結(jié)構(gòu)與加工工藝對(duì)紙材料的影響

胡偉專　宋治國

摘要：在綠色節(jié)能、低碳環(huán)保越來越受到關(guān)注的今天，設(shè)計(jì)追求的不能僅僅是創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，更多的是要考慮可持續(xù)和綠色設(shè)計(jì)的可能性。紙作為一種綠色環(huán)保材料對(duì)環(huán)境無污染，是一種可以回收和反復(fù)利用的材料。在人們?cè)械挠∠笾?，紙輕質(zhì)柔軟、單小薄弱，但通過不同的結(jié)構(gòu)與加工工藝處理后能表現(xiàn)出截然不同的特性，在工業(yè)、建筑與產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都能顯示出其優(yōu)異性能。這使得紙?jiān)诂F(xiàn)在的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中具有了廣闊的發(fā)展和探索空間。

關(guān)鍵詞：紙結(jié)構(gòu) 加工工藝 可持續(xù)性材料 環(huán)保

中圖分類號(hào)：J05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2018）03-0030-02

引言

隨著綠色設(shè)計(jì)、可持續(xù)設(shè)計(jì)等思潮的興起，紙作為一種綠色環(huán)保、易降解、可循環(huán)利用的材料越來越受到人們的重視?，F(xiàn)在的生活中紙最常用在衛(wèi)生、產(chǎn)品包裝、信息傳遞媒介與工藝美術(shù)等領(lǐng)域，因此人們對(duì)紙的印象大多是輕薄柔軟，力學(xué)性能比較差。但也有一些利用紙的案例能引起大家的驚嘆與不解，比如說，在紙橋承重類的比賽中，單小薄弱自重200g的紙橋可以承受超過50Kg的重量；日本建筑師板茂利用紙的“堅(jiān)硬牢固與隔熱保溫性能”創(chuàng)造了一大批紙建筑。

這些普通的紙之所以能應(yīng)用在這些對(duì)材料力學(xué)性能要求極高的場(chǎng)景中，是因?yàn)槠渌鶓?yīng)用的結(jié)構(gòu)與加工工藝不同。結(jié)構(gòu)是功能的內(nèi)在依據(jù)，功能是結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)。因此。當(dāng)相同的紙材料用不同的加工工藝處理，以不同的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)時(shí)，能夠顯示出截然不同的特性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中我們便可以通過利用不同的結(jié)構(gòu)與加工工藝對(duì)紙材料進(jìn)行加工，使其能夠滿足產(chǎn)品對(duì)材料性能的要求。

一、帶狀結(jié)構(gòu)

帶狀紙比較輕盈并且非常容易固定和定型。而編織是一種通過沿織物成型方向取向的三根或多根纖維按照特定的規(guī)律傾斜交叉，使纖維交織在一起的工藝。

因此，紙帶自身柔軟易成型的特點(diǎn)使其適合使用編織工藝對(duì)其進(jìn)行加工。當(dāng)編織過程中用到的線狀或帶狀的紙達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，它就可以不用框架，直接完全由彎曲的帶狀紙材編織而成。經(jīng)過編織的紙材料具有整體性、抗分層、耐沖擊等優(yōu)良性能。編織工藝將紙這種柔軟的材質(zhì)進(jìn)行硬質(zhì)化處理，以達(dá)到達(dá)到樸素與簡(jiǎn)約共存，傳統(tǒng)與現(xiàn)代共生的效果，使其在接觸時(shí)特有的舒適感也不會(huì)消失。

編織時(shí)，將原紙裁成細(xì)條或者先將其卷成圓形后，再將其壓扁成條狀進(jìn)行編織。也可以將回收的舊報(bào)紙、舊書籍等廢棄材料撕成條后再擰成繩后對(duì)其進(jìn)行編織。為顯示紙材質(zhì)的獨(dú)特個(gè)性和內(nèi)涵，在編織時(shí)可以從色彩、肌理、質(zhì)感等視覺或觸覺語言入手。任一元素的變化最終可以使其表現(xiàn)出來豐富的面狀圖案，也可以運(yùn)用具象和抽象的造型方式來變換產(chǎn)品形態(tài)。

