TRIZ 理論在紡織品清潔生產(chǎn)中的應用＊

劉 歡，王 帥，鄭 瑾，胡雪敏，曲昭成

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

1 研究背景

TRIZ 發(fā)明問題解決理論（俄文теории решения изобретательских задач的英文標音Tеоriyа Rеshеniyа Izоbrеаtаtеlskikh Zаdаtсh，縮寫為TRIZ），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“發(fā)明算法”。其基本思想是，發(fā)明不是一兩個所謂發(fā)明家靈感迸發(fā)時產(chǎn)生的瞬間火花，無跡可尋，發(fā)明自有其方法、自有其規(guī)律性。在該指導思想下，阿奇舒勒仔細分析對比了幾十萬件發(fā)明專利，從中總結(jié)技術發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，提煉出一整套指導解決技術問題、產(chǎn)生新發(fā)明的理論、方法及步驟。在該理論中，描述技術問題時，需采用一套標準和規(guī)范，使該問題以規(guī)范的形式呈現(xiàn)；而求解技術問題時，更要遵循標準流程，通過分析技術矛盾以及運用矛盾矩陣，尋求技術問題的解決方案，從而獲得發(fā)明創(chuàng)造[1-5]。

類比如下，TRIZ 理論解決發(fā)明問題的過程恰如求解一元二次方程。技術問題的描述就如一元二次方程呈現(xiàn)形式的標準化過程，無論初始階段學生求解的一元二次方程呈現(xiàn)出什么樣的形式，標準化過程就是移項和合并同類項， 并使一元二次方程呈現(xiàn)“aX2+bX+c=0”的形式。一旦呈現(xiàn)出標準形式，就可以利用標準步驟得到一元二次方程的解。

如表1 所示，理解TRIZ 理論在技術創(chuàng)新領域的貢獻，也可以用一元二次方程標準求解方法的貢獻來類比。在沒有發(fā)展出一元二次方程歸一化和標準解方法之前，只有少數(shù)數(shù)學家和少數(shù)天才才能求解一元二次方程。然而，一旦掌握解方程的標準化步驟，一名初中生就可以熟練求解。發(fā)明問題亦是如此，很多人認為只有少數(shù)“發(fā)明家”、工程專家、技術能手才能搞發(fā)明，而阿奇舒勒認為，任何一個人，只要掌握了發(fā)明問題解決算法，都可以熟練進行技術發(fā)明。

表1 一元二次方程和TRIZ 的解決工具體系類比表

如同通過標準步驟求解方程，利用TRIZ 工具可以獲得技術問題的解。發(fā)明問題被分析轉(zhuǎn)化成理想解和沖突區(qū)域等TRIZ 問題，利用TRIZ 工具集確定TRIZ解，多個解進行組合即得到改進產(chǎn)品的現(xiàn)實解。TRIZ理論解決問題過程示意圖如圖1 所示[6-10]。運用TRIZ工具解題模型如圖2 所示。

圖1 TRIZ 理論解決問題過程示意圖

圖2 運用TRIZ 工具解題模型

阿奇舒勒認為，產(chǎn)品在市場中不斷升級，由低級到高級不斷發(fā)展。產(chǎn)品創(chuàng)新的過程就是不斷解決沖突的過程。其中，對于物理沖突。TRIZ 理論提供4 條分離方法解決沖突：時間分離、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)廢水占中國廢水排放約15%，達30 億t，其中約80%產(chǎn)生自染整行業(yè)。中國染整行業(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)對國內(nèi)的水體環(huán)境造成了嚴重的污染，環(huán)保壓力巨大。因此，提升紡織品著色技術的環(huán)保性，減少著色過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)技術啟示，尋找紡織品著色技術進化的方向。

2 紡織品著色技術案例分析

2.1 原液著色技術

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

原液著色技術可以應用于聚酯纖維、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，國內(nèi)外若干原液著色纖維專利分析如表2 所示。

表2 若干原液著色纖維專利分析

原液著色方案被廣泛應用于塑料制品的成型前著色，其技術方案與原液著色纖維一致，物理過程相似，只是成型時模具形狀不同，生產(chǎn)設備不同。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于制品的形狀；生產(chǎn)纖維的稱為紡絲機，而生產(chǎn)塑料制品的稱為注射機，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，如原液著色聚酯纖維的著色過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

專利CN201610342267.8 公開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，與相對較多的硅基介質(zhì)對棉進行染色，染色結(jié)束后介質(zhì)回收利用，實現(xiàn)了活性染料的綠色環(huán)保染色[19]。專利CN201610342250.2公開了一種適用于腈綸紗線的硅基非水介質(zhì)染色方法，通過溶解有染料的酸性溶液與硅基非水介質(zhì)，實現(xiàn)腈綸紗線的綠色環(huán)保染色[20]。專利CN201610805839.1公開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象之中[21]。專利CN201610590566.3公開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]，該技術可以在非水介質(zhì)中實現(xiàn)織物的連續(xù)染色。

