疫情背景下高分子化學實驗教學的一點探討

汪海平

(江漢大學 光電材料與技術學院，湖北 武漢 430056)

引言

始于2020年的新冠肺炎疫情迫使越來越多國家的學校教育由傳統線下課堂向遠程線上學習轉變，也極大促進了學堂在線、優課聯盟和中國大學MOOC等慕課學習平臺在國內高校中的廣泛應用[1-3]。化學作為一門以實驗為基礎的學科，在疫情防控期間，其相關實驗課程的教學與理論課程教學相比面臨更加嚴峻的挑戰，在學生暫時不能返校進行傳統面對面實驗技能培訓的特殊情況下，如何將“停課不停學、教學質量不降低”的要求落到實處，是擺在化學教育工作者面前亟需考慮的問題[4，5]。

目前，針對化學實驗實施遠程教學的策略主要有三種形式：化學實驗視頻展示、虛擬仿真實驗和家庭化學實驗。化學實驗視頻展示主要是借助網絡以視頻形式向學生展示實驗操作的過程，這種教學方式在打破時空限制、互動模式和教學資源等方面雖然有一定的優勢，但在鍛煉學生處理實際問題能力的方面仍有不足[4]。化學中的虛擬仿真實驗是借助多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上模擬完成傳統實驗中的各個操作環節，雖然這種網上虛擬實驗室能夠突破傳統實驗對“時、空”的限制，但仍然存在一些缺點，比如虛擬仿真實驗的開發或訪問成本對許多學校來說還是太昂貴，對實驗基本操作細節體現不足，存在實驗環節與現實脫節的矛盾，導致學生缺乏處理真實實驗問題的能力[6，7]。家庭化學實驗是指學生在家里也可以動手實驗，與專業的化學實驗室相比，家庭化學實驗在實驗內容、精度和嚴謹性上有一定局限性[8，9]。然而，研究表明，在疫情期間不能去學校上課的情況下，開展與現實生活緊密聯系的家庭化學實驗活動是培養學生探究能力和化學核心素養，以及提高學生化學學習興趣的有效手段之一[10]。目前，許多家庭化學實驗都是以廚房食材或網購的家庭化學實驗箱作為實驗用材料，其實驗內容在本質上都僅限于一般的化學概念，很少有為學生提供通過動手實驗學習高分子化學的家庭實驗項目[11，12]。

基于上述分析，本文特推薦一個貼近生活的高分子化學動手實驗，以兩種日常生活中易于獲得、在家可以安全使用的膠粘劑(502膠水和有機硅密封膠)作為主要的實驗材料，通過簡易的方法比較兩種膠粘劑的粘接性能，為學生提供在家動手實驗學習高分子化學知識的機會。該實驗專為掌握了一定有機化學知識的大二或大三學生而設計，實驗內容涉及高分子合成化學、分子間相互作用、結構與性能的關系等高分子化學知識，可以作為教師在課堂外教授高分子化學實驗的補充工具。

1 實驗預習

為了保證實驗能夠達到預期的效果，在實驗前可以布置如下思考題，讓學生以任務的形式、有意識地通過查閱相關文獻，領會實驗目的和原理。

1)有機硅密封膠和502膠水兩者的固化產物分別是熱固性還是熱塑性聚合物？解釋為什么？

2)交聯劑是指什么？

3)當酸性有機硅密封膠固化時，它會釋放出乙酸分子，有些人不喜歡這種氣味，請寫出一種您認為沒有氣味可替代的交聯劑的分子式。

4)如果502膠水或有機硅密封膠在完全沒有水的情況下固化會發生什么？

2 實驗部分

2.1 實驗目的

1)了解作為502膠使用的α—氰基丙烯酸乙酯以及有機硅密封膠的固化反應機理;

2)理解熱固性聚合物與熱塑性聚合物之間物理力學性能產生差異的原因;

3)通過比較兩種膠粘劑在不同干濕條件下固化后的粘接性能，探索聚合物的結構對材料性能的影響規律;

4)通過設計膠粘劑粘接性能的測試方案，提高學生分析問題和解決問題的能力。

2.2 實驗原理

圖1 水引發α-氰基丙烯酸乙酯固化反應機理

家用的酸性有機硅密封膠一般主要由α，ω—端羥基聚二甲基硅氧烷預聚物(PDMS)和作為三官能團交聯劑的甲基三乙酰氧基硅烷(MTAS)組成[14]，其固化反應機理如圖2所示。PDMS的端羥基與MTAS中的部分可水解基團發生縮合反應，生成端乙酰氧基PDMS預聚物，并釋放醋酸分子(AcOH)，接著預聚物末端的乙酰氧基發生如下兩種反應：①受端羥基PDMS的親核進攻，發生交聯反應;②吸收空氣中的水分，進行水解、縮聚，最終形成共價交聯的有機硅網絡。由于每次發生上述反應時都會釋放出醋酸分子，因此可以通過醋酸的氣味判斷有機硅密封膠是否發生固化反應。空氣中水分的含量將直接影響乙酰氧基的水解程度，進而影響固化物的交聯密度。通常含水量越高，交聯密度越大，所得固化物的機械強度也會越大[15]。

