D010.14028M.cnki.1003-37262012.06.010 第6期 商分子通报 ·107 关于影响高分子材料玻璃化转变温度因素的教学分析 赵亚奇，冯巧，杜玲枝，丁明洁 (河南城建学院化学与化学工程系，平顶山467036) 详述了链 材的用论进行分 代基 高 使的性园阴发学生学习的王兴是，定生货师造行自我教省闲是我 使学生直切 这种理论联 关键词：高分子物理：玻璃化转变温度：教学 引言 玻璃化转变是大多数高分子材料，尤其是非品态高聚物的固有性质，是高分子运动形式转变的宏观 体现，它直接影响到材料的使用性能和工艺性能，决定了高分子材料的用途。因此，长期以来，它都是高 分子物理研究的主要内容。在教学过程中，如何让学生加深对其重要性的认识，并牢牢掌握它，是授课教 师在敦学方法上应该思考和注意的问题 影响玻璃化转变温度(T:)的因素是高分子物理教学过程中的重点。作者作为学校新引进的青年教 师，在开始讲授知识时，容易采用传统教学法，即教师扮演知识传授者的角色，学生往往需要死记硬背已 接受的相关知识要点，教学效果不好。而在教学实践中，采用案例教学法，即以案例为线索，在教学过程 中始终围绕解决案例中的问题开展教学，使学生通过解决案例中的问题达到学习新知识的目的。采用这 种方法进行教学，可以达到事半功倍的效果。 作者以本系2010一2011学年《高分子物理》考试中关于比较聚合物玻璃化转变温度高低的一道试题 为例进行分析，从不同高分子材料的结构特点出发，并结合其用途，探讨了案例教学法的优点，以供讨论。 1 教学内容—影响T。的主要因素山 影响T,的内因主要有分子链的柔性、几何立构，分子间的作用力和分子量等，外因主要是作用力的方式 大小以及实验速率等，另外通过物理化学改性方法（包括增塑、共聚和共混）也可以改变聚合物的T。从内外因 的证关系来看，内因中主链柔性（或主链结构）和取代基的影响是最主要的，也是讲授的难点和重点。 11主链柔性对高分子T,的影响 主链柔性越好，其T。越低。凡是能影响高分子链柔性的因素，都对T。有影响。主链中杂原子的存 在使主链柔性按一S引一()一>一C一O一>一C一C一递减：C与C组成的单双键主链柔性按孤立双键> 单键>共轭双键递减：主链中引入芳（杂）环，分子链刚性增加。 12取代基对高分 子工，的影响 当主链结构相同时，可根据侧基的情况米比较或判断链柔性大小，进而比较T。的高低。当取代基 (侧基)-X为极性基团时，由于使内旋转活化能及分子间作用力增加，因此T。升高。若-X是非极性侧 收稿：2011-07-11：修回：2011-12-21 基金项目：河南城建学院教有科学研究课题“高校科学与科研相结合的教学实践与教学模式研究” 作者简介：赵亚奇(1985一)，男，博士，讲师，主受从事高分子材料与工程专业的教学与科研工作。Ema:h四5891@ C)1994-019 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.net
收稿：２０１１－０７－１１；修回：２０１１－１２－２１； 基金项目：河南城建学院教育科学研究课题“高校科学与科研相结合的教学实践与教学模式研究”； 作者简介：赵亚奇（１９８５－），男，博 士，讲 师，主要从事高分子材料与工程专业的教学与科研工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｙｑ５８９１＠ １６３．ｃｏｍ 关于影响高分子材料玻璃化转变温度因素的教学分析 赵亚奇，冯 巧，杜玲枝，丁明洁 （河南城建学院化学与化学工程系，平顶山 ４６７０３６） 摘要：从《高分子物理》考试试题实例出发，抓住聚合物材料的“结构决定性能，并最终决定用途”这条主线， 详述了链结构因素（主链和取代基）和分子间作用力对聚合物玻璃化转变温度（Ｔｇ）的影响，并结合不同高分子 材料的用途进行分析，使学生真切了解到材料结构与性能及用途之间的关系。这种理论联系实际的案例教学 法有利于加深学生对高分子材料的感性认识，引发学生学习的广泛兴趣，促使教师进行自我教育和提高业务水 平，从而取得良好的教学效果。 关键词：高分子物理；玻璃化转变温度；教学 引言 玻璃化转变是大多数高分子材料，尤其是非晶态高聚物的固有性质，是高分子运动形式转变的宏观 体现，它直接影响到材料的使用性能和工艺性能，决定了高分子材料的用途。因此，长期以来，它都是高 分子物理研究的主要内容。