基于熱敏材料的家居產品設計研究

李晶　甘嘉珩

關鍵詞：熱敏材料 家居產品 香器 3D打印 感溫變色PLA

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）07-0073-03

引言

熱敏材料是常見的智能材料，發展歷史悠久，針對其材質特性進行家居產品設計研究，不僅有利于設計師從材料本身特性去了解新材料在家居產品設計中的應用前景，更有利于推動新材料的發展。

一、熱敏材料的分類

根據熱敏材料常見的變化，主要分為三類：熱敏電阻材料、熱敏變色材料、熱敏變形材料。

（一）熱敏電阻材料

熱敏電阻材料是一種電阻率對溫度敏感的元件，因其對溫度敏感的特性該材料被用于制造各種熱敏電阻器件。以溫度與電阻率的關系進行分類，最常見的熱敏電阻材料有正溫度系數熱敏電阻（PTC，Positive Temperature Coefficient）、負溫度系數熱敏電阻（NTC，Negative Temperature Coefficient）、特定溫度下電阻率極具變化的臨界溫度熱敏電阻（CTR，Critical Temperature Coefficient）。每一種熱敏電阻材料的溫度使用區間又有著較大的差別，例如NTC又可分為低溫型熱敏電阻、常溫型熱敏電阻、高溫型熱敏電阻。這三種熱敏電阻多是由金屬氧化物組成，通過相關的加工工藝而制成一種半導體陶瓷材料。

（二）熱敏變色材料

熱敏變色材料是指具有熱致變色性能的材料，熱致變色性是指有些物質能夠在溫度的變化下由于結構變化而發生顏色變化[1]。根據熱敏變色材料變色的可逆性，可直接分為兩種可逆型和不可逆型熱基于熱敏材料的家居產品設計研究RESEARCH ON THE DESIGN OF HOUSEHOLD PRODUCTS BASED ON THERMAL MATERIALS敏變色材料。以材料的組成成分對熱敏變色材料進行分類，主要可分為無機類熱敏變色材料、液晶類熱敏變色材料、有機類熱敏變色材料。目前使用較多的熱敏變色材料是熱敏變色顏料類，如變色粉、熱敏變色油墨、溫變粉等。

（三）熱敏變形材料

材料在一定程度的溫度作用下都會發生形變，熱敏材料的變形性主要是指記憶形變性，即該種材料能夠固定和保持初始的形狀，并且在溫度的作用下可逆的轉化，發生二次軟化和固定，“記憶”原始形態和二次形態[2]，接著由于不同的溫度，該材料便可發生兩種形態的變化。熱敏變形材料包括熱敏形狀記憶合金和熱敏形狀記憶高分子材料。與熱敏形狀記憶合金相比，熱敏形狀記憶高分子材料在性能上得到了很大的提升，它更易于人為控制形變、賦形、著色等。常見的熱敏變形材料的應用有記憶合金纖維、記憶防偽材料等。

二、熱敏材料在家居生活中的應用

熱敏材料最大的屬性特點就是通過溫度改變，發生一定的其他維度屬性變化，所以熱敏材料在家居產品的設計應用中需要與具有“溫度變化”特征的產品緊密結合。許多家居產品在工作過程中會產生顯著的溫度變化，為熱敏材料在家居產品中的設計和應用提供了基礎。根據熱敏材料在家居產品設計的應用分析，發現根據調查，熱敏材料在家居產品中的應用主要涉及調控和利用溫度、傳遞溫度信息等，實現營造舒適感、增加安全感、傳遞信息的三大功能。

（一）營造舒適感

早在八十年代，美國教授Fanger進行了一項關于熱度與濕度對熱感覺影響的實驗，通過分析實驗結果得出了目前為止對熱環境最為完善的指標——熱舒適評價指標預測值PMV（predicted meanvote）[3]。指標中影響熱環境的因素主要為六個：空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、人體新陳代謝率、氣流速度和人體著衣量。可以看到，溫度是影響環境舒適度的重要因素。并且，Fanger在研究過程中還得出室內宜人的溫度范圍為19℃～24℃。后續對環境的研究也發現：在其他因素不變的情況下，過高的溫度影響人的生理指標出現異常，比如導致血壓過低或心率過快[4]，且心理也會產生相應變化，例如親和性特質在不同的溫度下是不一樣的，溫暖條件下傾向于將他人的親和性特質評價為積極的，而在寒冷條件下將他人的親和性特質評價為消極的[5]。所以舒適感在家居生活起著非常重要的作用，保持適宜的溫度可以營造家居生活的舒適感。

