“熔噴法非織造駐極體材料的制備”綜合型應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐娙梅 彭輝麗 陳鋼進(jìn)

[摘 要]為了讓?xiě)?yīng)用物理專業(yè)學(xué)生更好地接受應(yīng)用基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究和工程技術(shù)的初步訓(xùn)練，以大型熔噴生產(chǎn)設(shè)備微型化研究成果為基礎(chǔ)，將熔噴法非織造駐極體材料的制備過(guò)程轉(zhuǎn)化成本科近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了“熔噴法非織造駐極體材料的制備”綜合型實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中同時(shí)達(dá)到科學(xué)性、創(chuàng)新性和啟發(fā)性的教學(xué)目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]綜合型實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué);應(yīng)用物理

[基金項(xiàng)目]2018年度杭州電子科技大學(xué)“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A1”（sjkg201804）

[作者簡(jiǎn)介]徐娙梅（1965—），女，浙江武義人，本科，杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究;陳鋼進(jìn)（1961—），男，浙江磐安人，理學(xué)博士，杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院教授（通信作者），主要從事駐極體及其相關(guān)現(xiàn)象研究。

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-05-08

一、引言

培養(yǎng)出專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、科研能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的創(chuàng)新型人才已經(jīng)成為當(dāng)前高等教育教學(xué)改革和可持續(xù)發(fā)展面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又迫切需要解決的問(wèn)題[1]。提高本科教學(xué)基礎(chǔ)階段，特別是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)水平，不但能夠讓學(xué)生更好掌握相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、增強(qiáng)理論知識(shí)點(diǎn)的理解力，而且對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手與操作水平、培養(yǎng)學(xué)生的科研與創(chuàng)新能力至關(guān)重要。近年來(lái)，將先進(jìn)的科研方法與成果應(yīng)用到本科實(shí)踐性教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，已成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，提高本科實(shí)踐性教學(xué)水平的有效途徑[2，3]。

熔噴法非織造材料制備工藝是聚合物擠壓法非織造工藝中的一種，我國(guó)于20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始廣泛應(yīng)用，主要產(chǎn)品有過(guò)濾材料、醫(yī)療衛(wèi)生用材料、環(huán)境保護(hù)材料、服裝材料、擦拭材料、吸油材料、保暖材料、電池隔膜等。尤其是熔噴駐極體非織造材料不僅有低流阻、高效率、除塵滅菌等功能，而且對(duì)有致癌作用的亞微米級(jí)粒子有較強(qiáng)的捕獲能力，是一種高科技產(chǎn)品[4]，在醫(yī)療設(shè)施潔凈、制藥工業(yè)和生物制品潔凈、高新科技產(chǎn)業(yè)潔凈及旅館酒店、家庭和公共場(chǎng)所潔凈及口罩等方面的應(yīng)用上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為新一代環(huán)境凈化的主導(dǎo)產(chǎn)品。

盡管熔噴設(shè)備體積龐大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所需成本高，但熔噴過(guò)程涉及的知識(shí)面廣，技術(shù)發(fā)展快。將熔噴技術(shù)中的先進(jìn)科研成果和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)融合進(jìn)教學(xué)過(guò)程，必將會(huì)給培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力帶來(lái)很好的促進(jìn)作用。

本文在前期開(kāi)發(fā)的微型熔噴設(shè)備和駐極體新材料研究成果的基礎(chǔ)上，將熔噴駐極體非織造材料的制備過(guò)程轉(zhuǎn)化為本科近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)并實(shí)施了“熔噴法非織造駐極體材料的制備”綜合型實(shí)驗(yàn)。旨在通過(guò)采用教學(xué)與科研相結(jié)合的方式，將熔噴法非織造駐極體材料制備技術(shù)中的新方法、新思想引入教學(xué)，豐富充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前沿性和時(shí)代性，使學(xué)生在熟悉和掌握熔噴法非織造駐極體材料制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝的同時(shí)，能夠緊跟最新科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，提高創(chuàng)新思維能力、動(dòng)手操作能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、實(shí)驗(yàn)儀器與材料

實(shí)驗(yàn)儀器采用自行研發(fā)的微型熔噴試驗(yàn)機(jī)，基本結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，和大型生產(chǎn)線的配置基本相當(dāng)，具有省時(shí)、省料、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，即可用于科學(xué)研究，進(jìn)行新材料試驗(yàn)與配方研究，也可模擬產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)行工藝條件優(yōu)化、配色等。用該設(shè)備展開(kāi)科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即可讓學(xué)生了解企業(yè)大規(guī)模材料生產(chǎn)過(guò)程，亦可使學(xué)生掌握熔噴非織造材料的基本知識(shí)、制備材料的實(shí)驗(yàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生分析非織造材料性能的影響因素等。

