基于生态设计理念的竹炭材料拓展研究_李红玲.pdf

68基金项目:江苏省高等学校自然科学研究面上项目(19KJD460004);江苏省高校哲学社会科学一般项目(2021SJA2413)作者简介:李红玲(1989-),女,硕士,讲师,研究方向:可持续产品设计、人机交互,E-mail:通信作者:苟锐(1977-),男,硕士,副教授,研究方向:可持续产品设计、人机设计与人工智能,E-mail:引文格式:李红玲,苟锐.基于生态设计理念的竹炭材料拓展研究J.家具与室内装饰,2023,30(02):68-73.LI Hongling,GOU Rui.Research on the Expansion of Bamboo Charcoal Materials Based on an Ecological Design ConceptJ.Furniture&Interior Design,2023,30(02):68-73.随着工业领域的不断发展、经济的高速增长和物质产品的丰富,大部分材料工业的发展是以破坏环境和浪费资源为代价的。因此,材料工业必须改变传统生产模式,需要将材料与保护生态环境协调起来,这是走可持续发展道路的最佳选择1。竹炭是竹材高温炭化的产物,是功能性优越、易生产、易降解、经济又环保的可再生天然材料。但它的缺点是自身不易成型,在家具产品设计中应用很少。本研究为突破家具设计的创新性,从可持续发展的角度出发,进行竹炭材料的家具产品设计的试验性实环境所造成的影响,最终引导产生一个更具有可持续性的生产和消费系统。目前,生态设计是预防生态环境受到危害的重要手段4,通过设计 上的改进,使产品在整个生命周期中做到对环境破坏最小化5。以下是产品生态设计的主要几种方法。（1）选择对环境友好的材料。材料是构成产品的基本要素,在选择材料时,要优先选择具备以下几个方面的材料：要求材料在整个生命周期全程中与环境的相兼容,在产品制造过程中节约资源；在产品使用过程中能源低消耗、践,探究竹炭的新形式、性能、肌理、加工工艺等方面的设计可塑性2,拓展竹炭应用领域,推动竹炭的资源化利用,也为在生态家具设计相关方面提供参考的研究方向与设计思路3。1 生态设计的理念与方法生态设计(Eco-Design,ED),也称生命周期设计或环境设计,是指将环境因素纳入设计之中的设计方法,辅助确定设计的决策方向。生态设计要求在产品开发的所有阶段均考虑环境因素,从产品的整个生命周期考虑到减少对人与Research on the Expansion of Bamboo Charcoal Materials Based on an Ecological Design Concept李红玲1,苟 锐2 Li Hongling1&Gou Rui2(1.江苏师范大学科文学院人工智能与软件学院，江苏徐州 221132；2.西南交通大学设计艺术学院，四川成都 611756）摘 要：材料在开采、提取、加工、生产、使用、报废及再回收的过程中产生了环境的污染与生态的破坏，而生态材料是人类充分利用资源、减少污染、保护环境，实现材料工业可持续发展的有效途径。研究以生态设计理论为基础，选用竹炭为基材，对其功能属性与加工工艺进行分析，尝试研发一种新型机能的生态竹炭复合板材。具体实践结合了生态设计原理及方法，将研制的新型竹炭复合板进行试验性家具产品设计，探究竹炭这种新型的生态材料在家具产品设计应用中的可能性，以突破现有家具产品形象及竹炭的应用局限，对拓展竹炭的用途具有长远意义。关键词：生态设计；竹碳；竹炭样板；家具设计DOI:10.16771/43-1247/ts.2023.02.012中图分类号：TS664.1 文献标识码：A 文章编号:1006-8260(2023)02-0068-06Abstract:Materials have caused environmental pollution and ecological damage during the mining,extraction,processing,manufacture,usage,scrapping,and recycling processes.Ecological materials are an effective technique for mankind to maximize resource utilization,eliminate contamination,conserve the environment,and accomplish sustainable growth in the materials industry.Based on ecological design theory,this study employs bamboo charcoal as the base material,evaluates its functional properties and processing technology,and attempts to establish a novel functional ecological bamboo charcoal composite board.The specific practice manages to combine ecological design principles and methods,conducts experimental furniture product design for the recently developed bamboo charcoal composite board,and investigates the prospect of bamboo charcoal,a new ecological material,in the design and application of household products,in a bid