基于TRIZ理論的分散染料產品創新方法

雷琴+陳曉霞

摘要：本文創新性地將TRIZ理論與分散染料產品創新相結合，利用TRIZ理論分析了歷年來分散染料的授權發明專利，通過分散染料技術系統進化階段的判斷構建了分散染料的復配模型，最終提出分散染料產品創新的具體方法。

關鍵詞：TRIZ；分散染料；產品創新；復配

中圖分類號：G306 文獻標志碼：B

Product Innovation Method of Disperse Dyes Based on TRIZ Theory

Abstract： The TRIZ theory was used in the product innovation of disperse dyes. The invention patents over the years involving disperse dyes were analyzed， and then the model of complex formulation of disperse dyes was constructed by the judgment of the evolution stage of the technology system of disperse dyes， and finally the specific methods of product innovation of disperse dyes were proposed.

Key words： TRIZ； disperse dyes； product innovation； complex formulation

聚酯纖維具有結構致密和疏水性強等特點，導致其染色必須用分子量小、分子結構簡單和疏水性強的分散染料。近年來，由于聚酯及其混紡織物需求的不斷增長，使得其專用分散染料成為目前染料市場占有率最大的品種之一。但是，隨著Oeke-Tex？ Standard 100、Eco-label等質量認證標準在國際紡織品交易市場上的普及，分散染料中使用較廣的一些品種因上染率和色牢度差、環境污染嚴重、致癌性強等問題而被禁用，如其中產量最大的C.I.分散黃23就由于強致癌性被明確禁用。因此，開發高性能綠色分散染料新品彌補市場空缺就顯得尤為重要。本文借助TRIZ理論，對分散染料相關授權發明專利進行分析，以期在產品創新方面給予分散染料生產企業以指導。

1 產品創新工具 —— TRIZ理論

新產品的創新必須綜合考慮企業經濟效益要求、使用性能要求和生產工藝要求等因素，其核心和難點是設計概念的創新。而由前蘇聯科學家G. S. Altshule在分析研究近250萬件高水平發明專利基礎上提出來的解決發明問題的TRIZ理論，能夠高效率地指導設計概念的創新。

TRIZ理論的核心思想是技術系統進化法則，即任何技術系統的進化必定遵循一定的客觀發展規律，且進化過程中解決問題的方式總是存在一定的相似性。在TRIZ理論中，Altshuler首先通過對專利的深入研究，根據專利數量和專利創新等級等客觀參數的趨勢性變化將技術系統進化的整個歷程劃分為 4 個階段，分別是嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，正確判斷技術系統所處的進化階段有利于企業產品創新策略的制定。進而，該理論將企業制定產品創新策略過程中可能面臨的問題歸納為技術矛盾、物理矛盾和管理矛盾，并用39個通用工程參數予以表征，并于矛盾矩陣表（矛盾矩陣表是39×39表格，在橫向、縱向依次填充39個通用工程參數表征系統進化過程中的惡化參數和改善參數，縱橫相交處的每一個單元格內是TRIZ理論建議優先使用的40個創新原理編號）中根據技術系統特有的惡化和改善工程參數確定相應的創新原理。最后，企業結合相關系統實際情況選用TRIZ理論的創新原理并將其運用于產品創新中。

運用TRIZ理論指導紡織領域產品創新的想法已經被眾多學者實踐，如高慧芳利用TRIZ理論解決膠原蛋白/聚乙烯醇復合纖維線密度提高問題；S. Ramaswamy等討論TRIZ理論指導生物高分子纖維低耗能紡紗。本文則將TRIZ理論與分散染料創新相結合，探討TRIZ理論指導分散染料新品研發的可操作性，重點在于解決分散染料設計概念創新難的問題。為解決上述問題，第一步，檢索近年來分散染料的國內授權發明專利，通過對相關專利的數量和等級進行統計分析，判斷分散染料系統所處的進化階段，確定企業應采取的產品創新策略；第二步，借助TRIZ理論，分析分散染料創新過程中面臨的主要矛盾并篩選適宜的通用工程參數進行表征；第三步，利用表征分散染料矛盾的通用工程參數確定最優創新原理，將所確定的最優創新原理與分散染料實際情況相結合，因地制宜地指導分散染料企業進行產品創新。

首先，利用TRIZ理論的系統進化理論對國內分散染料授權發明專利進行檢索并分析。在中國國家知識產權局網站的“專利檢索與服務系統”中進行國內分散染料相關授權發明專利檢索。檢索方法為：在表格檢索的檢索方式下選擇“中國專利檢索”，文獻類型勾選“授權公告文獻”，專利類型勾選“發明”，在“發明名稱”字段中以檢索詞“分散 and染料”進行檢索，共檢索出1995 — 2012年中國發明授權專利256項（2013 — 2014年的數據由于絕大多數專利申請可能仍舊處于審查階段，尚未獲得授權，因此沒有將其統計在內）。授權發明專利數量隨時間變化情況如圖 1 所示。

