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关键词:功能高分子材料;纳米技术;可生物降解;
高分子材料早已经渗透到。我们人类生活的方方面面,在日常生活处处。都有着重要的应用。所以我们每个人都。对于高分子材料不陌生。它又叫聚合物材料,通常指的是无数个小分子化合物再通过化学键,形成的大分子化合物。生活里可见的聚合物材料主要有合成橡胶、合成塑料、合成纤维这三种。到上世纪六十年代左右,这些聚合物材料已经可以用来制造衣服、日常用品及各种工业材料,满足相关行业的需求。在未来,高分子材料主要运用领域分别是:纳米高分子材料复合应用、高分子材料功能化、生物可降解高分子材料开发。以及航天工业领域应用。
一、高分子材料功能化发展
功能高分子材料是一种聚合物大分子,它大多来自于半人工及人工合成的高分子材料。它与一般的聚合物有很大的不同,在化学性质及物理性能上都发生了很大的变化,主要是增加了一些光学、电学等方面的特殊功能。在高分子研究中,有一个特殊领域,就是功能高分子,也就是那些数量甚微、作用特别、性能独特却是运用新技术时必不可少的高分子材料。
随着科技的进步,以及社会经济的发展,新能源开发、交通和航天技术、微电子技术、生物医药等多个领域都如雨后春笋般蓬勃发展,这些领域的发展离不开功能高分子材料这个重要的基础。
在功能设计方面,高分子材料的主要作用是:
1)用分子设计来合成新的功能。如研制非晶质光盘(APO);
2)以特别加工来增添材料功能特性。如功能高分子膜和塑料光纤;
3)用两种或两种以上性能不同或者功能各异的材料,加以复合之后形成新材料所具有的功能,如EMI/RFI屏蔽导电、塑料、高分子磁性体和复合层积复合填料;
4)对材料的表面进行处理,从而让材料具备新功能,如EMI/RFI屏蔽导电塑料、表面处理法。
功能设计,这一理论在所有功能高分子材料领域内都得到了运用,这自然也同其材料的研究方向紧密相关。在生物医药上,有研究者利用电化学反应,模仿自然骨的成分及其产生过程,让胶原通过微环境及反应动力,实现分子自组装和矿化,最终获得有关成份、骨组织及其结构。利用相似度极高的生物活性涂层以及调控生物活性因子促进骨的生长。这种技术可以提高医用移植体相关材料的生物活性,从而可以加速治好患病的骨骼。
由于功能高分子材质具备与众不同的出色作用,它可以替换许多功能材料,并可以通过功能高分子材质来改善其他材料的性能,让其变成一种全新的功能材料。有鉴于此,功能高分子材料及特种高分子材料在国内外相关领域内受到越来越高的重视,科学家开展的相关研究也非常多。因此,发展功能高分子,其涉及面O广,关系到许多学科的研究。我国也非常关注这一领域的研究,在自主研发的基础上,加强国际交流,目前相关水平已处在世界的前列。
二、运用纳米技术,改性高分子材料
纳米技术一般是来钻研纳米材料的特性和对其结构进行制造的工艺。当一种东西在现代化手段下以纳米来描述时,那么它本身的作用便会产生一些变化,从而出现一些奇特的现象,表现出和普通物质不一样的性质。并且,若是把具有特殊性质的粒子和其他高分子物质混合时,这种特殊的粒子会使高分子物质发生性能的改变。所以,在改变高分子物质的过程中,运用的纳米技术有两种:一是对这两种物质加以合成,二是用纳米粒子影响高分子材料的性能。第一种占得比例最多。
举个例子,在探究苯乙烯一丙烯酸醋IPN/MMT纳米复合阻尼材料时,可将这两种物质时行复合,据此提高其抗震、降噪的效果。结合众多实验结果,我们可以知道,聚合物基体中平均分布了二维纳米片之后,该材料原本的能量将会有很大的升高,与此同时,基体材料的增韧性更好,耐磨性更强,阻透性也大大提高,也发送了其抗菌性以及抗老化性能,同时防紫外线的能力也有所提高。
又比如,把纳米无机粘土粒子利用其他的改性剂,在化学反应后得到的纳米粒子片层,与尼龙等其他材料混合,得到的新材料的阻止燃烧的功能更加好。将纳米材料和它的结构的多种特性组合使用,能够产生其他的多种新的材料。
三、生物可降解高分子材料的发展
在特定时间及一定条件下,微生物或其分泌物利用化学分解的形式,可以获得降解的新材料。
高分子材料已在日常生产及生活中得到了广泛的应用。可是,由于它无法循环使用,不易分解,加上用量很大,久而久之,就给环境带来了比较厉害的化学污染。一般情况下,在降解这些废弃的塑料制品时,最广泛使用的办法是挖坑埋掉或者烧掉,然而,这些方法都会对环境造成不可弥补的伤害。
譬如,我们的日常生活中,超市购物,买菜,包装,全都用塑料制品,面对这一现象,四川有一家生物科技公司研制了一种抑菌的可降解的包装食物的材质,先把壳聚糖通过辐射法作出辐照降解,再混入偶联剂助剂溶液,搅拌均匀,而后通过干燥使溶剂脱离后,再和聚己内酯类可降解高分子材料混合在一起得出。聚己内酯可以全部的溶解掉,而壳聚糖则可以抑制某些微生物的生存繁衍。
所以,在研究这一新材料时,重点是研究出可降解的聚合物,如何对已经存在的可降解聚合物加以利用,经济意义是十分明显的,值得研究。
四、先进高分子材料在航天工业领域的应用
自中华人民共和国建立以后,航天工业获得了长足进步,其代表是两弹一星,这也促进了相关新材料的科研及发展。进入新时代,我国又陆续开展了载人航天及探月工程等一系列重大科研项目,这自然也离不开更多新材料的支持,在这个领域,一些关键的材料研制获得突破性进展。这里面就包括高分子材料。它是发展航天工业必备的配套产品,一般包含橡胶、胶黏剂、工程塑料、密封剂和涂料等。
五、结语
本人从思考人类生存的环境问题出发,在建设环境友好型社会的基础上,形成了上述四个基本观点。当下,人们研究高分子材料,在目的及目标等方面,改变都十分明显:以往研究的目的是给人们的生活带来方便,如今则开始注意环境安全,不浪费能源与物质,循环使用,同时研发出能耗低、效率高的新材料。毫无疑问,环境因素已成为今后任何研发工作所需要重点考虑的问题。对于从事新材料研发工作的人们来说,只有研发出无毒、绿色、功能化、可降解的材料,与环境有利,才能解决白色、黑色等方面的污染问题。
参考文献:
[1]谢建玲.现代塑料加工应用,1995.
