天然高分子材料的应用范文

导语：如何才能写好一篇天然高分子材料的应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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高分子的概念

首先，什么是高分子？从化学角度来定义，高分子是由分子量很大的长链分子所组成，而每个分子链都是由共价键联合的成百上千的一种或多种小分子构造而成。我们日常所接触到的大分子、聚合物以及高聚物都可以称为高分子。高分子通常有如下两个特点：1.高分子的分子量很高，其相对分子量为1万～100万，很高的分子量也赋予了高分子材料很高的机械强度，从而决定了它们具有很好的实际应用价值。2.高分子的结构千变万化，一般材料的性能是由材料的结构所决定的，我们可以根据实际需求，通过结构设计等方法制出不同性能的高分子材料。

高分子材料发展历史

高分子一词的产生不足一百年，最早于1922年由著名德国化学家赫尔曼·施陶丁格提出，但其应用却已有几千年的历史。从人类最开始利用蚕丝、棉、毛等织成织物，到后来用木材、棉、麻等造纸，人类在利用这些天然高分子作为生活资料和生产资料中不断进步。到了19世纪30年代，天然高分子衍生物即改性或半合成天然高分子材料被使用，其中典型代表就是硫化橡胶和硝化纤维素的使用。1907年出现合成高分子——酚醛树脂，标志合成高分子时代的到来，从此，合成高分子材料逐渐在诸多领域大放异彩。如今，高分子材料已经成为社会进步中不可或缺的基石，在日常生活、国防工业、科技发展等各个领域占有举重轻重的地位。

高分子材料分类

如上所述，高分子按来源可以分为天然高分子、天然高分子衍生物、合成高分子三大类。天然高分子是存在于动物、植物及生物体内的天然物质，如植物中的淀粉、纤维素、棉、麻等以及动物中的蛋白质、糖类、毛发等等。天然高分子可通过化学改性成天然高分子衍生物，从而改变其加工性能和使用性能，例如硫化橡胶、硝酸纤维素等。合成高分子是指自然界中不存在，通过化学方法合成的高分子，如我们常见的聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等等。与天然高分子材料相比，合成高分子材料通常具有较好的力学性能、低密度、耐腐蚀性、耐磨性等一系列优异的性能。

此外，高分子材料根据其应用功能又可以分为通用高分子材料及功能高分子材料。

通用高分子材料是指能够通过大规模工业化生产，并普遍应用于建筑、农业、交通运输、电子工业等国民经济主要领域和人们日常生活的高分子材料，如塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等。通用高分子材料给人类生活带来了极大的改变。以使用最多的塑料、橡胶和纤维为例，塑料的使用已经渗透到我们生活的方方面面，从日常食品、化妆品、药瓶等包装，到建材管道、电子器件、家居装修及日常用品，再到汽车、火车装饰甚至航天设施。橡胶主要是用来制作轮胎，除此之外，由橡胶作为原材料制作的密封制品（密封条、橡胶圈等）、胶管、传动带及安全制品等在汽車、航空航天及国防装置中都发挥着极其重要的作用。合成纤维的出现首先解决了天然纤维种植的制约，随后随着技术的进步，从我们常穿的的确良（涤纶）、尼龙（锦纶）等，到消防员所穿的聚酰亚胺防火服，以及防弹衣中的碳纤维都属于合成纤维。合成纤维性能优异，能够满足不同领域需求的纤维得到广泛应用。

功能高分子材料一般是指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料。其突出特点在于其特殊的光、电、磁、催化等性能，具体如光敏高分子材料、导电高分子材料、铁磁性高分子材料以及生物高分子材料。因其功能的独特性，功能高分子材料在诸多领域得到广泛应用，并具有巨大的发展潜力。如光导高分子材料用于静电复印、喷墨打印等领域，极大地提高了办公效率；导电功能高分子材料用于电池、电路、精密仪器等，大大提高了传导效率；高分子分离膜在水污染处理、物质分离等环境领域的应用，降低了生产处理成本，利于环境保护；最后还有与生命息息相关的生物医用功能高分子材料，在人工器官、外科修复以及药物及药物释放等方面，获得越来越多的关注。

高分子材料的未来发展

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1、生物可降解高分子材料概念及降解机理

生物可降解高分子材料是指在一定的时间和一定的条件下，能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料。

生物可降解的机理大致有以下3种方式：生物的细胞增长使物质发生机械性破坏；微生物对聚合物作用产生新的物质；酶的直接作用，即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。一般认为，高分子材料的生物可降解是经过两个过程进行的。首先，微生物向体外分泌水解酶和材料表面结合，通过水解切断高分子链，生成分子量小于500的小分子量的化合物；然后，降解的生成物被微生物摄入人体内，经过种种的代谢路线，合成为微生物体物或转化为微生物活动的能量，最终都转化为水和二氧化碳。

因此，生物可降解并非单一机理，而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用，相互促进的物理化学过程。到目前为止，有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外，高分子材料在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外，还与材料温度、酶、PH值、微生物等外部环境有关。

2、生物可降解高分子材料的类型

按来源，生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类。按用途分类，有医用和非医用生物可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。

2.1微生物生产型

通过微生物合成的高分子物质。这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖，具有生物可降解性，可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。如英国ICI公司生产的“Biopol”产品。

2.2合成高分子型

脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低，强度及耐热性差，无法应用。芳香族聚酯(PET)和聚酰胺的熔点较高，强度好，是应用价值很高的工程塑料，但没有生物可降解性。将脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺)制成一定结构的共聚物，这种共聚物具有良好的性能，又有一定的生物可降解性。

2.3天然高分子型

自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子，这些高分子可被微生物完全降解，但因纤维素等存在物理性能上的不足，由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求，因此，它大多与其它高分子，如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。

2.4掺合型

在没有生物可降解的高分子材料中，掺混一定量的生物可降解的高分子化合物，使所得产品具有相当程度的生物可降解性，这就制成了掺合型生物可降解高分子材料，但这种材料不能完全生物可降解。

3、生物可降解高分子材料的开发

3.1生物可降解高分子材料开发的传统方法

传统开发生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化学合成法和微生物发酵法等。

3.1.1天然高分子的改造法

通过化学修饰和共混等方法，对自然界中存在大量的多糖类高分子，如淀粉、纤维素、甲壳素等能被生物可降解的天然高分子进行改性，可以合成生物可降解高分子材料。此法虽然原料充足，但一般不易成型加工，而且产量小，限制了它们的应用。

