产品设计用材研究
摘要：产品设计和人类生活息息相关，从航空母舰到一根牙签，都是人们为了更好的生活所设计的产品，制作的每一件产品必须要材料，材料是产品设计时考虑的主要因素之一，它既是设计的催化剂又会成为设计的阻路石。本文通过对材料之一塑料的解析，让我们在做设计之前对各种塑料特点了解透彻，以便能做出色的设计。
关键词：产品设计;材料;研究
人类历史长河中各个阶段如果用材料命名的话，可分为：石器时代、青铜时代、铁器时代、塑料制品时代。而光是塑料就有很多种，本文以解析几种常见的塑料材料为主。塑料是材料中的一种，对于塑料产品大家都不陌生但也不熟悉，当设计好产品的造型好后需要材料来呈现，如果一个产品设计师不了解所用材料属性就会导致产品的使用功能和寿命受影响，因此本文通过分析几种常用塑料产品来了解所使用材料的属性和化学元素，掌握其特征好利于设计制作。
如今各式各样的塑料产品出现在人们的日常生活中，写字用的笔，洗手时盛香皂的盒子，喝水的瓶子、房间里使用空调、工作学习使用的电脑，还有水杯、可乐瓶、信用卡、积分卡、太阳镜、牙刷、工具手柄、胶卷、面对我们生活中常使用的塑料产品，我们司空见惯的产品，为什么它们要用不同的塑料制成的呢?想知道就跟我走进塑料这个大家族去认识这一小部分成员。塑料这种高分子合成材料，特性多多，它的可塑性和流动性，使得可以制成万千形状的产品。先了解塑料的各种分类和优缺点：A分类：(1)按分子结构分为热塑性塑料和热固性塑料。[1]大部分产品以热塑性塑料制成，可以回收再利用;而像炒菜锅的把手和高低压电器就要用热固性塑料制造，因它受热并不软化流动，而且隔热又绝缘、耐高电压、耐磨。这两种特性的材料如果是在加热温度过高的情况下，都会被烧焦产生毁坏。(2)塑料还可以按照用途分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三类。[2]
B塑料优点和缺点：(1)塑料的优点：1)塑料虽然轻但比强度高。2)化学稳定性好。塑料的化学稳定性大大超过普通的金属材料，它不生锈、不氧化，也不会腐烂变质，遇到酸、碱、盐物质，一般不会起化学反应。3)绝缘性能好。塑料和陶瓷、
橡胶一样，是良好的绝缘材料。4)导热系数低。塑料的导热系数只有金属的几百分之一，可以作为隔热保温材料。5)加工性能好，批量生产成本低。塑料可以用注塑等多种方法一次加工成型，方法简单，生产率高。6)塑料成型后外观佳，自润滑加吸振、有消声、能气密等性能。(2)塑料的缺点：塑料的缺点没有金属强度、刚度、耐热性好。
所有的塑料制品一共分7个等级如图1所示，1～3为不可回收、重复利用的。4～7为可回收重复利用的。1：一次性饮料瓶，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：其他类――PC(可耐高温180)。塑料产品的底部会有一个三角形，里面的数字就表示所使用的是什么塑料。
1和2： PE如图2、3所示和HDPE：HDPE如图4、5所示是高密度聚乙烯，PE是聚乙烯，它的分子式为(CH2)n，最早于1933年合成，看分子式其组成似乎最简单不过了，但单体―CH2―的组成方式可以千变万化。在所有聚合物消费物市场中，聚烯烃这一热塑性聚合体占有最大的份额，而聚乙烯在聚烯烃中又是最多的。聚乙
