《高分子物理》課程建設及教學方法探討

胡應?！硒P柱　安琪　張以河

摘要：高分子物理作為高分子材料及相關專業(yè)的專業(yè)基礎課，受到人們的廣泛重視。本文介紹了中國地質(zhì)大學（北京）高分子物理課程的內(nèi)容設置，探討了特色專業(yè)中高分子物理的教學方法；以結(jié)構與性能關系為中心，從基本概念、影響因素分析入手循序漸進的教學方式，結(jié)合科研實驗教學，增進學生的互動思維能力，得到同學們的一致認可。

關鍵詞：高分子物理；教學方法；教學互動；實踐教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）38-0165-03

中國地質(zhì)大學（北京）材料化學專業(yè)自1995年設立以來，一直在為自己的專業(yè)特色不斷地思索，最初的以礦物結(jié)構與性能分析為專業(yè)方向，經(jīng)過了20年不斷地求索和發(fā)展逐漸過渡到了以功能礦物材料為基體的功能礦物/高分子復合材料為特色的專業(yè)方向，讓材料化學專業(yè)畢業(yè)的學生既具有系統(tǒng)的礦物材料的知識體系，同時掌握高分子材料、復合材料領域的基礎知識，把礦物的功能與高分子聚合物的優(yōu)良性能相結(jié)合，培養(yǎng)出新型功能復合材料的綜合型人才，更好地適應時代的發(fā)展和社會的需求，因此在2010年修訂培養(yǎng)方案時，高分子物理作為專業(yè)基礎課納入了新的培養(yǎng)方案[1]。

《高分子物理》是高分子材料及相關專業(yè)的重點專業(yè)基礎課，主要闡述了高分子的結(jié)構與性能的關系[2]，即高分子物質(zhì)的結(jié)構與各層次結(jié)構單元的運動規(guī)律的學科，涉及的概念以及內(nèi)容較多，且仍在不斷豐富和完善之中，所以要講好和學好高分子物理課程都具有一定的難度。所以如何講授好《高分子物理》課程一直是我們在思考的問題，通過多年的教學實踐與經(jīng)歷，對本專業(yè)的高分子物理課程教學大綱和教學方法進行改進，為新一輪教學大綱的修訂提供參考，以增強教、學效果。

一、教學內(nèi)容設置

在培養(yǎng)方案制定時考慮到寬口徑、重特色、存?zhèn)€性發(fā)展的原則，盡可能壓縮課堂教學，注意學生自學能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)方案修訂時要求壓縮課堂教學，所以高分子物理課程只設了32學時，在學時數(shù)較少的情況下如何讓學生熟練掌握高分子物理的主要內(nèi)容，而是教學內(nèi)容的設置尤其重要。

高分子物理闡述的是高分子的結(jié)構與性能之間的關系，我們擬通過對高分子鏈結(jié)構、凝聚態(tài)結(jié)構、高分子溶液性質(zhì)、分子運動與轉(zhuǎn)變、粘彈性、聚合物的屈服與斷裂以及其光、電、阻尼性、表界面特性等相關內(nèi)容的講授，讓學生掌握高分子結(jié)構與性能關系，了解高分子材料性能設計的基本原理，為今后的學習和研究打下良好的基礎。

二、教學方法探討

針對我校材料化學專業(yè)的特色和知識體系結(jié)構狀態(tài)，對高分子物理的講授采取循序漸進的方式，從基本概念的介紹、影響因素的分析來闡述高分子的結(jié)構對性能的影響，結(jié)合科研實驗教學讓學生體會從理論學習到實際應用的直觀感受，并使學生帶著問題去查閱相關資料，調(diào)動學生的學習積極性。

1.基本概念介紹。為了讓學生更好地理解高分子物理的內(nèi)容，首先必須讓學生對一些基本概念充分理解，將有利于后面相關內(nèi)容的學習。高分子物理的主要內(nèi)容是高分子聚合物的結(jié)構與性能的關系，那么高分子的結(jié)構是什么，它包括近程結(jié)構、遠程結(jié)構和凝聚態(tài)結(jié)構。

