高分子綜合實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)踐

張宏艷, 丁國(guó)新, 王艷麗

(安徽理工大學(xué) 材料學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

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高分子綜合實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)踐

張宏艷, 丁國(guó)新, 王艷麗

(安徽理工大學(xué) 材料學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

減少實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性內(nèi)容環(huán)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)有的科研條件，開(kāi)設(shè)研究性、探索性和創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)是高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要組成部分?！叭簿壑悄芩z的制備與性能表征”是基礎(chǔ)學(xué)科交叉的綜合實(shí)驗(yàn)。旨通過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，提高其實(shí)驗(yàn)技能及合作交流的能力。

綜合實(shí)驗(yàn); 水凝膠; 高分子材料

0 引 言

高等學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的重要組成部分，是為學(xué)生構(gòu)建合理知識(shí)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)造性思維的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。隨著教學(xué)改革的不斷深入，如何開(kāi)展高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮其應(yīng)有的作用，對(duì)高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)顯得尤為重要?；谝陨峡紤]，根據(jù)學(xué)校要求，針對(duì)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，打破課程界限，重新設(shè)計(jì)了與其他實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)密切聯(lián)系的綜合實(shí)驗(yàn)。注重知識(shí)體系系統(tǒng)性、整體性的同時(shí)，又使知識(shí)體系之間相互滲透。教學(xué)中采取以下方式，實(shí)踐中取得了較好的效果。

1 實(shí)驗(yàn)方案的確定

隨著科技不斷進(jìn)步，智能水凝膠的應(yīng)用范圍更加廣泛，能夠滿足許多高新產(chǎn)業(yè)對(duì)材料的要求，例如隱形眼鏡、藥物緩釋膠囊等。諸多的實(shí)驗(yàn)方法在提高水凝膠響應(yīng)速率的同時(shí)卻降低了水凝膠機(jī)械性能。本次綜合實(shí)驗(yàn)的主要目的是制備出具有良好機(jī)械性能的多重響應(yīng)型智能水凝膠。教師要求學(xué)生針對(duì)智能水凝膠查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解材料的性質(zhì)和應(yīng)用意義寫(xiě)出文獻(xiàn)綜述，并制定合理的實(shí)驗(yàn)方案。每組同學(xué)選出研究組長(zhǎng)，通過(guò)PPT匯報(bào)形式對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行答辯，并聘請(qǐng)相關(guān)的教師進(jìn)行討論，最終確立的實(shí)驗(yàn)方案[1,5]見(jiàn)圖1。通過(guò)這種方式，既訓(xùn)練了學(xué)生查閱、總結(jié)文獻(xiàn)的能力，又引起了學(xué)生對(duì)所發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)一步研究的興趣，為學(xué)生在日后的科學(xué)研究中打下良好的基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施

實(shí)驗(yàn)類(lèi)型不同，實(shí)驗(yàn)組織和實(shí)施形式也不同。對(duì)于普通的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)要求個(gè)人獨(dú)立完成；相對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)根據(jù)要求分組后共同完成。本實(shí)驗(yàn)將全班同學(xué)分成10組，每組4人，見(jiàn)表1，每組的試驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析獨(dú)立完成，最后將數(shù)據(jù)匯總。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。通過(guò)這種形式，既讓每個(gè)同學(xué)親自動(dòng)手操作、獨(dú)立思考的同時(shí)，又使學(xué)生之間相互協(xié)作，讓同學(xué)們深刻體會(huì)到科研合作的重要性[6-7]。

表1 實(shí)驗(yàn)分組

注：壓縮強(qiáng)度的測(cè)定使用電腦單注拉力試驗(yàn)機(jī)，HP-6008

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 水凝膠抗壓縮強(qiáng)度的測(cè)定

通過(guò)上表可以看出，當(dāng)丙烯酰胺、聚乙二醇馬來(lái)酸酐雙酯用量不變時(shí)，隨著N-異丙基丙烯酰胺用量逐漸增加，水凝膠的抗壓強(qiáng)度總體變化不大。但改變聚乙二醇馬來(lái)酸酐酯的用量時(shí)，水凝膠的抗壓強(qiáng)度明顯變化，呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，圖2 NAP2系水凝膠的應(yīng)力形變圖。NAP2系水凝膠內(nèi)的聚乙二醇-馬來(lái)酸酐雙酯的含量分別是0、1.0、2.0、3.0、4.0，當(dāng)聚馬來(lái)酸酐-乙二醇酯的含量為2.0 mol時(shí)，即NIP∶AM∶PEGmah=1∶8∶2時(shí)，水凝膠的抗壓縮性能最好。丙烯酰胺水凝膠脆性大，易斷裂，由圖可以看出隨著PEGmah的加入抗壓縮性能增強(qiáng)。當(dāng)單體摩爾比1∶8∶2時(shí)水凝膠的抗壓縮強(qiáng)度最大為315 kPa。這是由于PAM均聚物的連續(xù)相與共聚物微區(qū)之間并不是孤立的，兩相之間存在一定的化學(xué)交聯(lián)鍵，如氫鍵等作用力，形成過(guò)渡區(qū)域。凝膠受力時(shí)，過(guò)渡區(qū)域有利于兩相之間力的傳遞，使凝膠力學(xué)性能提高[8]。隨著PEGmah含量的增加，可以形成相對(duì)較大的聚集微區(qū)，吸收外力作用增強(qiáng)。但隨著PEGmah含量的增加，與AM的比例超過(guò)2∶8時(shí)，微區(qū)域增加，相對(duì)連續(xù)相減少，使過(guò)渡區(qū)域吸收外力能力減弱，凝膠抗壓性能降低。