【关键字】生物降解;高分子;材料
随着经济的不断发展,人们生活水平的不断提高,大量的高分子材料在各个领域发挥重要作用,而废弃的高分子材料对环境的污染也日益严重。废弃塑料的处理方法主要分为掩埋和焚烧,这两种方法都会产生新的污染物污染环境。针对这一问题,许多国家实行了3R工程,3R指的是减少使用(Reduction)、重复使用(Reuse)、循环回收(Recycle)。但这只是减少了废弃塑料的使用,没有从根本上解决问题。如今,各种存在的处理废弃塑料的方法都会造成污染,因此研究与开发环境可接受的降解性高分子材料是解决环境污染的重要方法。
1生物可降解高分子材料的用途
生物可降解高分子材料也被称为“绿色生态高分子材料”,它在环境日益污染的今天发挥着重要的作用,主要分为以下几个部分。
1.1解决环境污染问题
利用生物可降解高分子的生物可降解性有效解决环境污染问题。据统计,目前世界的高分子材料的产量已经超过1.2亿吨,这些高分子材料在被使用后产生了大量废弃物,这些废弃物变成污染源,造成地下水与土壤的严重污染,进一步危害动植物的生长,对人类更是极其不利。20世纪90年代初期,在可以用来处理固体废物垃圾填埋的场地用完以后,一些发达国家开始向落后国家出口垃圾,这一行为对发展中国家的影响是巨大的。一系列环境危机引发了人类的觉醒,发展可降解的环境友好型的材料成了科学家们的主要研究的方向,生物可降解高分子材料的出现为人类解决了这一难题,它能在一定条件下,利用微生物分泌酶的作用进行分解,大大减少了对环境的污染。
1.2生物可降解高分子在医疗器材中的使用
利用生物可降解高分子的特性可以制作生物医用材料。使用可降解高分子制作成的药物可以在人体内分解,参与人体的新陈代谢。在生物可降解分子研究的初期,研究内容主要集中于部分降解的可崩溃型高分子材料的研究,但现在这一研究已经逐渐被否定。目前许多国家仍然在不断研究与发展生物可降解性的高分子材料,然而由于技术水平与成本的制约,生物可降解高分子的研究还没有达到令人满意的程度。
1.3生物可降解高分子材料在包装行业中的应用
众所周知,包装行业中使用高分子材料的情况非常多,大量的废弃包装材料对环境的污染程度是可想而知的。目前市面上各种包装材料主要以聚乳酸为首。聚乳酸具有良好的隔水性和透明性。作为基本材料的乳酸是人体可接受的固有物质之一,这使得聚乳酸对人体无毒无害,被广大消费者接受。而传统的包装材料由合成树脂构成,由于传统树脂的分解性不强,废弃的包装材料造成了40%的城市垃圾,成为最主要的环境污染源。
2生物可降解高分子的降解机理
生物降解指微生物的分解作用,在高分子领域指的是高分子材料在溶剂化,简单水解和酶反应等条件下,转化为相对简单的中间产物或小分子的过程。高分子材料的生物降解主要由水合作用,强度损失,物质整体化丧失和质量损失4个阶段组成。水合作用是指由范德华力氢键所维系的二次、三次结构的破裂而引发的水合作用。接下来在化学作用或酶的催化作用下,高分子主链可能破裂,造成高分子材料的强度降低。而高分子主链、交联剂、外悬基团的开裂会进一步造成交联高分子材料强度的降低,高分子链进一步断裂。高分子链的不断断裂造成质量损失和相对分子质量的降低,相对分子质量低到一定程度后就会被酶分解代谢称为水和二氧化碳等。由此可见,生物的降解过程并非是单一的化学反应,而是复杂的生物物理,生物化学的协同作用,是物理化学生物相互影响促进的过程。
3影响生物可降解高分子降解性的因素
3.1生物高分子的分子主链的影响
四大通用塑料聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯都具有C―C键为主键的结构,使得它们对微生物的阻抗性很高,而根据研究表明,当聚合物的主链上含有C-O,C-N键时,聚合物对生物降解的敏感性大大提高。因此,根据共聚原理,想要制备出生物降解塑料就必须要在聚合物中引入易于生物降解的化学键。
3.2支化与分子量对生物高分子降解的影响
国外研究表明,对分子量范围为170~620的线性与支链型碳氢聚合物的生物降解性进行分析比较,结果表明支链型聚合物的真菌生长速度与线性聚合物相比明显小得多,也就是说线性的碳氢聚合物更易于降解。同时分子量的大小对高分子材料的影响也是巨大的,例如PS、PE、聚丁二烯和聚异丁烯只有在分子量小于特定值后才能够被菌种所分解。
3.3降解环境对生物高分子降解的影响
虽然材料结构是决定生物大分子降解的主要因素,但是环境对生物大分子材料的降解也有一定的影响作用。降解环境主要指降解过程中的水,温度,酸碱度和氧浓度等。水是微生物生长与代谢的基本条件,只有水的供应量足够,微生物才可以进行分解材料。而温度对微生物也有影响,每一种微生物都有适合其生长的最佳温度与酸碱度,一般来说真菌生长在酸性条件下,而细菌在碱性条件下的生长更加迅速,想要提高降解效率,就必须要保证微生物的正常生长,为微生物提供合适的温度,酸碱度等生长环境。
4生物可降解高分子的前景展望
由于我国生物高分子技术的研究并不成熟,国内的生物可降解高分子的开发与应用还存在一些问题。比如:产品价格过高,产品的性能和用途受到限制,产品生产技术不够成熟等。尽管高分子市场存在许多不足,随着人们环保意识的增强和我国环保法规的不断完善,生物可降解高分子的市场仍在迅速增长。塑料薄膜、包装材料、医用材料等领域生物可降解高分子材料的研究将会得到更好的发展。目前针对如何解决市场出现的问题,研究者正在不断努力,降低开发生产成本,对现有的可降解高分子进行性能改进,以获取更高质量的高分子材料。研究开发低成本,高性能,具有降解时控性,高效性和彻底性的生物高分子材料成为高分子领域的主要研究方向。
【参考文献】
[1]王身国.生物降解高分子――一类重要的生物材料 1.脂肪族聚酯的本体改性[J].高分子通报,2011,(10):1-14.
关键词:高职本科 实践教学 对策研究
中图分类号:G71 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)01(c)-0183-02
高分子材料作为一种可以成型各种形状并且性能优良的新型化工材料,广泛应用于工业、国防、生物、信息、能源、环境等各方面。作为不可或缺的高分子材料行业,在高速发展的同时经济效益也有了很大的提高。高分子材料专业教育需要适应新的要求,培养具有创新能力,综合素质高,社会需求适应性强的不同层次的研究技术人员。
1 高职本科高分子材料工程专业实践教学的重要性
青岛大学对口高职本科高分子材料专业人才培养目标是培养具有高分子材料与工程等方面的理论基础知识与应用能力,具有较强的创新精神和实践能力,能综合应用专业知识分析解决实际问题,从事高分子材料的合成、改性和加工成型等领域内的技术开发、技术应用、工艺和设备的设计,生产及管理、产品市场与营销等方面工作的高级专门人才。
本专业在教学计划中,除专业理论之外,加大实践性教学环节,增大专业实训比例,重视专业技术技能培养,考核中增加了专业技术技能鉴定项目的测试。实践性教学环节的学时约占四年教学计划的四分之一左右(如图1)。
实践性教学一方面是为了使学生获取感性知识、巩固和深化课堂理性知识的学习;另一方面是为了训练学生运用所学的基本理论、基本知识和基本技能,培养分析和解决实际工程问题的能力,使学生掌握进行科学研究与工程技术实践的基本技能,以完成工程师的基本训练。
2 当前实践教学存在的主要问题
近几年发展应用型本科教育、培养本科层次的应用型人才成为许多高等院校的办学定位和培养目标。应用型本科教育的规模日趋扩大,应用型本科院校在专业设置上依旧追求门类齐全,向综合性院校过渡的趋势十分明显,导致办学特色不突出,适应社会需求能力差。
根据有关部门对毕业生质量调查材料表明,近几年理工科学校培养的毕业生,他们的基础知识比较扎实,专业知识也能够适应工作需要,但实际工作能力较弱。毕业生并没有完全掌握相应的技能,实际能力的培养不能满足社会的实际需求。虽然绝大多数毕业生都能找到工作,但就业层级和岗位质量不够理想。
3 加强实践教学采取的相应对策
3.1 从办学理念上重视实践教学
高职本科教育的一个显著的特点是学生不仅要完成课堂上理论知识的学习,还必须完成实践性教学环节的学习。高职本科学生的学习要充分体现理论与实践相结合;专业知识学习与技能能力培养相结合;教师指导作用与学生独立学习相结合;基础理论学习与实践环节学习相结合。
实践性教学主要增强专业适应性,要求学生对所学专业的技术操作、实际动手能力与实际生产状况相适应,然而现有的单一讲课模式不利于全面提高学生的综合素质,教育与经济、科技相脱节,为了使学生学有所用,更好地适应社会,必须加强实践性教学,使“产、学、研”有机地结合起来,走“产学研”一体化的教学模式。
3.2 以市场需求为基准制定教学内容
将教学内容与市场需求挂钩,市场需求什么样的人才,我们就培养什么样的学生。现在,企业急需既懂专业理论知识,又懂技术操作的复合型人才,而我们在教学改革中就以此为主要内容制定了几个具有突破性、创新性的教学模式。
对于大学的教学计划,市场早有微词:学生毕业时,学到的知识已过时了,为了改变这一现状,我们在制定教学内容时,在各地开展调研,结合市场需求。如:模具、设备方向的人才在未来几年会急需。在授课时,老师就会将内容向这个方向倾斜,使学生在未毕业时就已经成为“抢手货”。
3.2.1 定点、定向为企业培养技术人员
山东是高分子原料及制品生产大户。散落在县以下的各小企业为谋求发展,已意识到培养自己的技术员对企业发展有多重要。近几年,我们一直与毕业生保持密切往来,解决他们在生产中发现的问题。在企业中建立良好的口碑。已与几家企业协商,为他们单独办班,定点、定向培养人才,受到企业好评。同时,我们也积累了丰富的生产经验。
3.2.2 挂靠实习基地现场教学
我们教育学生,实习基地是你们接触的第一份“工作”。所以,在教学中我们经常会把教学现场搬到工厂或实验室。让学生真正“干”起来。从而学到熟练操作。
3.2.3 “产学研”结合,鼓励学生自主创业
在学生进行毕业设计时,我们会安排一些有创新能力的学生参与到科研开发的项目中来。把他们带到专业领域的前沿,使他们在毕业后具备自主创业的能力,从而打破学生只能“找”工作的境况。使学生的毕业前景扩宽。
3.2.4 选定与《高分子材料与工程专业》密切相关的企业急待解决的课题作为研究专题,统一规划、整合《高分子材料与助剂》《塑料配方设计》《塑料成型设备》、《塑料加工成型工艺》《高分子性能测试》的实验教学内容,合理安排实验时间,做到每一个专题实验都要有明确、合理、全面的设计思想。以精选的研究专题为载体,把相关的实验知识、实验技术和实验方法有机地串连起来,实现创造条件使学生较早参加科研和创新活动的目标。
3.3 重视和加强实践教学基地建设
在实践教学方面,要逐渐形成以服务为宗旨、以就业为导向的教学理念,以文化课为基础、以专业课为主体、以实验实习为重点、以岗位合格为目标的教学原则,先后建立校内实习实训基地2处、校外实习实训基地5处(青岛润兴塑料厂、青岛铭昶模塑公司、青岛宏达塑料集团、青岛联创集团和青岛黄海轮胎集团),保证学生每学期在校外实习基地实习2~3周。在校内外实习过程中,通过让学生在企业顶岗培训,使理论与实践相互渗透,逐步实现与工作岗位的接轨。
借助开放的校内实习实训基地,通过“嵌入式”“专业教学现场化,实验教学课题化”的教学模式,使理论教学与实践教学达到完美的结合,学生的基础知识、专业知识、操作技能和综合素质都得到了很大的提高,历届高职毕业生在《塑料注塑工》中、高级技能达级考核中,合格率均达100%。为学生就业及走向社会打下了良好的基础。逐步形成“宽专业、多技能、双证书”的办学特色。
在现有5个校外实习实训基地、1个校内实训室的基础上,增加到6~8个校外实习实训基地,3个校内实训室。与3~5个企业达成校企共建协议。
3.4 增大实践教学经费的投入
近三年来我专业投入大量经费,主要用于购买实验设备及实验药品,优化教学设备,多媒体教室改造,为学生创造良好的学习和实习条件。这三年来我们购入的大型设备有双螺杆挤出机2台,塑料注塑机2台,切粒机1台,烘箱2台,万能拉力机1台,冲击试验机2台,熔融指数测量仪1台,高分辨电子显微镜3台等,极大地改善了学生的实验环境,为培养具有较高动手能力的专业技术性人才奠定了良好的基础。
3.5 进行职业职能资格证书考核,适应社会人才市场的要求
职业资格证书是由国家劳动和社会保障部颁发的职业能力证明,谁持有的证书多,谁的就业选择性就大,就业的机会就多。
我专业从2004年秋季在本市抢先申办了青岛市劳动局《高分子材料加工工艺》中、高级技能达级考点,并于本年底与市劳动局合作,成功举办了我系2002级高分子材料与工程专业学生的技能达级考试,学生达级率100%,受到了青岛市劳动局的初步肯定。我们从2002级至2009级高分子材料应用技术专业开始进行职业资格证书认证,至今已经进行了八届。
4 结语
我们以创新能力培养为主线,构建了高职本科高分子材料与工程专业实践教学平台,高职本科高分子材料应用技术专业实践教学环节改革与创新,使高分子材料加工成型专业的学生经过四年在校的严格学习及实习、实训,具有复合型职业技能结构,较强的专业技术应用能力和技术开发能力,实践动手能力强,毕业前获高分子成型工艺中级或高级技能证书。毕业后能直接在生产第一线从事管理、技术应用与技术开发工作。
参考文献
[1] 代显华,李忠民.高素质应用型人才培养实践教学的问题与对策—— 以成都大学为例[J].成都大学学报:教育科学版,2009,23(1):8-10.
