TRIZ理論在木塑復合材料中的應用

陳澤龍，王玫瑰，鄭則炯，陳曉騰，陳偉文，林俊鑫

（廣東輕工職業技術學院 輕化工技術學院，廣東佛山 518100）

據《2020年中國國土綠化狀況公報》相關數據統計，截至目前，我國森林覆蓋率接近23%，而我國《森林法》中規定全國森林覆蓋率要達到30%，相較之下我國環保力度還略顯不足，生態問題還較突出。為解決能源消耗和環境破壞等生態問題，我國從禁止過度開采林木和尋找木材替代品著手，大力推動環保型產品的設計使用進程。

新型木塑復合材料，是一種極具發展前途的“低碳、環保、可循環”材料，具有力學強度高、耐腐蝕、加工性能好等優良性質，木塑產品在園藝家具等多個領域中的應用也越來越廣泛。由于企業受生產效益和成本、相關加工技術和設備等方面的限制，木塑產品的整體色彩單調，造型單一，且大部分產品連接組合方式以板式部件為主，體驗感較差，導致木塑復合材料難以更廣泛地被生產企業和消費者認可。

TRIZ 理論是蘇聯時期多位科學家在分析了200 多萬件世界各種專利的基礎上，發現的這些發明的規律[1]。TRIZ 理論能夠幫助研發人員進行系統改良分析，能夠進行技術矛盾分析，也能有效增強研發人員創造力和解決問題能力，是研發人員常用的一種創新方法。

塑木復合型材擁有可再生循環利用的獨特優勢，應用非常廣泛。利用現有技術，探討TRIZ 理論在木塑產品設計過程中的應用，能夠豐富其在木塑產品設計領域的應用形式，挖掘出木塑產品深入發展的可能性，為促進木塑產品設計創新提供實用的方法。

1 TRIZ 解決技術系統矛盾的方法概述

TRIZ 理論認為，發現和消除矛盾是產品進化和發展的主導力量，解決問題的關鍵是解決矛盾[2]。阿奇舒勒等科學家提出TRIZ 理論，將工程中出現的種種矛盾歸結為兩大主要矛盾：物理矛盾、技術矛盾。（1）當技術系統某個特性或參數得到改善時，常常會引起另一個特性或參數的劣化，該矛盾就稱為技術矛盾。（2）物理矛盾是指系統中的問題是由一個參數導致的，系統的一方要求該參數正向發展，另一方要求該參數負向發展，當一個技術系統的通用工程參數具有相反的需求時，就出現了物理矛盾[3]。

在對大量專利進行分析的基礎上，TRIZ 理論提出了40 條發明原理和39 個通用工程參數，并創造性地將工程參數的矛盾與創新原理整理成矛盾矩陣表，對指導產品研發人員發明創造、創新具有非常重要的作用。

利用TRIZ 理論解決產品設計過程中的技術矛盾問題，一般TRIZ 解決矛盾的流程如圖1所示。

圖1 TRIZ 解決矛盾理論流程

按照TRIZ 理論的基本框架，一般研發人員在進行產品創新設計過程中，可以分為三個步驟進行，分別是：問題提出、問題解決、概念驗證。

首先，確定目標主題以及技術問題，并將其轉換成TRIZ 理論中的39 個工程參數（如表1所示）。

表1 39 個工程參數

第二，通過四大分離原理，從四個不同的原理中尋找待解決問題的思路和可能方案（如表2所示）[4]。

表2 四種分離方法對應的發明原理

最終，需要對解決方案進行概念驗證，通過進行測試、仿真、研究工作等，對其做出可行性評價，以確定最適合的產品設計方式等。

2 木塑產品在設計過程中存在的問題及TRIZ 應用

通過線上文獻檢索和線下調研發現，現有市場上園藝產品外形以實木類、人造板、金屬型材為主要材料，目前將木塑復合型材應用在園藝產品的較少。傳統的花箱通常由木質板拼接而成，木質板在使用過程中易腐爛，需要經常對外表面進行油漆，增加了使用成本；而且木質板拼接而成的花箱存在縫隙，容易造成漏水，不利于樹木花卉的生長。專利號CN201220643384提供了一種新型木塑復合材料花箱，外殼木質板改為木塑板，解決了上述問題，但未能解決著色和美感度、嵌件連接問題。新型木塑產品外殼在設計和制造過程中，常見這三個問題，制約著木塑產品在園藝家具領域中的應用范圍[5]。

