疫情背景下高分子化学实验教学的一点探讨

汪海平

(江汉大学 光电材料与技术学院，湖北 武汉 430056)

引言

始于2020年的新冠肺炎疫情迫使越来越多国家的学校教育由传统线下课堂向远程线上学习转变，也极大促进了学堂在线、优课联盟和中国大学MOOC等慕课学习平台在国内高校中的广泛应用[1-3]。化学作为一门以实验为基础的学科，在疫情防控期间，其相关实验课程的教学与理论课程教学相比面临更加严峻的挑战，在学生暂时不能返校进行传统面对面实验技能培训的特殊情况下，如何将“停课不停学、教学质量不降低”的要求落到实处，是摆在化学教育工作者面前亟需考虑的问题[4，5]。

目前，针对化学实验实施远程教学的策略主要有三种形式：化学实验视频展示、虚拟仿真实验和家庭化学实验。化学实验视频展示主要是借助网络以视频形式向学生展示实验操作的过程，这种教学方式在打破时空限制、互动模式和教学资源等方面虽然有一定的优势，但在锻炼学生处理实际问题能力的方面仍有不足[4]。化学中的虚拟仿真实验是借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上模拟完成传统实验中的各个操作环节，虽然这种网上虚拟实验室能够突破传统实验对“时、空”的限制，但仍然存在一些缺点，比如虚拟仿真实验的开发或访问成本对许多学校来说还是太昂贵，对实验基本操作细节体现不足，存在实验环节与现实脱节的矛盾，导致学生缺乏处理真实实验问题的能力[6，7]。家庭化学实验是指学生在家里也可以动手实验，与专业的化学实验室相比，家庭化学实验在实验内容、精度和严谨性上有一定局限性[8，9]。然而，研究表明，在疫情期间不能去学校上课的情况下，开展与现实生活紧密联系的家庭化学实验活动是培养学生探究能力和化学核心素养，以及提高学生化学学习兴趣的有效手段之一[10]。目前，许多家庭化学实验都是以厨房食材或网购的家庭化学实验箱作为实验用材料，其实验内容在本质上都仅限于一般的化学概念，很少有为学生提供通过动手实验学习高分子化学的家庭实验项目[11，12]。

基于上述分析，本文特推荐一个贴近生活的高分子化学动手实验，以两种日常生活中易于获得、在家可以安全使用的胶粘剂(502胶水和有机硅密封胶)作为主要的实验材料，通过简易的方法比较两种胶粘剂的粘接性能，为学生提供在家动手实验学习高分子化学知识的机会。该实验专为掌握了一定有机化学知识的大二或大三学生而设计，实验内容涉及高分子合成化学、分子间相互作用、结构与性能的关系等高分子化学知识，可以作为教师在课堂外教授高分子化学实验的补充工具。

1 实验预习

为了保证实验能够达到预期的效果，在实验前可以布置如下思考题，让学生以任务的形式、有意识地通过查阅相关文献，领会实验目的和原理。

1)有机硅密封胶和502胶水两者的固化产物分别是热固性还是热塑性聚合物？解释为什么？

2)交联剂是指什么？

3)当酸性有机硅密封胶固化时，它会释放出乙酸分子，有些人不喜欢这种气味，请写出一种您认为没有气味可替代的交联剂的分子式。

4)如果502胶水或有机硅密封胶在完全没有水的情况下固化会发生什么？

2 实验部分

2.1 实验目的

1)了解作为502胶使用的α—氰基丙烯酸乙酯以及有机硅密封胶的固化反应机理;

2)理解热固性聚合物与热塑性聚合物之间物理力学性能产生差异的原因;

3)通过比较两种胶粘剂在不同干湿条件下固化后的粘接性能，探索聚合物的结构对材料性能的影响规律;

4)通过设计胶粘剂粘接性能的测试方案，提高学生分析问题和解决问题的能力。

2.2 实验原理

图1 水引发α-氰基丙烯酸乙酯固化反应机理

家用的酸性有机硅密封胶一般主要由α，ω—端羟基聚二甲基硅氧烷预聚物(PDMS)和作为三官能团交联剂的甲基三乙酰氧基硅烷(MTAS)组成[14]，其固化反应机理如图2所示。PDMS的端羟基与MTAS中的部分可水解基团发生缩合反应，生成端乙酰氧基PDMS预聚物，并释放醋酸分子(AcOH)，接着预聚物末端的乙酰氧基发生如下两种反应：①受端羟基PDMS的亲核进攻，发生交联反应;②吸收空气中的水分，进行水解、缩聚，最终形成共价交联的有机硅网络。由于每次发生上述反应时都会释放出醋酸分子，因此可以通过醋酸的气味判断有机硅密封胶是否发生固化反应。空气中水分的含量将直接影响乙酰氧基的水解程度，进而影响固化物的交联密度。通常含水量越高，交联密度越大，所得固化物的机械强度也会越大[15]。

