孔令乾　楊洪芳

摘要：為提高《高分子材料與紡絲技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程的授課效果，在其實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)聚乙烯醇的縮醛反應(yīng)、銅氨纖維的制備、纖維素的水解和纖維的鍍銀等實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)所用材料是該課程主講的高分子材料，直接使用這些材料有助于學(xué)生掌握其理化性能。另外，在實(shí)驗(yàn)的完成過(guò)程中有部分操作可看作模擬紡絲，對(duì)學(xué)生理解紡絲技術(shù)有促進(jìn)作用。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比讓學(xué)生操作大型的紡絲設(shè)備更能讓學(xué)生明白高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能與紡絲技術(shù)之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：非織造材料與工程；實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)；紡絲技術(shù)；高分子材料

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）27-0259-02

一、引言

非織造材料又被稱為非織造織物、無(wú)紡織物和非織造布等，是我國(guó)戰(zhàn)略性新興纖維材料的重要組成部分[1，2]。近年來(lái)，各種新型纖維和差別化纖維的不斷研發(fā)極大地豐富了非織造材料的產(chǎn)品類型，其附加值和效益也越來(lái)越高。非織造材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、環(huán)境、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、水利工程、土木建筑等領(lǐng)域[3]。高分子材料如化學(xué)纖維、塑料、橡膠、涂料和黏合劑等已隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防工業(yè)和高科技領(lǐng)域不可缺少的材料[4，5]?；瘜W(xué)纖維是高分子材料的重要組成部分，同時(shí)也是非織造材料的重要原料。高分子材料的結(jié)構(gòu)決定其性能，對(duì)結(jié)構(gòu)的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料。高分子材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和易改性、易加工的特點(diǎn)，使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優(yōu)異性能。學(xué)好高分子材料的相關(guān)知識(shí)對(duì)非織造材料與工程專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)至關(guān)重要?！陡叻肿硬牧吓c紡絲技術(shù)》課程是非織造材料與工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，主要開(kāi)設(shè)在二年級(jí)第四學(xué)期。學(xué)好本門課程有助于學(xué)生了解和掌握各種高分子材料的特點(diǎn)及其紡絲技術(shù)，對(duì)以后工作中的技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)及生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。因此本課程在教學(xué)中舉足輕重。課程的主要內(nèi)容是講解聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚氨酯纖維和再生纖維素纖維等纖維的結(jié)構(gòu)、性能及其紡絲工藝和紡絲方法，另外對(duì)常規(guī)纖維的改性也有涉及。其中聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚氨酯纖維和再生纖維素纖維的結(jié)構(gòu)與性能是本門課的關(guān)鍵點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)于高分子材料來(lái)說(shuō)，官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)決定其性能，而其性能又決定了該材料在紡絲時(shí)具體是采用熔體紡絲還是溶液紡絲，是干法紡絲還是濕法紡絲，其具體工藝該如何選擇?？梢?jiàn)高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能在本門課程的知識(shí)體系中具有重要地位，在《高分子材料與紡絲技術(shù)》課程中有8個(gè)課時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，但是目前國(guó)內(nèi)關(guān)于這8個(gè)課時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)如何開(kāi)設(shè)、怎么開(kāi)設(shè)都沒(méi)有明確的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在對(duì)于《高分子材料與紡絲技術(shù)》課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)大都重視紡絲技術(shù)，即把開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)都集中在向?qū)W生演示大型紡絲儀器的運(yùn)行或者讓學(xué)生們自己操作。但是這樣開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)的話跟紡織工程專業(yè)的區(qū)別不大，沒(méi)有體現(xiàn)出高分子材料在非織造材料與工程專業(yè)中的重要性和特殊性。鑒于高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能在本門課程的重要性，本人認(rèn)為在開(kāi)設(shè)這8個(gè)課時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該把如何讓學(xué)生掌握高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能放在首位。通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生們認(rèn)識(shí)和了解高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能與纖維的成型及改性之間的關(guān)系。

二、開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（一）聚乙烯醇的縮醛反應(yīng)

聚乙烯醇可溶解于水，水溫越高溶解度越大，對(duì)于部分聚乙烯醇加熱到65℃—75℃即可完全溶解于水。這種溶解于水的性能嚴(yán)重限制了其應(yīng)用，為改善其耐水性能，一般讓聚乙烯醇進(jìn)行縮醛反應(yīng)。聚乙烯醇可以與醛類（甲醛、乙醛、丁醛）進(jìn)行縮醛反應(yīng)，生成六元環(huán)縮醛結(jié)構(gòu)。聚乙烯醇縮甲醛是由聚乙烯醇相鄰的羥基之間與甲醛作用，生成1，3—二氧六環(huán)的環(huán)狀物。生成聚乙烯醇縮醛后其耐水性能明顯提高。

