產品設計用材研究

摘要：產品設計和人類生活息息相關，從航空母艦到一根牙簽，都是人們為了更好的生活所設計的產品，制作的每一件產品必須要材料，材料是產品設計時考慮的主要因素之一，它既是設計的催化劑又會成為設計的阻路石。本文通過對材料之一塑料的解析，讓我們在做設計之前對各種塑料特點了解透徹，以便能做出色的設計。

關鍵詞：產品設計；材料；研究

人類歷史長河中各個階段如果用材料命名的話，可分為：石器時代、青銅時代、鐵器時代、塑料制品時代。而光是塑料就有很多種，本文以解析幾種常見的塑料材料為主。塑料是材料中的一種，對于塑料產品大家都不陌生但也不熟悉，當設計好產品的造型好后需要材料來呈現，如果一個產品設計師不了解所用材料屬性就會導致產品的使用功能和壽命受影響，因此本文通過分析幾種常用塑料產品來了解所使用材料的屬性和化學元素，掌握其特征好利于設計制作。

如今各式各樣的塑料產品出現在人們的日常生活中，寫字用的筆，洗手時盛香皂的盒子，喝水的瓶子、房間里使用空調、工作學習使用的電腦，還有水杯、可樂瓶、信用卡、積分卡、太陽鏡、牙刷、工具手柄、膠卷、面對我們生活中常使用的塑料產品，我們司空見慣的產品，為什么它們要用不同的塑料制成的呢？想知道就跟我走進塑料這個大家族去認識這一小部分成員。塑料這種高分子合成材料，特性多多，它的可塑性和流動性，使得可以制成萬千形狀的產品。先了解塑料的各種分類和優缺點：A分類：（1）按分子結構分為熱塑性塑料和熱固性塑料。[1]大部分產品以熱塑性塑料制成，可以回收再利用；而像炒菜鍋的把手和高低壓電器就要用熱固性塑料制造，因它受熱并不軟化流動，而且隔熱又絕緣、耐高電壓、耐磨。這兩種特性的材料如果是在加熱溫度過高的情況下，都會被燒焦產生毀壞。（2）塑料還可以按照用途分為通用塑料、工程塑料和特種塑料三類。[2]

B塑料優點和缺點：（1）塑料的優點：1）塑料雖然輕但比強度高。2）化學穩定性好。塑料的化學穩定性大大超過普通的金屬材料，它不生銹、不氧化，也不會腐爛變質，遇到酸、堿、鹽物質，一般不會起化學反應。3）絕緣性能好。塑料和陶瓷、橡膠一樣，是良好的絕緣材料。4）導熱系數低。塑料的導熱系數只有金屬的幾百分之一，可以作為隔熱保溫材料。5）加工性能好，批量生產成本低。塑料可以用注塑等多種方法一次加工成型，方法簡單，生產率高。6）塑料成型后外觀佳，自潤滑加吸振、有消聲、能氣密等性能。（2）塑料的缺點：塑料的缺點沒有金屬強度、剛度、耐熱性好。

所有的塑料制品一共分7個等級如圖1所示，1～3為不可回收、重復利用的。4～7為可回收重復利用的。1：一次性飲料瓶，2：一次性塑料袋，3：PVC工程材料，4：PE低密度聚乙烯，5：PP聚丙烯，6：PS聚苯乙烯，7：其他類——PC（可耐高溫180）。塑料產品的底部會有一個三角形，里面的數字就表示所使用的是什么塑料。

1和2： PE如圖2、3所示和HDPE：HDPE如圖4、5所示是高密度聚乙烯，PE是聚乙烯，它的分子式為（CH2）n，最早于1933年合成，看分子式其組成似乎最簡單不過了，但單體—CH2—的組成方式可以千變萬化。在所有聚合物消費物市場中，聚烯烴這一熱塑性聚合體占有最大的份額，而聚乙烯在聚烯烴中又是最多的。聚乙烯是惰性的，對淡水和咸水、食物和多數水溶性的液體的侵蝕有很強的抵抗力，因而被廣泛地用來制作日用品及食物容器。商業上，PE被制成薄膜、薄板、棒條、海綿狀或者纖維絲。聚乙烯價格便宜，容易成型和制造，能夠被染成不同的顏色，可以呈透明、半透明或者不透明的，手感柔軟和舒適，可以在表面織紋或者作金屬鍍膜，但在上面不容易印刷。PE是很好的電絕緣體，介電損失小，適合做微波烹飪用的容器。PE的使用在美國食品及藥物管理局是被許可的，無毒，而且可以植入人體（心瓣膜、髖關節囊腔，人造血管）。可以制作成：油罐、街道、牛奶瓶、玩具、啤酒簍子、食品包裹、熱縮塑料包、壓榨桶、一次性衣服、塑料袋、家用塑料制品、砧板、票據涂層、電纜絕緣體、人造接頭、用作纖維——廉價繩子或者包裝帶的增強物。

