高分子材料性能的三大矛盾分析及在教学中的运用*

任 强,李 坚,俞 强

(常州大学材料科学与工程学院,江苏常州213164)

高分子材料性能的三大矛盾分析及在教学中的运用*

任 强,李 坚,俞 强

(常州大学材料科学与工程学院,江苏常州213164)

高分子材料性能中存在着极性和非极性、柔性和刚性、使用性能和加工性能的三大矛盾,三大矛盾在高分子结构-性能-应用关系中居于核心地位。在高分子类专业课的教学中向学生传递三大矛盾论,并用于分析在应用中遇到的具体问题,有助于培养学生辩证看待、综合统筹分析高分子科学问题的能力;有助于学生合理构建高分子科学的知识体系;有助于培养学生理论与实践相结合的观念,激发学生学习热情。

高分子材料;矛盾分析论;教学;知识体系;理论与实践结合

高分子科学既是一门应用科学,又是一门基础科学,内容丰富,教学过程中的理论和实践的结合非常重要。多年的教学工作经验表明,学生在学习完所有课程后并不容易对高分子材料的结构-性能-应用的关系形成一个完整的认识,理论与实践结合能力较弱。在后续的毕业论文环节,工作岗位上或者进一步读研深造时,不易将所学知识与具体情境联系起来分析问题和解决问题。因此,如何引导学生通过一种合理的逻辑关系形成对高分子材料结构-性能-应用关系的深入认识,形成良好的专业素养,是笔者在教学中一直思考和探索的问题。

一、高分子材料的结构-性能特点分析

矛盾论是马克思主义哲学中认识分析问题的基本方法,[1]13采用矛盾分析方法来认识高分子科学内的问题有利于学生将高分子领域内的新知识同化到自己原有的知识体系中去,形成科学的认知结构。从哲学的观点看,现象反应本质,结构决定性能。高分子物质是由众多来源于单体的原子团通过共价键连结而形成的分子量很大的物质,其分子量一般在104-106间。聚合物的组成结构层次极为丰富,基本可分为一次结构 (近程结构),二次结构 (远程结构),三次结构 (晶态和非晶态结构)及高次结构(织态结构)。[2]

学生在三大基础化学中的研究对象主要是尺寸为小于一个纳米到几个纳米的小分子物质,进入专业课学习后所面对的研究对象都是尺寸在几十到几百个纳米的大分子,大分子的运动特性与小分子差异很大。面对众多的新概念,新理论及与应用实践密切联系的一些问题,学生往往感觉以往学习中的逻辑性被打破,在三年级学习高分子化学和高分子物理专业基础课的相当长一段时间内甚至是大四学习专业课阶段,只能靠死记硬背来被动接受一些“知识”,这种“知识”并未被学生很好地消化吸收后而纳入到自己的知识体系中去,因此极易遗忘,更谈不上应用。

笔者根据多年的教学和科研经验将高分子材料认识和研究中涉及的问题概括为三大基本矛盾,如图1所示。(一)极性和非极性的矛盾

聚合物分子链是由一定的来源于单体的化学基团组成,包括主链、侧基和端基。这些化学基团都存在一个极性 (具体体现为亲水性)和非极性 (体现为亲油性)的问题,最终决定了聚合物的亲水和亲油性。亲水性强的聚合物可以具有水分散性甚至水溶性,是日化及工农业等方面重要的功能材料。大部分亲油性的塑料和橡胶具有很好的耐水性,可以代替金属和木材做成大量轻质耐用的生活和工业用品。聚合物的极性和非极性主要取决于所用单体。单纯讲极性,学生比较容易理解。但在具体应用时,学生往往不容易考虑到极性和非极性二者平衡的影响,如在不同HLB值 (亲水和亲油平衡值)表面活性剂的应用、偶联剂及相容剂的作用原理、双亲性聚合物的合成和应用方面,其实理论根源都在于极性和非极性的矛盾。为了让学生达到对这一对矛盾的深入认识,教师需在不同的情境下反复强化。

图1 高分子材料性能中的三大矛盾在结构-性能-应用关系中的核心地位

(二)柔性和刚性的矛盾

聚合物分子的主链和侧基都存在一个由于σ键内旋转容易与否而带来的柔性和刚性问题 (一次结构),柔性和刚性直接决定了聚合物的次级转变和玻璃化转变状态及聚合物的高次结构,最终决定了聚合物在一定条件下的物理机械性能。分子链呈柔性且不易结晶的聚合物往往体现为较柔软、韧性好、制品手感好、如硅橡胶。分子链呈刚性的聚合物往往表现为材料的模量大、耐热性能好、尺寸稳定性好、如聚对苯二甲酰对苯二胺。在很多情况下,聚合物刚性和柔性的调和是设计目标树脂最重要的方面,如涂料用树脂大部分是需要通过刚柔性质不同的单体来共聚得到具有适当玻璃化转变温度的树脂,以保证漆膜达到硬度、韧性、成膜性能及耐热性能等的平衡。[3]

