TRIZ创新方法在化学工艺研发中的应用

刘 闯石 飞张晓明吴 楠孙琳琳

（1.吉林省科技创新平台管理中心，长春 130012；2.吉林大学，长春 130000）

TRIZ创新方法在化学工艺研发中的应用

刘 闯1石 飞1张晓明1吴 楠1孙琳琳2

（1.吉林省科技创新平台管理中心，长春 130012；2.吉林大学，长春 130000）

本文介绍了用TRIZ创新方法解决生产过程中流程问题，以化工研发项目 “碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备与性能研究”为例，通过利用TRIZ理论中的功能分析、因果分析、冲突理论、物场模型、知识库、创新原理等方法，得到了若干个解决问题的方案，完善了制备复合材料过程中的制备工艺，并提高了复合材料强度。

TRIZ 创新 工艺

引 言

发明问题解决理论简称 “TRIZ理论”。该理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的。20世纪80年代中期前，该TRIZ理论对其他国家保密，随着一批科学家移居美国等西方国家，逐渐把该理论介绍给世界产品开发领域［1］。

TRIZ理论体系中包括多种问题解决工具，如冲突矩阵、分离原理、标准解、理想解、效应等。每一种工具都可以帮助工程人员打破思维惯性，快速形成设计方案［2］。

1 TRIZ在化学工艺研发中的应用

化学工艺研发是一种综合性的工程技术，要求利用化学基础、化工分析、化工原理、化工制图等知识去研究化学工艺问题。该研发的综合性很强，涉及面较广，研发人员普遍感到工艺研发过程中存在不易明确着手点、工艺参数方向调整难控制、甚至问题明确了却无从找到优质的解决的方法［3］。相关问题的创新性解决更是困难；对于在校的学生而言，由于在校接触化工生产的仪器和设备较少，对其性能不熟悉，尤其是缺乏实际操作经验，研发生产工艺流程自然非常吃力，这也是传统化学研发中的一大难题［4，5］。在研发实践中发现，将运用发明问题解决理论应用在化工研发项目中，可以有助于研发人员形成切实可行的、创新型的解决方案。本文以化工研发项目“碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备与性能研究”为例，引入TRIZ创新理论，系统叙述利用TRIZ方法解决研发过程中遇到的问题，按照TRIZ理论解决问题的步骤，对问题进行分析、描述并最终得到解决方案［6］。

1.1 提出问题

聚醚醚酮是一种全芳香族半结晶热塑性工程塑料，具有优良的力学性能、耐化学腐蚀、抗疲劳及显著的热稳定性。碳纤维复合材料克服了普通热塑性塑料弹性模量低、软化温度低、抗溶剂性差、纤维树脂粘接强度低等缺点，进一步增强了的力学热摩等性能，扩大了其在航空航天、力学、电气、生物工等领域的应用。但是由于PEEK收缩率大，熔融态黏度高、流动性差，所以作为复合材料基体时，其可浸润性较差，因此制备工艺及其较佳的参数对于CF/PEEK复合材料性能的提高至关重要。同时，目前国内有好多领域都尝试用新材料比如说复合材料来进行更新换代，尝试新的创新，但是现阶段制备出的复合材料性能不达标，所以完善制备工艺、优化工艺参数就更加迫在眉睫。本文的研究对象为实验室制备碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，目前该制备工艺成型的复合材料制品表面有气泡，偶尔颜色不均一，断面分层并且出现纤维丝，成型件强度不高的现象，从而对产品质量造成影响，本文研究的目的就是解决上述问题，完善制备工艺、优化工艺参数。

1.2 设定目标

由1.1所述分析可知，本文研究的是怎样完善化学工艺，这种研发问题属于工艺流程类别，在用TRIZ这种创新方法分析解决此类问题时，对于工艺流程类的问题其技术系统应该定义为制备工艺，而不是一个带有具体结构的系统，结合TRIZ这种创新方法，此项目研究的技术系统应为碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备工艺，技术系统功能为增强复合材料性能。该项目中要解决的问题是如何改善碳纤维/聚醚醚酮复合材料的制备条件，从而完善制备工艺，提高复合材料性能；希望通过改善后，经新技术系统制备出的碳纤维/聚醚醚酮复合材料弯曲强度达到1600MP以上。

1.3 问题分析

1.3.1 功能分析

将此制备工艺看成是一个系统，首先对该系统进行功能分析。本系统中各组件的关系及组件与作用对象的关系如图1所示，本系统的作用对象为碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，组件主要包括碳纤维丝、碳纤维织物、预处理后的织物、聚醚醚酮粉料、预处理后的聚醚醚酮、聚醚醚酮薄片、混合物，热压机、空气作为该系统的超系统同时画入功能模型图中，功能模型分析的目的就是把系统中各要素以图像的形式形象的体现出来，并描述它们之间的作用关系，以方便对问题进行清楚的分析。

