基于热敏材料的家居产品设计研究

李晶　甘嘉珩

关键词：热敏材料 家居产品 香器 3D打印 感温变色PLA

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）07-0073-03

引言

熱敏材料是常见的智能材料，发展历史悠久，针对其材质特性进行家居产品设计研究，不仅有利于设计师从材料本身特性去了解新材料在家居产品设计中的应用前景，更有利于推动新材料的发展。

一、热敏材料的分类

根据热敏材料常见的变化，主要分为三类：热敏电阻材料、热敏变色材料、热敏变形材料。

（一）热敏电阻材料

热敏电阻材料是一种电阻率对温度敏感的元件，因其对温度敏感的特性该材料被用于制造各种热敏电阻器件。以温度与电阻率的关系进行分类，最常见的热敏电阻材料有正温度系数热敏电阻（PTC，Positive Temperature Coefficient）、负温度系数热敏电阻（NTC，Negative Temperature Coefficient）、特定温度下电阻率极具变化的临界温度热敏电阻（CTR，Critical Temperature Coefficient）。每一种热敏电阻材料的温度使用区间又有着较大的差别，例如NTC又可分为低温型热敏电阻、常温型热敏电阻、高温型热敏电阻。这三种热敏电阻多是由金属氧化物组成，通过相关的加工工艺而制成一种半导体陶瓷材料。

（二）热敏变色材料

热敏变色材料是指具有热致变色性能的材料，热致变色性是指有些物质能够在温度的变化下由于结构变化而发生颜色变化[1]。根据热敏变色材料变色的可逆性，可直接分为两种可逆型和不可逆型热基于热敏材料的家居产品设计研究RESEARCH ON THE DESIGN OF HOUSEHOLD PRODUCTS BASED ON THERMAL MATERIALS敏变色材料。以材料的组成成分对热敏变色材料进行分类，主要可分为无机类热敏变色材料、液晶类热敏变色材料、有机类热敏变色材料。目前使用较多的热敏变色材料是热敏变色颜料类，如变色粉、热敏变色油墨、温变粉等。

（三）热敏变形材料

材料在一定程度的温度作用下都会发生形变，热敏材料的变形性主要是指记忆形变性，即该种材料能够固定和保持初始的形状，并且在温度的作用下可逆的转化，发生二次软化和固定，“记忆”原始形态和二次形态[2]，接着由于不同的温度，该材料便可发生两种形态的变化。热敏变形材料包括热敏形状记忆合金和热敏形状记忆高分子材料。与热敏形状记忆合金相比，热敏形状记忆高分子材料在性能上得到了很大的提升，它更易于人为控制形变、赋形、着色等。常见的热敏变形材料的应用有记忆合金纤维、记忆防伪材料等。

二、热敏材料在家居生活中的应用

热敏材料最大的属性特点就是通过温度改变，发生一定的其他维度属性变化，所以热敏材料在家居产品的设计应用中需要与具有“温度变化”特征的产品紧密结合。许多家居产品在工作过程中会产生显著的温度变化，为热敏材料在家居产品中的设计和应用提供了基础。根据热敏材料在家居产品设计的应用分析，发现根据调查，热敏材料在家居产品中的应用主要涉及调控和利用温度、传递温度信息等，实现营造舒适感、增加安全感、传递信息的三大功能。

（一）营造舒适感

早在八十年代，美国教授Fanger进行了一项关于热度与湿度对热感觉影响的实验，通过分析实验结果得出了目前为止对热环境最为完善的指标——热舒适评价指标预测值PMV（predicted meanvote）[3]。指标中影响热环境的因素主要为六个：空气温度、平均辐射温度、相对湿度、人体新陈代谢率、气流速度和人体着衣量。可以看到，温度是影响环境舒适度的重要因素。并且，Fanger在研究过程中还得出室内宜人的温度范围为19℃～24℃。后续对环境的研究也发现：在其他因素不变的情况下，过高的温度影响人的生理指标出现异常，比如导致血压过低或心率过快[4]，且心理也会产生相应变化，例如亲和性特质在不同的温度下是不一样的，温暖条件下倾向于将他人的亲和性特质评价为积极的，而在寒冷条件下将他人的亲和性特质评价为消极的[5]。所以舒适感在家居生活起着非常重要的作用，保持适宜的温度可以营造家居生活的舒适感。

