基于可持續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料選擇與應(yīng)用研究

鄭祎峰

摘 要：改善和豐富人類物質(zhì)和精神需求的各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)要契合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展這一當(dāng)今社會發(fā)展的主題。以往的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)由于材料的選擇、成本的限制、技術(shù)條件的制約造成了資源的大量浪費(fèi)以及不同程度的環(huán)境污染，飽受詬病。如何在設(shè)計(jì)階段妥善處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可持續(xù)問題？本文試就產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料的選擇與應(yīng)用研究略陳管見。

關(guān)鍵詞：可持續(xù) 材料 選擇 應(yīng)用

中圖分類號：J524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0089-02

1 可持續(xù)發(fā)展對設(shè)計(jì)的要求

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，新技術(shù)、新材料廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品的生產(chǎn)加工之中，人類對物質(zhì)需求層次提高，個(gè)性化更是成為80、90后的主要需求。大量的生產(chǎn)與消費(fèi)雖然實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)的極大豐富，也由此帶來了資源枯竭、環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國主要家電的報(bào)廢量年均增長率在“十二五”末期已經(jīng)超過20%，小家電的總制造產(chǎn)出量及產(chǎn)額2015年約10.21億臺及2505億元，2016年上半年小家電的產(chǎn)出量約4.52億臺，與去年同期相比增長約4.7%，產(chǎn)出的增多以及各種原因帶來的產(chǎn)品更新提速勢必會帶來報(bào)廢數(shù)量的不斷走高。

眾所周知，廢舊機(jī)電產(chǎn)品的部分材料含有對人體有害的化學(xué)物質(zhì)或重金屬，它們均不易降解，尤其是重金屬還被稱為土壤的“毒藥”，如處理不當(dāng)會給人們的健康帶來極大威脅，不僅會污染土壤和地下水，還會污染空氣形成酸雨……

鑒于此，可持續(xù)發(fā)展對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最基本要求就是要考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性，實(shí)現(xiàn)資源環(huán)境材料的可持續(xù)，這也是綠色設(shè)計(jì)的基本要求。同時(shí)要保證產(chǎn)品能用、好用、易用以及質(zhì)量等方面的要求。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料選擇的一般方法

合適的材料是一件產(chǎn)品由設(shè)計(jì)創(chuàng)意到實(shí)際產(chǎn)出的關(guān)鍵。一般來說，能夠供一件產(chǎn)品選擇的材料很多，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)者在當(dāng)時(shí)選擇了哪種材料？材料選對還是選錯(cuò)還需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。作為設(shè)計(jì)者而言，在產(chǎn)品材料選擇時(shí)通?？紤]以下幾點(diǎn)。

（1）材料的固有特性。即綜合考量材料的物理特性和化學(xué)特性，如材料的密度、力學(xué)性能、熱性能、電磁性能、光學(xué)性能和耐腐蝕性、抗氧化性、耐侯性等。

（2）材料的工藝特性。簡單地說，所選材料應(yīng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖中的造型形式和對表面處理的工藝要求。材料的工藝特性是設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初考慮最多也是最重要的問題。由于只有在加工成實(shí)際產(chǎn)品后才能體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想，因此產(chǎn)品材料的選擇至關(guān)重要。為了更加真實(shí)、全面的表現(xiàn)出設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)師要充分了解所選材料的物理和化學(xué)特性，在通過表面涂裝、拋光、烤漆、絲網(wǎng)印刷等技術(shù)進(jìn)行表面處理時(shí)要提前考慮材料的性質(zhì)與狀態(tài)。不同的表面處理技術(shù)可以使相同的材料形成不同的視、觸覺特性；同樣，不同的材料亦可以通過表面處理技術(shù)獲得相同的視、觸覺特性。

（3）材料的生產(chǎn)成本。在能夠基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的前提下，盡可能簡化加工工藝、選擇價(jià)格低廉、資源充足的材料，以此來降低生產(chǎn)成本。