熱敏材料對溫度具有較高的敏感度和反應能力。熱敏電阻元件作為家居產品中的溫度傳感器，在設備的電子線路中讓產品能夠對家居環境進行測溫、控溫。例如“Zen熱空調”，設計師利用熱敏電阻材料能夠感應溫度并且自動調節阻值的特性，有效地調節整個家居環境的溫度，并且能夠在產品和移動設備上實時顯示溫度的數值，以支持人們對溫度進行手動調節，方便不同身體特性的人進行家居溫度的自定義，以滿足人們在家居生活中對較高舒適感的需求。

（二）增加安全感

安全防護類產品是必不可少的家居產品。最早的家的形式是出于防御和安全的需求而建造的，現代的家居生活的安全性已經有了極大提升，但是人們對于家居安全性能仍存在諸多需求。例如人們需要監測家中的安全情況，包括：家庭中留置的需要監護的人員的安全情況，房屋室內是否有突發情況發生，是否有陌生人進入、煤氣泄漏、意外著火等。在許多方面，溫度可以作為良好的監測指標進行安全防范。利用熱敏材料，通過感應溫度來監測人的活動或者與溫度有關的意外情況，能有效地保證居家場所的安全，增加人們對家居場所的安全感。熱敏材料在家庭中安全防護類產品上的應用包括電器防護、在檢測的同時有提醒保護功能等。例如美國著名電器公司菲力爾FLIR在2018年推出熱光學攝像頭——Thermal Security Camera，通過利用熱敏材料感應室內生物的溫度形成熱成像，對室內環境下人的活動進行監測，并配備安全警報。

（三）傳遞信息

家居場景中，產品的狀態很多時候需要通過色彩、聲音等外在表現進行傳遞[6]。當人看到某一種顏色，常會產生和溫度有關的溫度知覺，例如看到黃色和紅色會覺得像太陽一樣炙熱，看到藍色和白色會想到海水的冰涼，都表明了不同的色彩能夠給人們傳遞相應的信息。色彩感是人類長期的外界活動經驗所形成的一種感覺反應，例如人們根據對色彩的視覺感覺，將色彩分為暖色系、冷色系、溫色系。設計師們基于顏色傳遞不同的情感[7]，利用變色熱敏材料進行產品創意設計，例如當產品受熱變成暖色系的顏色時，就向人們傳達了“熱/高溫”的信息，當產品變為冷色系時，則是向人們傳達“冷/低溫”的信息。

變色熱敏材料由于其色彩跟隨狀態的可變化性，常被設計師用于傳遞產品信息。例如Behance網站上有設計師上傳了一款“Shirist系列杯墊”設計作品，通過在常規的杯墊表面上添加了熱敏涂層，當杯墊接觸到盛裝有液體的杯子時，杯墊可以根據杯子的溫度顯現出不同深淺程度的圖案和顏色。

三、香器分析

在家居產品市場中，人們更注重個人興趣和愛好、家居生態的發展[8]，關注詩意化 [9]、文化感[10]、簡單時尚[11]的生活。針對用戶更傾向于將新材料應用于愛好類產品，選擇“香器”作為熱敏材料的設計實踐產品。

（一）香器調研

1.功能分析：古代香器和現代香器的功能并無變化，主要為盛香、燃香所用。但是由于現代技術的發展，香料的種類出現了新的類型——液態香，香器也隨之出現了擴香儀、香薰機等智能香器。這類香器的出現，主要功能是利用新技術散發香氣。除此之外，部分現代香器還增添了除盛香之外的多功能設計，比如可以插花等。

2.情感分析：古時人們對于香料的情感復雜且帶有尊崇感，人們認為香料可以祛除邪惡，同時還蘊含著美好的意味，還用香來比喻一個人的涵養和學識。所以古代的用香之人對香器極為講究，香器不僅要拿來盛香，在情感上還要求香器能夠表現出自己的身份地位或能夠表現出自己在用香時產生的情感。在現代，人們用香多出于三個目的：一是驅趕蚊蟲、調養精神;二是供奉拜佛等習俗傳統;三是一種休閑美學和文化。