3.1.2化学合成法

模拟天然高分子的化学结构，从简单的小分子出发制备分子链上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物，这些高分子化合物结构单元中含有易被生物可降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物可降解的链段。化学合成法反应条件苛刻，副产品多，工艺复杂，成本较高。

3.1.3微生物发酵法

许多生物能以某些有机物为碳源，通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子。但利用微生物发酵法合成产物的分离有一定困难，且仍有一些副产品。

3.2生物可降解高分子材料开发的新方法——酶促合成

用酶促法合成生物可降解高分子材料，得益于非水酶学的发展，酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质，并拥有了催化一些特殊反应的能力，从而显示出了许多水相中所没有的特点。

3.3酶促合成法与化学合成法结合使用

酶促合成法具有高的位置及立体选择性，而化学聚合则能有效的提高聚合物的分子量，因此，为了提高聚合效率，许多研究者已开始用酶促法与化学法联合使用来合成生物可降解高分子材料

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高分子材料：以高分子化合物为基础的材料，高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。

高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万，所含原子数目一般在几万以上，而且这些原子是通过共价键连接起来的。高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时，叫线型高分子(如聚乙烯的分子)。如果高分子化合物中的原子连接成网状时，这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构，所以也叫体型高分子。

二、高分子材料的结构特征

高分子材料的高分子链通常是由103~105个结构单元组成，高分子链结构和许许多多高分子链聚在一起的聚集态结构形成了高分子材料的特殊结构。因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的结构特征(如同分异构体、几何结构、旋转异构)外，还具有许多特殊的结构特征。高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。近程结构属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。远程结构是指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构象，也称二级结构。聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构，包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。

三、高分子材料按来源分类

高分子材料按来源分，可分为天然高分子材料、半合成高分子材料（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。

天然高分子材料包括纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等。合成高分子材料以及以高聚物为基础的，如各种塑料，合成橡胶，合成纤维、涂料与粘接剂等。

四、生活中的高分子材料

生活中的高分子材料很多，如蚕丝、棉、麻、毛、玻璃、橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。下面就以塑料和纤维素举例说明。

（一）、塑料

塑料是一种合成高分子材料，又可称为高分子或巨分子，也是一般所俗称的塑料或树脂，可以自由改变形体样式。是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、剂、色料等添加剂组成的，它的主要成分是合成树脂。

塑料主要有以下特性：①大多数塑料质轻，化学性稳定,不会锈蚀；②耐冲击性好；③具有较好的透明性和耐磨耗性；④绝缘性好，导热性低；⑤一般成型性、着色性好，加工成本低；⑥大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；⑦尺寸稳定性差，容易变形；⑧多数塑料耐低温性差，低温下变脆；⑨容易老化；⑩某些塑料易溶于溶剂。塑料的优点1、大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。2、塑料制造成本低。3、耐用、防水、质轻。4、容易被塑制成不同形状。5、是良好的绝缘体。6、塑料可以用于制备燃料油和燃料气，这样可以降低原油消耗。塑料的缺点1、回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。2、塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。3、塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。

塑料的结构基本有两种类型：第一种是线型结构，具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物；第二种是体型结构，具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。线型结构（包括支链结构）高聚物由于有独立的分子存在，故有弹性、可塑性，在溶剂中能溶解，加热能熔融，硬度和脆性较小的特点。体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在，故没有弹性和可塑性，不能溶解和熔融，只能溶胀，硬度和脆性较大。塑料则两种结构的高分子都有，由线型高分子制成的是热塑性塑料，由体型高分子制成的是热固性塑料。转

塑料的应用：透明塑料制成整体薄板车顶。薄板车顶的新概念基于透明灵活的聚碳酸酯或硅树脂材料，可以被永久性地塑造成单个的聚碳酸酯薄板，也可作为可折叠铰链和封条。拜耳材料科技研发的原型总共配备了四个灵活的薄板部件，形成了四扇“顶窗”，每扇窗都可单独打开和关闭。导轨用于连接薄板部件，形成一个牢固、透明的聚碳酸酯车顶外壳。一个同样透明的管子沿车顶结构中央纵向放置，在“顶窗”打开后用来调节折叠薄板。这样可以形成三维立体结构，组件比平坦的薄板更加牢固。同时也大大降低了单个组件的数量。

（二）、纤维素

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上。纤维素是自然界中存在量最大的一类有机化合物。它是植物骨架和细胞的主要成分。在棉花、亚麻和一般的木材中，含量都很高。

纤维素的结构：纤维素是一种复杂的多糖，分子中含有约几千个单糖单元，即几千个（C6H10O5）；相对分子质量从几十万至百万；属于天然有机高分子化合物；纤维素结构与淀粉不同，故性质有差异。

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【关键词】高分子材料 合成应用 绿色战略

绿色化学的概念从提出到现在一直备受关注，我国的化学研究工作中也逐渐重视绿色和环保的理念。尤其是在高分子材料的研究方面，人们更倾向于无毒的环保的生产过程。近来，高分子材料的绿色化学有了新的进展，高分子材料合成与应用中的绿色战略已经形成。

1 原材料本身的无毒化

在现今的高分子化学材料的研究过程中我们逐渐引进了生物降解的技术来保证高分子化学材料本身的无毒和绿色，这也是化学研究的一大热门领域。用生物来降解高分子化学材料的方式应用较为广泛，降解的高分子材料包括了天然的有机高分子材料和合成的有机高分子材料。这种技术对淀粉、海藻酸、聚氨基酸等各种高分子的研究非常实用。目前，医药领域的许多材料多采用这种绿色无毒的形式来进行生产，达到和人体的和谐相容。

2 高分子原料合成朝无毒化方向发展

高分子原料的合成也在向绿色的方向发展。在化学合成过程中，许多高分子化学材料的合成可以采用一步催化的方式来完成，转化利用率可以达到百分之一百。而且这种过程避免了使用有毒的化学催化剂，改变了传统的操作模式。例如已二酸的合成就是采用生物合成的技术，使其生产过程完全绿色化，安全可操作。传统的方法生产环氧丙烷是采用两步反应的方式，而且中间使用了氯气。这种气体带有一定的毒性会造成环境的污染。但现在，国内外已经改变了这种生产方法，采用的催化氧化的方法使原材料在制作反应的过程中完全利用，而不产生有的物质来污染环境。目前，在进行制作合成化学材料的过程中，许多都在逐步改善材料合成产生有毒废弃物的或排放物的情况，朝着绿色生态环保的方向发展。

