大学化学, 2019, 34(9): 87-90 doi: 10.3866/PKU.DXHX201905053

科普

小实验大道理——从热缩片小制品DIY看高分子材料的熵致形变

李维维, 冯红艳, 兰泉, 朱平平,

A Big Principle of a Small Experiment: Understanding Entropy Induced Deformation of Polymer from the Pyrocondensation Materials by DIY

LI Weiwei, FENG Hongyan, LAN Quan, ZHU Pingping,

通讯作者: 朱平平, Email: zhupp@ustc.edu.cn

收稿日期: 2019-05-20   接受日期: 2019-06-24  

基金资助: 中国科学院2018年科普教育类项目.  2018D0038

Received: 2019-05-20   Accepted: 2019-06-24  

Fund supported: 中国科学院2018年科普教育类项目.  2018D0038

摘要

这是一项利用热缩材料的特性可以“自己动手做”(Do It Yourself,DIY)小制品的科普项目。通过该项目,公众可以初步了解高分子材料的熵致形变原理,本文还介绍了该项目在化学科普活动中的初步成效与特点。

关键词: 化学科普 ; 高分子材料 ; 热缩材料 ; 熵致形变

Abstract

A little experiment concerning the pyrocondensation materials was introduced in this paper. The aim was to help the public understand the principles of entropy induced deformation of polymer materials.

Keywords: Science popularization of chemistry ; Polymer materials ; Pyrocondensation materials ; Entropy induced deformation

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本文引用格式

李维维, 冯红艳, 兰泉, 朱平平. 小实验大道理——从热缩片小制品DIY看高分子材料的熵致形变. 大学化学[J], 2019, 34(9): 87-90 doi:10.3866/PKU.DXHX201905053

LI Weiwei. A Big Principle of a Small Experiment: Understanding Entropy Induced Deformation of Polymer from the Pyrocondensation Materials by DIY. University Chemistry[J], 2019, 34(9): 87-90 doi:10.3866/PKU.DXHX201905053

中国科学技术大学(以下简称中国科大)化学实验教学中心(为国家级实验教学示范中心,以下简称为中心)设计并开发了可以“自己动手做”(Do It Yourself,DIY)小制品的科普项目,从生活中常见的热胀冷缩现象入手,引导参与者思考生活中具有热缩现象的物品,参与者很容易联想到有的衣服用热水洗涤会缩水、热缩薄膜用于包装、饮料瓶在遇到热水时会变形等现象,同时让参与者通过DIY小制品,体会到高分子与日常生活的紧密联系,初步了解高分子材料的神奇[1]

1 实验实施

1.1 实验材料

实验材料包括:塑料热缩片,亚克力板(聚甲基丙烯酸甲酯),托盘,挂绳,打孔机,热风枪。

1.2 实验步骤

热缩片DIY挂件的制作步骤如下(图1):

图1

图1   热缩片DIY挂件的制作步骤


(1)取出热缩片放在托盘上,在右上角或左上角打一个孔;

(2)用热风枪对着热缩片,距离5 cm左右吹热风;

(3)随着加热的进行,热缩片开始蜷缩、扭曲、变小;

(4)待热缩片自动变平整,表明热收缩完毕,关闭热风枪;

(5)用亚克力板对热缩片进行按压、定型;

(6)最后挂上挂绳,小挂件就完成啦(所用图案为中心设计的卡通形象“大华”“小雪”)。

如果是空白热缩片,参与者还可以根据个人喜好创作出自己喜欢的图案或卡通人物,并进行涂色。

2 基本原理

对于一般物体,通常符合热胀冷缩规律。然而,对于经特殊预处理(如图2所示的从A到B的预处理步骤)的高分子材料,却表现出热缩现象。

图2

图2   对高分子材料预处理以及随后的热缩过程中高分子链构象和形态变化示意图

由A到B:蜷曲的高分子链在外力作用下,逐渐伸展开,取向后冷却定型;
由B到A:受热后解取向过程自发进行(热缩过程),直至收缩到原来的形状和尺寸


与小分子化合物相比,高分子的最大特点就是“大”,它是由很大数目(103–104)的结构单元以化学键相连而成的,而每一个结构单元相当于一个小分子化合物。就是因为这个“大”,量变导致质变,引起高分子材料在结构、分子运动和一系列物理性能上与小分子化合物有着本质的差别,形成了高分子材料特有的结构与性能,如:高分子链可以通过不断改变构象而无规弯曲的特性——柔性,起因于高分子链构象熵的改变、本质为熵弹性的橡胶高弹性。对于高分子材料,发生形变时,构象熵起着极其重要的作用。