3.形態分析：古代香器形態各異，不同香料所用的香器造型也不同。例如為盤香或香粉使用的香爐、為線香使用的香插、外出佩戴的香囊等。香器在整體造型上多采用爐形、球形、盒形。隨著我國古代香文化盛行，香器的造型精美別樣，衍生出了賞爐文化，精美的中國元素常用于產品造型中[12]。現代香器的造型在簡約的流行審美中變得簡單起來，但也需要塑造一定的意境滿足人的審美需求，如圖1。

（二）香器需求分析

用戶在使用香器的用香過程遇到的主要痛點有：香灰不好清理，香器容易損壞，香器操作不便，香器與環境不匹配。所以，在香器的設計中，可以得出的機會點有：使用耐用型材料，提升香器的操作簡單性，設計用戶需求的產品外觀，設計合理的產品功能結構。

在用香的行為過程中可分為三個部分，分別是置香過程、燃香過程、結束用香。在置香過程中，用戶的一般行為是：先點香，然后打開香器置放，或者先打開香器置放，再點香。在這個行為部分，用戶可能會面臨著香的置放方便性問題，可能會發生香料無法置放的問題。在燃香過程中，用戶的一般行為是：聞香和觀香。在這個行為部分，香器的造型成為用戶的第一注意點，香煙與香器帶來一種美的或者有內涵的觀賞性能夠提升用戶的愉悅，帶來舒適感。在結束用香的過程中，用戶的一般行為是“清掃煙灰。在這個行為部分，用戶要求香器能夠易清理。

四、熱敏材料在香器中的應用

由于溫變粉與其他材料的調配結合需要有專業的實驗工具等專業條件，故選擇目前市面上可以直接應用的熱敏變色材料——感溫變色3D打印耗材PLA，進行香器設計研究。

（一）感溫變色3D打印PLA

選擇感溫變色3D打印耗材生物降解塑料聚乳酸PLA（Polylacticacid）進行設計實踐。感溫變色3D打印耗材PLA是通過在PLA中加入溫變粉獲取，即將溫變粉和PLA直接注塑成線型，目前被廣泛應用于3D打印模型，是一種可降解、可逆的有機感溫變色材料，3D打印時模型不易發生起邊和翹起、打印模型無氣味，變色溫度為25℃左右。耐光性能較差，需要避免陽光直射，適合室內使用。短時間內可以耐220℃的高溫，但要避免長期處于高溫下以免讓材料中的溫變物質發生化學結構的改變。

（二）香器設計

1.初次方案：在初次方案設計中，進行倒流香（圖2）和盤香（圖3）的香器設計。倒流香香器的方案設計包括底座、圓柱容壁、香托，分別采用熱敏3D耗材PLA、透明樹脂制作[13]。底座設計為兩座高山的半球型造型，山峰置于容器內。設計倒流香的香煙從香托的煙孔流入容器，利用容器內部的溫度變化使山峰發生顏色變化。即若香器能夠正常使用，倒流香的香煙會從圓形凹槽的小孔中流入香筒中，與山形底座呈現出青山薄霧之境。若能夠達到預期變色效果，可以觀測到熱敏3D耗材PLA的山形底座由綠色變為白色。通過產品打樣進行功能測試，觀察到，實驗1分鐘后香煙倒流正常，實驗10分鐘后香煙在容器內聚積，感溫變色3D打印耗材PLA被香煙遮掩，但未能在產品使用過程中觀測到材料的變色效果。通過分析發現，一方面，香煙在容器中遮掩了底座的造型，使人難以觀察到材料變色效果。另一方面，當倒流香燃燒完畢后，材料未發生變色，說明燃香的溫度未能達到感溫變色3D打印耗材PLA的變色溫度。

如圖3所示，盤香香器的方案設計主要為兩個部分：香盤造型是圓形的“日”，香托造型為象形的“云”，材質分別為感溫變色PLA、透明樹脂。具體使用方式是將云朵盤香架穿出半圓盒的圓形凹槽中，然后將盤香在架置在香盒內的香架中，點燃盤香，蓋上另一半圓盒，最后用另一片云朵片將兩份部分原盒扣住。若香器能夠正常使用，盤香的香煙會從半圓盒的縫隙中流出，與半圓盒和云朵香架構造出云霧紅日的場景。若能夠達到預期變色效果，可以觀測到熱敏3D耗材PLA的兩個圓形盒由紅色變為白色。通過產品打樣進行功能測試。觀察到，當香器的兩個半圓盒閉合使用時，實驗18min后香器僅僅上半圓盒局部顏色變白，香器下半圓盒的顏色無變化，且香盤容易產生自熄情況。當香器的上半圓盒打開使用時，實驗15min后香器下半圓盒的顏色變白，香盤不會產生自熄情況，然而實驗結束后香器的顏色發生熱敏變色后并不能恢復到原來的顏色狀態。通過分析結果發現，一方面，由于缺少有效的固香結構以及燃香空間，空間狹小使盤香不能正常燃燒，容易熄滅;另一方面，雖然感溫變色3D打印耗材PLA能夠利用燃香的溫度使其變色，然而當盤香在該香器燃燒的過程中溫度過高、超過其耐熱溫度時，會破壞其中的溫感物質，溫感特性容易遭到破壞。因此局部溫度和空間的設計尤其重要。

