常州工程职院高分子物理教案29四种用途高吸水性高分子材料的分析、选择、改性

项目 29 教学中的必要准备内容项目 29《四种用途高吸水性高分子材料的分析、选择、改性》具体任务第一组：请为婴儿尿布的生产选择合适的高分子材料；第二组：请为土壤保湿材料的生产选择合适的高分子材料；第三组：请为水果保鲜材料的生产选择合适的高分子材料；第四组：请为防止建筑物潮湿、结霜材料的生产选择合适的高分子材料。高吸水性塑料一、高吸水性塑料的特点传统的吸水性材料为棉、纸及海绵等，其吸水能力一般只用自重的 20 倍以下，且保水性不好，稍微加压即可挤出。高吸水性塑料为分子中含有轻基等强吸水基团并具有一定交联度的功能性高分子材料。从其定义中可以看出，高吸水性塑料必须具备两个条件:一是分子内含有大量的强吸水性基团，二是大分子链之间必须有适当的交联度。高吸水性塑料的吸水特点如下。 (1)吸水率高高吸水性塑料最高可吸收自重千倍以上的水分，通常其吸水率为 100～1000 范围内，如此高的吸水率是其他任何材料达不到的。 (2)保水性好高吸水性塑料具有优异的保水性能，即其吸人的水加压也不易挤出。这主要是因为高吸水性塑料的吸水机理与传统吸水材料不同，水分子同大分子链之间不是简单的物理吸附，而是与大分子中的羟基形成氢键，并变成高分子凝胶。高吸水性塑料的保水性与纸浆比较如表 29­1 所示。表 29­1 不同吸水材料的保水性吸水率/% 吸水材料 0 4.5MPa 16MPa 塑料纸浆 500 18 4302 3801 (3)与人体相容性好高吸水性塑料吸水后在适度交联的三维空间中含有大量水，这与人体的生物组织十分接近，具有优良的溶质透过性、组织适应性及抗血栓性，本身又柔软适度。因此，在与人体接触时，具有极好的生理相容性，适用于制作与人体接触的吸水材料。 (4)吸氨性好高吸水性塑料是含有羟基的阴离子聚合物，适当调节其 pH 值，使部分羟基呈酸性即可吸氨，从而使其具有除臭的特点，非常适用于制作卫生巾和尿布。高吸水性塑料最早于 1975 年由美国谷物加工公司开发，其品种为淀粉接枝丙烯腈共聚物。由此引起人们对高吸水性塑料的广泛关注，并相继开发出许多品种，性能得到不断改进。目前，高吸水性塑料已成功地应用于婴儿尿布、妇女卫生巾、农业、园艺及建筑中。二、常用的高吸水性塑料常用的吸水性塑料包括：天然高分子改性材料、聚丙烯酸系列材料、聚丙烯腈系列材料、聚乙烯醇系列材料及其他吸水材料等，具体介绍如下。 1、天然高分子改性吸水塑料天然高分子材料有淀粉、纤维素等。 (1)天然高分子接枝改性吸水材料淀粉接枝改性吸水材料这是最早开发的高吸水性塑料材料。常用的品种为淀粉接枝丙烯腈共聚物，其缺点为耐热性不好，长期保水性也不高。纤维素接枝吸水材料纤维素可与丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸及氯乙酸等接枝制成高吸水性材料。例如，纤维素与氯乙酸的接枝共聚物进行交联后即为纤维素吸水材料 CML，它吸水性虽不高，但成纤性好。 (2)天然高分子羧甲基化吸水材料纤维素、淀粉等多糖类高分子材料中的羟基经过羧甲基化改性后，即可制成高吸水性塑料，其中以纤维素类最为常用。例如，用羧甲基置换度为 0.6 左右的纤维素，加热交联或用环氧氯丙烯、乙二醇二缩水甘油醚等交联剂交联可制成高吸水性塑料。再如，将淀粉在环氧氯丙烷中预先交联，再将交联物羟甲基化，便得到高吸水性塑料。 2、聚丙烯酸系列高吸水性塑料聚丙烯酸盐和聚丙烯酸酯都可制成高吸水性塑料，这类吸水性材料的吸水能力强、无毒、无刺激性气味，可用于①婴儿尿布。例如，聚丙烯酸盐的最大吸水率可达到1200 倍。