邏輯化建設聚合物材料結(jié)構(gòu)與性能本科實驗

周天楠，楊昌躍，蔡緒福，錢祉祺

(四川大學　高分子科學與工程學院，成都　610000)

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邏輯化建設聚合物材料結(jié)構(gòu)與性能本科實驗

周天楠，楊昌躍，蔡緒福，錢祉祺

(四川大學高分子科學與工程學院，成都610000)

利用二維X-射線衍射儀表征技術(shù)，改革了差示掃描量熱儀(DSC)測量技術(shù)和拉伸測試實驗對傳統(tǒng)的高分子材料結(jié)構(gòu)性能表征實驗。通過性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系這條主線將3個實驗邏輯地串聯(lián)起來，經(jīng)過結(jié)果對比、理論分析和設計實驗驗證3個步驟，向?qū)W生傳授邏輯性思考和系統(tǒng)設計實驗的方法。打破了傳統(tǒng)單一實驗教學模式，建立明晰的實驗邏輯關(guān)系，起到培養(yǎng)學生邏輯性思考，系統(tǒng)性設計實驗的能力。

二維X-射線衍射儀；結(jié)構(gòu)與性能；實驗教學

獨立的高分子材料實驗教學課程設計目前已經(jīng)相當完善。以材料性能、結(jié)構(gòu)實驗教學為例，下設機械性能、沖擊性能、結(jié)晶結(jié)構(gòu)表征以及結(jié)晶度測試等獨立實驗項目。雖能充分鍛煉學生的動手操作能力和數(shù)據(jù)分析能力，但缺乏訓練學生思考實驗間邏輯關(guān)系能力的培養(yǎng)，學生并不能系統(tǒng)地理解材料性能和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。如能將性能與結(jié)構(gòu)表征實驗邏輯化地串聯(lián)成為一體，建立以實驗技能為基礎(chǔ)，對比研究為方法，提升綜合分析實驗結(jié)果能力為宗旨的實驗教學模式，不僅讓學生學會實驗操作技能，而且能更好地領(lǐng)會實驗間的相互關(guān)系，達到培養(yǎng)學生邏輯思考、系統(tǒng)設計實驗的能力，實現(xiàn)提升實驗教學成效的目的。

高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能很依賴加工過程[1]，在加工過程中(如擠出、注射、吹塑、壓延等)，分子鏈會受到具有梯度分布的剪切應力場作用，在該作用力下高分子鏈、高分子鏈段以及微晶區(qū)會發(fā)生不同程度的取向。由于沿著取向方向分子鏈擇優(yōu)排列，單位截面的化學鍵數(shù)目增加，材料在該方向上抗拉強度大幅度提高[2-3]。在動力學上，取向后的高分子鏈段更容易排入晶格形成晶體。對于結(jié)晶高分子來說，晶區(qū)取向材料比晶區(qū)沒有取向材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的機械性能[4]。所以在高分子材料性能測試實驗教學的環(huán)節(jié)中，將材料結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶程度和材料機械性能實驗貫穿起來顯得尤為必要。不僅讓學生建立材料結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)性的概念，還能培養(yǎng)學生邏輯分析和解決問題的能力。

傳統(tǒng)的測試高分子材料取向度的實驗采用一維X-射線衍射儀(閃爍計數(shù)器為信號采集器)的方法，由于操作比較復雜、數(shù)據(jù)信號不直觀、耗時長(約30 min)[5]，在教學實施上存在困難。目前已經(jīng)商業(yè)化的二維X-射線衍射儀(配備直徑15 cm的二維面探測器)具有測試時間短(30～180 s)，信息全面且直觀的特點滿足了本科實驗教學的硬件要求，也為實驗改革提供了可行性。本文根據(jù)加工過程對晶區(qū)結(jié)構(gòu)的改變引起材料性能變化為主線，采用提出問題—分析可能原因—設計實驗驗證的思路對傳統(tǒng)的高分子材料結(jié)構(gòu)性能測試實驗進行改革。