to break through the image of existing furniture products and the application limitations of bamboo charcoal,which boasts a long-term significance for expanding the utilization of bamboo charcoal.Key words:Ecological design;Bamboo charcoal;Bamboo charcoal sample;Furniture design基于生态设计理念的竹炭材料拓展研究Forum of Design设计论坛69F&ID第30卷第02期 2023年02月 家具与室内装饰少污染,；在产品废弃后材料便于回收、再利用、易降解的可再生的材料6。（2）减少材料的使用。在产品设计过程中,简化产品结构,减量材料消耗,缩减运储空间；优化产品性能,降低产品能耗；减少使用材料种类,便于零件的生产、管理、分类与回收7。（3）优化生产技术。选择在生产过程中排放废物较少的技术；优化生产过程,简化加工工序；选择使用低能耗或清洁能源的技术。（4）延长生命周期。在产品的整个生命周期中,提高产品的利用效率,减缓产品生命周期凋落速度,易于修复和维护；在产品使用时,采用标准的模块化结构,便于及时更新部件；在产品报废时,利于将拆卸零部件可作其他用途等8。2 竹炭材料概述20世纪90年代,日本东京大学山本良一教授首次提出了“生态材料”又称“环境材料”“保健生态材料”等新的概念9。生态材料是指一类拥有优良的环境协调性和良好的使用性能的材料。良好的环境协调性是指资源、能源低消耗、环境污染小、再生循环利用率高等功效。生态材料的要求是在加工、提取、制备、使用与再生过程中给环境带来最低负担,可以净化和修复环境10,如用废弃的丝瓜瓤、废弃的木材、竹材、混凝土等经过人工合成制作成为新型生态材料11（图1）。生态材料的本质上是在传统材料的结构和功能基础之上还拥有良好的环境协调性(图2）,它是人类在环境意识指导下去开发新型材料,改境的总体负影响较小,达到绿色环保的要求16。同时在污染治理领域也不同程度地缓解了环境问题,符合可持续发展的理念。3 竹炭试验研究与分析3.1 设计试验的概述选定竹炭和环保添加剂,以竹炭为主料掺入粘接性植物环保添加剂,采用模具物理成型加工工艺,制备出具有一定吸附性能的竹炭样板,对各种炭板吸附性能进行测定和分析,筛选出性能较好的竹炭样板,从而确定辅助竹炭成型的添加剂。对选出的竹炭样板进行二次试验研究,测定竹炭量与添加剂量比例。综合评估,最终选定的硅藻泥竹炭样板,进行后期生态家具产品设计实践的主材。3.2 设计试验材料的选取（1）主料：选用三年以上高山毛竹经热分解炭化的竹炭为基础材料。（2）辅料：生物胶或粘性的环保材料为添加剂,辅助竹炭成型。生物胶是一种可再生的天然有机资源,提取于海藻、植物、动物、微生物等生物制作而成,生物胶来源丰富,且还可再生、低价格、无污染、易降解,具有良好粘聚性 17。3.3 竹炭试验成型将颗粒状竹炭和粉末竹炭分别加入9种选用的环保添加剂,进行物理模具压缩成型,制作出18种竹炭样板如（表2）。3.4 竹炭样板基本性能试验 通过对竹炭分析研究,竹炭具特殊的孔隙结构,具有很强的吸附能力,可以进、改造传统材料所获得的材料12。2.1 竹炭竹炭(bamboo charcoal)是竹材在无氧或缺氧条件下被高温热解、炭化的产物,是一种具有较大比表面积和较强吸附性能的机能型生态材料。细密多孔的内部结构（图3）让它们拥有很强的吸附性能,常用于净化空气、水质除垢、消除异味、调湿防霉、保暖保健等13。2.2 竹炭形状分类现阶段竹炭分类没有统一的标准,本文按竹炭的形状来分类14,有筒炭、片炭、颗粒炭、粉末炭5种形状(表1)。2.3 竹炭的应用价值竹类植物资源因其分布广、生长周期短、速成才、易更新、再生能力强、用途广、生态和经济价值高等特点,被誉为“绿色的金矿”。竹材具有木材的品质,更具有超越木材的韧性。经过适当处理,它的使用寿命可达30余年之久。竹炭是竹材资源有效利用的一个全新的发展方向,它产业化实现了竹材增值和循环利用,扩展了 竹产业链。同时发展竹炭经济,实现低碳生活,也是应对全球气候变化最经济、有效的途径。竹炭制产品具有高附加值,在市场上受到消费者的青睐。竹炭制品已被广泛运用于生活、环保、建筑、农业、军工、保健、污水处理等领域,并引起科研学者的高度关注。竹炭将成为竹材研究领域的一个新热点15。竹炭是一种具有重要生态、经济、文化、社会效益的可持续生态资源。竹炭从采取加工生产产品使用报废及再回收的整个生命周期过程中对环图 1图2图1 各种生态材料图2 生态材料的特性70吸附空气中一些浑浊悬浮物,也可以对甲醛、苯、氢化物等有害气体起到吸附和消除作用,达到净化空气之效18。本次试验主要是竹炭样板对甲醛、TVOC（挥发性总有机物）、PM2.5吸附性能测试。（1）实验方法竹炭样板吸附性能测定：用密封箱作为模拟试验箱,放入一定量的有害气体让其挥发,通用空气质量测试仪测量,记录HCHO、TVOC、PM2.5含量,然后分别将竹炭和竹炭样板依次放入密封箱内,相同时间10分钟时之后,分别记录试验箱中剩余HCHO、TVOC、PM2.5的含量。（2）数据分析竹炭吸附性能测试数据如,竹炭样板对有害气体吸附量（表3）在相同的密闭箱内,同体积同时间每种竹样板炭对有害气体的吸附量是不同的,因为,添加剂的选择是具有粘黏性或凝固性的环保材料,辅助竹炭成型,添加物对竹炭内部分子的孔隙有一定的堵塞,竹炭的吸附能力会受到影响而降低。试验测量仪器、环境条件都有限,测量的数据可能存在误差,仅供作为参考。将测量出的“竹炭样板对有害气体的吸附量”“竹炭对有害气体的吸附量”相除,得出竹炭样板对有害气体的吸附率（表4）。通过对比吸附率,可得掺入生物添加的各竹炭样板对有害气体的吸附量与竹炭的吸附量相比均降低