2.1 利用TRIZ 技術矛盾解決“木塑產品著色難、美感低”問題

產品外觀設計的品質直接影響產品的市場表現，一個好的設計可以提升產品的銷售優勢。差異化的好外觀往往能吸引更多消費者，贏得更多的銷售空間。一個產品如果外觀設計沒有做好，很容易影響其在市場上的銷量。

產品形態造型包括色彩、功能、形態及裝飾等多個要素[6]。消費者對木塑產品的設計要求不僅包括實用經濟，還包括美觀、易用及使用效率等。在產品設計過程中，需要從系統的角度來確定新型木塑產品的造型，研發人員需致力于突破目前產品造型的局限。

（1）問題的提出。

由于企業成本和技術的限制，現有市場上傳統園藝產品設計外型板材線條較平直、色彩較平淡。木塑復合型材在加工制備過程中，大多數企業現有技術僅能在原材料配方中添加著色劑等助劑材料來進行著色，木塑產品的色彩范圍有限[6]。

經多次市場調查發現，仿木材的色彩在市場上較受歡迎，特別是近年來木塑復合板材需求的擴大使得該類型板材的染色技術得到飛速發展。國內外很多學者也對木塑復合板材的色彩處理進行了相關研究，如專利號CN201410107887 中的技術說明書中提供了一種新型木塑粉或染色木塑粉在制備本色或彩色木塑板材上的應用，制得的彩色木塑板材色彩豐富、明艷、均勻。即在等高溫高壓條件下，使用分散染料對乙基化木粉/聚苯乙烯復合材料進行染色，其材料配方在分散染料下的木塑產品具有更明亮的色彩。又如專利號CN02111432 說明書中提供了一種新型薄木裝飾貼面板及其制作方法，即可以使用黑胡桃等3 種不同樹種的薄木進行貼面處理，發現使用特種木塑專用膠可獲得較高的表面膠合強度，且貼片處理效果最優，其材質視覺效果和質感能仿真珍貴樹種木紋和色澤，給人以高雅的享受，同時也可滿足任意顏色的個性需求。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數。

為解決木塑復合材料著色過程中存在的問題，利用TRIZ 理論，分析技術沖突，結合39 個工程參數得出問題為解決13 穩定性和29 制造精度的參數問題。

為解決木塑產品外觀樣式存在平直、呆板、美觀度低的問題，利用TRIZ 理論，分析技術沖突，結合39 個工程參數，得出問題屬于參數12 形狀（外觀）和32 可制造性的物理矛盾沖突。

（3）確定創新原理和應用思路。

結合工程參數13 穩定性和29 制造精度（見表3），使用整體分離原理，通過進行原材料染色處理以及對板材薄木貼片處理來增強其表面色彩豐富度和實木美感，提高木塑產品的美觀度。

表3 木塑產品著色設計結合TRIZ 理論分析

結合工程參數12 形狀和32 可制造性（見表4），采用條件分離原理，采用40 條發明原理中的14 曲面化原理，引入新型的彎曲生產工藝，在產品邊緣處添加彎曲構件加以點綴，可大大豐富產品的造型和提升美觀度。如有學者研究表明，可以木粉/聚乙烯復合材料，經過多次彎曲試驗，結果證明木塑復合材料可以從溫度、材料助劑等方面進行產品曲面化處理，因此，木塑產品造型的多樣化可以通過產品設計、生產造型自由度以及轉角的方式去解決。

表4 木塑產品彎曲造型設計結合TRIZ 理論分析

2.2 利用TRIZ 技術矛盾解決“木塑產品表面裝飾設計”問題

通過線上文獻檢索和線下調研發現，現有市場上園藝產品外形以實木類、人造板、金屬型材為主要材料，該類型材料能夠較好地體現出高檔、端莊的產品視覺感受，因此木塑產品在表面裝飾設計上也應當注意產品表面平整度、層次感等，以期滿足消費者對美的要求。

