结构与加工工艺对纸材料的影响

    胡伟专　宋治国

    

    摘要：在绿色节能、低碳环保越来越受到关注的今天，设计追求的不能仅仅是创造经济效益，更多的是要考慮可持续和绿色设计的可能性。纸作为一种绿色环保材料对环境无污染，是一种可以回收和反复利用的材料。在人们原有的印象中，纸轻质柔软、单小薄弱，但通过不同的结构与加工工艺处理后能表现出截然不同的特性，在工业、建筑与产品设计中都能显示出其优异性能。这使得纸在现在的设计领域中具有了广阔的发展和探索空间。

    关键词：纸结构 加工工艺 可持续性材料 环保

    中图分类号：J05 文献标识码：A

    文章编号：1003-0069（2018）03-0030-02

    引言

    随着绿色设计、可持续设计等思潮的兴起，纸作为一种绿色环保、易降解、可循环利用的材料越来越受到人们的重视。现在的生活中纸最常用在卫生、产品包装、信息传递媒介与工艺美术等领域，因此人们对纸的印象大多是轻薄柔软，力学性能比较差。但也有一些利用纸的案例能引起大家的惊叹与不解，比如说，在纸桥承重类的比赛中，单小薄弱自重200g的纸桥可以承受超过50Kg的重量；日本建筑师板茂利用纸的“坚硬牢固与隔热保温性能”创造了一大批纸建筑。

    这些普通的纸之所以能应用在这些对材料力学性能要求极高的场景中，是因为其所应用的结构与加工工艺不同。结构是功能的内在依据，功能是结构的外在表现。因此。当相同的纸材料用不同的加工工艺处理，以不同的结构呈现时，能够显示出截然不同的特性。在产品设计中我们便可以通过利用不同的结构与加工工艺对纸材料进行加工，使其能够满足产品对材料性能的要求。

    一、带状结构

    带状纸比较轻盈并且非常容易固定和定型。而编织是一种通过沿织物成型方向取向的三根或多根纤维按照特定的规律倾斜交叉，使纤维交织在一起的工艺。

    因此，纸带自身柔软易成型的特点使其适合使用编织工艺对其进行加工。当编织过程中用到的线状或带状的纸达到一定强度时，它就可以不用框架，直接完全由弯曲的带状纸材编织而成。经过编织的纸材料具有整体性、抗分层、耐冲击等优良性能。编织工艺将纸这种柔软的材质进行硬质化处理，以达到达到朴素与简约共存，传统与现代共生的效果，使其在接触时特有的舒适感也不会消失。

    编织时，将原纸裁成细条或者先将其卷成圆形后，再将其压扁成条状进行编织。也可以将回收的旧报纸、旧书籍等废弃材料撕成条后再拧成绳后对其进行编织。为显示纸材质的独特个性和内涵，在编织时可以从色彩、肌理、质感等视觉或触觉语言入手。任一元素的变化最终可以使其表现出来丰富的面状图案，也可以运用具象和抽象的造型方式来变换产品形态。

    利用编织工艺制作的纸质产品，造型丰富，形态优美。由于纸材料作为环保材料能给用户带来朴素、轻盈、亲切等心理体验和美学感受，加上其触人心弦的肌理美感，可以夺人眼球，引领潮流，不同的色彩搭配也为其添姿加彩。若将纸带编织应用在灯具设计上，纸本身优良的透光效果和这种材料特殊的纹理与质感可以使得灯具的肌理效果和光影的漫射效果简约而又复杂，在视觉上使灯具拥有更丰富的层次感。这样的纸质产品也可以应用在各种追求时尚潮流或者朴素典雅的场合中，（如图1）中所示的女士挎包或是简约朴素的屏风。

    二、薄壁管状结构

    薄壁管状结构具有良好的吸能特性、力学和保温隔热性能，结构简单灵巧，且易于制作和安装更换，在需要承重或保温方面有很大的应用，并常常被作为附加结构或组成部件广泛应用于航空航天、车辆船舶等领域的碰撞保护系统中。

    当纸以管状结构呈现时能充分发挥纸本身自重相比钢材、混凝土重量轻很多的优点和薄壁管状结构的优良特性。同时，纸管的抗拉强度为890kN/cm2，接近抗拉强度为1170-1470kN/cm2的普通木材，但是木材的干密度往往是纸管干密度的2-3倍。因此，管状的纸在有机材料中有更好的自承重性能和与之相配的力学性能。由于纸也可以重复利用，对节约资源、保护环境非常有利，使纸可以作为一种非传统的新材料应用在家具与建筑设计中。纸管的生产主要使用纸管机，主要为筛选原料、分切机分切，放纸、涂胶、卷管、烘干等6个步骤。

    （如图2）为普利兹克建筑奖获得者，日本著名建筑师板茂与德国建筑师Frei Otto合作，在德国世博会上用纸管构筑的一个巨大的网络薄壳结构一日本馆。440根直径12.5厘米的纸管呈网状交织而成，表面再覆以纸模。当届世博会闭幕后，这个薄壳建筑的所有材料都被运回了日本，制成了小学生的练习册。

