基于TRIZ 方法改進(jìn)氫敏變色活性材料監(jiān)測(cè)效果

孟 醒 李 俊 徐林楠 張學(xué)軍 方 濤

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100176）

氫氣是無(wú)污染清潔能源，具有燃燒熱值高，來(lái)源廣泛，可再生等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、電子、醫(yī)療、醫(yī)藥、航空等領(lǐng)域。但氫的爆炸極限寬泛，為4%-75%，遇明火即可發(fā)生強(qiáng)烈爆炸。同時(shí)，氫分子很小，在生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中極易發(fā)生泄漏[1]。因此，在氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸中，需要密切關(guān)注氫泄漏的發(fā)生和防范[2]。

目前廣泛使用的氫泄露檢測(cè)技術(shù)是氫氣體濃度傳感器，且集中于半導(dǎo)體型、電熱型、光學(xué)型、電化學(xué)型[1]。但這些傳感器對(duì)泄漏點(diǎn)的具體位置定位能力有限，只能提供一個(gè)大概的范圍，想要對(duì)泄漏位置進(jìn)行定位，需要檢測(cè)人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行排查，耗時(shí)耗力，不適用于大范圍氫泄露檢測(cè)和中大型氫系統(tǒng)的維護(hù)工作[3]。

因此，發(fā)展和應(yīng)用具有原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和泄漏點(diǎn)定位能力，同時(shí)靈敏度高、價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單的氫泄漏檢測(cè)手段，是能填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，滿足氫資源安全利用以及氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展與推廣的迫切需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 TRIZ 理論

前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）及一批研究人員，在研究分析250 萬(wàn)件技術(shù)專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，提出了一種創(chuàng)新問(wèn)題解決系統(tǒng)化方法TRIZ[4]。TRIZ 理論是一種綜合創(chuàng)新體系，著重于解決發(fā)明中產(chǎn)生的種種矛盾沖突，從而找到優(yōu)化解，問(wèn)題解決路線如圖1 所示[5]。在TRIZ 理論中，通常將創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的問(wèn)題抽象為矛盾問(wèn)題并解決，主要研究的對(duì)象是技術(shù)矛盾和物理矛盾。技術(shù)矛盾即為系統(tǒng)中某參數(shù)得到改善的同時(shí)其他的參數(shù)惡化；物理矛盾即對(duì)同一項(xiàng)參數(shù)的兩種不同需求。在解決這兩種矛盾時(shí)，可采用由40 條發(fā)明原理以及39 個(gè)技術(shù)參數(shù)構(gòu)成的矛盾矩陣表來(lái)解決技術(shù)矛盾；用4 個(gè)分離原則和11 個(gè)分離方法來(lái)解決物理矛盾[6]。

圖1 TRIZ 理論解決問(wèn)題的一般過(guò)程

2 基于TRIZ 的氫敏變色活性材料設(shè)計(jì)方案

2.1 問(wèn)題描述

本項(xiàng)目目標(biāo)為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于氫敏變色的氫泄漏原位檢測(cè)產(chǎn)品，運(yùn)用化學(xué)物質(zhì)氣致變色的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fā)生接觸時(shí)，材料自身的化學(xué)組成發(fā)生變化而引起材料顏色發(fā)生變化，由介于黃色和米色之間的顏色變?yōu)樗{(lán)色，且隨著與氫接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，藍(lán)色會(huì)愈發(fā)變深。同時(shí)本材料具有“可逆”的特點(diǎn)，變色后可在無(wú)氫環(huán)境下與空氣中的氧氣反應(yīng)，慢慢恢復(fù)至原有顏色。

但在研發(fā)初期存在材料變色后在空氣中褪色過(guò)快的問(wèn)題，大約3-4 分鐘即褪色完全，可能無(wú)法被工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在泄漏點(diǎn)遺漏的風(fēng)險(xiǎn)。而預(yù)期目標(biāo)是變色效果可以保留至少24個(gè)小時(shí)，讓工作人員在一個(gè)工作日中任何時(shí)間均可觀測(cè)到材料變色。

2.2 問(wèn)題分析

結(jié)合TRIZ 理論，對(duì)褪色過(guò)快問(wèn)題進(jìn)行分析。

首先對(duì)氫泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，明確系統(tǒng)中存在的主要部件和相互作用，有助于對(duì)問(wèn)題的剖析和解決。由圖2 可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由氫敏變色活性物質(zhì)及其與氫反應(yīng)產(chǎn)物、管路接口、可能存在的泄漏點(diǎn)、氫氣、外部空氣，以及工作人員組成。外部空氣對(duì)活性物質(zhì)與氫反應(yīng)產(chǎn)物的有害作用是導(dǎo)致變色效果褪色過(guò)快的核心作用。

圖2 氫敏變色活性材料氫泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能分析圖

對(duì)核心問(wèn)題：材料變色后褪色過(guò)快，進(jìn)行因果分析，如圖3所示。經(jīng)分析可知材料變色后褪色過(guò)快會(huì)導(dǎo)致泄露點(diǎn)被遺漏的結(jié)果。由功能分析可知，應(yīng)考慮外部空氣的有害作用對(duì)根原因進(jìn)行剖析，最終得到三個(gè)根原因：反應(yīng)產(chǎn)物還原性強(qiáng)，核心元素原子半徑大,失電子能力強(qiáng)；環(huán)境中氧氣充足，材料與氧氣接觸充分；活性物質(zhì)粒度小,比表面積大。