（4）材料的替代產(chǎn)品?，F(xiàn)如今，隨著生產(chǎn)技術(shù)、信息化水平的不斷提高，同一類產(chǎn)品品牌繁多、參差不齊，這些產(chǎn)品在性能、外觀等方面近乎相同，同質(zhì)化已不可避免。只有創(chuàng)新才有出路。材料替代就是產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)中最常見的一種方法。設(shè)計(jì)師可利用新材料或新工藝的優(yōu)點(diǎn)來改善產(chǎn)品的使用性能，降低成本，更好地體現(xiàn)出產(chǎn)品特點(diǎn)、突出產(chǎn)品個(gè)性、豐富產(chǎn)品功能、提升產(chǎn)品價(jià)值，使產(chǎn)品更具競爭力。例如：基于環(huán)保等方面的考慮，傳統(tǒng)的由ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）樹脂材料制成的冰箱門內(nèi)膽已被無毒無味、耐腐蝕、絕熱性能好的HIPS（高抗沖聚苯乙烯）所替代?；陂_模成本、樣機(jī)測試以及可實(shí)現(xiàn)性等多方面因素的考慮，近年來在航天科技、工業(yè)設(shè)計(jì)、模具制造、醫(yī)學(xué)、汽車、建筑等領(lǐng)域廣泛使用3D打印技術(shù)來生成所需的各種零部件，極大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期、提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。

3 基于可持續(xù)的產(chǎn)品材料選擇與應(yīng)用對策

3.1 傳統(tǒng)材料選擇與使用的缺陷

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料選擇，保證了產(chǎn)品的可生產(chǎn)性，滿足了產(chǎn)品的可使用性，但缺陷也是顯而易見的。

（1）選用材料的品種過多。一支木頭鉛筆，由碳、木材、金屬、橡膠、油漆等5種材料制成；一輛兒童推車用到塑料、金屬、鋁合金、麻布植絨、樹脂、塑膠、尼龍布、橡膠等數(shù)十種材料；一輛自行車使用的材料就有30～40種；小件產(chǎn)品的用材數(shù)量已如此之多，更何況大型產(chǎn)品了。用材數(shù)量的增加，既增加了制造過程的復(fù)雜程度，又在產(chǎn)品生命周期結(jié)束后產(chǎn)品的回收與再利用方面上問題尤為凸顯，處理不當(dāng)便會對環(huán)境造成污染。

（2）生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響。一方面，設(shè)計(jì)師在材料選擇時(shí)追求功能性和經(jīng)濟(jì)性。如氟利昂作為制冷劑在冰箱、空調(diào)等家用電器中廣泛應(yīng)用，但是氟利昂中的氯原子會破壞臭氧層，對人類、植物和水生系統(tǒng)都會帶來不良影響；又如汽車、燃?xì)庠罹叩钠占埃扇夹杂袡C(jī)礦產(chǎn)大量使用，產(chǎn)生了大量的碳?xì)浠衔铩⒁谎趸肌⒍趸嫉葟U氣，引起光化學(xué)煙霧，產(chǎn)生溫室效應(yīng)。另一方面，設(shè)計(jì)師又欠缺對材料加工及回收的過程中可能對環(huán)境所造成的影響。所選的材料難加工、能耗高、噪音大、粉塵多，不僅對環(huán)境造成污染，也威脅到人的身體健康，在產(chǎn)品廢棄后，材料間不易分離，無法高效回收材料，降低了材料再次使用的可能性，也降低了產(chǎn)品的環(huán)境友好性。

3.2 對策研究

傳統(tǒng)的材料選擇方法注重性能、功能、成本上的需求，忽視了材料的環(huán)境性能。材料在其“開采—生產(chǎn)—加工—制造—使用—再生”的生命周期中，每一個(gè)環(huán)節(jié)均會對生態(tài)環(huán)境造成影響。因此，基于“綠色設(shè)計(jì)”這一理念，產(chǎn)品材料的選擇既要體現(xiàn)一定的先進(jìn)性，保證產(chǎn)品基本功能的實(shí)現(xiàn)，又要減少對各種資源的使用，降低有害物質(zhì)的排放，同時(shí)使廢棄材料能再生利用。因此，在選擇材料時(shí)要著重處理好以下幾個(gè)因素。

（1）要選擇綠色材料。何為綠色材料？即該材料在“選材—制造—使用—回收—再利用—廢棄處理”流程中與環(huán)境友好又有利于人類健康。這就要求設(shè)計(jì)師充分了解各種材料的特性以及發(fā)展的最新趨勢，優(yōu)先選用那些無害、環(huán)保、健康的材料或者是新材料、合成材料。長期以來，設(shè)計(jì)師們在這方面做了許多積極的嘗試并取得了較好的效果。例如：華碩竹韻筆記本電腦用竹子作為表面及腕托材質(zhì)；電視機(jī)機(jī)殼用高密度纖維模壓成型；用聚乳酸、樹木纖維等代替塑料；墻面涂裝選材，以乳膠漆、硅藻泥涂料等逐漸取代了含有苯及其化合物的涂料、壁紙等材料；用秸稈作為輕工、紡織和建材原料，部分代替磚、木等材料……endprint

