再生PET液相增黏及熔体直纺工艺虚拟仿真实验

再生PET液相增黏及熔体直纺工艺虚拟仿真实验

实验要求

(1) 专业与年级要求

面向高分子材料科学与工程专业以及相关专业(高分子化学与物理、复合材料、高分子材料成型、化学工程、纺织材料、环境工程、应用化学等)本科三年级、四年级学生开设。

 

(2) 基本知识和能力要求

学生需掌握高分子物理、高分子化学、高分子材料成型原理与工艺、高分子材料合成原理与工艺、高分子材料研究方法等相关课程的基础理论知识;掌握高分子材料性能测试方法及标准。具备文献查阅能力,了解高分子材料发展前沿。


成果支撑

实验背景

习近平总书记指出建设人与自然和谐共生的现代化,必须把保护生态环境摆在更加突出的位置。循环利用是转变经济发展模式的要求,发展循环经济是提高资源利用效率的必由之路。通过循环再生减少资源利用和生态损耗,促进人与自然和谐相处。加强学生的循环意识教育,引导学生正确认识循环经济对社会可持续发展的积极意义,不仅是大学生立德树人教育的要求,也对提升学生的人文科学素养和社会责任感具有重要的作用。20世纪以来,高分子材料工业得到快速发展,并广泛应用于建筑、交通、医疗、农业、电子、包装、航空航天等主要国民经济领域。但是由于传统高分子材料不可降解的特性,使得高分子材料的大量使用给生态环境造成巨大的压力,严重污染环境,破环了生态系统。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是最常见使用的高分子材料之一,主要应用于软饮包装和纺织材料领域。据统计,全国每年PET原料的消耗量超过4000万吨。通过有组织的回收利用,PET产业完全可以实现生产-使用-回收-再利用的循环经济模式。但PET在使用期间受氧化、紫外线辐照、水解、外力等老化作用,分子量降低、分子量分布变宽,使得以再生PET做成的制品性能降低。通过增黏改性可有效提高再生PET分子量,改善再生制品性能,对于再生PET的高值化利用和可持续发展具有重要的意义。PET再生过程包含高分子材料的聚合改性和成型加工两个主要工序,对应《聚合物合成原理及工艺》和《高分子材料成型原理与工艺》两门骨干课程。通过开设PET再生实验,可加深学生对理论知识的理解,提高学生的工程实践能力和创新思维。然而,PET再生实验很难线下开展,主要原因有:1、PET再生实验的环境恶劣,涉及高温、高压、高速传动,极易发生人身伤害事故;2、所需场地较大、设备维护和运行成本高,难以实现多参数调控实验;3、实验工艺复杂,周期长,实验结果不可逆。本实验依托南通大学安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心,南通大学化学化工学院,在国家重点研发计划、国家自然科学基金等课题支持下开展了再生纤维材料的研发,并将科技成果和产业化成果转化为教学资源。利用3D仿真技术,充分还原了再生PET的前处理-聚合改性-加工成型生产流程。让学生根据生产任务,从工序学习、工艺调整、性能评估等各个阶段都能够实现自主实践训练,从而多维度的培养学生解决复杂工程问题的能力,拓展学生的创新和创造性思维,提高实践技能。  

设计原则

近年来,环境问题日趋严重,通过将废旧高分子材料循环利用,实现高分子材料的可持续性发展已逐渐得到工业界和学术界的研究热点。因此,迫切需要具备高分子材料工程专业知识和实践能力的人才,探索和开发废旧塑料循环利用新技术,推动行业发展和产业革新,实现资源高效利用,降低环境压力,实现生态发展。然而,高分子材料工程实践教学却面临着危险性高、学科综合性强、成本高的困难。针对上述难点,团队以产学研和教学成果为基础,遵照“能实不需,虚实结合”的原则,自主开发了再生PET液相增黏及熔体直纺工艺虚拟仿真实验项目,以匹配和辅助《聚合物合成原理及工艺》、《聚合物大型合成实验》等理论和实践课程的教学。

一、本实验坚持以学生为中心的教学理念,实验以任务为导向,增强学生的代入感和体验感,充分调动学生积极性,达到自主学习、自主实验、自主探究的目的。

二、本实验综合性高,以再生PET聚合改性和材料成型加工流程为主线,通过三个实验环节,涵盖相关课程知识点,学生可通过实验重构基于工程实践的知识理论体系,将理论知识与生产实践紧密结合,着力提升学生解决复杂工程问题的能力,培养学生的创新精神与创造思维

三、本实验充分将思政育人融入教学体系。环境问题是重要的社会问题,实现生态文明和可持续性发展关系人民福祉,关乎民族未来。学生通过自主学习,深入了解废旧塑料循环利用新技术对资源高效利用和环境保护的重要价值,培养学生社会责任、工匠精神、思想道德。


实验目标

(1)掌握高分子材料聚合工艺原理、加工成型原理、及高分子材料表征测试等基本理论知识,并能将其用于指导生产实践;

(2)掌握PET的绿色再生过程中关键生产设备的运行原理、使用方法和安全注意事项,掌握生产线的正确启动顺序;

(3)掌握PET液相增黏和熔体直纺的实验原理及工艺优化方法,合理运用理论知识解决实际生产过程中的问题,提供解决方案,提高解决复杂工程问题的能力。


成绩评定

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