陈泽龙，王玫瑰，郑则炯，陈晓腾，陈伟文，林俊鑫

（广东轻工职业技术学院 轻化工技术学院，广东佛山 518100）

据《2020年中国国土绿化状况公报》相关数据统计，截至目前，我国森林覆盖率接近23%，而我国《森林法》中规定全国森林覆盖率要达到30%，相较之下我国环保力度还略显不足，生态问题还较突出。为解决能源消耗和环境破坏等生态问题，我国从禁止过度开采林木和寻找木材替代品着手，大力推动环保型产品的设计使用进程。

新型木塑复合材料，是一种极具发展前途的“低碳、环保、可循环”材料，具有力学强度高、耐腐蚀、加工性能好等优良性质，木塑产品在园艺家具等多个领域中的应用也越来越广泛。由于企业受生产效益和成本、相关加工技术和设备等方面的限制，木塑产品的整体色彩单调，造型单一，且大部分产品连接组合方式以板式部件为主，体验感较差，导致木塑复合材料难以更广泛地被生产企业和消费者认可。

TRIZ 理论是苏联时期多位科学家在分析了200 多万件世界各种专利的基础上，发现的这些发明的规律[1]。TRIZ 理论能够帮助研发人员进行系统改良分析，能够进行技术矛盾分析，也能有效增强研发人员创造力和解决问题能力，是研发人员常用的一种创新方法。

塑木复合型材拥有可再生循环利用的独特优势，应用非常广泛。利用现有技术，探讨TRIZ 理论在木塑产品设计过程中的应用，能够丰富其在木塑产品设计领域的应用形式，挖掘出木塑产品深入发展的可能性，为促进木塑产品设计创新提供实用的方法。

1 TRIZ 解决技术系统矛盾的方法概述

TRIZ 理论认为，发现和消除矛盾是产品进化和发展的主导力量，解决问题的关键是解决矛盾[2]。阿奇舒勒等科学家提出TRIZ 理论，将工程中出现的种种矛盾归结为两大主要矛盾：物理矛盾、技术矛盾。（1）当技术系统某个特性或参数得到改善时，常常会引起另一个特性或参数的劣化，该矛盾就称为技术矛盾。（2）物理矛盾是指系统中的问题是由一个参数导致的，系统的一方要求该参数正向发展，另一方要求该参数负向发展，当一个技术系统的通用工程参数具有相反的需求时，就出现了物理矛盾[3]。

在对大量专利进行分析的基础上，TRIZ 理论提出了40 条发明原理和39 个通用工程参数，并创造性地将工程参数的矛盾与创新原理整理成矛盾矩阵表，对指导产品研发人员发明创造、创新具有非常重要的作用。

利用TRIZ 理论解决产品设计过程中的技术矛盾问题，一般TRIZ 解决矛盾的流程如图1所示。

图1 TRIZ 解决矛盾理论流程

按照TRIZ 理论的基本框架，一般研发人员在进行产品创新设计过程中，可以分为三个步骤进行，分别是：问题提出、问题解决、概念验证。

首先，确定目标主题以及技术问题，并将其转换成TRIZ 理论中的39 个工程参数（如表1所示）。

表1 39 个工程参数

第二，通过四大分离原理，从四个不同的原理中寻找待解决问题的思路和可能方案（如表2所示）[4]。

表2 四种分离方法对应的发明原理

最终，需要对解决方案进行概念验证，通过进行测试、仿真、研究工作等，对其做出可行性评价，以确定最适合的产品设计方式等。

2 木塑产品在设计过程中存在的问题及TRIZ 应用

通过线上文献检索和线下调研发现，现有市场上园艺产品外形以实木类、人造板、金属型材为主要材料，目前将木塑复合型材应用在园艺产品的较少。传统的花箱通常由木质板拼接而成，木质板在使用过程中易腐烂，需要经常对外表面进行油漆，增加了使用成本；而且木质板拼接而成的花箱存在缝隙，容易造成漏水，不利于树木花卉的生长。专利号CN201220643384提供了一种新型木塑复合材料花箱，外壳木质板改为木塑板，解决了上述问题，但未能解决着色和美感度、嵌件连接问题。新型木塑产品外壳在设计和制造过程中，常见这三个问题，制约着木塑产品在园艺家具领域中的应用范围[5]。

