免洗手消毒用酒精凝膠的制備實驗設計與課程思政實踐

李秋平，朱琳，胡敏杰，羅利娟，吳昊

寧波工程學院材料與化學工程學院，浙江 寧波 315211

精細化學品實驗是應用化學與精細化工方向非常重要的一門基礎實踐課程，其教學內容主要圍繞常見精細化學品的生產原理、生產過程以及應用前景展開設計，該課程既是相關專業學生未來從事精細化工產品研發與生產的重要理論基礎，又是培養學生動手能力與對精細化工行業專業興趣的重要實踐課程[1,2]。隨著我國精細化工行業的迅猛發展，精細化學品種類也越來越多，據統計，光我國市場上能找到的精細化學品商品就高達2萬多種，而且這一數目還在逐年增長中[3]。如何從眾多的精細化學品中挑選具有代表意義且操作性強的產品用作相關專業的實踐教學，使學生在掌握精細化學品的設計原理與生產方法的同時，更能深刻體會精細化學品在生產生活中的應用情況，從而進一步激發學生的專業學習興趣，這一問題就顯得尤為迫切[4]。

免洗手消毒用酒精凝膠是一種能快速滅活有害微生物的消毒劑，是預防疾病的很好工具[5,6]。將消毒酒精做成凝膠狀產品便于攜帶和保存，與普通溶劑型消毒液相比，消毒凝膠可有效防止酒精的噴濺與滴落，具有使用方便、消毒高效快速和免水洗環保等特點。在此嚴重新型冠狀病毒蔓延的背景下，該產品可為一線的醫護人員、志愿者等人群提供一定的便捷有效的保護。疫情初期，面對免洗手消毒用酒精凝膠等產品供不應求的問題，許多網絡視頻和文章紛紛開始教授人們免洗手消毒用酒精凝膠的制作方法，抗擊疫情，砥礪前行。有鑒于此，通過在精細化學品實驗課程中開設免洗手消毒用酒精凝膠的制作教學單元，不僅能實現課程本身的教學目的，還可通過教學過程增強學生的衛生防護意識，并在課程過程中植入許多思政元素，從而達到立德樹人的真正目的。像化學這樣與我們生活息息相關的學科，是最容易挖掘出思政元素的，通過簡單的教學設計就可將“立德樹人”的根本任務融入課程教學的各個環節，實現全課程育人的格局[7]。在大學化學實驗教學過程中植入思政教育元素，也成了當下各高校化學專業實驗課程的改革重點[8]。

本實驗是寧波工程學院應用化學專業精細化學品實驗課程應新冠肺炎疫情這一突發事件而增設的課程單元，在課程設計過程中充分融入了多項思政教育元素，實驗操作簡單，內容貼近生活，適合在各級各類學校化學相關專業學生中普及開設。

1 實驗教學設計

在條件允許的情況下，本實驗可由學生獨自完成，不需組隊。要求學生在實驗之前認真預習，尤其要認真預習“實驗注意事項部分”，實驗過程中要認真記錄實驗現象和各成分實際用量，實驗結束后可帶走各自所生產的酒精凝膠產品。同時，每位學生在實驗結束之后應提交一份完整的實驗報告，并在查閱相關資料的基礎上對實驗結果與思考題進行認真思考。

1.1 實驗目的

(1) 掌握免洗手消毒用酒精凝膠的配方設計原理；

(2) 練習并掌握免洗手消毒用酒精凝膠的一般生產過程；

(3) 熟悉酒精凝膠的消毒原理，增強學生的傳染病預防意識和防護能力。

1.2 實驗原理

本實驗制作的免洗手消毒用酒精凝膠的最主要成分是乙醇，乙醇在其中主要起到殺菌消毒和揮發性溶劑的作用。大量的醫學實驗已經證明，乙醇含量75% (體積百分比)左右的酒精可以很好地滲透進入病毒內部，使所有病毒蛋白都能脫水、變性而凝固，并最終殺死病毒。雖然提高乙醇濃度有利于蛋白脫水變性，但是過高的酒精濃度會使病毒外殼蛋白迅速變性凝固，形成一層堅固的薄膜，從而阻止酒精的進一步滲透，導致無法徹底殺死病毒；另一方面，如果乙醇濃度過低，雖可進入病毒內部，但由于其對蛋白質的滲透性較差，也無法有效地使病毒蛋白變性[9]。同時，在相同溫度下乙醇的蒸氣壓是水的2–3倍，其揮發速度遠高于水分，在幾番搓手消毒之后能迅速揮發，可免除洗手之后還要擦干的不便。由于酒精具有很強的流動性和揮發性，少量的酒精倒在手上，稍微一搓手即會完全揮發，根本無法使其布滿雙手皮膚，想要用普通酒精洗手消毒需消耗較大的用量才能實現完全的消毒效果。而添加了增稠劑的酒精可在一定程度上降低其流動性與揮發性，在搓手之時，酒精能輕易地以凝膠的狀態涂滿雙手，并在此過程中完成消毒過程，之后隨著雙手的揉搓又逐漸完全揮發。