在教学过程中，如何让学生加深对其重要性的认识，并牢牢掌握它，是授课教 师在教学方法上应该思考和注意的问题。 影响玻璃化转变温度（Ｔｇ）的因素是高分子物理教学过程中的重点。作者作为学校新引进的青年教 师，在开始讲授知识时，容易采用传统教学法，即教师扮演知识传授者的角色，学生往往需要死记硬背已 接受的相关知识要点，教学效果不好。而在教学实践中，采用案例教学法，即以案例为线索，在教学过程 中始终围绕解决案例中的问题开展教学，使学生通过解决案例中的问题达到学习新知识的目的。采用这 种方法进行教学，可以达到事半功倍的效果。 作者以本系２０１０～２０１１学年《高分子物理》考试中关于比较聚合物玻璃化转变温度高低的一道试题 为例进行分析，从不同高分子材料的结构特点出发，并结合其用途，探讨了案例教学法的优点，以供讨论。 １ 教学内容———影响Ｔｇ 的主要因素［１］ 影响Ｔｇ 的内因主要有分子链的柔性、几何立构、分子间的作用力和分子量等，外因主要是作用力的方式、 大小以及实验速率等，另外通过物理化学改性方法（包括增塑、共聚和共混）也可以改变聚合物的Ｔｇ。从内外因 的辩证关系来看，内因中主链柔性（或主链结构）和取代基的影响是最主要的，也是讲授的难点和重点。 １．１ 主链柔性对高分子Ｔｇ 的影响 主链柔性越好，其Ｔｇ 越低。凡是能影响高分子链柔性的因素，都对 Ｔｇ 有影响。主链中杂原子的存 在使主链柔性按—Ｓｉ—Ｏ—＞—Ｃ—Ｏ—＞—Ｃ—Ｃ—递减；Ｃ 与 Ｃ 组成的单 双 键 主 链 柔 性 按 孤 立 双 键＞ 单键＞共轭双键递减；主链中引入芳（杂）环，分子链刚性增加。 １．２ 取代基对高分子Ｔｇ 的影响 当主链结构相同时，可根据侧基的情况来比较或判断链柔性大小，进而比较 Ｔｇ 的高低。当取代基 （侧基）－Ｘ为极性基团时，由于使内旋转活化能及分子间作用力增加，因 此 Ｔｇ 升 高。若－Ｘ 是 非 极 性 侧 第６期 高 分 子 通 报 · ７０１ · DOI:10.14028/j.cnki.1003-3726.2012.06.010
.108 高分子酒报 2012年6月 基，其影响主要是空间阻碍效应。侧基体积愈大，对单键内旋转阻码愈大，链的柔性下降，所以T。升高 但对于柔性侧基，随若侧基增长，T。会大幅度降低。另外，取代基的数量和对称性也会对高分子链柔顺 性产生影响，从而影响T的大小 除此之外，分子间作用力大小对聚合物的工。也有较大影响 一般来说，高分子链间相互作用降低了 链的活动性，因而T。升高。从本质上看，分子间作用力大小归根结底与聚合物的主链结构和侧基结构有 关。在金日光版《高分子物理》的教学内容中，“分子间作用力”的强弱可以用内聚能或内聚能密度(CED) 来表示，并根据其大小对高分子材料进行分类。由此可见，在比较不同聚合物的T。高低时，可以反映出 高分子材料用途的相关内容，有利于知识面的扩展。 2试题分析 本系2010一2011学年《高分子物理》考试中关于比较玻璃化转变温度高低的试题内容如下！ 写出下列聚合物的结构式及简写，比较其T.高低，并说明理由。（分值：10分） (1)顺丁橡胶：(2)氨丁橡胶：(3)聚丙烯睹：(4)聚二甲基硅氧烷：(5)聚对苯二甲酸乙二酯 关于这种类型的试题，如果在教学过程中，采用一般的教学方法是按照第1部分所述规则，列举出料 应的聚合物，根据其柔顺性大小，判断聚合物的T。高低。这种教学方法需要学生死记硬背，仅有较少的 理解，而对所列举的聚合物本身并没有什么感性认识，其教学效果往往不好，并且学生考试时得分较低。 对此可以做出加下分析 21链结构（主链和取代基）影响 甲基硅氧烷(PDMS)的主链中含 性最好的聚合物主链单键其液体状态下可价 为耐高温的导热硅油使用：经过交联（硫化）后，即成为性能优异的橡胶。聚对苯二甲酸乙二酯(PET)树脂是 采用对苯二甲酸代替尼龙生产工艺中的脂肪族二元酸成功合成的，主链中引入刚性苯环结构会使柔性显著 下降，T温度较高，成为广泛应用的聚酯纤维（即涤纶纤维），并可用作工程塑料和包装材料等。杜邦公司的 科学家Kevlar在脂肪族尼龙的基础上，合成出了主链含苯环的聚 装一 甲酰对苯二胺(PPTA)芳香族尼龙 并通过液晶纺丝技术，开发成功了高强有机纤维，用于防弹衣等的制造，其工比PET更高 对于主链结构相似的聚合物来说，需要从侧基基团的极性进行分析，带有极性基团如羧基、氯原子、氧 基的聚合物刚性较大，其T,温度较高。试题中所提到的顺丁橡胶(BR)是由1,3一丁二烯聚合而成的顺式 结构橡胶，而氯丁橡胶(CR)是由氯丁一烯单体进行乳液聚合而成的聚合体。