3：PVC：聚氯乙烯，作為PVC的組成，在聚合物中，乙烯基造價低廉也最為通用，聚氯乙烯更是得到廣泛的應用，在聚合物中呈現出多面性。純凈的PVC——tpPVC熱塑性材料，剛性很大，韌性不足；廉價使得它被用作省錢的工程塑料，然而工程塑料并沒有發揮出PVC性能的極限。添加增塑劑以后可以得到更為柔軟的PVC——elPVC，它具有跟皮革和橡膠類似的性質，可以用作兩者的替代物。而添加玻璃纖維的PVC可以獲得很大的硬度、強度和韌性，可以作屋面、地板和墻面材料以及汽車的蒙皮和車內裝飾。和其他聚合物混合可以進一步拓展其性能：乙烯基氯化物和乙酸纖維素組合用作唱片的原料；吹塑成型的塑料瓶和塑料膜也是乙烯基氯化物和醋酸纖維素的聚合物。純凈的PVC比重和硬度大，是脆性材料。增強劑可以使它變得和橡皮一樣柔軟和富有彈性。增塑PVC在顏色和紋理上稍作調整可以用作皮革的廉價替代物。透明性能上不如PMMA和PC，但造價也要低廉得多，因此廣泛地用于制造一次性的透明容器。PVC可以用來制作軟片、薄膜和軟管，可以通過聚酯、環氧和聚氨酯膠粘劑來連接。乙烯基氯化物單體是極具威脅性的材料，因此中斷制造過程會給環境帶來壓力。但只要控制得當的話，生產過程是安全的，而且聚合物PVC尚未發現發現有威脅性。對PVC的用后處理，倒是一件麻煩事，加熱分解會釋放氯氣、氯化氫和其他有毒物質，通常處理PVC需要使用特殊的超高溫焚化措施。PVC可以是熱塑性的，也可以是熱固性的?？捎肨pPVC來制成玩具、醫用軟管、乙烯基的卷案、窗戶和外墻掛板、乙烯基地面磚、灌溉橡皮管、皮艇、化妝品包裝袋如圖6所示、路標、零件、軟管。對環境的影響：乙烯基氯化物單體是極具威脅性的材料，因此中斷制造過程會給環境帶來壓力。但只要控制得當的話，生產過程是安全的，而且聚合物PVC尚未發現有威脅性。對PVC的用后處理，倒是一件麻煩的事，加熱分解會釋放氯氣、氯化氫和其他的有毒物質，通常處理PVC需要使用特殊的超高溫焚化措施。

4：LDPE：低密度聚乙烯，可參考PE。

5：PP：聚丙烯如圖7、8所示，最早出現在市場上的時間是1958年，是聚乙烯的“弟弟”——相似的分子結構、價格、工藝方法和應用。像PE那樣，有著巨大的生產量（2000年年產量超過3*107t）并以年增長率10%增長，和PE一樣，可以精確地控制其抗沖擊強度和成型特性。聚丙烯在理想狀態下是可燃的，在陽光下會退化；阻燃劑可以降低其燃燒速度，穩定劑可以增強其穩定性能。標準等級的PP價格實惠，質量很輕，具有可延展性，但是強度不高。和PE相比，PP更硬一些，更耐高溫一些。PP的性能類似于HDPE，但硬度和熔化溫度（165～170℃）要高。要是加入玻璃或者云母等可以改善聚丙烯的強硬度。當聚丙烯被牽拉成纖維狀時會表現出很大的強度和很好的彈性，加上耐水腐蝕性能，很適合用作繩子和紡織品的材料。與PE相比，PP更容易成型，具有很好的透光性能，可染色形成很好的硬度、穩定性和容易成型。聚丙烯單絲纖維和多絲纖維都具有很好的耐磨性能，其強度幾乎是PE纖維的兩倍。PP的惰性很強，容易回收，可以用焚化的方法回收其能量，和PE、PVC類似，PP的生產過程相對是節能的，它們是能量密集型產業——商品聚合物中最為節能的。其原料可以來自可再生能源，比如說有糖或淀粉發酵后生成物，但從中提取所消耗的能量遠遠超過從汽油或者燃油中提取所消耗的能量，所以短期內仍然會從石油中提取。聚丙烯有很多品種，但大致可以分為三類：同聚物（不同分子質量和性質的聚丙烯聚合而成），共聚物（丙烯和石蠟、乙烯、丁烯、苯乙烯等通過共聚反應得到）和復合物（添加云母、滑石、玻璃粉末或纖維增強的聚丙烯），聚丙烯的復合物比簡單的聚丙烯更為堅強、耐熱性能更好?？梢灾瞥桑簵l板箱，手提包，人工草皮、保暖內衣、繩子，普通聚合物工程，汽車通風裝置，郵包架，空氣凈化機，庭院家具，洗衣機貯槽，啤酒瓶簍子，椅罩，電容器中的電解質，電纜絕緣層，廚房壺，車檔，安全玻璃，電池盒，導管和導管的固定物。[3]

