材料工藝學開放式實踐教學與大學生創新能力培養

牛永盛, 李紅春, 師進生, 劉清芝

(青島農業大學 化學與藥學院, 山東 青島 266109)

材料工藝學開放式實踐教學與大學生創新能力培養

牛永盛, 李紅春, 師進生, 劉清芝

(青島農業大學 化學與藥學院, 山東 青島 266109)

結合教師的科研項目,培養大學生在科研理念引導下,通過“聚碳酸亞丙酯/醋酸淀粉薄膜的制備與表征”的實踐過程,使學生在課余時間利用實驗室的科研設備,完成前沿的二氧化碳固定成塑料材料及其改性的內容,掌握薄膜的制備工藝,了解表征方法。通過復合薄膜制備的實踐鍛煉,使學生經歷了知識、能力、科研素質和創新能力的培養,同時探索開放式實踐教學如何發揮學生的創新意識和獨立從事科研的能力。

開放式實驗教學； 人才培養； 科研創新意識； 實踐創新能力

材料工藝學作為一門必修課程,實踐環節成為本課程的一大難點。在本課程中涉及到的實驗,要么設備昂貴、要么精密度高,現有數稀缺，不適合開設集中實驗課程。基于此,結合教師的科研項目,針對一些材料制備加工方面的項目選擇性開設一些開放性研究實驗,使學生的動手能力得到鍛煉,對材料的合成原理、應用、研究新方法和發展前景得到學習或掌握,自學和研究開發能力、實踐創新能力得到培養[1-2]。本文以脂肪族聚碳酸酯的合成與加工工藝為例,介紹開放式實驗教學的模式。

在授課時,首先講解材料合成的意義。去年國內外學者廣泛報道了二氧化碳的利用技術,美國橡樹嶺國家實驗室研發了一種嵌入釘狀納米碳的納米銅顆粒的催化劑,在溫和條件下把二氧化碳轉化為乙醇[3]；另有一個國際科研小組研發了一種將二氧化碳轉化為固態碳酸鹽的新技術[4]；我國科學家孫劍和葛慶杰首次實現了二氧化碳直接加氫制取高辛烷值汽油[5]。這些新技術可激發對二氧化碳固定的興趣,到了1989年日本學者將二氧化碳轉變為脂肪族聚碳酸酯[6],還有其他學者進行了大量的研究工作[7-9]。為了提高其性能,我們研制了一種復合薄膜。具體設計如下。

1 方案與步驟

1.1 方案

首先,要求學生圍繞著二氧化碳基塑料查閱相關的參考文獻,并撰寫較高水平的文獻綜述。其次,安排學生跟隨教師課題組討論實驗實施方案,使學生了解課題內容、實驗原理、實驗方法和實施過程。最后,由學生自主進行以下實驗:

(1) 利用二氧化碳和環氧丙烷共聚反應制備聚碳酸亞丙酯；

(2) 利用醋酸改性淀粉,制備酯化淀粉；

(3) 利用流延法制備復合薄膜；

(4) 對復合薄膜的微觀形態和力學性能進行測試分析。

通過這一個開放性實驗,不僅使學生掌握基本知識和科研技能,而且在完成過程中培養學生獨立思考、自己動手的研究創新能力[10-11]。

1.2 實驗方法步驟

(1) 采用二氧化碳和環氧丙烷共聚反應合成聚碳酸亞丙酯。把催化劑加入到干潔的高壓反應釜,抽真空,注入一定體積的環氧丙烷,通入預定壓力的二氧化碳氣體,加熱攪拌開始反應。反應結束后,排除未反應的二氧化碳氣體,加入一定體積的丙酮,使聚合物完全溶解,用水沉降,洗滌,干燥。

(2) 醋酸淀粉的制備。將新干燥的淀粉和乙酸混合攪拌,然后緩慢添加冷的乙酸酐,升溫反應。對反應產物通過過濾、蒸餾水洗滌、干燥。

(3) 聚碳酸亞丙酯/醋酸淀粉薄膜的制備。將聚碳酸亞丙酯和醋酸淀粉按一定比例溶解在二氯甲烷中,劇烈攪拌。然后利用流延法在玻璃板上鋪膜,干燥后,脫模。

(4) 紅外吸收光譜分析。本實驗材料壓片法制備試樣,掃描范圍4 000～500 cm-1。

(5) 掃描電鏡測試。將試樣在液氮中冰凍脆裂,在斷面真空鍍金,觀察斷面形貌。

(6) 力學性能測試。將制備的薄膜利用啞鈴型裁刀制備標準試樣,利用微機控制電子萬能試驗機進行拉伸實驗,測定拉伸強度和斷裂伸長率,同一樣品重復3次,取平均值。

2 結果與分析

2.1 紅外分析

淀粉與醋酸淀粉的紅外譜圖見圖1。在3 452.51 cm-1處是淀粉分子中羥基的伸縮振動峰,而醋酸淀粉的羥基峰變為3 492.98 cm-1,而此峰變窄,強度明顯減弱。同時在醋酸淀粉的紅外譜圖中,在1 748.25 cm-1處出現了羰基的伸縮振動峰,在1 377.56 cm-1和1 241.22 cm-1處為乙酸的特征吸收峰。這證明醋酸淀粉被成功酯化。

