聚合物多孔微球制备实验探索_陈健壮.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .聚合物多孔微球制备实验探索陈健壮，宫晓萌，王雪红，支东彦，董 旭，杨晓玲，庄启昕（华东理工大学材料科学与工程学院，上海）摘 要：与时俱进地更新实验教学内容对于培养符合新时代发展需求的科技创新型人才十分重要。该文将静电喷雾和呼吸图技术相结合制备聚合物多孔微球的研究引入到高校实验教学中，成功制备出表面具有纳米孔结构的聚合物微球。一方面，学生在实验课程中增加了参与度，并极大地激发了实验兴趣；另一方面，学生通过对微球形貌、性能表征和结果分析，提高独立进行数据分析处理和解决问题的能力，有利于培养大学生创新性研究思维和创新实践能力。关键词：静电喷雾技术；呼吸图技术；多孔微球；新实验探索；创新能力培养中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）基金项目：上海市自然科学基金面上项目（：）；上海市教育系统工会理论研究课题（：）；华东理工大学大学生创新创业训练计划（：、）。第一作者：陈健壮（），男，实验师，主要从事功能性超分子聚合物材料方面的研究。通讯作者：杨晓玲（），女，副研究员，主要从事多尺度结构功能材料方面的研究。，（，）：.，.，.：；将最新的高水平科研成果引入到实验教学中，与时俱进地更新实验教学内容，已成为推动高等学校实验教学内容改革的重要方向。实验教学改革对培养符合新时代发展需求的科技创新型人才和推动“双一流”高校建设具有重要的现实意义。将最新科学研究成果转化为实验教学内容，让学生在求学过程中就可以熟悉当前最新的科技前沿知识，在实验教学过程中增加学生参与实验设计的内容，极大地激发学生的实验兴趣，有利于培养大学生的创新性研究思维和创新实践能力。静电喷雾技术及其机理静电喷雾技术是一种利用静电场作用，高效制备聚合物微米或纳米粒子的技术，在制备功能化微纳米材料领域展现出了巨大的应用价值。静电喷雾技术具有操作简便、快速、沉积高效、覆盖均匀、重现性好、适用于非平面的基底、膜厚可调和适合规模生产等优点。静电喷雾技术已广泛应用在智能薄膜、功能涂层、燃料电池、生物制药、农业生产和工业喷涂等领域。静电喷雾技术机理大致分为三个阶段：（）形成泰勒锥。利用高压静电装置使喷嘴处的聚合物溶液带电，在静电场作用、液体表面张力和重力共同作用下，喷嘴尖端半圆形液滴转变为锥状，即泰勒锥；（）形成细小射流。当电场作用力大于液体表面张力后，泰勒锥尖端喷出细小的射流，射流受到电场力拉伸、空气摩擦和溶液表面张力作用，产生震荡，进行螺旋运动，射流进一步拉细；（）形成带电小液滴。当电场作用力与表面张力相平衡并达到瑞利极限时，细小射流下端开始破碎，形成微小液滴。在多种作用力协同作用下，微小液滴可以进一步破碎成直径更小且更均匀的液滴。带电小液滴在静电场第 卷第 期陈健壮，等：聚合物多孔微球制备实验探索 力的作用下，加速运动并沉积到接收板上，待溶剂挥发完全即得到了聚合物微 纳米粒子。静电喷雾和呼吸图协同组装新技术呼吸图技术是一种高效制备大面积有序多孔膜或规整微球组装膜的方法，可以通过对聚合物种类、浓度、溶剂、基底、温度、湿度等制膜条件的调控，制备出具有多种孔结构和微球形貌的薄膜。该方法具有成本低、操作简便、水滴或溶剂模板可以方便去除等优点。将静电喷雾和呼吸图技术相结合，可以实现两种组装技术的优势互补，得到形貌更加丰富的多级结构组装体薄膜。本课题基于构建的具有刺激响应性的准聚轮烷超分子聚合物，利用静电喷雾和呼吸图技术相结合的新技术，成功制备出具有多孔结构的纳米片组成的功能性薄膜。研究表明，组成该薄膜的纳米片表面的微观结构可以通过外界环境刺激进行调控，进而实现薄膜水滴粘附力的改变。