[2] 刘传影,赵则信.应用型本科教育实践教学初探[J].黑龙江生态工程职业学院学报,2011,24(6):74-75.
[3] 马群锋.我国高职类高分子专业发展现状的研究[J].化工高等教育,2011(1):13-23.
[4] 陈厚,曲荣君,王春华,等.浅谈高分子材料与工程专业实践教学平台的构建[J].广州化工,2010,38(11):220-243.
[5] 王慧敏,郑耀臣,崔孟忠,等.高分子材料与工程专业实验教学的改革与实践[J].化工高等教育,2007,97(5):39-41.
关键词:磁性高分子聚合物;吸附;重金属
1 磁性高分子聚合物l展现状
1.1 磁性高分子聚合物的合成方法
复合型磁性高分子材料主要是指在塑料或橡胶中添加磁粉和其他助剂,均匀混合后加工而成的一种复合型材料。复合型磁性高分子材料根据磁性填料的不同可以分为:铁氧体类、稀土类和磁性高分子聚合物晶磁粒类。根据不同方向上的磁性能的差异,又可以分为各向同性和各向异性磁性高分子材料。能够作为功能材料应用的主要有磁性橡胶、磁性塑料、磁性高分子微球、磁性聚合物薄膜等。复合型磁性高分子材料中的磁性无机物主要是铁氧体类磁粉和稀土类磁粉。稀土永磁材料是近年来备受关注的磁性材料,其粘结磁体的磁性可超过烧结铁氧体及其他金属合金,从第一代的SmCo系到第二代的NdFeB系,发展非常迅速。目前我国的NdFeB产量居世界前列,质量逐步提高,并且已有一些自己的专利技术。20世纪90年代以后,又出现了新型稀土磁性材料,如稀土金属间化合物,稀土永磁材料及磁性高分子聚合物及纳米晶复合交换耦合永磁材料等。
稀土磁粉出现后,树脂粘结磁体飞速发展。作粘结剂的高分子主要是橡胶、热固性树脂和热塑性树脂。橡胶类粘结剂包括天然橡胶和合成橡胶,主要用于柔性复合磁体的制造,但与塑料相比,一般成型加工困难。热固性粘结剂一般用环氧树脂、酚醛树脂。热塑性粘结剂主要为聚酞胺、聚丙烯、聚乙烯等,聚酞胺P(A)类最为常见,综合考虑机械加工性、耐热性、吸湿性,目前最常用的PA基体是Nylon6、Nylon66等。除了上述这些聚合物基体外,刘颖等还用结构型的磁性高分子-二茂金属高分子铁磁体(OPM)粉作粘结剂与快淬NdFeB磁粉复合制成磁性高分子粘结NdFeB磁性材料,其磁性能比环氧树脂粘结NdFeB的磁性能高。磁性高分子微球所采用的高分子材料主要是蛋白质、生物多糖、脂类等生物高分子和人工合成的兼有各式各样功能基团的合成高分子。将合成高分子作为微球壳层的研究报导较多,同时,考虑到生物高分子的优良特性,近年来对生物磁性高分子微球的研究也正成为新型生物材料领域的研究热点。可以用于制备磁性聚合物膜的聚合物基体较多,原则上能用于制备高分子膜的聚合物都可以,如纤维素、氟碳塑料、聚醋、聚酞胺等。作者曾用聚偏氟乙烯和醋酸纤维素作基体膜,在其中分散磁性氧化铁粒子用于气体分离。聚醋磁性薄膜多用来制成磁带。目前国内外研究较多的是以核径迹蚀刻膜为基板的磁性高分子聚合物磁性材料,它实际上是采用模板法,以聚碳酸酷核径迹蚀刻膜为基体,在其中电沉积磁性粒子,利用其规整膜孔来控制得到的有序磁性高分子聚合物磁性材料。
1.2 磁性高分子聚合物的功能
复合型高分子磁性材料分为树脂基铁氧体类高分子共混磁性材料和树脂基稀土填充类高分子共混磁性材料两类,简称为铁氧体类高分子磁性材料和稀土类高分子磁性材料,目前以铁氧体类高分子磁性材料为主。以高分子化学和无机磁学为基础发展起来的磁性高分子材料,是高分子功能材料研究的热点。复合型磁性高分子材料,由于其具有高磁性、易加工和成本低等优点,使它广泛应用于微型电机、办公用品、家电用品和自动控制等领域,但如何提高磁性微粒在高分子基体材料中的分散度是提高其磁性能的关键。结构型磁性高分子材料,由于其具有轻质、低磁损、常温稳定、易加工及抗辐照等优点,且其介电常数、介电损耗、磁导率和磁损耗基本不随频率和温度变化,其适合制造轻、小、薄的高频、微波电子器件,广泛应用于军工、通讯、航天等高技术领域,改进合成方法以提高它的磁性能是以后研究的重点。磁性高分子微球作为一种新型的有机一单倍线无机复合功能材料,由于其兼具高分子的众多特性和磁响应性,它被用做酶、细胞、药物等的载体广泛地应用到了生物医学、细胞学和生物工程等领域。对于磁性高分子微球,如何制得高磁响应性、高比表面和单分散性好的微球,以及高分子结构的精细化和功能化是以后研究的热点。随着新技术的广泛应用,高分子磁性材料必将会有更广泛的应用和发展前景。
2 传统重金属的处理
2.1 传统处理方法
2.1.1 化学法
臭氧接触池的臭氧投加采用布气帽投加方式,均设有尾气破坏装置,避免臭氧泄漏污染大气。纯水具有接近7的pH(既不是碱性的也不是酸性的)。海水的pH值范围为7.5至8.4(中等碱性)。如果水是酸性的(低于7),可以加入石灰、苏打灰或氢氧化钠以在水净化过程中提高pH。石灰加入增加了钙离子浓度,从而提高了水的硬度。对于高度酸性的水,强制通风脱气器可以通过从水中去除溶解的二氧化碳,这是提高pH的有效方式。使水成为碱性有助于凝结和絮凝过程有效地工作,并且还有助于最小化铅从管道和管道配件中的铅焊料中溶解的风险。足够的碱度还降低水对铁管的腐蚀性。在某些情况下,可将酸加入碱性水中以降低pH。碱性水(高于pH7.0)不一定意味着来自管道系统的铅或铜不会溶解到水中。水沉淀碳酸钙以保护金属表面并降低有毒金属溶解在水中的可能性。所有高级氧化工艺(AOP)的特征在于具有共同的化学特征,在驱动氧化过程中利用HO自由基的高反应性的能力,其适合于实现完全减弱和通过甚至更少反应性污染物的转化。处理的目的是去除水中不需要的成分,并使其安全饮用或适合于工业或医疗应用中的特定目的。广泛的技术可用于去除污染物,如固体、微生物和一些溶解的无机和有机材料或环境持久的药物污染物。方法的选择将取决于被处理的水的质量,处理过程的成本和处理水的预期质量标准。
2.1.2 物理法
重金属处理系统可以包括砂或砂粒通道或室,调节进入的污水的速度以允许沙子、砂砾、石头和碎玻璃的沉降。这些颗粒被去除,因为它们可能损坏泵和其他设备。对于小型下水道系统,可能不需要砂粒室,但是在较大的工厂需要除去砂粒。砂粒室有3种类型:卧式砂粒室,充气砂粒室和涡流砂粒室,该过程称为沉降。流动均衡澄清剂和机械化二级处理在均匀流动条件下更有效。均衡池可用于临时存储日间或潮湿天气流量峰值。盆地提供在工厂维护期间临时保持进入的污水的地方,以及稀释和分配可能抑制生物二级处理的有毒或高强度废物的排放。对废水沉淀后的污泥进行离心脱水,形成泥饼委托专业的公司处理。水厂处理是从海水或者其他水源中中去除污染物的过程。它包括物理、化学和生物过程,以去除这些污染物并产生可以安全使用的水。水厂处理的副产品通常是称为污水污泥的半固体废物或浆料,其在适于处置或土地应用之前必须进行进一步处理。水厂处理也可以称为净水处理,其也可以应用于处理工业农业废水。
2.1.3 生物法
与单功能离子交换树脂不同,生物重金属处理法含有多种功能性位点,包括羧基,咪唑,巯基,氨基,磷酸酯,硫酸酯,硫醚,苯酚,羰基,酰胺和羟基部分。生物重金属处理法是更便宜,更有效的替代方法,用于从水溶液中除去金属元素,特别是重金属。广泛应用于重金属去除的生物重金属处理法,主要集中在细胞结构,生物吸附性能,预处理,修饰,再生/再利用,生物吸附建模(等温和动力学模型),新型生物重金属处理法的开发,旨在提高吸附能力的生物重金属处理法的预处理和改性。分子生物技术是解释分子水平机制的有力工具,并构建具有较高生物吸附能力和目标金属离子选择性的工程生物。尽管生物吸附应用面临着巨大的挑战,但金属去除的生物吸附过程的发展有两个趋势。一种趋势是使用混合技术去除污染物,特别是使用活细胞。另一个趋势是使用固定技术开发商业生物重金属处理法,并改善生物吸附过程,包括再生/再利用,使生物重金属处理法可以进行大力市场开发。
2.2 存在的不足