縱觀以上非水介質(zhì)染色技術，染色體系存在3 個不同的相：非水介質(zhì)相、水相和纖維固體相。由于實現(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，且因與周圍的非水介質(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，染料具有棄介質(zhì)趨含水纖維的強烈趨勢，即染料在纖維上的分配率遠高于非水介質(zhì)。非水介質(zhì)染色原理示意圖如圖3 所示，該上染機理與傳統(tǒng)水浴中的上染機理有很大差別，染色體系中無電解質(zhì)促染即可達到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，因此該染色過程不產(chǎn)生染色廢水。非水介質(zhì)染色技術原則上適用于所有的水溶性染料對親水性纖維的染色，具有很高的普適性。對于活性染料而言，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，技術優(yōu)勢尤為明顯。

圖3 非水介質(zhì)染色原理示意圖[23]

2.3 續(xù)缸染色技術

專利CN201810741126.2 公開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行續(xù)染，從而達到零排放染色[24]。專利CN201410420751.9 公開了一種同色-深色活性染料染針織物續(xù)缸染色方法，對頭缸腳水的成分分析后，向其中補充凈水和原始染劑以達到大量頭缸腳水的再利用[25]。專利CN201510586725.8 公開了一種節(jié)能減排的纖維制品續(xù)缸染色系統(tǒng)，通過流量計和在線分光測色系統(tǒng)可計算出續(xù)缸染色所需要追加的染料量、助劑量等[26]。

續(xù)缸染色技術分離染色后的殘液，并將其作為下一缸染色的介質(zhì)，通過補充消耗掉的水和染劑，實現(xiàn)殘液的再利用。該技術可用于纖維、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行染色，水浴染色的實質(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)來促染。染色平衡時，染料對纖維的上染率不可能達到100%，仍有相當多比例的染料留在水中，這是大量含染料的有色廢水的來源，也是水溶性染料采用水浴染色方法不可避免的問題。

圖4 水在水浴染色中的功能解析

TRIZ 理論中，任何技術進化的方向都是“理想機器”。所謂理想機器，就是完全無須考慮外界條件的限制，物質(zhì)或機器以最理想化的方式發(fā)生狀態(tài)改變或運行。染色過程初始時，染料和纖維集合體是兩個分離的相；而在染色過程的終態(tài)，染料以極小顆?；蚍肿訝顟B(tài)均勻分散于纖維內(nèi)部。理想化的染色過程是染料自動離解為小顆粒分子并毫無障礙地擴散至纖維內(nèi)部。阿奇舒勒曾告誡發(fā)明家們，運用TRIZ 理論描述“理想機器”時，應盡量避免使用專業(yè)術語，因為專業(yè)術語本身就帶有某一領域的“烙印”，進而限定了發(fā)明家思考的方向。如此說來，越是對某一過程進行精確的學術化描述，越不利于技術創(chuàng)新。“離解”“分子”“擴散”均應在“理想機器”描述中去除，從而可將理想化的染色過程描述為在沒有外界作用下，染料變小并毫無困難地進入纖維的過程。

在TRIZ 理論中，對當下技術運用分離原理進行分析，并與“理想機器”對比，可以讓發(fā)明家看清現(xiàn)有機器和體系的功能本質(zhì)，找到其與“理想機器”的差距，從而對分離后的不同機械部分、不同物理區(qū)域、不同功能載體施加有差異的影響。

通過對水浴染色過程中水的功能分析，看似無差別的水被“分離”為具有不同功能的水。水在染色過程中不同功能及其用水量解析如表3 所示。經(jīng)與“理想機器”對比，能對應理想染色過程的是“溶解染料”用水、“溶脹纖維、擴散”用水，可把傳統(tǒng)水浴染色過程中這部分水稱為“有效水”；而將“理想染色過程”中無對應過程，僅發(fā)揮介質(zhì)功能的“承載纖維”用水、“洗滌纖維”用水稱為“介質(zhì)水”；將“水解染料”水稱為“有害水”。傳統(tǒng)水浴染色過程中，“有效水”占整體水消耗的1%左右，而“介質(zhì)水”占比則高達99%。

表3 水在染色過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 理論的視角再來分析上文所述的紡織品著色技術案例。在“續(xù)缸染色技術”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，從而實現(xiàn)廢水的再利用。

在非水介質(zhì)染色技術中，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)”來替代。該技術的優(yōu)勢是，“介質(zhì)”在使用過程中可以完全回收、重復使用，“有效水”大部分被纖維吸收后剩余部分也可以經(jīng)處理再重復利用，從而達到“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，此時纖維尚未成型，無須溶脹。原液著色過程使用的水量為“有效水”的一部分，不使用“介質(zhì)水”。原液著色技術極其接近染色“理想機器”，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。最理想的染色過程是，在沒有外界作用下，染料變小并毫不困難地進入纖維，其間不需要任何載體和場的作用。

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