进一步，将具有光响应性的基团引入到准聚轮烷体系中，利用静电喷雾和呼吸图协同组装新技术，可以制备出具有光响应性的薄膜，为制备性能更加丰富和功能更加集成的智能薄膜提供了可能。药品与试剂三氯甲烷（，分析纯）、四氢呋喃（，分析纯）、甲苯（，分析纯）和，二甲基甲酰胺（，分析纯）均购自上海泰坦科技股份有限公司；聚亚甲基嵌段聚己内酯（.，.）参考文献制备。多孔聚合物微球的制备与表征.多孔聚合物微球的制备将 溶解到:（质量比）或:（质量比）的混合溶液中，配置成不同质量分数（，）的溶液备用。静电喷雾用高压电源（天津东文高压电源厂，型号）；静电喷雾条件：下，相对湿度，工作电压为 ，接收距离 ，注射速度.。.多孔聚合物微球的表征将微球样品直接喷到铜网上，通过透射电子显微镜（，）观察微球结构；将微球样品喷到铝箔上，经真空溅射（，）后，利用扫描电子显微镜（，）观察，工作电压.，拍摄所需放大倍数的图片并保存以供分析。静电喷雾和呼吸图协同组装新技术引入实验教学.静电喷雾和呼吸图协同组装新技术的实验教学内容设计将静电喷雾和呼吸图协同组装新技术引入到实验教学内容中，选用 为原料，考察不同影响因素（工作电压、注射速度、接收距离、聚合物浓度、湿度和有机溶剂等）对制备的微球表面形貌及性质的影响规律，通过扫描电镜（）、透射电镜（）和接触角等表征手段，优化工艺参数，成功制备出规整 多孔微球（流程如图 所示）。图 静电喷雾和呼吸图协同组装新技术制备聚合物多孔微球流程图.通过优化的工艺参数，采用创新实验的形式，尝试针对多组大学生同时开展相关实验的可行性方案；总结相关经验，形成能够极大激发大学生的实验兴趣，培养大学生创新性研究思维和创新实践能力的实验教学内容，实现推动高校实验教学内容改革，促进“双一流”高校建设的目标。.静电喷雾和呼吸图协同组装新技术制备聚合物多孔微球实例图 （:（质量比）制备的多孔组装体的 图.（:（）选用 为原料，通过静电喷雾和呼吸图协同组装新技术制备聚合物微球。我们通过扫描电镜对比研究了不同浓度条件下 样品在:（质量比）的混合溶液中制备的微球形貌。研究发现，相对湿度 时，质量分数 时，得到的组装体为蝌蚪形或哑铃形结构且表面都为多孔结构（如图 所示）。说明浓度较高时，由于溶液粘度较大，有利于聚合物链间的缠结，趋向于形成线形纤维结构，不利于微球的形成。当降低 样品质量分数到 时，得到的组装体已看不到线形纤维形貌，全部为表面多孔的塌陷微球（如图 所示），说明浓度降低有利于微球组装体的形成。进一步降低样品浓度发现，质量分数 为、和时，得到的微球大小基本相同（约.），且表面都为多孔结构。只是 时，得到的微球表面褶皱较多且孔的数量相对较少和直径相对较小（如图 所示）。较低质量分数（）条件下，制备的微球表面已基本没有褶皱且孔的数量相对较多和直径相对较大（如图 所示）。原因可能是较低浓度的聚合 广 州 化 工 年 月物溶液制备的微球中更容易携带相对较多的溶剂，溶剂的挥发使微球表面温度降低，从而使周围的水汽凝结形成相对较多的小水滴，这里的小水滴就是微球表面孔的模板。图 不同质量分数的（:（质量比）制备的多孔微球的 图.:（）图 不同湿度条件下制备的 多孔微球 和 图.接下来，我们研究了不同溶剂和不同湿度对制备的聚合物微球形貌的影响。通过扫描电镜和透射电镜对比研究了 的 样品在:（质量比）的混合溶液中，在相对湿度，和 条件下，通过静电喷雾和呼吸图协同组装新技术制备的微球形貌（如图 所示）。研究发现，随着相对湿度 从 增加，得到的微球表面孔的数量明显增多（如图 所示）。相对湿度 制备的微球的透射电镜图片进一步证明了，微球表面为多孔结构内部为实心结构（如图 所示）。原因可能是较高的相对湿度，制备的微球表面更容易凝结较多的小水滴（孔的模板），从而得到表面具有较多孔的微球。