科教融合下高分子材料阻燃性能提升实验教学拓展探索

王圣程， 姜 慧， 黄兰英， 张 朕， 禄利刚

（徐州工程学院土木工程学院，江苏 徐州 221018）

0 引 言

党的十八大报告提出，要提高自主创新能力，到2020年使我国进入创新型国家行列，这是国家发展的战略核心［1］。2018年，教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上强调：创新人才培养，要推进科教融合，让学生尽早参与和融入科研，加大各级科研基地向本科生开放力度，提高学生科研实践能力和创新创业能力［2］。由此可见，高校科研与教学相结合进行创新人才培养是时代的需要，也是高校坚持“以本为本”的体现。在创新人才培养过程中，高校逐渐意识到实验教学在大学生创新能力提升中起着举足轻重的地位，并采用各种手段强化实验教学［3-5］。然而，大多数高校的实验教学还以加深学生对理论教学内容理解为出发点，尚未意识到其对创新人才培养的作用［6］。因此，对实验教学进行拓展势在必行。而将教师的科研资源转化为实验教学内容，实现科研与教学深度融合，是提高实验教学水平的有效途径［7］。

土木工程材料是土建类专业一门专业核心课，能为后续专业课的学习及正确选择与使用材料奠定一定的理论基础。为了提升大学生创新能力，利用教师与课程教学有关的科研课题，从中提炼出拓展性实验课题，不但能丰富土木工程材料课程的实验教学体系，还能通过“科研-教学-思辨-实验”的四位一体化训练，使学生加深对土木工程材料课程知识更深层次的理解和认识，有助于提高教学质量。本文以聚氨酯高分子材料阻燃性能提升为例阐述科教融合下拓展实验教学这一模式。

1 基于科研项目提炼教学实验课题

随着我国经济和城市化进程的快速发展，建筑能耗的比例将达到35%［8］。因此，建筑节能势在必行。而在建筑中使用保温材料是建筑节能最有效的手段，经济效益也最明显。目前，国际上公认性能最好的保温材料是聚氨酯高分子材料，其以导热系数低、耐热性好、容易与其他材料粘结等优异性能已广泛用于建筑物各个位置的保温隔热［9-10］。但近些年发生的北京央视大楼火灾、南京中环国际广场火灾等均是由聚氨酯高分子材料易燃引起的，严重影响了人员和财产安全。

为达到人们对建筑物既保温节能又安全的需求，就必须提高聚氨酯高分子材料的阻燃性能。聚氨酯高分子材料属于土木工程材料课程内容的一部分，教材上只是向学生传授绝热材料的定义、类别、性质，尚未涉及高分子保温材料应用的安全性问题。结合科研项目“聚氨酯保温材料阻燃性能提升关键技术研究”，让学生去查找文献，发掘已有聚氨酯高分子材料阻燃性能提升的方法，根据作用效果进行筛选，并设计相关实验，探寻不同阻燃方法下的阻燃效果。