圖3 核心問(wèn)題因果分析圖

2.3 設(shè)計(jì)方案

對(duì)因果分析得到的三條根原因分別進(jìn)行了技術(shù)矛盾、物理矛盾及物場(chǎng)分析，參考創(chuàng)新原理及標(biāo)準(zhǔn)解，提出了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)方案。

根原因1：反應(yīng)產(chǎn)物還原性強(qiáng)，核心元素原子半徑大,失電子能力強(qiáng)

針對(duì)根原因1 存在技術(shù)矛盾，目前材料可以與氫氣迅速反應(yīng)并變色，但與此同時(shí)，材料與氧氣反應(yīng)也十分迅速，褪色過(guò)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(shù)是速度，惡化的通用工程參數(shù)有信息損失和可靠性。如表1，查閱矛盾矩陣，可以參考的創(chuàng)新原理有反向作用原理、復(fù)制原理、事先防范原理等。

表1 矛盾矩陣簡(jiǎn)表

于是，參考其中三項(xiàng)創(chuàng)新原理提出了三項(xiàng)創(chuàng)新方案，分別是：

方案1（參考復(fù)制原理）：在材料附近安裝攝像頭，實(shí)時(shí)記錄下氫敏材料的顏色狀態(tài)，定期派工作人員核查監(jiān)控錄像，觀測(cè)是否有變色情況發(fā)生；

方案2（參考機(jī)械系統(tǒng)替代原理）：在材料附近安裝光敏傳感器，觀測(cè)到氫敏材料發(fā)生變色即開(kāi)啟警報(bào)；

方案3（參考物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚河眠€原性更弱的化合物替換現(xiàn)有活性物質(zhì)化合物，削弱變色產(chǎn)物與氧氣的反應(yīng)能力。

根原因2：環(huán)境中氧氣充足，材料與氧氣接觸充分

針對(duì)根原因2，系統(tǒng)中存在物理矛盾，對(duì)于材料與氫反應(yīng)后的變色效果，既希望它可以保留，供工作人員檢查，修復(fù)泄漏點(diǎn)，也希望它可以褪去，實(shí)現(xiàn)材料的反復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

經(jīng)過(guò)分析，針對(duì)材料變色效果的兩種需求可以以時(shí)間節(jié)點(diǎn)劃分，分別是工作人員發(fā)現(xiàn)前希望效果保留，工作人員發(fā)現(xiàn)后希望效果褪去。因此選擇時(shí)間分離原理解決問(wèn)題，可以參考的創(chuàng)新原理有：預(yù)先反作用原理、預(yù)先作用原理、事先防范原理等。參考其中三項(xiàng)創(chuàng)新原理提出了三項(xiàng)創(chuàng)新方案，分別是：

方案4（參考預(yù)先作用原理）：添加抗氧化劑，從而延緩變色產(chǎn)物與氧氣反應(yīng)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(chǎn)物與氧氣反應(yīng)的可能性；

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

接下來(lái)，從微觀角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物場(chǎng)分析，其中相互作用的元素分別是氧氣、活性物質(zhì)與氫反應(yīng)后的產(chǎn)物。他們之間既存在有效作用，又存在有害作用。針對(duì)這種模型參考標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1引入外部物質(zhì)，如圖4 所示，又提出了一條創(chuàng)新方案：

方案7：在管路周?chē)鷦?chuàng)造惰性無(wú)氧環(huán)境，避免變色產(chǎn)物與氧氣接觸，從而使變色效果保留。

圖4 針對(duì)根原因3 的物場(chǎng)矛分析

根原因3：活性物質(zhì)粒度小,比表面積大

針對(duì)根原因3，系統(tǒng)中存在物理矛盾，對(duì)于活性物質(zhì)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(yīng)；同時(shí)也希望粒度大一些，比表面積小，與氧氣反應(yīng)慢一些。這兩種需求可以根據(jù)條件進(jìn)行分離，即是否已與氫氣發(fā)生反應(yīng)。因此選擇了條件分離原理，從推薦的創(chuàng)新原理中選擇了局部質(zhì)量原理，提出了一條創(chuàng)新方案：

方案8：將粒度小和粒度大的活性物質(zhì)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(yīng)，因此可以保證材料遇氫后可迅速反應(yīng)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(yīng)都慢于小尺寸顆粒，因此可以延長(zhǎng)材料與氧氣反應(yīng)的褪色過(guò)程，使變色效果保留時(shí)間延長(zhǎng)。

2.4 創(chuàng)新方案評(píng)估與遴選

參考創(chuàng)新原理及標(biāo)準(zhǔn)解，共提出了八項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)方案。對(duì)創(chuàng)新方案分別從綜合成本、可實(shí)施性、使用效果和創(chuàng)新性四個(gè)角度進(jìn)行評(píng)估，將分案劃分為三個(gè)等級(jí)：好、一般和暫不使用。具體方案及評(píng)估見(jiàn)下表：