热敏材料对温度具有较高的敏感度和反应能力。热敏电阻元件作为家居产品中的温度传感器，在设备的电子线路中让产品能够对家居环境进行测温、控温。例如“Zen热空调”，设计师利用热敏电阻材料能够感应温度并且自动调节阻值的特性，有效地调节整个家居环境的温度，并且能够在产品和移动设备上实时显示温度的数值，以支持人们对温度进行手动调节，方便不同身体特性的人进行家居温度的自定义，以满足人们在家居生活中对较高舒适感的需求。

（二）增加安全感

安全防护类产品是必不可少的家居产品。最早的家的形式是出于防御和安全的需求而建造的，现代的家居生活的安全性已经有了极大提升，但是人们对于家居安全性能仍存在诸多需求。例如人们需要监测家中的安全情况，包括：家庭中留置的需要监护的人员的安全情况，房屋室内是否有突发情况发生，是否有陌生人进入、煤气泄漏、意外着火等。在许多方面，温度可以作为良好的监测指标进行安全防范。利用热敏材料，通过感应温度来监测人的活动或者与温度有关的意外情况，能有效地保证居家场所的安全，增加人们对家居场所的安全感。热敏材料在家庭中安全防护类产品上的应用包括电器防护、在检测的同时有提醒保护功能等。例如美国著名电器公司菲力尔FLIR在2018年推出热光学摄像头——Thermal Security Camera，通过利用热敏材料感应室内生物的温度形成热成像，对室内环境下人的活动进行监测，并配备安全警报。

（三）传递信息

家居场景中，产品的状态很多时候需要通过色彩、声音等外在表现进行传递[6]。当人看到某一种颜色，常会产生和温度有关的温度知觉，例如看到黄色和红色会觉得像太阳一样炙热，看到蓝色和白色会想到海水的冰凉，都表明了不同的色彩能够给人们传递相应的信息。色彩感是人类长期的外界活动经验所形成的一种感觉反应，例如人们根据对色彩的视觉感觉，将色彩分为暖色系、冷色系、温色系。设计师们基于颜色传递不同的情感[7]，利用变色热敏材料进行产品创意设计，例如当产品受热变成暖色系的颜色时，就向人们传达了“热/高温”的信息，当产品变为冷色系时，则是向人们传达“冷/低温”的信息。

变色热敏材料由于其色彩跟随状态的可变化性，常被设计师用于传递产品信息。例如Behance网站上有设计师上传了一款“Shirist系列杯垫”设计作品，通过在常规的杯垫表面上添加了热敏涂层，当杯垫接触到盛装有液体的杯子时，杯垫可以根据杯子的温度显现出不同深浅程度的图案和颜色。

三、香器分析

在家居产品市场中，人们更注重个人兴趣和爱好、家居生态的发展[8]，关注诗意化 [9]、文化感[10]、简单时尚[11]的生活。针对用户更倾向于将新材料应用于爱好类产品，选择“香器”作为热敏材料的设计实践产品。

（一）香器调研

1.功能分析：古代香器和现代香器的功能并无变化，主要为盛香、燃香所用。但是由于现代技术的发展，香料的种类出现了新的类型——液态香，香器也随之出现了扩香仪、香薰机等智能香器。这类香器的出现，主要功能是利用新技术散发香气。除此之外，部分现代香器还增添了除盛香之外的多功能设计，比如可以插花等。

2.情感分析：古时人们对于香料的情感复杂且带有尊崇感，人们认为香料可以祛除邪恶，同时还蕴含着美好的意味，还用香来比喻一个人的涵养和学识。所以古代的用香之人对香器极为讲究，香器不仅要拿来盛香，在情感上还要求香器能够表现出自己的身份地位或能够表现出自己在用香时产生的情感。在现代，人们用香多出于三个目的：一是驱赶蚊虫、调养精神;二是供奉拜佛等习俗传统;三是一种休闲美学和文化。