2 实验拓展探索

学生通过查询发现，聚氨酯高分子材料主要通过反应型或添加型阻燃剂来实现阻燃。反应型阻燃剂是通过化学反应将溴、磷等元素加入聚氨酯分子链上，使聚氨酯高分子材料具有阻燃功能。而添加型阻燃剂通过物理添加，使聚氨酯高分子材料阻燃性能提高。添加型阻燃剂可分为无机和有机添加型阻燃剂［11］。无机添加型阻燃剂主要有氢氧化镁、氢氧化铝、膨润土和可膨胀石墨（EG）等，最大的特点是低烟无毒性。有机添加型阻燃剂主要是一些含磷、氯、溴等元素的有机化合物，特点具有低烟、无毒、低卤、阻燃高效等［9］。学生采用定性分析的方法分析不同方式的阻燃效果、实现难易程度，选择添加型阻燃剂来提升聚氨酯高分子材料的阻燃性能。在此基础上，进一步定性分析无机、有机阻燃剂的阻燃功效，最后学生决定采用无机-有机协同添加的方式对聚氨酯高分子材料进行改性。无机阻燃剂选择EG，有机阻燃剂选择磷系阻燃剂（PFR），分为三（1，3-二氯异丙基）磷酸酯（TDCPP）与四（2-氯乙基）二亚乙基醚二磷酸酯（CR-505）两种。采用一步发泡法，按照聚氨酯高分子材料配方（见表1）制备实验用品。首先将聚醚多元醇、阻燃剂、发泡剂、泡沫稳定剂、催化剂等混合均匀，形成组分A；然后，将多异氰酸酯迅速加入组分A中，搅拌均匀，倒入模具中，待化学反应结束得到聚氨酯高分子材料。其中，Z0为普通聚氨酯高分子材料，无阻燃剂添加；Z1-Z5为PFR改性聚氨酯高分子材料；Z6～Z8为PFR与EG协同改性聚氨酯高分子材料。

表1 聚氨酯高分子材料配方

采用锥形量热仪测量材料的热释放速率（HRR）、引燃时间（TTI）、HRR峰值（PHRR）与到达HRR峰值时间（TPHRR）；用热重分析仪测量物质质量随温度变化；用氧指数分析仪测试样燃烧所需要氧气的最低浓度。

2.1 锥形量热仪使用实验

锥形量热仪能够展示聚氨酯高分子材料在真实条件下的燃烧行为。图1所示为PFR对聚氨酯高分子材料HRR的影响。从图1可知，所有聚氨酯高分子材料的HRR曲线变化规律相似，先缓慢上升，再激增至PHRR，最后逐渐减弱并趋于平缓。PFR改性聚氨酯高分子材料阻燃效果由差到好的顺序为：Z5、Z1、Z4、Z2、Z3。这反映出TDCPP／CR-505添加比为1∶1时阻燃效果最佳。

图1 PFR对聚氨酯高分子材料HRR的影响

为研究PFR与EG添加对聚氨酯高分子材料阻燃性能的影响，在样品Z1、Z3和Z5配方基础上，均添加10 g EG而形成Z6、Z7和Z8，表2所示为聚氨酯高分子材料阻燃性能的变化。从表2可知，和单独添加PFR相比（Z1、Z2、Z5），PFR与EG协同改性聚氨酯高分子材料（Z6、Z7、Z8）的PHRR进一步下降，而TTI和TPHRR增加。说明PFR与EG产生了协同效应，聚氨酯高分子材料的阻燃性能进一步提升。

表2 不同聚氨酯高分子材料阻燃性能的对比

2.2 热重分析实验

图2所示为空气氛围下聚氨酯高分子材料的残余质量随温度变化的曲线。从图中可知，所有聚氨酯高分子材料的质量损失过程均分为2个阶段。Z0的第1阶段质量损失发生在180～320℃，且存在一个质量微变的缓冲期；而Z1～Z8第1阶段平缓下降，无明显缓冲期。Z0的第2阶段发生在440～540℃，而Z1～Z8的第2阶段也平缓下降，且存在一个过渡区间。此外，从图中还可以得出，Z1～Z8在较低温度时就开始出现质量衰减，质量衰减5%的温度明显低于Z0。但随着温度上升，Z0的质量衰减速度加快，质量衰减50%的温度为391℃，而Z1～Z8质量衰减50%的温度都大于540℃，且PFR与EG同时添加的Z6～Z8比只添加PFR的Z1、Z3和Z5质量衰减50%的温度更高。

图2 空气氛围下聚氨酯高分子材料的残余质量随温度变化曲线

2.3 氧指数测定实验

图3所示为聚氨酯高分子材料的氧指数。从图可知，Z0的氧指数为16.7%，为易燃材料。Z1～Z5的氧指数得到了大幅度提升，除Z5为易燃材料外，其他PFR改性聚氨酯高分子材料为可燃材料。Z6～Z8的氧指数大于30%，为难燃材料，符合《建筑材料及制品燃烧性能分级》标准。

