劉 闖石 飛張曉明吳 楠孫琳琳

（1.吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心，長春 130012；2.吉林大學(xué)，長春 130000）

TRIZ創(chuàng)新方法在化學(xué)工藝研發(fā)中的應(yīng)用

劉 闖1石 飛1張曉明1吳 楠1孫琳琳2

（1.吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心，長春 130012；2.吉林大學(xué)，長春 130000）

本文介紹了用TRIZ創(chuàng)新方法解決生產(chǎn)過程中流程問題，以化工研發(fā)項(xiàng)目 “碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備與性能研究”為例，通過利用TRIZ理論中的功能分析、因果分析、沖突理論、物場模型、知識(shí)庫、創(chuàng)新原理等方法，得到了若干個(gè)解決問題的方案，完善了制備復(fù)合材料過程中的制備工藝，并提高了復(fù)合材料強(qiáng)度。

TRIZ 創(chuàng)新 工藝

引 言

發(fā)明問題解決理論簡稱 “TRIZ理論”。該理論是前蘇聯(lián)G.S.Altshuler及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上所提出的。20世紀(jì)80年代中期前，該TRIZ理論對(duì)其他國家保密，隨著一批科學(xué)家移居美國等西方國家，逐漸把該理論介紹給世界產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域［1］。

TRIZ理論體系中包括多種問題解決工具，如沖突矩陣、分離原理、標(biāo)準(zhǔn)解、理想解、效應(yīng)等。每一種工具都可以幫助工程人員打破思維慣性，快速形成設(shè)計(jì)方案［2］。

1 TRIZ在化學(xué)工藝研發(fā)中的應(yīng)用

化學(xué)工藝研發(fā)是一種綜合性的工程技術(shù)，要求利用化學(xué)基礎(chǔ)、化工分析、化工原理、化工制圖等知識(shí)去研究化學(xué)工藝問題。該研發(fā)的綜合性很強(qiáng)，涉及面較廣，研發(fā)人員普遍感到工藝研發(fā)過程中存在不易明確著手點(diǎn)、工藝參數(shù)方向調(diào)整難控制、甚至問題明確了卻無從找到優(yōu)質(zhì)的解決的方法［3］。相關(guān)問題的創(chuàng)新性解決更是困難；對(duì)于在校的學(xué)生而言，由于在校接觸化工生產(chǎn)的儀器和設(shè)備較少，對(duì)其性能不熟悉，尤其是缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)生產(chǎn)工藝流程自然非常吃力，這也是傳統(tǒng)化學(xué)研發(fā)中的一大難題［4，5］。在研發(fā)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，將運(yùn)用發(fā)明問題解決理論應(yīng)用在化工研發(fā)項(xiàng)目中，可以有助于研發(fā)人員形成切實(shí)可行的、創(chuàng)新型的解決方案。本文以化工研發(fā)項(xiàng)目“碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備與性能研究”為例，引入TRIZ創(chuàng)新理論，系統(tǒng)敘述利用TRIZ方法解決研發(fā)過程中遇到的問題，按照TRIZ理論解決問題的步驟，對(duì)問題進(jìn)行分析、描述并最終得到解決方案［6］。

1.1 提出問題

聚醚醚酮是一種全芳香族半結(jié)晶熱塑性工程塑料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕、抗疲勞及顯著的熱穩(wěn)定性。碳纖維復(fù)合材料克服了普通熱塑性塑料彈性模量低、軟化溫度低、抗溶劑性差、纖維樹脂粘接強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了的力學(xué)熱摩等性能，擴(kuò)大了其在航空航天、力學(xué)、電氣、生物工等領(lǐng)域的應(yīng)用。但是由于PEEK收縮率大，熔融態(tài)黏度高、流動(dòng)性差，所以作為復(fù)合材料基體時(shí)，其可浸潤性較差，因此制備工藝及其較佳的參數(shù)對(duì)于CF/PEEK復(fù)合材料性能的提高至關(guān)重要。同時(shí)，目前國內(nèi)有好多領(lǐng)域都嘗試用新材料比如說復(fù)合材料來進(jìn)行更新?lián)Q代，嘗試新的創(chuàng)新，但是現(xiàn)階段制備出的復(fù)合材料性能不達(dá)標(biāo)，所以完善制備工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)就更加迫在眉睫。本文的研究對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室制備碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，目前該制備工藝成型的復(fù)合材料制品表面有氣泡，偶爾顏色不均一，斷面分層并且出現(xiàn)纖維絲，成型件強(qiáng)度不高的現(xiàn)象，從而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，本文研究的目的就是解決上述問題，完善制備工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)。

