周天楠，楊昌躍，蔡緒福，錢祉祺

(四川大學(xué)　高分子科學(xué)與工程學(xué)院，成都　610000)

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邏輯化建設(shè)聚合物材料結(jié)構(gòu)與性能本科實(shí)驗(yàn)

周天楠，楊昌躍，蔡緒福，錢祉祺

(四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)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(cè)量技術(shù)和拉伸測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)的高分子材料結(jié)構(gòu)性能表征實(shí)驗(yàn)。通過性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系這條主線將3個(gè)實(shí)驗(yàn)邏輯地串聯(lián)起來，經(jīng)過結(jié)果對(duì)比、理論分析和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)步驟，向?qū)W生傳授邏輯性思考和系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法。打破了傳統(tǒng)單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，建立明晰的實(shí)驗(yàn)邏輯關(guān)系，起到培養(yǎng)學(xué)生邏輯性思考，系統(tǒng)性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

二維X-射線衍射儀；結(jié)構(gòu)與性能；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

獨(dú)立的高分子材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)計(jì)目前已經(jīng)相當(dāng)完善。以材料性能、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，下設(shè)機(jī)械性能、沖擊性能、結(jié)晶結(jié)構(gòu)表征以及結(jié)晶度測(cè)試等獨(dú)立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。雖能充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力和數(shù)據(jù)分析能力，但缺乏訓(xùn)練學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)間邏輯關(guān)系能力的培養(yǎng)，學(xué)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(shí)驗(yàn)邏輯化地串聯(lián)成為一體，建立以實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ)，對(duì)比研究為方法，提升綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果能力為宗旨的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅讓學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)操作技能，而且能更好地領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)間的相互關(guān)系，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生邏輯思考、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，實(shí)現(xiàn)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(huì)受到具有梯度分布的剪切應(yīng)力場(chǎng)作用，在該作用力下高分子鏈、高分子鏈段以及微晶區(qū)會(huì)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(xué)鍵數(shù)目增加，材料在該方向上抗拉強(qiáng)度大幅度提高[2-3]。在動(dòng)力學(xué)上，取向后的高分子鏈段更容易排入晶格形成晶體。對(duì)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(jī)械性能[4]。所以在高分子材料性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jī)械性能實(shí)驗(yàn)貫穿起來顯得尤為必要。不僅讓學(xué)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(xué)生邏輯分析和解決問題的能力。

傳統(tǒng)的測(cè)試高分子材料取向度的實(shí)驗(yàn)采用一維X-射線衍射儀(閃爍計(jì)數(shù)器為信號(hào)采集器)的方法，由于操作比較復(fù)雜、數(shù)據(jù)信號(hào)不直觀、耗時(shí)長(zhǎng)(約30 min)[5]，在教學(xué)實(shí)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(cè)器)具有測(cè)試時(shí)間短(30～180 s)，信息全面且直觀的特點(diǎn)滿足了本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件要求，也為實(shí)驗(yàn)改革提供了可行性。本文根據(jù)加工過程對(duì)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的思路對(duì)傳統(tǒng)的高分子材料結(jié)構(gòu)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革。

1　實(shí)驗(yàn)方案

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

注塑樣品機(jī)械性能由微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，拉伸速度為5 mm/min。根據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和楊氏模量等信息。

設(shè)備包含：X-射線衍射儀(XRD)(Bruker D8 Discover)；二維面探測(cè)器(VANTEC-500)；光源為銅靶，X-射線波長(zhǎng)為1.540×1010m。

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

差示掃描量熱儀(DSC)：樣品質(zhì)量5 mg。

結(jié)晶度測(cè)試：在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下以10℃/mm速率將樣品升溫至200℃，測(cè)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(chǎng)價(jià)格堅(jiān)挺，部分地區(qū)價(jià)格繼續(xù)小幅上調(diào)；天然氣方面，價(jià)格持續(xù)上漲；液氨方面，尿素價(jià)格上漲帶動(dòng)液氨價(jià)格有所上行，但需求有所減少，未來價(jià)格可能下行。

1.2樣品制備

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

對(duì)樣條(每組5根樣條)進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試并計(jì)算得試樣機(jī)械性能的平均值后；再進(jìn)行取向度和結(jié)晶度的表征，測(cè)試位置如圖1所示。

圖1　制樣及表征位置示意圖

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排

本實(shí)驗(yàn)由3組實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，每組實(shí)驗(yàn)安排3個(gè)學(xué)時(shí)分別用于講授理論知識(shí)、數(shù)據(jù)處理方法，訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際操作和綜合分析數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)總體目標(biāo)為學(xué)會(huì)拉伸性能測(cè)試和兩種結(jié)構(gòu)表征方法，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)一：材料機(jī)械性能測(cè)試