3 合成原料的绿色化

生活物质材料中有许多都是采用高分子合成的原料制造的。尤其是医用材料，这些材料在使用的过程中必须保证无毒，而且必须是生物可降解、可以为人体的免疫系统所接受的。因此，对合成原料的要求必须是绿色的、安全的。近年来，在这方面，国内外已经取得了较多的成就。

1988年在荷兰有相关学着就在研究聚乳酸类网状弹性体材料，这种材料完全采用绿色原料合成，并且可以被生物所降解。他们用赖氨酸二异氰酸醋等扩链了由肌醇、L--丙交酯等生成的星形预聚体。LDI可以称为“绿色”的二异氰酸酯扩链剂，因为LDI扩链部分最终的降解产物是乙醇、赖氨酸等，这些降解产物都是无毒的，完全可以进行生物利用。在这一聚合物生成的过程中，不仅最终的产物是环保安全的，而且其原料肌醇是人体所需的维生素之一，乳酸、6―烃基己酸等在生物医学上颇为常见，也是一些安全的、“绿色”的物质，可以说这一过程接近于“完全绿色”。1994年strey等学者在此基础上进行进一步的研究，合成了与该绿色试剂LDI聚乳酸衍生物，用高结晶性的聚乙醇酸纤维为增强材料，制备了无毒的、可生物吸收的骨科固定复合材料。

4 催化剂的绿色化

在聚乳酸类材料研究过程中，虽然目前的高分子原材料和聚合物都实现了基本的绿色化、无毒化，但在这过程中大家可能会忽略一个因素，那就是催化剂的使用安全问题。例如聚乳酸化合物的生成过程中大多采用辛酸亚锡作为中间催化剂，加快化学反应的过程。但是这种催化剂由于含有锡盐成分可能会具有生理毒性，如果是人体吸收可能会造成中毒的情况。相比而言，用生物酶作催化剂就显得安全可靠。使用生物酶催化的瓶颈在于酶的种类有限问题，致使一些化学反应找不到相应的生物酶进行催化。在目前的高分子聚合物当中，虽然一些加聚反应的原子利用率可以达到100%，但是各种催化剂和添加剂的使用对安全情况造成的影响却不能忽视。尤其是在医用物品当中，必须对这些材料的安全性进行试验和考核。催化剂的绿色化道路的发展还值得我们进一步努力探索。

5 合成高分子材料的安全应用

人工合成的高分子材料可能会对环境存在一定的危害，对不可利用的高分子材料的垃圾处理也得考虑到绿色无毒的问题。我们必须选择正确的方法来安全使用这些高分子材料。

对于可用生物降解的高分子合成材料可以采用填埋的方式进行处理。对于不可生物降解的高分子材料废物进行分类，主要分为可回收利用的废物和不可回收利用的废物。将可回收的高分子材料分类进行整理，实现循环利用，减少资源的浪费。对于可焚烧的高分子材料可以进行焚烧处理，还可以将垃圾焚烧过程中释放的热能加以利用。

（1）对可以再生与循环使用的环境惰性高分子材料，如 PP、PE、PET、尼龙 66、PMMA、PS 等，应尽可能地再次利用，尽可能避免使用填埋方法处理环境惰性塑料垃圾。

（2）PP、PE等聚烯烃具有很高的热值，与燃料油相当，并且具有无害化燃烧特性。因此，可以将这些高分子材料燃烧产生的巨大热能转化为电能或者其他形式的能源，避免热能污染。目前，顺利实施城市生活垃圾变电能的关键是将 PVC 除开，避免与PP、PE等混杂，避免造成能源回收困难而浪费能源。

（3）对 PVC 应合理使用。PVC 的制造、加工、使用和废弃物的处理，都涉及环境问题，其中最危险的是PVC 废弃物的处理。PVC的加工过程使用的添加剂非常多，使用不当就会使材料中的有毒物质渗出，应该尽量避免其与食物和医药产品的接触。PVC废弃物处理要尽可能避免使用焚烧的方式，因为这种高分子材料在焚烧的过程中会产生毒性物质，对环境造成的伤害非常大。应尽快使 PVC退 出包装、玩具 、地膜等使用周期短的应用领域；同时，鉴于PVC具有节约天然资源、适用性广、价格低廉、难燃、血液相容性好等优点，应加强对 PVC 生产、加工、使用、废弃物处理等方面的研究。

6 结语

高分子材料合成与应用的绿色化、无毒化、安全化会是将来高分子材料化学发展的热潮，结合高分子材料特有的实用性因素来建立高分子材料绿色战略的系统，可以使高分子材料化学朝着更加全面的、长远的绿色化道路发展。

参考文献

[1] 戈明亮.高分子材料探寻绿色发展之路[J].中国化工报，2003

[2] 罗水鹏.绿色高分子材料的研究进展[J].广东化工，2012

[3] 石璞，戈明亮.高分子材料的绿色可持续发展[J].化工新型材料，2006

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（一）知识脉络

本节教材在学生学习了淀粉、纤维素、蛋白质等天然有机高分子化合物之后，很自然地过渡到学习合成有机高分子化合物，首先介绍有机高分子化合物的相对分子质量，然后初浅地以聚乙烯、聚氯乙烯为例介绍有机高分子化合物的结构与基本性质，合成高分子化合物在溶剂中的溶解和在不同温度时的性能变化等性质是与合成高分子化合物的科学研究及生产加工密切相关的；最后简单介绍了常见高分子塑料、橡胶、纤维中某些有代表性的品种。

（二）知识框架

（三）新教材的主要特点：

新教材依然保持紧密联系实际和新的化学知识从生活和生产实际切入的风格，也注意了紧密联系学生已学过的知识如烯烃的加成反应、羧酸的酯化反应等，以帮助他们理解高分子化合物的性质、正确书写重要高聚物加聚反应的化学方程式，复习巩固已学的有机化学知识，也为他们选择后续的选修模块“有机化学基础”奠定必要基础。

二．教学目标

（一）知识与技能目标

1.引导学生初步认识有机高分子化合物的结构、性质及其应用，学会书写重要加聚反应的化学方程式，了解合成高分子化合物的主要类别及其在生产、生活、现代科技发展中的广泛应用。

