基于竹加工廢棄物的坐墊設計實踐

鄭繼蓬 虞宇翔 吳群

摘要：充分利用竹加工廢棄物中粗竹纖維的材料特性，探索其在坐墊領域的利用路徑。首先通過分析文獻與案例提出設計原則。其次通過實驗標定竹廢棄物模塊的力學特性，確定坐墊模塊化排列方案。最后根據原則與方案設計坐墊，并利用靜態體壓分布進行驗證。方案設計排列的竹廢棄物模塊坐墊符合理想的壓力分布要求，坐墊的最大、最小壓力與理想值一致，滿足坐墊舒適性的要求。拓展了竹加工廢棄物的應用場景，提高其附加值。粗竹纖維模塊成型與排列的設計方法對其他天然纖維的應用也具有借鑒與參考價值。

關鍵詞：竹加工廢棄物；可持續設計；坐墊設計；舒適性；模塊化

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）07-0012-04

Abstract：The utilization path of bamboo fiber in cushion field was explored by making full use of the material properties of bamboo waste. Firstly，through the analysis of literature and cases，the design principles of cushions are proposed. Secondly，the mechanical properties of the bamboo waste module were calibrated by experiments，and the modular arrangement scheme of the cushion was determined. Finally，the cushion was designed according to the principle and scheme，and the BPMS was used to verify it. The results showed that the cushion met the requirement of ideal pressure distribution，and the maximum and minimum pressures of cushion were consistent with the ideal values. These could expand the application of bamboo waste and improve its added value. Besides，the design method of bamboo waste cushion could also be used as a reference for the application of other natural fibers.

Keywords：Bamboo waste fiber；Sustainable design；Cushion design；Comfort；Modular design

引言

隨著生產方式的變化，人體每天保持坐姿的時長占據清醒時間的60%以上。據中國科協調查結果顯示，目前，久坐辦公人群亞健康占比高達76%，且絕大多數長期處于疲勞狀態[1]。坐墊作為可以有效減少久坐疲勞的產品之一，已經成為人們工作環境中至關重要且不可或缺的組成部分。坐墊主要通過減少臀部壓力集中來提高用戶的舒適性。因此，如何改善人體與坐墊之間的壓力分布、提高坐墊舒適性，以及滿足消費者日益增長的個性化需求是設計者們關注的重點問題。本文以竹材加工過程中產生的粗竹纖維廢棄物為原料，以可持續與舒適性為設計的目標，圍繞工藝與結構進行設計創新，探索天然材料與坐墊結構的跨界整合，制備出滿足用戶對舒適性與個性化需求的竹廢棄物坐墊。

一、竹加工廢棄物應用于坐墊設計的可行性研究

（一）坐墊材料應用現狀

坐墊的填充材料有很多，市面上常見的填充材料可以分為人工合成材料與天然材料，人工合成材料有：聚氨酯發泡海綿、乙烯乙酸乙烯酯、橡膠、硅橡膠等；天然材料有：棉花、羽絨、蠶絲、絲瓜絡等。目前，坐墊使用最廣泛的材料是聚氨酯發泡纖維，全世界每年產量近700萬噸，然而此類產品在生產過程中以及消費使用后會產生大量廢棄物，不易被自然降解，燃燒處理時會產生大量有毒氣體。

隨著國家和社會對綠色和可持續理念的不斷追求，坐墊材料也逐漸向低成本無毒無害的方向不斷延伸，天然材料在坐墊領域應用比例不斷提升。例如，有研究者利用絲瓜絡等材料制備彈性坐墊，證明了天然材料具有替代傳統填充材料的潛力[2]。竹廢棄物中的粗竹纖維來源于竹材在機械加工時產生的廢棄物，既具有天然屬性，又符合可持續理念。

