基于TRIZ理论的分散染料产品创新方法

雷琴+陈晓霞

摘要：本文创新性地将TRIZ理论与分散染料产品创新相结合，利用TRIZ理论分析了历年来分散染料的授权发明专利，通过分散染料技术系统进化阶段的判断构建了分散染料的复配模型，最终提出分散染料产品创新的具体方法。

关键词：TRIZ；分散染料；产品创新；复配

中图分类号：G306 文献标志码：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

聚酯纤维具有结构致密和疏水性强等特点，导致其染色必须用分子量小、分子结构简单和疏水性强的分散染料。近年来，由于聚酯及其混纺织物需求的不断增长，使得其专用分散染料成为目前染料市场占有率最大的品种之一。但是，随着Oeke-Tex？ Standard 100、Eco-label等质量认证标准在国际纺织品交易市场上的普及，分散染料中使用较广的一些品种因上染率和色牢度差、环境污染严重、致癌性强等问题而被禁用，如其中产量最大的C.I.分散黄23就由于强致癌性被明确禁用。因此，开发高性能绿色分散染料新品弥补市场空缺就显得尤为重要。本文借助TRIZ理论，对分散染料相关授权发明专利进行分析，以期在产品创新方面给予分散染料生产企业以指导。

1 产品创新工具 —— TRIZ理论

新产品的创新必须综合考虑企业经济效益要求、使用性能要求和生产工艺要求等因素，其核心和难点是设计概念的创新。而由前苏联科学家G. S. Altshule在分析研究近250万件高水平发明专利基础上提出来的解决发明问题的TRIZ理论，能够高效率地指导设计概念的创新。

TRIZ理论的核心思想是技术系统进化法则，即任何技术系统的进化必定遵循一定的客观发展规律，且进化过程中解决问题的方式总是存在一定的相似性。在TRIZ理论中，Altshuler首先通过对专利的深入研究，根据专利数量和专利创新等级等客观参数的趋势性变化将技术系统进化的整个历程划分为 4 个阶段，分别是婴儿期、成长期、成熟期和衰退期，正确判断技术系统所处的进化阶段有利于企业产品创新策略的制定。进而，该理论将企业制定产品创新策略过程中可能面临的问题归纳为技术矛盾、物理矛盾和管理矛盾，并用39个通用工程参数予以表征，并于矛盾矩阵表（矛盾矩阵表是39×39表格，在横向、纵向依次填充39个通用工程参数表征系统进化过程中的恶化参数和改善参数，纵横相交处的每一个单元格内是TRIZ理论建议优先使用的40个创新原理编号）中根据技术系统特有的恶化和改善工程参数确定相应的创新原理。最后，企业结合相关系统实际情况选用TRIZ理论的创新原理并将其运用于产品创新中。

运用TRIZ理论指导纺织领域产品创新的想法已经被众多学者实践，如高慧芳利用TRIZ理论解决胶原蛋白/聚乙烯醇复合纤维线密度提高问题；S. Ramaswamy等讨论TRIZ理论指导生物高分子纤维低耗能纺纱。本文则将TRIZ理论与分散染料创新相结合，探讨TRIZ理论指导分散染料新品研发的可操作性，重点在于解决分散染料设计概念创新难的问题。为解决上述问题，第一步，检索近年来分散染料的国内授权发明专利，通过对相关专利的数量和等级进行统计分析，判断分散染料系统所处的进化阶段，确定企业应采取的产品创新策略；第二步，借助TRIZ理论，分析分散染料创新过程中面临的主要矛盾并筛选适宜的通用工程参数进行表征；第三步，利用表征分散染料矛盾的通用工程参数确定最优创新原理，将所确定的最优创新原理与分散染料实际情况相结合，因地制宜地指导分散染料企业进行产品创新。

首先，利用TRIZ理论的系统进化理论对国内分散染料授权发明专利进行检索并分析。在中国国家知识产权局网站的“专利检索与服务系统”中进行国内分散染料相关授权发明专利检索。检索方法为：在表格检索的检索方式下选择“中国专利检索”，文献类型勾选“授权公告文献”，专利类型勾选“发明”，在“发明名称”字段中以检索词“分散 and染料”进行检索，共检索出1995 — 2012年中国发明授权专利256项（2013 — 2014年的数据由于绝大多数专利申请可能仍旧处于审查阶段，尚未获得授权，因此没有将其统计在内）。授权发明专利数量随时间变化情况如图 1 所示。

