted Epoxidized Solution-Polymerized Styrene?Butadiene Nanocomposites”為題，發(fā)表在ACS旗下的國際期刊Industrial amp; Engineering Chemistry Research ^[3]。

溶聚丁苯橡膠（SSBR）具有分子量分布窄、耐磨、抗?jié)窕攸c，是制備綠色輪胎胎面膠的重要材料。然而，SSBR為非極性橡膠，與常用的二氧化硅（silica）之間存在相容性問題，導(dǎo)致白炭黑在橡膠中分散差，無法滿足綠色輪胎胎面膠的性能要求。通過SSBR的官能化改性，向分子鏈中引入環(huán)氧基團(tuán)，提高橡膠的極性，從而改善二氧化硅與橡膠的相容性問題。而且二氧化硅表面的硅羥基與環(huán)氧基團(tuán)不僅能形成氫鍵相互作用，還能形成化學(xué)結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)填料與橡膠間的相互作用，從而制備高性能綠色輪胎如圖1所示。結(jié)果表明，環(huán)氧化程度越高，二氧化硅與ESSBR相互作用越強(qiáng)，二氧化硅分散越好，復(fù)合材料的性能更好。

（二）科研成果在填充改性中的實踐

偶聯(lián)劑在填充改性中有廣泛應(yīng)用，偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)含有兩類基團(tuán)，一類是親無機(jī)填料的基團(tuán)，一類是親有機(jī)聚合物的基團(tuán)。借助偶聯(lián)劑的作用，可以使表面性質(zhì)相差懸殊的無機(jī)填料和有機(jī)聚合物之間獲得良好的界面作用 ^[2]。作者以3-巰基丙基乙氧基-雙（十三烷基-五乙氧基-硅氧烷）（Si747）成果為例引入教學(xué)，相關(guān)成果“Ternary silicone dielectric elastomer micro-nanocomposites with enhanced mechanical and electromechanical properties”為題，發(fā)表在Wiley旗下的國際期刊Polymer Composites ^[4]。

介電彈性體作為一種智能材料，在生物醫(yī)療器械，航空等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。所使用的介電彈性體材料不僅需要介電性能好，而且也需要保證力學(xué)性能，加工性能等優(yōu)良。硅橡膠由于其優(yōu)異的綜合性能，已成為理想的介電彈性體材料之一。但是硅橡膠主鏈由硅和氧原子交替構(gòu)成，本身極性弱，導(dǎo)致其介電常數(shù)很低。向硅橡膠中添加高介電常數(shù)的無機(jī)填料，如鈦酸鋇（BT）納米顆粒，增加介電常數(shù)，但無機(jī)填料的表面能較大，與硅橡膠之間存在較大的表面能差異，這會導(dǎo)致填料的團(tuán)聚和缺陷的增加，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度的下降。無機(jī)填料在硅橡膠基體中的均勻分散是復(fù)合材料獲得優(yōu)異性能的關(guān)鍵。首次采用硅烷偶聯(lián)劑Si747這種新穎的雙官能團(tuán)硅烷偶聯(lián)劑對BT納米顆粒進(jìn)行改性，Si747水解后可以通過縮合接枝到BT納米顆粒表面，而Si747中的巰基可以與硅橡膠（MVSR）中的雙鍵反應(yīng) ^[5]，BT納米顆粒通過Si747與MVSR分子鏈相連，從而改善分散性，所制備的介電彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能和機(jī)電性能優(yōu)異。

復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，通過添加改性填料復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率得到顯著改善。此外，可以發(fā)現(xiàn)曲線的形狀發(fā)生變化，特別是當(dāng)應(yīng)變大于1000％時，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而迅速增加，這表明填料與MVSR之間的界面粘合性極好。伸長率的增加歸因于BT-Si747納米顆粒干擾了MVSR的交聯(lián)，導(dǎo)致交聯(lián)密度降低。Si747改性的BT納米顆粒增加了BT-Si747與MVSR之間的界面粘附力，而降低的交聯(lián)密度使鏈在外力作用下滑動，從而形成拉伸鏈或平行排列的鏈，因此力學(xué)性能得到改善。在較低電場下，復(fù)合材料的驅(qū)動性能得到了顯著改善。在47.48 kV/mm的電場下可獲得8.81％的電致形變，該值是純MVSR的兩倍（在60.21 kV/mm的電場下為4.4％）。

（三）科研成果在表面改性中的實踐

表面改性是指通過物理或化學(xué)方法使材料表面性能發(fā)生變化的一類改性方法 ^[2]。與其他改性方法的不同之處：改性僅局限于制品表面100～100|ìm。作者以水性炭黑成果為例引入教學(xué)，2023年8月13日，作者團(tuán)隊和青島黑貓新材料研究院共同研發(fā)的“高分散水性炭黑的開發(fā)”項目通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，打破了國外技術(shù)壁壘，可替代國外高端產(chǎn)品，這是我國在高端色素炭黑領(lǐng)域的又一項突破。

普通炭黑表面自由能很高，很容易團(tuán)聚在一起，且其表面是非極性的，不易被極性溶劑水潤濕，很難在水中穩(wěn)定地分散，因此限制了它在水性基料中的應(yīng)用。通過炭黑表面改性，提高炭黑表面的斥力，可在水中形成穩(wěn)定的溶劑化層，促進(jìn)炭黑的浸潤性 ^[5]，提高炭黑在水中的分散性，制備出高分散水性炭黑。如圖3所示，分別顯示了原始炭黑和不同反應(yīng)時間下改性炭黑的傅里葉紅外光譜圖。通過原始炭黑與不同反應(yīng)時間條件下制備的改性炭黑的傅里葉紅外光譜圖對比，1627cm^-1和1593cm^-1處是C=C骨架的伸縮振動峰，1720cm^-1是-C=O的伸縮振動峰 ^[6]。發(fā)現(xiàn)原始炭黑-伸縮振動峰的峰強(qiáng)最小，改性炭黑的峰強(qiáng)增加，其原因是炭黑經(jīng)過改性后，增加了炭黑表面的含氧官能團(tuán)含量。

圖3 原始炭黑和不同反應(yīng)時間下改性炭黑的紅外光譜圖

由科研成果所轉(zhuǎn)化的教學(xué)內(nèi)容，不僅豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，而且有效地提高了教學(xué)質(zhì)量，在對以上科研實例進(jìn)行講授和討論時，應(yīng)用了聚合物改性課程所學(xué)的理論知識，來對結(jié)果進(jìn)行分析討論，極大地激發(fā)了學(xué)生對于學(xué)術(shù)研究的興趣。不僅讓學(xué)生學(xué)會將所學(xué)理論知識融會貫通，還使學(xué)生學(xué)會將所學(xué)的專業(yè)知識在實際科學(xué)研究中的真實應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索自然規(guī)律的興趣。

二、結(jié)語

目前新工科背景下專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)需要不斷豐富和更新教學(xué)內(nèi)容，以科研促進(jìn)教學(xué)，將科研成果等引入教學(xué)中，及時更新教學(xué)內(nèi)容，通過這種教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生更為深入的理解所學(xué)知識點，掌握融會貫通的能力，不僅能夠提升課程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，還能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助，項目名稱：高性能介電彈性體的制備與表征（項目編號：JD2210）

作者簡介：

劉玲（1975.5-），女，漢族，河北石家莊人，博士，副教授，研究方向：高分子材料；

張亞潔（1976.12-），女，漢族，遼寧鞍山人，碩士，助理研究員，研究方向：材料科學(xué)與工程。