因此，采用竹廢棄物纖維作為坐墊原材料，充分利用竹廢棄物纖維的彈性優異等天然特性，在滿足坐墊墊芯材料基本材性要求下，采用環保無污染的制備工藝，探索綠色天然材料坐墊的設計創新，是滿足國家低碳政策趨勢、符合時代可持續潮流的多贏選擇。

（二）竹加工廢棄纖維應用潛力分析

竹材被廣泛用作木材的替代材料，在加工利用過程中會產生近60%的廢棄物，而目前普遍的處理方式是用作燃料，利用附加值較低[3]。竹材加工產生的廢棄物可分為兩種：一種是因外形尺寸、厚度等不符合要求而廢棄的整段竹筒，這種廢棄物一般會被粉碎成碎片或粉末，作為人造刨花板的原料；另一種廢棄物是加工竹板、竹條時刨削產生的粗竹纖維，這些粗竹纖維呈螺旋彈簧狀交錯纏繞，具有優良的壓縮回彈性能。

目前已有研究者探索出了無需膠粘劑的環保成型工藝。梁佳琦等[4]將原竹纖維與雙組份低熔點纖維混合，經過開松、梳理、鋪網、熱風烘壓等工序制備出復合氈，該復合氈具有良好的透氣性、可拉伸、可再生性能。同時，也有研究者利用粗竹纖維彈性優良的特性制備墊芯材料，劉月[5]將粗竹纖維與4080低熔點纖維制備出復合彈性材料，其壓縮性能符合《GBT26706-2011軟體家具棕纖維彈性床墊》中所規定的數值范圍。

因此，探索竹加工廢棄物的高附加值利用方式，是社會關注熱點，也是研究資源可持續利用的重要方向。采用與低熔點纖維進行混合加熱的復合工藝，將竹廢棄物中的粗竹纖維作為原料制備復合材料，具有優良的力學性能，在坐墊領域有極佳的應用潛力。

（三）坐墊舒適性研究

舒適性是坐墊最重要的評價指標之一，受到形狀、材料和工藝的影響，也與人體坐壓分布息息相關，人體與坐墊接觸面積最大的部位是臀部，臀部的受力是影響舒適度最直接的因素[6]。許多研究者根據人體壓力分布來分配坐墊不同區域填充材料的彈性，從而優化臀部受力，提高舒適性。Tang等[7]將壓力分布作為指標，為高鐵座椅設計了多組不同排列方式的海綿坐墊并進行了驗證，研究發現坐墊海綿的排列會對壓力分布產生影響。Carrigan等[8]開發了一種基于傳感器空氣單元的坐墊系統，結果表明通過壓力分布對坐墊充氣單元進行調節，能夠改善壓力集中的情況。

較軟的坐墊因其增加了接觸面積及可忍受的就座時間，通常被認為比較硬的坐墊更舒適，但是太柔軟的坐墊無法足夠支撐身體，易使坐姿不平衡和脊椎彎曲，從而產生肌肉疲勞現象。較硬的坐墊會使體重集中在臀部，使得血液循環受阻導致疲勞。研究表明，坐墊和人體之間在不同的接觸區域應該設置不同的硬度，以提高坐墊舒適度[9]。

因此，為了實現較好的人體壓力分布、提高坐墊舒適度，竹廢棄物材料的硬度調節與分區排列是本文研究的重點問題。

二、竹加工廢棄物坐墊設計原則

為了合理地將材料進行分布設計，就需要考慮人體臀部生理特點以及壓力的分布情況，不同部位應承受不同的壓力。因此，設計師通過設計貼合臀部輪廓的曲面造型以提高坐姿的穩定性，同時增大接觸面積來改善臀部與坐墊接觸面的壓力分布。見圖1（a）竹廢棄物復合材料也可以應用這種曲面造型的設計方法，通過模具成型來制備坐墊，但受這種復雜的曲面造型只能通過模具實現所限，坐墊無法根據不同使用者的身形、體重等需求進行個性化調整。