重金属的常规处理有着众多的不足,物理法通过吸附进行处理,大部分时候采用活性炭,但是近年来,活性炭有被滥用的嫌疑,因其表面积并没有所宣传的那样效果,同时活性炭价格较高,因此在重金属处理中并不十分合算。化学法采用大量化学物质进行沉淀与pH调整,但是这样会使得水质受到破坏,这样得到的水源可能无法有着更加合适的用途。
2.3 改进方向
使用磁性高分子聚合物净化池具有以下优点:增加净化池的可用功率,减少净化所需的时间。这些是通过用磁性高分子聚合物颗粒涂覆电极的表面来实现的,这样增加了电极的表面积,从而允许更多的电流在电极和净化池内部的化学物质之间流动。当净化池不使用时,磁性高分子聚合物材料可用作⒌缂与净化池中液体分开的涂层。在当前的净化池技术中,液体和固体相互作用,导致低电平放电,这降低了净化池的使用寿命。磁性高分子聚合物技术在净化池中的应用也存在着一些问题,磁性高分子聚合物颗粒具有低密度和高表面积。表面积越大,空气表面越容易发生氧化反应,这可能使净化池中的材料不稳定。由于磁性高分子聚合物颗粒的低密度,存在较高的颗粒间电阻,降低了材料的导电性。磁性高分子聚合物材料难以制造,增加成本。虽然磁性高分子聚合物材料可能大大提高净化池的能力,但它们可能成本高昂。
3 磁性高分子聚合物在重金属处理中的应用
3.1 作用机理
主要依靠顺磁性进行重金属吸附,顺磁是一种磁性的形式,其中某些材料被外部施加的磁场吸引,并且在所施加的磁场的方向上形成内部感应的磁场。与此相反,抗磁材料被磁场排斥,并在与所施加的磁场相反的方向上形成感应磁场。顺磁材料包括大多数化学元素和一些化合物,它们具有大于或等于1的相对导磁率(即非负磁化率),因此被吸引到磁场。施加场诱发的磁矩在场强中呈线性,相当弱。通常需要敏感的分析天平来检测效应,并且常规用SQUID磁强计进行顺磁材料的现代测量。顺磁材料对磁场具有较小的敏感性。这些材料被磁场略微吸引,并且当外部场被去除时材料不保持磁性。顺磁特性是由于存在一些不成对的电子,以及由外部磁场引起的电子路径的重新排列。顺磁材料包括镁,钼,锂和钽。与铁磁体不同,在没有外部施加的磁场的情况下,辅助磁铁不会保留任何磁化,因为热运动使自旋取向随机化。一些顺磁性材料即使在绝对零度下仍保持旋转紊乱,这意味着它们在基态下是顺磁性的,即在没有热运动的情况下。因此,当施加的场被去除时,总磁化强度降至零。即使在场的存在下,只有很小的感应磁化,因为只有一小部分的自旋将被场取向。这个分数与场强成正比,这解释了线性相关性。铁磁材料的吸引力是非线性的,而且更加强烈。通过细乳液聚合制备的磁性聚合物磁性高分子聚合物球的表面改性和定量表征的新颖有效的方案。由聚合物涂覆的氧化铁磁性高分子聚合物颗粒组成的复合磁性高分子聚合物球通过甲基丙烯酸甲酯和二乙烯基苯在磁性流体存在下的细乳液聚合制备。使用磁性聚合物与聚(乙二醇)(PEG)的表面改性反应获得亲水羟基官能化的磁性磁性高分子聚合物球。然后将亲和染料Cibacron blue F3G-A(CB)共价偶联以制备磁性无孔亲和吸附剂。通过透射电子显微镜和振动样品磁强计检查所获得的聚合物磁性高分子聚合物球的形态和磁性。基于IC-O-C/IC=O的强度比和PEG的含量之间的线性关系,通过使用扩散反射傅立叶变换红外光谱定量测量表面改性的含量。X射线光电子能谱(XPS)用于检测磁性磁性高分子聚合物球的表面同时比较与CB配体偶联的染料涂覆的和未涂覆的磁性磁性高分子聚合物球的XPS光谱,发现效果较好。
3.2 效果分析
以水厂净化为例,通过水厂的净水、输水管、取水泵三部分入手。对于净水厂的产能评估,应该着重于预臭氧的接触区域的进水量评估。因其采用石灰投入来改变酸碱性,因此对于水池中的水量进行预估是极为重要的,通过石灰投放量投入的调研可以正确预估净水部分的产能。在输水管道的输送过程中,可以对其流量进行监测与分析,通过进出水的流量与出水的沉淀物数值、pH值、微生物量来确定净水能力的实际水平。在取水泵的环节,通过对原水浑浊度、pH值与电导率的测定,对其洁水能力作出预估与在线的检测。在深度处理环节,对高压放电方式进行调研,对臭氧接触池的运行速率进行分析。在中央监控系统,可以直观地看到目前正在进行的各个环节的处理过程,进出水量、水的各种理化数值,系统还可以对其进行预估,预测未来可能出现的水量变化并加以提前控制。在中控室可以更好地计算水厂的实际产能,并且与各个环节进行比较,推断数据的真实性与有效性,对水厂的净水产能进行精确的复核。完善的中央监控系统:可以对现场设备、供配电系统、视频监控、管网压力等方面进行全面监控,可以及时发现管网参数的异动,借助自动化的控制来进行反馈与解决,从而最小化故障的波及范围,保证水质的要求。采取稳定高效的通信管理,使得工作人员可以在较短的时间内发现故障并且上报与解决。集成化的中央自动控制管理也是现代工厂的重要方向。
4 发展前景
通过采用磁性高分子聚合物,工作人员可以加强净水环节中的重金属处理能力,可以利用高新的技术进行产能的提升与设备的改进。净水效率的提升是一条光明而曲折的路,在这条路上会出现很多难题与挑战,这个任务长期而又艰巨,需要结合实际生产经验,不断地进行总结归纳。为实现自身的长远发展而进行大胆革新,利用创新思维进行现代化建设,从而大踏步地走向科学高效的重金属处理目标。
参考文献
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关键词:螺杆分配机头出口;流道;挤出均匀性;参数化有限元;压力分布;速度分布
中图分类号:TP311.5文献标识码:A文章编号文章编号:1672-7800(2013)012-0094-04
作者简介:李卓(1979-),女,博士, 北华大学讲师, 研究方向为计算机辅助工程和图像信号处理;耿麒先(1974-),男,博士, 北华大学副教授,研究方向为CAD/CAE/CAM。
螺杆分配机头[1-2]是一种高分子材料板片材挤出机头。在生产宽幅厚板时,优势尤其明显,其结构特点是在T型机头的直歧管内安装一根旋转的分配螺杆,既能实现沿机头轴线方向推进和分配物料,又能将物料均匀挤入机头狭缝流道进而生产出高分子材料板片材的作用。螺杆分配机头的产品横向厚度均匀性调节方法很多,物料入口压力变化、分配螺杆的转速改变、口模模唇微调、阻尼块间隙调整等方法都可以实现对其产品厚度均匀性的调整。螺杆分配机头分为端部供料和中央供料两类(如图1、图2所示)[3-4],其分配螺杆根径在轴线方向逐渐变化。其中,中央供料螺杆分配机头的分配螺杆从中央向两端按正反螺纹设计,其根径为渐变型,但两段方向相反。
关键词:高分子化学;高分子物理;多媒体教学
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)46-0053-02
随着高分子材料在日常生活和生产中的广泛应用,高分子科学作为一门交叉学科,渗透到各个领域与学科,企业和社会对高分子专业的人才需求越来越大。然而,国内开设高分子专业的高校毕竟有限,远远不能满足社会的需求。为了满足社会和企业对高分子专业人才的需求,许多非高分子专业的相关专业为了提高学生的综合能力,满足社会对高分子专业人才的需求,开设一部分高分子方面的专业课。然而,由于学时有限,非高分子专业在开设高分子方面专业课时,往往将相关的两门或多门高分子专业课糅合在一起,一方面,在不影响其他专业课学时的同时,使该专业的学生学习和掌握了一定的高分子方面的知识;另一方面,提高了学生的综合专业能力,以满足社会和企业的需求。《高分子化学与物理》课程是很多高校的非高分子专业为了满足社会需求所开设的一门综合性高分子课程,它是将高分子专业的《高分子化学》与《高分子物理》进行糅合,主要讲述高分子的基本理论和应用,内容比较抽象,概念繁多,课程的学时数又较少,这使得授课的内容和讲授方式的选择尤为重要。通过近五年的不断改革和实践,笔者积累了一定的教学经验,取得了较满意的教学效果,本论文将近年来在高分子化学与物理教学过程的体会与非高分子专业的教师进行探讨。