最后，我们研究了 样品在:（质量比）的混合溶液中，工作电压为 时制备的聚合物微球。通过扫描电镜观察了制备的微球形貌（如图 所示）。研究发现，随着浓度和工作电压的提高，得到的微球表面孔的均匀性明显变好（如图 所示）。原因可能是较高浓度下，制备的微球表面凝结的小水滴（孔的模板）更容易被稳定下来，从而得到表面具有均匀孔结构的微球。同时可以看到，微球由球形转变为“碗状”结构（如图 所示）。原因可能是较高的工作电压加快了微球的运动速度和微球中有机溶剂的挥发，使微球难于维持稳定的球形结构。图 制备的多孔微球的 图.结 语将静电喷雾和呼吸图协同组装新技术制备聚合物多孔微球引入到高校实验教学课程内容中，可以充分发挥最新科研成果对实验教学的促进作用，并有效推动高校实验教学内容改革。利用静电喷雾和呼吸图技术的工艺参数具有较多的调控因素，学生可以通过自主设计和优化工艺参数，实现对聚合物微球表面形貌的调控，进而得到结构规整的多孔微球。增加学生实验课程中的自主设计部分，可以极大地激发学生的实验兴趣，有利于培养他们的创新性研究思维和创新实践能力。该文选用聚亚甲基嵌段聚己内酯为原料，通过工艺参数的优化得到了规整多孔微球。该实验可以有效发挥静电喷雾和呼吸图协同组装新技术的优势，促进实验教学质量有效提升。参考文献 陈健壮，支东彦，王雪红，等.呼吸图法在高校实验教学中的应用第 卷第 期陈健壮，等：聚合物多孔微球制备实验探索 研究实验技术与管理，（）：.曹国琼，徐剑，刘耀，等.将科研成果引入开放性实验教学的实践与探索山东化工，（）：.，.：，（）：.，.：，（）：.陈逢军，张肖肖，胡天.静电喷雾制备功能化表面膜层的研究进展表面技术，（）：.陈逢军，郝姗媚，黄帅，等.基于静电喷雾法制备油水分离的超疏水表面研究表面技术，（）：.邓建辉，杨晓青，方称辉，等.静电纺丝 静电喷雾技术在电池领域的应用进展化工进展，（）：.，.：，（）：.，.，：.，.：，：.周良富，张玲，薛新宇，等.农药静电喷雾技术研究进展及应用现状分析农业工程学报，（）：.任立瑞，陈福良，尹明明.静电喷雾技术理论与应用研究进展现代农药，（）：.，.：，（）：.，.，（）：.，.，（）：.，.，（）：.，.，（）：.，.（）：，（）：.董锦辉，李进杰，王赫，等.呼吸图法制备基于准聚轮烷的响应性薄膜化学学报，（）：.陈健壮，王立权，李默，等.大学生课余研究计划浅论及实例分析实验室研究与探索，（）：.（上接第 页）气质量时，绘制标准曲线要配制苯、甲苯、二甲苯等标准溶液，都是有毒有机溶剂。教师要指导学生适量采样、采样模拟标准物质、改进测试分析法、仪器分析替代原始化学分析、改进实验装置、进行无毒化处理等，让学生认识到保护环境的重要意义，培养学生环境保护观念。结 语综上所述，高等教育落实“课程思政”教学改革的背景下，应当明确分析化学是大学化学、制药、食品等专业的基础课程，了解本专业毕业生对社会发展的重要作用，需要结合“课程思政”的理念，在教学中渗透思想政治教育。教师要根据当前分析化学教学状况，引入丰富思政教育资源，与课程教学相融合，引导学生积极参与思考与探索，更好进行德育引导，促进学生全面发展。参考文献 习近平在全国高校思想政治工作会议上的讲话人民日报，（）.乔校畅，崔立峰，金具涛，等.在大学分析化学中落实“课程思政”教学改革的探讨广州化工，（）：.廖夫生，胡奇军，韦国兵.新时代背景下中医药院校分析化学课程思政教学改革探讨 科技视界，（）：.陈立钢，牛娜，孙明礼.在分析化学课程教学中开展“课程思政”的探讨高教论坛，（）：，.李芳清，刘淑娟，曹小红，等.在“分析化学”课程教学中开展“课程思政”的探讨东华理工大学学报（社会科学版），（）：.朱丽丽，孟令国.分析化学实验中“课程思政”教学改革的探索辽宁科技学院学报，（）：.