1.2 設(shè)定目標(biāo)

由1.1所述分析可知，本文研究的是怎樣完善化學(xué)工藝，這種研發(fā)問題屬于工藝流程類別，在用TRIZ這種創(chuàng)新方法分析解決此類問題時(shí)，對(duì)于工藝流程類的問題其技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)該定義為制備工藝，而不是一個(gè)帶有具體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，結(jié)合TRIZ這種創(chuàng)新方法，此項(xiàng)目研究的技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)為碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備工藝，技術(shù)系統(tǒng)功能為增強(qiáng)復(fù)合材料性能。該項(xiàng)目中要解決的問題是如何改善碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料的制備條件，從而完善制備工藝，提高復(fù)合材料性能；希望通過改善后，經(jīng)新技術(shù)系統(tǒng)制備出的碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到1600MP以上。

1.3 問題分析

1.3.1 功能分析

將此制備工藝看成是一個(gè)系統(tǒng)，首先對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能分析。本系統(tǒng)中各組件的關(guān)系及組件與作用對(duì)象的關(guān)系如圖1所示，本系統(tǒng)的作用對(duì)象為碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，組件主要包括碳纖維絲、碳纖維織物、預(yù)處理后的織物、聚醚醚酮粉料、預(yù)處理后的聚醚醚酮、聚醚醚酮薄片、混合物，熱壓機(jī)、空氣作為該系統(tǒng)的超系統(tǒng)同時(shí)畫入功能模型圖中，功能模型分析的目的就是把系統(tǒng)中各要素以圖像的形式形象的體現(xiàn)出來，并描述它們之間的作用關(guān)系，以方便對(duì)問題進(jìn)行清楚的分析。

圖1 功能模型圖

通過如圖1的功能模型分析，我們描述了該系統(tǒng)中的組件都有哪些，以及它們之間的相互關(guān)系，其中在該功能模型圖中，我們找到四點(diǎn)功能缺陷，分別為：（1）碳纖維織物用丙酮浸泡預(yù)處理過程中有不足；（2）PEEK粉料在烘干及制成PEEK薄片過程中有不足；（3）處理好的碳纖維織物與聚醚醚酮在制備成復(fù)合材料過程中有不足；（4）超系統(tǒng)空氣對(duì)混合物復(fù)合過程產(chǎn)生有害的干擾作用。

1.3.2 因果分析

由于以當(dāng)前系統(tǒng)制備出來的碳纖維復(fù)合材料性能不好，彎曲強(qiáng)度不高，所以用另一種分析問題的方法，因果分析法繼續(xù)深入分析當(dāng)前系統(tǒng)存在問題的深層次原因。分析出如圖2中的導(dǎo)致問題存在的若干原因。

通過如圖2的因果分析，分析出引起制樣性能不達(dá)標(biāo)的并可以入手解決的原因有：（1）浸漬時(shí)間不足；（2）模具透明度缺乏；（3）壓力缺陷；（4）溫度缺陷；（5）樹脂粘度大；（6）PEEK烘干不足；（7）纖維織物浸泡不足；（8）材料比例不合適。

1.4 形成方案

解決問題就是針對(duì)問題模型利用創(chuàng)新方法解決找到解決方案模型，再把解決方案模型轉(zhuǎn)化為本領(lǐng)域問題解，形成最終方案的過程。TRIZ創(chuàng)新理論中解決問題的方法主要有裁剪、沖突理論、物場模型、創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解、進(jìn)化路線等。經(jīng)過提出問題、設(shè)定目標(biāo)、問題分析后，就可以利用TRIZ理論中的解決問題的方法求得問題的解決案［7］。

圖2 因果分析圖

1.4.1 運(yùn)用裁剪解決問題

由于聚醚醚酮薄片這個(gè)組件的成型工藝對(duì)復(fù)合材料性能影響很大，并且組件功能延續(xù)性很小，預(yù)處理后的聚醚醚酮組件不僅可以實(shí)現(xiàn)聚醚醚酮薄片組件的功能，而且經(jīng)預(yù)處理后的聚醚醚酮組件直接制備出的復(fù)合材料強(qiáng)度比經(jīng)聚醚醚酮薄片組件制備的強(qiáng)度高，所以選擇裁剪聚醚醚酮薄片組件，得出解決方案為預(yù)處理后的聚醚醚酮直接與處理的碳纖維織物熱壓復(fù)合，所建立的裁剪模型圖如圖3所示。

