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1、,材料与环境,第四章 材料与环境,4.5影响材料选择的环境因素,41 环境意识,环境意识作为一种现代意识，已引起了人们的普遍关注和国际社会的重视。随着世界性的日新月异的生活方式与突飞猛进的生产方式的不断演进，全球资源无节制的利用与消耗，产生的废弃物不断增加，对地球环境的破坏越来越严重。“我们只有一个地球”的呼声越来越高，保护我们赖以生存的绿色空间环境已成为公众注目的重要课题。,20世纪下半叶是人类历史发展的黄金时代，随着科技和经济的高速发展，一方面，物质的富足为人们提供了优厚的生存条件，人们在进行物质享受的同时，对生存环境、精神功能方面的享受也提出了新的要求标准；另一方面，现代文明带来的负面效
2、应愈来愈明显，工业化大生产与高科技结合产生空前巨大的社会和经济效益，使人们在饱尝工业文明带来的甜头后，也不得不吞下生态环境遭到破坏这颗自己种植的苦果。,长期以来，人类在材料的提取、制备、生产以及制品的使用与废弃的过程中，消耗了大量的资源和能源，并排放出废气、废水和废渣，污染着人类自身的生存环境。有资料表明，从1970年至1995年的25年间，人类消耗了地球自然资源的1/3。现实要求人类从节约资源和能源、保护环境和社会可持续发展的角度出发，重新评价以往研究、开发、生产和使用材料的活动；改变单纯追求高性能、高附加值的材料而忽视生存环境恶化的做法；探索发展既有良好性能或功能，又对资源和能源消耗较低，
3、并且与环境协调较好的材料及制品。图4-1为材料的“生命周期”示意图。从图中可见，矿物开采、原材料加工和冶炼、材料半成品加工、产品生产使用等各个环节都会向我们居住的地球或大气层排放污染物。,迄今为止，材料生产、使用、废弃的过程，可以说是一个将大量有用资源从环境中提取出来，再将大量废弃物排回到环境中去的恶性循环过程。“我们的社会习惯于用了即丢，耗费过多的能源，产生太多的碳，造成严重的空气污染、酸雨、水污染、有毒废物和垃圾问题，对社会产生巨大的冲击”拯救地球一书的作者Lester Brown大声疾呼道。环境意识是现代社会的产物，也是后工业社会发展的必然。它是现代人类对自然、社会、人性的感悟与理性判断
4、的结果，具有明显的时代特征。人类寄希望于设计，试图通过设计来改善目前的生存环境状况。,42 绿色设计,一谈到绿色方面的问题，都会想到工业对环境的污染，如果我们将视野再扩大、再深入一些，就会发现许多危害生态或污染的因素，在设计开发阶段就应该被考虑周详。以往的设计总是只考虑产品的功能目标，而忽略了产品在使用结束后对生态环境的破坏。绿色设计出现在新旧世纪交替之际，是20世纪后期兴起的现代设计理念之一。绿色设计的基本思想就是维护地球绿色生态环境的设计，就是在设计阶段将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求产品对环境的影响最小。如图42所示。,421 绿色设
5、计的基本特征,绿色设计是指在产品整个生命周期内以产品环境属性为主要设计目标，着重考虑产品的可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等功能目标，并在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本功能、使用寿命和经济性等，突出了“生态意识”和“以环境保护为本位”的设计观念。,1 环境协调性,环境协调性是指产品开发与使用的整个过程中，对人类生态环境与资源环境的协调有益程度。为达到这一目标，绿色设计中应将环境问题与产品的性能、造型设计等问题共同考虑，使产品在满足所要求的功能目标的同时，也要防止对环境的污染破坏，尽量避免废弃物的产生，以最低的成本、最高的再生值回收并重复利用。,2 价值创造性,与传统的设计