两者主链上均含孤立双键，其 柔顺性较好，是典型的橡胶材料：后者含有一定数量的极性取代基，使其主链柔顺性略有下降。相比之下 BR胶的优点是：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合 缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。使用温度范围：约一60℃十100℃ 般多和天然榨 胶或丁装换歌并用，主要制作轮胎胎面运输带和特殊耐寒制品)。CR换胶分子中含有氯原子，所以与其 它通用橡胶相比，它且有代良的抗氢，抗臭氧性，不易燃，若火后能自熄，耐油、耐落剂、耐酸碱以及耐老化、气 密性好等优点：其物理机械性能也比天然橡胶好，故可用作通用檬胶，也可用作特种橡胶 主要缺点是耐寒 性较差，比重较大，相对成本高，电绝缘性不好，加工时易粘滚、易焦烧及易粘模。此外，生胶稳定性差，不易 保存。使用温度范围：约一45℃一十100℃，其T。高于BR橡胶，使得CR橡胶不能作为轮胎材料使用团。主 要用于制造要求抗臭氧、耐老化性高的电缆护套及各种防护套、保护罩；耐油、耐化学腐蚀的胶管、胶带和化 工衬里，耐燃的地下采矿用换胶制品，以及各种模压制品率封垫粘结剂等 除此之外 主链中含有孤立双健的聚 物，它们的单体是共轭二烯类单体 而主链含共轭双健的 合物柔顺性很差，T。温度较高。如]聚乙炔、聚苯、聚苯胺等，它们是典型的结构性导电聚合物，2000年 Heeger、Macdiarmid和Shirakawa三个科学家由于在导电聚合物方面的研究工作获得了诺贝尔化学奖， 这类高分子的主链刚性非常强，难于加工成型，极大限制了其应用领战叮。 对于聚丙烯睛(PAN)聚合物，其主链为柔性一C一C一单键，但其取代基氰基之间存在强烈的相互价 用，使其T,温度升高，并且氰基能够增加大分子与溶剂之间的相互作用，有利于形成性能优异的纺丝 C)1994-2019 China Academie Joumal Eleetronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
基，其影响主要是空间阻碍效应。侧基体积愈大，对单键内旋转阻碍愈大，链的柔性下降，所以 Ｔｇ 升高。 但对于柔性侧基，随着侧基增长，Ｔｇ 会大幅度降低。另外，取代基的数量和对称性也会对高分子链柔顺 性产生影响，从而影响Ｔｇ 的大小。 除此之外，分子间作用力大小对聚合物的Ｔｇ 也有较大影响。一般来说，高分子链间相互作用降低了 链的活动性，因而Ｔｇ 升高。从本质上看，分子间作用力大小归根结底与聚合物的主链结构和侧基结构有 关。在金日光版《高分子物理》的教学内容中，“分子间作用力”的强弱可以用内聚能或内聚能密度（ＣＥＤ） 来表示，并根据其大小对高分子材料进行分类。由此可见，在比较不同聚合物的 Ｔｇ 高低时，可以反映出 高分子材料用途的相关内容，有利于知识面的扩展。 ２ 试题分析 本系２０１０～２０１１学年《高分子物理》考试中关于比较玻璃化转变温度高低的试题内容如下： 写出下列聚合物的结构式及简写，比较其Ｔｇ 高低，并说明理由。（分值：１０分） （１）顺丁橡胶；（２）氯丁橡胶；（３）聚丙烯腈；（４）聚二甲基硅氧烷；（５）聚对苯二甲酸乙二酯。 关于这种类型的试题，如果在教学过程中，采用一般的教学方法是按照第１部分所述规则，列举出相 应的聚合物，根据其柔顺性大小，判断聚合物的Ｔｇ 高低。这种教学方法需要学生死记硬背，仅有较少的 理解，而对所列举的聚合物本身并没有什么感性认识，其教学效果往往不好，并且学生考试时得分较低。 对此，可以做出如下分析： ２．１ 链结构（主链和取代基）影响 聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）的主链中含—Ｓｉ—Ｏ—键是柔顺性最好的聚合物主链单键，其液体状态下可作 为耐高温的导热硅油使用；经过交联（硫化）后，即成为性能优异的橡胶。聚对苯二甲酸乙二酯（ＰＥＴ）树脂是 采用对苯二甲酸代替尼龙生产工艺中的脂肪族二元酸成功合成的，主链中引入刚性苯环结构会使柔性显著 下降，Ｔｇ 温度较高，成为广泛应用的聚酯纤维（即涤纶纤维），并可用作工程塑料和包装材料等。杜邦公司的 科学家 Ｋｅｖｌａｒ在脂肪族尼龙的基础上，合成出了主链含苯环的聚对苯二甲酰对苯二胺（ＰＰＴＡ）芳香族尼龙， 并通过液晶纺丝技术，开发成功了高强有机纤维，用于防弹衣等的制造，其Ｔｇ 比ＰＥＴ更高［１］。 