2.引导学生学习和认识由塑料废弃物所造成的白色污染和防治、消除白色污染的途径和方法，培养他们的绿色化学思想和环境意识，提高他们的科学素养。

3.通过多样化的学习活动（自主检索、收集、分类比较、展示等）使学生了解塑料、合成橡胶、合成纤维的主要品种以及它们的原料来源与石油化工、煤化工的密切联系，同时提高他们的学习能力，丰富他们的学习方式。

（二）过程与方法目标

1.让学生通过网络、书籍等途径收集各种各样的材料及图片、实物，课堂上采用互动式教学，激发学生探究有机合成材料的组成、性能的兴趣。。

2、通过“迁移•应用”、“交流•研讨”、“活动•探究”等活动，提高学生分析、联想、类比、迁移以及概括的能力。

（四）情感态度与价值观目的

1、通过“迁移•应用”、“交流•研讨”、“活动•探究”活动，激发学生探索未知知识的兴趣，让他们享受到探究未知世界的乐趣。

2.引导学生学习和认识由塑料废弃物所造成的白色污染和防治、消除白色污染的途径和方法，培养他们的绿色化学思想和环境意识，提高他们的科学素养。

三、教学重点、难点

（一）知识上重点、难点

重要高聚物的加聚反应及其化学方程式

（三）方法上重点、难点

有机高分子化合物的结构与性质的关系的理解

四、教学准备

（十二）学生准备

1.课前让学生通过网络、书籍等途径收集各种各样的材料及图片、实物。

2.收集有关废弃塑料造成的白色污染、危害及其防治方法的资料。

（十三）教师准备

教学媒体、课件；准备“活动•探究”实验用品。

五、教学方法

问题激疑、实验探究、交流讨论、

六、课时安排

3课时

七、教学过程

第一课时

【引入】人类的生产和生活离不开各种各样的材料，请同学们根据自己收集的资料结合已有的知识对材料进行分类。

【点评】课前让学生通过网络、书籍等途径收集各种各样的材料及图片、实物，课堂上采用互动式教学。

【交流、投影】

无机非金属材料（如：晶体硅、硅酸盐材料等）

无机材料

无机金属材料（包括金属和合金）

材料天然有机高分子材料（如：棉花、羊毛、蚕丝、天然橡胶等）

有机材料合成有机高分子材料（如：塑料、涂料、合成纤维、合成橡胶等）

新型有机高分子材料（如：高分子分离膜等）

【联想、质疑】在日常生活中，你一定接触过许多塑料、合成橡胶、合成纤维制品。你能举例说明吗？它们是什么原料制造的？它们具有哪些优于天然材料的性能？

【点评】通过回忆生活中的常识激发学生探究有机合成材料的组成、性能的兴趣。

【练习】计算葡萄糖和硬脂酸甘油酯的相对分子质量。

【质疑】经计算，它们的相对分子质量分别为180和890。数值已经不小，但是，我们仍称它们为低分子化合物，简称小分子；那么，什么是高分子化合物或高分子呢？

【讲述】如果有机化合物的相对分子质量达到几万到几百万，我们就称它们为有机高分子化合物，简称高分子或聚合物。像以前所学过的淀粉、纤维素、蛋白质等物质都属于有机高分子化合物。有机高分子化合物的结构有哪些特点呢？

【引题、板书】一、有机高分子化合物

1.有机高分子化合物的结构特点

【讲述】有机高分子化合物虽然相对分子质量很大，但是它们的结构并不复杂，通常是由简单的结构单元连接而成的，例如，聚乙烯是由结构单元重复连接而成的，聚氯乙烯是由结构单元重复连接

而成的，其中的n表示结构单元重复的次数。

【投影讲述】高分子中的结构单元连接成长链，这就是通常所说的高分子的线型结构。具有线型结构的高分子，可以不带支链，也可以带支链。高分子链上如果有能起反应的原子或原子团，当这些原子或原子团发生反应时，高分子链之间将形成化学键，产生一定的交联形成网状结构，这就是高分子的体型结构。

【过渡】由于有机高分子化合物的相对分子质量大及其结构的特点，因而使它们具有与小分子不同的一些性质。

【活动、探究】将教材的“观察•思考”涉及的实验改成学生分组实验（2～4人一组）。

1.从废旧轮胎上刮下的一些橡胶粉末约0.5g放入试管中，加入5mL汽油，观察粉末能否溶解。

2.取内径比实验室用导气胶管外径稍大的试管，胶管与试管等长。向试管中加入少量汽油后，将胶管插入试管，再用滴管向胶管内孔中滴满汽油，稍侯，可见胶管伸长。

3.取一小块聚乙烯塑料碎片，用酒精灯加热直至熔化时停止加热，等冷却后再加热，反复几次后点燃，观察变化的全过程。

【交流、讨论、板书】2.有机高分子化合物的主要性质

⑴溶解性：难溶于水，在有机溶剂中也只能溶胀并极缓慢。

⑵热塑性和热固性

⑶电绝缘性

⑷不耐高温易燃烧

【讲述】聚乙烯塑料受热到一定温度范围时，开始变软，直到熔化成流动的液体。冷却后又变为固体。加热后又熔化，这种现象就是线型高分子的热塑性。有些体型高分子一经加工成型就不会受热熔化，因而具有热固性，如酚醛树脂。高分子化合物中的原子是以共价键结合的，因此它们一般不导电。

【小结】结构决定性质，性质决定用途，正因为有机高分子化合物有以上的主要性质，决定了高分子材料在国民经济发展和现代科学技术中的重要作用。

作业：探究活动：学生分为若干小组通过去图书馆、上网查阅资料探究以下问题：

1．我们身边有哪些高分子化合物；

2．高分子化合物对工农业生产和生活有哪些重要作用；

3．了解高分子化合物的新发展，例如可导电的高分子材料、可降解塑料等。

并动员学生运用所学知识回答下列问题：

1．为什么聚乙烯塑料凉鞋破裂可以热补，而电木插座不能热修补。

2．装苯的试剂瓶不能用普通的胶塞的原因。

3．家贸市场上出售的香油的胶塞为什么要用玻璃纸包起来，如果不包起来会出现什么后果。

第二课时

【联想、质疑】现在，人们在日常生活中经常与塑料打交道，工农业生产和国防建设也大量使用塑料。那么，究竟什么是塑料？它们是怎样制成的？

【讲述】塑料的主要成分是被称为合成树脂的有机高分子化合物。例如，聚乙烯就是生产聚乙烯塑料的合成树脂。聚乙烯是以石油化工产品乙烯为原料，在适宜的温度、压强和引发剂存在的条件下发生反应而制得的。反应时，乙烯分子中碳碳双键中的一个键断裂，然后相互两两加成而聚成含n个结构单元的相对分子质量达几万以上的聚乙烯树脂。