图1 功能模型图

通过如图1的功能模型分析，我们描述了该系统中的组件都有哪些，以及它们之间的相互关系，其中在该功能模型图中，我们找到四点功能缺陷，分别为：（1）碳纤维织物用丙酮浸泡预处理过程中有不足；（2）PEEK粉料在烘干及制成PEEK薄片过程中有不足；（3）处理好的碳纤维织物与聚醚醚酮在制备成复合材料过程中有不足；（4）超系统空气对混合物复合过程产生有害的干扰作用。

1.3.2 因果分析

由于以当前系统制备出来的碳纤维复合材料性能不好，弯曲强度不高，所以用另一种分析问题的方法，因果分析法继续深入分析当前系统存在问题的深层次原因。分析出如图2中的导致问题存在的若干原因。

通过如图2的因果分析，分析出引起制样性能不达标的并可以入手解决的原因有：（1）浸渍时间不足；（2）模具透明度缺乏；（3）压力缺陷；（4）温度缺陷；（5）树脂粘度大；（6）PEEK烘干不足；（7）纤维织物浸泡不足；（8）材料比例不合适。

1.4 形成方案

解决问题就是针对问题模型利用创新方法解决找到解决方案模型，再把解决方案模型转化为本领域问题解，形成最终方案的过程。TRIZ创新理论中解决问题的方法主要有裁剪、冲突理论、物场模型、创新原理、标准解、进化路线等。经过提出问题、设定目标、问题分析后，就可以利用TRIZ理论中的解决问题的方法求得问题的解决案［7］。

图2 因果分析图

1.4.1 运用裁剪解决问题

由于聚醚醚酮薄片这个组件的成型工艺对复合材料性能影响很大，并且组件功能延续性很小，预处理后的聚醚醚酮组件不仅可以实现聚醚醚酮薄片组件的功能，而且经预处理后的聚醚醚酮组件直接制备出的复合材料强度比经聚醚醚酮薄片组件制备的强度高，所以选择裁剪聚醚醚酮薄片组件，得出解决方案为预处理后的聚醚醚酮直接与处理的碳纤维织物热压复合，所建立的裁剪模型图如图3所示。

图3 裁剪模型图

1.4.2 运用技术矛盾解决问题

研发工作者在解决问题时，最有效的解决方案就是解决技术难题中的矛盾。矛盾问题的解决方法大致分为三步：首先将待解决的实际问题转化为通用问题模型，也就是提取出实际问题中的技术矛盾——改善某一参数，却导致另一参数恶化；或提取出实际问题中的物理矛盾——对某一参数的两种相反的要求。然后根据实际情况利用TRIZ中相应的中间工具——矛盾矩阵；或者是4种分离方法中的一种，得到TRIZ的解决方案模型——发明原理。最后根据发明原理，得到最终方案。（参考书初级）通过分析该系统中存在的问题，找到系统中存在的技术矛盾及物理矛盾，并依据相应的解决方法找到合适的解决方案：

技术矛盾一，根据因果分析，浸渍不充分的原因其中有浸渍时间不足。如果我们前期直接增加浸渍时间，将影响制样的力学性能，进而减弱制样的强度。所以找到一对技术矛盾，改善的参数为运动物体的作用时间，恶化的参数为强度。对应到矛盾矩阵中，推荐的发明原理为27.廉价替代品；3.局部质量；10.预先作用。通过3号局部质量创新原理的提示，根据让物体的不同部分各具不同功能的提示，得到了采用局部制备过程中增加固定停留时间，提高浸渍程度，但前期制备流程都正常，不影响制样力学性能这种解决方案。

技术矛盾二，根据因果分析中操作不方便的原因有模具不透明。如果我们直接让模具透明，将影响模具的稳定性。找到一对技术矛盾，改善的参数为照度，恶化的参数为稳定性。对应到矛盾矩阵中，推荐的发明原理为27.廉价替代品；3.局部质量；32.改变颜色。通过3号和32号创新原理根据让物体的不同部分各具不同功能的提示，得到模具上盖结构采用钢化石英玻璃板，可以看到材料的浸渍状态，方便操作，并且耐热高强这种解决方案。技术矛盾以以上两对为例，下面分析物理矛盾。

物理矛盾一，因果分析中有树脂粘度过度这一项，在制备过程中，希望树脂的粘度可以小一些，这样方便树脂浸渍碳纤维，又希望树脂粘度大一些，大一些是在制备后期制样可以固定成型。问题就出现了物理矛盾，经分离原理中时间分离原理对同一个参数的不同要求，在不同的时间段实现这一提示，选择用时间分离原理进行解决问题，得到方案，使树脂粘度在前期熔融过程中变小，方便下一步浸渍；在后期复合定型过程粘度变大，制样容易成型。

