高分子复合材料综合实验课启发式教学研究

刘蓉翾, 吴 音, 关丽红, 李 明, 李亮亮

(清华大学 材料学院, 北京 100084)

高分子复合材料综合实验课启发式教学研究

刘蓉翾, 吴 音, 关丽红, 李 明, 李亮亮

(清华大学 材料学院, 北京 100084)

为了让学生更好地掌握课堂所学内容,并达到活学活用的目的,探讨了高分子复合材料的启发式实验教学方法。通过在高分子复合材料实验课中,引导学生自己摸索解决在材料的制备与性能评价以及机理分析等过程中出现的问题,学习高分子复合材料设计的基本原理、研究手段和思维方式,鼓励学生学习与实验互相促进,激发对材料研究的兴趣。实践表明这种教学方式一方面教会学生基本实验技能,另一方面培养了学生勤于思考、自己解决实际问题的能力,提高了学生对复合材料专业的学习兴趣。

高分子复合材料； 综合实验课； 启发式教学方法

复合材料以其优良的性能让世人瞩目,并在近50多年取得了惊人的成就,在很多高新技术上得到应用。复合材料是将2种或2种以上具有不同物理、化学性质的材料结合在一起,形成一种新材料,以满足某种特殊的要求。高分子材料具有成本低廉、高耐候性、低密度、很容易成型为复杂的形状等特点,使其在多个领域成为替代金属材料的最佳选择,成为最广泛使用的一种材料[1-2]。但高分子材料自身的强度较低并且绝缘,不能满足某些特殊场合的强度或导电需求,因此需要加入增强材料,以提高基体的强度和刚度。为提高导电性能,通常加入石墨粉或金属粉末[3]。

高分子复合材料综合实验课的特点是在给学生介绍基本的复合材料复合机理、仪器设备操作方法、安全规范的基础上,由学生自己设计实验过程,在实验过程中发现问题、查阅文献,自己提出解决问题的思路。实验包括6个环节:采用最常使用的注塑成型工艺获得拉伸试样；采用聚丙烯为基体材料、玻璃短纤维为增强体,制备高强聚丙烯/玻璃纤维复合材料；采用聚丙烯为基体材料、石墨粉为导电相,制备导电聚丙烯/石墨复合材料；采用热压法获得表面电阻与体积电阻测试试样；力学及电阻率性能测试；机理分析。最后2个环节贯穿、融入其他4个环节,不是最后孤立完成。

1 具体教学过程

1.1 采用最常使用的注塑成型获得拉伸试样

这部分实验的主要目的是了解注塑—挤出机的基本结构及各部分的作用,掌握它们的操作与使用方法；熟悉注塑—挤出原理；能够制备出材料拉伸试样。

实验采用的原料为聚丙烯,聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物,实验相对安全；聚丙烯可用于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱等有机溶剂对它几乎不起作用,可用于食具[4]。因此选取最有代表性的聚丙烯作为实验对象。

实验前,实验指导教师首先向学生讲解注塑成型的基本结构、工作原理、操作方法以及安全规范,由学生自己查阅复习聚丙烯的物理性能,确定实验方案。

根据聚丙烯的熔点,学生比较容易确定注塑机的加热温度,但获得的样品并不理想,出现气孔较多、充模不完全等问题。指导教师引导学生自己分析失败原因、调整改进方案。学生首先提出加大挤出压力,获得的试样有所改进,但问题仍然存在。学生自己进一步查阅文献,发现聚丙烯凝固收缩率很大,因此提出延长保压时间[5],最终获得了拉伸强度较高的聚丙烯试样。通过教师引导、学生自己解决问题的方法,激发了学生的实验兴趣和自信心。

获得拉伸试样后,向学生讲解拉伸试验机的测试原理及操作方法和注意事项。由学生测试自己制备的试样的拉伸强度。

1.2 采用聚丙烯为基体材料、玻璃短纤维作为增强体,制备高强聚丙烯/玻璃纤维复合材料

聚丙烯的结晶度高、结构规整,因而具有优良的力学性能,但在塑料材料中仍属于偏低的品种,其拉伸强度仅可达到30 MPa或稍高的水平[6-7]。为提高聚丙烯强度,引导学生查阅增强方法,确定由纤维长度为3 mm的玻璃短纤维作为增强材料[8]。添加量分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%。

试样做出后进行拉伸强度测试,发现强度虽有提高,但并不显著。学生通过扫描电镜观察,分析原因。图1为试样断口照片。可发现断口大量玻璃纤维拔出现象。拔出的玻璃纤维表面光洁,说明玻璃纤维与基体聚丙烯结合度较差。引导学生查阅文献，学习玻璃纤维表面改性方面的知识。推荐采用KH550对纤维改性后,再进行复合[9]。拉伸试验发现聚丙烯/玻璃纤维复合材料的强度大幅提高。学生通过扫描电镜对断口观察分析,如图2所示,拔出的玻璃纤维表面粗糙,粗糙物为尚未完全分离的聚丙烯,说明玻璃纤维的表面改性,显著提高了与基体聚丙烯的结合能力。