3.形态分析：古代香器形态各异，不同香料所用的香器造型也不同。例如为盘香或香粉使用的香炉、为线香使用的香插、外出佩戴的香囊等。香器在整体造型上多采用炉形、球形、盒形。随着我国古代香文化盛行，香器的造型精美别样，衍生出了赏炉文化，精美的中国元素常用于产品造型中[12]。现代香器的造型在简约的流行审美中变得简单起来，但也需要塑造一定的意境满足人的审美需求，如图1。

（二）香器需求分析

用户在使用香器的用香过程遇到的主要痛点有：香灰不好清理，香器容易损坏，香器操作不便，香器与环境不匹配。所以，在香器的设计中，可以得出的机会点有：使用耐用型材料，提升香器的操作简单性，设计用户需求的产品外观，设计合理的产品功能结构。

在用香的行为过程中可分为三个部分，分别是置香过程、燃香过程、结束用香。在置香过程中，用户的一般行为是：先点香，然后打开香器置放，或者先打开香器置放，再点香。在这个行为部分，用户可能会面临着香的置放方便性问题，可能会发生香料无法置放的问题。在燃香过程中，用户的一般行为是：闻香和观香。在这个行为部分，香器的造型成为用户的第一注意点，香烟与香器带来一种美的或者有内涵的观赏性能够提升用户的愉悦，带来舒适感。在结束用香的过程中，用户的一般行为是“清扫烟灰。在这个行为部分，用户要求香器能够易清理。

四、热敏材料在香器中的应用

由于温变粉与其他材料的调配结合需要有专业的实验工具等专业条件，故选择目前市面上可以直接应用的热敏变色材料——感温变色3D打印耗材PLA，进行香器设计研究。

（一）感温变色3D打印PLA

选择感温变色3D打印耗材生物降解塑料聚乳酸PLA（Polylacticacid）进行设计实践。感温变色3D打印耗材PLA是通过在PLA中加入温变粉获取，即将温变粉和PLA直接注塑成线型，目前被广泛应用于3D打印模型，是一种可降解、可逆的有机感温变色材料，3D打印时模型不易发生起边和翘起、打印模型无气味，变色温度为25℃左右。耐光性能较差，需要避免阳光直射，适合室内使用。短时间内可以耐220℃的高温，但要避免长期处于高温下以免让材料中的温变物质发生化学结构的改变。

（二）香器设计

1.初次方案：在初次方案设计中，进行倒流香（图2）和盘香（图3）的香器设计。倒流香香器的方案设计包括底座、圆柱容壁、香托，分别采用热敏3D耗材PLA、透明树脂制作[13]。底座设计为两座高山的半球型造型，山峰置于容器内。设计倒流香的香烟从香托的烟孔流入容器，利用容器内部的温度变化使山峰发生颜色变化。即若香器能够正常使用，倒流香的香烟会从圆形凹槽的小孔中流入香筒中，与山形底座呈现出青山薄雾之境。若能够达到预期变色效果，可以观测到热敏3D耗材PLA的山形底座由绿色变为白色。通过产品打样进行功能测试，观察到，实验1分钟后香烟倒流正常，实验10分钟后香烟在容器内聚积，感温变色3D打印耗材PLA被香烟遮掩，但未能在产品使用过程中观测到材料的变色效果。通过分析发现，一方面，香烟在容器中遮掩了底座的造型，使人难以观察到材料变色效果。另一方面，当倒流香燃烧完毕后，材料未发生变色，说明燃香的温度未能达到感温变色3D打印耗材PLA的变色温度。

如图3所示，盘香香器的方案设计主要为两个部分：香盘造型是圆形的“日”，香托造型为象形的“云”，材质分别为感温变色PLA、透明树脂。具体使用方式是将云朵盘香架穿出半圆盒的圆形凹槽中，然后将盘香在架置在香盒内的香架中，点燃盘香，盖上另一半圆盒，最后用另一片云朵片將两份部分原盒扣住。若香器能够正常使用，盘香的香烟会从半圆盒的缝隙中流出，与半圆盒和云朵香架构造出云雾红日的场景。若能够达到预期变色效果，可以观测到热敏3D耗材PLA的两个圆形盒由红色变为白色。通过产品打样进行功能测试。观察到，当香器的两个半圆盒闭合使用时，实验18min后香器仅仅上半圆盒局部颜色变白，香器下半圆盒的颜色无变化，且香盘容易产生自熄情况。当香器的上半圆盒打开使用时，实验15min后香器下半圆盒的颜色变白，香盘不会产生自熄情况，然而实验结束后香器的颜色发生热敏变色后并不能恢复到原来的颜色状态。通过分析结果发现，一方面，由于缺少有效的固香结构以及燃香空间，空间狭小使盘香不能正常燃烧，容易熄灭;另一方面，虽然感温变色3D打印耗材PLA能够利用燃香的温度使其变色，然而当盘香在该香器燃烧的过程中温度过高、超过其耐热温度时，会破坏其中的温感物质，温感特性容易遭到破坏。因此局部温度和空间的设计尤其重要。