6、相比，绿色设计的产品价值形态发生了新的变化，其本身就包含着创造性内涵，体现在：结构与零部件设计中的结构技术的更新与进步变化；在材料与工艺选择中的污染防范技术的应用；在人与环境整体关系中的创新设计和提高产品总体价值的措施。,3 功能全程性,绿色设计是将产品的功能认识与价值认识贯穿到产品开发直至废弃全过程的设计思想与策略。绿色设计将产品的生命周期从“产品制造到投入使用”延伸到了“产品使用结束后的处理及回收利用”，从而在设计过程中从整体的角度理解和掌握与产品有关的环境问题及原材料的循环管理与利用、废弃物的处理与回收利用等问题，便于绿色设计的整体过程的优化和“全程性”功能目标的实现。,422 绿色设计
7、的基本原则6R设计原则,指导绿色设计的方针是产品的6R原则：即研究(Research)、保护(Reserve)、减量化(Reduce)、回收(Recycling)、重复使用(Reuse)、再生(Regeneration)原则。,1 研究(Research),重视研究产品的环境对策，着眼于人与自然的生态平衡关系，从设计伦理学和人类社会的长远利益出发，以满足人类社会的可持续发展为最终目标，详尽考察研究新产品生命周期全过程对自然环境和人的影响，即在设计过程的每一个决策中都充分考虑到环境效益，尽量减少对环境的破坏。,最大限度地保护环境，避免污染，尽可能减缓由于人类的消费而给环境增加的生态负荷，减少原材
8、料和自然资源的使用，减轻各种技术、工艺对环境的污染。,2保护(Reserve),这一原则的目标是减少物质浪费与环境破坏；包含以下四方面的内容：即产品设计中减小体量，精简机构；生产中减少消耗；流通中的降低成本与消费中的减少污染。在设计中，设计师必须利用各种设计的技巧及手法，在不影响产品其他方面功能的前提下，将设计材料的使用降到最低，尽量节约资源，减少不必要的浪费。,3 减量化(Reduce),将使用过的产品废弃物中尚有利用价值的资源或部件加以收回，减少废弃物的垃圾量，并将可利用的部分加以重复使用或再生。这一原则包括三方面内容：一是通过立法形成全社会对资源回收与再利用的普遍共识；二是通过材料供应商
9、与产品销售商的联手建立材料回收的运行机制；三是通过产品结构设计的改革，使产品部件与材料的回收运作成为可能。,4 回收(Recycling),这一原则包含了两个层次，一是将废弃产品的可用零部件用于合适结构中发挥作用；二是更换零部件，使原产品重新返回使用过程。产品重复使用的频率越高，越是降低了废弃物产生的速率。,5 重复使用(Reuse),将尚有资源利用价值的废弃物回收后，重新加工制成有利用价值的原料或产品。这一原则包含了两方面内容，一是通过回收材料并进行资源再生产的新颖设计，使得资源再利用的产品得以进入市场；二是通过宣传与产品开发的成功，使再生产品的消费为消费者接受与欢迎。以目前的回收再生技术和
10、成本来看，虽然回收再生的成本有时会比利用全新原料的成本高，但其意义却具有积极的影响。,6 再生(Regeneration),423 产品设计的绿色观念,在产品设计领域，绿色设计已成为可持续发展理论具体化的新思潮与新方法。产品绿色设计的目的，就是要克服传统产品设计的不足，使所设计的产品既能满足产品功能的要求，又能满足适应环境与可持续发展需要的要求，如表41所示。,产品设计的绿色观念由四个层次组成(图43)。,第一层为目标层，以设计出绿色产品为绿色设计的总目标；第二层为绿色设计的内容层，包括绿色产品的结构设计、环境性能设计、绿色设计的材料选择和资源性能的设计；第三层为绿色设计的主要阶段层，即实现绿