圖2 NAP2體系各組分應(yīng)力-應(yīng)變圖

3.2 水凝膠響應(yīng)性的測(cè)定

圖3是NAP2體系水凝膠的pH敏感性研究。酰胺基是堿性基團(tuán)，而PEGmah則帶有酸性基團(tuán)羧酸基-COOH。在pH值較低的溶液中，羧酸基團(tuán)或羧酸與酰胺基團(tuán)以及分子鏈之間都會(huì)發(fā)生氫鍵作用。氫鍵的產(chǎn)生使水凝膠收縮，因而吸水膨脹率很低。當(dāng)溶液中的pH值不斷增大時(shí)，羧基的離子化程度升高，溶液中含有大量的離子。水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的電荷濃度增加，各基團(tuán)之間的靜電作用力增強(qiáng)，基團(tuán)之間會(huì)發(fā)生排斥作用，

破壞氫鍵，因而凝膠中的網(wǎng)絡(luò)會(huì)舒展開(kāi)來(lái)，使吸水膨脹率增加。當(dāng)pH值超過(guò)7時(shí)，酰胺基團(tuán)在堿性條件下會(huì)發(fā)生大量電離，使水凝膠網(wǎng)絡(luò)之間的離子濃度更高，靜電斥力更大，因此水凝膠的平衡溶脹比發(fā)生顯著的增加。當(dāng)溶液中的pH值繼續(xù)增大時(shí)，水凝膠的吸水膨脹率也會(huì)隨之增加[9-10]。

由圖4可知，NAP2水凝膠在40℃左右其平衡溶脹比發(fā)生了突變。數(shù)據(jù)表明NAP凝膠屬于溫敏性水凝膠，該水凝膠的臨界溶解溫度(LCST)在40℃左右。原因在于NAP水凝膠體系中的丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇-馬來(lái)酸酐雙酯(PEGmah)的分子內(nèi)含有大量的氨基-NH2和羧基-COOH,這兩種基團(tuán)都屬于親水性基團(tuán)，因而提高了NAP水凝膠的親水性能，繼而使NAP水凝膠的LCST升高。

圖4 溫度對(duì)水凝膠平衡溶脹比的影響

圖5所示為NAP1體系水凝膠在摩爾濃度分別為0、1、2、3、4 mol/L的NaCl溶液中的平衡溶脹比。水凝膠的平衡溶脹比隨著鹽溶液濃度的下降而下降。

水凝膠電解質(zhì)分解后會(huì)產(chǎn)生分子鏈上的親水性陰離子與游離的陽(yáng)離子，陰離子之間的相互排斥作用使分子鏈擴(kuò)張，水凝膠的吸水膨脹率增加。由于陰陽(yáng)離子之間的相互吸引，游離的陽(yáng)離子在水凝膠內(nèi)部的濃度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部溶液，故而產(chǎn)生滲透壓，使水分子進(jìn)入水凝膠。NaCl在溶液中會(huì)溶解、電離，生成鹽離子，電解質(zhì)離子進(jìn)入水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中會(huì)發(fā)生屏蔽作用，而陰離子受到屏蔽作用后會(huì)減小分子鏈之間的排斥作用，使水凝膠結(jié)構(gòu)收縮，吸水率下降[11-13]外部鹽溶液濃度的增加，會(huì)減小水凝膠內(nèi)外的滲透壓，并使高分子鏈發(fā)生卷曲，水凝膠體積收縮。

圖5 鹽濃度對(duì)水凝膠平衡溶脹比的影響

3.3 NAP水凝膠的掃描電鏡圖

圖6為NAP2-3水凝膠放大1 500倍和700倍時(shí)的掃描電鏡圖。該圖位于連續(xù)相聚丙烯酰胺所在位置。由圖可以看出，均聚物表面粗糙、呈麥穗狀，有利于吸水溶脹。PEGmah本身是是高分子聚合物，在水凝膠反應(yīng)中與其他兩種單體相互反應(yīng)后產(chǎn)生的共聚物具有較好的柔順性，易形成片狀共聚物。以圖中圈中的分散相為例，共聚物呈樹(shù)葉狀，且表面有許多孔洞，有利于提高水凝膠的吸水率和平衡溶脹速率。共聚物分散相中的微區(qū)分散在水凝膠共聚物表面，且均聚物與共聚物之間以氫鍵鏈接，相互交聯(lián)[14-15]。

圖6 水凝膠的掃描電鏡圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本學(xué)期的綜合實(shí)驗(yàn)是初次在大三學(xué)生中開(kāi)展。學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與所學(xué)理論知識(shí)對(duì)照，即新鮮又刺激，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的熱情和興趣。同時(shí)鍛煉學(xué)生自主處理各種科研問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)效果明顯。

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Practice and Exploration on Polymer Synthesis Experiment

ZHANGHong-yan,DINGGuo-xin,WANGYan-li

(College of Material Science and Engineering, Anhui University of Science and technology, Huainan 232001, China)

Reducing the experimental verification of contents, combining with the existing conditions of scientific research, and developing exploratory and innovative experiments were the important parts of cultivation target of the high polymer material and engineering talents. “Preparation and properties of ternary copolymerization of intelligent hydrogels” was the foundation of interdisciplinary comprehensive experiment. The experimental training could deepen the understanding of the experiment. And also students would improve their experimental skills and the ability of cooperation and communication.

polymer synthesis experiment; hydrogels; polymer materials

2014-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51303005); 高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)省級(jí)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目； 安徽理工大學(xué)重大教改項(xiàng)目

張宏艷(1979-)，女，吉林白山人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)楣δ芨叻肿硬牧稀el.:13956406178; E-mail：zhyymq@163.com

TQ 016

A

1006-7167(2015)11-0156-03