劉 歡，王 帥，鄭 瑾，胡雪敏，曲昭成

（1.新疆科技學(xué)院，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841000；2.中原工學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450007）

1 研究背景

TRIZ 發(fā)明問(wèn)題解決理論（俄文теории решения изобретательских задач的英文標(biāo)音Tеоriyа Rеshеniyа Izоbrеаtаtеlskikh Zаdаtсh，縮寫(xiě)為T(mén)RIZ），是前蘇聯(lián)著名發(fā)明家阿奇舒勒（G.S.Altshullеr）提出并發(fā)展的，又稱(chēng)“發(fā)明算法”。其基本思想是，發(fā)明不是一兩個(gè)所謂發(fā)明家靈感迸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的瞬間火花，無(wú)跡可尋，發(fā)明自有其方法、自有其規(guī)律性。在該指導(dǎo)思想下，阿奇舒勒仔細(xì)分析對(duì)比了幾十萬(wàn)件發(fā)明專(zhuān)利，從中總結(jié)技術(shù)發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，提煉出一整套指導(dǎo)解決技術(shù)問(wèn)題、產(chǎn)生新發(fā)明的理論、方法及步驟。在該理論中，描述技術(shù)問(wèn)題時(shí)，需采用一套標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使該問(wèn)題以規(guī)范的形式呈現(xiàn)；而求解技術(shù)問(wèn)題時(shí)，更要遵循標(biāo)準(zhǔn)流程，通過(guò)分析技術(shù)矛盾以及運(yùn)用矛盾矩陣，尋求技術(shù)問(wèn)題的解決方案，從而獲得發(fā)明創(chuàng)造[1-5]。

類(lèi)比如下，TRIZ 理論解決發(fā)明問(wèn)題的過(guò)程恰如求解一元二次方程。技術(shù)問(wèn)題的描述就如一元二次方程呈現(xiàn)形式的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，無(wú)論初始階段學(xué)生求解的一元二次方程呈現(xiàn)出什么樣的形式，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程就是移項(xiàng)和合并同類(lèi)項(xiàng)， 并使一元二次方程呈現(xiàn)“aX2+bX+c=0”的形式。一旦呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)形式，就可以利用標(biāo)準(zhǔn)步驟得到一元二次方程的解。

如表1 所示，理解TRIZ 理論在技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，也可以用一元二次方程標(biāo)準(zhǔn)求解方法的貢獻(xiàn)來(lái)類(lèi)比。在沒(méi)有發(fā)展出一元二次方程歸一化和標(biāo)準(zhǔn)解方法之前，只有少數(shù)數(shù)學(xué)家和少數(shù)天才才能求解一元二次方程。然而，一旦掌握解方程的標(biāo)準(zhǔn)化步驟，一名初中生就可以熟練求解。發(fā)明問(wèn)題亦是如此，很多人認(rèn)為只有少數(shù)“發(fā)明家”、工程專(zhuān)家、技術(shù)能手才能搞發(fā)明，而阿奇舒勒認(rèn)為，任何一個(gè)人，只要掌握了發(fā)明問(wèn)題解決算法，都可以熟練進(jìn)行技術(shù)發(fā)明。

表1 一元二次方程和TRIZ 的解決工具體系類(lèi)比表

如同通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)步驟求解方程，利用TRIZ 工具可以獲得技術(shù)問(wèn)題的解。發(fā)明問(wèn)題被分析轉(zhuǎn)化成理想解和沖突區(qū)域等TRIZ 問(wèn)題，利用TRIZ 工具集確定TRIZ解，多個(gè)解進(jìn)行組合即得到改進(jìn)產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)解。TRIZ理論解決問(wèn)題過(guò)程示意圖如圖1 所示[6-10]。運(yùn)用TRIZ工具解題模型如圖2 所示。

圖1 TRIZ 理論解決問(wèn)題過(guò)程示意圖

圖2 運(yùn)用TRIZ 工具解題模型

阿奇舒勒認(rèn)為，產(chǎn)品在市場(chǎng)中不斷升級(jí)，由低級(jí)到高級(jí)不斷發(fā)展。產(chǎn)品創(chuàng)新的過(guò)程就是不斷解決沖突的過(guò)程。其中，對(duì)于物理沖突。TRIZ 理論提供4 條分離方法解決沖突：時(shí)間分離、空間分離、整體與部分分離、在同一種物質(zhì)中相反的特性共存[11-13]。