一、根据教学对象,安排教学内容
《高分子化学与物理》是针对非高分子专业的本科生开设的一门高分子课程,非高分子专业的本科生对高分子方面的知识完全陌生,要使他们在没有基础的情况下,理解并掌握比较抽象的链段、分子链的柔顺性、均方末端距、高斯链、等效自由连接链和液晶等概念,教学的效果很难想象。因此,如何使教学内容由简入难、由相识到陌生、由具体到形象,这就要求教师根据所讲授对象的特点,选定教学内容。东北石油大学化学化工学院应用化学专业和化学专业均开设了《高分子化学与物理》专业课,学时数均为48学时,只有理论,没有实验,安排的学期均在大学三年级下学期。由于两个专业前期学习的专业课不同,学生的基础知识掌握也不尽相同,虽然两个专业的学生均学习了《有机化学》、《物理化学》等基础课程。然而应用化学专业的学生在学习这门课程之前,还学习了《合成材料助剂》、《精细化学品化学》、《水溶性高分子》等专业课,对高分子的基本概念、合成原理及应用有一定的了解。因此,在同时对这两个专业讲授《高分子化学与物理》时,在课程内容的安排上,会存在不同。笔者通过近几年的教学实践,将两专业的所学《高分子化学与物理》课程进行了较详细的内容区分,化学专业的课程内容安排倾向于高分子的基本概念、自由基聚合机理、高分子的分子结构和高分子的性能等基本理论以及高分子的发展前景,而对于阴离子聚合、配位聚合、高分子结构与性能的构效关系只做一般性的介绍。应用化学专业的课程内容安排则倾向于逐步聚合、链式聚合、共聚合以及聚合物的化学变化,高分子化学结构与性能的关系,聚合反应的动力学,聚合方法等。同时,在教学过程中,课堂讲授与学生自学相结合,对教学内容中的重点和难点进行重点讲解,通过习题的方式将学生难以理解的内容进行系统复习,加深学生对内容的理解。通过对课程系统、有针对性的安排,使具有不同高分子基础的学生在学习《高分子化学与物理》的过程中,感到轻松、易懂,提高教学效果。
二、针对抽象内容,合理使用多媒体
《高分子化学与物理》的主要内容不仅包括《高分子化学》中的自由基聚合、逐步聚合、离子聚合、配位聚合以及共聚等聚合反应的机理、过程以及聚合反应的动力学,而且还包括《高分子物理》中的高分子的分子结构、高分子的运动、高分子的力学性能以及高分子的电学热学等性质,概念较多、公式多、内容抽象,尤其是聚合反应的动力学、聚合反应机理以及高分子的结构与各种性能之间的关系,机理的表述和公式的推导繁杂,板书费时费力,仅仅依赖“黑板+粉笔”的教学模式,很难在较少的学时内将这些抽象的重点内容讲解清楚。多媒体辅助教学具有处理信息量大、质量高、共享性好、交互性强等特点,能够形象、直观、生动地将传统教学手段难以表达的抽象教学内容有条理地表现出来,拓宽课堂教学的知识体系,提高教学质量。如《高分子化学》中的自由基聚合反应机理和聚合反应动力学理论性强,该理论是建立在增长链自由基等活性假定、稳态假设和聚合总速率等于链增长速率三个基本假设的基础上,内容抽象;又如链段、分子链的柔顺性、高斯链以及均方末端距等概念,对非高分子专业的学生,很难在短时间内理解掌握,使用多媒体可将这些抽象枯燥乏味的理论知识直观和形象化,利用多媒体中的动画过程将这些抽象的理论过程生动地展示给学生,使学生在较少的学时内更快地理解所学的内容,加大教学信息量,同时能够充分调动学生学习的积极性。然而,《高分子化学与物理》课程中概念抽象、公式繁多,多媒体课件虽然能将抽象的内容具体化,但是多媒体显示过快,学生很难在短时间内真正对多媒体中显示的概念和公式充分地理解掌握,这样会使学生失去学习的兴趣。因此,针对这门课,不能完全使用多媒体教学,应该将多媒体教学与板书教学相结合,聚合反应动力学公式的推导用板书一步一步进行推导,多媒体可将板书推导过程进行复习或重复演示,这样学生可以在板书推导过程动脑思考跟上老师的思路,同时多媒体使学生对老师板书教学过程没有真正理解掌握的内容进一步复习巩固,从而提高教学质量。
三、讲授与答疑相结合,发挥学生的主动性
《高分子化学与物理》是一门抽象、枯燥的课程。课堂是教学过程的关键环节,在讲授的过程中,如何调动学生学习的主动性使学生将枯燥的理论教学与实际生活相结合呢?在《高分子化学与物理》的讲授过程中,尤其要时刻注意教学的趣味性。如何将高分子材料的力学性能、各种弹性数学模型、高分子的溶解过程以及高分子的电学、热学和光学性质等抽象的理论在较短的时间内让学生真正的理解掌握呢?教学的方式或方法非常重要,教师可以结合日常生活中的例子,通过多媒体动画或实验演示展示给学生,使学生在学习抽象理论的同时,了解这些理论在实际生产和生活的应用。如在讲授弹性数学模型时,可通过弹簧的形变过程形象地展示给学生,也可以利用弹性橡胶在受外力作用时的形变过程将这些模型展示给学生,激发学生的兴趣。当然,仅仅依赖课堂的讲授是远远不够的,由于大学教师上课结束后,与学生交流很少,学生对课堂中的一些重点和难点仍百思不得其解,这些会影响他们学习的兴趣、热情甚至信心。因此,教师应针对课程内容,适当地结合实际,留出一部分答疑时间,与学生交流,了解学生学习过程存在的问题,及时解决学生学习过程的难点,让学生产生学习的兴趣。《高分子化学与物理》规定的讲课课时非常有限,然而课程内容繁多,理论性又强,要想使学生真正掌握这门课程,教师就必须在以课堂教学为主的同时,安排适当的答疑时间,及时解决学生学习过程中存在的问题,激发学生学习的兴趣。东北石油大学的应用化学和化学专业开设《高分子化学与物理》这门课程时,任课教师通过课上讲授和课下答疑相结合的教学模式,使抽象、难懂的理论知识变得易懂,学生学习的主动性大大提高,也大大提高了教学质量。
《高分子化学与物理》是一门概念抽象、理论性强的课程,作为东北石油大学应用化学和化学专业的一门重要的专业基础课,讲授这门课程的教师通过多年不断的探索,采用多媒体与板书相结合、讲授与答疑相结合的教学方法,大大调动了学生学习的兴趣,使非高分专业的学生能在没有高分子专业基础的条件下,能很好地理解和掌握高分子专业知识,提高了教学的质量。同时,讲授该课程的教师从课程教授对象、课程内容、讲课方式以及师生互动等多方面进行了总结,只有认真做好每一个环节,合理地运用多媒体教学手段,不断提高自身的素质和专业知识,才能提高教学质量,成为一名合格的专业教师。
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关键词:高分子;流变学;科研;教学
聚合物流变学是笔者的主要研究方向,从读博士开始,到现在研究流变学已经有十几年了。科研方面,主要是做高分子材料方面的改性及流变学实验,分析数据,获得新知。刚开始做这方面的研究感觉很艰难,读博士的研究方向是聚合物的壁面滑移。博士毕业以后参加工作,科研是做高分子材料改性及流变学研究,教学是高分子材料成型加工方面。以下从科研与教学的关系,笔者谈谈自己的看法。
一、科研有助于教学
从科研到教学,如何理解教学与科研的关系呢?文献[1]显示,教学与科研的关系有三种观点:负相关、零相关、正相关。负相关的观点源自于这样的认识:人的时间和精力有限,难以两者同时兼顾。其次,两者对于教师个性要求不同,科研需要研究者在安静的环境下深入思考,需要学术界的交流,目的在于探求新知,而教学是传递知识,培养人才。由于教学评价与科研评价的差异,普遍存在着“重科研、轻教学”的现状。