6：PS：最簡形式的PS如圖9所示是脆性的，與聚丁二烯混合可以顯著地改變其力學性能，但會失去透光性能。高度耐沖擊的PS（含10%的聚丁二烯）即使在低溫下（可低至12℃）也相當堅硬。PS具有三種形態：簡單物質（通用的PS）；與聚丁二烯混合后具有高耐沖擊性能的派生物；聚笨乙烯泡沫——最常見也是最便宜的聚合物泡沫。以上三類都得到了美國食品及藥物管理局的許可，可用作食物容器和食物包裹。通用PS，容易成型；透明度高；可以被染色；具有很高的折射系數，看起來像玻璃一樣閃光；是脆性的，容易破裂（如CD盒）；在需要視覺吸引力，價格便宜，受力小的場合可以使用：盛化妝品的小盒子，透明的用后即丟的眼鏡、盒子等。中高等耐沖擊的聚苯乙烯，失去透光性的同時獲得了力學性能。[4]具有中等耐沖擊性能的聚苯乙烯，半透光，一般用在電閘或斷路開關、衣架或者梳子等。高耐沖擊性能的聚苯乙烯是PPO和PP的混合體，不透光，堅硬，比絕大多數塑料更能耐低溫，可用在致冷器和冰箱的內部、用來盛裝奶酪和人造黃油的食物盤。PS可以起泡獲得很小的密度（大約1/3的聚苯乙烯都是經過起泡的），泡沫PS熱傳導性能低而且便宜，常用作建筑的保溫層、熱水器的外套，一次性杯子的隔熱層等。PS在外力作用下破碎時一般不會導致易碎物品的損傷，因此它們常用作包裝。可以制成一次性杯子、照明裝置、玩具、鋼筆、模具、包裹、屋頂隔熱材料、電視機外殼、墻面磚、一次性盤子、家具、塑料成型的零件盒容器、CD套、一次性的眼鏡、剃須刀、熱飲料杯。

7：PC：名叫聚碳酸酯如圖10、11所示。是一種工程熱塑材料，比便宜的商品聚合物有更好的力學性能。據碳酸酯的家族成員有：塑性聚酰胺（PA），聚甲醛（POM），聚四氟乙烯（PTFE）。純凈的PC含有苯環和含碳基團—OCOO—，使得PC即使在較高的溫度下也具有光學透明、韌性好、硬度高的特點。這些特性使得PC可以用作光盤、安全帽、重型機床的包裝箱。用PC和其他單體聚合，可以提高阻燃性、折射系數和抗軟化性能[5]；玻璃纖維增強的PC可以提高其在高溫下的力學性能。PC具有光學透明性和高耐沖擊能力，可以用來制作防碎玻璃。PC材料顏色穩定。盡管可以注模成型，但PC材料常常通過擠壓或者熱成型的處理工藝來處理（熱成型對后續的設計有所限制）。擠壓成型時，成型板要盡可能均勻以防止翹曲，要盡量避免突起和尖銳的棱角，通過引入溝槽或隆起的棱紋可以增強材料最后的硬度。增加玻璃纖維，可以降低其冷卻時的收縮量，提高高溫下的力學性能。

結語：設計觸及到人類生活的方方面面，產品設計要是沒有材料的依托，那就是空想一團。當今塑料的大量應用，使得塑料產品呈現的姿態千變萬化，但萬變不離其中，只要掌握它的屬性，一定會達到理想的設計效果。

參考文獻：

[1] 張玉龍，石磊.塑料品種與選用[M].化學工業出版社，2012：98.

[2] 張克惠.塑料材料學[M].西北工業大學出版社，2000：32.

[3] 張子成，邢繼剛.塑料產品設計[M].國防工業出版社，2012：12.

[4] 萊夫特（英）.塑料2——材料設計美感[M].楊繼棟，宮力，譯.上海人民美術出版社，2007：54.

[5] 陳根.塑料之美——造型、結構、質感[M].電子工業出版社，2010：40.

作者簡介：李莉（1982—），女，貴州安順人，貴州大學藝術學院設計系教師，武漢理工大學設計分院研究生，研究方向：產品設計。