創客教育材料漫談

陳染

早在19世紀，人們就發現苯酚與甲醛反應后，試管底部會出現一些黏糊糊的難以清洗的泡沫狀固體。很長一段時間里，人們并沒有找到這種固體的實用價值。直到20世紀初，經過對這種固體的反復試驗，美國化學家里奧貝克蘭德（Leo Baekeland）發明了一種名叫“貝克萊特”（Bakelite）的新型材料。這種材料經過壓制能夠變成透明的固體，被稱為人造琥珀；它沒有導電性，可以制成電子產品中的絕緣材料；它可塑性強，能夠做成各種各樣的形狀，最重要的是，它制造成本低，很多家庭都可以用得起。

貝克萊特就是我們今天所知的酚醛樹脂（PF），它是第一種人工合成的塑料。因此，里奧貝克蘭德也被稱為“塑料之父”。從20世紀以來，塑料成為了一項重要的材料革命。除了酚醛樹脂，人們還制作出了多種不同類型的塑料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯丙烯（Ps）、聚氯乙烯（PVC）、ABS樹脂等。不同塑料的材料屬性、實用情景各不相同，大大方便了現代生活。試一試環顧四周，我們很容易找到它們：筆套、尺子、塑料梳子、塑料杯子……如果沒有塑料，我們今天的生活無法想象。

在改變我們生活的同時，大規模的塑料使用也帶來了巨大的爭議。有些高分子塑料難以自然分解，導致白色垃圾不斷增加；有的塑料在焚燒處理的時候會產生大量有害氣體，造成空氣污染；一旦塑料進入海洋，會被海洋生物誤食，造成窒息和中毒；在2002年英國《衛報》評選的“人類最糟糕的發明”中，塑料不幸地獲得了這個稱號。

在創客教育中，塑料常常被用作結構材料，不同類型的塑料為學生提供了多樣化的選擇。為了培養學生的環境保護意識，創客教育可以提倡用廢舊塑料進行制作。接下來，我們就來認識不同類型的塑料，看看它們為創客教育帶來了什么。

用塑料進行3D打印制作

塑料在創客教育中最有代表性的一個應用就是作為3D打印的材料?？捎糜?D打印的塑料有很多種，創客教育比較常用的是ABS樹脂和PLA塑料。

ABS樹脂是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物首字母的縮寫，它被加工成細絲盤狀，安裝在3D打印機的上方。3D打印機工作時將ABS樹脂加熱到約105℃，這時候ABS樹脂變軟，從噴口噴出，就可以打印出各種物體。打印出來的ABS樹脂快速冷卻變硬，不會走形。它制作的作品強度高、韌性好，還可以打印出多種顏色，非常適合用于創客教育。

另一種常被用于3D打印的材料是PLA塑料，又叫聚乳酸。同樣的，3D打印中的PLA塑料也被制成細絲盤狀，打印過程和原理與ABS樹脂相似，但它所需的打印溫度比較低，打印過程中也不會像ABS樹脂一樣產生難聞的塑料味。PLA塑料的另一個特色就是環保，與多數源自石油的塑料不同，PLA塑料由可再生的淀粉和纖維素制成，廢棄的PLA塑料在特定的環境下可以降解，對環境更加友好。

創客教育中常見的塑料板材

除了3D打印，創客教育還常常用到各種塑料板材。在這里我們介紹3種常見材料：亞克力板、KT板和雪弗板。

亞克力又稱為有機玻璃，是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的商品名稱。亞克力是一種重要的高分子材料，在創客教育中常常用它取代玻璃。與玻璃相比，亞克力板具有透光率高、輕盈、機械強度高、易于加工等優點，但在耐熱性和化學穩定性方面不如玻璃，我們要根據具體需求選擇合適的材料。

創客教育常用的塑料板材還有KT板和雪弗板，這2種板材的材料屬性較為相似，常?？梢曰ハ嗵娲?/p>

KT板是一種聚苯乙烯（PS）發泡板，與瓦楞紙類似，KT板也是由3層板壓制而成。KT板中間是由聚苯乙烯發泡制成的板芯，板芯兩側有光滑的貼面。常用的貼面材料有耐沖擊性聚苯乙烯（HIPS）、紙、背面膠等。KT板常用于印刷廣告和建筑模型，也常用于STEAM項目完成后的展示中。由于采用了發泡的聚苯乙烯塑料，KT板的密度非常低，兩側的貼面為KT板提供了一定的機械強度，創客們利用這個特點可以制作出KT板遙控飛機。