其次，根據TRIZ理論中的專利“創新等級”原理將分散染料授權發明專利按照對科學的貢獻程度和技術的應用范圍等指標劃分為 5 個等級，計算年均專利創新等級平均值并在Origin軟件上進行曲線擬合。

全面分析檢索得到的256項中國分散染料發明授權專利，得知上述發明授權專利僅涉及TRIZ理論 5 個創新等級的前 3 級。結合染料領域專業知識后得出下面的具體分類標準，第 1 級是在已有分散染料單體分子結構基礎上對染料進行復配改性；第 2 級是發明新型分散染料單體結構；第3 級主要包括對分散染料的生產工藝、設備和用途進行改進和拓展。根據上述 3 個創新等級進行專利創新等級劃分，統計第 1 級共145項發明授權專利，第 2 級共44項，第 3 級共67項。計算年均專利創新等級平均值并運用Origin軟件進行傅里葉曲線擬合，結果見圖 2。

分析圖 2 可知，自1995年以來，中國分散染料授權發明專利的等級整體呈緩慢下降趨勢。在前期（1995 — 2001年），分散染料授權發明專利主要為TRIZ理論 5 個創新等級中的第 2 級和第 3 級，企業多選擇發明全新分散染料單體結構或運用多學科知識對分散染料的生產工藝、設備和用途進行較大程度的改進，這個階段的特征是高投資低收益，企業主要致力于確立技術優勢；在中后期，分散染料專利主要為第 1 級，含有少量第 2 級。這表明了在中后期企業轉變了產品創新的方向，多數研究人員轉向運用本學科知識進行分散染料復配改性，即對原有分散染料組合配方進行小幅度的改進，特征為生產企業前期投資在中后期開始產生豐厚收益。

最后，結合分散染料授權發明專利數量和等級的變化趨勢，判斷分散染料技術系統目前所處的進化階段，并在此基礎上指導企業制定產品創新策略來降低投資風險、獲得高額投資收益。

將圖 1 和圖 2 結合進行整體分析可知，自1995年以來，中國分散染料授權發明專利數量穩步上升但等級逐年下降，分散染料系統完整地經歷了TRIZ理論技術進化的 4 個階段。2006年之后專利數量迅速增加，專利創新等級仍然穩步下降且專利多屬于第 1 級，滿足第 3 階段成熟期的發展規律。因此，可以確定目前分散染料技術系統處于成熟期階段。在成熟期階段，整個分散染料系統已基本趨于完善，各項性能水平達到最高，企業所獲利潤最大，追加研究所形成的新專利技術多半是對染料進行復配改性，以此來維持企業的優勢地位。

由此確定分散染料企業應采取的產品創新策略為對現有分散染料復合配方進行改進以適應市場需求。因此就需要建立分散染料復配模型，從而幫助研發人員把握染料復配的方法，指導產品創新的生產實踐。

3 分散染料復配模型的建立

以分散染料領域龍頭企業浙江龍盛集團股份有限公司為模板，系統地分析其擁有的50項分散染料相關授權發明專利并建立分散染料復配模型。

首先按本文第 2 節中所述檢索方式對浙江龍盛集團股份有限公司所擁有的分散染料授權發明專利進行檢索并下載相應專利文檔；其次，仔細閱讀已下載的專利說明書，著重分析說明書中專利名稱、摘要、背景技術和實施案例；再次，從背景技術部分中總結出該企業近年來著力解決的主要技術矛盾并選取TRIZ理論的39個通用工程參數中的數個參數對上述矛盾進行簡單化表征，并利用上述通用參數在矛盾矩陣列表中確定40個創新原理中具體適用的原理種類；最后，將確定的創新原理對專利說明書中專利摘要、實施例部分內容進行分析，然后建立相關分散染料復配模型以指導產品創新。

3.1 分散染料的技術矛盾的表征

以浙江龍盛擁有的50項分散染料授權發明專利為切入點，詳細分析了專利說明書中背景技術部分，了解到目前商品化分散染料存在的問題主要有商品化分散染料商品化質量差、制造和使用過程環境污染大以及染料各項性能難以滿足多元化使用需求。根據TRIZ理論中技術矛盾的表達方式，可將上述問題抽象為由通用工程參數表征的技術矛盾。