考慮到用戶對坐墊個性化調整的需求，設計者需要從固有的思維中跳脫出來，重視材料與坐墊結構的跨界應用，利用材料或結構本身的優良特性提高坐墊的舒適性。例如Freeto等人[10]制備了一種凝膠球模塊化坐墊，見圖1（b）將彈性不同的凝膠球按照以下規則進行排列：低彈性的凝膠球放置于坐墊的高壓區域使其區域更軟，高彈性的凝膠球放置于低壓區域使其區域更硬。

利用這種排列原理，宜家的人體工學椅子Ubik 圖1（c）將個性化定制與3D打印相結合，采集用戶臀部壓力數據生成網格支撐結構，支撐結構的密度會根據壓力數據進行調整。根據目前的技術與工藝，這種坐墊支撐結構只能使用3D打印彈性材料制備，受到成本高與定制周期長的影響，當前并不具備大批量生產及推廣的可行性。

結合對坐墊案例的分析，總結出設計竹廢棄物纖維坐墊時需滿足以下原則：1）在設計坐墊時，首先在尺寸上要符合人體工程學的要求，座寬的設定應當稍大于臀部寬度，在坐墊發生形變時，側面的材料能夠給臀部提供充足的側向支撐，保證人體坐姿狀態的穩定性。其次，設計時需要綜合考量模塊與坐墊整體的尺寸關系，在滿足工藝條件與經濟性的前提下，模塊密集有利于對體壓分布的劃分更精細。2）彈性不同的竹廢棄物模塊按照以下規則進行排列：低彈性的模塊放置于坐墊的高壓區域使其區域更軟，高彈性的模塊放置于低壓區域使其區域更硬。當臀部壓力作用于坐墊時，坐面的形變能更好地貼合人體臀部和大腿曲面，以增加人體與坐墊接觸面積的同時分散坐骨結節區域的壓力，使身體坐姿保持穩定，進而實現理想的體壓分布。3）坐墊模塊的排列方案在滿足標準體型的前提下，需要考慮不同身材、體重的用戶需求。雖然坐骨結節區域的壓力過大會使人產生不適，但是壓力過小又會導致支撐不足，難以保持坐姿穩定。個性化定制時，根據用戶的身體數據信息選取竹廢棄物模塊，在標準體重方案基礎上，對體重較輕的用戶應增加低彈性的模塊使坐墊更軟，對較重的用戶應增加高彈性的模塊保證坐墊的支撐性能。4）竹廢棄纖維模塊的制備采用雙組分低熔點纖維復合工藝，加熱溫度由雙組分低熔點纖維的熔點確定，加熱時間根據模塊的尺寸確定，模塊的尺寸與形狀可以通過模具改變。模塊的彈性通過改變兩種材料比例進行調整，不同彈性模塊的選取要方便快捷，用戶能夠快速區分不同彈性的模塊與其安放位置，滿足經濟高效，定制周期短，大批量生產與可持續性的要求。

三、竹加工廢棄物坐墊設計實踐

（一）設計目的

為了緩解日益增長的竹加工廢棄物資源化利用問題，滿足消費者對家具坐墊的舒適性不斷增長的需求，竹加工廢棄物坐墊以材料性能為基礎，從坐墊模塊排列方案、竹廢棄物坐墊外觀設計、舒適性評價3個方面進行設計創新。首先，需要通過實驗得到竹加工廢棄物的性能指標，使材料能夠服務于坐墊設計，其次，根據設計原則與材料性能確定坐墊模塊排列方案，在設計方案的基礎上從材質、結構、色彩、造型4個角度對坐墊與坐具外觀進行設計創新。最后，通過體壓分布實驗對坐墊方案舒適性進行驗證。通過對材料特性的準確認知，結合坐墊結構、體壓分布、色彩造型，以及客觀評價的分析與應用，最終設計出兼具舒適、美觀、易用且滿足用戶需求的坐墊產品。