近程結(jié)構也叫聚合物的一級結(jié)構，是構成聚合物最基本的微觀結(jié)構，包括高分子基本結(jié)構單元的化學組成和立體化學結(jié)構，即高分子鏈的原子種類、排列順序、取代基和端基的類別、單體單元的鏈接方式、支鏈的類型和長度等，也就是聚合物鏈的基本組成；除了聚合鏈的化學結(jié)構外，聚合物鏈的大小、形態(tài)也會影響聚合物的性能，叫聚合物的遠程結(jié)構又稱為二級結(jié)構，指單個大分子鏈的大小、形狀（構型、構象），如：直鏈、無規(guī)線團、折疊鏈等直接影響聚合物的宏觀性能；另外，聚合物分子鏈之間的堆砌方式形成了由微觀結(jié)構到宏觀結(jié)構的過渡，稱為聚合物的凝聚態(tài)結(jié)構，主要指大分子鏈之間的幾何排列方式（如何堆砌形式），包括晶態(tài)結(jié)構、非晶態(tài)、取向態(tài)、液晶態(tài)、織態(tài)結(jié)構等，凝聚態(tài)結(jié)構是在聚合物的加工過程中形成的，直接影響了聚合物的宏觀物理性能。只有充分理解這些基本概念的真實含義，才有利于理解聚合物的不同性能，如柔性鏈、剛性鏈、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等，不同材料的性能就能相應的從其結(jié)構得到合理解釋，為材料的設計打下良好的基礎。

2.影響因素分析。要從聚合物的結(jié)構預測其性能，首先必須了解影響聚合物性能的基本因素，如：聚合物的耐熱性能就是聚合物的重要指標之一，表征聚合物熱性能的基本參數(shù)是“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）”。那么什么是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，影響Tg的因素有哪些，如何從影響聚合物Tg的因素來討論聚合物的性能（從微觀分析到宏觀性能）等，作為一條主線來介紹聚合物的結(jié)構如何影響其性能。首先，玻璃化轉(zhuǎn)變是非晶態(tài)高分子聚合物的固有性質(zhì)，是高分子運動形式發(fā)生轉(zhuǎn)變的宏觀體現(xiàn)，主要體現(xiàn)在恒定的外力作用下，聚合物的形變與溫度的關系，從聚合物玻璃態(tài)向高彈態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度叫做“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）”，它直接影響到材料的加工工藝和使用性能，一直以來是高分子物理研究的重要內(nèi)容。聚合物的Tg的高低決定了聚合物的應用領域，一般地，Tg是橡膠的使用下限溫度，塑料使用的上限溫度，從學科上說Tg是衡量聚合物鏈柔性高低的表征溫度，Tg越小，鏈的柔性越好，常用作橡膠；Tg越大，鏈的剛性越好，主要用作塑料。那么要考察影響聚合物的性能，首先要掌握影響聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的因素，從分子結(jié)構上講，玻璃化轉(zhuǎn)變是高聚物從凍結(jié)狀態(tài)到解凍狀態(tài)的一個松弛過程，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時高分子鏈段開始運動，高分子鏈或鏈段的運動能力又取決于高分子鏈的柔性，聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變實際上就是高分子鏈段運動的宏觀表現(xiàn)，所以考察影響玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的因素從討論影響高分子鏈柔性的因素即可。