本實驗制作的洗手凝膠的另一個主要成分是卡波姆，它的主要作用就是增稠。卡波姆是一種非常重要的流變調節劑，通常是由丙烯酸或丙烯酸酯與烯丙基醚經交聯反應而制得的樹脂材料。由于分子結構中含有大量的羧酸基團，卡波姆具有一定的酸性和親水性，可在水中顯著溶脹，但是單純的乙醇對卡波姆來說卻是不良溶劑，需要借助一定的有機胺才能實現這一效果。

卡波姆在溶液中可通過兩種機制增稠：

(1) 通過不同卡波姆分子之間的分子鏈相互纏繞實現增稠效果，由于卡波姆分子結構中含有大量的羧基結構單元，通過調節pH可使其羧基結構陰離子化而相互排斥，使得初始卷曲的卡波姆分子卷曲鏈舒展開，體積增大上千倍，增加了分子之間相互纏繞的概率，從而大大提高卡波姆的增稠效果。研究結果表明，當體系的pH在6–12范圍內的時候，卡波姆的增稠效果最好。

(2) 另外，羧基陰離子化的卡波姆分子還可通過羰基氧與多元醇分子中的羥基氫形成氫鍵，并交聯成網狀結構，進而實現增稠效果。

除了上述兩種主要物質外，在生產卡波姆酒精凝膠之時，還常用三乙醇胺調節體系的pH，并加入一定量的甘油護手和輔助增稠。當然，還可視需求加入香精、蘆薈凝膠和抗氧化劑等各種物質進行復配，改善產品性能，使其更具市場競爭力。本實驗所設計的酒精凝膠配方及各組分作用如表1所示。

表1 免洗手消毒用酒精凝膠配方

本實驗涉及磁力攪拌、冷凝回流等基本實驗操作，又涉及到了日用化學品的配方設計原理與基本生產過程，適合用作應用化學或精細化工等相關專業本專科高年級學生的專業實驗。

1.3 實驗儀器與藥品

實驗儀器：分析天平、150 mL三口燒瓶、150 mL燒杯、恒溫磁力攪拌器、恒壓滴液漏斗、玻璃棒、量筒、藥匙、按壓瓶、回流冷凝管、磁子、pH試紙、空心塞、稱量紙。

實驗藥品：卡波姆940 (上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、三乙醇胺(99%，美國陶氏化學公司)、乙醇(95%，國藥集團化學試劑有限公司)、甘油(99%，國藥集團化學試劑有限公司)、去離子水(自制)、玫瑰香精(杭州西湖香精香料有限公司)。

1.4 實驗步驟

(1) 利用恒溫磁力攪拌器、150 mL三口燒瓶和回流冷凝管搭建回流冷凝反應器。

(2) 稱取0.4–0.5 g卡波姆置于三口燒瓶內，加入20 mL去離子水，加入磁子進行磁力攪拌。打開冷凝水，將反應器溫度升高到75 °C，在此溫度下攪拌大約30 min至卡波姆粉末完全溶脹，體系呈透明凝膠狀，隨后將反應器溫度下調到60 °C。

(3) 量取95%的乙醇79 mL，置于恒壓滴液漏斗，裝到三口燒瓶上，在持續回流與攪拌下，以2–3滴/秒的速度滴入凝膠體系中，滴加完后再加入1 mL甘油，最終該體系會變成微乳白與微渾濁的膠狀溶液。

(4) 趁熱將溶液轉移至150 mL燒杯，使用三乙醇胺調節pH，一滴一滴的滴加，每次滴加完后要充分攪拌均勻，大約2–3滴左右即能發現體系黏稠度明顯增加，且從略微乳白渾濁狀轉變為完全透明均勻的凝膠，用pH試紙測試并記錄溶液pH。