其次，根据TRIZ理论中的专利“创新等级”原理将分散染料授权发明专利按照对科学的贡献程度和技术的应用范围等指标划分为 5 个等级，计算年均专利创新等级平均值并在Origin软件上进行曲线拟合。

全面分析检索得到的256项中国分散染料发明授权专利，得知上述发明授权专利仅涉及TRIZ理论 5 个创新等级的前 3 级。结合染料领域专业知识后得出下面的具体分类标准，第 1 级是在已有分散染料单体分子结构基础上对染料进行复配改性；第 2 级是发明新型分散染料单体结构；第3 级主要包括对分散染料的生产工艺、设备和用途进行改进和拓展。根据上述 3 个创新等级进行专利创新等级划分，统计第 1 级共145项发明授权专利，第 2 级共44项，第 3 级共67项。计算年均专利创新等级平均值并运用Origin软件进行傅里叶曲线拟合，结果见图 2。

分析图 2 可知，自1995年以来，中国分散染料授权发明专利的等级整体呈缓慢下降趋势。在前期（1995 — 2001年），分散染料授权发明专利主要为TRIZ理论 5 个创新等级中的第 2 级和第 3 级，企业多选择发明全新分散染料单体结构或运用多学科知识对分散染料的生产工艺、设备和用途进行较大程度的改进，这个阶段的特征是高投资低收益，企业主要致力于确立技术优势；在中后期，分散染料专利主要为第 1 级，含有少量第 2 级。这表明了在中后期企业转变了产品创新的方向，多数研究人员转向运用本学科知识进行分散染料复配改性，即对原有分散染料组合配方进行小幅度的改进，特征为生产企业前期投资在中后期开始产生丰厚收益。

最后，结合分散染料授权发明专利数量和等级的变化趋势，判断分散染料技术系统目前所处的进化阶段，并在此基础上指导企业制定产品创新策略来降低投资风险、获得高额投资收益。

将图 1 和图 2 结合进行整体分析可知，自1995年以来，中国分散染料授权发明专利数量稳步上升但等级逐年下降，分散染料系统完整地经历了TRIZ理论技术进化的 4 个阶段。2006年之后专利数量迅速增加，专利创新等级仍然稳步下降且专利多属于第 1 级，满足第 3 阶段成熟期的发展规律。因此，可以确定目前分散染料技术系统处于成熟期阶段。在成熟期阶段，整个分散染料系统已基本趋于完善，各项性能水平达到最高，企业所获利润最大，追加研究所形成的新专利技术多半是对染料进行复配改性，以此来维持企业的优势地位。

由此确定分散染料企业应采取的产品创新策略为对现有分散染料复合配方进行改进以适应市场需求。因此就需要建立分散染料复配模型，从而帮助研发人员把握染料复配的方法，指导产品创新的生产实践。

3 分散染料复配模型的建立

以分散染料领域龙头企业浙江龙盛集团股份有限公司为模板，系统地分析其拥有的50项分散染料相关授权发明专利并建立分散染料复配模型。

首先按本文第 2 节中所述检索方式对浙江龙盛集团股份有限公司所拥有的分散染料授权发明专利进行检索并下载相应专利文档；其次，仔细阅读已下载的专利说明书，着重分析说明书中专利名称、摘要、背景技术和实施案例；再次，从背景技术部分中总结出该企业近年来着力解决的主要技术矛盾并选取TRIZ理论的39个通用工程参数中的数个参数对上述矛盾进行简单化表征，并利用上述通用参数在矛盾矩阵列表中确定40个创新原理中具体适用的原理种类；最后，将确定的创新原理对专利说明书中专利摘要、实施例部分内容进行分析，然后建立相关分散染料复配模型以指导产品创新。

3.1 分散染料的技术矛盾的表征

以浙江龙盛拥有的50项分散染料授权发明专利为切入点，详细分析了专利说明书中背景技术部分，了解到目前商品化分散染料存在的问题主要有商品化分散染料商品化质量差、制造和使用过程环境污染大以及染料各项性能难以满足多元化使用需求。根据TRIZ理论中技术矛盾的表达方式，可将上述问题抽象为由通用工程参数表征的技术矛盾。

上述50项发明授权专利一直试图改善的分散染料重要指标如上染率和色牢度，可以用第14个通用工程参数强度表征；环境污染性和生物毒性可以归结为第27个通用工程参数可靠性；涤纶、超细旦涤纶、涤/棉和涤/氨混纺织物等多品种织物的广泛适用性，可以用第35个通用工程参数适用性和多用性表征。上述性能指标的改善必将导致分散染料生产难度的增加、使用过程中染色质量控制难度的提升以及生产率的下降，相应地分别可以用第32个通用工程参数可制造性，第36个通用工程参数系统的复杂性以及第39个通用工程参数生产率予以表征。在上述正确表征之上从矛盾矩阵表中抽取出相应的创新原理集合，共同组成分散染料创新过程中的矛盾矩阵表（表 1）。