2.1 利用TRIZ 技术矛盾解决“木塑产品着色难、美感低”问题

产品外观设计的品质直接影响产品的市场表现，一个好的设计可以提升产品的销售优势。差异化的好外观往往能吸引更多消费者，赢得更多的销售空间。一个产品如果外观设计没有做好，很容易影响其在市场上的销量。

产品形态造型包括色彩、功能、形态及装饰等多个要素[6]。消费者对木塑产品的设计要求不仅包括实用经济，还包括美观、易用及使用效率等。在产品设计过程中，需要从系统的角度来确定新型木塑产品的造型，研发人员需致力于突破目前产品造型的局限。

（1）问题的提出。

由于企业成本和技术的限制，现有市场上传统园艺产品设计外型板材线条较平直、色彩较平淡。木塑复合型材在加工制备过程中，大多数企业现有技术仅能在原材料配方中添加着色剂等助剂材料来进行着色，木塑产品的色彩范围有限[6]。

经多次市场调查发现，仿木材的色彩在市场上较受欢迎，特别是近年来木塑复合板材需求的扩大使得该类型板材的染色技术得到飞速发展。国内外很多学者也对木塑复合板材的色彩处理进行了相关研究，如专利号CN201410107887 中的技术说明书中提供了一种新型木塑粉或染色木塑粉在制备本色或彩色木塑板材上的应用，制得的彩色木塑板材色彩丰富、明艳、均匀。即在等高温高压条件下，使用分散染料对乙基化木粉/聚苯乙烯复合材料进行染色，其材料配方在分散染料下的木塑产品具有更明亮的色彩。又如专利号CN02111432 说明书中提供了一种新型薄木装饰贴面板及其制作方法，即可以使用黑胡桃等3 种不同树种的薄木进行贴面处理，发现使用特种木塑专用胶可获得较高的表面胶合强度，且贴片处理效果最优，其材质视觉效果和质感能仿真珍贵树种木纹和色泽，给人以高雅的享受，同时也可满足任意颜色的个性需求。

（2）定义矛盾及确定矛盾参数。

为解决木塑复合材料着色过程中存在的问题，利用TRIZ 理论，分析技术冲突，结合39 个工程参数得出问题为解决13 稳定性和29 制造精度的参数问题。

为解决木塑产品外观样式存在平直、呆板、美观度低的问题，利用TRIZ 理论，分析技术冲突，结合39 个工程参数，得出问题属于参数12 形状（外观）和32 可制造性的物理矛盾冲突。

（3）确定创新原理和应用思路。

结合工程参数13 稳定性和29 制造精度（见表3），使用整体分离原理，通过进行原材料染色处理以及对板材薄木贴片处理来增强其表面色彩丰富度和实木美感，提高木塑产品的美观度。

表3 木塑产品着色设计结合TRIZ 理论分析

结合工程参数12 形状和32 可制造性（见表4），采用条件分离原理，采用40 条发明原理中的14 曲面化原理，引入新型的弯曲生产工艺，在产品边缘处添加弯曲构件加以点缀，可大大丰富产品的造型和提升美观度。如有学者研究表明，可以木粉/聚乙烯复合材料，经过多次弯曲试验，结果证明木塑复合材料可以从温度、材料助剂等方面进行产品曲面化处理，因此，木塑产品造型的多样化可以通过产品设计、生产造型自由度以及转角的方式去解决。

表4 木塑产品弯曲造型设计结合TRIZ 理论分析

2.2 利用TRIZ 技术矛盾解决“木塑产品表面装饰设计”问题

通过线上文献检索和线下调研发现，现有市场上园艺产品外形以实木类、人造板、金属型材为主要材料，该类型材料能够较好地体现出高档、端庄的产品视觉感受，因此木塑产品在表面装饰设计上也应当注意产品表面平整度、层次感等，以期满足消费者对美的要求。

