基于可持續的產品設計材料選擇與應用研究

鄭祎峰

摘 要：改善和豐富人類物質和精神需求的各種產品設計要契合環保和可持續發展這一當今社會發展的主題。以往的產品設計與生產由于材料的選擇、成本的限制、技術條件的制約造成了資源的大量浪費以及不同程度的環境污染，飽受詬病。如何在設計階段妥善處理產品設計的可持續問題？本文試就產品設計材料的選擇與應用研究略陳管見。

關鍵詞：可持續 材料 選擇 應用

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

1 可持續發展對設計的要求

伴隨著現代工業的不斷發展，新技術、新材料廣泛應用于各類產品的生產加工之中，人類對物質需求層次提高，個性化更是成為80、90后的主要需求。大量的生產與消費雖然實現了物質的極大豐富，也由此帶來了資源枯竭、環境污染等嚴重后果。據統計，我國主要家電的報廢量年均增長率在“十二五”末期已經超過20%，小家電的總制造產出量及產額2015年約10.21億臺及2505億元，2016年上半年小家電的產出量約4.52億臺，與去年同期相比增長約4.7%，產出的增多以及各種原因帶來的產品更新提速勢必會帶來報廢數量的不斷走高。

眾所周知，廢舊機電產品的部分材料含有對人體有害的化學物質或重金屬，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，可持續發展對產品設計的最基本要求就是要考慮產品的環境屬性，實現資源環境材料的可持續，這也是綠色設計的基本要求。同時要保證產品能用、好用、易用以及質量等方面的要求。

2 產品設計材料選擇的一般方法

合適的材料是一件產品由設計創意到實際產出的關鍵。一般來說，能夠供一件產品選擇的材料很多，關鍵是設計者在當時選擇了哪種材料？材料選對還是選錯還需要實踐的檢驗。作為設計者而言，在產品材料選擇時通常考慮以下幾點。

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

（2）材料的工藝特性。簡單地說，所選材料應能實現設計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計者在設計之初考慮最多也是最重要的問題。由于只有在加工成實際產品后才能體現出設計者的設計思想，因此產品材料的選擇至關重要。為了更加真實、全面的表現出設計效果，設計師要充分了解所選材料的物理和化學特性，在通過表面涂裝、拋光、烤漆、絲網印刷等技術進行表面處理時要提前考慮材料的性質與狀態。不同的表面處理技術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獲得相同的視、觸覺特性。

（3）材料的生產成本。在能夠基本實現設計意圖的前提下，盡可能簡化加工工藝、選擇價格低廉、資源充足的材料，以此來降低生產成本。

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

3 基于可持續的產品材料選擇與應用對策

3.1 傳統材料選擇與使用的缺陷

傳統的產品設計材料選擇，保證了產品的可生產性，滿足了產品的可使用性，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、橡膠等數十種材料；一輛自行車使用的材料就有30～40種；小件產品的用材數量已如此之多，更何況大型產品了。用材數量的增加，既增加了制造過程的復雜程度，又在產品生命周期結束后產品的回收與再利用方面上問題尤為凸顯，處理不當便會對環境造成污染。

（2）生產過程對環境的影響。一方面，設計師在材料選擇時追求功能性和經濟性。如氟利昂作為制冷劑在冰箱、空調等家用電器中廣泛應用，但是氟利昂中的氯原子會破壞臭氧層，對人類、植物和水生系統都會帶來不良影響；又如汽車、燃氣灶具的普及，可燃性有機礦產大量使用，產生了大量的碳氫化合物、一氧化碳、二氧化碳等廢氣，引起光化學煙霧，產生溫室效應。另一方面，設計師又欠缺對材料加工及回收的過程中可能對環境所造成的影響。所選的材料難加工、能耗高、噪音大、粉塵多，不僅對環境造成污染，也威脅到人的身體健康，在產品廢棄后，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，也降低了產品的環境友好性。

3.2 對策研究

傳統的材料選擇方法注重性能、功能、成本上的需求，忽視了材料的環境性能。材料在其“開采—生產—加工—制造—使用—再生”的生命周期中，每一個環節均會對生態環境造成影響。因此，基于“綠色設計”這一理念，產品材料的選擇既要體現一定的先進性，保證產品基本功能的實現，又要減少對各種資源的使用，降低有害物質的排放，同時使廢棄材料能再生利用。因此，在選擇材料時要著重處理好以下幾個因素。

（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”流程中與環境友好又有利于人類健康。這就要求設計師充分了解各種材料的特性以及發展的最新趨勢，優先選用那些無害、環保、健康的材料或者是新材料、合成材料。長期以來，設計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；電視機機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技術的不斷發展，各種先進的制造技術正廣泛應用于產品設計與生產之中?！肮I4.0戰略、中國制造2025行動綱領”等的深入推進必將實現制造業向智能化的轉變。工廠的生產實現智能化便對產品在設計階段提出了更高的要求。如今，模塊化、智能化、參數化設計已應用于產品設計。例如模塊化，設計師通過對產品功能實現以及結構的充分分析，精心設計出多種可供選擇的模塊，進而組合出多樣化的產品，縮短了設計的周期，避免了重復設計，減少了使用的材料，方便了裝配與拆卸。于企業而言，減少產品使用材料的種類：一是降低了制造、環境成本，同時也降低生產的總費用；二是有利于產品廢棄后的回收與再生利用，減少了對環境的污染和對資源的過度使用；三是可以簡化產品結構，便于生產與加工、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，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，時常有帶回去繼續使用的沖動。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現。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——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，要優先選用可降解的生物塑料。如設計生產包裝容器、農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。基于環保和節約成本的考慮，所有的產品在條件允許的情況下都應該選擇可回收、可再生性材料，并將此作為產品研發的一項重要內容。可回收與可再生性材料最大的特點就在于它們回收后的基本性能不會發生太大改變，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對環境造成的污染。例如，手機在回收后經過專業分解能得到金、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、自行車等產品，如果全球的手機用戶都能回收一部舊手機，專業分解后所得到的貴重和稀有金屬將相當可觀。當然，能夠回收再利用的產品遠不止手機一種，但是由于宣傳普及程度不夠，人們對于產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金而不是因為環保。

（5）選擇不加任何涂鍍的原材料。產品的表面處理就是為了使產品達到美觀、耐用、防腐等技術要求。但大部分涂料本身有毒，涂鍍工藝也會給環境帶來污染。所以，設計生產產品盡量以材料的本質屬性展示與眾。

基于可持續的產品設計材料選擇與應用，要在充分了解材料特性與加工工藝的基礎上，選擇那些既有良好工藝特性又具有良好環境屬性的材料。這樣才能降低產品在“選材—制造—使用—回收—再利用—廢棄處理”過程中對環境造成的破壞，實現可持續發展，促進人與自然的和諧。

參考文獻

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