（2）要減少所用材料的種類?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種先進(jìn)的制造技術(shù)正廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之中。“工業(yè)4.0戰(zhàn)略、中國制造2025行動綱領(lǐng)”等的深入推進(jìn)必將實(shí)現(xiàn)制造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)變。工廠的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化便對產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段提出了更高的要求。如今，模塊化、智能化、參數(shù)化設(shè)計(jì)已應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。例如模塊化，設(shè)計(jì)師通過對產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)以及結(jié)構(gòu)的充分分析，精心設(shè)計(jì)出多種可供選擇的模塊，進(jìn)而組合出多樣化的產(chǎn)品，縮短了設(shè)計(jì)的周期，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)，減少了使用的材料，方便了裝配與拆卸。于企業(yè)而言，減少產(chǎn)品使用材料的種類：一是降低了制造、環(huán)境成本，同時(shí)也降低生產(chǎn)的總費(fèi)用；二是有利于產(chǎn)品廢棄后的回收與再生利用，減少了對環(huán)境的污染和對資源的過度使用；三是可以簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，便于生產(chǎn)與加工、分類與回收。宜家商場供顧客選購記錄的一支長約10cm的木頭鉛筆，以原色出現(xiàn)，省去了表面上色和附帶橡皮的工藝，用起來非常方便，顧客用的順手，時(shí)常有帶回去繼續(xù)使用的沖動。由此可見，材料與工藝的減少并沒有影響到鉛筆的使用。

（3）要選擇可分解性材料。我國的垃圾處理方式主要有填埋、堆肥、焚燒和資源化四種。填埋是最常用的方法，堆肥和焚燒會帶來空氣污染，垃圾的資源化處理還較難實(shí)現(xiàn)。生活中，一次性塑料袋的大量使用造成了“白色污染”，填埋處理需要200年才能降解，焚燒處理又會釋放毒性最大的物質(zhì)——二惡英，更加重了大氣的污染，國家出臺“限塑令”的根本目的就在于遏制“白色污染”。因此，類似于這種難分解、降解的材料就要摒棄，要優(yōu)先選用可降解的生物塑料。如設(shè)計(jì)生產(chǎn)包裝容器、農(nóng)用地膜等可以選用聚乳酸（PLA）材料，各種容器、瓶罐和垃圾袋等可選擇淀粉塑料加工制作。

（4）要選擇可回收、可再生性材料?；诃h(huán)保和節(jié)約成本的考慮，所有的產(chǎn)品在條件允許的情況下都應(yīng)該選擇可回收、可再生性材料，并將此作為產(chǎn)品研發(fā)的一項(xiàng)重要內(nèi)容?？苫厥张c可再生性材料最大的特點(diǎn)就在于它們回收后的基本性能不會發(fā)生太大改變，因此，使用可回收與可再生材料既可以減少對資源的消耗，又可以減少提煉原材料時(shí)對環(huán)境造成的污染。例如，手機(jī)在回收后經(jīng)過專業(yè)分解能得到金、銀、銅、鈷等十幾種貴重和稀有金屬，它們又可以用來制造牙科治療器械、自行車等產(chǎn)品，如果全球的手機(jī)用戶都能回收一部舊手機(jī)，專業(yè)分解后所得到的貴重和稀有金屬將相當(dāng)可觀。當(dāng)然，能夠回收再利用的產(chǎn)品遠(yuǎn)不止手機(jī)一種，但是由于宣傳普及程度不夠，人們對于產(chǎn)品所用材料到底哪些是可以回收再利用的知之不多，參加“以舊換新”活動的更多是為了沖抵現(xiàn)金而不是因?yàn)榄h(huán)保。

（5）選擇不加任何涂鍍的原材料。產(chǎn)品的表面處理就是為了使產(chǎn)品達(dá)到美觀、耐用、防腐等技術(shù)要求。但大部分涂料本身有毒，涂鍍工藝也會給環(huán)境帶來污染。所以，設(shè)計(jì)生產(chǎn)產(chǎn)品盡量以材料的本質(zhì)屬性展示與眾。

基于可持續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料選擇與應(yīng)用，要在充分了解材料特性與加工工藝的基礎(chǔ)上，選擇那些既有良好工藝特性又具有良好環(huán)境屬性的材料。這樣才能降低產(chǎn)品在“選材—制造—使用—回收—再利用—廢棄處理”過程中對環(huán)境造成的破壞，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)人與自然的和諧。

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