2.燃香空间测试：通过初次方案分析，可以总结出感温变色3D打印PLA在香器设计应用中的设计方法。首先，利用燃香的温度不能够让感温变色PLA达到变色效果，但可以直接利用燃香的温度，让感温变色PLA发生变色。其次，感温变色PLA的变色温度有上限为70℃，超过上限其将失去热敏变色特性。所以燃香与感温变色PLA之间要保持一定空间距离，以控制感温变色PLA受到的温度大小。最后，香器的设计要关注固香结构和燃香空间大小，以让香器能够顺利地使用和材料产生温变色效果。

因此进行燃香空间测试，以探寻燃香与热敏变色3D打印材料PLA之间合适的空间距离。其衡量标准为感温变色PLA会发生颜色变化但材料的温感特性不被破坏。测试过程中，将盘香与热敏变色3D打印材料PLA初始距离为6 cm，每次测试时间为3min，然后每次将热敏变色3D打印材料PLA往前移動1cm，进行下一轮的测试，直至热敏变色3D打印材料PLA与盘香的距离为2cm。测试结果发现，当测试距离为4cm时，香器开始产生较明显的颜色变化。当测试距离不断缩小时，香器颜色变化明显。所以可以得出：燃香与热敏变色打印材料PLA之间合适的空间距离为1cm～4cm。

3.最终方案：根据以上测试结果和结论，进行香器再设计。首先在材料方面，根据前期出现的材料被烧损的问题，改变使用耐高温的木质材料，并且增加防火垫，避免产品损坏。改变使用显色型热敏变色3D打印耗材PLA，增加温变性效果的明显性。其次在结构方面，不再利用香烟的温度，设计半密闭的燃香空间保障燃香所需的空气，并且把控燃香与热敏材料之间的距离空间为1cm～4cm。重新设计产品造型，保留产品的核心功能点且采用极简化设计，使人们能够简单快速地使用产品。此外将设计点集中在热敏材料的表现上。

如图4所示，针对盘香进行香器设计。香器造型为一款传统的圆形香盒，主要为两个部分：圆形香盒和圆形香盖。其中，香盖采用感温变色PLA，香盒采用木材。利用中国传统元素，将香盖设计成四种图案，分别为镂空的花卉造型：兰、荷、菊、梅，代表了四季。可以根据季节的不同使用不同的香盖。具体操作为，把盘香放置香盒中、点燃、盖上香盖，不仅可以观察到香烟从镂空的香盖中飘出，同时也可以观察到香盖发生的颜色变化。

结论

材料是工业实体产品设计中重要的一环。在基于热敏材料的设计应用中，首先应该充分了解热敏材料的特性与现状，才能够寻找材料可以应用产品的类型。其次明确在该产品中要具体利用材料的什么特点，是颜色、还是质感、还是特性。在本次设计实践中应用的热敏变色材料是市面上常见的、应用最广泛的热敏材料，这类材料改变了不少现代必不可少的服务方式。将该材料应用在香器上可以说是一种传统与现代的碰撞。在设计实践中，明确利用了热敏变色材料的温感变色特性，然后了解了该特性的应用条件，评估测试该材料特性能否够在现实中顺利应用，最后完成材料与产品的优化适配设计，借助热敏变色材料在传统香器的外观欣赏中设计出一种动态的视觉效果，也为用户带来了一种情感心理上的变化体验。本次设计为基于热敏材料的家居产品设计提供了设计指导方向。