【板书】二、塑料

【讲述】讲述聚合反应和加聚反应的概念。

【讲述、投影】塑料与合成树脂

⑴塑料是由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、色料、防老剂等添加剂组成的。

⑵树脂是指还没有跟各种添加剂混合的高聚物。

⑶有些塑料基本上是由合成树脂所组成的，不含或少含其它添加剂，如有机玻璃等。

【迁移、应用】氯乙烯、苯乙烯、四氟乙烯在引发剂作用下经过聚合反应所得聚合物都是重要的合成树脂。⑴它们为什么和乙烯一样，也能发生加聚反应？⑵写出化学反应式。

【交流、讨论】组织学生交流讨论聚合反应的书写技巧，尤其苯乙烯的聚合反应，可以适当点拨：将苯基（—C6H5）当作支链，使双键碳原子作为端点碳原子，以便于两两加成聚合。

【阅读】塑料王与工程塑料ABS的用途。

【过渡】聚乙烯是当今世界上产量最大的塑料产品，它有着广泛的应用。

【阅读、讨论】聚乙烯的性质和用途。

【讲述】塑料工业的发展，极大地提高了人们的生活质量，但是这些结构稳定、难以分解的塑料废弃物的急剧增加也带来了严重的环境问题。全世界每年产生数千万吨的废旧塑料，比如聚乙烯、聚苯乙烯等它们聚集在海洋里、地面上、土壤中，造成白色污染。白色污染已成为困扰人类社会的一大公害。减少与消除白色污染既要全社会共同努力，从我做起，少用并及时回收、再生，也要依靠科技，生产可降解的塑料。

【指导阅读】塑料的回收利用与可降解塑料。

作业：探究活动：

1.收集有关废弃塑料造成的白色污染、危害及其防治方法，在各社区进行宣传或提出倡议。

2.课外实验，参照教材第97页动手实践的方法进行废旧塑料裂解得燃气与燃油的实验。

3.收集橡胶制品的图片

第三课时

【引题】今天我们讨论第二大合成材料合成橡胶。

三、合成橡胶

【展示】展示课前同学们收集的橡胶制品的图片。

【交流、研讨】结合你已有的知识和生活常识思考：

1.橡胶的特性是什么？由此决定着它有哪些用途？

2.根据来源和组成不同，常用的橡胶有哪几种？

【讲述】构成橡胶的高分子链在无外力作用时呈卷曲状，而且有柔性，受外力时可伸直，但取消外力后又可恢复原状，因此橡胶是具有高弹性的高分子化合物。根据来源和组成不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶往往具有高弹性、绝缘性以及耐油、耐酸碱、耐高温或低温等特性，因此具有广泛的应用。

【讲述】顺丁橡胶是化学家们最早模拟天然橡胶制得的合成橡胶，它具有较高的耐磨性，广泛用于制造轮胎、耐寒制品及胶鞋、胶布、海绵胶等。利用工具栏讲解顺丁橡胶的合成，并以顺丁橡胶的高分子链的卷曲认识橡胶的高弹性。

【质疑】为什么实验室的橡胶管在空气中易老化？为什么盛酸的试剂瓶要用玻璃塞？

【过渡】常用的橡胶除天然橡胶、顺丁橡胶外还有其它的通用橡胶。

【阅读、讲述】阅读表3-4-1几种常用橡胶的性能和用途，以说明当今合成橡胶的广泛应用，以及“挑战者”航天飞机失事的悲惨事件就是由于橡胶密封圈失灵造成的。

【过渡】接下来讨论第三大合成材料合成纤维。

【交流、研讨】生活中你们知道哪些是纤维制品呢？棉花、羊毛、蚕丝与锦纶、涤纶有何区别？纤维素是如何分类的？

【投影、讲述】1.纤维素分类

纤维素：棉、麻

天然纤维蛋白质：丝、毛

纤维人造纤维：人造棉、人造丝

化学纤维合成纤维：锦纶、腈纶

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一、高分子化学的内涵

1．何为高分子化学

顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的科学，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定规律重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。

2．高相对分子质量与高强度

相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。

3．高分子科学的主要内容

既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。

二、高分子材料化学的应用

材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。

第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。

第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。

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材料学专业毕业生的就业面比较广，主要就业方向包括计算机、金融、教育和科技咨询等领域。材料专业的毕业生可以从事高分子材料加工、高分子材料合成、信息材料、医用材料、新型建筑材料、电子电器、汽车、航空航天、贸易等工作，还可以进入研究院所、高等院校和海关、商检等部门工作。

材料学专业的分类

通常来讲，材料分为高分子、无机非金属、金属三大种类。从学科的角度来讲，不同的学校所开设的材料学专业也不相同。除了传统意义上的材料科学专业、有机高分子材料专业、无机非金属材料专业、金属材料专业之外，一些学校还增设了高分子复合材料专业、机械材料专业等。以北京航空航天大学的材料科学与工程学院为例，材料科学与工程学科为国家一级重点学科，下设材料科学系、材料物理与化学系、材料加工工程与自动化系、高分子及复合材料系等。

材料学专业就业知多少

从就业角度来讲，金属材料专业作为一门基础学科，应用面广，就业面也相对较广。复合材料因为博采众长，在性能上结合了各种材料的优势，作为一种新型材料广泛应用于生物、航天领域，就业前景也很好。

总体就业前景分析

其一，材料学专业性强，受国家重视，高技术人才供不应求。现代材料学科更注重研究各类材料及它们之间相互渗透的交叉性和综合性特点。经历近半个世纪对材料微观结构和宏观性质相关机制的探索和认识，材料学研究的范围得到巨大拓展，一些具有特殊功能的材料日益受到重视并快速发展，也为材料学的发展提供了前所未有的机遇和空间。这就需要有一定专业知识的人才投入到科研工作中，攀登材料科学的高峰。

其二，随着时代的进步，新型材料运用更加广泛，现代技术的发展也需要很多新型材料的支持。根据我国当前及未来发展的实际情况，材料学专业人才在各个行业需求量的增加为此专业的学生提供了很好的就业机会。

