基于TRIZ 方法改進氫敏變色活性材料監測效果

孟 醒 李 俊 徐林楠 張學軍 方 濤

（北京航天試驗技術研究所，北京100176）

氫氣是無污染清潔能源，具有燃燒熱值高，來源廣泛，可再生等優點，廣泛應用于石油化工、電子、醫療、醫藥、航空等領域。但氫的爆炸極限寬泛，為4%-75%，遇明火即可發生強烈爆炸。同時，氫分子很小，在生產、運輸和儲存過程中極易發生泄漏[1]。因此，在氫的儲存和運輸中，需要密切關注氫泄漏的發生和防范[2]。

目前廣泛使用的氫泄露檢測技術是氫氣體濃度傳感器，且集中于半導體型、電熱型、光學型、電化學型[1]。但這些傳感器對泄漏點的具體位置定位能力有限，只能提供一個大概的范圍，想要對泄漏位置進行定位，需要檢測人員對整個系統進行排查，耗時耗力，不適用于大范圍氫泄露檢測和中大型氫系統的維護工作[3]。

因此，發展和應用具有原位實時監測和泄漏點定位能力，同時靈敏度高、價格低廉、制作工藝簡單的氫泄漏檢測手段，是能填補國內技術空白，滿足氫資源安全利用以及氫能產業發展與推廣的迫切需要，具有廣闊的應用前景。

1 TRIZ 理論

前蘇聯科學家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）及一批研究人員，在研究分析250 萬件技術專利的基礎上，提出了一種創新問題解決系統化方法TRIZ[4]。TRIZ 理論是一種綜合創新體系，著重于解決發明中產生的種種矛盾沖突，從而找到優化解，問題解決路線如圖1 所示[5]。在TRIZ 理論中，通常將創新設計中的問題抽象為矛盾問題并解決，主要研究的對象是技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾即為系統中某參數得到改善的同時其他的參數惡化；物理矛盾即對同一項參數的兩種不同需求。在解決這兩種矛盾時，可采用由40 條發明原理以及39 個技術參數構成的矛盾矩陣表來解決技術矛盾；用4 個分離原則和11 個分離方法來解決物理矛盾[6]。

圖1 TRIZ 理論解決問題的一般過程

2 基于TRIZ 的氫敏變色活性材料設計方案

2.1 問題描述

本項目目標為設計開發一種基于氫敏變色的氫泄漏原位檢測產品，運用化學物質氣致變色的原理，實現對氫泄漏位置的快速可視化定位。其原理為具有氫敏變色活性的材料在與氫氣發生接觸時，材料自身的化學組成發生變化而引起材料顏色發生變化，由介于黃色和米色之間的顏色變為藍色，且隨著與氫接觸時間的延長，藍色會愈發變深。同時本材料具有“可逆”的特點，變色后可在無氫環境下與空氣中的氧氣反應，慢慢恢復至原有顏色。

但在研發初期存在材料變色后在空氣中褪色過快的問題，大約3-4 分鐘即褪色完全，可能無法被工作人員及時發現，存在泄漏點遺漏的風險。而預期目標是變色效果可以保留至少24個小時，讓工作人員在一個工作日中任何時間均可觀測到材料變色。

2.2 問題分析

結合TRIZ 理論，對褪色過快問題進行分析。

首先對氫泄露監測系統進行功能分析，明確系統中存在的主要部件和相互作用，有助于對問題的剖析和解決。由圖2 可見，監測系統由氫敏變色活性物質及其與氫反應產物、管路接口、可能存在的泄漏點、氫氣、外部空氣，以及工作人員組成。外部空氣對活性物質與氫反應產物的有害作用是導致變色效果褪色過快的核心作用。

圖2 氫敏變色活性材料氫泄露監測系統功能分析圖

對核心問題：材料變色后褪色過快，進行因果分析，如圖3所示。經分析可知材料變色后褪色過快會導致泄露點被遺漏的結果。由功能分析可知，應考慮外部空氣的有害作用對根原因進行剖析，最終得到三個根原因：反應產物還原性強，核心元素原子半徑大,失電子能力強；環境中氧氣充足，材料與氧氣接觸充分；活性物質粒度小,比表面積大。

