综合型高分子化学实验设计：亲水海绵擦的制备

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240219

摘要/Abstract

摘要：

聚乙烯醇缩醛海绵具有亲水性、高强度、高回弹以及可降解性，在很多领域均具有广泛的应用。本实验采用聚乙烯醇和醛作为主要原料，通过表面活性剂发泡制备聚乙烯醇缩醛亲水海绵擦，并探索用相对低毒性的乙醛、丙醛代替传统工艺中高毒性的甲醛。实验设计分组研究甲醛、乙醛和丙醛缩醛反应能力的差异，从而更好地理解缩醛反应的机理；测试方面运用傅里叶红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、万能拉力仪表征聚合物和材料结构，引导学生分析聚合物性能与结构之间的联系，培养学生深入思考的能力；成品海绵可作为工作台清洁工具，增加实验的趣味性。本实验是集合文献查阅、基础实验操作、材料性能表征以及应用性能为一体的综合研究型实验，有助于学生加深理解，同时锻炼主动分析问题、探究解决方案的能力，可以有效培养学生的实验技能和科学思维。

关键词: 聚乙烯醇海绵, 缩醛反应, 高分子化学, 综合型实验

Abstract:

Polyvinyl alcohol acetal sponges are hydrophilic， biodegradable， and have high strength and good resilience， which are widely used in many fields. Surfactant foaming method was applied to prepare the sponge. The experiment is designed to compare the reaction ability of formaldehyde， acetaldehyde and propionaldehyde acetal， so as to understand the mechanism of the acetal reaction better； the infrared spectroscopy， scanning electron microscopy， and tensile strength instrument was used to characterize the polymer and material structure， meanwhile inspire students to analyze the connection between polymer properties and structure， and cultivate the ability to think deeply； Finally， the sponges can be used as a workbench cleaning tool， and increases the interestingness of the experiment. In conclusion， this experiment is a comprehensive research experiment that combines literature review， basic experimental operation， material property characterization and application performance. As a teaching case， it may cultivate students' experimental skills and scientific thinking effectively.

Key words: Polyvinyl alcohol sponge, Acetal reaction, Polymer chemistry, Integrated experiment

中图分类号:

O623.5

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图/表 7

表1 聚乙烯醇缩醛海绵制备配方

Table 1 Formulation for the preparation of polyvinyl acetal sponges

Num.	Aldehyde，w（aldehyde）/%	m（polyvinyl alcohol solution）/g	V（H₂SO₄ solution）/mL；w（H₂SO₄）/%	m（sodium dodecyl sulfate）/g
1	Formaldehyde， 9.46	37	4； 50	0.15
2	Acetaldehyde， 10.83	37	2； 50	0.15
3	Propionaldehyde， 5.43	37	1； 20	0.15

图1 聚乙烯醇缩醛海绵反应机理

Fig.1 Reaction mechanism of polyvinyl acetal sponge

图2 不同缩醛海绵的FT-IR谱图

Fig.2 FT-IR spectra of different acetal sponges

图3 海绵压缩强度表征，（A）不同醛的海绵在70%应变下压缩强度；（B）甲醛的海绵70%应变下循环压缩5次的变化；（C）乙醛的海绵70%应变下循环压缩5次的变化；（D）丙醛的海绵70%应变下循环压缩5次的变化

Fig.3 Characterization of sponge compression strength，（A） Compression strength of sponges with different aldehydes at 70% strain；（B） Variation of sponges with formaldehyde at 70% strain for 5 cycles of compression；（C） Variation of sponges with acetaldehyde at 70% strain for 5 cycles of compression；（D） Variation of sponges with propionaldehyde at 70% strain for 5 cycles of compression

图4 不同缩醛海绵的接触角A. Formaldehyde； B. Acetaldehyde； C. Propionaldehyde

Fig.4 Contact angle of different acetal sponges

图5 聚乙烯醇缩醛海绵的SEM图A. Formaldehyde； B. Acetaldehyde； C. Propionaldehyde

Fig.5 SEM image of polyvinyl acetal sponge

表2 实验综合评价体系以及培养目标

Table 2 Comprehensive experimental evaluation system and training objectives

文献调研10分

方案设计10分

实验动手能力10分

仪器操作技巧10分

师生、小组互动5分

实验记录5分

实验安全5分

实验台5S标准5分

自我评价10分

团队评价10分

数据整理和分析10分

实验反思5分

科学问题的提炼5分

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