《高分子材料與紡絲技術》課程課內實驗項目的開設

孔令乾　楊洪芳

摘要：為提高《高分子材料與紡絲技術》實驗課程的授課效果，在其實驗課程中開設聚乙烯醇的縮醛反應、銅氨纖維的制備、纖維素的水解和纖維的鍍銀等實驗。這些實驗所用材料是該課程主講的高分子材料，直接使用這些材料有助于學生掌握其理化性能。另外，在實驗的完成過程中有部分操作可看作模擬紡絲，對學生理解紡絲技術有促進作用。這些實驗設計比讓學生操作大型的紡絲設備更能讓學生明白高分子材料的結構和性能與紡絲技術之間的關系。

關鍵詞：非織造材料與工程；實驗開設；紡絲技術；高分子材料

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）27-0259-02

一、引言

非織造材料又被稱為非織造織物、無紡織物和非織造布等，是我國戰略性新興纖維材料的重要組成部分[1，2]。近年來，各種新型纖維和差別化纖維的不斷研發極大地豐富了非織造材料的產品類型，其附加值和效益也越來越高。非織造材料產業發展勢頭迅猛，已廣泛應用于國防、環境、能源、醫療衛生、水利工程、土木建筑等領域[3]。高分子材料如化學纖維、塑料、橡膠、涂料和黏合劑等已隨著我國國民經濟及科學技術的發展在各個領域得到了廣泛應用，成為了國民經濟、國防工業和高科技領域不可缺少的材料[4，5]。化學纖維是高分子材料的重要組成部分，同時也是非織造材料的重要原料。高分子材料的結構決定其性能，對結構的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料。高分子材料獨特的結構和易改性、易加工的特點，使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優異性能。學好高分子材料的相關知識對非織造材料與工程專業的學生來說至關重要。《高分子材料與紡絲技術》課程是非織造材料與工程專業的一門重要專業課，主要開設在二年級第四學期。學好本門課程有助于學生了解和掌握各種高分子材料的特點及其紡絲技術，對以后工作中的技術開發、工藝和設備設計及生產打下基礎。因此本課程在教學中舉足輕重。課程的主要內容是講解聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚氨酯纖維和再生纖維素纖維等纖維的結構、性能及其紡絲工藝和紡絲方法，另外對常規纖維的改性也有涉及。其中聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚氨酯纖維和再生纖維素纖維的結構與性能是本門課的關鍵點。因為對于高分子材料來說，官能團和結構決定其性能，而其性能又決定了該材料在紡絲時具體是采用熔體紡絲還是溶液紡絲，是干法紡絲還是濕法紡絲，其具體工藝該如何選擇。可見高分子材料的結構與性能在本門課程的知識體系中具有重要地位，在《高分子材料與紡絲技術》課程中有8個課時的課內實驗，但是目前國內關于這8個課時的課內實驗如何開設、怎么開設都沒有明確的規定和標準。現在對于《高分子材料與紡絲技術》課程課內實驗的開設大都重視紡絲技術，即把開設實驗的重點都集中在向學生演示大型紡絲儀器的運行或者讓學生們自己操作。但是這樣開設實驗的話跟紡織工程專業的區別不大，沒有體現出高分子材料在非織造材料與工程專業中的重要性和特殊性。鑒于高分子材料的結構與性能在本門課程的重要性，本人認為在開設這8個課時的課內實驗時，應該把如何讓學生掌握高分子材料的結構與性能放在首位。通過實驗讓學生們認識和了解高分子材料的結構和性能與纖維的成型及改性之間的關系。

二、開設的實驗項目

（一）聚乙烯醇的縮醛反應

聚乙烯醇可溶解于水，水溫越高溶解度越大，對于部分聚乙烯醇加熱到65℃—75℃即可完全溶解于水。這種溶解于水的性能嚴重限制了其應用，為改善其耐水性能，一般讓聚乙烯醇進行縮醛反應。聚乙烯醇可以與醛類（甲醛、乙醛、丁醛）進行縮醛反應，生成六元環縮醛結構。聚乙烯醇縮甲醛是由聚乙烯醇相鄰的羥基之間與甲醛作用，生成1，3—二氧六環的環狀物。生成聚乙烯醇縮醛后其耐水性能明顯提高。