当线形高分子链充分伸展时,其长度是其宽度的几百、几千甚至几万倍,这种结构上悬殊的不对称性,使得高分子链很容易在外力作用下沿着外力方向作择优排列,即形成取向结构。而取向过程不能自发进行,这是因为取向是高分子链由蜷曲状态逐渐伸展开、构象数减少的过程,即构象熵减少的过程,因此需要外力的作用才能实现。取向态在热力学上是一种非平衡态,同时热运动使分子趋于无序,解取向过程(取向的逆过程)总是自发进行的。为了使高分子材料的取向结构稳定,必须降温以降低分子的活动性,通常要把温度降到玻璃化温度以下,冻结链段(高分子中重要的小尺寸运动单元)和整个高分子链的运动(图2从A到B的过程)。但是当温度升高到玻璃化温度以上时,解取向自发进行,这是因为链段的运动因为温度升高而被激发,伸展的分子链自发地通过单键的内旋转重新蜷曲起来,往构象熵增加的方向进行,直至收缩到原来的形状和尺寸(图2),这就是用热缩片DIY小制品的基本原理。利用的是高分子材料的熵致形变原理[2],热缩片在受热时自发地由伸展形态往构象熵增加的方向进行,即向蜷曲形态转变(图2从B到A的过程),因此宏观上表现出热缩现象。

3 初步成效与小结

“热缩片小制品DIY”科普项目,可根据参与者的想法进行创作。一方面,让大众都能参与其中,并拥有自己专属的高分子材料小制品;另一方面,让具有一定化学基础的中学生或大学生能够细心观看科普展板以及听志愿者讲解,引导他们理解高分子材料相关知识。

作者在安徽省金寨县科教扶贫活动中,当地学生在DIY热缩片上写着给自己的寄语:“好好学习,我要上中国科学技术大学!”,或在上面写上了给妈妈的节日祝福,还有学生直接把中国科大校徽做成了挂件(图3)。

图3

图3   在中国科大的科教扶贫活动中当地学生制作的各种小制品


本科普项目还在中国科大科技活动周以及中国科大附中小学部的班级科普活动中(图4)推出,深受广大公众和学生们的喜爱。项目具有以下几个特点。

图4

图4   中国科大附中小学部班级科普活动


3.1 跟日常生活息息相关,人们参与度高

挂件、摆件、饰品等都是人们日常生活中常常会接触和使用到的,通过这个科普实验,人们可以制作属于自己独一无二的作品,人们的参与度高。

3.2 产品美观,携带方便

作为化学实验类科普产品,我们还将中心设计的卡通形象“大华”“小雪”应用于产品中(图1),人们将做出来的卡通挂件带回家,跟亲戚朋友展示的时候,会让更多人了解高分子材料与日常生活的密切关系,也间接地拉近了化学与公众的距离,对改变人们对化学的认识,起到一定的积极作用。

3.3 操作简单,易于推广

实验操作简单,对环境没有严格要求,不需要在专业实验室进行,甚至家长们准备好材料,在家里就可以带着孩子一起做。在制作过程中,只须提醒孩子正确使用热风枪,防止烫伤即可。

3.4 实验过程有趣,具有可拓展性

本科普实验进行过程中,人们能够看到热缩材料在高温下蜷缩、扭曲、变小的过程。参与的孩子有的说:“这个实验很神奇、很好玩!”;有的问:“我能用它来做我喜欢的动漫人物吗?”。

同时,本科普产品还可以拓展出很多实验,比如,可以制作耳饰、胸牌、盆栽,还可以结合回形针制作个性书签,可以做成热缩片小制品DIY系列实验项目,具有可持续性。

4 展望

在科普领域,实物展示、视频观看的形式居多,比如,很多城市的科技馆就有很多该类型的科普项目,但公众能够动手操作的相对较少,而且多是物理科普项目。化学科普领域,能够既有实物展示,又有图文讲解,参与者还能够动手制作的就更少了[3, 4]。我们将不断探索,力争持续开发出更多类型的科普产品,为化学科普活动的可持续发展不懈努力。

参考文献

朱光明. 形状记忆聚合物及其应用, 北京: 化学工业出版社, 2002.

[本文引用: 1]

冯端; 冯少彤. 溯源探幽熵的世界, 北京: 科学出版社, 2005.

[本文引用: 1]

朱平平; 兰泉; 冯红艳; 汪红蕾; 黄微; 查正根; 郑媛; 刘济红; 魏伟; 李婉; 高明丽; 邵伟; 李维维. 大学化学, 2018, 33 (7), 96.

URL     [本文引用: 1]

马锴果; 贾莉; 马艳子; 高珍; 李维红; 边磊; 黄军; 关玲; 徐烜峰; 赵浩. 大学化学, 2018, 33 (7), 129.

URL     [本文引用: 1]

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