基于熱敏材料的家居產(chǎn)品設(shè)計研究

李晶　甘嘉珩

關(guān)鍵詞：熱敏材料 家居產(chǎn)品 香器 3D打印 感溫變色PLA

中圖分類號：TB472 文獻標(biāo)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(fā)展歷史悠久，針對其材質(zhì)特性進行家居產(chǎn)品設(shè)計研究，不僅有利于設(shè)計師從材料本身特性去了解新材料在家居產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用前景，更有利于推動新材料的發(fā)展。

一、熱敏材料的分類

根據(jù)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(guān)系進行分類，最常見的熱敏電阻材料有正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC，Positive Temperature Coefficient）、負溫度系數(shù)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(qū)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(guān)的加工工藝而制成一種半導(dǎo)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(zhì)能夠在溫度的變化下由于結(jié)構(gòu)變化而發(fā)生顏色變化[1]。根據(jù)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(chǎn)品設(shè)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(fā)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(zhuǎn)化，發(fā)生二次軟化和固定，“記憶”原始形態(tài)和二次形態(tài)[2]，接著由于不同的溫度，該材料便可發(fā)生兩種形態(tài)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(yīng)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(yīng)用

熱敏材料最大的屬性特點就是通過溫度改變，發(fā)生一定的其他維度屬性變化，所以熱敏材料在家居產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)用中需要與具有“溫度變化”特征的產(chǎn)品緊密結(jié)合。許多家居產(chǎn)品在工作過程中會產(chǎn)生顯著的溫度變化，為熱敏材料在家居產(chǎn)品中的設(shè)計和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。根據(jù)熱敏材料在家居產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)調(diào)查，熱敏材料在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用主要涉及調(diào)控和利用溫度、傳遞溫度信息等，實現(xiàn)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(guān)于熱度與濕度對熱感覺影響的實驗，通過分析實驗結(jié)果得出了目前為止對熱環(huán)境最為完善的指標(biāo)——熱舒適評價指標(biāo)預(yù)測值PMV（predicted meanvote）[3]。指標(biāo)中影響熱環(huán)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?？梢钥吹?，溫度是影響環(huán)境舒適度的重要因素。并且，F(xiàn)anger在研究過程中還得出室內(nèi)宜人的溫度范圍為19℃～24℃。后續(xù)對環(huán)境的研究也發(fā)現(xiàn)：在其他因素不變的情況下，過高的溫度影響人的生理指標(biāo)出現(xiàn)異常，比如導(dǎo)致血壓過低或心率過快[4]，且心理也會產(chǎn)生相應(yīng)變化，例如親和性特質(zhì)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(zhì)評價為積極的，而在寒冷條件下將他人的親和性特質(zhì)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(yīng)能力。熱敏電阻元件作為家居產(chǎn)品中的溫度傳感器，在設(shè)備的電子線路中讓產(chǎn)品能夠?qū)揖迎h(huán)境進行測溫、控溫。例如“Zen熱空調(diào)”，設(shè)計師利用熱敏電阻材料能夠感應(yīng)溫度并且自動調(diào)節(jié)阻值的特性，有效地調(diào)節(jié)整個家居環(huán)境的溫度，并且能夠在產(chǎn)品和移動設(shè)備上實時顯示溫度的數(shù)值，以支持人們對溫度進行手動調(diào)節(jié)，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(chǎn)品是必不可少的家居產(chǎn)品。最早的家的形式是出于防御和安全的需求而建造的，現(xiàn)代的家居生活的安全性已經(jīng)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(jiān)測家中的安全情況，包括：家庭中留置的需要監(jiān)護的人員的安全情況，房屋室內(nèi)是否有突發(fā)情況發(fā)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(jiān)測指標(biāo)進行安全防范。利用熱敏材料，通過感應(yīng)溫度來監(jiān)測人的活動或者與溫度有關(guān)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(chǎn)品上的應(yīng)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(xué)攝像頭——Thermal Security Camera，通過利用熱敏材料感應(yīng)室內(nèi)生物的溫度形成熱成像，對室內(nèi)環(huán)境下人的活動進行監(jiān)測，并配備安全警報。

（三）傳遞信息

家居場景中，產(chǎn)品的狀態(tài)很多時候需要通過色彩、聲音等外在表現(xiàn)進行傳遞[6]。當(dāng)人看到某一種顏色，常會產(chǎn)生和溫度有關(guān)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(yīng)的信息。色彩感是人類長期的外界活動經(jīng)驗所形成的一種感覺反應(yīng)，例如人們根據(jù)對色彩的視覺感覺，將色彩分為暖色系、冷色系、溫色系。設(shè)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(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計，例如當(dāng)產(chǎn)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(dāng)產(chǎn)品變?yōu)槔渖禃r，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(tài)的可變化性，常被設(shè)計師用于傳遞產(chǎn)品信息。例如Behance網(wǎng)站上有設(shè)計師上傳了一款“Shirist系列杯墊”設(shè)計作品，通過在常規(guī)的杯墊表面上添加了熱敏涂層，當(dāng)杯墊接觸到盛裝有液體的杯子時，杯墊可以根據(jù)杯子的溫度顯現(xiàn)出不同深淺程度的圖案和顏色。

三、香器分析

在家居產(chǎn)品市場中，人們更注重個人興趣和愛好、家居生態(tài)的發(fā)展[8]，關(guān)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(yīng)用于愛好類產(chǎn)品，選擇“香器”作為熱敏材料的設(shè)計實踐產(chǎn)品。