（二）竹加工廢棄物材料性能標定

為了明晰坐墊模塊的彈性與竹纖維混合比例之間的關系，設計并進行了模塊的制備與力學測試實驗。模塊制備過程包括預處理、混合并放入模具、加熱、冷卻并脫模4個步驟。實驗采用的竹加工廢棄物纖維產自浙江省安吉縣，含水率為24 %，斷裂強度為5.3 cN/ dtex。低熔點ES雙組分纖維（2D X 40 mm）由江蘇宇紡新型材料科技有限公司提供。

通過預處理的廢棄物纖維與經過開松的ES纖維如圖2（a）所示，稱取 20 g兩種纖維的混合物放入金屬模具，在150 ℃烘箱中加熱50 min制備竹廢棄物模塊如圖2（b）所示。冷卻脫模后使用力學實驗機根據GB/T 8813-2020測量模塊壓縮彈性模量如圖2（c）所示。

竹占比例對竹廢棄物模塊彈性模量的影響如圖3（a）所示，從圖中可以看出，隨著竹占比例的增加，竹廢棄物模塊的彈性模量先增大后減小，在竹占比例為50%時達到最大值。其原因是竹廢棄物纖維的比例影響模塊的彈性，ES纖維影響模塊的黏結強度，當竹占比例低于50%時，即使內部有良好的結合強度，也沒有足夠的竹纖維來保證模塊的彈性。相反，當竹占比例超過50%時，ES纖維的黏結效果下降，模塊的彈性模量隨之降低。

制備坐墊需要模塊軟硬適中且彈性過渡均勻，因此，選用竹廢棄物占比為60%～75%之間的4種比例模塊制備坐墊，且分別對應4段連續的彈性模量區間，為了方便模塊的選擇與調用，通過顏色標識系統對模塊進行區分如圖3（b）所示，根據彈性模量從低到高設定為藍、綠、黃、橙4種顏色。

（三）坐墊設計與評價

1. 坐墊模塊排列方案

體壓分布是影響竹廢棄物材料坐墊舒適性的決定性因素，理想的體壓分布如圖4（a）所示。根據人體生理學和解剖學原理，舒適的坐墊體壓分布需滿足以下特征：坐骨結節壓力最大，大腿與座椅前沿接觸的部位最小，膝部壓力為零。在股后區，壓力呈逐漸減小趨勢。整體壓力分布應左右對稱，且不能出現使人有異物感的峰值壓力[10]。

結合設計原則中的模塊排列方式，將4種彈性的模塊根據體壓分布進行排列，在坐骨結節處放置較軟的藍色模塊，沿著四周壓力減小的方向逐漸過渡為綠、黃、橙色模塊?？紤]到坐墊人機尺寸與經濟性，最終確定坐墊由36個模塊組成，以6×6矩陣排列，排列方案如圖4（b）所示，根據方案將竹廢棄物模塊排列成坐墊如圖4（c）所示。

2. 竹廢棄物坐墊及坐具外觀設計

坐墊及坐具外觀設計方案以突出材料天然色彩與質感為重點，盡可能滿足用戶對美觀與舒適兼顧的需求。并根據用戶需求及材料本身的質感與色彩等因素，以“溫暖、舒適、現代”作為坐墊與坐具的外觀主題特征。

坐具主體采用木質，椅面與靠背使用藤編?？紤]到竹纖維卷曲纏繞柔軟的特性，將硬質木材的“剛”與纖維曲度的“柔”進行組合，呈現出剛柔并濟的美。扶手處使用金屬連接件作為現代元素的點綴。

坐墊模塊采用的纖維材料呈現出類似大理石的紋路，其色彩根據竹纖維所占的比例呈現出淡黃色至黃色的變化，給人一種溫暖的感受，為了保留這種特殊的色彩意象，坐墊表面采用透明的TPU柔性布料包覆，同時起到隔離與保護的功能。至此，設計方案充分將竹廢棄物模塊溫暖的淡黃色提煉出來，與暗黃色的藤面，以及白蠟木的本色，將坐具溫暖舒適的色彩氛圍營造出來。在整個外觀造型中，模塊坐墊如大理石般的紋路與溫暖的特殊質感仍然是最搶眼的（見圖5）。