11、色设计内容所考虑的主要过程，包括产品生产过程、使用过程和回收处理过程等产品生命周期各阶段；第四层为设计因素层，即绿色设计过程应考虑的主要因素，包括时间、成本、材料、能量和环境影响等。,在产品的设计中，应采取“从开始就要想到终结”的绿色设计观念，即设计时就让产品在整个生命周期内不产生环境污染的策略，而不是产品生产污染后再采取措施补救的策略。在产品设计的初期阶段，应详细考虑产品生命周期全过程中对环境影响的各方面因素，这些因素包括材料的选择、制造方式、生命周期的考虑、包装材料的选择、行销运输的方式、使用后的回收及废弃物的处理等，如图44所示。,在绿色设计的观念里，设计师有责任要为人类考虑产品对人类生
12、活环境的影响，针对产品绿色设计的观念，设计师应考虑以下几方面：,安全性节能性生态性社会性,RoHS(Restriction of the use of Hazardous Substances in electrical and electronic equipment)的全称为“电器和电子设备中限制使用某些有害物质的指令”,424 绿色设计的发展方向,绿色设计强调对资源与能源的有效利用，提倡为解决废品而设计，具发展的方向有以下几方面。,1 绿色产品的设计,(1)产品的简约设计 产品的简约设计对减低能源与资源消耗有着直接的促进作用，它是建立在真正减少材料与成本消耗的基础上的，不仅表现在产品体积
13、的“轻、薄、短、小”，还体现在产品结构的精简与品质的高性能化。,(2)产品的可拆性设计 设计的产品可以拆卸和分解，并可重新组合使用，避免了产品整体报废而导致的资源浪费和环境污染，有利于产品功能的再开发和产品零部件的再利用。,2 绿色包装设计,绿色包装设计的目标是既要降低包装成本，又要降低包装废异物对环境的污染程度，提倡无包装设计和再利用包装设计。,(1)无包装设计 无包装设计是绿色设计浪潮中一项有利的措施。无包装设计是指抛弃包装的设计或者是包装物本身与被包装的产品同时被享用。德国设计界正在研制一种以淀粉为原料的饮料杯，它不易溶于水，当人们取杯喝水后，该杯也可以被吃掉。单这一项设计就可以节约德国
14、每年耗费40亿只塑料杯的材料，并给环境的清理、保护带来极大的益处与方便。,再利用包装是绿色设计中卓有成就的设计项目。瑞士设计师以谷物材料来研制快餐容器，这种容器不会像发泡塑料餐盒那样不易回收、不易再造、不易消灭而造成白色污染。用谷物研制的容器，用过之后，可被直接转化为牲畜的饲料，或者成为农作物的肥料。,(2)再利用包装,3 绿色能源的开发,绿色能源应是耗能省、环保性好，贮量丰富和可再生的能源。绿色能源的开发是绿色设计的另一项重大举措。美国、日本、德国等国以政府形式制定并颁布推广和开发清洁的无污染能源计划，研究开发高新技术下的能源新产品，如太阳能、风能、水力能、地热能、海洋能等。新一代的电动汽车
15、、太阳能汽车以及高新技术研制的燃氢汽车，将在不远的将来全面投产，彻底改变现在汽车对空气的严重污染状况。,4 创造有生命的材料,创造有生命的材料听起来让人感到不可思议，但确实是一顶令人鼓舞的计划。研制能够“吐新纳故”的材料一直是材料研究者与设计师所向往的，这类材料能够吸入被污染的空气，并吐出新鲜的空气。如果这项研制计划成功，将给整个社会改造环境带来不可估量的贡献，将使人类生存的环境得到理想的改造。,绿色材料是绿色设计的基础，绿色设计首先要选择绿色材料，大力研究和发展绿色材料必然有助于绿色产品的开发和推广。,43 绿色材料,431 绿色材料的主要内涵 绿色材料(又称环境协调材料、生态环境材料、环境
16、材料)是指具有良好使用性能，对资源和能源消耗少，对生态环境污染小，可再生利用率高或可降解循环利用率高，在材料的制备、使用、废弃及到再生循环利用的整个过程中，都与环境协调共存的材料。绿色材料是具有系统功能的一大类新型材料的总称，是赋于传统结构材料、功能材料以优异的环境协调性的材料以及直接具有净化和修复环境功能的材料。一般来说，绿色材料应具有三个明显特征：,先进性：发挥材料的优异性能，为人类开拓更广阔的活动范围和环境；环境协调性：减轻地球环境的负担，提高资源利用率，对枯竭性资源的完全循环利用，使人类的活动范围同外部环境尽可能协调。舒适性：使人们乐于接受和使用，使活动范围中的人类生活环境更加繁荣、舒