圖3 裁剪模型圖

1.4.2 運(yùn)用技術(shù)矛盾解決問題

研發(fā)工作者在解決問題時(shí)，最有效的解決方案就是解決技術(shù)難題中的矛盾。矛盾問題的解決方法大致分為三步：首先將待解決的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為通用問題模型，也就是提取出實(shí)際問題中的技術(shù)矛盾——改善某一參數(shù)，卻導(dǎo)致另一參數(shù)惡化；或提取出實(shí)際問題中的物理矛盾——對(duì)某一參數(shù)的兩種相反的要求。然后根據(jù)實(shí)際情況利用TRIZ中相應(yīng)的中間工具——矛盾矩陣；或者是4種分離方法中的一種，得到TRIZ的解決方案模型——發(fā)明原理。最后根據(jù)發(fā)明原理，得到最終方案。（參考書初級(jí)）通過分析該系統(tǒng)中存在的問題，找到系統(tǒng)中存在的技術(shù)矛盾及物理矛盾，并依據(jù)相應(yīng)的解決方法找到合適的解決方案：

技術(shù)矛盾一，根據(jù)因果分析，浸漬不充分的原因其中有浸漬時(shí)間不足。如果我們前期直接增加浸漬時(shí)間，將影響制樣的力學(xué)性能，進(jìn)而減弱制樣的強(qiáng)度。所以找到一對(duì)技術(shù)矛盾，改善的參數(shù)為運(yùn)動(dòng)物體的作用時(shí)間，惡化的參數(shù)為強(qiáng)度。對(duì)應(yīng)到矛盾矩陣中，推薦的發(fā)明原理為27.廉價(jià)替代品；3.局部質(zhì)量；10.預(yù)先作用。通過3號(hào)局部質(zhì)量創(chuàng)新原理的提示，根據(jù)讓物體的不同部分各具不同功能的提示，得到了采用局部制備過程中增加固定停留時(shí)間，提高浸漬程度，但前期制備流程都正常，不影響制樣力學(xué)性能這種解決方案。

技術(shù)矛盾二，根據(jù)因果分析中操作不方便的原因有模具不透明。如果我們直接讓模具透明，將影響模具的穩(wěn)定性。找到一對(duì)技術(shù)矛盾，改善的參數(shù)為照度，惡化的參數(shù)為穩(wěn)定性。對(duì)應(yīng)到矛盾矩陣中，推薦的發(fā)明原理為27.廉價(jià)替代品；3.局部質(zhì)量；32.改變顏色。通過3號(hào)和32號(hào)創(chuàng)新原理根據(jù)讓物體的不同部分各具不同功能的提示，得到模具上蓋結(jié)構(gòu)采用鋼化石英玻璃板，可以看到材料的浸漬狀態(tài)，方便操作，并且耐熱高強(qiáng)這種解決方案。技術(shù)矛盾以以上兩對(duì)為例，下面分析物理矛盾。

物理矛盾一，因果分析中有樹脂粘度過度這一項(xiàng)，在制備過程中，希望樹脂的粘度可以小一些，這樣方便樹脂浸漬碳纖維，又希望樹脂粘度大一些，大一些是在制備后期制樣可以固定成型。問題就出現(xiàn)了物理矛盾，經(jīng)分離原理中時(shí)間分離原理對(duì)同一個(gè)參數(shù)的不同要求，在不同的時(shí)間段實(shí)現(xiàn)這一提示，選擇用時(shí)間分離原理進(jìn)行解決問題，得到方案，使樹脂粘度在前期熔融過程中變小，方便下一步浸漬；在后期復(fù)合定型過程粘度變大，制樣容易成型。

物理矛盾二，由于考慮的系統(tǒng)是制備工藝，其中需要考慮的參數(shù)還有溫度，在制備過程中，既希望溫度高，溫度高樹脂可以快速熔融，又希望溫度低，溫度低制樣可以快速定型。同樣，問題就出現(xiàn)了物理矛盾，選擇用時(shí)間分離原理進(jìn)行解決問題，得到方案，在兩種材料復(fù)合階段溫度大，在后期成型階段溫度快速小，實(shí)驗(yàn)中定量。

1.4.3 運(yùn)用物場模型解決問題

丙酮的有用功能是清潔碳纖維織物，去除碳纖維織物表面的雜質(zhì)，但是其清潔的作用不夠徹底。通過建立物場模型，找到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法。問題發(fā)生的環(huán)節(jié)為丙酮浸泡碳纖維織物，所建立的物場模型圖如圖4所示。