在紡織印染領(lǐng)域，水資源的巨大消耗和污染物的大量排放正制約著行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。紡織工業(yè)廢水占中國(guó)廢水排放約15%，達(dá)30 億t，其中約80%產(chǎn)生自染整行業(yè)。中國(guó)染整行業(yè)的規(guī)模巨大，產(chǎn)量占全球染整行業(yè)的70%以上，染整廢水的排放已經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)的水體環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，環(huán)保壓力巨大。因此，提升紡織品著色技術(shù)的環(huán)保性，減少著色過(guò)程水的使用及排放迫在眉睫。本文將分析紡織品著色的若干技術(shù)案例，討論TRIZ 理論特別是“分離原理”在發(fā)明解決方案中的體現(xiàn)，并從中總結(jié)技術(shù)啟示，尋找紡織品著色技術(shù)進(jìn)化的方向。

2 紡織品著色技術(shù)案例分析

2.1 原液著色技術(shù)

原液著色技術(shù)，又稱(chēng)紡前著色技術(shù)，指將著色劑置入紡絲液或紡絲熔體中，均勻混合后通過(guò)紡絲及后處理工序得到有色纖維的技術(shù)。

原液著色技術(shù)可以應(yīng)用于聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、纖維素纖維、聚丙烯纖維、聚酰胺纖維等的著色，國(guó)內(nèi)外若干原液著色纖維專(zhuān)利分析如表2 所示。

表2 若干原液著色纖維專(zhuān)利分析

原液著色方案被廣泛應(yīng)用于塑料制品的成型前著色，其技術(shù)方案與原液著色纖維一致，物理過(guò)程相似，只是成型時(shí)模具形狀不同，生產(chǎn)設(shè)備不同。用于纖維生產(chǎn)成型的模具是噴絲板，而生產(chǎn)塑料制品的模具依賴(lài)于制品的形狀；生產(chǎn)纖維的稱(chēng)為紡絲機(jī)，而生產(chǎn)塑料制品的稱(chēng)為注射機(jī)，本質(zhì)上而言均為高聚物成型裝置，在該裝置中高聚物流體（溶液或熔體）轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔畚锕腆w（纖維或塑料制品）。

獲得1 t 原液著色纖維素纖維，僅比生產(chǎn)本白纖維素纖維多消耗0.5 t 水、5 kW·h 電；而采用色母粒作為著色劑的熔體著色紡絲技術(shù)，如原液著色聚酯纖維的著色過(guò)程相比較于本白聚酯纖維，不多消耗水，僅增加熔融色母粒及混合熔體所需的能量。

2.2 非水介質(zhì)染色技術(shù)

專(zhuān)利CN201610342267.8 公開(kāi)了一種適用于活性染料的硅基非水介質(zhì)的染色方法，活性染料以顆粒狀態(tài)直接添加到染液中，僅使用少量的水、堿劑，與相對(duì)較多的硅基介質(zhì)對(duì)棉進(jìn)行染色，染色結(jié)束后介質(zhì)回收利用，實(shí)現(xiàn)了活性染料的綠色環(huán)保染色[19]。專(zhuān)利CN201610342250.2公開(kāi)了一種適用于腈綸紗線的硅基非水介質(zhì)染色方法，通過(guò)溶解有染料的酸性溶液與硅基非水介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)腈綸紗線的綠色環(huán)保染色[20]。專(zhuān)利CN201610805839.1公開(kāi)了一種適用于筒子紗的硅基非水介質(zhì)染色方法，溶解有染料的水相染液在泵的作用下被輸送到染色對(duì)象之中[21]。專(zhuān)利CN201610590566.3公開(kāi)了一種適用于活性染料的非水介質(zhì)固色方法，首先將染液以某種方式如浸軋、浸液-離心脫水、印花等方式施加到紡織品上，然后將紡織品在非水介質(zhì)中固色[22]，該技術(shù)可以在非水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)織物的連續(xù)染色。