对于主链结构相似的聚合物来说，需要从侧基基团的极性进行分析，带有极性基团如羧基、氯原子、氰 基的聚合物刚性较大，其Ｔｇ 温度较高。试题中所提到的顺丁橡胶（ＢＲ）是由１，３－丁二烯聚合而成的顺式 结构橡胶，而氯丁橡胶（ＣＲ）是由氯丁二烯单体进行乳液聚合而成的聚合体。两者主链上均含孤立双键，其 柔顺性较好，是典型的橡胶材料；后者含有一定数量的极性取代基，使其主链柔顺性略有下降。相比之下， ＢＲ橡胶的优点是：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合。 缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。使用温度范围：约－６０℃～＋１００℃。一般多和天然橡 胶或丁苯橡胶并用，主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品［２］。ＣＲ橡胶分子中含有氯原子，所以与其 它通用橡胶相比：它具有优良的抗氧、抗臭氧性，不易燃，着火后能自熄，耐油、耐溶剂、耐酸碱以及耐老化、气 密性好等优点；其物理机械性能也比天然橡胶好，故可用作通用橡胶，也可用作特种橡胶。主要缺点是耐寒 性较差，比重较大、相对成本高，电绝缘性不好，加工时易粘滚、易焦烧及易粘模。此外，生胶稳定性差，不易 保存。使用温度范围：约－４５℃～＋１００℃，其Ｔｇ 高于ＢＲ橡胶，使得ＣＲ橡胶不能作为轮胎材料使用［２］。主 要用于制造要求抗臭氧、耐老化性高的电缆护套及各种防护套、保护罩；耐油、耐化学腐蚀的胶管、胶带和化 工衬里；耐燃的地下采矿用橡胶制品，以及各种模压制品、密封圈垫、粘结剂等［２］。 除此之外，主链中含有孤立双键的聚合物，它们的单体是共轭二烯类单体。而主链含共轭双键的聚 合物柔顺性很差，Ｔｇ 温 度 较 高。如 聚 乙 炔、聚 苯、聚 苯 胺 等，它们是典型的结构性导电聚合 物，２０００年 Ｈｅｅｇｅｒ、Ｍａｃｄｉａｒｍｉｄ和Ｓｈｉｒａｋａｗａ三个科学家由于在导电聚合物方面的研究工作获得了诺贝尔化学奖， 这类高分子的主链刚性非常强，难于加工成型，极大限制了其应用领域［１］。 对于聚丙烯腈（ＰＡＮ）聚合物，其主链为柔性—Ｃ—Ｃ—单键，但其取代基氰基之间存在强烈的相互作 用，使其Ｔｇ 温度升高，并且氰基能够增加大分子与溶剂之间的相互作用，有利于形成性能优异的纺丝原 · ８０１ · 高 分 子 通 报 ２０１２年６月
第6海 高分子通报 109. 液。该聚合物外观通常为白色粉末状或略带黄色，主要用于生产合成纤维（俗称睛纶），其特点是蓬松性 和保暖性好，手感柔软，并具有良好的时气候性和防霉、防蛀性能。除此之外，高性能PAN纤维又能作为 高性能碳纤维的前驱体，扩展了其在国防和民用领域的应用四 通过以上分析可以看出，试题中提到的不同聚合物的T温度高低顺序为：PAN>PET>CR>BR> PDMS。在对这几种聚合物的T。温度进行比较时，还可以熟悉不同聚合物的化学结构特征、英文缩写及 其用途等方面的内容，有利于全面掌握高分子材料的相关理论知识 22 其它高分子材料的T对比 聚酯材料中，除了含有苯环的芳香族聚酯材料（如上述的PET和聚对苯二甲酸丁二酯PT)外，还有脂 肪族聚酯材料（如聚己二酸多元醇酯等）。比较聚己二酸多元醇酯的T。高低时，需要考虑柔性单键一C )一基团的数量，例如聚己二酸乙二酯的T低于聚己二酸丁二酯的T。脂肪族聚酯材料主链中未含苯环 等刚性基团，其链柔顺性较高，主要用作涂料和胶粘剂等。比较PET和PBT等芳香族聚酯T高低时，需要 考虑的是苯环的数量，而不再是比较一C一0一的数量，这是由于苯环对工，的影响占据 主要地位。PB 中苯环含量低，所以它较PET柔顺性好，这是一种具有较高时冲击强度的热塑性工程塑料可。 橡胶材料中还包括天然橡胶(NR)、异戊橡胶(IR)、丁苯橡胶(SBR)、丁睛橡胶(NBR)和丁基橡胶 ()等。比较这些材料的T时，需要分清这些橡胶的化学组分。一般结合主链结构和侧基极性基本可 以区分出来。由于化学结构方面的差异，决定了不同材质的橡胶材料具有不同的用途 另外一类比较常见的高分子材料 聚酰胺(PA,俗称尼龙)分子娃间存在较强的氢健，使其具有良 好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻 燃性，易于加工，话于用玻璃纤维和其它填料填充增强收性，提高性能和扩大应用范围。