高分子物理教学法总结.ppt

高分子物理教学法总结,一、形象教学法,高分子物理课程与我们的日常生活密切相关，它其中包含的很多知识点与日常生活中的很多现象非常相像，而这些知识点却又非常抽象，单纯靠同学们的死记硬背达不到好的教学效果，如果以形象的比喻予以讲解，将收到极好的教学效果。,形象教学法的形象定义,课堂教学就像吃饭，课本上高度总结的知识就是我们平时吃的主食，必不可少；课本外的专业知识则是炒菜等副食，需要教师精心组织；为了活跃气氛而讲的笑话就像是炒菜时放的调料，主食、副食、调料等的搭配要合理。有的教师讲课照本宣科，听来索然乏味，就像吃饭只有主食；有的教师把课堂变成了插科打诨，气氛活跃，可是事后同学们觉得什么都没学到，也就是炒菜时放的油盐酱醋太多了。把课本中的知识用生活中形象的易于理解的东西表达出来，以形象的比拟来讲课，就是我们所说的“形象教学法”。,高分子物理形象教学法实例,1）高分子链柔顺性与分子量的关系在分子量较小时，高分子的柔顺性随分子量的增加而增加，但是到某一极限分子量以后，其柔顺性就和分子量几乎没有关系了，这正如日常生活中我们见到的钢筋，在比较短的时候，人们很难使其变形，随着长度的增加，这种变形发生的可能性越来越大，但是到一定长度以后，其变形性就和长度几乎没有关系了，这也形象地说明了小分子是刚性的，而高分子则是柔性的。,2）外力作用频率对聚合物的玻璃化转变温度的影响,外力作用频率增加，聚合物的玻璃化转变温度会升高，也就是说，在某一温度下增加外力作用频率，聚合物材料会从表观上表现得更硬。这样抽象的说明，学生很难理解，事实上我们联想一下跳水就会明白了，我们知道，水是非常柔性的，但是当你从高空落入水中，尤其是当不小心平躺着落入水中时，会感觉到水面很硬，飞鸟可以撞坏飞机，也是同样的道理。,3）高聚物的爬竿现象和流动时的取向现象,高聚物的熔体或者是浓溶液在搅拌是会发生顺着搅拌棒向上爬的现象，当我们把一些棉线投入水中后，搅拌时，棉线也会发生爬竿现象，其实熔体中或者浓溶液中的高分子链的构型就像一团棉线。同样在流动的河水中投入一团棉线后，顺着水流，棉线也会呈伸展状，发生取向排列。,4）聚合物材料的挤出胀大现象,聚合物在挤出时，会或多或少发生挤出胀大现象，这在高聚物挤塑成型时，对于模口的设计至关重要，如果要挤出圆形制品，自然模口设计成圆形即可，只不过是缩小了的圆形，但是要挤出矩形制品时，模口就不能设计成矩形，而应该设计成哑铃形，这就像我们吹气球，圆形的气球和矩形的气球都会吹成圆形,5）高聚物的粘弹性,高聚物区别于其他材料的最大特点是其粘弹性，由于高聚物分子运动的松弛时间正好我们能够用肉眼观察到，所以才表现出这些现象。其实任何分子运动都需要时间，只不过小分子的运动时间在10-9s数量级左右，我们肉眼无法观察到，可以认为是瞬时完成的，而有些运动的时间很长，如我们所见到的钟乳石是几十万年甚至更长时间运动的结果，水滴石穿、珠穆朗玛峰一直在增高等现象也是如此。,6）HDPE和LDPE的密度关系,低密度聚乙烯（LDPE）是用自由基聚合得到的，由于链转移而产生支化，就像是一颗颗枝叶繁茂的大树，要想使它们排列紧密，是非常困难的，因此其密度小。而高密度聚乙烯（HDPE）是由配位聚合得到的，立体规整性好，没有支化，就像一颗颗去掉枝叶的树干，很容易排列紧密，因此密度高。,7）为了避免因内部应力而发生的破坏聚合物制品要尽量设计成圆弧状，避免尖锐的直角,实际上，任何材料的制品，都尽可能设计成圆弧状，只不过高聚物材料的要求更高一些而已，这是自然界的一个规律，就像为人处事，处事圆滑的人往往能够成功，有棱有角的人就容易遇到挫折。我们看周围的路，转角处如果设计成直角，时间一长，就会发现转角处被踩成了弧形，如果种植草坪，转角处就是光秃秃的不毛之地。,9）聚合物的拉伸现象,不同玻璃态和结晶态高聚物的拉伸以及同一种高聚物在不同拉伸速度下的拉伸行为与人的跑步运动有惊人的相似之处。