縱觀以上非水介質(zhì)染色技術(shù)，染色體系存在3 個(gè)不同的相：非水介質(zhì)相、水相和纖維固體相。由于實(shí)現(xiàn)溶解染料、溶脹纖維和助滲助染功能所需的水量很小，染色體系中的水相質(zhì)量可以控制得很低，能夠完全被親水性的纖維吸收，且因與周?chē)姆撬橘|(zhì)互不相溶而不易從纖維上脫落。親水性染料完全不溶于非水介質(zhì)，卻與纖維上的水以及纖維本身有很高的親和力。因此，將其加入染色體系時(shí)，染料具有棄介質(zhì)趨含水纖維的強(qiáng)烈趨勢(shì)，即染料在纖維上的分配率遠(yuǎn)高于非水介質(zhì)。非水介質(zhì)染色原理示意圖如圖3 所示，該上染機(jī)理與傳統(tǒng)水浴中的上染機(jī)理有很大差別，染色體系中無(wú)電解質(zhì)促染即可達(dá)到100%的上染率。由于染色體系中的水相在染色后基本被纖維帶走，因此該染色過(guò)程不產(chǎn)生染色廢水。非水介質(zhì)染色技術(shù)原則上適用于所有的水溶性染料對(duì)親水性纖維的染色，具有很高的普適性。對(duì)于活性染料而言，非水介質(zhì)染色可在水量很少、溫度較低條件下以較短的時(shí)間完成，活性染料的水解得到控制，大大提高了染料利用率，技術(shù)優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

圖3 非水介質(zhì)染色原理示意圖[23]

2.3 續(xù)缸染色技術(shù)

專(zhuān)利CN201810741126.2 公開(kāi)了一種零排水的散纖維植物續(xù)缸染色方法，染缸染色完成后通過(guò)離心脫水，收集的殘液可作為下一缸染色的介質(zhì)，向其中加入染料和助劑即可進(jìn)行續(xù)染，從而達(dá)到零排放染色[24]。專(zhuān)利CN201410420751.9 公開(kāi)了一種同色-深色活性染料染針織物續(xù)缸染色方法，對(duì)頭缸腳水的成分分析后，向其中補(bǔ)充凈水和原始染劑以達(dá)到大量頭缸腳水的再利用[25]。專(zhuān)利CN201510586725.8 公開(kāi)了一種節(jié)能減排的纖維制品續(xù)缸染色系統(tǒng)，通過(guò)流量計(jì)和在線分光測(cè)色系統(tǒng)可計(jì)算出續(xù)缸染色所需要追加的染料量、助劑量等[26]。

續(xù)缸染色技術(shù)分離染色后的殘液，并將其作為下一缸染色的介質(zhì)，通過(guò)補(bǔ)充消耗掉的水和染劑，實(shí)現(xiàn)殘液的再利用。該技術(shù)可用于纖維、紗線和織物的同種工藝染色，大大提高水的利用率，減少染色廢水排放。

3 染色體系中的介質(zhì)與有效水

傳統(tǒng)水浴染色中，水的作用至關(guān)重要，水在水浴染色中的功能解析如圖4 所示。其基本方法是將染料溶解于水，再將纖維集合體置于染料溶液中進(jìn)行染色，水浴染色的實(shí)質(zhì)是染料在纖維和水兩相間的分配。溶解在水中的染料與水高度相容，染料傾向于留在水中。有些纖維與染料因存在同種電荷而相斥，更不易上染纖維，因此，需要向染液中添加大量的電解質(zhì)來(lái)促染。染色平衡時(shí)，染料對(duì)纖維的上染率不可能達(dá)到100%，仍有相當(dāng)多比例的染料留在水中，這是大量含染料的有色廢水的來(lái)源，也是水溶性染料采用水浴染色方法不可避免的問(wèn)題。

圖4 水在水浴染色中的功能解析

TRIZ 理論中，任何技術(shù)進(jìn)化的方向都是“理想機(jī)器”。所謂理想機(jī)器，就是完全無(wú)須考慮外界條件的限制，物質(zhì)或機(jī)器以最理想化的方式發(fā)生狀態(tài)改變或運(yùn)行。染色過(guò)程初始時(shí)，染料和纖維集合體是兩個(gè)分離的相；而在染色過(guò)程的終態(tài)，染料以極小顆?；蚍肿訝顟B(tài)均勻分散于纖維內(nèi)部。理想化的染色過(guò)程是染料自動(dòng)離解為小顆粒分子并毫無(wú)障礙地?cái)U(kuò)散至纖維內(nèi)部。阿奇舒勒曾告誡發(fā)明家們，運(yùn)用TRIZ 理論描述“理想機(jī)器”時(shí)，應(yīng)盡量避免使用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，因?yàn)閷?zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)本身就帶有某一領(lǐng)域的“烙印”，進(jìn)而限定了發(fā)明家思考的方向。如此說(shuō)來(lái)，越是對(duì)某一過(guò)程進(jìn)行精確的學(xué)術(shù)化描述，越不利于技術(shù)創(chuàng)新?！半x解”“分子”“擴(kuò)散”均應(yīng)在“理想機(jī)器”描述中去除，從而可將理想化的染色過(guò)程描述為在沒(méi)有外界作用下，染料變小并毫無(wú)困難地進(jìn)入纖維的過(guò)程。