与PET一样，概 可作为纤维材料使用，也是 类重要的工程塑料，其T。范围与PET比较接近，具体可以根据不同尼龙的 化学结构进行分析。 23聚合物分子间作用力对T,的影响 聚合物的结构（包括主链结构和侧基结构等）决定了聚合物的性能和用途，分子间作用力的大小是聚合物 结构特征的反映。因此，比较不同聚合物的分子间作用力大小（或CED值大小）可以直接对其T,温度高低进 行定性判断。根据CED值的大小对三大高分子材料进行分类 一般CED在30/cm以下的聚合物都是 极性聚合物，分子间作用力主要是色散力，比较弱，分子链属于柔性链，具有高弹性，可用作橡胶。聚乙烯例外， 它易于结品而失去弹性，呈现出塑料特性。CED在4O0J/cm2以上的聚合物，由于分子链上有较强的极性基团 或者分子间能形成氢键，相互作用很强，因而有较好的力学强度和耐热性，加上易于结品和取向，可成为优良的 纤维材料。 CED在 300 400J/m之间的聚合物，分子间相互作用居中，适合于作塑料。 如21节所述，上述不同高分子材料的T。温度高低顺序应为PAN>PET>CR>BR>PDMS,这与 其CED值的大小顺序是一致的。当能够较清楚的了解试题中所述高聚物的用途时，首先可以对不同聚 合物讲行分类。三大高分子材料的CED值大小可以反映分子间作用力大小：纤维>塑料>换胶，从而反 映出不同聚合物的T,温度高低 般情况下，工，温度高低的顺序遵循分子间作用力大小的顺序 然，有些材料由于其结构复杂性，应用领域广泛，在比较这些材料的T。温度高低时较为困难，具体可以相 据其详细的结构特征确定T温度高低。还有一些材料，如聚乙烯(PE)和聚丙橘(PP)其主链柔顺性很 高，却易于结品而失去弹性，呈现出塑料特性」 从试题内容可以看出，(1)BR,(2)CR和(4)PDMS由于其超柔顺的主链结构，决定了其主要应用于 橡胶材料和产品的制备(3)PAN聚合物由于其氯基侧基能与溶剂分子之间产生的强烈极性作用，可用 于纺丝成形生产腈纶和碳纤维，属于纤维材料：(5)PET聚合物由于其苯环刚性结构和柔性一C一C 及一C一()一单键共同存在的复杂性，使其在纤雄生在（即涤轮纤维）和期料加工（主要是工程期料和句装 材料)签领域应用广泛。同样地，当对出不同聚合物材料（壁如22节提到的以及一些未提到的高分子材 料)的T。温度时，均可根据其分子间作用力大小，结合不同材料的结构特征进行相关分析 总体上来说，不同高分子材料的分子结构特征决定了其主链的柔顺性，造成其T。温度和用途的若 C)1994-2019 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.nc
液。该聚合物外观通常为白色粉末状或略带黄色，主要用于生产合成纤维（俗称腈纶），其特点是蓬松性 和保暖性好，手感柔软，并具有良好的耐气候性和防霉、防蛀性能。除此之外，高性能ＰＡＮ 纤维又能作为 高性能碳纤维的前驱体，扩展了其在国防和民用领域的应用［３］。 通过以上分析可以看出，试题中提到的不同聚合物的Ｔｇ 温度高低顺序为：ＰＡＮ＞ＰＥＴ＞ＣＲ＞ＢＲ＞ ＰＤＭＳ。在对这几种聚合物的Ｔｇ 温度进行比较时，还可以熟悉不同聚合物的化学结构特征、英文缩写及 其用途等方面的内容，有利于全面掌握高分子材料的相关理论知识。 ２．２ 其它高分子材料的Ｔｇ 对比 聚酯材料中，除了含有苯环的芳香族聚酯材料（如上述的ＰＥＴ和聚对苯二甲酸丁二酯 ＰＢＴ）外，还有脂 肪族聚酯材料（如聚己二酸多元醇酯等）。比较聚己二酸多元醇酯的Ｔｇ 高低时，需要考虑柔性单键—Ｃ— Ｏ—基团的数量，例如聚己二酸乙二酯的Ｔｇ 低于聚己二酸丁二酯的Ｔｇ。脂肪族聚酯材料主链中未含苯环 等刚性基团，其链柔顺性较高，主要用作涂料和胶粘剂等。比较ＰＥＴ和ＰＢＴ等芳香族聚酯Ｔｇ 高低时，需要 考虑的是苯环的数量，而不再是比较—Ｃ—Ｏ—的数量，这是由于苯环对Ｔｇ 的影响占据了主要地位。ＰＢＴ 中苯环含量低，所以它较ＰＥＴ柔顺性好，这是一种具有较高耐冲击强度的热塑性工程塑料［１，４］。 橡胶材料中还包括 天 然 橡 胶（ＮＲ）、异 戊 橡 胶（ＩＲ）、丁 苯 橡 胶（ＳＢＲ）、丁 腈 橡 胶（ＮＢＲ）和 丁 基 橡 胶 （ＩＩＲ）等。比较这些材料的Ｔｇ 时，需要分清这些橡胶的化学组分。一般结合主链结构和侧基极性基本可 以区分出来。由于化学结构方面的差异，决定了不同材质的橡胶材料具有不同的用途。 