具體熔噴工藝過(guò)程為：將聚合物細(xì)顆粒導(dǎo)入罐體中，利用超靜音空壓機(jī)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行加熱，并提供給罐體中的聚合物顆粒材料和噴頭，將細(xì)顆粒熔融并擠壓，使熔體從噴頭的噴絲孔中擠出。當(dāng)熔體擠出噴絲孔時(shí)，受到噴絲孔兩側(cè)與熔體噴出方向呈一定角度的高壓熱氣流的噴吹，熔體被拉伸，形成超細(xì)長(zhǎng)絲的纖維，同時(shí)受到外側(cè)冷空氣的冷卻而固化，在氣流作用下凝聚在滾筒接收器上，形成熔噴超細(xì)纖維自黏合形成布。通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)完成接收滾筒在平面上的勻速左右往返運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，同時(shí)采用負(fù)壓吸附纖維完成接收成網(wǎng)。

三、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括從聚合物粒子，經(jīng)熔噴過(guò)程制備獲得聚合物非織造布，利用電暈極化裝置對(duì)熔噴非織造布進(jìn)行充電，形成駐極體。教學(xué)內(nèi)容按熔噴非織造布的制備、材料形貌結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)分析、熔噴工藝條件的改變對(duì)材料微結(jié)構(gòu)的影響、駐極體的形成四部分進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握熔噴法的基本原理，熟悉熔噴設(shè)備的操作流程，探索不同工藝條件下的材料制備工藝，了解駐極體形成的基本物理機(jī)制。

（一）熔噴非織造布的制備

開(kāi)機(jī)預(yù)熱，將準(zhǔn)備好的原料倒入樣品罐中，打開(kāi)微型熔噴實(shí)驗(yàn)機(jī)的工控系統(tǒng)和壓縮空氣加熱器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定熔噴過(guò)程中的熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)壓力、熔體溫度、熔體流出速度以及纖維接收距離等工藝條件。設(shè)定好接收距離，再打開(kāi)料桶加熱器和熱風(fēng)，原料將在微型熔噴實(shí)驗(yàn)機(jī)的料桶中受熱熔化形成熔體。等到料桶溫度、熔體溫度和熱風(fēng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，再開(kāi)啟料桶壓力，并打開(kāi)滾筒裝置，設(shè)定滾筒的轉(zhuǎn)速和移動(dòng)速度，在料桶壓力的作用下熔體從直徑 0.4mm的噴嘴口擠出，在噴嘴口周圍的熱空氣的牽伸下，熔體拉長(zhǎng)，并受到室溫空氣的冷卻固化形成纖維，纖維再黏附到滾筒的表面后，利用自身的余熱使纖維熱熔黏合，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)和左右往復(fù)移動(dòng)中形成熔噴非織造布。

熔噴非織造布的制備是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容。材料的性能取決于其結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變材料制備工藝如牽伸風(fēng)溫度、風(fēng)量、壓力、接收距離等條件，可以控制材料結(jié)構(gòu)，通過(guò)添加不同助劑可以改變材料結(jié)構(gòu)。要求學(xué)生掌握制備工藝和條件，在了解熔噴法非織造原理的同時(shí)，探索不同工藝條件對(duì)非織造布微結(jié)構(gòu)的影響。

（二）材料形貌結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)分析

所獲熔噴非織造布的晶相結(jié)構(gòu)采用x射線衍射儀表征。通過(guò)對(duì)所獲x射線衍射譜的分析，可獲得熔噴非織造材料的晶型和結(jié)晶度。聚丙烯材料可以有5種晶型，分別為：α、β、γ、δ和擬六方晶型。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)譜的比對(duì)，可獲取熔噴非織造布的晶型。所謂結(jié)晶度就是結(jié)晶的程度，即結(jié)晶部分的重量或體積對(duì)全體重量或體積的百分?jǐn)?shù)。采用特殊的分析方法，可獲得熔噴非織造布的結(jié)晶度。具體結(jié)果如圖2所示。

熔噴非織造布的形貌結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡分析。通過(guò)形貌分析，可獲得不同工藝條件下獲得的熔噴非織造布的纖維粗細(xì)、表面粗糙度等性質(zhì)。如圖2所示，當(dāng)噴頭溫度為200℃時(shí)獲得的非織造布纖維比220℃時(shí)獲得的粗，而且疊加緊密程度稍差。