（1）问题的提出。

木塑复合型材是由木粉、稻壳、秸秆等废弃的天然植物材料与聚丙烯、聚乙烯等废旧塑料加工成型而成，受生产原材料的限制，木塑复合型材的表面硬度较低，使其类型产品表面装饰设计很难有大的创新，大多是比较单一的形态。

（2）定义矛盾及确定矛盾参数。

利用TRIZ 理论，分析技术冲突问题，结合39 个工程参数，得出为解决32 可制造性和36 系统复杂性的工程参数问题。

（3）确定创新原理和应用思路。

结合工程参数32 可制造性和36 系统复杂性（见表5），①可使用整体与部分分离原理，结合40 条发明原理中的3 局部改善法和40 复合材料法原理，将木塑复合材料与其他材料、助剂等结合，在木塑产品外型配方生产时就加入金属、玻璃、布料及皮革等助剂材料，以此来打破产品整体形态单一、枯燥的视觉感受。②可使用空间分离原理，利用17 多维法发明原理，引入新型3D 打印技术或压花技术，在专利CN201410198921 说明书中即提供了一种新型的3D 打印木塑复合材料技术，即可以在木塑产品生产制造过程中，对部分零部件进行3D 打印或压花生产，以期在产品整体保留原有形态的同时，以多层次的花纹表面代替原有的平滑表面，改善消费者对木塑产品外型的视觉感受，突破产品造型的局限。

表5 木塑产品表面装饰问题结合TRIZ 理论分析

2.3 利用TRIZ 技术矛盾解决“木塑产品的结构连接和装配”问题

产品的结构连接与装配是研发人员在设计过程中需要关注的重点问题。产品的装配和连接不佳容易导致产品出现应力不集中、材料力学性能降低问题，从而影响消费者的体验感。木塑产品的装配需要考虑到的因素较多，如产品的组装牢固性、可拆装性等。结构连接有产品部件间的固定式连接、活动式连接，以及其他小部件之间的连接等。市场上木塑产品结构外型的连接方式主要分为机械连接[7]、胶接[8]和焊接[9-10]三种。

（1）问题的提出。

由于木塑原材料和加工成型方式导致木塑产品的结构连接和组装方式都存在一定的缺陷，如机械连接对板材进行预钻孔时操作不当，则板材容易出现应力分布不集中现象，从而导致木塑产品的力学性能降低，导致产品质量大幅度下降。所以，在产品设计过程中，更需要重点解决木塑产品的结构连接问题。

（2）定义矛盾及确定矛盾参数。

通过分析现有技术冲突问题，结合39 个工程参数，分别为解决11 应力/压强、13 稳定性、30 作用于对象的外部有害因素等工程参数。

（3）确定创新原理和应用思路。

结合工程参数11 应力/压强、13 稳定性、30 作用于对象的外部有害因素（见表6），可采用条件分离原理，使用发明原理5 组合法和40 复合材料法原理，以复合两种或两种以上的连接方式来弥补各种连接方法中存在的缺陷。如在专利书CN02156231 说明书中提供了一种配接式型材及其制品，既改进了型材之间的连接结构，采用了复合材料胶接与钉连接复合使用连接的方法，可以克服结构件胶接可靠性差的缺陷，并且该连接方式强度高，稳定性好，且接缝紧密、平整，可延长使用寿命。

表6 木塑产品连接组装技术结合TRIZ 理论分析

3 结语

木塑复合材料作为一种新颖并具有独特优良性能的材料，具有环保可循环使用的特质，但生产过程存在一些技术问题，消费者整体对该类型产品的接受度还不高，国内的市场还没被广泛拓展。本文探讨适合木塑复合型材特点的产品设计的思路和方法，以木塑产品在生产设计过程中存在的三大常见问题为例，结合TRIZ 理论解决问题的步骤，提出最优解决技术冲突问题的方法，以期能够推动木塑这种环保材料更好、更广泛地应用在实际生产中，同时也为其他新材料的产品设计提供了借鉴和参考。