表2 創(chuàng)新方案匯總與評(píng)估

（1）方案1：在材料附近安裝攝像頭，實(shí)時(shí)記錄下變色過(guò)程。

（2）方案2：在材料附近安裝光敏傳感器，發(fā)生變色即開(kāi)啟警報(bào)。

方案1 和方案2 運(yùn)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(shù)量龐大；且接口位置大多形狀復(fù)雜，攝像頭很難全方位記錄下氫敏材料的變色情況。因此評(píng)價(jià)為暫不使用。

（3）方案3：用還原性更弱的化合物替換現(xiàn)有活性物質(zhì)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(qiáng)，即與氫氣反應(yīng)能力更強(qiáng)，同時(shí)還原性減弱，即與氧氣反應(yīng)能力減弱。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)由新型化合物制作的變色材料仍可在遇氫一分鐘內(nèi)迅速反應(yīng)變色，但褪色時(shí)間明顯延長(zhǎng)，由改進(jìn)前的三分半延長(zhǎng)至兩天褪色完全。

（4）方案4：添加抗氧化劑。此方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，效果不明顯?？諝庵泻写罅康难鯕?，抗氧化劑的存在并不能減緩氧氣與變色產(chǎn)物的反應(yīng)。因此此方案評(píng)價(jià)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(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)隔絕材料與空氣的接觸，確實(shí)可以延緩材料變色效果的褪色時(shí)間。但操作過(guò)程復(fù)雜，并不是最優(yōu)選擇，可作為備選方案。

（6）方案6：提高工作人員檢查頻率。當(dāng)前材料變色效果在無(wú)氫環(huán)境中大約3-4 分鐘即褪色完全，通過(guò)提高工作人員檢查頻率來(lái)確保觀測(cè)到所有變色情況難以實(shí)現(xiàn)，因此此方案評(píng)價(jià)為暫不使用。

（7）方案7：在管路周?chē)鷦?chuàng)造惰性氣體環(huán)境，避免材料與氧氣反應(yīng)。此方案實(shí)現(xiàn)難度較大，且成本較高。大部分氫氣傳輸管道及儲(chǔ)存設(shè)備均在露天環(huán)境中使用，因此不具備在管路周?chē)鷦?chuàng)造惰性氣體環(huán)境的條件。因此此方案評(píng)價(jià)為暫不使用。

（8）方案8：將粒度大和粒度小的活性物質(zhì)混合加入橡膠基底。此方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，效果不明顯，沒(méi)有延緩材料變色效果的褪色時(shí)間。因此此方案評(píng)價(jià)為暫不使用。

2.5 最優(yōu)方案實(shí)施效果

第三條創(chuàng)新方案：用還原性更弱的化合物替換現(xiàn)有活性物質(zhì)化合物，成功解決了氫敏變色材料褪色過(guò)快的問(wèn)題。改進(jìn)前后材料變色效果及褪色時(shí)長(zhǎng)如下圖5 所示，改進(jìn)前后材料均可在遇氫一分鐘內(nèi)迅速反應(yīng)并變色，但改進(jìn)后的材料褪色時(shí)間明顯延長(zhǎng)，由改進(jìn)前的三分半延長(zhǎng)到兩天褪色完全。

圖5 改進(jìn)前后材料變色效果及褪色時(shí)長(zhǎng)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(gè)泄漏點(diǎn)。氫敏變色材料僅在泄漏點(diǎn)一個(gè)位置發(fā)生顏色變化，且顏色對(duì)比明顯，由此可見(jiàn)本材料確實(shí)可以指示泄漏點(diǎn)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(duì)氫氣的泄露情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖6 氫敏變色材料泄漏點(diǎn)指示能力

圖7 氫敏變色材料使用效果展示

3 結(jié)論

氫敏變色活性材料是一種直觀的可視化氫辨識(shí)手段，開(kāi)拓了一種新型氫泄漏檢測(cè)方法，成功彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上其他傳統(tǒng)氫泄漏檢測(cè)產(chǎn)品的缺陷，實(shí)現(xiàn)了泄露位置的迅速發(fā)現(xiàn)和精確定位，大大降低了后期尋找泄漏點(diǎn)時(shí)間、人力成本。目前氫敏變色活性材料的開(kāi)發(fā)工作已完成，材料性能參數(shù)方面技術(shù)難題已一一攻破，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，處于成長(zhǎng)期前期。接下來(lái)將參考TRIZ理論中的產(chǎn)品進(jìn)化法則，繼續(xù)利用氫敏變色的原理開(kāi)發(fā)一系列新型產(chǎn)品。本項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中借助TRIZ 工具解決了重要的技術(shù)難題，成功改善了氫敏變色材料的監(jiān)測(cè)效果，研發(fā)出符合預(yù)期要求的產(chǎn)品，表明TRIZ 創(chuàng)新理論和方法對(duì)創(chuàng)新問(wèn)題的解決有著很大的指導(dǎo)意義。