Алгоритм формування знань про отримання полімерних нанокомпозитів у майбутніх учителів технологій при вивченні курсу "Технологія виробництва конструкційних матеріалів"

Размещено на http://www.allbest.ru/

АЛГОРИТМ ФОРМУВАННЯ ЗНАНЬ ПРО ОТРИМАННЯ ПОЛІМЕРНИХ НАНОКОМПОЗИТІВ У МАЙБУТНІХ УЧИТЕЛІВ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ КУРСУ «ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ»

Микола БОРДКЖ,

кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри фізики

Ніна БОРДКЖ,

старший викладач кафедри теорії та методики професійної освіти

Тетяна ШЕВЧУК,

кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри фізики

Рівненського державного гуманітарного університету

У статті аналізуються питання формування знань про технології отримання полімерних наномпозитів у процесі вивчення курсу «Технології виробництва конструкційних матеріалів». Пропонується алгоритм отримання таких знань.

Постановка проблеми. Початок XXI століття характеризується важливими відкриттями, що мають стратегічне значення для вдосконалення знань у галузі природничих наук і матеріалознавства. Більш високий рівень методів дослідження матеріалів за допомогою електронної мікроскопії високої здатності, зондової скануючої електронної мікроскопії, високоселективної мас-спектроскопії. вдосконалення підготовки зразків дало можливість детектувати одинокі молекули, вивчати поведінку малих ансамблів атомів.

Аналіз і систематизація таких досліджень різноманітних малих об'єктів дозволило виявити принципово нові закономірності поведінки малих ансамблів, асоціатів атомів і молекул, що виявляється в зміні їх властивостей і реакційної здатності в порівняні з індивідуальними атомами і молекулами, із системами, що утворюють фазу чи макросистему (контініум). Це дало можливість класифікувати хімічні об'єкти в залежності від числа чи розмірів виникаючих асоціатів чи систем як наноструктури. Таким чином, виникла нова класифікація матерії: індивідуальні атоми чи молекули, наноструктурні системи, континуальна речовина [1].

Світ об'єктів, об'єднаних визначенням «нано». настільки широкий, що важко знайти такі галузі природничих наук і процесів, які не були б так чи інакше пов'язані з ними. Особливе місце в нанорозмірній хімії належить часткам, що беруть участь у різних біологічних процесах, до яких варто віднести такі молекулярні функціональні системи, як ферменти, ліпосоми, клітини. Використання подібних матеріалів у хімії - це нові реакції, каталітичні й сенсорні системи, одержання сполук і нанокомпозитів із новим комплексом раніше невідомих властивостей: у фізиці - створення матеріалів для електроніки, структури з нанометровою геометрією для запису інформації, перетворення випромінювань різної енергії: у біології й медицині - нові лікарські засоби й механізми їхнього транспортування. Усе більш чітко проглядається зв'язок між наукою про матеріали й наукою про життя.

Здаються цілком реальними твердження, що наука й технологія XXI століття мають нанорозмірний, ангстремний характер, оскільки в багатьох галузях традиційних технологій досягнуті межі мініатюризації окремих елементів (наприклад, щільності розташування на поверхні кристалів у мікро- електроніці), що стимулює пошук альтернативних шляхів [2]. Науковці працюють над проблемою використання нанотехнологій для створення квантового комп'ютера та програмованої матерії [3].

Мета статті - показати алгоритм формування знань про технології одержання полімерних нанокомпозитів у студентів спеціальності «Технологічна освіта» при вивченні курсу «Технології виробництва конструкційних матеріалів».

Виклад основного матеріалу. За навчальною програмою з трудового навчання для загальноосвітніх навчальних закладів [4] передбачається вивчення тем із виробництва та застосування сучасних конструкційних полімерних матеріалів, зокрема і полімерних нанокомпозитів. Для якісного висвітлення таких тем у загальноосвітній школі виникає потреба у введенні питань науки про полімери в професійну підготовку майбутніх учителів технологій. Отримати знання про технології створення полімерних нанокомпозитів і їх використання студент може при вивченні навчальної дисципліни «Технології виробництва конструкційних матеріалів». Представимо структурно-логічну схему цієї дисципліни.

Програма вивчення нормативної навчальної дисципліни «Технологія виробництва конструкційних матеріалів» складена відповідно до освітньо-професійної програми підготовки бакалавра напряму (спеціальності) 6.010103 «Технологічна освіта» (вчитель технологій і креслення).

Предметом вивчення навчальної дисципліни є матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів.

Міждисциплінарні зв'язки: загальна фізика, хімія, інформатика, математика.