烯是惰性的，对淡水和咸水、食物和多数水溶性的液体的侵蚀有很强的抵抗力，因而被广泛地用来制作日用品及食物容器。商业上，PE被制成薄膜、薄板、棒条、海绵状或者纤维丝。聚乙烯价格便宜，容易成型和制造，能够被染成不同的颜色，可以呈透明、半透明或者不透明的，手感柔软和舒适，可以在表面织纹或者作金属镀膜，但在上面不容易印刷。PE是很好的电绝缘体，介电损失小，适合做微波烹饪用的容器。PE的使用在美国食品及药物管理局是被许可的，无毒，而且可以植入人体(心瓣膜、髋关节囊腔，人造血管)。可以制作成：油罐、街道、牛奶瓶、玩具、啤酒篓子、食品包裹、热缩塑料包、压榨桶、一次性衣服、塑料袋、家用塑料制品、砧板、票据涂层、电缆绝缘体、人造接头、用作纤维――廉价绳子或者包装带的增强物。
3：PVC：聚氯乙烯，作为PVC的组成，在聚合物中，乙烯基造价低廉也最为通用，聚氯乙烯更是得到广泛的应用，在聚合物中呈现出多面性。纯净的PVC――tpPVC热塑性材料，刚性很大，韧性不足;廉价使得它被用作省钱的工程塑料，然而工程塑料并没有发挥出PVC性能的极限。添加增塑剂以后可以得到更为柔软的PVC――elPVC，它具有跟皮革和橡胶类似的性质，可以用作两者的替代物。而添加玻
璃纤维的PVC可以获得很大的硬度、强度和韧性，可以作屋面、地板和墙面材料以及汽车的蒙皮和车内装饰。和其他聚合物混合可以进一步拓展其性能：乙烯基氯化物和乙酸纤维素组合用作唱片的原料;吹塑成型的塑料瓶和塑料膜也是乙烯基氯化物和醋酸纤维素的聚合物。纯净的PVC比重和硬度大，是脆性材料。增强剂可以使它变得和橡皮一样柔软和富有弹性。增塑PVC在颜色和纹理上稍作调整可以用作皮革的廉价替代物。透明性能上不如PMMA和PC，但造价也要低廉得多，因此广泛地用于制造一次性的透明容器。PVC可以用来制作软片、薄膜和软管，可以通过聚酯、环氧和聚氨酯胶粘剂来连接。乙烯基氯化物单体是极具威胁性的材料，因此中断制造过程会给环境带来压力。但只要控制得当的话，生产过程是安全的，而且聚合物PVC尚未发现发现有威胁性。对PVC的用后处理，倒是一件麻烦事，加热分解会释放氯气、氯化氢和其他有毒物质，通常处理PVC需要使用特殊的超高温焚化措施。PVC可以是热塑性的，也可以是热固性的。可用TpPVC来制成玩具、医用软管、乙烯基的卷案、窗户和外墙挂板、乙烯基地面砖、灌溉橡皮管、皮艇、化妆品包装袋如图6所示、路标、零件、软管。对环境的影响：乙烯基氯化物单体是极具威胁性的材料，因此中断制造过程会给环境带来压力。但只要控制得当的话，生
产过程是安全的，而且聚合物PVC尚未发现有威胁性。对PVC的用后处理，倒是一件麻烦的事，加热分解会释放氯气、氯化氢和其他的有毒物质，通常处理PVC需要使用特殊的超高温焚化措施。
4：LDPE：低密度聚乙烯，可参考PE。
5：PP：聚丙烯如图7、8所示，最早出现在市场上的时间是1958年，是聚乙烯的“弟弟”――相似的分子结构、价格、工艺方法和应用。像PE那样，有着巨大的生产量(2000年年产量超过3*107t)并以年增长率10%增长，和PE一样，可以精确地控制其抗冲击强度和成型特性。聚丙烯在理想状态下是可燃的，在阳光下会退化;阻燃剂可以降低其燃烧速度，稳定剂可以增强其稳定性能。标准等级的PP价格实惠，质量很轻，具有可延展性，但是强度不高。和PE相比，PP更硬一些，更耐高温一些。PP的性能类似于HDPE，但硬度和熔化温度(165～170℃)要高。要是加入玻璃或者云母等可以改善聚丙烯的强硬度。当聚丙烯被牵拉成纤维状时会表现出很大的强度和很好的弹性，加上耐水腐蚀性能，很适合用作绳子和纺织品的材料。与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、稳定性和容