利用編織工藝制作的紙質(zhì)產(chǎn)品，造型豐富，形態(tài)優(yōu)美。由于紙材料作為環(huán)保材料能給用戶帶來樸素、輕盈、親切等心理體驗(yàn)和美學(xué)感受，加上其觸人心弦的肌理美感，可以奪人眼球，引領(lǐng)潮流，不同的色彩搭配也為其添姿加彩。若將紙帶編織應(yīng)用在燈具設(shè)計(jì)上，紙本身優(yōu)良的透光效果和這種材料特殊的紋理與質(zhì)感可以使得燈具的肌理效果和光影的漫射效果簡(jiǎn)約而又復(fù)雜，在視覺上使燈具擁有更豐富的層次感。這樣的紙質(zhì)產(chǎn)品也可以應(yīng)用在各種追求時(shí)尚潮流或者樸素典雅的場(chǎng)合中，（如圖1）中所示的女士挎包或是簡(jiǎn)約樸素的屏風(fēng)。

二、薄壁管狀結(jié)構(gòu)

薄壁管狀結(jié)構(gòu)具有良好的吸能特性、力學(xué)和保溫隔熱性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈巧，且易于制作和安裝更換，在需要承重或保溫方面有很大的應(yīng)用，并常常被作為附加結(jié)構(gòu)或組成部件廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛船舶等領(lǐng)域的碰撞保護(hù)系統(tǒng)中。

當(dāng)紙以管狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)時(shí)能充分發(fā)揮紙本身自重相比鋼材、混凝土重量輕很多的優(yōu)點(diǎn)和薄壁管狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性。同時(shí)，紙管的抗拉強(qiáng)度為890kN/cm²，接近抗拉強(qiáng)度為1170-1470kN/cm²的普通木材，但是木材的干密度往往是紙管干密度的2-3倍。因此，管狀的紙?jiān)谟袡C(jī)材料中有更好的自承重性能和與之相配的力學(xué)性能。由于紙也可以重復(fù)利用，對(duì)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境非常有利，使紙可以作為一種非傳統(tǒng)的新材料應(yīng)用在家具與建筑設(shè)計(jì)中。紙管的生產(chǎn)主要使用紙管機(jī)，主要為篩選原料、分切機(jī)分切，放紙、涂膠、卷管、烘干等6個(gè)步驟。

（如圖2）為普利茲克建筑獎(jiǎng)獲得者，日本著名建筑師板茂與德國建筑師Frei Otto合作，在德國世博會(huì)上用紙管構(gòu)筑的一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)薄殼結(jié)構(gòu)一日本館。440根直徑12.5厘米的紙管呈網(wǎng)狀交織而成，表面再覆以紙模。當(dāng)屆世博會(huì)閉幕后，這個(gè)薄殼建筑的所有材料都被運(yùn)回了日本，制成了小學(xué)生的練習(xí)冊(cè)。

在具體應(yīng)用紙管進(jìn)行建筑或家具設(shè)計(jì)時(shí)，其組合銜接也常常會(huì)有不同的方式。常見的如框架搭建式、管材排列等。

框架搭建式就是利用紙管作為基本的結(jié)構(gòu)單元，模仿建筑中的梁柱支架，將建筑中的結(jié)構(gòu)形式引用進(jìn)來搭構(gòu)基本框架，再加以適當(dāng)?shù)难b飾便可成為一件獨(dú)特的紙質(zhì)產(chǎn)品。管材排列式是將若干個(gè)經(jīng)過裁剪的紙管通過膠粘、內(nèi)部螺釘鏈接或捆扎的形式，按照重復(fù)或漸變的造型規(guī)律沿水平或垂直方向進(jìn)行排列，形成可受外力的平面或起圍合作用的背板。有序的紙管排列不僅能夠表現(xiàn)出良好的視覺效果，營造出強(qiáng)烈的韻律感，而且能夠大大增強(qiáng)材料抵抗外力荷載的承重性和穩(wěn)定性。（如圖3）中，既有框架搭建式的座椅，也有管材排列式的茶幾。

三、層壓板結(jié)構(gòu)

層壓制品是將多層附膠材料或塑料片材疊合在一起送入壓機(jī)中，并在一定溫度合力下經(jīng)過一段時(shí)間壓制而成的整體。層壓板是層壓制品中的一種，層壓板結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比剛度高及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常廣泛地應(yīng)用于制造飛機(jī)的某些構(gòu)件，如機(jī)翼壁板、方向舵、垂尾構(gòu)件以及機(jī)翼等。

紙板經(jīng)層壓后受力強(qiáng)度增加，且不同方向交錯(cuò)的層壓紙板相比普通的紙板力學(xué)性能得到明顯改善，彌補(bǔ)了紙板大多韌性差、不耐折、力學(xué)性能方面不理想的不足。