另外一类比较常见的高分子材料———聚酰胺（ＰＡ，俗称尼龙）分子链间存在较强的氢键，使其具有良 好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻 燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。与 ＰＥＴ 一样，既 可作为纤维材料使用，也是一类重要的工程塑料，其Ｔｇ 范围与 ＰＥＴ 比较接近，具体可以根据不同尼龙的 化学结构进行分析。 ２．３ 聚合物分子间作用力对Ｔｇ 的影响 聚合物的结构（包括主链结构和侧基结构等）决定了聚合物的性能和用途，分子间作用力的大小是聚合物 结构特征的反映。因此，比较不同聚合物的分子间作用力大小（或ＣＥＤ 值大小）可以直接对其Ｔｇ 温度高低进 行定性判断。根据ＣＥＤ 值的大小对三大高分子材料进行分类［４］，一般ＣＥＤ 在３００Ｊ／ｃｍ３ 以下的聚合物都是非 极性聚合物，分子间作用力主要是色散力，比较弱，分子链属于柔性链，具有高弹性，可用作橡胶。聚乙烯例外， 它易于结晶而失去弹性，呈现出塑料特性。ＣＥＤ 在４００Ｊ／ｃｍ３ 以上的聚合物，由于分子链上有较强的极性基团 或者分子间能形成氢键，相互作用很强，因而有较好的力学强度和耐热性，加上易于结晶和取向，可成为优良的 纤维材料。ＣＥＤ 在３００～４００Ｊ／ｃｍ３ 之间的聚合物，分子间相互作用居中，适合于作塑料。 如２．１节所述，上述不同高分子材料的Ｔｇ 温度高低顺序应为 ＰＡＮ＞ＰＥＴ＞ＣＲ＞ＢＲ＞ＰＤＭＳ，这与 其ＣＥＤ 值的大小顺序是一致的。当能够较清楚的了解试题中所述高聚物的用途时，首先可以对不同聚 合物进行分类。三大高分子材料的ＣＥＤ 值大小可以反映分子间作用力大小：纤维＞塑料＞橡胶，从而反 映出不同聚合物的Ｔｇ 温度高低。一般情况下，Ｔｇ 温度高低的顺序遵循分子间作用力 大 小 的 顺 序。当 然，有些材料由于其结构复杂性，应用领域广泛，在比较这些材料的Ｔｇ 温度高低时较为困难，具体可以根 据其详细的结构特征确定Ｔｇ 温度高低。还有一些材料，如聚乙烯（ＰＥ）和聚丙烯（ＰＰ）其主链柔顺性很 高，却易于结晶而失去弹性，呈现出塑料特性。 从试题内容可以看出，（１）ＢＲ、（２）ＣＲ和（４）ＰＤＭＳ由于其超柔顺的主链结构，决定了其主要应用于 橡胶材料和产品的制备；（３）ＰＡＮ 聚合物由于其氰基侧基能与溶剂分子之间产生的强烈极性作用，可用 于纺丝成形生产腈纶 和 碳 纤 维，属 于 纤 维 材 料；（５）ＰＥＴ 聚合物由于其苯环刚性结构和柔性—Ｃ—Ｃ— 及—Ｃ—Ｏ—单键共同存在的复杂性，使其在纤维生产（即涤纶纤维）和塑料加工（主要是工程塑料和包装 材料）等领域应用广泛。同样地，当对比不同聚合物材料（譬如２．２节提到的以及一些未提到的高分子材 料）的Ｔｇ 温度时，均可根据其分子间作用力大小，结合不同材料的结构特征进行相关分析。 总体上来说，不同高分子材料的分子结构特征决定了其主链的柔顺性，造成其 Ｔｇ 温度和用途的差 第６期 高 分 子 通 报 · ９０１ ·
·110· 高分子道报 2012年6月 异，即材料结构决定性能，并最终决定材料用途。 3案例教学的益处 上述教学分析从《高分子物理》考试试题出发，列举出了不同的聚合物案例，如果在教学实践过程 教学效果可。这种案例教学法，不是机械的教学和知识的灌输，而是一种有意义的教与学的过程。不但 可以帮助学生形成良好的认知结构，易于同化或顺应新的知识，而且促使教师更为深刻地认识到教学工 作中的重点和难点，帮助教师进行自我教育和成长，提高业务水平)。 在各种版本的高分子物理教材中，都列出了影响聚合物玻璃化转变温度的各种结构因素，也列出了 各种常见聚合物玻璃化转变温度的高低，采用传统的讲授教学法，学生没有感性认识，可以说是按照条条 框框来比较，不知道玻璃化转变温度的高低到底会反映出聚合物材料的什么性质。通过案例法教学，学 生不仅逐渐学会了如何处理众多的疑难问题，可以从中获得丰富的知识，面且有助于提高其表达和讨论 技能，增强其面对困难的自信心[司。 4结语 作为高校教师，教学工作和教学成绩是教师的立身之本，尤其是青年教师应该把教学放在第一位， 在教学过程中，教师要做到“站稳讲台”、“态度上重视”和“行动中落实”。但不能总是疲于整理知识点，无 心设计和丰富课堂教学。一个优秀的课堂教学，应该鼓励学生独立思考，引导学生变注重知识为注重能 力，并且重视双向交流。