再如，甲基丙烯酸甲酯和乙酸乙烯的共聚物在加压下水解，转变成羧基和羟基，可制备成高吸水性塑料，其吸水性和保水性都很高。又如，以非离子型酰胺基为亲水基，用丙烯酰胺与丙烯酸钡共聚并交联，可制成高吸水性塑料。 3、聚丙烯腈系列高吸水性塑料在纯聚丙烯腈中加入磺酸基单体进行交联处理，可得到高效率水性塑料。用丙烯腈与乙酸乙烯共聚，将共聚物纺丝后用碱加水分解也能得到纤维状高吸水性材料。 4、聚乙烯醇系列高吸水性塑料用聚乙烯醇与粉状酸酐如马来酸酐或苯酐等反应，可制成聚乙烯醇系高吸水性材料。 5、其他高吸水性塑料 (1)聚环氧乙烯吸水塑料将聚环氧乙烯进行交联处理后，即可得到几十倍吸水率的高吸水性塑料。 (2)异丁烯顺酐吸水性塑料将异丁烯与顺酐进行共聚，然后再交联处理。即可得到吸水性塑料，其耐热和耐候性好。 (3)乙酸乙烯/顺丁烯二酸酯共聚物吸水性塑料乙酸乙烯与顺丁烯二酸醋共聚物经皂化处理可制成吸水性塑料。三、高吸水性塑料的应用目前，高吸水性塑料的应用已越来越广泛，主要应用在如下几个方面。 (1)卫生及医用方面在卫生方面，已广泛应用在妇女卫生巾、婴儿尿布材料；在医用方面，可用于医疗包扎带，高吸水树脂凝胶，还可作为抗血栓材料，消炎止痛膏的凝化剂。 (2)农林、园艺方面用作土壤保水剂，可在土壤多水时吸收大量的水分;当土壤干旱时，它释放出水。在土壤中添加 0.3%，即能提高土壤的保墒能力，尤其适用于沙漠地区。用作苗木移植的保水材料，可提高成活率。用作液体播种材料，包覆种子，可提高发芽率。 (3)食品方面可用于水果和蔬菜的保鲜剂，延长其储藏期。用于保冷剂和蓄冷剂，延长冷冻时间。 (4)建筑方面掺人涂料，可制成防潮防结霜的墙面涂料，用于澡堂、食堂等潮湿的场合。用作钻井灌浆的稠浆剂、防止钻井时，地下泥浆外溢。用作污泥固化剂，与污泥混合后，加速污泥凝胶化，利于泥浆的清除。加入水泥中，可吸收碱性析出水防止水泥地面产生裂缝、麻点和白化等。在隧道中使用高吸水性材料，可防止地下水流人隧道。二、相关知识高聚物的溶解、聚电解质教案本次课标题：项目 29 四种用途高吸水性高分子材料的分析、选择、改性复合材料 0611 1 周 9月 13日第 3,4 节多 B­410 授课班级上课时间周月日第节上课地点教学目的通过对项目 29 所涉及到四种用途高吸水性高分子材料的分析、选择、改性的整个实施过程，使学生进一步了解并掌握完成一个完整项目的每个细节，逐步形成实施每个细节过程的能力，最终达到根据产品需要对高分子材料进行合理分析、合理选择、合理改性的总能力；进而结合学生所选择出来的材料从理论上归纳、总结与高分子物理的研究对象直接相关的结构与性能的关系；同时在完成项目过程中对课程整体方案所规定的拓展能力进行初步的锻炼。能力（技能）目标知识目标素质目标教学目标能根据不同吸水要求，合理的选择高分子材料；并能合理的分析所选择材料的结构、性能；如果不能直接选择到合适材料时，能提出合理的改进意见与方案。被选用的高分子材料的主要结构特征、主要性能及应用范围。其中第29个项目重点学习增加高分子吸水性能的知识。初步建立良好的学习方法；资料收集的方法；处理问题的方法；团队合作的意识；用户至上的意识；安全环保意识；表述与合理辩解能力。重点难点及解决方法重点：通过项目 29 六个任务的实施过程，培养并实现能力目标难点：对学生而言是项目 29 六个任务的完整实施过程，进一步熟悉过程的每个细节的能力。解决方案: 利用现代教学手段展示吸水高分子材料制品的图片，以增加学生的感性认识；提前向学生提供由指导教师准备好的相关素材，并介绍可以参考的资料及资源；对重点部分内容，先由学生探索、讨论，再找出问题，帮助学生整理思路，提供可参考的处理方法、相关的格式；对难点部分内容，提供可参考的完整过程的环节(或步骤)，进一步思考每环节主要做什么？