層壓結(jié)構(gòu)運(yùn)用在紙質(zhì)材料中的表現(xiàn)就是生活中常見的瓦楞紙，粘貼而成的波紋紙作為夾芯，較大的箱板紙作為里和面，改變夾芯里紙的層數(shù)和瓦楞的形狀尺寸，可以得到不同種類的瓦楞紙板，具體結(jié)構(gòu)（如圖4）。

若對(duì)層壓紙板進(jìn)行表面施膠處理，可以使其具有良好的防水防潮性能，再通過瓦楞紙板不同的組合與結(jié)構(gòu)穿插便可用在家具、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及包裝中。而瓦楞紙板間不同的組合及穿插方式會(huì)造成產(chǎn)品特性與形態(tài)的不同，也拓展了紙材料在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)空間，充分發(fā)揮了紙材料的可回收、易加工等特性。其中復(fù)合式穿擦最常見的穿擦方式，可以將其理解為多功能立體穿插，是將穿擦的各部分按構(gòu)架各就其位，分別納入不同的層次，并通過多項(xiàng)的穿插于層疊的手法實(shí)現(xiàn)分合得體、整體有序的效果。（如圖5）為紙板在桌子與椅子等家具中的應(yīng)用。

四、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

在紙橋承重類的比賽中，一個(gè)看似單小薄弱的紙橋卻可以承受超過50Kg的重量，其秘密便是對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是蜂窩結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型應(yīng)用，夾芯層為蜂窩狀的夾層結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于大量的工字梁結(jié)構(gòu)的集合，蜂窩芯相當(dāng)于工字梁的腹板，蜂窩面板相當(dāng)于工字梁的翼板，因此蜂窩壁板結(jié)構(gòu)具有很高的抗壓強(qiáng)度、抗壓縮變形能力大。且由于蜂窩芯是一種多孔材料，實(shí)體部分截面積很小，面板厚度較薄，所以蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量比較輕。

工業(yè)上的蜂窩夾心層是由金屬材料、玻璃纖維或復(fù)合材料制成的一系列六邊形孔格，在夾芯層的上下兩面再膠接或釬焊上較薄的表板。相比其他夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和剛度；相比鉚接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)效率可提高15%-30%。

若將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用在紙材料上，不僅可以發(fā)揮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)原有的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可以將紙材料的質(zhì)量小、可回收等優(yōu)良性能顯現(xiàn)出來。其原理與工業(yè)上的鋁蜂窩板類似，是把原紙、再生紙等不同類型的紙用膠黏結(jié)的方法連接成無數(shù)個(gè)空心立體正六邊形，形成一個(gè)整體紙芯受力件，并在其兩面黏合面紙而成的一種新型夾層結(jié)構(gòu)環(huán)保材料。

使用此種結(jié)構(gòu)的紙質(zhì)材料可以用來設(shè)計(jì)制作生命周期較短、使用位置不固定、對(duì)耐壓性能要求較高的產(chǎn)品，如公共展廳中的座椅或是承重墻面。蜂窩狀的特殊產(chǎn)品肌理也別有一番韻味，增加了產(chǎn)品的表現(xiàn)魅力。（如圖6、7）為利用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的在不同場(chǎng)合使用的座椅。

結(jié)構(gòu)與功能相互聯(lián)系、相互依存，結(jié)構(gòu)決定功能，功能也對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的反作用。紙材料從作為傳遞信息的輕柔紙張，到產(chǎn)品的外包裝，到日常消費(fèi)品，甚至再到在建筑、工業(yè)等對(duì)材料力學(xué)、物理性能要求極高的領(lǐng)域上的應(yīng)用，都顯示了不同的結(jié)構(gòu)與加工工藝使紙的特性發(fā)生的巨大變化，如從輕質(zhì)柔軟到令人不可思議的承重能力，從單小薄弱到優(yōu)異的隔熱保溫性能。同時(shí)，由于紙本身綠色環(huán)保、可回收、可再生、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，使其在當(dāng)下全球資源緊張，環(huán)境污染較為嚴(yán)重的嚴(yán)峻條件下有了更為廣闊的應(yīng)用前景。

將紙材料應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有一定的探索性，但卻有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用過程中應(yīng)充分結(jié)合產(chǎn)品本身對(duì)材料性能的要求，通過使用不同的結(jié)構(gòu)與加工工藝來對(duì)紙材料性能進(jìn)行改善，使其不僅能夠滿足產(chǎn)品的性能要求，同時(shí)也將其本身綠色環(huán)保的特性充分發(fā)揮出來，以能夠在更為廣闊的商業(yè)領(lǐng)域中產(chǎn)生積極作用。