Програма навчальної дисципліни складається з таких змістових модулів:

Технологія виробництва конструкційних матеріалів

Мета та завдання навчальної дисципліни

1. Метою дисципліни «Технологія виробництва конструкційних матеріалів» є формування технічно й технологічно освіченої особистості, підготовленої до активної трудової діяльності в умовах сучасного високотехнологічного та інформаційного суспільства як майбутніх учителів трудового навчання. Метою вивчення технологій виробництва конструкційних матеріалів є: формування системних професійних, соціально значимих знань і вмінь, необхідних майбутнім учителям трудового навчання для організації навчально-виховної роботи в загальноосвітніх навчальних закладах; озброєння студентів знаннями про сучасні конструкційні матеріали й способами їх виробництва, про основні напрямки науково-технічного прогресу в галузі розробки нових із завчасно заданими властивостями, про сукупність методів зміни стану, властивостей, форми сировини, матеріалу або напівфабрикату, методів чи способів виготовлення, які здійснюються в процесі виробництва продукції.

2. Основними завданнями вивчення дисципліни «Технологія виробництва конструкційних матеріалів» є забезпечення умов, при яких студенти успішно засвоять ключові наукові поняття, основні положення теорії з усіх аспектів виробництва конструкційних матеріалів, акумульовані різними галузями наукового знання; опанують зв'язки науки і виробництва; оволодіють комплексом знань й умінь, необхідних для глибокого засвоєння матеріалу спеціальних дисциплін та розв'язування навчальних задач; розширять політехнічний світогляд, набудуть компетенцій, ерудиції, що дасть можливість майбутньому вчителеві збагачувати уроки трудового навчання в основній школі політехнічним змістом, а також для комплексного керівництва гуртковою роботою.

3. Згідно з вимогами освітньо-професійної програми студенти повинні:

Знати:

- історію виробництва та розвитку виробництва кострукційних матеріалів;

- класифікацію та маркування найбільш поширених у сучасних умовах конструкційних матеріалів;

- основи будови металевих і неметалевих матеріалів;

- теоретичні основи отримання конструкційних матеріалів, їх властивостей, тенденції у створенні матеріалів майбутнього на основі досягнень науково-технічного прогресу;

- сировину та допоміжні матеріали для конструкційних матеріалів;

- технології виробництва.

Уміти:

- визначати властивості матеріалів:

- обирати конструкційні матеріали для виробів. що будуть виготовлятися в умовах шкільних майстерень (з урахуванням вимог до виробів):

- виконати обробку матеріалів

- визначити фізико-механічні властивості матеріалів.

На вивчення навчальної дисципліни відводиться 72 години (2 кредити ECTS).

1. Інформаційний обсяг навчальної дисципліни

Тема 1.1. Технологія виробництва металів та їх сплавів

Історія виробництва металів. Характеристика, будова і класифікація металів, структурні особливості металів. Основи теорії сплавів. Вуглецеві сталі. Сталі групи А, Б і В. Сталі вуглецеві спеціального призначення. Інструментальні вуглецеві сталі. Промислові чавуни. Високоміцні чавуни. Чавуни зі спеціальними властивостями. Леговані сталі. Класифікація і маркування легованих сталей. Конструкційні леговані сталі.

Тема 1.2. Основи виробництва кольорових металів та їх сплавів

Способи отримання кольорових металів та їх сплавів: алюміній та його сплави, мідь та сплави на її основі. Титан, магній та їх сплави, галузі застосування кольорових металів та їх сплавів в життєдіяльності людини.

Тема 1.3. Методи та технології отримання порошкоподібних матеріалів

Технологічні напрямки отримання порошків. їх класифікація. Властивості порошків та виробництво конструкційних матеріалів. Продукція порошкової металургії. Стан та перспективи розвитку виробництва порошкоподібних матеріалів.

Тема 1.4. Виробництво поліліерів, технології їх отрилшння та застосування.

Неметалеві конструкційні матеріали Процеси полімеризації та поліконденсації. Основи технологій отримання полімерних матеріалів. Полімерні композиційні матеріали: наповнені полімери. пластифіковані високомолекулярні сполуки, полімер-полімерні системи. Основи виробництва гумових матеріалів, клеїв, лакофарбних матеріалів. Деревина, неорганічне скло, технології їх виробництва.

Тема 1.5. Технологічні аспекти окрилення нанорозліірних систеяі.

їх використання в життєдіяльності людства Класифікація нанокластерних та нанокристалічних матеріалів. Вакуумні методи отримання тонко-плівкових наноструктур. Формування наноструктур під дією опромінення. Наноструктури. отримані із застосуванням плазмових технологій та гартуванням із рідкого стану. Формування наношарів методами молекулярно-променевої епітаксії та хімічного складання. Синтез органічних наноструктур. Нанорозмірні утворення полімерних плівок. Полімерні нанокомпозити.