2.燃香空間測試：通過初次方案分析，可以總結出感溫變色3D打印PLA在香器設計應用中的設計方法。首先，利用燃香的溫度不能夠讓感溫變色PLA達到變色效果，但可以直接利用燃香的溫度，讓感溫變色PLA發生變色。其次，感溫變色PLA的變色溫度有上限為70℃，超過上限其將失去熱敏變色特性。所以燃香與感溫變色PLA之間要保持一定空間距離，以控制感溫變色PLA受到的溫度大小。最后，香器的設計要關注固香結構和燃香空間大小，以讓香器能夠順利地使用和材料產生溫變色效果。

因此進行燃香空間測試，以探尋燃香與熱敏變色3D打印材料PLA之間合適的空間距離。其衡量標準為感溫變色PLA會發生顏色變化但材料的溫感特性不被破壞。測試過程中，將盤香與熱敏變色3D打印材料PLA初始距離為6 cm，每次測試時間為3min，然后每次將熱敏變色3D打印材料PLA往前移動1cm，進行下一輪的測試，直至熱敏變色3D打印材料PLA與盤香的距離為2cm。測試結果發現，當測試距離為4cm時，香器開始產生較明顯的顏色變化。當測試距離不斷縮小時，香器顏色變化明顯。所以可以得出：燃香與熱敏變色打印材料PLA之間合適的空間距離為1cm～4cm。

3.最終方案：根據以上測試結果和結論，進行香器再設計。首先在材料方面，根據前期出現的材料被燒損的問題，改變使用耐高溫的木質材料，并且增加防火墊，避免產品損壞。改變使用顯色型熱敏變色3D打印耗材PLA，增加溫變性效果的明顯性。其次在結構方面，不再利用香煙的溫度，設計半密閉的燃香空間保障燃香所需的空氣，并且把控燃香與熱敏材料之間的距離空間為1cm～4cm。重新設計產品造型，保留產品的核心功能點且采用極簡化設計，使人們能夠簡單快速地使用產品。此外將設計點集中在熱敏材料的表現上。

如圖4所示，針對盤香進行香器設計。香器造型為一款傳統的圓形香盒，主要為兩個部分：圓形香盒和圓形香蓋。其中，香蓋采用感溫變色PLA，香盒采用木材。利用中國傳統元素，將香蓋設計成四種圖案，分別為鏤空的花卉造型：蘭、荷、菊、梅，代表了四季。可以根據季節的不同使用不同的香蓋。具體操作為，把盤香放置香盒中、點燃、蓋上香蓋，不僅可以觀察到香煙從鏤空的香蓋中飄出，同時也可以觀察到香蓋發生的顏色變化。

結論

材料是工業實體產品設計中重要的一環。在基于熱敏材料的設計應用中，首先應該充分了解熱敏材料的特性與現狀，才能夠尋找材料可以應用產品的類型。其次明確在該產品中要具體利用材料的什么特點，是顏色、還是質感、還是特性。在本次設計實踐中應用的熱敏變色材料是市面上常見的、應用最廣泛的熱敏材料，這類材料改變了不少現代必不可少的服務方式。將該材料應用在香器上可以說是一種傳統與現代的碰撞。在設計實踐中，明確利用了熱敏變色材料的溫感變色特性，然后了解了該特性的應用條件，評估測試該材料特性能否夠在現實中順利應用，最后完成材料與產品的優化適配設計，借助熱敏變色材料在傳統香器的外觀欣賞中設計出一種動態的視覺效果，也為用戶帶來了一種情感心理上的變化體驗。本次設計為基于熱敏材料的家居產品設計提供了設計指導方向。