（三）熔噴非織造布駐極體性能的賦予

為賦予熔噴非織造布以駐極體特性，需要采用一定的手段將電荷注入非織造布的體內(nèi)，這一過(guò)程稱為注極（也稱充電）。實(shí)驗(yàn)中采用了電暈注極方法。電暈放電是指在常壓下氣體介質(zhì)在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)而出現(xiàn)大量帶電離子。利用這一原理將這些帶電離子沉積到電介質(zhì)表面或近表面，甚至到達(dá)電介質(zhì)內(nèi)部形成空間電荷，這時(shí)電介質(zhì)便通過(guò)電暈極化成為駐極體。注極后的PP熔噴非織造布駐極體電荷存儲(chǔ)性能采用表面電位表征，表面電位采用補(bǔ)償式非接觸方法測(cè)量。

四、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)以大型熔噴生產(chǎn)設(shè)備微型化研究成果為基礎(chǔ)，將熔噴法非織造駐極體材料的制備過(guò)程轉(zhuǎn)化成本科近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1.實(shí)現(xiàn)了綜合學(xué)習(xí)物理基礎(chǔ)知識(shí)的目的。在所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中包括熔噴非織造布的制備、材料形貌結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)分析、熔噴工藝條件的改變對(duì)材料微結(jié)構(gòu)的影響、駐極體的形成等四部分內(nèi)容，涉及材料的物理相變、晶相結(jié)構(gòu)、介電性能等物理基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的目的。

2.突出了實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。在本實(shí)驗(yàn)中提供給學(xué)生的四部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，另外還要求學(xué)生熟練使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能得到了綜合的培養(yǎng)。

3.達(dá)到了培養(yǎng)拓展知識(shí)能力的目的。知識(shí)的積累是一個(gè)基于已有知識(shí)、吸收新的知識(shí)的不斷拓展的過(guò)程。在本實(shí)驗(yàn)中，除要求學(xué)生完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，要求學(xué)生通過(guò)閱讀科技文獻(xiàn)、補(bǔ)充讀物，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出解釋，以促進(jìn)、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣和提高閱讀專業(yè)文獻(xiàn)的水平。

4.體現(xiàn)了科學(xué)研究屬性。本實(shí)驗(yàn)源于教師的科學(xué)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)生已掌握的物理學(xué)知識(shí)，要求學(xué)生通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化。體現(xiàn)了將基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用于科學(xué)研究的特色。通過(guò)對(duì)材料性能的測(cè)試分析，學(xué)生可直接接觸納米材料、駐極體性能等先進(jìn)的科學(xué)知識(shí)。讓學(xué)生得到了從事研究工作的直接體驗(yàn)。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解了熔噴法制備非織造材料的基本原理和方法，掌握了從固態(tài)顆粒、經(jīng)液態(tài)、到固態(tài)纖維的新材料形成物理相變機(jī)制，體會(huì)了工藝條件的改變會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生重大的影響，在較短的時(shí)間內(nèi)，得到了科學(xué)研究的鍛煉。與此同時(shí)，教師可及時(shí)地把科研工作的新內(nèi)容補(bǔ)充到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生掌握的程度，鼓勵(lì)有潛質(zhì)、有興趣的學(xué)生跟蹤學(xué)科發(fā)展前沿，繼續(xù)開(kāi)展其他熔噴駐極體材料的制備以及性能分析，深入開(kāi)展研究工作，為后續(xù)畢業(yè)論文選題奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié)語(yǔ)

將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了科研與教學(xué)的結(jié)合，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和提高教師教學(xué)水平的有效途徑。通過(guò)這項(xiàng)教學(xué)改革，讓學(xué)生在本科階段就接觸到學(xué)科前沿的研究?jī)?nèi)容和科學(xué)研究方法，并能在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷一個(gè)完整的科研過(guò)程，可開(kāi)闊學(xué)生視野，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科研能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)，為學(xué)生畢業(yè)以后從事教學(xué)和科研工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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A Comprehensive Experiment Design of Applied Physics on

"Preparation of Melt-blown Non-woven Electret Materials"

XU Xing-mei， PENG Hui-li， CHEN Gang-jin

（School of Science， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： In order to enable students majoring in applied physics to better receive initial training in applied basic research， applied development research and engineering technology， a comprehensive experiment on "preparation of melt-blown non-woven electret materials" is designed and introduced into the teaching content of Modern Physics Experiment course for undergraduates based on the research results of miniaturization of large melt-blown production equipment， which has achieved the goal of scientific， innovative and enlightening teaching in the course of Modern Physics Experiment.

Key words： comprehensive experiment; experiment teaching; applied physics