    在具体应用纸管进行建筑或家具设计时，其组合衔接也常常会有不同的方式。常见的如框架搭建式、管材排列等。

    框架搭建式就是利用纸管作为基本的结构单元，模仿建筑中的梁柱支架，将建筑中的结构形式引用进来搭构基本框架，再加以适当的装饰便可成为一件独特的纸质产品。管材排列式是将若干个经过裁剪的纸管通过胶粘、内部螺钉链接或捆扎的形式，按照重复或渐变的造型规律沿水平或垂直方向进行排列，形成可受外力的平面或起围合作用的背板。有序的纸管排列不仅能够表现出良好的视觉效果，营造出强烈的韵律感，而且能够大大增强材料抵抗外力荷载的承重性和稳定性。（如图3）中，既有框架搭建式的座椅，也有管材排列式的茶几。

    三、层压板结构

    层压制品是将多层附胶材料或塑料片材叠合在一起送入压机中，并在一定温度合力下经过一段时间压制而成的整体。层压板是层压制品中的一种，层压板结构具有比强度高、比刚度高及可设计性强等优点，常广泛地应用于制造飞机的某些构件，如机翼壁板、方向舵、垂尾构件以及机翼等。

    纸板经层压后受力强度增加，且不同方向交错的层压纸板相比普通的纸板力学性能得到明显改善，弥补了纸板大多韧性差、不耐折、力学性能方面不理想的不足。

    层压结构运用在纸质材料中的表现就是生活中常见的瓦楞纸，粘贴而成的波纹纸作为夹芯，较大的箱板纸作为里和面，改变夹芯里纸的层数和瓦楞的形状尺寸，可以得到不同种类的瓦楞纸板，具体结构（如图4）。

    若对层压纸板进行表面施胶处理，可以使其具有良好的防水防潮性能，再通過瓦楞纸板不同的组合与结构穿插便可用在家具、产品设计以及包装中。而瓦楞纸板间不同的组合及穿插方式会造成产品特性与形态的不同，也拓展了纸材料在产品设计中的表现空间，充分发挥了纸材料的可回收、易加工等特性。其中复合式穿擦最常见的穿擦方式，可以将其理解为多功能立体穿插，是将穿擦的各部分按构架各就其位，分别纳入不同的层次，并通过多项的穿插于层叠的手法实现分合得体、整体有序的效果。（如图5）为纸板在桌子与椅子等家具中的应用。

    四、蜂窝夹层结构

    在纸桥承重类的比赛中，一个看似单小薄弱的纸桥却可以承受超过50Kg的重量，其秘密便是对蜂窝夹层结构的合理应用。蜂窝夹层结构是蜂窝结构的一个典型应用，夹芯层为蜂窝状的夹层结构，相当于大量的工字梁结构的集合，蜂窝芯相当于工字梁的腹板，蜂窝面板相当于工字梁的翼板，因此蜂窝壁板结构具有很高的抗压强度、抗压缩变形能力大。且由于蜂窝芯是一种多孔材料，实体部分截面积很小，面板厚度较薄，所以蜂窝夹层结构整体质量比较轻。

    工业上的蜂窝夹心层是由金属材料、玻璃纤维或复合材料制成的一系列六边形孔格，在夹芯层的上下两面再胶接或钎焊上较薄的表板。相比其他夹层结构，蜂窝结构具有更高的强度和刚度；相比铆接结构，其结构效率可提高15%-30%。

    若将此结构应用在纸材料上，不仅可以发挥蜂窝夹层结构原有的优势，同时也可以将纸材料的质量小、可回收等优良性能显现出来。其原理与工业上的铝蜂窝板类似，是把原纸、再生纸等不同类型的纸用胶黏结的方法连接成无数个空心立体正六边形，形成一个整体纸芯受力件，并在其两面黏合面纸而成的一种新型夹层结构环保材料。

    使用此种结构的纸质材料可以用来设计制作生命周期较短、使用位置不固定、对耐压性能要求较高的产品，如公共展厅中的座椅或是承重墙面。蜂窝状的特殊产品肌理也别有一番韵味，增加了产品的表现魅力。（如图6、7）为利用蜂窝夹层结构设计的在不同场合使用的座椅。

    结构与功能相互联系、相互依存，结构决定功能，功能也对结构有一定的反作用。纸材料从作为传递信息的轻柔纸张，到产品的外包装，到日常消费品，甚至再到在建筑、工业等对材料力学、物理性能要求极高的领域上的应用，都显示了不同的结构与加工工艺使纸的特性发生的巨大变化，如从轻质柔软到令人不可思议的承重能力，从单小薄弱到优异的隔热保温性能。同时，由于纸本身绿色环保、可回收、可再生、自重轻等优点，使其在当下全球资源紧张，环境污染较为严重的严峻条件下有了更为广阔的应用前景。

    将纸材料应用在产品设计中具有一定的探索性，但却有着不可替代的优势。在应用过程中应充分结合产品本身对材料性能的要求，通过使用不同的结构与加工工艺来对纸材料性能进行改善，使其不仅能够满足产品的性能要求，同时也将其本身绿色环保的特性充分发挥出来，以能够在更为广阔的商业领域中产生积极作用。