1　實驗方案

1.1實驗設備及測試方法

注塑樣品機械性能由微機控制電子萬能試驗機進行測試，拉伸速度為5 mm/min。根據(jù)材料的應力應變曲線，得到材料的拉伸強度、斷裂伸長率和楊氏模量等信息。

設備包含：X-射線衍射儀(XRD)(Bruker D8 Discover)；二維面探測器(VANTEC-500)；光源為銅靶，X-射線波長為1.540×1010m。

取向度測試方法：樣品與入射光和探測器中心在一條直線上，探測器一次性接收0°～33°內(nèi)各個衍射環(huán)的整環(huán)信號，樣品曝光時間為180 s。

差示掃描量熱儀(DSC)：樣品質(zhì)量5 mg。

結(jié)晶度測試：在高純氮氣保護下以10℃/mm速率將樣品升溫至200℃，測得熔融曲線。

供給情況：上周國內(nèi)尿素生產(chǎn)企業(yè)減產(chǎn)、檢修增多，開工率小幅下滑。原料方面，煤炭工業(yè)和民用需求仍然向好，市場價格堅挺，部分地區(qū)價格繼續(xù)小幅上調(diào)；天然氣方面，價格持續(xù)上漲；液氨方面，尿素價格上漲帶動液氨價格有所上行，但需求有所減少，未來價格可能下行。

1.2樣品制備

聚丙烯(T30s，獨山子石化)，在配有剪切設備的注塑機上注塑成型。注塑時施加剪切場得到具有一定取向度的注塑樣條作為剪切樣品；注塑時不施加剪切場得到的常規(guī)注塑樣條作為普通樣品[6]。

對樣條(每組5根樣條)進行機械性能測試并計算得試樣機械性能的平均值后；再進行取向度和結(jié)晶度的表征，測試位置如圖1所示。

圖1　制樣及表征位置示意圖

2　實驗內(nèi)容編排

本實驗由3組實驗構(gòu)成，每組實驗安排3個學時分別用于講授理論知識、數(shù)據(jù)處理方法，訓練學生實際操作和綜合分析數(shù)據(jù)。實驗總體目標為學會拉伸性能測試和兩種結(jié)構(gòu)表征方法，并根據(jù)實驗結(jié)果建立起高分子材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

2.1實驗一：材料機械性能測試

教學目標：1)學習基礎(chǔ)的材料拉伸性能測試以及數(shù)據(jù)處理方法；2)通過對比實驗結(jié)果，分析可能原因并設計相關(guān)實驗進行驗證。

教學內(nèi)容：1)測定普通樣條和剪切樣條各自的應力應變曲線；2)講解曲線不同區(qū)域的含義，并標定屈服強度和斷裂伸長率，對曲線彈性形變區(qū)域(如圖2虛線所示)進行線性擬合并求導得樣條的楊氏模量。

圖2　剪切樣品與普通樣品的應力應變(Stress-Strain)曲線

教學意義：通過分析樣條應力應變曲線(如圖2所示)可知剪切樣條比普通樣條有更高的拉伸強度和儲能模量。向?qū)W生提出本實驗體系需要解決的核心問題：剪切流動場改變了材料的哪些結(jié)構(gòu)造成樣品性能的巨大差異？聚丙烯是結(jié)晶性能強的材料，結(jié)晶度和晶區(qū)形態(tài)的改變是否對材料的力學性能產(chǎn)生影響？如果想證明上述推斷應該設計哪些表征實驗？

通過對比實驗讓學生認識到更多的實驗現(xiàn)象，學會思考影響實驗結(jié)果的多種可能原因。培養(yǎng)學生觀察現(xiàn)象思考問題并提出解決問題方案的能力，提高學生理解理論知識和綜合運用實驗技術(shù)能力。

2.2實驗二：二維XRD表征聚合物取向情況

教學目標：1)學習基礎(chǔ)的XRD衍射理論，理解衍射環(huán)所反應的結(jié)構(gòu)信息；2)掌握取向度計算方法。

教學內(nèi)容：1)講解基礎(chǔ)的XRD衍射原理，了解二維XRD在測試高聚物取向結(jié)構(gòu)中的重要性；2)學習專業(yè)分析軟件計算衍射環(huán)對應的θ角度，以及判定衍射弧所屬晶面；3)掌握分析特定衍射弧的衍射強度隨方位角φ變化的方法(如圖3所示)，并計算取向度。