Тема 1.6. Технологія виробництва конструкційних атеріалів та проблеми екології

Екологічні проблеми виробництва металів та шляхи їх подолання. Вирішення екологічних проблем у технологіях виробництва порошкоподібних матеріалів. Проблеми екології при виробництві полімерів та виробів з них. Технологічні та екологічні проблеми створення наноструктурованих матеріалів.

Формування у студентів знань про полімерні нанокомпозити здійснюється на лекційних заняттях при вивченні тем 1.3-1.6. Алгоритм формування таких знань може бути таким: теоретичні аспекти технологічних процесів отримання полімерних нанокомпозитів - моделювання цих процесів (комп'ютерне та математичне) - отримання зразків полімерних нанокомпозитів - визначення галузей їх застосування.

Теоретичний матеріал лекційного курсу дозволяє сформувати в студентів знання про основні технологічні напрями отримання полімерних нанокомпозитів (рис.1).

Для реалізації схеми основних технологічних процесів отримання полімерних нанокомпозитів потрібно ввести термін «нанокомпозит». Відповідно до [4] нанокомпозит - це продукт поєднання хоча б двох різнорідних матеріалів із вираженою межею між ними, причому хоча б один із них повинен мати нанометрові розміри (1-100 нм) не менше ніж в одному напрямку. Це також стосується і відстаней між сітками та шарами, утвореними полімерними і неорганічними інгредієнтами. Таким чином, полімерний нанокомпозит - це двофазний матеріал, в якому органічна і неорганічна фази розподілені одна в одній на нанорівні. Нанокомпозити отримують різними способами, формуючи нанорозмірні частинки при наявності спеціальним чином підготовленої полімерної матриці або проводячи полімеризацію чи поліконденсацію при наявності таких частинок. Саме до такого типу можна віднести матеріали, в яких мономерні або полімерні молекули інтеркальовані (внесені) як «гості» в структури «господаря», зазвичай природного походження, рідше - синтетичного. Його жорсткі кристалічні матриці є регульованою системою перколяційних пор нанометрових розмірів, які також здатні заповнюватися атомнимиабо молекулярними структурами «гостей»: наночастинками металів, їх оксидів, неорганічними координаційними полімерами типу CdS, великими молекулами, фуллеренами Сбо. У термах кінетики такий топотактичний процес характеризується низькою енергією активації дифузії, а отримані матеріали зазвичай метастабільні й не можуть бути синтезовані іншими шляхами (наприклад, термічним синтезом) через процеси розшарування - відшарування інгредієнтів.

Інтеркаляція в неорганічні шарові матеріали типу глинистих мінералів - найкращий шлях конструювання нових органо-неорганічних наноансамблів із супрамолекулярною структурою. Інтеркаляційні системи є самозбірними нанокомпозитами, наприклад, багатошарові плівки (надрешітки), які збираються у вигляді мультишарів, один із яких є електрично заряджений неорганічний, а інший - протилежного заряду полімер. Такий підхід використовується і при створенні самоорганізовуючих багатошарових плівок Ленгмюра-Блодже, що дозволяє отримувати різноманітні комбінації матеріалів із нанорозмірними вузлами і напівпровідниковою структурою метал-діелектрик.

Існують два напрямки отримання фуллереновмісних полімерів, що призводять до утворення різних типів структур. Перший напрямок передбачає проведення реакції фуллерену і його похідних із полімерами, в результаті чого відбувається ковалентне підлаштування його в хімічну структуру макромолекул. Другий напрямок реалізується шляхом механічного введення (допірування) фуллерену в полімери без утворення ковалентних зв'язків. Методи синтезу фуллереновмісних полімерів (рис. 2) відрізняються будовою і видом розміщення фуллере - нових одиниць [5].

Фуллереновмісні полімери обох видів мають свої особливості. Полімери з ковалентно зв'язаним фуллереном синтезуються більш складними методами, ніж фуллереновмісні полімери другого виду, а характер зв'язку фуллерен-полімер значною мірою змінює електронну структуру макромолекул. Допірування полімерів фуллереном - більш проста операція, яка менш спотворює електронну структуру і властивості фуллеренових молекул при відсутності ковалентного зв'язку фуллерен-фрагмент макромолекули.

Важливу роль у вивченні технології виробництва полімерних нанокомпозитів відіграє лабораторний практикум курсу та практичні роботи, які дають можливість студентам набути практичні навички і вміння в технологіях отримання таких матеріалів та їх моделювання. Лабораторні роботи з технологій отримання полімерних нанокомпозитів та методика їх проведення описані в посібниках [6; 7]. Питання комп'ютерного та математичного моделювання технологічних процесів отримання полімерних нанокомпозитів розглядаються на практичному занятті. Студентам можуть пропонуватися для самостійного розв'язку такі завдання [8]:

1. Для виготовлення імплантатів кісткових тканин використовуються гетерогенні полімерні системи, наповнені сферичними фуллеренами, розміри яких 0,5нм. 0.1 нм. 1,5нм. Визначте питому поверхню, дисперсність і кривизну цих нанонаповнювачів.