研究生阶段课题方向的选择很重要

据中国科学院学高分子材料专业研究生的王芬（化名）同学介绍，全班40个人，男多女少。虽然传统意义上是要去中石油、中海油等对口单位，但目前她投简历的对象主要是民营企业，这些企业对研究方向没有特别硬性的规定。

找工作的这段时间以来，王芬觉得材料学所有的专业中，金属材料学专业的就业面还比较宽。找工作时，用人单位会看重求职者的教育背景、研究方向以及课题方向，尤其当面试岗位是专职科研人员时，单位对专业方面的考量会针对毕业设计提出，因此研究生阶段的课题选择非常重要。她建议大家认真对待毕业设计。

脚踏实地的研究精神不可少

航天某院工作人员高女士建议，在学校期间，材料学专业的学生应该扎实学好专业基础知识。她认为专业理论基础扎实与否，一方面决定了就业面的宽窄，更重要的是决定了未来工作发展潜力大小。因为大家毕业后的工作与生活是比较忙碌的，很少再有机会系统学习。

以高女士的就业经历为例，她认为就业前应该事先做好以下准备：充分利用师兄师姐的经验、经历了解可能的工作方向，了解具体工作单位及岗位情况；面试前一定先尽可能了解面试的单位及岗位需求，做到有的放矢。

据哈尔滨玻璃钢研究院人事部一名负责人介绍，材料学专业的学生，要具备适应艰苦的工作条件的素质，因为做复合材料研究工作要经常去实验室，更重要的是搞科研一定要坐得下来，能够经得起反复失败和挫折的考验。

此外，在面试中，还应该积极锻炼个人表达能力，为自己增光。

走进材料学专业

高分子材料——性能优异，不可替代

高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有不可取代的优异性能，广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域。很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。然而，一些高分子材料会含有毒性，使用、实验时要注意。

中科院高分子材料学研究方向的研究生王芬（化名）说：“我在本科时读的是无机非金属材料学，在研究生时根据导师的研究方向，选择了高分子材料学，即有机无机复合材料学，重点研究塑料、橡胶等，应用到现实生活中，为钻井平台进行驱油。平日里我们大部分时间在实验室度过，研究对象为甲醛、乙醇、乙烷等化学物质，一些化学物质如甲醛会有毒性，因此要做好防毒设施。”

无机非金属材料——基础学科，必不可少

无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一，主要研究建筑、水泥、陶瓷、玻璃等材料。目前比较受到关注的纳米材料也属于无机非金属行列。

无机非金属材料品种和名目极其繁多，用途各异，通常把它们分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的，具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。常见的无机非金属材料有水泥、 玻璃、 陶瓷等。

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形状：上段成锥形，下部是圆柱形。

化学组成：矿泉水和可乐瓶是用的聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。另外食品包装塑料瓶材料还有聚丙烯PP，高密度聚乙烯HDPE等。

用途：生活中最常见的就是用塑料瓶装水了，也就是常见的矿泉水。另外就是可以用塑料瓶装其他物品，比如说实验室中不能用玻璃瓶装的试剂有时必须用塑料瓶装。塑料瓶的用途有很多很多，生活中到处可以见到塑料瓶。

改进措施：可以改进塑料瓶的生产工艺，如果能将塑料瓶生产成可自动降解的，那么我们的环境将不会再有更多的白色污染，这是一个非常有前景的技术，如果能够成功，并且价格能够和现在的塑料瓶相当，那么塑料瓶的用途可能将大大增加！

2．名称：一次性纸杯。

形状：上大下小的锥形形状。

化学组成：聚乙烯。

性能：柔软性好、耐冲击性能好；耐热性、耐溶剂性、硬度较差。

用途：最好用于装冷水，不要装开水。

改进措施：如果选用的材料不好，或加工工艺不过关，在聚乙烯热熔或涂抹到纸杯过程中，可能会氧化为羰基化合物。羰基化合物在常温下不易挥发，但在纸杯倒入热水时就可能挥发出来。它既不环保，也不健康。还有些一次性纸杯生产商购买价格低廉的纸浆，在生产过程中添加荧光漂白剂，有致癌危险。建议大家，一次性杯不到万不得已不要使用，如果使用最好装冷水。

3．洗洁精

形状：粘稠状

化学组成：洗洁精的主要成份是:1表面活性剂；其主要作用是产生泡沫及去污；2、洗涤助剂：常用的原料有氢氧化钠和柠檬酸钠；3、增稠剂量：其主要作用是增稠，稳泡及去污，常用的原料有6501、6502、氯化钠；4、防腐剂，其主要作用是杀菌，保持，常用的原料有：苯甲酸钠、甲基异噻唑啉酮等；5、添加剂，其主要作用是处理水质，改善气味，常用的原料有：1、乙二胺四乙酸二钠，2、EDTA四钠

性能：去污性能，去油性能等。

用途：可以用来清洗碗筷，也可以用来清洗鞋子或衣服上的污浊等。

4．电冰箱外壳

形状：长方体或者不规则多边形

化学组成：塑料，金属等。

性能：支撑冰箱外形，美观漂亮及减少冰箱成本等等。

改进措施：我们都知道，冰箱在使用一段时间后外形将不再漂亮美观，主要是由于塑料经过长期的外置于空气中可能发生老化，变色等。如果能将塑料的性能改优使其老化速度减缓或者不老化，那么将是一件非常有价值的进步，另外就是和上面一样，如果做到塑料能够自动降解，那么我们的世界将少了一份白色污染。我们的世界也将变得更加美丽！

5．各种医用高分子材料制品

医用高分子材料是指可以应用于医药的人工合成（包括改性）的高分子材料，一般不包括天然高分子材料、生物高分子材无机高分子材料等在内。随着生物科学技术的不断发展和进步，越来越多的高分子材料被用于与人类生命健康息息相关的各种器官和皮肤的替代材料。

医用高分子材料大致可分为机体外使用与机体内使用两大类。机体外用的材科主要是制备医疗用品。如输液袋、输液管、注射器等。输液袋、管可用卫生级聚氯乙烯制造。由于这些高分子材料成本低、使用方便，现已大量使用。机体内用材料又可分为外科用和内科用两类。外科方面有人工器官、医用粘合剂、整形材料等。内科用的主要是高分子药物。所谓高分子药物，就是具有药效的低分子与高分子载体相综合的药物，它具有长效、稳定的特点。

