1.3 精彩的塑料世界

不像目前家用的普通打印机，吃的是各种颜色的油墨，吐出来的是五彩缤纷的图画。3D打印机是要制造出货真价实的实用物品。可想而知，3D打印机所用的材料及相应的处理材料的工艺，一定是很考究的。并且，材料和工艺过程必定是多种多样，因不同的用途而改变的。当初80年代Charles Hull所使用的液态树脂，不能用来打印需要承受强力的工具，也不可能打印出味道甜美的生日蛋糕。

所以，3D打印技术被形形色色的材料科学及相关的工艺技术研究课题所支撑着。技术类型与材料共同决定了每一种3D打印机的应用范围。

我们的生活中少不了各种各样的材料。考察使用材料制造物品的历史，要让我们的时钟倒转到远古时代。材料有天然的和人工的之分。天然材料包括自然界的石头、泥沙、树木，以及动物的毛皮、骨骼等。从原始人的时代开始，人类祖先的祖先就已经学会了使用各种天然材料：他们用野兽的毛皮、竹片、树叶之类的东西来蒙身蔽体，抵风挡雨，遮盖自己，算是“衣服”、“被子”这类物品的前身。他们也用捶打砸击等办法制作一些简单的木器石器，诸如用具、工具，仍致武器，来与其他动物搏斗，对付周围危险而恶劣的生存环境。

从考古学中关于史前文明时代的划分，对每个时代用材料所起的时代的名字，就能看出材料对人类文明发展的重要性：从石器时代，到陶器时代、青铜时代、铁器时代，再进化演变到现代的多元化材料时代，人类社会的发展与材料的发展密切相关，如图1-4所示。

除了天然材料之外，用泥土经过高温烧制而成的陶器应该算是第一种人工材料。泥土加水之后便会变软，很方便地捏成各种想要的形状，然后，放在火中烧一段时间后即能干燥成型。泥土加热后成型成为陶器的过程，在地球各处的原始人生活中大概都能体验得到。因此，古代的中国、埃及、罗马、希腊等各个不同地区，在很早就不约而同地有了陶器，陶器最早的历史可追溯到几万年以前，比如，根据目前所记载的，人类使用的最古老的陶制容器，是于2012年发现的中国江西仙人洞文化的陶器罐碎片，据说大约能追溯到公元前20，000年至公元前19，000年 ^【3，4】 。

陶器的发明标志着人类文明的重要进程，可以算作是材料史上的第一次革命。因为那是人类第一次用化学的方法，生成了一种新的、过去没有的东西。尽管那时候的原始人完全不懂什么化学不化学，但却在无意识中借助于“火”的力量，完成了这种化学过程。并且，制造陶器用品，比制造石头的用品方便多了。试想，要用石头做出一个碗来，那将是多么困难！因而原始人有不少用木头制造的碗。但木头不如石头坚硬。而陶器的制法比起用石头就容易多了。预先准备好被水软化了的泥土，想捏成什么形状，就捏成什么形状，做碗做盆做人像，都不难。然后，再用高热烧一定的时间，就能变成和石头差不多的硬度。因而，有了制造陶器的技术之后，各种用具、武器都能较快较容易地制造出来，可想而知，那时代人类（或者原始人）的生活品质，肯定由此得到了大大提升。

塑料的发明不亚于陶瓷，是材料学上的又一次大革命，它是人类有意识地使用化学方法而创造出来的新有机材料。别看现在我们对塑料已经司空见惯、不以为然，认为它是最便宜不过，还污染环境、难以处理的讨厌的东西，其实，就在几十年前，上世纪的30、40、50年代，塑料制品还是大家的宠儿，化纤的纺织品则是有钱人才买得起的衣物。

目前应用于3D打印机的最普通材料便是塑料，因此，让我们了解一点塑料的历史。

塑料的老祖宗有一个好听的中文名字：赛璐珞。实际上，赛璐珞是英文“celluloid”的译音，这个英文字的意思是假象牙，因为它是为了替代象牙而造出来的。

在19世纪的英国和美国，台球运动在上流社会非常盛行，那是有钱阶层的人才玩得起的娱乐活动。因为它除了那张台球桌子的制造标准要求较高之外，小小的台球本身也是用昂贵的象牙做成的。但是，非洲的大象不断减少，象牙的来源几乎要断绝，这大大影响了台球制造厂老板们的生财之道，于是，据说他们便发出告示，要用一万美元的奖金来悬赏发明一种能代替象牙做台球的材料。

约翰·海厄特（John Wesley Hyatt，1837—1920）是美国纽约州斯塔克镇出生的一个印刷工人，但他对台球运动很感兴趣，又醉心于技术发明，当然也不可小看当时的一万美元奖金对人的诱惑力。于是，海厄特决定发明一种代替象牙来制作台球的材料。开始时，他在木屑里加上天然树脂虫胶，使木屑结成块后搓成球，干燥后看起来有点像，但用起来却一碰就碎。后来，海厄特想起在印刷过程中用到过一种保护打印机的快干膜，是英国人亚历山大· 帕克斯（Alexander Parkes）在1856年发明的液态硝化纤维制成的，海厄特看上了这种材料，想把这种膜凝结起来做成台球。