與KT板相似，雪弗板的板芯是聚氯乙烯（PVC）發泡板，外側用光滑的PVC貼面（也有部分雪弗板不做貼面），它的密度比KT板更大一些。由于采用了不同的材料，雪弗板的機械強度比KT板高，不用擔心板芯被擠壓變形。切割KT板或雪弗板的工具是電熱絲，但雪弗板有摻雜阻燃劑，加工起來比KT板安全。當然，雪弗板的價格也比KT板更高，我們可以根據制作的實際需求選擇KT板或雪弗板。

用回收塑料制作創客作品

塑料的大規模使用帶來的環境污染問題已為公眾所熟知，這里不再贅述。我們也應該將環保意識融入創客教育中，讓學生認識我們的制作對環境的影響是什么。培養環保意識的做法有很多，為廢品賦予新生命是一種比較常用的方法。接下來我們通過幾個不同的案例，看看怎樣用生活中常見的塑料垃圾制造出有趣的創客作品。

泡沫板又叫可發性聚苯乙烯板（EPS），是一種生活中常見的塑料制品。泡沫板常常用于電器包裝的緩沖材料、冷凍食品的保溫材料，以及制成某些一次性餐具。但泡沫板無法自然降解，回收處理成本過高，成為了白色污染的典型材料。而創客們巧用心思，將聚苯乙烯制成有趣的創客作品?！坝啦唤德涞呐菽寤铏C”就是一個利用廢棄的泡沫板制成飛行器的創客教育案例，它利用泡沫板密度極低的特點設計而成，還融合了伯努利原理、基本的電子學知識、設計配重、計算尺寸等要素，是一項優秀的STEM兼創客教育案例。

飲料瓶也是生活中常見的塑料廢棄物品，大多數飲料瓶采用聚對苯二甲酸乙二酯（PET）制成，盡管PET可回收利用，但我們還是需要在創客教育中強調對廢棄物品的重復使用。塑料瓶吸塵器（見圖1）是一個用水瓶制作出吸塵器的案例。塑料瓶吸塵器將小風扇作為吸塵器的動力裝置，用廢棄塑料瓶制成吸塵器的吸嘴和機身，并通過濾網將吸起的灰塵收集在一起。塑料瓶吸塵器用反向思維的方法，利用電風扇產生的負壓，將灰塵吸入瓶子中。這個創客活動制作簡單，但所涉及的知識和技能卻很豐富，還培養了學生的創造意識和環保意識。

PVC管是一種常見的裝修材料，常用于管道的制作。家居裝修往往會剩余若干PVC管，不要把它們扔掉，創客們能夠將它們變廢為寶。PVC管有優良的機械強度，并且有不同的規格，我們還可以很容易地找到用于連接不同PVC管的轉接口，這些特點都讓PVC管成為創客制作的絕好結構材料（見題圖，圖片來源：navinkhambhala.COrn）?！癙VC火星機器人”就是一個變廢為寶的創客案例。作者用廢棄的PVC管制作了與好奇號火星車相似的懸掛結構，并搭載遙控和動力系統，能夠實現爬樓梯等跨越障礙功能。

作為20世紀以來的一項偉大而極具爭議的發明，塑料不僅為創客教育提供了各式各樣的結構材料，更為創客教育的開展提供了多種活動主題。更深入地認識塑料，你也能用它設計出更好的創客教育。

閱讀更多

在科技學堂公眾號（sciclass）中回復關鍵詞“塑料材料”，認識更多創客案例。

案例來源

永不降落的泡沫滑翔機：https：//www.johnnosscience.com/walkalonggliders.html

塑料瓶吸塵器：https：//navinkhambhala.com/vacuum-cleaner

PVC火星機器人：https：//navinkhambhala.com/rocker-bogie-robot