根据表 1，综合创新原理解决的问题类别和在分散染料领域的实际适用性，最终选用TRIZ的40条创新理论中的第 1 条分割原理和第27条替代原理指导分散染料复配模型的构建。

3.2 分散染料复配模型构建

分析浙江龙盛50项分散染料授权发明专利说明书中摘要和实施例部分，发现其分散染料的创新研发多是在已有染料结构基础上进行复配形成染色性能提升的组合染料。

3.2.1 组合染料配方分割

在第3.1节中所确定的TRIZ理论第 1 条分割原理指导下，将上述50项授权发明专利中的所有复配染料配方进行分割，成功划分出染料母体结构、取代基种类和取代基位置等3 个主要专利创新点并建立相应创新点集合（表 2）。

由表 2 可知，组成分散染料复合配方的各染料单体母体多为偶氮苯结构，配方的区别多集中在取代基的种类和位置这两个创新点上；统计偶氮苯结构上R1 ～ R9不同种类取代基的频率，得出各取代基位置上的高频取代基和优选取代基，共同组成取代基种类创新点集合；取代基的位置创新点集合是在前两点基础上统计得到的 4 组频率最高的取代基组合且它们的R1取代基均为硝基。

以表 2 为数据来源，结合分散染料市场上已存在的三原色色系分散染料，筛选出典型染料三原色构建典型染料三原色模型，如表 3 所示。

表 3 的红、黄、蓝三色发色单体的分子结构式的组成符合表 2 的规律，其母体均为偶氮苯结构；取代基的位置分别是取代基位置创新点集合中的 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种类创新点集合，并简要论述上表三色发色单体性能特点。染料复合配方是在染料三原色系中选择适当的染色单体进行配比，可以调制出特定的颜色和光泽的组合染料。

3.2.2 替换完成分散染料的创新

在3.1所确定的TRIZ理论第27条替代原理的指导下，根据3.2.1中所建立的 3 个主要专利创新点集合（表 2）和三原色染色单体分子结构式（表 3），在实现相同性能基础上进行等效替代，进而实现分散染料的产品创新，其方法可以概括为以下 4 种：

（1）染料单体的取代基种类变化：仅对分散染料复配配方中各染料单体的取代基种类进行替代改性，其变化来源是表 2 的取代基种类创新点集合，以达到对染料的复配创新。如含有卤素取代基的染料单体，可以采用Cl和Br互换方式；含有烷基取代基的染料单体，可以采用适当增加或减少碳链上亚甲基数目的方式；直接在取代基末端引入新的基团，如氰基、苯环、乙烯基等。

（2）染料单体的取代基位置变化：仅对分散染料复配配方中各染色单体的取代基位置进行替代改性，已达到对染料的复配创新。如对于表 3 的三原色染色单体，可以将氰基、溴原子、氯原子或—NHCOCH3的位置在原苯环上进行调整。

（3）染料单体取代基的数量和位置组合变化：维持染料单体主结构不变，同时改变取代基的种类和位置，其变化来源可以是表 2 的创新点集合，从而完成对组合配方的创新。

（4）分散染料组合配方中染色单体变化：对分散染料组合配方中的各染色单体进行变化，其变化基于以上 3 种方法，从而对染料进行复配改性。组合配方多是由三原色染色单体组合而成，可以将配方中的三原色染色单体按照前 3 种方法进行改性，产生性能相似的染色单体组合形成新的复合配方。

前 3 种方法由于改变程度较小，成功率高而为广大分散染料企业所采用，但是对于性能的改善幅度不大，创造利润有限；第 4 种方法是对于前 3 种方法的综合，需面对较大幅度改变染色单体后组合配方染色单体配比的变化和生产难度的提升，研究经费投入和失败率双高的问题，但是成功后所能够产生的经济收益也是最大的，是希望能够占据分散行业优势地位的企业的较优选择。

4 结束语

本文将TRIZ理论应用于分散染料领域得出了在TRIZ理论指导下的 4 种分散染料复配的产品创新方法。该方法能够在一定程度上指导企业进行分散染料产品创新，提高企业产品创新效率，缩短产品创新周期；同时TRIZ理论分析过程中整理的历年来分散染料授权发明专利，能够帮助企业有效规避专利侵权问题，保证企业所指定的产品创新策略的正确性和高效性。

参考文献

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[13] 陈荣圻.浅谈分散染料与活性染料复配技术（二）[J].印染，2010，36（8）：51-53.