（一）香器調(diào)研

1.功能分析：古代香器和現(xiàn)代香器的功能并無變化，主要為盛香、燃香所用。但是由于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，香料的種類出現(xiàn)了新的類型——液態(tài)香，香器也隨之出現(xiàn)了擴香儀、香薰機等智能香器。這類香器的出現(xiàn)，主要功能是利用新技術(shù)散發(fā)香氣。除此之外，部分現(xiàn)代香器還增添了除盛香之外的多功能設(shè)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(fù)雜且?guī)в凶鸪绺?，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(yǎng)和學(xué)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(xiàn)出自己的身份地位或能夠表現(xiàn)出自己在用香時產(chǎn)生的情感。在現(xiàn)代，人們用香多出于三個目的：一是驅(qū)趕蚊蟲、調(diào)養(yǎng)精神;二是供奉拜佛等習(xí)俗傳統(tǒng);三是一種休閑美學(xué)和文化。

3.形態(tài)分析：古代香器形態(tài)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(chǎn)品造型中[12]。現(xiàn)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(huán)境不匹配。所以，在香器的設(shè)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(shè)計用戶需求的產(chǎn)品外觀，設(shè)計合理的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)。

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(jié)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(fā)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(nèi)涵的觀賞性能夠提升用戶的愉悅，帶來舒適感。在結(jié)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(yīng)用

由于溫變粉與其他材料的調(diào)配結(jié)合需要有專業(yè)的實驗工具等專業(yè)條件，故選擇目前市面上可以直接應(yīng)用的熱敏變色材料——感溫變色3D打印耗材PLA，進行香器設(shè)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(shè)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(yīng)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(fā)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(nèi)使用。短時間內(nèi)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(zhì)發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變。

（二）香器設(shè)計

1.初次方案：在初次方案設(shè)計中，進行倒流香（圖2）和盤香（圖3）的香器設(shè)計。倒流香香器的方案設(shè)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(shè)計為兩座高山的半球型造型，山峰置于容器內(nèi)。設(shè)計倒流香的香煙從香托的煙孔流入容器，利用容器內(nèi)部的溫度變化使山峰發(fā)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(xiàn)出青山薄霧之境。若能夠達到預(yù)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?yōu)榘咨Ｍㄟ^產(chǎn)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(nèi)聚積，感溫變色3D打印耗材PLA被香煙遮掩，但未能在產(chǎn)品使用過程中觀測到材料的變色效果。通過分析發(fā)現(xiàn)，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(dāng)?shù)沽飨闳紵戤吅?，材料未發(fā)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(shè)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(zhì)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(nèi)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(gòu)造出云霧紅日的場景。若能夠達到預(yù)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?yōu)榘咨?。通過產(chǎn)品打樣進行功能測試。觀察到，當(dāng)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(chǎn)生自熄情況。當(dāng)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(chǎn)生自熄情況，然而實驗結(jié)束后香器的顏色發(fā)生熱敏變色后并不能恢復(fù)到原來的顏色狀態(tài)。通過分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一方面，由于缺少有效的固香結(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhì)，溫感特性容易遭到破壞。因此局部溫度和空間的設(shè)計尤其重要。

2.燃香空間測試：通過初次方案分析，可以總結(jié)出感溫變色3D打印PLA在香器設(shè)計應(yīng)用中的設(shè)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(fā)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(shè)計要關(guān)注固香結(jié)構(gòu)和燃香空間大小，以讓香器能夠順利地使用和材料產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)為感溫變色PLA會發(fā)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測試距離為4cm時，香器開始產(chǎn)生較明顯的顏色變化。當(dāng)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(jù)以上測試結(jié)果和結(jié)論，進行香器再設(shè)計。首先在材料方面，根據(jù)前期出現(xiàn)的材料被燒損的問題，改變使用耐高溫的木質(zhì)材料，并且增加防火墊，避免產(chǎn)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(jié)構(gòu)方面，不再利用香煙的溫度，設(shè)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(shè)計產(chǎn)品造型，保留產(chǎn)品的核心功能點且采用極簡化設(shè)計，使人們能夠簡單快速地使用產(chǎn)品。此外將設(shè)計點集中在熱敏材料的表現(xiàn)上。

如圖4所示，針對盤香進行香器設(shè)計。香器造型為一款傳統(tǒng)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(tǒng)元素，將香蓋設(shè)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(jù)季節(jié)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(fā)生的顏色變化。

結(jié)論

材料是工業(yè)實體產(chǎn)品設(shè)計中重要的一環(huán)。在基于熱敏材料的設(shè)計應(yīng)用中，首先應(yīng)該充分了解熱敏材料的特性與現(xiàn)狀，才能夠?qū)ふ也牧峡梢詰?yīng)用產(chǎn)品的類型。其次明確在該產(chǎn)品中要具體利用材料的什么特點，是顏色、還是質(zhì)感、還是特性。在本次設(shè)計實踐中應(yīng)用的熱敏變色材料是市面上常見的、應(yīng)用最廣泛的熱敏材料，這類材料改變了不少現(xiàn)代必不可少的服務(wù)方式。將該材料應(yīng)用在香器上可以說是一種傳統(tǒng)與現(xiàn)代的碰撞。在設(shè)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(yīng)用條件，評估測試該材料特性能否夠在現(xiàn)實中順利應(yīng)用，最后完成材料與產(chǎn)品的優(yōu)化適配設(shè)計，借助熱敏變色材料在傳統(tǒng)香器的外觀欣賞中設(shè)計出一種動態(tài)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(shè)計為基于熱敏材料的家居產(chǎn)品設(shè)計提供了設(shè)計指導(dǎo)方向。