图3 聚氨酯高分子材料的氧指数

3 实验教学拓展的作用

实验教学的基础作用是强化理论教学，调动学生积极性［12］。实验教学改变了传统理论教学的枯燥乏味，变被动教育为主动教育。拓展实验教学不在于最后得到什么样的结果，而在于实验探索的过程，即发现问题、解决问题，从而增强学生的创新意识。发现问题并且能够创造性地解决问题的能力和科学素养是创新人才的一个关键区分特征，是可以通过参与科研活动得以提高的［13］。下面从发现问题、解决问题和分析结果3个阶段分析科教融合下实验教学拓展对创新人才培养的作用。

3.1 提出问题阶段

教师开展科学研究，既能保持对学科前沿知识的敏感性，也能通过教学将课本之外的新观点、新方法等传递给学生。通过对聚氨酯高分子材料的真实科研问题情景激发，阐释公认性能最好的聚氨酯高分子材料存在严重的安全隐患，从而提出提高聚氨酯高分子材料安全性能的问题，充分调动学生参与科研的积极性和主动性。

3.2 解决问题阶段

面对聚氨酯高分子材料应用安全性问题，必须提高材料的阻燃性能。要求学生必须掌握从事科学研究的基础方法，善于利用CNKI等网络资源，围绕聚氨酯高分子材料阻燃的主题去查询、辨析、选择、理解文献资料，从中挖掘出效果好、价值高且方法简单的阻燃方法，从而攻克难题。例如，学生通过查询资料可知PFR增加聚氨酯高分子材料阻燃效果的原因，即PFR在基体燃烧初期先分解产生大量的磷氧自由基，磷氧自由基可以淬灭基体自身燃烧所产生的可燃自由基，使燃烧链式反应中断并抑制火焰，从而有效地降低基体燃烧的强度［14］；而EG能提高阻燃性能，是因为EG均匀分布在聚氨酯高分子材料中，遇到外界高温，其体积快速膨胀，形成一个绝热碳层，该碳层热稳定性强，能把热源与材料隔开，抑制材料的继续燃烧。此外，EG的导热性能好，能将热快速释放，降低温度，且EG燃烧时产生的CO2起到一定隔绝氧气的作用，进一步阻燃［15］。这一过程就是学生创新能力提升的过程，强化学生自主学习与思考的能力、信息分析与筛选的能力、创新思维能力和自我教育能力［16］。教师从而成为了学生创新能力提升的引导者。

3.3 分析结果阶段

学生根据聚氨酯高分子材料阻燃问题的解决方案进行实验设计，从而检验其思想和观点。在实验过程中，既能锻炼学生的动手能力，还能提高学生数据处理与分析能力、对结果验证和讨论分析能力［17］。学生通过资料还能查到：EG能降低聚氨酯高分子材料的力学性能［18］。学生就能了解到，在使用EG提高聚氨酯高分子材料阻燃性能时要注意用量。这一过程，让学生能全身心地沉浸在实验拓展体验中，促进了学生整体性思考，使其养成严谨、创新的思维方式，最后形成创新精神，真正达到提升学生知识创新与应用能力的目的。近年来，学生通过参与有关高分子材料的科研课题，获批大学生创新创业项目10余项（其中省重点项目和省一般项目各1项），荣获“互联网＋”创业大赛、徐州市建筑节能大赛等市级以上奖励10余项，发表有关科研论文6篇，授权国家发明专利1项、实用新型专利6项。

4 结 语

“科研-教学-思辨-实验”的四位一体化的实验教学拓展方式的探索，实现了高校科研与教学的深度融合，强化了理论教育内容，提高了教学内容深度和广度，给学生提供一个尽早接触学科前沿的条件，从而达到提高学生创新能力的目的。