案例教学法具备这样的特点，其它诸如问题探究式，训练与实践式等能够获得良 好教学效果的敦学方法，都应该用于高校的课堂教学上，这样才能培养出具有高素质的综合型人才 参考文献： ,北京：化学工业出版社20 Teaching Analysis of the Affecting Factors to Glass Transition Temperatures of Polymer Materials Construction.Pingdingshan 467036.China) Abstract:Properties of polymer materials are determined by their structures,and finally affect their applications.Catching this primary point and combining applications of different polymer materials, effects of chain structure (including main chain and substitute group)on glass transition temperatures are detailedly discussed from the test question in the examination of polymer physics.Relationshin between structure and property is deeply comprehended by the students.The case teaching method makes the students'perceptual knowledge of polymer materials and learning interests to be improved Furthermore,the teachers'self-education and professional skills are promoted.And then the teaching effect will be much better than the normal method. Key words:Polymer Physics:Glass transition temperatures:Teaching C)1994-2019 China Academie Joumal Eleetronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
异，即材料结构决定性能，并最终决定材料用途。 ３ 案例教学的益处 上述教学分析从《高分子物理》考试试题出发，列举出了不同的聚合物案例。如果在教学实践过程 中，针对不同的聚合物案例，首先从其结构特点出发，然后再结合其材料用途进行讲授，不仅能够引起同 学们的广泛兴趣，活跃课堂气氛，丰富课堂教学内容，而且能够达到理论联系实际的目的，取得非常好的 教学效果［１］。这种案例教学法，不是机械的教学和知识的灌输，而是一种有意义的教与学的过程。不但 可以帮助学生形成良好的认知结构，易于同化或顺应新的知识，而且促使教师更为深刻地认识到教学工 作中的重点和难点，帮助教师进行自我教育和成长，提高业务水平［５］。 在各种版本的高分子物理教材中，都列出了影响聚合物玻璃化转变温度的各种结构因素，也列出了 各种常见聚合物玻璃化转变温度的高低，采用传统的讲授教学法，学生没有感性认识，可以说是按照条条 框框来比较，不知道玻璃化转变温度的高低到底会反映出聚合物材料的什么性质。通过案例法教学，学 生不仅逐渐学会了如何处理众多的疑难问题，可以从中获得丰富的知识，而且有助于提高其表达和讨论 技能，增强其面对困难的自信心［５］。 ４ 结语 作为高校教师，教学工作和教学成绩是教师的立身之本，尤其是青年教师应该把教学放在第一位。 在教学过程中，教师要做到“站稳讲台”、“态度上重视”和“行动中落实”。但不能总是疲于整理知识点，无 心设计和丰富课堂教学。一个优秀的课堂教学，应该鼓励学生独立思考，引导学生变注重知识为注重能 力，并且重视双向交流。案例教学法具备这样的特点，其它诸如问题探究式、训练与实践式等能够获得良 好教学效果的教学方法，都应该用于高校的课堂教学上，这样才能培养出具有高素质的综合型人才。 参考文献： ［１］ 姚金水，李梅，张献，乔从德，刘伟良．