一般的人跑步时都在一定时间后出现极限现象，气喘吁吁，就像高聚物的屈服现象；熬过这一极限后，跑步就会变得轻松起来，这一时期可以很长，这就像聚合物屈服后的应力几乎不变，应变大幅度增加的冷拉现象；最终一直跑下去，人迟早会跑不动的，这就像拉伸的最后，高聚物发生了断裂一样。不同高聚物材料的拉伸就像是不同体质的人在跑步，体质很弱的人，到不了极限就跑不动了，相当于高聚物材料的脆性断裂，有的人出现极限后就坚持不住了，就像普通聚苯乙烯、有机玻璃的拉伸一样。,对于同一种材料在不同拉伸速度下的拉伸行为就好比一个人用不同的速度跑步一样，我们知道拉伸速度足够快时高聚物就会发生脆性断裂，就像一个跑万米的人，一开始就以百米速度奔跑，肯定坚持不到极限的出现就崩溃了。不同材料对抗这种拉伸速度的能力不一样，也恰如不同的人的耐力和速度不同一样，有的人跑万米的速度比别的人跑百米的速度还快，则是同样的道理。,二、综合分析法,高分子物理课程内容纷繁复杂，有很多头绪，如果我们能就人们熟知的某个问题就其所包含的高分子物理知识点进行相对独立而又相互关联的综合分析，就会起到事半功倍的教学效果。,教学实例由聚合物乳液的发展看高分子物理知识的综合运用,乳胶漆及其聚合物乳液的发展,乳胶漆是几乎所有人都用到过的用于家庭装修装饰用的水性涂料。它的发展经历了几个阶段，其生产工艺和配方中用到了很多高分子物理知识。,1、最早真正实现工业化生产的建筑用乳胶漆是白乳胶，它是以聚乙酸乙烯酯乳液为原料制备的，由于其光泽性和装饰性不好，内外墙装饰上基本已经被淘汰，后来出现了乙丙乳胶漆，是白乳胶的改性产品，也就是以乙酸乙烯酯和丙烯酸丁酯共聚得到，一定程度上改善了装饰性，但是配方调整的可能性很小。,1、醋酸乙烯酯乳液的发展,2、苯丙乳液、纯丙乳液的发展,后来出现了到现在仍然在广泛采用的苯丙乳液和纯丙乳液，前者是苯乙烯和丙烯酸丁酯的共聚物，主要用于内墙装饰，后者是甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯的共聚物，主要用于外墙装饰，在两种聚合物乳液的合成时还加入少量的功能单体丙烯酸或者甲基丙烯酸。苯丙乳液和纯丙乳液由两种性能差别明显的软硬单体共聚得到，配方灵活，光泽性好，装饰性强，为了改善其耐沾污性和耐久性，又出现了有机硅接枝改性的硅丙乳液,3、弹性乳液的发展,以上聚合物乳液均是热塑性的，其涂膜的性能严重受到温度的影响，容易出现夏天发粘，冬天发硬甚至出现裂纹、裂缝的现象，破坏了乳胶漆的装饰薄膜，使其逐渐失去对墙体等材料的保护作用甚至引起脱落损伤，基于为了改善这些热塑性材料性能的目的，出现了综合性能优异的弹性乳液，即在纯丙乳液或者硅丙乳液的基础上，通过内部或者外部交联，赋予这些乳液向硫化橡胶一样的弹性，大大改善了其综合性能。,高分子物理知识点分析,聚合物乳液经过三代改进，其中包含着很多高分子化学和高分子物理的知识的综合运用，下面就高分子物理的知识点加以分析。,1、高分子的结晶性及光学性能,之所以现在的聚合物乳液都由乙酸乙烯酯类改用了丙烯酸酯类或者苯乙烯，一个重要的原因就是丙烯酸酯类聚合物以及苯乙烯聚合物的高装饰性，这是由于它们的结晶性不强造成的，因为丙烯酸丁酯有一个庞大的酯基，苯乙烯上有一个庞大的苯环侧基，而甲基丙烯酸甲酯上有不对称取代的甲基和酯基，造成其结晶性很低，而结晶度的降低就造成其透明性的提高，因此这类聚合物乳液的光泽性高，装饰性好。,2、高分子链的柔顺性和玻璃化转变温度,乳胶漆用聚合物乳液的合成中采用了乙酸乙烯酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、有机硅单体等，按照高分子物理中影响聚合物柔顺性和玻璃化转变温度的因素来考虑，丙烯酸丁酯的侧基是柔性侧基，碳链越长，越柔顺，玻璃化转变温度越低，因此丙烯酸丁酯被称为“软”单体，而甲基丙烯酸甲酯上有不对称取代的甲基和酯基，苯乙烯上有庞大的苯环侧基，两者聚合物的刚性很大，玻璃化转变温度比较高，故称为“硬”单体，将它们与软单体复配，调节二者比例，就可以得到具有不同柔顺性或者玻璃化转变温度的聚合物乳液。