(5) 適量滴加2–3滴玫瑰香精增香，待攪拌均勻后將樣品裝入100 mL深色擠壓瓶。

(6) 擠壓部分產品到手上，觀察產品流動性，搓揉使其涂布滿雙手，體驗產品性能。

1.5 實驗注意事項

(1) 卡波姆的溶脹步驟非常關鍵，必須等溶液變成完全透明凝膠狀才能進行后續步驟。

(2) 乙醇加入速度不可過快，且必須及時攪拌均勻，否則可能導致局部卡波姆聚沉現象。

(3) 調節pH時三乙醇胺應逐滴逐滴地滴加，且每次滴加后應充分攪拌，然后根據情況再決定是否繼續滴加三乙醇胺，三乙醇胺滴加過頭會使卡波姆聚沉從而導致實驗徹底失敗。

(4) 實驗失敗產品不得倒入下水道，以免堵塞下水管道。

1.6 實驗結果

最后應得到無色透明凝膠狀且酒精含量達75%左右的產品，其外觀與擠壓到手上后的效果可參考圖1。體驗所制備酒精凝膠的洗手效果時，產品應在搓揉的過程中無明顯顆粒感，且經多次搓手后迅速揮發，無殘留，無須額外擦干為最佳。同時，還要列出實際配方成分與用量表以供參考。

圖1 酒精凝膠外觀(左)與擠壓至手上后的效果圖(右)

1.7 實驗思考

實驗結束之后可針對實驗過程中出現的各種問題與本實驗未能充分實踐的拓展知識設置合理的思考題，例如：

(1) 是否可以預先將卡波姆充分溶脹，實驗之時直接使用，而不再需要加熱回流。

(2) 實驗過程中如果不小心加入乙醇過快導致卡波姆部分聚沉了，是否還能補救。

(3) 是否可以使用其他類型的卡波姆代替卡波姆940進行實驗。

(4) 是否可以在配方中加入第二種消毒劑，例如苯扎溴銨等，以便增強消毒效果。

2 課程思政設計

作為在抗擊與預防新冠肺炎中被大量使用的一種防疫物資，制備免洗手消毒用酒精凝膠產品本身就具有很強的現實意義，在充分挖掘酒精凝膠產品本身特點與實驗內容的基礎上，我們認為至少可以從以下幾個方面挖掘思政元素并開展課程思政育人工作：

(1) 從酒精凝膠產品的消毒應用出發，普及酒精產品的殺菌消毒科普知識，鼓勵學生在掌握了這些知識以后積極向親人朋友傳播相關知識，解除許多人對酒精凝膠消毒產品的不信任心態，提高大家的衛生防護意識，為國家的防疫工作貢獻一份力量。

(2) 積極引導學生聯想我國防疫過程中酒精凝膠和消毒藥劑等各種防疫相關的精細化學品供應充足的情況，以及我國社會經濟從新冠肺炎疫情影響中快速恢復的現實，對比國外大部分國家各種防疫物資緊缺和疫情防控徹底失控的狀況，激發學生愛黨愛國的意識，增強學生對中國特色社會主義路線的自信。

(3) 在實驗過程中，可能會遇上學生滴加乙醇過快導致卡波姆發生部分凝聚，以及滴加過量的三乙醇胺導致產品制備失敗的情況，此時任課教師可以積極引導學生分析失敗原因和指導學生采取補救措施。讓學生體會到一時的挫折并不可怕，關鍵是遇上了挫折要懂得去分析原因，并采取相應的措施去克服挫折與困難，培養學生嚴謹細致、認真思考與不折不撓的科研精神。

(5) 還可通過這個實驗引導學生正確看待精細化學品行業與工業對我國經濟發展與社會發展的重要意義，激發學生對化學化工相關行業的專業興趣與熱情，培養學生作為化學研究者與化學實踐者的自豪感。

3 結語

本精細化學品合成實驗具有操作簡單、綠色環保、成功率高等特點，且具有強烈的現實意義和社會意義，既可作為生動有趣的大學化學實驗，激發學生的專業學習興趣，又可作為一堂課程思政深度融合的專業課程。課程設計包含了實用性與思政性的雙重教學改革目標，因此非常適合用于應用化學或精細化工等相關專業的本專科學生的實驗教學工作。