易成型。聚丙烯单丝纤维和多丝纤维都具有很好的耐磨性能，其强度几乎是PE纤维的两倍。PP的惰性很强，容易回收，可以用焚化的方法回收其能量，和PE、PVC类似，PP的生产过程相对是节能的，它们是能量密集型产业――商品聚合物中最为节能的。其原料可以来自可再生能源，比如说有糖或淀粉发酵后生成物，但从中提取所消耗的能量远远超过从汽油或者燃油中提取所消耗的能量，所以短期内仍然会从石油中提取。聚丙烯有很多品种，但大致可以分为三类：同聚物(不同分子质量和性质的聚丙烯聚合而成)，共聚物(丙烯和石蜡、乙烯、丁烯、苯乙烯等通过共聚反应得到)和复合物(添加云母、滑石、玻璃粉末或纤维增强的聚丙烯)，聚丙烯的复合物比简单的聚丙烯更为坚强、耐热性能更好。可以制成：条板箱，手提包，人工草皮、保暖内衣、绳子，普通聚合物工程，汽车通风装置，邮包架，空气净化机，庭院家具，洗衣机贮槽，啤酒瓶篓子，椅罩，电容器中的电解质，电缆绝缘层，厨房壶，车档，安全玻璃，电池盒，导管和导管的固定物。[3]
6：PS：最简形式的PS如图9所示是脆性的，与聚丁二烯混合可以显著地改变其力学性能，但会失去透光性能。高度耐冲击的PS(含10%的聚丁二烯)即使在低温
下(可低至12℃)也相当坚硬。PS具有三种形态：简单物质(通用的PS);与聚丁二烯混合后具有高耐冲击性能的派生物;聚笨乙烯泡沫――最常见也是最便宜的聚合物泡沫。以上三类都得到了美国食品及药物管理局的许可，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;具有很高的折射系数，看起来像玻璃一样闪光;是脆性的，容易破裂(如CD盒);在需要视觉吸引力，价格便宜，受力小的场合可以使用：盛化妆品的小盒子，透明的用后即丢的眼镜、盒子等。中高等耐冲击的聚苯乙烯，失去透光性的同时获得了力学性能。[4]具有中等耐冲击性能的聚苯乙烯，半透光，一般用在电闸或断路开关、衣架或者梳子等。高耐冲击性能的聚苯乙烯是PPO和PP的混合体，不透光，坚硬，比绝大多数塑料更能耐低温，可用在致冷器和冰箱的内部、用来盛装奶酪和人造黄油的食物盘。PS可以起泡获得很小的密度(大约1/3的聚苯乙烯都是经过起泡的)，泡沫PS热传导性能低而且便宜，常用作建筑的保温层、热水器的外套，一次性杯子的隔热层等。PS在外力作用下破碎时一般不会导致易碎物品的损伤，因此它们常用作包装。可以制成一次性杯子、照明装置、玩具、钢笔、模具、包裹、屋顶隔热材料、电视机外壳、墙面砖、一次性盘子、家具、塑料成型的零件盒容器、CD套、一次性的眼镜、剃须刀、热饮料杯。
7：PC：名叫聚碳酸酯如图10、11所示。是一种工程热塑材料，比便宜的商品聚合物有更好的力学性能。据碳酸酯的家族成员有：塑性聚酰胺(PA)，聚甲醛(POM)，聚四氟乙烯(PTFE)。纯净的PC含有苯环和含碳基团―OCOO―，使得PC即使在较高的温度下也具有光学透明、韧性好、硬度高的特点。这些特性使得PC可以用作光盘、安全帽、重型机床的包装箱。用PC和其他单体聚合，可以提高阻燃性、折射系数和抗软化性能[5];玻璃纤维增强的PC可以提高其在高温下的力学性能。PC具有光学透明性和高耐冲击能力，可以用来制作防碎玻璃。PC材料颜色稳定。尽管可以注模成型，但PC材料常常通过挤压或者热成型的处理工艺来处理(热成型对后续的设计有所限制)。挤压成型时，成型板要尽可能均匀以防止翘曲，要尽量避免突起和尖锐的棱角，通过引入沟槽或隆起的棱纹可以增强材料最后的硬度。增加玻璃纤维，可以降低其冷却时的收缩量，提高高温下的力学性能。
结语：设计触及到人类生活的方方面面，产品设计要是没有材料的依托，那就是空想一团。当今塑料的大量应用，使得塑料产品呈现的姿态千变万化，但万变不离其中，只要掌握它的属性，一定会达到理想的设计效果。（弘利教育）
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