图2 端羟基聚二甲基硅氧烷(PDMS)与甲基三乙酰氧基硅烷(MTAS)的交联固化反应机理

2.3 实验用品

酸性有机硅密封胶，502胶水，带提手的空牛奶桶(1个)，细绳(长度20～40 cm)，带刻度量杯。

陶土是一种由硅酸铝粘土烧结而成的陶瓷材料，它能吸收并保留其孔隙中的水分。在测试依赖水固化的胶粘剂的粘接性能时，陶土是非常合适的基材，因此，本实验选择由陶土制成的花盆底托作为测试胶粘剂粘接性能的基材。

2.4 实验步骤

通过将两种胶粘剂在不同的干湿环境下固化，考察水对有机硅密封胶和502胶水在陶土花盆底托上粘接强度的影响，每个条件重复测定3次，每次测试使用2个陶土花盆底托。

2.4.1 胶粘剂的粘接实验

干固化：按图3描述的方法，先用棉签在干燥的花盆底托平坦的一侧涂上有机硅密封胶或502胶水，接着用手压的方式将其与另一个花盆底托平坦侧紧密贴合在一起，让胶粘剂固化 24 h，测试待用。其中，有机硅密封胶的用量以填缝层厚度约一元硬币的厚度为宜，502胶水的使用量约豌豆大小。

湿固化：先将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纸巾将其表面擦干，紧接着按图3描述的方法进行胶粘剂的粘接实验。

图3 胶粘剂的粘接示意图

2.4.2 粘接强度测试

准备一个空牛奶桶，称其质量(以克为单位)，记为m，如果身边没有秤，可以假设空牛奶桶质量为60克。根据图4 中描述的方法对每对粘接后的陶土花盆底托进行粘接强度测试。首先，将空牛奶桶用绳子挂在粘接好的花盆底托上，接着用带刻度的量杯将水慢慢倒入牛奶桶中，在整个实验过程中尽量以前后一致的速度倒水，直至胶粘剂失效，两个花盆底托分开，记录所加水的总体积L(以毫升为单位)和胶粘剂残留物的情况，此时胶粘剂失效质量为(m+L)，单位为克。本实验通过胶粘剂的失效质量间接判断胶粘剂的粘接强度。

图4 胶粘剂的粘接性能测试示意图

如果条件允许，上述测试可以使用专业实验室里电子万能拉力机进行补充，通过获得胶合陶土的拉伸曲线，进一步量化粘合或内聚破坏所需的确切力。

3 结果与讨论

在表1中记录胶粘剂失效时牛奶桶中水的体积，并计算每种固化条件下的胶粘剂失效质量及其平均值。同时，将胶粘剂失效时观察到残留胶粘剂的外观和质地等现象记录在表2中。

结合表1、表2中的实验数据和现象，试回答以下问题：

表1 胶粘剂的极限强度

表2 胶粘剂失效时的现象记录

1)有机硅密封胶在哪种条件(湿或干)下固化后的交联密度更高？为什么？

2)502胶在哪种条件(湿或干)下固化后得到聚合物分子量更大？为什么？

3)哪一种粘合剂(有机硅密封胶或502胶)对陶土花盆底托有更强的粘合作用?

4)较高的含水量对有机硅密封胶和502胶的固化会产生怎样的影响?

4 结语

为了应对新冠疫情对传统师生面对面的教学方式提出的挑战，保证学生“停课不停学”，本文创建了一种使用家用胶粘剂远程学习高分子化学知识的动手实验。通过本实验可以锻炼学生查阅文献、制造测试样品和分析解决问题的能力，有助于学生理解并掌握高分子化学中的一些关键概念，例如高分子化学反应、热塑性与热固性区别、结构与性能之间的关系等。该实验可以作为本科生的暑期研究项目，也可以为化学教育工作者提供一个在实验室之外教授高分子科学实验的有利工具。