纤维是大家都熟悉的东西，硝化纤维又是什么呢？说起它的故事来有点像变魔术：如果你把棉花之类的纤维加到浓硝酸中，再滴上几滴浓硫酸作催化剂，干燥后就成了一种炸药。这便是硝化纤维，也被称为火棉或硝基纤维素。大家可能都知道诺贝尔奖的设立者阿尔弗雷德·诺贝尔是研究安全炸药起家的，他研究的那种叫做硝酸甘油，也是用的硝酸，不过是与甘油混合，算是刚才所说的火棉的兄弟。

脾气不好的火棉却受到了英国人帕克斯的青睐。他用含氮量较低的火棉（硝化纤维）第一个发明了塑料，但可惜他不懂商道而未能修成正果。之后，帕克斯的公司破产了，美国人海厄特收购了帕克斯的塑料专利，继续用硝化纤维来进行各种实验，企图找到能够替代象牙做台球的材料。功夫不负有心人，1869年的一天，海厄特将帕克斯的在硝化纤维中加进樟脑的技术加以改进，得到了一种柔韧性相当好的又硬又不脆的材料。这种材料在热压下可成为各种形状的制品，看来的确可以代替象牙做台球。因此，海厄特将它命名为“赛璐珞”。之后，除了做台球之外，海厄特还为赛璐珞找到了许多别的用武之地，比如制造箱子、纽扣、梳子、直尺、乒乓球、电影胶片和眼镜架等。19世纪70年代，海厄特在美国纽瓦克建立了一个生产赛璐珞的工厂，风光一时，并从此开创了塑料工业的先河。

不过，赛璐珞毕竟脾气太火爆，有一定的危险性。而且，它是来自化学处理过的棉花及其他含纤维素的植物材料经过加工而制成，不算是现在被化学家们认可的真正意义上的“塑料”。

人类历史上第一种完全人工合成的塑料是在1909年由贝克兰用苯酚和甲醛制造的酚醛树脂，又称贝克兰塑料。塑料的英文名称“plastic”取自希腊语中“成型”一词，中文“塑料”中的“塑”字，也是这个意思。因此，“塑料”就是具有可塑性的材料。

列奥· 贝克兰（Leo Baekeland，1863—1944） ^【5】 ，是美籍比利时化学家和发明家，被誉为“塑料之父”。他来自于比利时的低等阶级，父亲是一名鞋匠，母亲是一个仆人。但是，贝克兰勤奋好学，21岁就获得了博士学位，成为教授，并在照相化学研究中有多项发明。他1889年移居美国，继续从事化学研究。

就像赛璐珞是因为台球的需要而诞生一样，贝克兰的塑料研究则是被在当时刚刚萌芽的电力工业对绝缘材料的巨大需求而激发起来的。当时的绝缘材料主要来自于天然的虫胶。和制造台球使用的象牙一样，天然材料的供给源泉总是有限的。虫胶产自于东南亚，随着电力业的发展，虫胶很快就供不应求价格飞涨。这种市场需求也促进了当时化学工业的发展，化学家们从合成大分子聚合物来寻找出路。

贝克兰1905年转向研究苯酚与甲醛的反应及其产物。其实早在1872年，德国化学家阿道夫·冯·拜尔在研究合成染料时已经发现：苯酚和甲醛反应后生成了一种残留物，实际上那就是酚醛塑料。但拜尔的眼光没有放在这上面，对它视而不见。30多年之后的贝克兰，却从这黏糊糊的东西中发现了巨大的希望和商机，由此发明了酚醛塑料，并于1907年注册了专利。贝克兰是一个特别的人物，他兼具疯狂的科学家和精明的商人的双重特质。后来，贝克兰将酚醛塑料用自己的名字命名为“贝克莱特”（Bakelite），并于1910年创办了日产180千克多种酚醛树脂产品的通用酚醛塑料公司，在新泽西开工厂开始大规模生产。贝克兰生前拥有100多项专利，可谓名利双收，拥有了一个真正的酚醛塑料帝国，如图1-5所示。

酚醛塑料有很多优点：绝缘、稳定、耐磨、耐腐蚀、变形小等，称为“千用材料”。在汽车、无线电和电力工业中应用范围极广。缺点是易碎、强度差、颜色种类不多等。

再后来，各种塑料新品种如百花争艳、雨后春笋般涌现，为人们展示了一个精彩的塑料世界。 gVixYDa+q95dsPOsh2ohVSjGq9pEPsaGG1WSNEpt73RvsWXGCHuLQAxaHgzwH30s