物理矛盾二，由于考虑的系统是制备工艺，其中需要考虑的参数还有温度，在制备过程中，既希望温度高，温度高树脂可以快速熔融，又希望温度低，温度低制样可以快速定型。同样，问题就出现了物理矛盾，选择用时间分离原理进行解决问题，得到方案，在两种材料复合阶段温度大，在后期成型阶段温度快速小，实验中定量。

1.4.3 运用物场模型解决问题

丙酮的有用功能是清洁碳纤维织物，去除碳纤维织物表面的杂质，但是其清洁的作用不够彻底。通过建立物场模型，找到相应的标准解法。问题发生的环节为丙酮浸泡碳纤维织物，所建立的物场模型图如图4所示。

图4 物场模型图

丙酮对碳纤维织物的清洁作用不足，应用2.1.2双物场模型标准解，解决方案为引入新的场帮助系统实现前期处理碳纤维织物的功能，因此通过物场分析所得方案为：引入新场，通过引入超声波场加强清洁功能，形成新的物场模型如图5所示。

图5 物场模型图

1.4.4 运用进化规律解决问题

为了多方向找到解决问题的方案，可以利用TRIZ创新理论中的进化规律得到解决方案，TRIZ创新理论中的进化规律包括两个层次，进化法则和进化路线，进化法则指出技术系统进化发展的规律和宏观的模式与方向；进化路线反映了技术系统发展过程中会经历的具体阶段和进化顺序。进化规律可以帮助研发人员整合前面得到的技术方案，并对应技术路线，同时可以帮助研发人员找到没有形成方案空白的技术阶段，考虑得到新的解决问题的方案，通过对应研发中系统组件的状态特性，找到进化趋势符合 “向微观级进化路线”，粉末→液体→气体→场。

在制备过程中，聚醚醚酮由原来的粉末状，熔融后进化为胶液状，由此想到进化路线当中的向微级进化，下一级进化成气体，加入一种新物质来增加聚醚醚酮的粘度，后期不引入杂质，理想的方案是引入的物质可以在制备过程中辅助熔融后就成为气体，消失。同时也有化学场的作用存在。经过分析后找到符合这种特点的物质为DPS，可以在处理聚醚醚酮时加入DPS。

2 总 结

本文系统的描述了利用TRIZ创新理论解决问题的分析过程，以研发项目 “碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备与性能研究”为例，通过引入TRIZ创新方法解决了在制备碳纤维聚醚醚酮复合材料过程中存在的制备工艺参数不完善、成型件强度不高的问题，得到了若干个解决方案，当然还可以运用TRIZ理论中的效应、ARIZ等其它方法进一步得到更多的解决方案，在此不一一叙述，此文章的目的是抛砖引玉，帮助研发人员打破原有的传统研发模式，系统分析和解决问题.能够在很大程度上提升研发者的创新意识。推动TRIZ理论在研发过程中的普及和应用，使得TRIZ创新理论被越来越多的技术工程师所熟悉，加快行业的技术进步。

［1］Mann&Domb.Systematic Win－Win Problem Solving In A Business Environment.The TRIZ Journal，www.triz－journal.com.，2002

［2］Ruchti，B&Livotov，P.TRIZ－based Innovation Principles and A Process for Problem Solving in Business and Management［J］.The TRIZ Journal，2001：177～186

［3］何川，张鹏 .TRIZ理论研究综述 ［C］.中国机械工程学会年会，2002

［4］张世彤，门玉琢，单长楠 .多种创新方法集成与应用研究［J］.工业技术经济，2015，34（11）：154～160

［5］张炜达，肖周录，TRIZ理论的传播及对我国的影响 ［J］.生产力研究，2011：149～150

［6］郑称德，TRIZ的产生及其理论体系——TRIZ：创造性问题解决理论（Ⅰ）［J］.科技进步与对策，2002：112～114

［7］牛占文，徐燕申，林岳 .发明创造的科学方法论——TRIZ［J］.中国机械工程，1999，（1）：84～89

［8］丁俊武，韩玉启，郑称德.创新问题解决理论——TRIZ研究综述 ［J］.科学学与科学技术管理，2004：53～60

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

（责任编辑：史 琳）

2016—10—15

刘闯，吉林省科技创新平台管理中心主任，研究员，学士学位。研究方向 ：科技管理。石飞，通信作者，吉林省科技创新平台管理中心科员，创新方法讲师，硕士。研究方向 ：创新方法，高分子材料制备工艺。张晓明，吉林省科技创新平台管理中心科员，创新方法讲师。研究方向 ：科技管理。吴楠，吉林省科技创新平台管理中心科员，创新方法讲师。研究方向：创新方法。孙琳琳，吉林大学机械学院讲师。研究方向 ：工业工程。