上述50項發明授權專利一直試圖改善的分散染料重要指標如上染率和色牢度，可以用第14個通用工程參數強度表征；環境污染性和生物毒性可以歸結為第27個通用工程參數可靠性；滌綸、超細旦滌綸、滌/棉和滌/氨混紡織物等多品種織物的廣泛適用性，可以用第35個通用工程參數適用性和多用性表征。上述性能指標的改善必將導致分散染料生產難度的增加、使用過程中染色質量控制難度的提升以及生產率的下降，相應地分別可以用第32個通用工程參數可制造性，第36個通用工程參數系統的復雜性以及第39個通用工程參數生產率予以表征。在上述正確表征之上從矛盾矩陣表中抽取出相應的創新原理集合，共同組成分散染料創新過程中的矛盾矩陣表（表 1）。

根據表 1，綜合創新原理解決的問題類別和在分散染料領域的實際適用性，最終選用TRIZ的40條創新理論中的第 1 條分割原理和第27條替代原理指導分散染料復配模型的構建。

3.2 分散染料復配模型構建

分析浙江龍盛50項分散染料授權發明專利說明書中摘要和實施例部分，發現其分散染料的創新研發多是在已有染料結構基礎上進行復配形成染色性能提升的組合染料。

3.2.1 組合染料配方分割

在第3.1節中所確定的TRIZ理論第 1 條分割原理指導下，將上述50項授權發明專利中的所有復配染料配方進行分割，成功劃分出染料母體結構、取代基種類和取代基位置等3 個主要專利創新點并建立相應創新點集合（表 2）。

由表 2 可知，組成分散染料復合配方的各染料單體母體多為偶氮苯結構，配方的區別多集中在取代基的種類和位置這兩個創新點上；統計偶氮苯結構上R1 ～ R9不同種類取代基的頻率，得出各取代基位置上的高頻取代基和優選取代基，共同組成取代基種類創新點集合；取代基的位置創新點集合是在前兩點基礎上統計得到的 4 組頻率最高的取代基組合且它們的R1取代基均為硝基。

以表 2 為數據來源，結合分散染料市場上已存在的三原色色系分散染料，篩選出典型染料三原色構建典型染料三原色模型，如表 3 所示。

表 3 的紅、黃、藍三色發色單體的分子結構式的組成符合表 2 的規律，其母體均為偶氮苯結構；取代基的位置分別是取代基位置創新點集合中的 2、3、5 位，2、3 位和 2、5位；各位置上的取代基均出自于取代基種類創新點集合，并簡要論述上表三色發色單體性能特點。染料復合配方是在染料三原色系中選擇適當的染色單體進行配比，可以調制出特定的顏色和光澤的組合染料。

3.2.2 替換完成分散染料的創新

在3.1所確定的TRIZ理論第27條替代原理的指導下，根據3.2.1中所建立的 3 個主要專利創新點集合（表 2）和三原色染色單體分子結構式（表 3），在實現相同性能基礎上進行等效替代，進而實現分散染料的產品創新，其方法可以概括為以下 4 種：

（1）染料單體的取代基種類變化：僅對分散染料復配配方中各染料單體的取代基種類進行替代改性，其變化來源是表 2 的取代基種類創新點集合，以達到對染料的復配創新。如含有鹵素取代基的染料單體，可以采用Cl和Br互換方式；含有烷基取代基的染料單體，可以采用適當增加或減少碳鏈上亞甲基數目的方式；直接在取代基末端引入新的基團，如氰基、苯環、乙烯基等。

（2）染料單體的取代基位置變化：僅對分散染料復配配方中各染色單體的取代基位置進行替代改性，已達到對染料的復配創新。如對于表 3 的三原色染色單體，可以將氰基、溴原子、氯原子或—NHCOCH3的位置在原苯環上進行調整。

（3）染料單體取代基的數量和位置組合變化：維持染料單體主結構不變，同時改變取代基的種類和位置，其變化來源可以是表 2 的創新點集合，從而完成對組合配方的創新。

（4）分散染料組合配方中染色單體變化：對分散染料組合配方中的各染色單體進行變化，其變化基于以上 3 種方法，從而對染料進行復配改性。組合配方多是由三原色染色單體組合而成，可以將配方中的三原色染色單體按照前 3 種方法進行改性，產生性能相似的染色單體組合形成新的復合配方。

前 3 種方法由于改變程度較小，成功率高而為廣大分散染料企業所采用，但是對于性能的改善幅度不大，創造利潤有限；第 4 種方法是對于前 3 種方法的綜合，需面對較大幅度改變染色單體后組合配方染色單體配比的變化和生產難度的提升，研究經費投入和失敗率雙高的問題，但是成功后所能夠產生的經濟收益也是最大的，是希望能夠占據分散行業優勢地位的企業的較優選擇。