（1）問題的提出。

木塑復合型材是由木粉、稻殼、秸稈等廢棄的天然植物材料與聚丙烯、聚乙烯等廢舊塑料加工成型而成，受生產原材料的限制，木塑復合型材的表面硬度較低，使其類型產品表面裝飾設計很難有大的創新，大多是比較單一的形態。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數。

利用TRIZ 理論，分析技術沖突問題，結合39 個工程參數，得出為解決32 可制造性和36 系統復雜性的工程參數問題。

（3）確定創新原理和應用思路。

結合工程參數32 可制造性和36 系統復雜性（見表5），①可使用整體與部分分離原理，結合40 條發明原理中的3 局部改善法和40 復合材料法原理，將木塑復合材料與其他材料、助劑等結合，在木塑產品外型配方生產時就加入金屬、玻璃、布料及皮革等助劑材料，以此來打破產品整體形態單一、枯燥的視覺感受。②可使用空間分離原理，利用17 多維法發明原理，引入新型3D 打印技術或壓花技術，在專利CN201410198921 說明書中即提供了一種新型的3D 打印木塑復合材料技術，即可以在木塑產品生產制造過程中，對部分零部件進行3D 打印或壓花生產，以期在產品整體保留原有形態的同時，以多層次的花紋表面代替原有的平滑表面，改善消費者對木塑產品外型的視覺感受，突破產品造型的局限。

表5 木塑產品表面裝飾問題結合TRIZ 理論分析

2.3 利用TRIZ 技術矛盾解決“木塑產品的結構連接和裝配”問題

產品的結構連接與裝配是研發人員在設計過程中需要關注的重點問題。產品的裝配和連接不佳容易導致產品出現應力不集中、材料力學性能降低問題，從而影響消費者的體驗感。木塑產品的裝配需要考慮到的因素較多，如產品的組裝牢固性、可拆裝性等。結構連接有產品部件間的固定式連接、活動式連接，以及其他小部件之間的連接等。市場上木塑產品結構外型的連接方式主要分為機械連接[7]、膠接[8]和焊接[9-10]三種。

（1）問題的提出。

由于木塑原材料和加工成型方式導致木塑產品的結構連接和組裝方式都存在一定的缺陷，如機械連接對板材進行預鉆孔時操作不當，則板材容易出現應力分布不集中現象，從而導致木塑產品的力學性能降低，導致產品質量大幅度下降。所以，在產品設計過程中，更需要重點解決木塑產品的結構連接問題。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數。

通過分析現有技術沖突問題，結合39 個工程參數，分別為解決11 應力/壓強、13 穩定性、30 作用于對象的外部有害因素等工程參數。

（3）確定創新原理和應用思路。

結合工程參數11 應力/壓強、13 穩定性、30 作用于對象的外部有害因素（見表6），可采用條件分離原理，使用發明原理5 組合法和40 復合材料法原理，以復合兩種或兩種以上的連接方式來彌補各種連接方法中存在的缺陷。如在專利書CN02156231 說明書中提供了一種配接式型材及其制品，既改進了型材之間的連接結構，采用了復合材料膠接與釘連接復合使用連接的方法，可以克服結構件膠接可靠性差的缺陷，并且該連接方式強度高，穩定性好，且接縫緊密、平整，可延長使用壽命。

表6 木塑產品連接組裝技術結合TRIZ 理論分析

3 結語

木塑復合材料作為一種新穎并具有獨特優良性能的材料，具有環保可循環使用的特質，但生產過程存在一些技術問題，消費者整體對該類型產品的接受度還不高，國內的市場還沒被廣泛拓展。本文探討適合木塑復合型材特點的產品設計的思路和方法，以木塑產品在生產設計過程中存在的三大常見問題為例，結合TRIZ 理論解決問題的步驟，提出最優解決技術沖突問題的方法，以期能夠推動木塑這種環保材料更好、更廣泛地應用在實際生產中，同時也為其他新材料的產品設計提供了借鑒和參考。