討論影響高分子鏈的柔性，需要從內(nèi)因和外因兩個方面來進行考慮，內(nèi)因是指分子鏈結(jié)構，又回到了結(jié)構決定性能的基本觀點。首先是主鏈的結(jié)構，若主鏈全由C-C單鍵組成，內(nèi)旋轉(zhuǎn)容易，鏈柔順性好，Tg低；主鏈含有芳雜環(huán)時，內(nèi)旋轉(zhuǎn)難，鏈柔性差，Tg高；主鏈中含有孤立C=C雙鍵時，鏈柔順性好，Tg低；但含有共軛雙鍵時，鏈不能旋轉(zhuǎn)，是剛性鏈，Tg高。其次是取代基的結(jié)構，取代基的極性越大，極性基團數(shù)目越多，相互作用越強，單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)越困難，分子鏈柔順性越差，Tg高；非極性取代基的體積越大，內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻越大，柔順性越差，Tg高；鏈段之間若能形成氫鍵，高分子鏈的柔性較差，Tg高；若分子鏈中的取代基形成對稱分布，其柔順性大于不對稱分布的鏈，Tg要低些。（3）高分子鏈的長短，對于同類非極性聚合物在一定限度內(nèi)，鏈越長柔性越好，Tg有所降低。（4）分子間作用力，分子間作用力增大，阻止分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)，則柔順性減小，Tg升高。（5）支化和交聯(lián)，支鏈長，則阻礙鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，柔順性下降，Tg升高；當交聯(lián)度不大時（含硫2-3%的橡膠）對鏈的柔順性影響不大，但交聯(lián)度達到一定程度時分子鏈不能轉(zhuǎn)動，Tg升高。（6）分子鏈的規(guī)整性，分子結(jié)構越規(guī)整，容易形成緊密堆積，結(jié)晶能力強，則柔順性變差，Tg升高。玻璃化轉(zhuǎn)變實際上是高分子鏈段運動的宏觀表現(xiàn)，除了上述內(nèi)因外，還與測定條件相關，如溫度、外力及檢測的頻率等，測定的溫度越高，分子鏈越容易運動，表現(xiàn)出較好的柔性，測得的Tg偏低；外力越大，分子鏈被強迫形變，表觀柔性增加，測得的Tg偏低；另外，反復對同一個式樣測定，會使分子鏈發(fā)生松弛，表現(xiàn)柔性增加，Tg偏低。endprint

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是非晶態(tài)聚合物的一個重要的物理性質(zhì)，在發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，許多物理性質(zhì)發(fā)生急劇變化，如模量、比容、折光指數(shù)、粘度、介電常數(shù)、比熱等，聚合物的模量從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)時一下跌落幾個數(shù)量級，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也是凝聚態(tài)物理基礎理論中的一個重要問題和難題，涉及動力學和熱力學的眾多前沿問題，玻璃化轉(zhuǎn)變的理論還在不斷的發(fā)展和完善中。

3.結(jié)合科研實驗教學。為了讓學生更好地理解相關內(nèi)容，我們結(jié)合實驗與科研結(jié)果進行分析，如通過烏氏粘度計法測定聚苯乙烯的分子量，了解聚合物溶解的過程和烏氏粘度計測定聚合物分子量的基本原理。聚合物的溶解與小分子的溶解有明顯的差別，小分子化合物（如：食鹽或糖）放入其良溶劑中很快擴散到溶劑中形成均勻的溶液，而聚合物在其良溶劑中的溶解分為溶脹和溶解兩個階段，首先聚合物與溶劑接觸時，由于聚合物鏈與溶劑分子大小相差懸殊，溶劑分子向聚合物滲透快，而聚合物分子向溶劑擴散慢，結(jié)果溶劑分子從邊沿向聚合物分子鏈間的空隙滲入，鏈間距逐漸增大，體積慢慢脹大，但整個分子鏈還不能完全運動，這一階段叫聚合物的溶脹；隨著溶劑分子的不斷滲入，聚合物分子鏈間的空隙增大，加之滲入的溶劑分子還能使高分子鏈溶劑化，從而削弱了高分子鏈間的相互作用，使分子鏈得以運動，直至脫離其他鏈的作用，進入溶液中，當所有的高分子都進入溶液后，溶解過程方告完成，形成了均勻的溶液，這一階段才叫聚合物的溶解。聚合物從放入溶劑開始，經(jīng)溶脹到溶解這一過程的時間較長，根據(jù)分子量的大小，要幾個小時或幾天甚至更長的時間。