（二）銅氨纖維的制備

銅氨纖維是一種新型纖維素纖維，具有清爽、抗靜電、垂墜等性能，所以也是一種價(jià)格昂貴的纖維。其簡(jiǎn)易制備過(guò)程如下：將脫脂棉等纖維素原料溶解在氫氧化銅的濃氨溶液內(nèi)配成紡絲液，在堿溶液的凝固浴中紡絲成形，再在2—3%的硫酸溶液內(nèi)再生出纖維素。生成的水合纖維素，經(jīng)后加工即得到銅氨纖維。其廢棄物容易分解，符合生態(tài)環(huán)保要求。

（三）纖維素的水解

纖維素在一定溫度和酸性催化劑條件下，發(fā)生水解，最終生成葡萄糖。葡萄糖分子中含有醛基，故具有較強(qiáng)的還原性，在堿性條件下能將新制得的氫氧化銅還原為紅色的Cu2O沉淀；也能和銀氨溶液發(fā)生銀鏡反應(yīng)?？捎眠@兩種方法鑒別纖維素是否水解。

（四）纖維的鍍銀

鍍銀纖維的基材一般采用的是合成纖維，因表面鍍了一層純銀而具有銀的天然金屬光澤。金屬銀在所有金屬中導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能最強(qiáng)，是最有效的儲(chǔ)存及反射材質(zhì)?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)界認(rèn)為銀具有非常有效的廣譜抗菌性，目前尚未發(fā)現(xiàn)任何人體對(duì)純銀產(chǎn)生過(guò)敏的報(bào)告。鍍銀纖維因此具有良好的抗菌除臭、熱傳導(dǎo)、熱反射、抗靜電、防輻射等功能。讓學(xué)生學(xué)習(xí)纖維鍍銀對(duì)它們掌握纖維的改性思路和方法有幫助。

三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

第一，課堂講授時(shí)學(xué)生們對(duì)可以溶解于水的纖維非常感興趣，因?yàn)樯钪泻茈y遇到以前也沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)。但是同時(shí)也對(duì)這種纖維存在的意義產(chǎn)生了懷疑，認(rèn)為這種纖維無(wú)法在日常生活中使用，也迫切想知道改善其耐水性能的方法。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們可親自觀察聚乙烯醇溶解于水的過(guò)程，進(jìn)一步明白聚乙烯醇的結(jié)構(gòu)和其縮醛后耐水性能提高的原因。

第二，銅氨纖維作為一種價(jià)格較貴的纖維，同學(xué)們?cè)谌粘Ｉ钪胁⒉怀Ｒ?jiàn)，即使拿樣品給學(xué)生看仍無(wú)法消除他們對(duì)銅氨纖維的距離感和陌生。讓學(xué)生自己合成銅氨纖維則可以拉近銅氨纖維與他們之間的距離。實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及到銅氨溶液的制備、脫脂棉的溶解和紡絲成型等主要試驗(yàn)環(huán)節(jié)。銅氨溶液的制備是要求學(xué)生嚴(yán)格把控硫酸銅和氫氧化鈉的比例，氫氧化鈉一旦過(guò)量則實(shí)驗(yàn)失敗。脫脂棉的溶解過(guò)程可直接驗(yàn)證上一過(guò)程氫氧化鈉是否過(guò)量，過(guò)量則脫脂棉不溶解。通過(guò)這兩步可以讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹匾浴＜徑z成型可采用模擬紡絲，用注射器將銅氨纖維素溶液推入NaOH溶液即可形成長(zhǎng)絲，推入速度的快慢和NaOH溶液的濃度跟長(zhǎng)絲的粗細(xì)有直接關(guān)系。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生的感受更直接也更能聯(lián)系和理解學(xué)過(guò)的理論知識(shí)。

第三，再生纖維素纖維是《高分子材料與紡絲技術(shù)》課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。纖維素的水解是制備再生纖維素纖維的關(guān)鍵。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生進(jìn)一步明白纖維素的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能。也可以讓學(xué)生自己用多種方法證明纖維素的單元就是葡萄糖，這比老師在課堂上講授要印象深刻。

第四，《高分子材料與紡絲技術(shù)》課程也涉及到一些新型纖維的制備及改性。基于此設(shè)計(jì)了纖維的鍍銀試驗(yàn)。在本試驗(yàn)中給學(xué)生提供多種纖維（玻璃纖維、碳纖維和聚酯纖維等），學(xué)生可以自己選擇纖維進(jìn)行試驗(yàn)然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋。

四、教學(xué)效果

高分子材料的結(jié)構(gòu)決定其性能，對(duì)結(jié)構(gòu)的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料。通過(guò)“聚乙烯醇的縮醛反應(yīng)”、“銅氨纖維的制備”、“纖維素的水解”和“纖維寫的鍍銀”等實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生對(duì)高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能與纖維的成型及改性之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭秉臣，王山英，曾鵬程，歐鵬.我國(guó)非織造工業(yè)的技術(shù)提升和發(fā)展[J].產(chǎn)業(yè)用紡織，2012，（5）：1-4.

[2]趙博.《非織造技術(shù)》課程建設(shè)實(shí)踐與教學(xué)改革探索[J].紡織教育，2017，（5）：91-93.