教學(xué)目標(biāo)：1)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的材料拉伸性能測(cè)試以及數(shù)據(jù)處理方法；2)通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析可能原因并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

教學(xué)內(nèi)容：1)測(cè)定普通樣條和剪切樣條各自的應(yīng)力應(yīng)變曲線；2)講解曲線不同區(qū)域的含義，并標(biāo)定屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，對(duì)曲線彈性形變區(qū)域(如圖2虛線所示)進(jìn)行線性擬合并求導(dǎo)得樣條的楊氏模量。

圖2　剪切樣品與普通樣品的應(yīng)力應(yīng)變(Stress-Strain)曲線

教學(xué)意義：通過分析樣條應(yīng)力應(yīng)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(qiáng)度和儲(chǔ)能模量。向?qū)W生提出本實(shí)驗(yàn)體系需要解決的核心問題：剪切流動(dòng)場(chǎng)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(qiáng)的材料，結(jié)晶度和晶區(qū)形態(tài)的改變是否對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響？如果想證明上述推斷應(yīng)該設(shè)計(jì)哪些表征實(shí)驗(yàn)？

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到更多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)會(huì)思考影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多種可能原因。培養(yǎng)學(xué)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(xué)生理解理論知識(shí)和綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力。

2.2實(shí)驗(yàn)二：二維XRD表征聚合物取向情況

教學(xué)目標(biāo)：1)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的XRD衍射理論，理解衍射環(huán)所反應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息；2)掌握取向度計(jì)算方法。

教學(xué)內(nèi)容：1)講解基礎(chǔ)的XRD衍射原理，了解二維XRD在測(cè)試高聚物取向結(jié)構(gòu)中的重要性；2)學(xué)習(xí)專業(yè)分析軟件計(jì)算衍射環(huán)對(duì)應(yīng)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(qiáng)度隨方位角φ變化的方法(如圖3所示)，并計(jì)算取向度。

教學(xué)意義：根據(jù)取向度的計(jì)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(chǎng)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(jī)械強(qiáng)度提升的唯一因素？在此引導(dǎo)學(xué)生思考下一個(gè)問題：結(jié)晶度高低是否可以提高機(jī)械強(qiáng)度？如何設(shè)計(jì)下一步實(shí)驗(yàn)說明該問題？如此讓學(xué)生體會(huì)和了解系統(tǒng)性分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法。同時(shí)將先進(jìn)的二維XRD技術(shù)引入本科課教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，提升現(xiàn)有的本科實(shí)驗(yàn)硬件水平。讓學(xué)生接觸到先進(jìn)高端的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提升教學(xué)質(zhì)量。

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

2.3實(shí)驗(yàn)三：結(jié)晶度測(cè)試

教學(xué)目標(biāo)：1)掌握結(jié)晶度測(cè)試基本方法；2)學(xué)會(huì)使用數(shù)據(jù)分析軟件標(biāo)定材料的熔點(diǎn)以及熔融焓；3)掌握材料的整體結(jié)晶度計(jì)算方法。

教學(xué)內(nèi)容：1)演示儀器的基本構(gòu)造并講解實(shí)驗(yàn)原理；2)利用軟件標(biāo)出聚丙烯的熔點(diǎn)和熔融熱焓，根據(jù)實(shí)測(cè)熔融熱焓與標(biāo)準(zhǔn)熔融熱焓比值計(jì)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(xué)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(jī)械性能差距的可能因素，讓學(xué)生學(xué)會(huì)綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法。

總體預(yù)計(jì)成效：1)通過一條主線將性能測(cè)試、結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)間的邏輯關(guān)系；2)在學(xué)習(xí)基本實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)理論的同時(shí)，讓學(xué)生領(lǐng)悟到邏輯思考實(shí)驗(yàn)間關(guān)系、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用測(cè)試方法分析結(jié)果的能力，提升學(xué)生科研素養(yǎng)和科研能力；3)先進(jìn)設(shè)備的引入讓學(xué)生有新鮮感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，開拓學(xué)生眼界。

3　結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的不僅要掌握實(shí)驗(yàn)技能，還要領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)表征方法間的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推論的能力。在這個(gè)宗旨下，將二維X射線衍射儀引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，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(tái)。通過與差示掃描量熱儀和拉伸實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比各種測(cè)試結(jié)果，找到材料機(jī)械性能與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，加強(qiáng)學(xué)生邏輯思考和系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，提升他們對(duì)實(shí)驗(yàn)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(fù)旦大學(xué)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(fù)合材料，納米復(fù)合材料方面的研究。

G642.0；TQ05

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.008