在TRIZ 理論中，對(duì)當(dāng)下技術(shù)運(yùn)用分離原理進(jìn)行分析，并與“理想機(jī)器”對(duì)比，可以讓發(fā)明家看清現(xiàn)有機(jī)器和體系的功能本質(zhì)，找到其與“理想機(jī)器”的差距，從而對(duì)分離后的不同機(jī)械部分、不同物理區(qū)域、不同功能載體施加有差異的影響。

通過(guò)對(duì)水浴染色過(guò)程中水的功能分析，看似無(wú)差別的水被“分離”為具有不同功能的水。水在染色過(guò)程中不同功能及其用水量解析如表3 所示。經(jīng)與“理想機(jī)器”對(duì)比，能對(duì)應(yīng)理想染色過(guò)程的是“溶解染料”用水、“溶脹纖維、擴(kuò)散”用水，可把傳統(tǒng)水浴染色過(guò)程中這部分水稱(chēng)為“有效水”；而將“理想染色過(guò)程”中無(wú)對(duì)應(yīng)過(guò)程，僅發(fā)揮介質(zhì)功能的“承載纖維”用水、“洗滌纖維”用水稱(chēng)為“介質(zhì)水”；將“水解染料”水稱(chēng)為“有害水”。傳統(tǒng)水浴染色過(guò)程中，“有效水”占整體水消耗的1%左右，而“介質(zhì)水”占比則高達(dá)99%。

表3 水在染色過(guò)程中不同功能及其用水量解析（以1 kg 纖維集合體為例）

從TRIZ 理論的視角再來(lái)分析上文所述的紡織品著色技術(shù)案例。在“續(xù)缸染色技術(shù)”中，染色體系中的“有效水”被纖維吸收，而存留的染色殘液可視為“介質(zhì)”，將此部分“介質(zhì)水”循環(huán)回收，從而實(shí)現(xiàn)廢水的再利用。

在非水介質(zhì)染色技術(shù)中，染色體系除水相外增加了油相即“介質(zhì)相”，保留纖維溶脹、染料助劑溶解需要的“有效水”，而將“介質(zhì)水”，用既不能溶解染料，也不能和水相溶的非極性溶劑即“介質(zhì)”來(lái)替代。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是，“介質(zhì)”在使用過(guò)程中可以完全回收、重復(fù)使用，“有效水”大部分被纖維吸收后剩余部分也可以經(jīng)處理再重復(fù)利用，從而達(dá)到“污水零排放”。用“介質(zhì)”代替了“介質(zhì)水”，極大地降低了染料的水解，提高了染料利用率。

在原液著色技術(shù)中，以纖維素纖維為例，著色劑被分散在少量水中，其作用是溶解或分散著色劑及助劑，此時(shí)纖維尚未成型，無(wú)須溶脹。原液著色過(guò)程使用的水量為“有效水”的一部分，不使用“介質(zhì)水”。原液著色技術(shù)極其接近染色“理想機(jī)器”，著色所需的用水量極低，1 t 纖維僅需50～100 kg 水，減少了傳統(tǒng)水浴染色過(guò)程99%的水耗。

4 結(jié)論

染色的本質(zhì)是染料或著色劑從纖維外部以一種狀態(tài)向纖維內(nèi)部的另外一種狀態(tài)遷移與轉(zhuǎn)化。最理想的染色過(guò)程是，在沒(méi)有外界作用下，染料變小并毫不困難地進(jìn)入纖維，其間不需要任何載體和場(chǎng)的作用。

利用TRIZ 的分離原理把傳統(tǒng)水浴染色過(guò)程中的水按功能分離為“有效水”和“介質(zhì)水”。采用新的技術(shù)方案減少“介質(zhì)”水，乃至使其等于零是紡織品著色技術(shù)的發(fā)展方向。