图1 未改性玻璃纤维的拔出状况

图2 改性后玻璃纤维的拔出状况

学生通过实验发现,加入30%未改性玻璃短纤维,复合材料流动性显著变差,较难得到完美试样。

通过实验中出现的问题,引导学生分析原因,提出解决方案,加深了学生对课堂学习知识的掌握和解决实际问题的能力。学生对增强复合、增强材料的表面改性有了更深刻的认识。这种启发式教学进一步激发了学生的学习兴趣和自信心。

1.3 采用聚丙烯为基体材料、石墨粉为导电相,制备导电聚丙烯/石墨复合材料

通过上面2部分实验,学生实验的兴趣和解决问题的能力都得到很大程度的提高。此时给学生提出一个新的命题,通过复合方法,如何改变聚丙烯绝缘性,成为导电材料？学生根据课堂学习知识,结合文献调研，很快提出用片状石墨作为添加相的实验方案[10-11]。此时引导学生添加量选择(质量分数)0%,2%,4%,6%,8%,10%,12%、14%。实验测得的体积电阻率随石墨添加量的变化关系如图3所示。

当石墨含量(质量分数)为0%、14%时,体积电阻值超出仪器的量程范围。从图3可以得出,加入2%石墨的聚丙烯的体积电阻率已经有所降低,但并不特别显著,当添加量超过6%后,体积电阻率突然大幅度降低。引导学生查阅关于复合材料渗流阈值的概念[12],结合电镜观察解释出现此现象的原因。电镜观察可以发现,当添加量超过12%后,石墨在基体内的分布由孤立状态变成相互导通的网络结构，这是体积电阻率突然大幅度降低的主要原因。

图3 聚丙烯/石墨复合材料体积电阻率随石墨添加量的变化

2 结论

通过上面3部分教学,学生掌握了高分子材料的注塑成型工艺、纤维增强、拉伸试验以及体积电阻率调节技术方法。特别重要的是通过实验中出现的问题,引导学生自己分析问题、解决问题。教学实践证明,启发式的教学方法激发了学生的学习兴趣,巩固了课堂的学习内容,培养了学生动手和解决实际问题的能力。

References)

[1] 李明.聚合物复合材料[M].北京:清华大学出版社,2013.

[2] 黄家康.复合材料成型技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2011.

[3] 肖汉文,王国成,刘少波.高分子材料工程实验教程[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4] 赵敏.改型聚丙烯新材料[M].北京:化学工业出版社,2010.

[5] 张兴英.高分子科学实验[M].北京:化学工业出版,社2007.

[6] 符若文.高分子物理[M].北京:化学工业出版社,2004.

[7] 沈观林,胡更开,刘彬.复合材料力学[M].北京:清华大学出版社,2013.

[8] 杨红梅.玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的研究进展[J].合成树脂与塑料,2002,19(3):49.

[9] 徐蓉,邢帆,林汉昭.聚丙烯/玻璃纤维的界面改性研究[J].广州化工,2001,29(2):25-31.

[10] 应宗荣.聚丙烯/石墨复合材料的导电与阻燃性能研究[J].中国塑料,2006(11):62-65.

[11] 陈晓梅,全成子,沈经纬.聚丙烯/石墨导电复合材料的制备与表征[J].中国塑料,2001(9):40-43.

[12] 张雨.聚合物表面电阻率测试方法研究[J].工程塑料应用,2002(7):35-36.

Research on heuristic teaching methods for comprehensive experimental courses of polymer composite

Liu Rongxuan, Wu Yin, Guan Lihong, Li Ming, Li Liangliang

(School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This article presents the heuristic teaching methods for experimental courses of polymer composite in order to make students better understand and apply what they have learned in the classroom. The above mentioned experiment courses are expected to guide students to solve the problems occurred in material preparation, performance evaluation and mechanism analysis. At the same time, the fundamental design of polymer composites, experimental technique and thought methods are known well, which could help students to know well what they have learned in the classroom by the experimental courses and stimulate their interest in materials research. Practice teaching results show that the heuristic experimental teaching methods are beneficial for students to master the experimental skills, cultivate new ideas, improve ability for solving practical problems, and increase learning interest of polymer composites.

polymer composites; comprehensive experimental courses; heuristic teaching method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.042

2016-07-15

北京市共建项目专项资助；清华大学教学改革项目

刘蓉翾(1968—),女,辽宁海城,硕士,高级工程师,从事高分子复合材料实验教学工作.

E-mail：rxliu@mail.tsinghua.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)1-0178-03