高分子通报，２０１０（４）：７１～７３． ［２］ 张留成，瞿雄伟，丁会利．高分子材料基础，第二版．北京：化学工业出版社，２００７． ［３］ 王成国，朱波．聚丙烯腈基碳纤维．北京：科学出版社，２０１１． ［４］ 金日光，华幼卿．高分子物理，第三版．北京：化学工业出版社，２００６． ［５］ 王香梅，张丽华，王存东．高分子通报，２００７（４）：７１～７３． ＴｅａｃｈｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＡｆｆｅｃｔｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｔｏＧｌａｓｓＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆＰｏｌｙｍｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓ ＺＨＡＯＹａ－ｑｉ，ＦＥＮＧ Ｑｉａｏ，ＤＵＬｉｎｇ－ｚｈｉ，ＤＩＮＧ Ｍｉｎｇ－ｊｉｅ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＵｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ４６７０３６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｉｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｆｆｅｃｔｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｃａｔｃｈｉｎｇｔｈｉｓｐｒｉｍａｒｙｐｏｉｎｔａｎｄｃｏｍｂｉｎｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｈａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍａｉｎｃｈａｉｎａｎｄｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｇｒｏｕｐ）ｏｎｇｌａｓｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｒｅｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｆｒｏｍｔｈｅｔｅｓｔｑｕｅｓｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＰｏｌｙｍｅｒＰｈｙｓｉｃｓ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｉｓｄｅｅｐｌｙｃｏｍｐｒｅｈｅｎｄｅｄｂｙｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃａｓｅｔｅａｃｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｍａｋｅｓｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｆｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇｉｎｔｅｒｅｓｔｓｔｏｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｔｅａｃｈｅｒｓ’ｓｅｌｆ－ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｓｋｉｌｌｓａｒｅｐｒｏｍｏｔｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｗｉｌｌｂｅｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｎｏｒｍａｌｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｏｌｙｍｅｒＰｈｙｓｉｃｓ；Ｇｌａｓｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ；Ｔｅａｃｈｉｎｇ · ０１１ · 高 分 子 通 报 ２０１２年６月