圖1 淀粉和醋酸淀粉的紅外譜圖

2.2 微觀形態分析

聚碳酸亞丙酯薄膜、聚碳酸亞丙酯與淀粉的薄膜和聚碳酸亞丙酯與醋酸淀粉的薄膜斷面的掃描電鏡照片見圖2。從圖2(a)可以看出,聚碳酸亞丙酯薄膜的斷面光滑均一。聚碳酸亞丙酯與淀粉的薄膜斷面圖2(b)具有明顯的顆粒,說明聚碳酸亞丙酯與淀粉明顯分離,并且淀粉在聚碳酸亞丙酯基體中分散不均。對圖2(c),聚碳酸亞丙酯與醋酸淀粉的薄膜斷面均勻分散一些小顆粒,相界面變得模糊,這說明酯化的醋酸淀粉與聚碳酸亞丙酯之間的相容性改善。

圖2 薄膜斷面的掃描電鏡圖

2.3 薄膜的力學性能

聚碳酸亞丙酯薄膜、聚碳酸亞丙酯與淀粉薄膜和聚碳酸亞丙酯與醋酸淀粉薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率見圖3。與聚碳酸亞丙酯薄膜相比較,聚碳酸亞丙酯與淀粉的薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率明顯降低,這也進一步表明聚碳酸亞丙酯薄膜和淀粉的相容性較差,兩相界面易產生應力集中,從而使薄膜材料的力學性能減弱；對于聚碳酸亞丙酯與醋酸淀粉薄膜的斷裂伸長率明顯增強,這表明兩者具有較好的相容性。同時由于醋酸淀粉的引入,增加了聚碳酸亞丙酯分子鏈間的距離,削弱了聚碳酸亞丙酯分子間作用力,是薄膜的柔韌性提高,進而拉伸強度下降。

圖3 薄膜的力學性能

3 結語

這種開放式研究性實驗的實施,拓寬了學生的知識面,激勵了學生探究實驗真理的學習動力,培養了創新能力[12-13]。在實踐過程中,教師不僅傳播了專業知識和操作技能,更重要的是培養學生分析問題能力、解決問題能力、實踐能力和創新思維能力,為學生獨立開展工作增強了自信心。這種開放式研究性實驗模式,使實驗室資源得到充分利用,學生的學習熱情得到鼓舞,教學效果顯著,推進培養應用型人才具有深遠意義。

References)

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[3] Song Y, Peng R, Hensley D K, et al. High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode[J]. Chemistry Select，2016,19(1):1-8.

[4] Matter J M, Stute M, Snbj?rnsdottir S, et al. Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions[J]. Science, 2016,352(6291):1312-1314.

[5] Wei Jian, Ge Qingjie, Yao Ruwei, et al. Directly converting CO2into a gasoline fuel[J]. Nature Communications(DOI:10.1038/ncomms15174)

[6] Inoue S, Koinuma H, Tsuruta T. Copolymerization of carbon dioxide and epoxide[J]. J. Polym. Sci., Part B 1969(7):287-292.

[7] Lee H, Lee J, Park J, et al. CO2-producing polymer micelles[J]. Polymer Degradation and Stability,2015(120):149-157.

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[13] 陶輝錦, 尹健, 周珊, 等. 創新人才培養的開放實驗室管理實踐與探索[J]. 實驗技術與管理, 2017, 34(3):25-27.

Open practical teaching of material technology and cultivation of college students’ innovative ability

Niu Yongsheng，Li Hongchun，Shi Jinsheng，Liu Qingzhi

(College of Chemistry and Pharmacy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109， China)

In combination with the teachers’ scientific research projects, under the guidance of the scientific research, and through the practical process of the “Preparation and characterization of poly (propylene carbonate)/acetic acid starch film,” the students can use the scientific research equipment in the laboratory in the spare time to complete the cutting-edge carbon dioxide fixation into the plastic material and modified content, master the preparation process of thin films and understand the characterization methods. Through the practical training for preparation of the composite film, the students have experienced the training of knowledge, ability, scientific research quality and innovative ability. At the same time, the exploration on how the open practical teaching gives full play to students’ innovative awareness and ability of independent scientific research is carried out.

open experimental teaching; talent cultivation; scientific research innovative awareness; practical innovative ability

2017-06-04

國家自然科學基金項目資助(51303093); 山東省研究生教育創新計劃項目(SDYC13051)；青島農業大學應用型人才培養特色名校建設工程教學研究項目(XJG2013073, XJG2013078); 青島農業大學應用型人才培養特色名校建設工程課程建設項目(XJP2013013 XDSJP2013010, XYX2014019)

牛永盛(1980—),男,山東菏澤,博士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為有機高分子材料設計、制備及其應用

E-mail：ysniu2004@163.com

師進生(1972—),男,博士,教授,主要研究方向為無機發光材料.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.006

G642.0; TQ323.4

A

1002-4956(2017)12-0023-03