17、适。,432 典型的绿色材料,1 生物降解材料 在可持续发展的先进材料中，生物降解塑料一直是近几年的热门课题之一。由于白色垃圾的压力，加之传统塑料回收利用的成本较高，且再生塑料制品的性能往往不尽如人意，生物降解塑料及其制品日趋流行。目前，市场上主要有两类产品，一类是淀粉基热塑性塑料制品，另一类是脂肪族聚酯塑料制品。,2 循环与再生材料 材料的再生利用是节约资源，实现可持续发展的一个重要途径，同时，也减少了污染物的排放，避免了末端处理的工序，增加了环境效益。废弃物再生利用在全世界已比较流行，特别是材料再生及循环利用的研究几乎覆盖了材料应用的各个方面。例如，各种废旧塑料、农用薄膜的再生利用，铝罐、
18、铁罐、塑料瓶、玻璃瓶等包装材料的回收利用，冶金炉渣的综合利用，废旧电池材料、工业垃圾中金属的回收利用等，正在进行工业化规模的实施。目前研究的热点是各种先进再生循环利用的工艺及设备系统等。材料的循环制备和使用是国际上许多材料科学工作者潜心研究的一个热门领域，也是环境材料研究的一项重要内容。一般说来，可再生循环制备和使用的材料具有以下特征：可多次重复循环使用；废弃物可作为再生资源；废弃物的处理消耗能量少；废弃物的处理对环境不产生二次污染或对环境影响小。,3 净化材料 人们把能分离、分解或吸收废气或废液的材料称为净化材料。开发门类齐全的环境保护工程材料，改善地球的生态环境，是环境材料研究的一个重要方
19、面。一般来说，环境工程材料可分为治理大气污染或水污染、处理固态废弃物等不同用途的几类材料。,陶瓷过滤器：陶瓷过滤器主要应用于汽车尾气的污染控制境中使用，一般用堇青石制成蜂窝结构作为净化触媒的载体。吸附材料：日本研究人员发现以方石英和火山灰为主要成分的天然矿石具有很高的吸臭、吸湿能力，其吸附能力比沸石或活性炭高10-30倍。有害气体转换技术：在二氧化碳循环利用方面，日本NEC公司开发了在常压和300条件下把二氧化碳还原为甲烷的技术，转换率为96。废水净化材料：这类材料的品种较多，如有机或无机的薄膜材料和陶瓷球等，有利于健康的净化饮水用材料也是一种需求量较大的材料。,4 绿色建筑材料,世界上用量最
20、多的材料是建筑材料，特别是墙体材料和水泥，我国每年用量为20亿吨以上，其原料来源于绿色土地，每年约有5亿平方米的土地遭到破坏。同时，工业废渣、建筑垃圾和生活垃圾的堆放也占用大量的绿色工地，造成了地球环境的恶化。另外，人类有一半以上的时间在建筑物中度过，人们更需要改变居住的小环境。为此，对建材的要求是：最大限度地利用废弃物，具有节能、净化、有利于健康的功能。这种有利于环境的建筑材料成为绿色建材。绿色建材有如下几类：,基本型：满足强度要求并对人体无害，这是对建材最基本的要求。用废弃物型的建材：数量最多的废弃物是工业废渣、建筑垃圾和生活垃圾些废弃物制造各种建材。节能型建材：已见报道的节能型建材主要有
21、四类，一是节能型墙体材料；二是太阳能电池和建材一体化的瓦片和外墙；三是光电化学电池玻璃窗；四是太阳能贮热住宅材料，利用化学反应贮存太阳能，可同时利用相变潜热贮热、化学贮热等不同的方式，随气候和季节变化调节室内温度。,健康型材料：对人体健康有利的非接触性材料有远红外材料、磁性材料等。日本研究人员发明了一种由远红外陶瓷制成的内墙板，采用这种板材可提高空气和水的活性，使室内空气净化，具有清爽感(与高原环境类似)。抗菌材料：利用紫外光激发下二氧化钛的光电化学作用，结合银离子或铜离子的抗菌效果可制成抗菌材料。,5绿色能源材料 绿色能源是指洁净的能源，如太阳能、风能、水能以及废热和垃圾发电能源。,选用适合