4 結束語

本文將TRIZ理論應用于分散染料領域得出了在TRIZ理論指導下的 4 種分散染料復配的產品創新方法。該方法能夠在一定程度上指導企業進行分散染料產品創新，提高企業產品創新效率，縮短產品創新周期；同時TRIZ理論分析過程中整理的歷年來分散染料授權發明專利，能夠幫助企業有效規避專利侵權問題，保證企業所指定的產品創新策略的正確性和高效性。

參考文獻

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（1）染料單體的取代基種類變化：僅對分散染料復配配方中各染料單體的取代基種類進行替代改性，其變化來源是表 2 的取代基種類創新點集合，以達到對染料的復配創新。如含有鹵素取代基的染料單體，可以采用Cl和Br互換方式；含有烷基取代基的染料單體，可以采用適當增加或減少碳鏈上亞甲基數目的方式；直接在取代基末端引入新的基團，如氰基、苯環、乙烯基等。

（2）染料單體的取代基位置變化：僅對分散染料復配配方中各染色單體的取代基位置進行替代改性，已達到對染料的復配創新。如對于表 3 的三原色染色單體，可以將氰基、溴原子、氯原子或—NHCOCH3的位置在原苯環上進行調整。

（3）染料單體取代基的數量和位置組合變化：維持染料單體主結構不變，同時改變取代基的種類和位置，其變化來源可以是表 2 的創新點集合，從而完成對組合配方的創新。

（4）分散染料組合配方中染色單體變化：對分散染料組合配方中的各染色單體進行變化，其變化基于以上 3 種方法，從而對染料進行復配改性。組合配方多是由三原色染色單體組合而成，可以將配方中的三原色染色單體按照前 3 種方法進行改性，產生性能相似的染色單體組合形成新的復合配方。

前 3 種方法由于改變程度較小，成功率高而為廣大分散染料企業所采用，但是對于性能的改善幅度不大，創造利潤有限；第 4 種方法是對于前 3 種方法的綜合，需面對較大幅度改變染色單體后組合配方染色單體配比的變化和生產難度的提升，研究經費投入和失敗率雙高的問題，但是成功后所能夠產生的經濟收益也是最大的，是希望能夠占據分散行業優勢地位的企業的較優選擇。

4 結束語

本文將TRIZ理論應用于分散染料領域得出了在TRIZ理論指導下的 4 種分散染料復配的產品創新方法。該方法能夠在一定程度上指導企業進行分散染料產品創新，提高企業產品創新效率，縮短產品創新周期；同時TRIZ理論分析過程中整理的歷年來分散染料授權發明專利，能夠幫助企業有效規避專利侵權問題，保證企業所指定的產品創新策略的正確性和高效性。

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（1）染料單體的取代基種類變化：僅對分散染料復配配方中各染料單體的取代基種類進行替代改性，其變化來源是表 2 的取代基種類創新點集合，以達到對染料的復配創新。如含有鹵素取代基的染料單體，可以采用Cl和Br互換方式；含有烷基取代基的染料單體，可以采用適當增加或減少碳鏈上亞甲基數目的方式；直接在取代基末端引入新的基團，如氰基、苯環、乙烯基等。

（2）染料單體的取代基位置變化：僅對分散染料復配配方中各染色單體的取代基位置進行替代改性，已達到對染料的復配創新。如對于表 3 的三原色染色單體，可以將氰基、溴原子、氯原子或—NHCOCH3的位置在原苯環上進行調整。

（3）染料單體取代基的數量和位置組合變化：維持染料單體主結構不變，同時改變取代基的種類和位置，其變化來源可以是表 2 的創新點集合，從而完成對組合配方的創新。

（4）分散染料組合配方中染色單體變化：對分散染料組合配方中的各染色單體進行變化，其變化基于以上 3 種方法，從而對染料進行復配改性。組合配方多是由三原色染色單體組合而成，可以將配方中的三原色染色單體按照前 3 種方法進行改性，產生性能相似的染色單體組合形成新的復合配方。

前 3 種方法由于改變程度較小，成功率高而為廣大分散染料企業所采用，但是對于性能的改善幅度不大，創造利潤有限；第 4 種方法是對于前 3 種方法的綜合，需面對較大幅度改變染色單體后組合配方染色單體配比的變化和生產難度的提升，研究經費投入和失敗率雙高的問題，但是成功后所能夠產生的經濟收益也是最大的，是希望能夠占據分散行業優勢地位的企業的較優選擇。

4 結束語

本文將TRIZ理論應用于分散染料領域得出了在TRIZ理論指導下的 4 種分散染料復配的產品創新方法。該方法能夠在一定程度上指導企業進行分散染料產品創新，提高企業產品創新效率，縮短產品創新周期；同時TRIZ理論分析過程中整理的歷年來分散染料授權發明專利，能夠幫助企業有效規避專利侵權問題，保證企業所指定的產品創新策略的正確性和高效性。

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