怎么做？怎么做更好？参考资料教材《高分子物理》侯文顺杨宗伟化学工业出版社 2006 年《高分子物理课程改革素材》(自编材料)侯文顺 2007 年 8 月其他的资料：《高聚物生产技术》侯文顺高等教育出版社（十一五规划教材）2007；《高分子材料分析与测试》潘文群化学工业出版社 2005；《高分子材料改性》戚亚光薛叙明化学工业出版社 2005；《橡胶材料与配方》聂垣凯化学工业出版社 2004；《高聚物结构、性能与测试》焦剑雷渭媛 2003；《塑料材料的选用》王文广化学工业出版社 2002；《高分子材料》高俊刚李源勋化学工业出版社 2002；《塑料材料与配方》桑永化学工业出版社 2001 工具与材料多媒体教学系统；专业专用计算机网络系统；常用吸水高分子制品所用树脂原料；性能检测专业仪器设备。步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）向学生介绍本此课程的教学内容、教学目标及分解后的能力目标、知识目标、素质目标口述多媒体展示自由发言引入（任务项目）建立项目教学情景：与学生班长(复合材料 0611 集团总经理)、各任务组长(各子项目执行经理)签定总项目协议书；对项目 29 的六个任务进行解释，并由班长分配各组具体承担的任务。注：上述两个教学过程，一般利用前一次课程最后的 5～10min完成。口述引导设疑答疑多媒体展示自由发言 5～10 min 操练（掌握初步或基本能力）总经理向项目委托方代表(教师)介绍任务分配情况；并说明完成情况，完成时的一个最大问题(或难点)；同时确定汇报顺序。各子项目执行经理征求最后一次组内人员进行将要汇报结果的改进意见。如没有意见则直接进入汇报环节。第一组汇报人介绍完成情况，最终确定结果，相应的确定依据(资料、标准、实验测试)，完成过程的程序，所选吸水高分子材料的结构与性能，组内人员的各自情况与合作情况(最后合作评价分由任务汇报人确定)。第二组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第三组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第四组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第五组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第六组汇报人∙∙∙∙∙∙ 由项目委托方代表对第一个项目中的六个任的完成情况进行逐一评议、考核、打分；同时在每一组中任选一人进行局部核实。指导教师，针对项目 29 中所选择出来的高分子材料主要进行有关增加高分子材料吸水性能的知识。引导实际查找归纳总结由浅入深由简到繁考评多媒体展示配合多媒体课件配合组内代表发言；组内人员补充发言；学生个别发言 45 min 20min 深化（加深对基本能力的体会）“沙塻治理”否定设疑多媒体展示提问与讨论 5归纳（知识能力和素质）通过项目 29的实施过程总结的知识为：高分子材料吸水性能。能力为任务本身的分析能力，现有成型产品的使用借鉴能力，过程实施能力，各环节的把握技能，项目完成的程序、方法；素质为前文所列。引导归纳多媒体展示学生提问 5 训练巩固拓展检验各任务组内容进行交叉再审核(必要时可以再补充、修改)；引导归纳多媒体展示，板书提问与讨论 5 总结主要总结项目过程存在的问题，并提出个性调整的建议；其次要肯定学生的参与意识；表扬优秀学生。口述 4 作业提交最后的项目(或任务)完成报告(下一次上课前) 口述 1 课后体会