（二）銅氨纖維的制備

銅氨纖維是一種新型纖維素纖維，具有清爽、抗靜電、垂墜等性能，所以也是一種價格昂貴的纖維。其簡易制備過程如下：將脫脂棉等纖維素原料溶解在氫氧化銅的濃氨溶液內配成紡絲液，在堿溶液的凝固浴中紡絲成形，再在2—3%的硫酸溶液內再生出纖維素。生成的水合纖維素，經后加工即得到銅氨纖維。其廢棄物容易分解，符合生態環保要求。

（三）纖維素的水解

纖維素在一定溫度和酸性催化劑條件下，發生水解，最終生成葡萄糖。葡萄糖分子中含有醛基，故具有較強的還原性，在堿性條件下能將新制得的氫氧化銅還原為紅色的Cu2O沉淀；也能和銀氨溶液發生銀鏡反應。可用這兩種方法鑒別纖維素是否水解。

（四）纖維的鍍銀

鍍銀纖維的基材一般采用的是合成纖維，因表面鍍了一層純銀而具有銀的天然金屬光澤。金屬銀在所有金屬中導電、導熱性能最強，是最有效的儲存及反射材質。現代醫學界認為銀具有非常有效的廣譜抗菌性，目前尚未發現任何人體對純銀產生過敏的報告。鍍銀纖維因此具有良好的抗菌除臭、熱傳導、熱反射、抗靜電、防輻射等功能。讓學生學習纖維鍍銀對它們掌握纖維的改性思路和方法有幫助。

三、實驗項目設計思路

第一，課堂講授時學生們對可以溶解于水的纖維非常感興趣，因為生活中很難遇到以前也沒聽說過。但是同時也對這種纖維存在的意義產生了懷疑，認為這種纖維無法在日常生活中使用，也迫切想知道改善其耐水性能的方法。通過該實驗，學生們可親自觀察聚乙烯醇溶解于水的過程，進一步明白聚乙烯醇的結構和其縮醛后耐水性能提高的原因。

第二，銅氨纖維作為一種價格較貴的纖維，同學們在日常生活中并不常見，即使拿樣品給學生看仍無法消除他們對銅氨纖維的距離感和陌生。讓學生自己合成銅氨纖維則可以拉近銅氨纖維與他們之間的距離。實驗過程涉及到銅氨溶液的制備、脫脂棉的溶解和紡絲成型等主要試驗環節。銅氨溶液的制備是要求學生嚴格把控硫酸銅和氫氧化鈉的比例，氫氧化鈉一旦過量則實驗失敗。脫脂棉的溶解過程可直接驗證上一過程氫氧化鈉是否過量，過量則脫脂棉不溶解。通過這兩步可以讓學生明白實驗過程中嚴謹的重要性。紡絲成型可采用模擬紡絲，用注射器將銅氨纖維素溶液推入NaOH溶液即可形成長絲，推入速度的快慢和NaOH溶液的濃度跟長絲的粗細有直接關系。通過以上實驗過程，學生的感受更直接也更能聯系和理解學過的理論知識。

第三，再生纖維素纖維是《高分子材料與紡絲技術》課程的重點和難點。纖維素的水解是制備再生纖維素纖維的關鍵。通過本次實驗可以讓學生進一步明白纖維素的結構和化學性能。也可以讓學生自己用多種方法證明纖維素的單元就是葡萄糖，這比老師在課堂上講授要印象深刻。

第四，《高分子材料與紡絲技術》課程也涉及到一些新型纖維的制備及改性。基于此設計了纖維的鍍銀試驗。在本試驗中給學生提供多種纖維（玻璃纖維、碳纖維和聚酯纖維等），學生可以自己選擇纖維進行試驗然后根據試驗結果給出實驗現象的解釋。

四、教學效果

高分子材料的結構決定其性能，對結構的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料。通過“聚乙烯醇的縮醛反應”、“銅氨纖維的制備”、“纖維素的水解”和“纖維寫的鍍銀”等實驗可提高學生對高分子材料的結構和性能與纖維的成型及改性之間關系的認識。

參考文獻：

[1]郭秉臣，王山英，曾鵬程，歐鵬.我國非織造工業的技術提升和發展[J].產業用紡織，2012，（5）：1-4.

[2]趙博.《非織造技術》課程建設實踐與教學改革探索[J].紡織教育，2017，（5）：91-93.