归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。

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相比基础性实验，综合性实验的设置和开展对学生各课程知识的掌握在广度和深度上均提出了更高的要求，也使得学生能够对分属于不同课程的知识点有了更为深刻的认识，通过相互对比和验证，有助于专业知识的全面掌握和理解。但鉴于实验开展仍然遵循着学生预习、老师讲授、动手操作和课后交报告的传统模式，虽然实验指导老师针对实验可以设计不同的反应历程，让不同组别的学生获得迥异的结果，但实验结论的预测性很强，一些意外问题的发生也会在指导教师的预料之中，并能够很快给出解决方案，这对于提升学生在主观能动学习能力的效果很有限。另外，本校开展的高分子实验在内容的编排上还存在着较为明显的学科界限，还不能完全融合高分子化学、高分子物理和高分子成型加工原理等课程内容，因此很有必要开设具有创新型的研究型实验课程。

2实验开设时机

鉴于此类研究型实验的开展往往需要比较集中的时间段，高分子材料教研室经过多次商讨，确定本实验的学时为90学时(30学时/周×3周)，将主要的实验内容集中安排在大四上学期的最后3周内完成。此时，一方面学生已经完成了所有的理论课程的学生和各类基础实验的训练，为本实验的开展提供了先决条件;其次，在此时间段有关校园招聘活动也会告一段落，可以保证学生有充足的时间和精力完成实验;最后，此次实验训练也为下一学期的本科毕业设计(论文)的开展提供一次很好的预演，能够有效地消除学生对毕业设计(论文)的恐慌和迷茫心理。

3实验内容的优化设计

根据王新平等［5］的观点，创新型实验必须具有实验结果的不确定性和探索性、实验设计程序的自主性和开放性，以及实验过程的可行性和可操纵性等基本要素。因而，这类实验的开展必然会对实验人员(包括指导教师和学生)、实验设备和场地等诸多方面提出了更高的要求。根据创新型实验内容设计的三点原则［5］和本专业教研室老师的科研情况，教研室选择了“导电性高分子材料的制备及其应用”这一开放性较强的实验。通过多方面的探讨和论证，我们尝试设计了一个以掺杂聚苯胺的合成、表征及其在聚丙烯和天然橡胶中的应用为主线的研究型实验，实验内容和所需基本学时安排如下:(1)学生分组，布置实验的侧重方向(一组在聚丙烯中的应用，一组在天然橡胶中的应用)，安排相关文献的查询和阅读，着重了解聚苯胺的特性和合成方法、聚丙烯和天然橡胶的性能和加工特性，温习有关设备的操作和安全注意事项(30学时)。(2)根据分组，学生在老师的指导下搭建实验平台，进行聚苯胺的合成，分别采用化学氧化聚合法、乳液聚合法、微乳液聚合法和分散聚合法制得一系列经过质子酸或无机酸掺杂改性的聚苯胺，经纯化干燥后备用(30学时)。(3)用高阻计测试聚苯胺的电导率，X射线衍射仪分析产物的物相结构，红外光谱仪观察产物的特征官能团，并在扫描电镜下观察产物的形貌，并比较不同组别间所得聚苯胺产物在性能和外观上的异同(15学时)。(4)各组同学在制得合格的聚苯胺后，按照预先选定的应用方向，分别添加到聚丙烯或天然橡胶中制成复合材料，前者在双螺杆挤出机中完成，而后者在双辊开炼机和平板硫化机中进行。(30学时)(5)将所得复合材料进行标准化制样后，分别用万能电子试验机、摆锤式冲击试验机和高阻计测试复合材料的拉伸性能、冲击韧性和电导率随聚苯胺添加量的变化规律并记录实验结果;用扫描电镜观察复合材料断面形貌，分析破坏机制，探讨材料的强度和韧性变化的机理(15学时)。(6)学生整理数据，并撰写实验报告。报告要求参照本科毕业论文的模板和格式，须包括引言、实验过程、结果与讨论、结论和参考文献等主要部分(30学时)。其中(1)和(6)要求学生利用课余时间分别在实验周的前后一周内完成，不占用实验周的学时。在整个实验进行过程中，如因出现不可抗力或意外情况导致实验进展不顺利，可通过与实验室管理人员协调，利用周六和周日的时间进行弥补，以保证学生有充足的实验时间。通过这样一个研究型实验的设计和内容编排，不但使学生能够将有机化学、高分子化学、高分子物理、高分子成型加工原理以及材料现代测试与分析技术等课程中散落的知识点进行有机串联，还同时大大增强了学生对高分子材料从合成、表征到应用的整体认识。在实验过程出现不可预料的事件时，合理引导学生利用理论知识去分析问题，并通过查找资料寻求解决问题的方法，有力地推动了学生在理论知识和实践应用方面的融会贯通，极大地提升了学生的主观能动性。

4实验课程考核

本实验的考核采用过程管理与结果考核并用的模式，主要分为以下三个方面:(1)学生实验表现(40%):指导教师观察并记录学生在实验中的表现，包括实验时间的合理安排、实验平台的正确搭建、实验药品和原料的适用和管理，以及意外情况出现时的应对措施等。(2)综合报告撰写(40%):要求每一位学生在查阅文献和整理资料的基础上，独立分析实验数据，撰写一份符合要求的实验报告。(3)教师提问考核(20%):学生提交报告期间，指导教师根据报告内容进行提问，考核学生对实验过程和报告内容的熟悉程度，同时考察学生在实验数据分析中的逻辑性，进一步深化学生对实验的印象，达到初步培养学生科研素质的目的。

5结语与展望

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依照天然高分子的结构属性，改性修饰或者纳米化研制开发出适合于人类可持续发展的、无毒害、易降解的高分子材料，成为了当今全球节能环保领域重要的研究方向。“能源问题势必会引起环境问题，把自然界中的生物质作为一种能量，通过循环使之得以释放，可以极大地减少对化石能源的依赖性，同时也不会对环境造成不良影响。”南京信息工程大学环境科学与工程学院化学系教授刘大刚如此认为。

田野里走出来的材料工作者

出生于20世纪70年代末的刘大刚成长于革命老区大别山脚下，自小玩耍于山间田野，一束花草、一颗粒石、一只甲壳虫……都可以让他玩得不亦乐乎。因历史原因，当地十分贫困，食不裹腹并不罕见。在此等生活条件下，读书成为一种奢侈。