22、产品使用方式的材料，对各种材料的种类、使用量和使用条件等都加以严格的限制。提高产品效能，延长产品生命周期，减低产品的淘汰率。减少使用材料对环境的破坏和污染，避免使用有毒、有害成分的原料。材料使用单纯化、少量化，尽量避免多种不同材料的混合使用，限制产品中所使用材料种类。尽量选用可回收再生或重复使用的材料，避免抛弃式的设计，减少垃圾的产生，提倡易拆卸的结构，标明部件中所使用的材料名称，明确标示回收标志，使消费者能明确了解回收的材料类别，进行垃圾分类，以便回收再利用。以利于资源的再循环利用。,44材料选择对环境保护的考虑,塑料椅子,玻璃水具,选用废弃后能自然分解并为自然界吸收的材料。产品使用废弃后，
23、对环境的污染是严重的。在塑料使用过程中，塑料废弃物，尤其是塑料包装材料是专人头痛的环境污染源。,减少不必要的表面装饰，尽量选用表面不加任何涂饰、镀覆、贴覆的原材料，便于回收处理和再利用的自的。,铝制座椅,由于产品总是在一定的环境中运行和使用，产品的材料也必受到环境的影响。因此，在材料的选择中必须对产品未来使用环境中可能存在的影响因素作必要的考虑。一般讲，材料选择的环境因素可包括以下几个方面：,45影响材料选择的环境因素,(1)冲击与振动 产品在使用环境中受到冲击和振动的影响。可能会导致产品基本结构破裂，如果冲击和振动产生的应力超出材料的承受极限时，会导致材料失效。,(2)温度与湿度 温度的极端
24、值也是材料选择中必须体现的一个方面。例如在具有极端温度(特别热或特别冷)的场合，选用导热率低的材料来制作手动控制器的操纵手柄会更合适，因为这样的材料有助于降低热传导。湿度也会对材料造成影响。如某些塑料受潮后会引起尺寸的变化，从而影响机器的性能。而有的金属在湿度较大的环境中极易锈蚀。,(3)人为破坏 材料的选择除了考虑正常的使用环境外，还要考虑到被粗暴对待的可能性。如在运输与使用过程中可能经受的人为破坏。作为人机交互面的人的一方往往并不可靠，在相关的材料选择中应予以考虑。例如在公共场所的设备(如邮箱、废物箱等)常会遭到不适当的对待而极易损坏。在这种场合，与其使用牢固且价格昂贵的材料(如不锈钢)，
25、倒不如果用价格较低，在设计上选用易于更换和易于涂饰的材料更为有效。,(4)火灾危害 从安全和持久的角度考虑火灾危害是材料选择时必须考虑的因素。其选择的准则包括材料的易燃性、火焰的蔓延速度，燃烧时是否会产生易爆或有害的气体以及材料的抗高温性能(即材料在高温中仍能保持其正常功能的时间长度)。在实际产品中，如果材料选择不当，产品在工作时所产生的热量会引起某些材料释放出有毒气体，或加速某些材料的老化或龟裂。,(5)生物危害 某些材料，如木材、橡胶和某些塑料会被昆虫或鸟类及其他动物啮食。为保证产品的使用寿命和安全可靠性，在材料选择时应考虑这种可能。,(6)污损 应考虑到在清洗产品表面的污物时可能会造成产
26、品某种程度的损坏。如果该表面处于一定电压之下，则表面绝缘层的破损会增加漏电的危险性。在这种情况下，应选用不易被污物弄脏的材料，或在结构设计上保证其易于清洗。,(7)气候影响 紫外光线、霜冻和雨水是气候环境中对材料影响最大的因素。如果选用了不适当的材料就容易老化或锈蚀，并因此缩短产品的使用寿命，或使机器上的操作指令符号褪色、模糊而影响操作。,(8)噪声 噪声是有害的，尤其当其突然而不被预料的出现时更为有害。这时操作者就需要选择适当的隔音材料作防护。如复合板材能降低传导的噪音，而油漆的金属却会使噪音问题更加恶化。,由此可见，人与环境对材料选择的影响也是不容忽视的。对具体的产品而言，考虑侧重会有不同。一件成功的产品应当产生于综合上述因素考虑之后选择的材料之上。,作业,1、简述绿色设计的基本特征、基本原则和发展方向。2、举例说明几种典型的绿色材料。,