教學意義：根據(jù)取向度的計算值(普通樣品的取向度為0，剪切樣品的取向度為0.57)，可知剪切場注塑的樣條比普通樣條具有更高的晶體取向度[7-8]。那么取向度增加是否為材料機械強度提升的唯一因素？在此引導學生思考下一個問題：結(jié)晶度高低是否可以提高機械強度？如何設計下一步實驗說明該問題？如此讓學生體會和了解系統(tǒng)性分析實驗結(jié)果的方法。同時將先進的二維XRD技術(shù)引入本科課教學實驗中，提升現(xiàn)有的本科實驗硬件水平。讓學生接觸到先進高端的實驗設備，有助于提高學生學習積極性，提升教學質(zhì)量。

圖3　普通樣品與剪切樣品040晶面衍射弧強度　　I (φ) 隨方位角φ變化的衍射強度

2.3實驗三：結(jié)晶度測試

教學目標：1)掌握結(jié)晶度測試基本方法；2)學會使用數(shù)據(jù)分析軟件標定材料的熔點以及熔融焓；3)掌握材料的整體結(jié)晶度計算方法。

教學內(nèi)容：1)演示儀器的基本構(gòu)造并講解實驗原理；2)利用軟件標出聚丙烯的熔點和熔融熱焓，根據(jù)實測熔融熱焓與標準熔融熱焓比值計算試樣結(jié)晶度，如圖4所示。

圖4　普通樣品與剪切樣品的熔融曲線

教學意義：將結(jié)晶度的變化與取向度的變化結(jié)合起來，綜合分析并判斷引起兩種樣品機械性能差距的可能因素，讓學生學會綜合分析實驗結(jié)果的方法。

總體預計成效：1)通過一條主線將性能測試、結(jié)構(gòu)表征實驗聯(lián)系起來，強化了實驗間的邏輯關(guān)系；2)在學習基本實驗技能和實驗理論的同時，讓學生領(lǐng)悟到邏輯思考實驗間關(guān)系、系統(tǒng)設計實驗的方法，培養(yǎng)學生綜合應用測試方法分析結(jié)果的能力，提升學生科研素養(yǎng)和科研能力；3)先進設備的引入讓學生有新鮮感，激發(fā)學生學習的熱情，開拓學生眼界。

3　結(jié)束語

實驗教學的目的不僅要掌握實驗技能，還要領(lǐng)會實驗表征方法間的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學生綜合分析問題、系統(tǒng)設計實驗驗證推論的能力。在這個宗旨下，將二維X射線衍射儀引入本科實驗教學，為聚合物材料性能與結(jié)構(gòu)表征課提供了核心的硬件技術(shù)平臺。通過與差示掃描量熱儀和拉伸實驗相結(jié)合，引導學生對比各種測試結(jié)果，找到材料機械性能與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，加強學生邏輯思考和系統(tǒng)設計實驗的能力，提升他們對實驗系統(tǒng)性和整體性的領(lǐng)悟。

[1]何曼君，陳維孝，董西俠.高分子物理(修訂版)[M].上海：復旦大學出版社，1990.

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Logically Built the Experimental Course of Polymer Structure and Mechanical Property

ZHOU Tiannan，YANG Changyue，CAI Xufu，Qian Zhiqi

(College of Polymer Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610000，China)

The X-ray diffractometer with 2D detector，the differential scanning calorimeter(DSC) and the materials testing machine were used for polymer crystal structure and mechanical property test.These experiments were combined by the relationship between the crystal structure and mechanical property，for developing students’ capacity of logical thinking skill and systematic designed experiment.It changed the traditional experimental model，built a clear relationship between experiments，and made the basic experiment change the comprehensive experimental.

X-ray diffractometer with 2D detector；structure and property；experimental course

2015-04-12；修改日期: 2015-05-12

周天楠(1985-)，女，博士，講師，主要從事高分子復合材料，納米復合材料方面的研究。

G642.0；TQ05

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.008