笔者认为,科研做得好,无疑有助于教学。为什么很多高校要求教授要给本科生上课?这是因为,一般地,教授的科研水平较高,授课时能够将科研的思路和方法介绍给学生,启发学生的创新思想,有利于提高学生的科研素质。雅斯贝尔斯曾说过:“只有自己从事研究的人才有东西教别人,而一般教书匠只能传授僵硬的东西。”科研经历使得教学更加生动。做过耐溶剂材料方面的科研,就能用在教学上。例如在多层共挤教学中,每一塑料层的功用不同,内层是尼龙层,能够耐有机溶剂,而外层是聚乙烯层,能够耐水。笔者在科研中做过高分子共混发泡方面的工作,在相关教学中就能够举出很好的例子,例如高密度聚乙烯(HDPE)发泡性能不好,而低密度聚乙烯(LDPE)发泡性能好,可以将两者共混,利用LDPE改善HDPE的发泡性能,而且两者相容性好,能够制备共混发泡材料。科研案例与教学结合,使得教学生动活泼,提高了学生的学习兴趣。如果没有科研经历,教学者对于事物的原理理解不深,只能照本宣科,学生听得昏昏欲睡,教学效果可想而知。我校教师分为科研岗位和教学科研岗位,前者专心做科研,不做或较少做教学工作。后者兼顾教学与科研,在教学中很自然地引用科研的过程、方法及结论,科研促进了教学。另一方面,在教学中遇到的问题,可以通过科研方法求真,这样教学也推动了科研。
二、科研反哺教学的具体措施
高等学校具有“教学、科学研究、社会服务”三大职能。文献[4]提出,教师通过科学研究,可以增强研究性思维,熟悉和了解本学科最新的科技动态,开阔专业视野,丰富教育教学内容,提升教育教学水平,提高人才培养质量。可见,科研可以反哺教学,但这种反哺需要遵循正确的路径,只有懂得和熟悉有效路径,才能及时高效地反哺教学。文献[4]主要针对高职院校的科研反哺教学,笔者认为很好。我校是本科院校,不是高职院校,但文献有些观点对本科院校仍然具有参考价值。经过归纳,笔者认为适用于本科院校的主要有下几点。
1.营造科研氛围,促进科研与教学结合。对于本科院校,科研气氛较浓厚。常州大学是教学科研型高校,近年来科研成果显著,如国家级项目逐年增加,也获得了一些国家级科研奖,高档次的教学成果也较多。科研论文质量和数量增多,有的达到国际顶尖水平。专利申请数量和授权专利数量在江苏省名列前茅,这些丰硕的科研成果为反哺教学打下了良好的基础。
2.积累科研资源,创造科研条件。教师要树立“科研资源在企业”的意识,建立企业技术课题项目库。通过校企对接,解决企业生产中的技术难题。很多本科毕业生的毕业课题、科技创新大赛的课题均来自于企业需要解决的技术课题,学生感到学到的知识能用于实际生产,所以兴趣很高,动力很足。当然,必须循序渐进才能提高科技创新能力。
3.注重学科交叉对于科研和教学的影响。学科融合和交叉,从不同的侧面分析事物就能获得新的视野。例如诺贝尔物理学奖得主、法国物理学家P.G.De Gennes把凝聚态物理知识运用于高分子科学,获得了巨大的成功。一个科技问题的解决,可能有不同的方法,但不同方法解决的效果可能差别很大。所谓“他山之石,可以攻玉”。在流变学研究中,存在两种模型:唯象模型与分子模型,模型虽然不同,却能得出一致的结论。这是值得深入探讨的。
在浙大校报资料上,流变学专家范西俊教授说,有了工科的背景,再有了力学的功底,等于理论插上了翅膀。已故华裔澳大利亚学者郑融于2009年在科学网博客中写到。这些年来,我们看到流变学这股春风吹开了大大小小的花朵,也看到了它在某些领域的碰壁和衰退,更注意到了风向随着时代的进步而改变。高情逸韵住何方?只有创新,才能避免衰退。流变学还有很多未知领域需要开发研究。
在科学研究和教学中,学习一点哲学是有益的。哲学是科学的科学,是“聪明学”。比如在模具设计中存在辩证法。考虑塑件壁厚时,塑件壁厚太厚不好,因为太厚形成温度梯度,容易产生内应力以及气泡、缩孔;太薄不好,流动阻力大,容易出现不完全充模。同样的,浇注系统中的浇口也有类似的问题。浇口小、剪切速率大、摩擦生热使得塑料熔体温度升高,对于一般的假塑性流体,有利于增加流动性。但浇口小,浇口两侧的压差增加,流动阻力增加。浇口大,则浇口冻结时间长,而且浇口切除困难。所以,塑件注塑成型常用小浇口。这是矛盾的一般性,但矛盾又存在特殊性。例如在有些情况下不宜采用小浇口,而应采用大浇口,如热敏性塑料、接近牛顿性流体的塑料、大型塑件等,因为在这些情况下,小浇口的优势发挥不出来,采用大浇口反而有利。
再就是要独立思考,不要人云亦云。例如,在本科毕业生做毕业设计时,对硅橡胶与三元乙丙橡胶(EPDM)进行共混,发现两者相容性差。为了提高相容性,加入少量偶联剂到硅橡胶与EPDM的混合物中,发现相容性提高了。在毕业答辩时,有人提出偶联剂只能改善填料与高分子之间的相容性,不能作为高分子材料之间的相容剂。但是笔者认为,一件事情正确与否,要以事实为依据。事实上偶联剂改善了硅橡胶与EPDM之间的相容性,这说明加入偶联剂是有效果的。再查阅文献,发现也有文献支持这个观点,可见要有怀疑精神,要独立思考,才能有所创新。
三、结语
作为高校教师,要营造科研氛围,创造科研环境,积累科研资源。除了获得科研成果造福人类,还能用科研经历和科研思想教育学生,在科研和教学中,要独立思考,注意学科交叉,理解科学中的哲学。
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【关键词】火电厂 热工仪表 电伴热系统 取样管 设计 实现
如果火电厂当中的锅炉、除氧器以及除盐水箱等相关设备均在露天的条件当中进行存放的话,与其相关的热工自动化设备也将随之被设置在室外当中。基于此种情况,为了能够让热共自动化设备能够正常且安全的运作,在冬季室外气温较低的施工环境下,应该对用于蒸汽、水以及燃油的导压管进行防冻处理,包括流体压力仪表、流量仪表、液位仪表的导压管等等。此外,在设置防冻装置时需要注意采用蒸汽伴热保温与电伴热保温相结合的方式来进行,其中的电伴热保温方式是以电热元件作为最基础的热源,是属于最为稳定的热源方式之一,在火电厂的生产运营中起到了很好的保温防冻作用。
1 电伴热系统的工作原理
电伴热即为在绝热层与被伴热管道当中用于加热之用的高分子类材料,其主要的作用是采用电热所产生的能力来对在取样过程当中丢失的热量进行填补,继而让其能够保持在一个最为合乎标准的范围当中。电伴热电缆的组成部分如下:半导体高分子材料、合金母线(两根)、内部高分子绝缘、合金屏蔽网以及外部高分子聚合物护套。其中,半导体高分子材料需要经过特殊的工艺手段制造而成,并且在整个结构当中起到了最为主要的发热作用。电伴热电缆的组成材质为抗高温性极强的镀锡铜合金,其不但具有恒定功率的特性,同时还比较不会受到外界其他影响因素的干扰。此外,含氟聚合物护套还能够为电缆带来一层额外的附加保护膜,使其能够在极度恶劣的化学环境当中也能够较好的应用。
通过热胀冷缩的原理我们能够了解到,如果伴热电缆所处环境的温度较低,那么用于导电的化学高分子材料即会形成收缩现象,继而形成能够让伴热电缆开始产生热量的电流;反之,如果伴热电缆所处环境的温度较高,高分子材料就会出现膨胀现象,并同时阻隔碳粒的相聚和回路的形成。这种情况会导致电路短路,伴热电缆所能够产生出来的热量会大幅度减少。为此,导电化学高分子材料温度的高低与否能够受到外界的环境温度影响。
2 伴热电缆特性分析
自控温电伴热带组成部分如下:导电塑料+平行母线(两根)+绝缘层+金属屏蔽网+防腐外套。这些组成部分当中最重要的发热部位即为由特殊工艺制作得来的导电塑料。如果伴热带所处的环境温度比较低,那么伴热带的热量就会随之产生并升高;如果周边环境的温度较高,伴热带的热量就会随之减少。如果周边环境的温度出现了上升趋势,塑料的状态又会从膨胀状态转为收缩状态,继而让碳粒的阻断现象发生改变,回路形成后让伴热带的温度随之提高。在上文中所提到的温度调节过程当中所能够起到最重要作用的即为材料本身的特性,由于它能够随着外界环境的温度而发生变化,所以它本身的温度不会出现忽高忽低的情况。此种自控型的伴热带并不需要温度控制器辅助就可以有效的对自身的温度进行调节和控制,并且同其他产品相比还具有如下几个优点:热量发散的较为均匀、能够折叠和挤压、不会出现局部温度过高的现象、可以随意拼接、安装过程简单易操作、后期保养简单以及耐温性超强等。
3 电伴热系统的设计
3.1 同热力计算相关联的原因
3.1.1 保温层的厚度
不一样的用于保温的材料会由于工作环境的变化发生改变,并且保温层的厚度也会有着比较明显的差别。通常情况下,我国的保温层厚度基本会控制在10毫米到30毫米之间,如果管线的标注显示为“30/25”的话,那么就说明保温层的内部厚度是30毫米,外部厚度为25毫米;如果管线标注显示为“25”的话,那么就说明此种为单层保温层,外部的厚度为25毫米。
