2020毕设故事 | 黄孙杰：《基于甲壳素材料的科普研究与设计》

黄孙杰

广西钦州人

2020.07 清华大学美术学院

科普创意与设计艺术硕士

2017.07 北京工商大学艺术与传媒学院

产品设计专业 艺术学学士

导师的话

黄孙杰同学以材料驱动设计的研究方法为指导，从废弃虾壳中提取甲壳素进行材料创新实验。在深入研究材料的性能、制备流程、加工工艺、产业现状等知识后，自行探索出一系列甲壳素材料的配方和制备方法，并提出未来设计应用的多种可能性。此类研究在国际上也属于前沿领域。作为科普硕士，黄孙杰同学通过科普套件设计，以及不同成型工艺下的材料创新设计，展示出此类“废弃材料”的潜在价值和丰富的可塑性，尤其在3D打印领域的成功实验，让我们对这种环保材料的应用充满期待。黄孙杰同学经历了艰苦的探索历程，尤其是在疫情期间，缺乏最基本的设备条件，也无法实现材料性能试验，但他克服困难，在家中做了大量的材料改性实验，最终实现了设计目标。最重要的是，黄孙杰同学不是在完成一个毕业设计而已，而是在实现自己的一个梦想和承诺。

本人以为，该研究结合了跨学科知识，从材料的源头进行探索和创新，是对传统工业设计研究领域的拓展，同时也是典型的将专家知识转化为大众知识的科普设计研究，特此推荐。

刘新工业设计系教授

“虾、蟹等海产品在加工过程中产生大量的副产品，C-Shimp项目从废弃虾壳中提取甲壳素并将其转变成为具有功能性、可生物降解的生态材料，进行科普方式探讨的同时，探寻这一新材料在设计应用中的可能性。”

图1.线上展览

初始

在新时代的背景下，资源稀缺以及环境污染成为活在当下的我们不得不面对的问题，设计师在变革中起着重要的作用，如何在保证生存诉求的同时维护生态利益，是设计师必须要考虑的现实状况。可持续设计中的生态材料的运用，是在社会、经济、文化中寻求平衡点的一种可能性探讨，设计师不再以纯应用的方式处理材料与设计之间的关系，而是通过多种方式介入材料研究之中，寻求新设计的可能性，实现循环经济的目标。

最开始接触“生态材料”的概念是在研一下学期的LeNS先导课程上，而后在刘新老师的指导下对可持续设计以及生态材料有了进一步的认知，并以“生态材料”为主题策划概念展览，与甲壳素材料结下不解之缘。

了解

图2.甲壳素的部分来源及图片

甲壳素（chitin），又名几丁质，主要存在于甲壳类动物外壳、菌类、软体动物内骨骼等生物中，甲壳素及其衍生物壳聚糖具有生物降解性、抗菌性、耐热性等优势。虾、蟹加工后的副产品是工业生产中制备甲壳素的重要来源。我国2019年虾蟹总产量为737万吨，预计产生258万吨的虾蟹壳，在资源稀缺的当下，每一份自然的馈赠都显得弥足珍贵。儿时每逢假期便在家中的市场摊位上帮忙经营海产生意，看着遗弃的副产品，始终在想着它是否可再利用。

本次毕业设计帮助我解决了儿时的困惑，在探讨如何进一步发掘虾蟹副产品的潜在设计价值、在新材料应用层面的特性、设计应用的可能性的同时，通过多种方式给大众科普甲壳素的相关知识以及传播“可持续”的生活理念，提供未来生活的一种可能性思路。

研究与实验

从废弃虾壳到其衍生物的设计应用以及科普产出的设计过程，是在Elvin Karana等人提出的材料驱动设计方法的基础上通过理解材料、创造材料体验愿景、产品设计、科普内容设计几部分进行。

图3.C-Shimp项目的目标与方法

理解材料阶段是整个毕设环节最具挑战性的一环，设计师与专业人员合作，通过实验、测验等方式对从废弃虾壳提取的甲壳素方法进行改进，并对甲壳素与其衍生物壳聚糖进行改性，目的是解决纯甲壳素材料以及衍生物壳聚糖形变大的问题，以便于在设计领域中运用。整个过程经历100多次实验，通过简单的理化实验与应用评分，删选出六大类不同属性的复合甲壳素材料，结合注塑成型、3D打印、材料拼接等加工方式探讨上述实验材料成型的可能性。

图4.基于酸碱法的甲壳素及其衍生物壳聚糖的制备过程

图5.第一阶段材料实验

图6.第一、二阶段材料样品

图7.第三阶段材料实验样品

图8.材料筛选与评估

图9.复合甲壳素材料展示

图10.基于甲壳素与其衍生物壳聚糖制备的3D打印原料

图11.固态3D打印测试

图12.液态的复合甲壳素材料3D打印测试

畅想

创造材料体验愿景阶段，在实验总结出材料特性的基础上，以“特性组合”与“基于场景”为出发点，构思甲壳素材料未来可能性。在本次项目中，甲壳素材料的原料来源于海，于是提出“来于海归于海”的设计理念，最大限度的发挥甲壳素材料最后降解于自然的生物优势，减少环境污染与资源消耗。

图13.基于材料特新的应用场景构想

现实

最困难的环节是疫情席卷而来的时候改变了所有计划，加工工厂相继休业，甲壳素复合材料的成型需要相关的加工条件与仪器，新材料制作工艺以及周期导致必须现场亲自参与，因为过程中有许多无法预测的变化，于是只能在家中搭建简易的加工场地。利用踢脚线、烤盘、暖风机等家用电器做成烘干设备进行材料的烘干，而南方湿冷的天气导致模型在成型后因干燥时间不均匀，最终导致模型开裂。整个过程是一次又一次地经历加工与失败，是一次次信心与热忱的较量。最终根据现有的加工条件与设计方向，将内容转向如何科普新材料，展现甲壳素材料的可能性。

图14.临时搭建的实验场地与实验失败品

图15.不同的复合甲壳素材料的成型实验

图16.基于甲壳素材料的科普教具设计

图17.片材复合甲壳素材料应用展示

图18.复合甲壳素材料3D打印应用展示

图19.C-Shimp项目的材料生命周期以及可用样本

结语

回顾整个毕业设计过程，遇到许多困难，结果有很多的不完美与遗憾，但也尽了自己最大的努力去探寻设计师在资源消耗与污染严重的当下可贡献的绵薄之力，从废弃虾壳到生态材料的广泛应用，还需上下而求索。最后，感谢刘新老师三年以来耐心指导，也感谢学院老师们、同学们的鼓励与帮助。

资料提供/黄孙杰

报道统筹/牛彤彤

图文编辑/罗雪辉 冯佳琪