3. 坐墊舒適性測試

為了驗證坐墊設計方案的舒適性，探究竹加工廢棄物材料應用于坐墊設計的可行性，設計并進行人體靜態體壓測量。由于條件的限制，征集了一名受試者參與實驗，受試者為23歲男性在校學生，BMI 19.5，中等體型范圍。實驗采用Tekscan Sensor #5315人體壓力分布測量系統，軟件為BPMS Reaearch7.60，坐墊的載體為木制實驗臺，座高415 mm。實驗環境溫度26℃左右，無噪聲影響。在坐墊上表面鋪好體壓傳感器墊如圖6（a）所示，并連接好數據采集器和計算機顯示終端。

連接好設備后，受試者按照端正坐姿要領落座如圖6（b）所示。測量記錄時長為5 min，采樣率為8 f/min。受試者按照相同的流程完成三次測試。測試結束后保存壓力數值與分布云圖，將三次的測試數據進行平均處理，取坐骨結節處與大腿處兩個點位的壓力數值進行標注，體壓分布云圖如圖6（c）所示。

從圖6（c）中可以看出，設計方案的體壓分布云圖呈現出坐骨結節處壓力最大，大腿前部壓力最小，股后區壓力由中心向周圍呈逐漸減小趨勢，整體壓力分布呈左右對稱。在坐骨結節區域的壓力為7.9 Kpa，大腿區域的壓力為3.2 Kpa，該區域相對應的理想壓力分別為7.0 Kpa與0.35 Kpa[9]。

實驗結果表明該坐墊方案符合理想的體壓分布規律。因為根據設計原則將不同彈性的竹廢棄物模塊參照人體壓力分布進行排列，當臀部壓力作用于坐墊時，不同彈性的竹廢棄物模塊能更好貼合人體臀部曲面，合理地分散了臀部的壓力。同時，壓力的數值也非常接近理想值，說明竹廢棄物模塊的力學性能滿足理想壓力的需要，不同壓力區域的模塊都能提供穩定且可控的支撐性能，從而實現理想的坐墊壓力大小。

綜上所述，基于竹加工廢棄物制備的彈性模塊具有出色的彈性性能，并且可以通過改變工藝參數進行調整，能夠根據需要快速調用不同彈性的模塊制備坐墊。依據原則設計的坐墊方案能夠實現合理的壓力分布，提高坐墊舒適度。

竹加工廢棄物在坐墊領域的應用是工業設計與材料科學綜合研究的過程，為了判斷設計方案的可行性進行了體壓分布實驗，未來仍需要經歷耐久度，阻燃性能等測試才能成為成熟的產品。同時，設計方案從結構上賦予了坐墊個性化定制的可能性，在具體的應用當中需要一套完善的個性化定制系統來輔助消費者體驗，如用戶數據采集、品牌與產品形象、成本與價格以及市場需求等，經過不斷的測試與優化，提高產品的價值。

結論

竹加工廢棄物的回收再利用不僅是材料應用的創新，也是對可持續利用自然資源的踐行。隨著工業技術的不斷進步，越來越多的新技術可以應用于設計創新之中，設計者應當從固有的思維中跳脫出來，發掘天然材料的特點與應用形式，結合簡單而有效的結構進行設計。本文通過合理的設計有效拓展竹加工廢棄物的應用場景，提高了竹廢棄物的附加值，粗竹纖維模塊成型與排列的設計方法創新滿足用戶對舒適性與個性定制的追求，同時給其他天然纖維的應用提供了參考。

基金項目：浙江省哲學社會科學規劃重點課題（22JCXK02Z）

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