他的爷爷是以前的私塾先生，在当地算得上知识分子，“家里的教育传承还可以”，因此，刘大刚才能一路从小学、中学读到大学，最终成长为一个前线教育工作者，科研人员。谈及小时候的生长环境，刘大刚很是兴奋，“那时候上学也不是全身心地在学习上，而是喜欢跑到山沟沟里到处去玩”。

自然界各色各样的生物，种种神秘现象，填满了刘大刚的少年时代。“我喜欢一些自然、天然纯粹的东西，同时也喜欢思考自然界中的五颜六色是怎么来的一类问题”。开阔的山间田野塑造了他自由、崇尚天然的性格，对各种自然现象高度好奇培养了他对自然的无限兴趣。可以说正是在这种兴趣的指引下，让他在今后的科研过程中以自然为导向，一步一步走进大自然深处。

从大学时期的化学专业，到留美期间的可再生资源研究，再到目前所从事的环境友好高分子纳米材料研究，刘大刚把他感兴趣的自然生物一点点转移到实验室里的瓶瓶罐罐中，热衷于探索天然高分子结构的不规整性、分子间键全作用的复杂性、难溶解、手性以及亲水性等特征，为寻找可替代原料不遗余力。

“自然界中有很多生物质，其通过自然本身的循环作用，把这些生物质当作一种能量利用起来，通过不同形式的排列组合直接转化为人类所需要的能源材料，这是我一直想做的”，刘大刚始终认为，科研要取于自然，回归自然。“利用丰富的可再生材料，实现功能化仿生，使用后也是天然环保，这才是正确的循环发展的道路”。

探索天然高分子性能

当前，传统能源在消耗过程中不可避免出现有毒物质，危害生态环境的正常发展，同时也损害人类身体健康。随着近年来国内外天然高分子领域研究脚步的加快，人们逐渐对天然高分子的聚集态结构、材料的降解循环利用有了深入了解。

刘大刚带领团队将淀粉、纸浆、甲壳素、壳聚糖、丝蛋白等通过机械物理的方法分别制备成天然高分子纳米颗粒，通过对流变分析淀粉、壳聚糖、甲壳素在尺寸降低的过程中纳米颗粒的溶胶―凝胶转变，研究了尺寸转变和形貌等对颗粒性质的影响。该技术克服了传统化学污染或者生物酶技术的不足，为天然高分子半结晶性纳米颗粒以及水分散胶体提供了有效的制备方法，并得到了学术界和工业界的广泛认可。这些纳米颗粒有效地增加了比表面积和相对官能团数量，却保持了原始的刚性特征，当嵌入柔性高分子链段中易形成“海-岛”结构。他们将天然高分子纳米晶或者纳米纤维与高分子进行共混，实现软硬两相之间的有序结合，增加材料的抗蠕变性能。他们的研究受到关注并受邀撰写书稿和综述。

像纤维素纳米晶这样的尺寸小、比表面积大的聚集体，可以通过缓慢的自组装恢复其生物体内纤维的胆甾相有序结构。但是若在三维尺寸范围内实现有序组装，必须在聚集体中间引入如电荷排斥等排斥力，刘大刚及其团队通过调节纳米晶表面电荷密度和手性旋转调控具有长程有序结构的胆甾相液晶膜，而且这种手性向列相液晶可以选择性地反射可见光，表现出结构颜色现象。这种彩虹色的薄膜被用于传感膜、防伪涂层材料。这一研究发现受到国内外的广泛关注，获得较高的引用。

此外，基于生命体中天然高分子聚合存在的特征，他提出利用杂化形式实现对天然高分子材料结构性质的调控和应用。比如大豆蛋白质是一种优良的钙离子结合物，利用球蛋白亚单元7S和11S作为模板，通过无机纳米颗粒的识别效应，区分出大豆蛋白质球蛋白的二级结构单元，建立起7S和11S的有机/无机纳米晶之间的识别/组装模式。通过杂化增强等方式解决了大豆蛋白材料的吸水性强、韧性差的问题，并且将离子键合/螯合作用力用于增强大豆蛋白质/木材的胶合界面，提出复杂的有机/无机杂化纳米胶黏剂在粘接木材中三相界面作用力的胶合机理。相关的胶黏剂产品并已实现了该技术的工业化，在环境公益和工业方面贡献了技术力量。

众所周知，重金属离子污染极大地破坏了当前生态环境，利用天然高分子微纳米颗粒的多功能活性基团和高比表面积，可以实现对重金属离子的吸附分离，有效地减少了二次污染。刘大刚带领团队成员将大豆蛋白微球、甲壳素、壳聚糖纳米纤丝等微纳米尺寸的天然高分子颗粒应用于重金属离子等污染物的去除，取得超高的吸附量和吸附效率。在过滤器件的应用上，为快速、高效的污染处理开辟了新思路。

在今后的科研过程中，刘大刚认为，分离出细小的半结晶天然高分子纳米结构单元，改变、调节这些聚集体之间的作用力，调控手性结构特征，继而控制绿色组装过程合成功能、智能材料，实现从仿生到创造智能材料的转变是重中之重。

“自然灵感是自主创新的源泉”

留美期间，刘大刚的科研态度有了一些改变，“相对来讲，美国的科学家更注重科技成果的转化，实现产学研紧密联合”。随着国内科研成果与产业化相对接趋势的日益加强，他敏锐地感觉到，今后的科研之路要向技术自主创新和新产品研发方面发展。

“大自然是最伟大的材料大师，要从大自然中寻找灵感，重新做实验设计，然后尝试着去完成”，刘大刚认为科研的灵感要来自于自然，比如孔雀开屏很美丽，那能不能把这种自然呈现出来的颜色搭配及图案等转移到人类的衣物制作上，而不是仅仅通过化学印染，这种自然组合，能够美得更真实、更环保、更有利于人体健康。

回国后，刘大刚就走上了南京信息工程大学的三尺讲台，开始了执教生涯，并在这里一一实现着自己当初的设想。“搞化学科研，并非都是和有毒物质打交道，在我们实验室里都是一些天然的东西，是自然界中普遍存在的天然高分子，比如淀粉、甲壳素、纤维素、蛋白质等，很常见”。在指导学生做科研方面，他说，大自然才是人类的老师，鼓励学生多接触自然，在实验里做基础性研究时，只需要结合自然界中的现象来执行就可以了。