3.1.2 保温材料的导热系数
假设仪表取样管路的保温层厚度已经确定,那么为了能够保证保温效果,在对保温材料进行选择时应该选择系数比较小一些的。在进行设计的时候应该尽可能的选择硅酸铝作为最基本材料。笔者选取了东北地区的一家发电厂作为本篇文章的说明案例,其中压力测量取样管路长度L1是15米,外径d是15毫米,取样管内部当中的温度t1是90摄氏度,周边环境的最低温度t2为零下25摄氏度,本电厂所采用保温材料为硅酸铝,系数λ是0.044W。
3.1.3 管线内的介质温度
如果按照发电厂的工艺特点来进行考虑的话,取样管内部当中的介质温度能够分成高、中、低三种。其中,高温介质所包括内容如下:过热蒸汽、再热蒸汽、省煤器进口给水以及过热器减温水等等;中温介质包括:凝结水和除氧水等等;低温介质的主要内容即为常温水。通过这些完全不同的介质温度能够帮助我们选择不一样伴热电缆,继而在符合保温需求的基础之上达到控制成本的最终目的。高温介质应选择带有恒定功率功能的电伴热电缆,中温和低温应选择带有自控温功能的电伴热电缆。
3.2 电源设计
电伴热电缆所应该使用的电源应该是220V的交流电源,为此,在设计电源过程当中应该注意在主要厂房之中选择一面墙体来设置电源柜,以此来保证其能够完全满足整个厂房当中电缆对电源的需求。通常情况下,电伴热的电源柜需要将位置选定在锅炉的运转层面之中,电源电量的来源主要是左右两路的380V电源,即为MCC A段和MCC B段,而后再通过自动切换、盘内小母线以及熔断器分配为保温箱形成供电回路。
通过上文中的示例我们可以知道,如果已确定取样管的长度为15米、介质温度t1为90摄氏度、米功率为20W/m的话,那么就需要在保温箱当中设置1000W的加热器、60W的白炽灯。如果电缆的电流为1.37A,即可选择容量为2A的支路微型断路器、容量为10A的主回路微型断路器。
4 电伴热系统的施工安装的特点
如果是在实际的工程当中,电伴热系统的施工方案通常有如下两种:针对中、低温管道选择自调控电缆;针对高温管道选择MI电缆。其中,前者的安装流程如下:首先,在直径为12-15毫米的仪表管外部设置一层保温材料,注意将材料的厚度控制在10-15毫米之间,为了能够对一些外部的热量进行隔离,可以再加包一层铝纸;其次,将自调控电伴热线铺设完成;最后,完成最终正式保温层的设置。此种施工方案应该选择温度调节器来进行温度控制,并且能够很好的解决不能够准确测量导压管长度的现象。在选择自调控电缆时应该注意的是,由于此时的蒸汽温度比较高,所以应该尽可能的对保温层的厚度进行增加,从根本上杜绝因热量过高而出现的烫伤事故。另外,此种方案具有了剪切随意、安装便捷以及维护轻松的优势。
MI电缆方案的安装流程如下:将MI伴热带设置于导压管的外部,而后再完成外层的保温设置即算完成。此种电缆方案虽然从理论的角度来看是非常简单且有效的方式,仅仅需要设置单层的保温层即可,并且还具有计量准确、安全系数高、使用时间较长的优点。然而在实际的操作当中,此种方案却具有无法后期更改、制造时间过长以及其他的控制器使用问题。基于此种情况,MI作为恒功率的伴热电缆之后,在所有的回路当中都需要单独设置一个温度调控器,如果高温蒸汽已超过400-500高温的话,那么一般的温控器探头就不能够承受这样的高温,继而在无形当中增加了整个建筑工程的成本。
5 结束语
综上所述,电伴热系统的适用范围较广,不但能够应用到蒸汽伴热的各类场所当中,同时还能够很好的改善因蒸汽伴热而带来的各种问题。为此,在今后的过程当中应该对电伴热的施工方案进行更加合理的设计,继而达到减少投资和缩短工期的最终目的。
参考文献
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[3]郭岩.电伴热技术在电厂的应用[J].哈尔滨职业技术学院学报,2007,12(3):88-89.
作者简介
林琳(1984-),男,吉林省镇赉县人。现为中电投北部湾(广西)热电有限公司助理工程师。研究方向为热工自动化。
韦家鑫(1985-),男,广西壮族自治区桂平市人。中电投北部湾(广西)热电有限公司助理工程师。研究方向为热工自动化。
关键词:CAI教学;高分子化学与物理;实例教学;教学改革
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)20-0268-03
随着高分子科学与技术的不断发展,高分子科学已渗透于各个领域与学科,形成了一个无法替代的交叉学科[1]。对于与高分子相关的专业,专业课程一般设置高分子化学与高分子物理两门课,其中高分子化学侧重聚合反应机理的学习,高分子物理从分子运动的观点出发重点介绍高聚物的结构与性能间的关系。对于食品科学与工程学院的包装工程专业的学生一般将这两门课揉合在一起,开设高分子化学与物理,课程48~72学时之间,要求掌握有关高分子的基本理论知识和应用技能。
对于在食品学院中的包装工程专业,结合北京农学院的办学定位和服务对象,学校专业定位在食品包装技术以及与包装相关的食品质量安全与控制[2]。要培养学生这两个方面的能力,学生的学习内容必须涵盖包装中食品接触材料生产、监管、检测和风险评估等与卫生安全质量相关的各个方面。而讲述这些内容的前提是掌握高分子化学与物理以及包装材料学中关于食品接触材料的各种知识点。我们只有在介绍高分子食品接触材料的特性、用途、生产工艺的基础上,才能让学生懂得食品接触材料安全卫生相关的质量控制和管理要素,培养学生对食品接触材料安全卫生相关的质量控制能力,以及准确合理地选择包装材料进行食品产品包装设计的能力。所以,高分子化学与物理是我们食品包装专业非常重要的专业基础课。
在学校“3+1”的教学模式[3]影响下,高分子化学与物理课程的学时数压缩为56学时。在这样少的学时条件下,要使那些对于高分子完全陌生的学生理解并掌握高分子的基本概念与原理,授课内容的选择及讲授方式是非常重要的。通过几年不断地尝试和教学实践,作者结合非高分子专业学生的特点,积极进行教学改革探索,积累了一定的教学经验,取得了比较满意的教学效果。本文结合我校高分子化学与高分子物理课程教学改革与探索的实际,就教学内容的选择、完善以及教学方式与多媒体课件的研制方面提出一些自己的见解。
一、理论联系实际,调整教学内容,加强实例教学
在传统高分子专业的高分子化学课程中,高分子化学涉及的概念公式繁多,而且复杂难懂,要想完全靠死记硬背记住这些公式是比较困难的,而将这些公式熟练应用则更加困难[4,5]。对于食品包装工程系的学生学习高分子化学对聚合物的化学反应部分应当有目的地选择高分子包装材料所涉及的化学反应进行讲授,对于复杂的聚合反应速率方程的推导可以不学。可重点学习各种包装材料如:聚乙烯,聚碳酸酯,聚氯乙烯,聚偏二氯乙烯,聚乙烯醇,聚对二苯甲酸乙二醇酯等现实经济生活中常用高分子材料的合成方法,重点讲述他们的化学合成方法,催化,以及包装材料中单体与催化剂的残留造成的健康风险。在充分体现学科特点的前提下,适当削减了与专业关系不大的聚合反应机理部分的内容,如配位聚合反应的机理。在“聚合物的化学反应”章节中,增添了与专业相关的化学反应。
比如讲述聚苯乙烯(PS)合成时,应当结合包装专业特点来举例聚苯乙烯合成过程对其在包装工业上的应用具有深刻的影响,如聚苯乙烯发泡餐盒白色污染的风波[6]。向学生解释为何2013年2月,国家发改委“21号令”,将被称做白色污染且长久被认为有毒的一次性聚苯乙烯发泡餐具解禁。解禁依据是什么?通过联系实际,同学们都急切想从专业角度得到解答。10年前国家禁止聚乙烯发泡餐盒的应用是基于以下考虑。
1.PS泡沫塑料餐具带来白色污染的问题。
2.PS泡沫塑料餐具受热65℃时或燃烧时会产生“二英”强致癌物的问题。