圖3 核心問題因果分析圖

2.3 設計方案

對因果分析得到的三條根原因分別進行了技術矛盾、物理矛盾及物場分析，參考創新原理及標準解，提出了多項創新技術方案。

根原因1：反應產物還原性強，核心元素原子半徑大,失電子能力強

針對根原因1 存在技術矛盾，目前材料可以與氫氣迅速反應并變色，但與此同時，材料與氧氣反應也十分迅速，褪色過快，大約3 到4 分鐘即可褪色完成。因此，改善的通用工程參數是速度，惡化的通用工程參數有信息損失和可靠性。如表1，查閱矛盾矩陣，可以參考的創新原理有反向作用原理、復制原理、事先防范原理等。

表1 矛盾矩陣簡表

于是，參考其中三項創新原理提出了三項創新方案，分別是：

方案1（參考復制原理）：在材料附近安裝攝像頭，實時記錄下氫敏材料的顏色狀態，定期派工作人員核查監控錄像，觀測是否有變色情況發生；

方案2（參考機械系統替代原理）：在材料附近安裝光敏傳感器，觀測到氫敏材料發生變色即開啟警報；

方案3（參考物理或化學參數改變原理）：用還原性更弱的化合物替換現有活性物質化合物，削弱變色產物與氧氣的反應能力。

根原因2：環境中氧氣充足，材料與氧氣接觸充分

針對根原因2，系統中存在物理矛盾，對于材料與氫反應后的變色效果，既希望它可以保留，供工作人員檢查，修復泄漏點，也希望它可以褪去，實現材料的反復利用，經濟環保。

經過分析，針對材料變色效果的兩種需求可以以時間節點劃分，分別是工作人員發現前希望效果保留，工作人員發現后希望效果褪去。因此選擇時間分離原理解決問題，可以參考的創新原理有：預先反作用原理、預先作用原理、事先防范原理等。參考其中三項創新原理提出了三項創新方案，分別是：

方案4（參考預先作用原理）：添加抗氧化劑，從而延緩變色產物與氧氣反應的速率；

方案5（參考事先防范原理）：在變色材料外粘貼透明膠帶,隔絕變色材料與空氣接觸，從而隔絕了變色產物與氧氣反應的可能性；

方案6（參考減少有害作用時間原理）：提高工作人員檢查頻率，避免發生在材料褪色后才開始檢查。

接下來，從微觀角度對系統進行物場分析，其中相互作用的元素分別是氧氣、活性物質與氫反應后的產物。他們之間既存在有效作用，又存在有害作用。針對這種模型參考標準解1.2.1引入外部物質，如圖4 所示，又提出了一條創新方案：

方案7：在管路周圍創造惰性無氧環境，避免變色產物與氧氣接觸，從而使變色效果保留。

圖4 針對根原因3 的物場矛分析

根原因3：活性物質粒度小,比表面積大

針對根原因3，系統中存在物理矛盾，對于活性物質的粒度尺寸，既希望粒度小一些，比表面積大，可以迅速與氫氣反應；同時也希望粒度大一些，比表面積小，與氧氣反應慢一些。這兩種需求可以根據條件進行分離，即是否已與氫氣發生反應。因此選擇了條件分離原理，從推薦的創新原理中選擇了局部質量原理，提出了一條創新方案：

方案8：將粒度小和粒度大的活性物質混合，均加入橡膠基底中，小尺寸顆粒具有較大的比表面積，可以迅速與氫反應，因此可以保證材料遇氫后可迅速反應變色；大尺寸顆粒具有較小的比表面積，理論上與氫氣或氧氣反應都慢于小尺寸顆粒，因此可以延長材料與氧氣反應的褪色過程，使變色效果保留時間延長。

2.4 創新方案評估與遴選

參考創新原理及標準解，共提出了八項創新技術方案。對創新方案分別從綜合成本、可實施性、使用效果和創新性四個角度進行評估，將分案劃分為三個等級：好、一般和暫不使用。具體方案及評估見下表：