（1）染料单体的取代基种类变化：仅对分散染料复配配方中各染料单体的取代基种类进行替代改性，其变化来源是表 2 的取代基种类创新点集合，以达到对染料的复配创新。如含有卤素取代基的染料单体，可以采用Cl和Br互换方式；含有烷基取代基的染料单体，可以采用适当增加或减少碳链上亚甲基数目的方式；直接在取代基末端引入新的基团，如氰基、苯环、乙烯基等。

（2）染料单体的取代基位置变化：仅对分散染料复配配方中各染色单体的取代基位置进行替代改性，已达到对染料的复配创新。如对于表 3 的三原色染色单体，可以将氰基、溴原子、氯原子或—NHCOCH3的位置在原苯环上进行调整。

（3）染料单体取代基的数量和位置组合变化：维持染料单体主结构不变，同时改变取代基的种类和位置，其变化来源可以是表 2 的创新点集合，从而完成对组合配方的创新。

（4）分散染料组合配方中染色单体变化：对分散染料组合配方中的各染色单体进行变化，其变化基于以上 3 种方法，从而对染料进行复配改性。组合配方多是由三原色染色单体组合而成，可以将配方中的三原色染色单体按照前 3 种方法进行改性，产生性能相似的染色单体组合形成新的复合配方。

前 3 种方法由于改变程度较小，成功率高而为广大分散染料企业所采用，但是对于性能的改善幅度不大，创造利润有限；第 4 种方法是对于前 3 种方法的综合，需面对较大幅度改变染色单体后组合配方染色单体配比的变化和生产难度的提升，研究经费投入和失败率双高的问题，但是成功后所能够产生的经济收益也是最大的，是希望能够占据分散行业优势地位的企业的较优选择。

4 结束语

本文将TRIZ理论应用于分散染料领域得出了在TRIZ理论指导下的 4 种分散染料复配的产品创新方法。该方法能够在一定程度上指导企业进行分散染料产品创新，提高企业产品创新效率，缩短产品创新周期；同时TRIZ理论分析过程中整理的历年来分散染料授权发明专利，能够帮助企业有效规避专利侵权问题，保证企业所指定的产品创新策略的正确性和高效性。

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（1）染料单体的取代基种类变化：仅对分散染料复配配方中各染料单体的取代基种类进行替代改性，其变化来源是表 2 的取代基种类创新点集合，以达到对染料的复配创新。如含有卤素取代基的染料单体，可以采用Cl和Br互换方式；含有烷基取代基的染料单体，可以采用适当增加或减少碳链上亚甲基数目的方式；直接在取代基末端引入新的基团，如氰基、苯环、乙烯基等。

（2）染料单体的取代基位置变化：仅对分散染料复配配方中各染色单体的取代基位置进行替代改性，已达到对染料的复配创新。如对于表 3 的三原色染色单体，可以将氰基、溴原子、氯原子或—NHCOCH3的位置在原苯环上进行调整。

（3）染料单体取代基的数量和位置组合变化：维持染料单体主结构不变，同时改变取代基的种类和位置，其变化来源可以是表 2 的创新点集合，从而完成对组合配方的创新。

（4）分散染料组合配方中染色单体变化：对分散染料组合配方中的各染色单体进行变化，其变化基于以上 3 种方法，从而对染料进行复配改性。组合配方多是由三原色染色单体组合而成，可以将配方中的三原色染色单体按照前 3 种方法进行改性，产生性能相似的染色单体组合形成新的复合配方。

前 3 种方法由于改变程度较小，成功率高而为广大分散染料企业所采用，但是对于性能的改善幅度不大，创造利润有限；第 4 种方法是对于前 3 种方法的综合，需面对较大幅度改变染色单体后组合配方染色单体配比的变化和生产难度的提升，研究经费投入和失败率双高的问题，但是成功后所能够产生的经济收益也是最大的，是希望能够占据分散行业优势地位的企业的较优选择。

4 结束语

本文将TRIZ理论应用于分散染料领域得出了在TRIZ理论指导下的 4 种分散染料复配的产品创新方法。该方法能够在一定程度上指导企业进行分散染料产品创新，提高企业产品创新效率，缩短产品创新周期；同时TRIZ理论分析过程中整理的历年来分散染料授权发明专利，能够帮助企业有效规避专利侵权问题，保证企业所指定的产品创新策略的正确性和高效性。

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