3.PS泡沫塑料餐具中含有残存单体苯乙烯或在65℃以上使用会释放出单体致毒的问题。
4.PS泡沫塑料餐具遇热会释放出二聚体、三聚体等危害人体物质的问题。
5.PS泡沫塑料餐具含双酚类,导致生殖机能失常的问题。
6.PS泡沫塑料餐具难以回收利用。
7.PS泡沫塑料餐具不能耐高温,高温变形,不能在微波炉里使用。
从向学生介绍高分子化学中聚苯乙烯的分子构造,聚合机理,聚合方法以及化学反应后处理,我们就能解释第2、3、4、5问题。从高分子化学专业的角度向学生讲述“白色污染”的成因是管理不善及随意丢弃垃圾的人,而不属聚苯乙烯材料本身,PS泡沫塑料餐具≠“白色污染”,更不是造成“白色污染”的元凶。PS的生产过程是苯乙烯单体在高温高压和催化剂作用下,在密封的反应内,无氯条件下进行聚合反应,从而无产生二英的条件。PS泡沫塑料饭盒是直接采用食品级的PS材料,加入滑石粉、硬脂肪酸钙、丁烷等,通过挤出、发泡制得,生产过程全部为物理混合过程,无化学反应,不具备产生二英的条件。如果我们工业界使用符合国家标准的食品级聚苯乙烯原料来制造一次性泡沫发泡饭盒,最终产品很难在单体残留量上超标。而且,国外公布相关报告研究结果,明确澄清有关二聚体、三聚体环境荷尔蒙的问题,它们不属所谓拢乱内分泌的化学物质。食品级PS材料中并没有双酚A,在加工过程中也不可能产生双酚A副产物等。以上解释都需要我们高分子化学的知识,通过理论联系实际,我们能让学生们对学习高分子化学对包装材料的认识加深印象。
再如,讲解聚碳酸酯(PC)[7]的逐步缩聚合成过程中,为了加深学生的理解,引入聚碳酸酯“双酚A风波”。生产聚碳酸酯用到双酚A,在材料与食品相接触后,残留双酚A单体迁移进食品,造成一定的健康风险。从高分子化学角度,向学生解析为何2011年在欧盟和加拿大,双酚A被列为有毒物质,被禁止用于生产婴儿奶瓶。在PC实例中,通过聚合机理,单体结构,聚合单体残留等高分子化学方面的知识向学生们展示PC食品接触材料的优缺点。
同理,我们在讲解聚氯乙烯(PVC)时[8],从分子结构的特点引入“塑化剂风波”,讲述聚氯乙烯由于分子的刚性需要塑化剂才能加工成型,这与食品相接触后必然造成有毒塑化剂的迁移。我们在讲解各种包装材料的高分子合成化学时,就应该通过现实生活的同学们已经有所耳闻、鲜活的例子来帮助学生对知识点的理解与记忆,提升他们对专业的学习兴趣。
二、加强《高分子化学及物理》与《包装材料学》的有机联系
高分子物理部分以分子运动的观点来聚合物的转变与松弛,聚合物的粘弹性,聚合物的力学性能等内容。因为《高分子化学及物理》是为《包装材料学》服务的,应让学生重点掌握高分子结构与性能之间的关系。高分子物理部分是教学重点,在讲解基本概念时,同时注意结合《包装材料学》所涉及的结构与性能之间的关系,使《包装材料学》与《高分子化学及物理》真正有机地融合起来。比如,在讲解聚苯乙烯发泡餐盒的时候,我们还是可以通过餐盒禁止与解禁来讲解其分子的构效关系与应用。以前禁用一次性聚苯乙烯泡沫饭盒,存在很多知识的误区,比如对毒性的误解与使用方法的不当。当加热至聚苯乙烯的玻璃化转变温度(80~90℃)以上,PS转变为高弹态,且保持这种状态在较宽的范围内,PS开始热变形,熔融温度为240℃,PS在高真空和330~380℃下剧烈降解。由于其分子结构的特性,一次性聚苯乙烯饭盒不能在70度以上或微波炉的情况下使用,这和聚丙烯餐盒使用是有很大差异的。由于知识普及不到位,许多人把一次性聚苯乙烯泡沫饭盒在高温下加热,在微波炉使用,造成饭盒溶化变形,并伴有刺激性气味。如果我们知道使用说明,一次性聚苯乙烯餐盒在一定条件下使用是无毒,绿色,安全且价廉,比如,在外就餐,我们可以用价廉的一次性聚乙烯发泡餐盒打包你的冷却后的剩饭剩菜而无需采用价格昂贵的替代产品。我们在讲解聚苯乙烯高分子分子运动时,就应该把分子运动的特点引导到聚苯乙烯作为现实包装材料由于分子运动的特点所带来的优缺点。同理,我们讲解聚氯乙烯分子[8]时,就需要结合高分子物理中分子运动的特点来讲解的塑化剂溶出。讲解聚乙烯醇(PVA)时,就应该把高聚物的结晶与分子之间的氢键作用引入到结晶与分子材料透气透氧之间的关系上。
三、改进了教学手段,有效利用多媒体资源和化学作图软件,运用多种方法加深学生的理解
高分子化学与物理的基本概念繁多,有些概念很容易混淆,还有些概念很抽象,难于理解。针对抽象的概念,我们可以有效利用多媒体资源和化学作图软件,使基本概念的理解变得容易,大大增强了记忆的效果,避免了死记硬背。比如,高分子应力松弛与蠕变讲述。对于蠕变,只是通过经典的教科书上的举例,“如在悬挂的软质PVC丝下面勾住一段一定质量的砝码,软丝会慢慢伸长,撤销砝码后,软丝会慢慢地回缩”这种书本讲解,笔者觉得不足以让学生加深印象。而是应该通过形象的多媒体实验演示或现实实验来讲解。由于实验课时有限,笔者在课前对实验进行录像,然后在课堂上进行视频演示,能很好地帮助学生理解。利用实验能让学生充分理解高分子聚合物的结构与性能之间的关系。
例如,结晶概念的诠释,是比较难比喻生动而且易懂的。高聚物结晶分子的排列在书中被用很小的部分来讲述,但是高分子结晶对高分子薄膜材料物理性质影响显著,对于食品包装的学生,急切需要知道结晶度与透气性的构效关系,但是如此小的篇幅根本不能让学生掌握高分子结晶的知识点。书本上的高分子晶体图学生很难理解,这就需要我们教师去寻找更好的化学物质单晶图,我们可以找刚性的芳香有机物的单晶图来阐述分子间的各种力造成的分子有序堆积。通过这种举例,可以让学生更好的理解高分子链之间相互作用力造成的部分链段的有序堆积。可见,生动的举例对于抽象概念的理解是有很大帮助的。
使用多媒体可以将枯燥乏味的理论知识直观和形象化,可以将教学过程生动地展示给学生,使学生更容易理解所学内容。对于高分子化学与物理中一些概念的讲述,我们需要CAI教学[9],多利用化学分子结构软件制作课件。通过化学软件制作三维空间构型,再结合三维动画,动态演示分子骨架旋转,能轻松地带学生进入微观的分子世界,让抽象的分子结构与概念形象化,有利我们教学。比如高分子链的柔性是由于分子内各个化学键和原子在不停地转动或振动,高分子链的形状时刻在变化着而造成的。如果我们制作动态三维的大分子的内旋转图,让学生亲眼目睹这个“动”,才能更好促进学生对分子动态旋转以及高分子柔性的理解。
四、创设开放性的交流空间,鼓励学生主动参与教学活动
在课程教学过程中,除老师引入实例教学、有效利用多媒体资源等教学措施以外,有时引申话题,创设开放性的交流空间,鼓励学生主动参与教学活动也是非常重要的[10]。采取让学生分组讨论,查找文献,撰写小报告的形式拓展学生的知识面,培养学生自主学习的能力。如,高分子聚合的教学中,结合聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等分子的结构特点说明其应用的基础上,提出问题:“为什么限制聚氯乙烯在食品包装保鲜膜上的应用?”“为什么限制聚碳酸酯在婴儿奶瓶上的应用?”“为何聚苯乙烯餐盒只能在70度以下使用?”以及“为何聚乙烯醇容易结晶以及吸水,这些性质会给作为包装材料的它带来哪些优缺点?”然后学生分组从聚合物分子结构、柔韧性等角度讨论,积极参与到教学活动中。每一个问题都与高分子的基础知识息息相关,都是从一些实际现象引出问题,再通过理论分析加以解释、归纳;这样不仅可以引起学生兴趣,重要的是可以加深学生对基本理论知识的理解和掌握,达到事半功倍的效果。
五、结语
高分子化学与物理是一门理论性强、概念抽象难懂且较难掌握的课程,作为包装工程专业,特别是偏重食品包装技术的学生的重要专业基础课,学生需要在有限的学时里掌握高分子的基本概念和理论,教师则需要不断地探索教学方法,采用多种手段提高教学的交互性和生动性,以调动学生学习的主动性和积极性,才能取得令人满意的教学效果。
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