前人研究證明聚合物的分子量與其特征粘度具有如下關聯(lián)：[η]=KMα，對于一定聚合物-溶劑體系，在一定溫度下，K、α是兩個恒定的參數(shù)，可以從相關手冊上查到，若能測出聚合物的特征粘度[η]，就可得其分子量M[2]。烏氏粘度計法是測定聚合物粘度的基本方法，通過對聚苯乙烯的分子量的測定，了解烏氏粘度計（圖1）法測定聚合物分子量的基本原理、影響因素以及其數(shù)據(jù)處理（圖2），圖中ηsp、ηr分別為聚合物的相對粘度、增比粘度。

利用烏氏粘度計測定聚合物的粘度時，一般都需配置聚合物的稀溶液（濃度約為10-3g/mL），稀溶液中液體的粘度可用η=k·t來表示，其中k為與粘度計及溶液密度相關的常數(shù)（10-3g/mL的稀溶液與溶劑的密度近似相等），t為液體從a線開始到b線的流經(jīng)時間（圖1），所以相對粘度ηr=t/t0、增比粘度ηsp=（t-t0）/t0，t為聚合物溶液的流經(jīng)時間，t0為純?nèi)軇┑牧鹘?jīng)時間。實驗時，配置不同濃度的聚合物溶液，用烏氏粘度計分別測定其流經(jīng)時間，記錄實驗數(shù)據(jù)，通過對實驗數(shù)據(jù)的處理作圖（類似圖2），作反向延長線與Y軸相交即可得該聚合物的特征粘度[η]，依據(jù)[η]=KMα即可計算出該聚合物的分子量（M）。通過該實驗既可以直接觀察聚合物的溶解過程，又掌握了烏氏粘度計測定聚合物粘度的基本原理、操作方法與注意事項，了解影響聚合物粘度測定的主要因素。

4.學生互動。老師在準備課堂教學時要閱讀大量的相關資料信息，這過程學生并不了解，只是上課時被動地聽老師介紹，因?qū)W生有時缺乏系統(tǒng)廣泛的知識，常常一知半解，老師的辛勞有點白費。如何調(diào)動學生的學習主動性、增進教學互動、增進教學效果，是每一位老師應該深思的問題，除了課堂提問外，讓學生帶著問題聽課也是一種值得嘗試的方法[3]。為了調(diào)動學生們的學習積極性，主動思考問題，第一次上課時給同學們布置任務，讓學生幾個人一組，對聚合物的性質(zhì)（導電性、耐熱性、光學性質(zhì)、磁學性質(zhì)、阻尼性、表面及界面性能等）任選一主題，對聚合物具有這一性能的原理、結(jié)構與性能的關系、及其應用現(xiàn)狀等進行資料查閱、整理，做成PPT課件后在課堂上給大家進行介紹、大家提問討論。這樣的話，當同學們選定了主題后，就會主動進行文獻資料查詢，課堂上也會自覺注意聽取相關的內(nèi)容，同時培養(yǎng)學生的自主學習歸納總結(jié)的能力，相助合作的精神，廣泛收集相關資料，也極大地擴展了同學們的知識面，比老師一一介紹更生動，得到了同學們的一致認可。

三、結(jié)束語

高分子物理是研究聚合物結(jié)構和性能的一門學科，為從事高分子聚合物設計、改性、加工及應用的科技工作者必須掌握的基礎知識，既有較強理論性又具有很強應用性，概念多、抽象而不容易掌握其內(nèi)容。在32學時內(nèi)要系統(tǒng)地學習完這么多的內(nèi)容，需要我們每一個老師認真地考慮如何組織教學內(nèi)容、改進教學思路，除了講授重點突出，需要“理論與實驗”相結(jié)合便于學生直觀形象地理解，還必須引導好學生主動思考的學習習慣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，以科學的方法和技巧去開發(fā)他們的創(chuàng)造才能，為他們以后從事科研開發(fā)工作打好扎實的基礎。

參考文獻：

[1]中國地質(zhì)大學（北京）本科培養(yǎng)方案[Z].2010年9月.

[2]金光日，華幼卿，高分子物理[M].第三版.化學工業(yè)出版社，2009.

[3]黃增芳，馬軍現(xiàn)，王可.高分子物理課程中的互動式教學探索和實踐[J].廣州化工，2015，43（13）：196-197.endprint