圖2 端羥基聚二甲基硅氧烷(PDMS)與甲基三乙酰氧基硅烷(MTAS)的交聯固化反應機理

2.3 實驗用品

酸性有機硅密封膠，502膠水，帶提手的空牛奶桶(1個)，細繩(長度20～40 cm)，帶刻度量杯。

陶土是一種由硅酸鋁粘土燒結而成的陶瓷材料，它能吸收并保留其孔隙中的水分。在測試依賴水固化的膠粘劑的粘接性能時，陶土是非常合適的基材，因此，本實驗選擇由陶土制成的花盆底托作為測試膠粘劑粘接性能的基材。

2.4 實驗步驟

通過將兩種膠粘劑在不同的干濕環境下固化，考察水對有機硅密封膠和502膠水在陶土花盆底托上粘接強度的影響，每個條件重復測定3次，每次測試使用2個陶土花盆底托。

2.4.1 膠粘劑的粘接實驗

干固化：按圖3描述的方法，先用棉簽在干燥的花盆底托平坦的一側涂上有機硅密封膠或502膠水，接著用手壓的方式將其與另一個花盆底托平坦側緊密貼合在一起，讓膠粘劑固化 24 h，測試待用。其中，有機硅密封膠的用量以填縫層厚度約一元硬幣的厚度為宜，502膠水的使用量約豌豆大小。

濕固化：先將陶土花盆底托浸泡在水中至少 5 min，然后取出陶土花盆底托并用干紙巾將其表面擦干，緊接著按圖3描述的方法進行膠粘劑的粘接實驗。

圖3 膠粘劑的粘接示意圖

2.4.2 粘接強度測試

準備一個空牛奶桶，稱其質量(以克為單位)，記為m，如果身邊沒有秤，可以假設空牛奶桶質量為60克。根據圖4 中描述的方法對每對粘接后的陶土花盆底托進行粘接強度測試。首先，將空牛奶桶用繩子掛在粘接好的花盆底托上，接著用帶刻度的量杯將水慢慢倒入牛奶桶中，在整個實驗過程中盡量以前后一致的速度倒水，直至膠粘劑失效，兩個花盆底托分開，記錄所加水的總體積L(以毫升為單位)和膠粘劑殘留物的情況，此時膠粘劑失效質量為(m+L)，單位為克。本實驗通過膠粘劑的失效質量間接判斷膠粘劑的粘接強度。

圖4 膠粘劑的粘接性能測試示意圖

如果條件允許，上述測試可以使用專業實驗室里電子萬能拉力機進行補充，通過獲得膠合陶土的拉伸曲線，進一步量化粘合或內聚破壞所需的確切力。

3 結果與討論

在表1中記錄膠粘劑失效時牛奶桶中水的體積，并計算每種固化條件下的膠粘劑失效質量及其平均值。同時，將膠粘劑失效時觀察到殘留膠粘劑的外觀和質地等現象記錄在表2中。

結合表1、表2中的實驗數據和現象，試回答以下問題：

表1 膠粘劑的極限強度

表2 膠粘劑失效時的現象記錄

1)有機硅密封膠在哪種條件(濕或干)下固化后的交聯密度更高？為什么？

2)502膠在哪種條件(濕或干)下固化后得到聚合物分子量更大？為什么？

3)哪一種粘合劑(有機硅密封膠或502膠)對陶土花盆底托有更強的粘合作用?

4)較高的含水量對有機硅密封膠和502膠的固化會產生怎樣的影響?

4 結語

為了應對新冠疫情對傳統師生面對面的教學方式提出的挑戰，保證學生“停課不停學”，本文創建了一種使用家用膠粘劑遠程學習高分子化學知識的動手實驗。通過本實驗可以鍛煉學生查閱文獻、制造測試樣品和分析解決問題的能力，有助于學生理解并掌握高分子化學中的一些關鍵概念，例如高分子化學反應、熱塑性與熱固性區別、結構與性能之間的關系等。該實驗可以作為本科生的暑期研究項目，也可以為化學教育工作者提供一個在實驗室之外教授高分子科學實驗的有利工具。