,无规共聚物的柔顺性和玻璃化转变温度处于两种均聚物玻璃化转变温度之间。而玻璃化转变温度的高低又决定了聚合物乳液最低成膜温度的高低，这样在不同季节不同地方的气候条件下就可以通过简单的配方调整得到不同最低成膜温度的乳液。,而乙酸乙烯酯单体中的乙酰氧基团是中等极性的，不可调。在苯丙乳液和纯丙乳液的基础上对其进行有机硅改性，得到硅丙乳液，一方面是由于有机硅的高耐候性，另一方面是由于Si-O单键的高柔顺性，使得硅丙乳液涂膜本身就具有了一定的弹性。也是利用了共聚可以使高聚物兼具各均聚物的特点这一高分子物理的知识点。,3、极性和非极性高分子的性质,乙酸乙烯酯聚合物具有中等极性，而苯乙烯是弱极性单体，丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯的极性也不大，有机硅单体的极性更弱，这样苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液以及弹性乳液的极性都较弱，这样的聚合物在涂膜后固然具有较好的耐水性和耐擦洗性，但是它们在不同基体上的附着力不好，造成易于剥落，因此在这些乳液的合成过程中都加少量的丙烯酸或者甲基丙烯酸等极性单体，以达到耐水性和附着力的完美统一，而在白乳胶的合成中，则不需要加入丙烯酸等极性单体。,4、聚电解质的粘度,聚电解质在水溶液中具有低浓高粘的特点，由于电离作用，高分子链上带有相同的电荷，相互排斥造成高分子链构象由无规线团状变成伸展状，粘度大增。在聚合物水乳液中，虽然其粘度特性不能完全等同于其在水溶液中，但是其低浓高粘的趋势也是存在的，在各种聚合物乳液合成的后阶段降温出料前，都要进行氨水中和反应，粘度就会大增。这从另一方面说明高粘度并不代表高浓度，也就是说我们不能简单由乳胶漆的粘度判断其有效物含量高低，甚至达到其质量的高低，有些不法商人甚至人为增加丙烯酸或者甲基丙烯酸的用量，而大幅度降低其他单体的含量，以达到非法牟利的目的。,5、橡胶的弹性,苯丙乳液和纯丙乳液的主要成分都是热塑性的塑料，难免出现夏天发软甚至发粘，冬天发硬甚至出现微裂纹，直至遭到破坏的问题。这就需要严格控制软硬单体的配比，弹性乳液就是这样应运而生的。我们知道具有弹性的聚合物材料就是橡胶，需要用柔性的高分子材料，并经过硫化交联以后才能获得弹性，否则就会产生永久性的变形。而弹性乳液就是在苯丙乳液或者纯丙乳液的配方基础上，增加软单体即丙烯酸丁酯的含量来实现柔性的目的，然后通过内交联或外交联的形式获得弹性，实现了装饰性、弹性、附着力等性能的完美结合，而交联的高分子不溶不熔，因此其耐水性也得到显著提高。,三、专题讲座和课外知识,前已述及，高分子物理与高分子材料的应用以及我们的日常生活息息相关，我们选取了十个与高分子物理知识相关的百姓民生问题或者科技发展问题以专题讲座的形式辅助课堂教学，并将一些高分子科学家或者高分子材料的课外知识以小资料的形式丰富了课堂教学内容。,四、与其他尤其是高分子化学课程的衔接,高分子物理不是孤立的一门课程，它与高分子化学等密切相关，在课堂教学中时刻注意二者的衔接，如讲到共聚物的熔点，就提示同学们思考如何制备各种类型的缩聚和加聚共聚物；讲到聚合物粘度与分子量的关系，就提示同学们利用这一关系去分析自由基聚合反应的自动加速现象，而缩聚反应为什么不出现这种现象。,五、精选习题并辅以思路,习题的选择是宁缺毋滥，并针对章节内容的重点，习题一般不给出全面的答案，而是只给予答题思路和启示。,一、已发表论文1、高分子物理课程中影响高分子柔顺性因素的教学实践，高分子通报，2010，4：712、