表2 創新方案匯總與評估

（1）方案1：在材料附近安裝攝像頭，實時記錄下變色過程。

（2）方案2：在材料附近安裝光敏傳感器，發生變色即開啟警報。

方案1 和方案2 運行成本高，需要在粘貼氫敏材料的管路接口附近都安裝攝像頭或光敏傳感器，數量龐大；且接口位置大多形狀復雜，攝像頭很難全方位記錄下氫敏材料的變色情況。因此評價為暫不使用。

（3）方案3：用還原性更弱的化合物替換現有活性物質化合物。因此采用變色化合物核心元素同族上一周期的元素做新型變色化合物，其氧化性比原化合物更強，即與氫氣反應能力更強，同時還原性減弱，即與氧氣反應能力減弱。試驗后發現由新型化合物制作的變色材料仍可在遇氫一分鐘內迅速反應變色，但褪色時間明顯延長，由改進前的三分半延長至兩天褪色完全。

（4）方案4：添加抗氧化劑。此方案經實驗證明，效果不明顯。空氣中含有大量的氧氣，抗氧化劑的存在并不能減緩氧氣與變色產物的反應。因此此方案評價為暫不使用。

（5）方案5：在變色材料外粘貼透明膠帶，隔絕與空氣接觸。此方案經實驗證明，通過隔絕材料與空氣的接觸，確實可以延緩材料變色效果的褪色時間。但操作過程復雜，并不是最優選擇，可作為備選方案。

（6）方案6：提高工作人員檢查頻率。當前材料變色效果在無氫環境中大約3-4 分鐘即褪色完全，通過提高工作人員檢查頻率來確保觀測到所有變色情況難以實現，因此此方案評價為暫不使用。

（7）方案7：在管路周圍創造惰性氣體環境，避免材料與氧氣反應。此方案實現難度較大，且成本較高。大部分氫氣傳輸管道及儲存設備均在露天環境中使用，因此不具備在管路周圍創造惰性氣體環境的條件。因此此方案評價為暫不使用。

（8）方案8：將粒度大和粒度小的活性物質混合加入橡膠基底。此方案經實驗證明，效果不明顯，沒有延緩材料變色效果的褪色時間。因此此方案評價為暫不使用。

2.5 最優方案實施效果

第三條創新方案：用還原性更弱的化合物替換現有活性物質化合物，成功解決了氫敏變色材料褪色過快的問題。改進前后材料變色效果及褪色時長如下圖5 所示，改進前后材料均可在遇氫一分鐘內迅速反應并變色，但改進后的材料褪色時間明顯延長，由改進前的三分半延長到兩天褪色完全。

圖5 改進前后材料變色效果及褪色時長展示

如圖6 所示，氫敏變色材料包裹在通有氫氣的管子上，且管子上有一個泄漏點。氫敏變色材料僅在泄漏點一個位置發生顏色變化，且顏色對比明顯，由此可見本材料確實可以指示泄漏點具體位置。如圖7 所示，材料具有良好的韌性和粘性，可以緊密的包裹在管路接口處，對氫氣的泄露情況進行監測。

圖6 氫敏變色材料泄漏點指示能力

圖7 氫敏變色材料使用效果展示

3 結論

氫敏變色活性材料是一種直觀的可視化氫辨識手段，開拓了一種新型氫泄漏檢測方法，成功彌補了國內市場上其他傳統氫泄漏檢測產品的缺陷，實現了泄露位置的迅速發現和精確定位，大大降低了后期尋找泄漏點時間、人力成本。目前氫敏變色活性材料的開發工作已完成，材料性能參數方面技術難題已一一攻破，進入產業化階段，處于成長期前期。接下來將參考TRIZ理論中的產品進化法則，繼續利用氫敏變色的原理開發一系列新型產品。本項目研發過程中借助TRIZ 工具解決了重要的技術難題，成功改善了氫敏變色材料的監測效果，研發出符合預期要求的產品，表明TRIZ 創新理論和方法對創新問題的解決有著很大的指導意義。