(三)使用性能和加工性能的矛盾

使用性能与加工性能对于聚合物材料来说往往是一对矛盾。使用性能包括力学性能和其他功能性。聚合物加工成型时一般要具有流动性。通常认为聚合物的加工成型是指塑料,橡胶的热塑化成型过程。笔者认为学生在形成知识体系时也可以将涂料的涂装认为是一种聚合物的成型方法,只不过得到的是一种聚合物的涂膜而已。粉末涂料的涂装本身也就是一种聚合物热熔成型方法。聚合物要具有较高的强度,必须使分子量大到一定程度,但分子量过大又会使聚合物的溶液和熔体粘度明显变大,降低溶液或熔体的加工流动性,因此分子量及分子量分布的控制是聚合物分子设计的一个重要方面。另外,要使聚合物具有一定的功能性,经常需要带有特殊的官能团,这也往往会为加工性能带来负面影响,在实践过程中需要综合考虑。

从高分子材料的结构-性能-应用关系来看(如图1所示),三大矛盾居于核心地位。一种聚合物的结构决定了其性能,但多种性能的变化存在一个此消彼涨的问题,即三大矛盾中的全部或部分同时达到应用要求,才具有应用价值。如果达不到应用要求,还可以通过物理方法A (addition,添加)、B(blend,共混)、C(composite,复合)进行改性,进一步调节三大矛盾的平衡。如果仍然达不到要求,就需要重新考虑高分子的结构,对高分子的化学组成、分子量、分子量分布、分子结构进行选择或设计,或对高分子进行化学改性,这正是高分子化学的重要研究内容。了解三大矛盾即聚合物的结构与性能间的关系正是高分子物理的主要研究内容。

二、高分子材料性能三大矛盾分析在教学中的运用

高分子材料性能三大矛盾分析是通过马克思主义哲学视角看待高分子材料结构-性能-应用间的关系,如果在教学活动中加以合理利用,可以有效促进学生学习,具体分析如下：

(一)有助于培养学生辩证看待,综合统筹分析高分子科学问题的能力

根据马克思主义哲学的观点,矛盾论是唯物辩证法的核心,是辩证看待、综合统筹分析和解决问题的理论基础。[1]116-119通常教学过程中进行理论分析时往往强调某个性能与结构间关系的单因素分析,三大矛盾论则是根据矛盾对立统一的特点进行综合统筹地分析问题。如在复合材料课程中讲讲授乙烯基树脂相关内容时,从三大矛盾的角度引导学生分析树脂中甲基、异丙基、仲羟基、苯环的作用可以明显提高学生对树脂结构与性能关系的深入理解,[4]学生除了学习相关内容外,还潜移默化地培养了聚合物分子结构设计的能力。

(二)有助于帮助学生合理构建高分子科学的知识体系

根据认知主义学习理论的代表人物之一布鲁纳的认知发现说,[5]一门课程知识体系构建的成功与否直接影响到教学的效果,知识的概括水平越高,就越容易被理解和迁移,越容易被学生吸纳到自己原有的知识体系中去而形成新的知识体系。三大矛盾分析从学生较为熟悉的马克思主义哲学原理出发,对高分子材料结构-性能-应用关系特点进行了高度概括,每一个环节都对应高分子科学与工程专业的一些主要专业课程,有利于帮助学生科学合理地构建知识体系。

(三)有助于培养学生理论与实践相结合的观念,激发学生学习热情。

根据托尔曼的认知-目的论,[6]学习是有目的的,学习的过程就是期待获得的过程。三大矛盾分析建立的前提就是将高分子材料结构与性能的关系放到理论与实践紧密结合的背景下,每一个矛盾都是高分子材料在应用时所要考虑的具体问题的高度概括。在教学过程中向学生传递三大矛盾的观念时,必须与一些具体的应用实践背景相联系,如在学习热塑性聚酯材料相关内容时,从柔性和刚性矛盾角度来分析聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的结构与性能变化关系,学生很容易掌握相关知识并认识到新型热塑性聚酯PTT开发的重要价值。[7]在理论教学中注意与实践紧密结合容易使学生了解所学知识的应用价值,明白学习目的,从而产生更高的学习热情。

[1]杨俊一.马克思主义哲学原理 [M].上海：上海教育出版社,2003.

[2]何曼君.高分子物理 [M].上海：复旦大学出版社,2006：34-37.

[3]洪啸吟.涂料化学 [M].北京：科学出版社,2005：45-46.

[4]倪礼忠.聚合物基复合材料 [M].上海：华东理工大学出版社,2007：60-61.

[5]谭顶良.高等教育心理学 [M].南京：河海大学出版社,2006：33-43.

[6]谢 婧.认知主义学习概述[J].文教资料,2006(28)：101-102.

[7]赵 育.新型热塑性聚酯-聚对苯二甲酸丙二醇酯[J].塑料科技,2000(2)：33-36.

Three Main Contradictions Analysis Theory and Its Application in Teaching

REN Q iang,L IJian,YU Q iang
(School of Materials Science and Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

Threemain contradictions in polymeric materials including polarity and nonpolarity,flexility and rigidity,usability and process ability are put forward based on contradiction analysis theory.Three main contradictions analysis theory hold the p redominant position in the relationship of polymer structure property-application. It is of great significance to convey three main contradictions analysis theory to students and to analyze the specific problem s in application field in teaching.It is helpful to cultivate the dialectically analytic capability of students in polymer science,to build the polymer science know ledge system logically,to form a thinking habit with combination of theory and practice,and learn actively.

polymeric materials;contradiction analysis theory;teaching;know ledge system;combination of theory and practice

李 艳)

G42 文献标码：A

1672-9048(2010)03-0114-03

2010-04-20

任 强 (1977—),男,四川渠县人,博士研究生,讲师,主要从事高分子材料专业的教学与研究。