圖4 物場模型圖

丙酮對(duì)碳纖維織物的清潔作用不足，應(yīng)用2.1.2雙物場模型標(biāo)準(zhǔn)解，解決方案為引入新的場幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前期處理碳纖維織物的功能，因此通過物場分析所得方案為：引入新場，通過引入超聲波場加強(qiáng)清潔功能，形成新的物場模型如圖5所示。

圖5 物場模型圖

1.4.4 運(yùn)用進(jìn)化規(guī)律解決問題

為了多方向找到解決問題的方案，可以利用TRIZ創(chuàng)新理論中的進(jìn)化規(guī)律得到解決方案，TRIZ創(chuàng)新理論中的進(jìn)化規(guī)律包括兩個(gè)層次，進(jìn)化法則和進(jìn)化路線，進(jìn)化法則指出技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)展的規(guī)律和宏觀的模式與方向；進(jìn)化路線反映了技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展過程中會(huì)經(jīng)歷的具體階段和進(jìn)化順序。進(jìn)化規(guī)律可以幫助研發(fā)人員整合前面得到的技術(shù)方案，并對(duì)應(yīng)技術(shù)路線，同時(shí)可以幫助研發(fā)人員找到?jīng)]有形成方案空白的技術(shù)階段，考慮得到新的解決問題的方案，通過對(duì)應(yīng)研發(fā)中系統(tǒng)組件的狀態(tài)特性，找到進(jìn)化趨勢(shì)符合 “向微觀級(jí)進(jìn)化路線”，粉末→液體→氣體→場。

在制備過程中，聚醚醚酮由原來的粉末狀，熔融后進(jìn)化為膠液狀，由此想到進(jìn)化路線當(dāng)中的向微級(jí)進(jìn)化，下一級(jí)進(jìn)化成氣體，加入一種新物質(zhì)來增加聚醚醚酮的粘度，后期不引入雜質(zhì)，理想的方案是引入的物質(zhì)可以在制備過程中輔助熔融后就成為氣體，消失。同時(shí)也有化學(xué)場的作用存在。經(jīng)過分析后找到符合這種特點(diǎn)的物質(zhì)為DPS，可以在處理聚醚醚酮時(shí)加入DPS。

2 總 結(jié)

本文系統(tǒng)的描述了利用TRIZ創(chuàng)新理論解決問題的分析過程，以研發(fā)項(xiàng)目 “碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備與性能研究”為例，通過引入TRIZ創(chuàng)新方法解決了在制備碳纖維聚醚醚酮復(fù)合材料過程中存在的制備工藝參數(shù)不完善、成型件強(qiáng)度不高的問題，得到了若干個(gè)解決方案，當(dāng)然還可以運(yùn)用TRIZ理論中的效應(yīng)、ARIZ等其它方法進(jìn)一步得到更多的解決方案，在此不一一敘述，此文章的目的是拋磚引玉，幫助研發(fā)人員打破原有的傳統(tǒng)研發(fā)模式，系統(tǒng)分析和解決問題.能夠在很大程度上提升研發(fā)者的創(chuàng)新意識(shí)。推動(dòng)TRIZ理論在研發(fā)過程中的普及和應(yīng)用，使得TRIZ創(chuàng)新理論被越來越多的技術(shù)工程師所熟悉，加快行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

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Application of TRIZ Innovation Method in Chemical Process Research and Development

Liu Chuang1Shi Fei1Zhang Xiaoming1Wu Nan1Sun Linlin2
（1.Science and Technology Innovation Management Center of Jilin Province，Changchun 130012，China；2.Jilin University，Changchun 130000，China）

In this paper，TRIZ innovation method is used to solve process problems in the production process，taking chemical research and development project“carbon fiber enhancement of PEEK composites preparation and performance study”as an example，and by using TRIZ theory in functional analysis，causal analysis，conflict theory，substance field model，knowledge base，creativity principle method，a plurality of problem solving scheme，the perfection of technique for preparing composite process，and improve the strength of the composites is introduced in this paper.

TRIZ；innovation；technology

10.3969/j.issn.1004－910X.2016.12.020

F273

A

（責(zé)任編輯：史 琳）

2016—10—15

劉闖，吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心主任，研究員，學(xué)士學(xué)位。研究方向 ：科技管理。石飛，通信作者，吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心科員，創(chuàng)新方法講師，碩士。研究方向 ：創(chuàng)新方法，高分子材料制備工藝。張曉明，吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心科員，創(chuàng)新方法講師。研究方向 ：科技管理。吳楠，吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心科員，創(chuàng)新方法講師。研究方向：創(chuàng)新方法。孫琳琳，吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院講師。研究方向 ：工業(yè)工程。