1. Фуллерено-полімерна плівка товщиною 100нм мінеральної змазки захищає поверхню деталей і зменшує тертя між ними. Визначте питому поверхню, дисперсність і кривизну цієї плівки, якщо її розміри 2.w.w х 15мм.

2. Карбонові нанотруби (циліндри) використовуються, як наповнювачі полімерних матеріалів. Визначте питому поверхню, дисперсність і кривизну цих нанонаповнювачів, якщо їх діаметр має межі 3,5Е - 10нм, а довжина - (1+5)мкм.

3. Визначте зміну питомої поверхні тіла об'ємом 1см³ при його подрібненні на однакові частинки кубічної форми розмірами Ісм, Імм. Імкм. 1 нм. Знайдіть кількість утворених частинок і побудуйте графік їх залежності від розмірів, зробіть висновки.

4. Наповнювачами полімерів використовуються титан-фуллеренові частинки, що мають сферичну форму і діаметр 10нм, 15нм, 20нм, 25нм, 30нм, 35нм, 40нм. Визначте число часток, які можна отримати з такого матеріалу об'ємом 0,1 см³ та їх питому поверхню. Побудуйте графік залежності кількості часток і питомої поверхні від радіуса титан-фуллере- нових часток, зробіть висновки.

Створення умов для випереджувального навчання, отримання необхідної інформації для успішного вивчення технологій виробництва полімерних нанокомпозитів у цьому курсі, інформування про сучасні досягнення в створенні нових макромолекулярних наносистем викладач та студенти можуть отримати, використовуючи інтернет-ресурси науки про полімери. Важливим елементом цього ресурсу є сайти інтернет-видань, в яких оперативно публікуються матеріали про сучасні дослідження в галузі отримання нових полімерних нанокомпозитів.

Для наочної демонстрації технологій отримання полімерних нанокомпозицій можна використати й відеофільми, зокрема такі, як «Розумні полімери», «Полімери. Пластичні маси», «Отримання пластмас», «Переробка полімерів», «Полімери майбутнього», «Полімерні плівки», «Полімери в контексті нано». науковий фізика полімерний студент

При викладанні представленого курсу реалізуються такі міжпредметні зв'язки: загальна і теоретична фізика, неорганічна та органічна хімія, хімія високомолекулярних сполук, фізична і колоїдна хімія, аналітична хімія, біофізика, молекулярна біологія, вища математика, програмування й інформатика, комп'ютерне моделювання, машинознавство і технології, педагогіка та психологія.

Означений нами підхід до вивчення технологій створення полімерних нанокомпозитів дає можливість студентам не тільки засвоїти новітні досягнення науки про полімери та формувати знання про технології виробництва, а й дозволяє реалізувати науково-методичні завдання, зокрема представити міжпредметні зв'язки технологічної дисципліни з фундаментальними; формувати наукові знання і показати можливості їх використання в технологічних процесах; запроваджувати елементи науково-дослідної роботи студентів; проводити підготовку майбутніх учителів дисципліни «Технології» з новим баченням розвитку сучасної науки, технологій і можливістю використання набутих знань, умінь і навичок у роботі загальноосвітньої ніколи.

Список використаної літератури

1. Сергеев Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев. - Москва: МГУ, 2007. - 336 с.

2. Фреїк Д. М. Технологічні аспекти нано- кластерних і нанокристалічних структур. Огляд / Д. М. Фреїк, Б. П. Яцишин // Фізика і хімія твердого тіла. - 2007. - Т. 8. - № 1. - С. 7-24.

3. Кайку М. Фізика майбутнього / М. Кайку; перекл. з анг. А. Кам'янець. - Львів: Літопис, 2013. -432 с.

4. Бордюк М. А. Фізика полімерів. Спеціальний курс: навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / М. А. Бордюк, Т. М. Шевчук, Б. С. Колупаєв. - Рівне: видавець О. Зень, 2014. - 484 с.

5. Програми: навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / М. А. Бордюк, Т. М. Шевчук, Б. С. Колупаєв. - Рівне: видавець О. Зень, 2014. - 264 с.

6. Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур, наноматериалов / И. П. Суздалев. - М.: Физматлит, 2009. - 592 с.

7. Бордюк М. А. Формування знань про нано- структурні системи у майбутніх учителів фізики при вивчені спецкурсу «Полімерні нанокомпозити та їх застосування» / М. А. Бордюк // Науковий часопис НПУ ім. М. П. Драгоманова. - 2013. - Вип. 42. - С. 10-20. - (Серія 5 «Педагогічні науки: реалії та перспективи»).

Размещено на Allbest.ru