引 言
随着科技的不断发展，微分静电纺丝因其独特的纤维制备原理和广泛的材料适用性已经成为研究热点。相较于溶液微分静电纺丝，通过熔体微分静电纺丝技术制备的纤维表现出更为优异的物理和化学性能，由其制备的高性能带药纤维既能通过多孔结构促进凝血和细胞再生，又能负载更多抗菌药物以形成物理屏障［1］，降低感染风险。在军事活动中，快速止血和伤口包扎是救治伤员的关键，便携式纺丝设备能够快速制出伤口敷料，直接覆盖在伤口表面，满足快速响应的治疗需求［2］。对于需要长期治疗的伤病员，如慢性伤口感染、创伤后疼痛管理等，便携式纺丝设备也可以根据需求制备不同的药物缓释载体，使其实现控制释药［3］，以维持有效的药物浓度，更好地发挥治疗作用。
Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch（TRIZ）理论，即发明问题解决理论，是在1946年由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒在对大量专利文献进行深入研究、分析和总结的基础上创立而成的一套极具系统性和科学性的创新方法体系。该理论突破传统试错法的经验局限，揭示技术创新遵循的客观规律：95%的技术问题可通过跨领域知识迁移解决，仅有5%需要突破性的概念和发明［4］。该理论涵盖发明原理、矛盾矩阵等核心内容，其目标在于揭示发明创造过程中所遵循的普遍规律与模式，为解决各类技术创新问题提供行之有效的理论指导和方法工具［5］。多年来，国内外学者针对该理论在工程技术、系统研发、工业设计等多个领域都进行了广泛的研究与应用［6-8］。
但当前传统熔体静电纺丝设备存在体积庞大、操作复杂、环境适应性差等问题，无法满足便携性和快速响应的现实需求。针对这一难题，本研究基于TRIZ理论对熔体微分静电纺丝机进行分析，旨在解决便携式熔体微分静电纺丝机在设计过程中的技术矛盾，显著提升该设备的性能与应用价值。该设备的合理应用能够较好地提升军队的应急救治能力和战场生存率。
1 熔体微分静电纺丝技术
1.1 技术简介
静电纺丝技术是一种利用静电场牵引高分子流体进行定向排列并固化成纤维的方法，已应用于高性能滤材、防水材料、生物医用等领域。根据原料的物理状态可以分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝两种［9］。溶液静电纺丝是将高分子溶液通过注射器注入电场形成纤维，其研究已经相对成熟并实现了批量化生产［10］。但溶液中的大部分聚合物都有毒性，且挥发过程会形成纤维孔洞，从而影响纤维的性能［11］。相比之下，熔体静电纺丝在成本、环保及纤维品质上都具有显著优势，其核心原理是通过精密的喷头设计将熔融态高分子材料微分成细流，再借助高压电场将其拉伸成微纳米级纤维。通过喷头结构的优化和熔体流动性的精确控制，能够实现更均匀的纤维直径分布和更高的生产效率［12］。熔体静电纺丝设备示意图及纺丝过程照片如图1所示。
1.2 熔体微分静电纺丝技术及设备现状
表1 熔体微分静电纺丝机现状Table 1 Comparison of melt differential electrostatic spinning machines |
| 图例 | 设备类型 | 适用场景 | 优劣对比 |
|---|---|---|---|
 | 大型熔体纺丝机 | 工业化生产 | 优：自动化程度高，能实现大规模高效生产，可连续作业；劣：设备成本高、占地面积大、能耗大、灵活性差，不适用除标准工业厂房外的场所 |
 | 中小型熔体纺丝机 | 产量需求不大、定制化要求高的企业或项目 | 优：成本相对较低，便于快速调整，可满足个性化需求；劣：难以实现大规模生产，自动化、智能化程度相对有限，不适用于户外等灵活场所 |
对于一些产量需求不大，但对产品定制化有较高要求的企业或项目，中小型纺丝机可用于生产具有特殊用途的纳米纤维材料，如用于生物医学研究的载药纳米纤维膜、组织工程支架；用于能源领域的锂离子电池隔膜、太阳能电池板；用于过滤材料领域的空气过滤器、液体过滤器；用于环境治理的油污及重金属离子吸附等，都能够根据不同的需要快速调整配方和工艺，满足个性化的研究和生产需求。
由于熔体纺丝相较于传统的溶液纺丝开发时间较短，在技术积累与实践经验方面相对薄弱，且在熔体纺丝过程中需要配备加热装置和高压电供应系统，导致目前学者对便携式熔体纺丝设备的研究还不够深入。为了满足医疗部门、实验室或小型生产线等多种环境下的作业需求，使纺丝过程更加高效和便捷，设计一款易于携带的、小型化的纺丝设备十分必要。
2 TRIZ理论下便携式熔体微分静电纺丝机设计的矛盾分析
2.1 TRIZ理论指导下的设计流程
鉴于当前纺丝机械体积大、操作不便的问题，本文以TRIZ理论中的创造性问题分析方法为指导，寻求纺丝设备小型化的解决方案。可得出便携式手持纺丝装置的设计流程如图2所示。通过分析阻碍设备便携性的原因，并以TRIZ理论提供的40条发明原理为指导方向，从结构优化、功能整合等方向对设备进行改进，最终得到理想的设计方案。
2.2 功能分析
熔体微分静电纺丝机的整体构成如图3所示。
静电纺丝机由熔体转化系统、电场发生系统、控制系统3部分构成。熔体转化系统负责将聚合物熔体稳定输送并细化喷出形成射流，主要包括加热部件、传输部件和喷头部件；电场发生系统产生高压静电场，为纺丝提供必要的电场力，主要包括高压静电发生器、逆变器、电极等；控制系统负责整个装置的运行和控制，可根据不同的纺丝工艺要求和聚合物材料特性调节输出电压的大小，以达到最佳的纺丝效果。各系统功能分区如图4所示。
2.3 技术矛盾分析
在设计便携式熔体微分静电纺丝机时，不仅要满足纺丝工艺的生产要求，确保纤维的均匀性和强度，还需具备轻便、易操作、高稳定性等特性，以适应军事医疗、实验室研究等多种复杂环境和应用需求。这一设计目标本身就是一个典型的技术矛盾，往往改善某一方面的性能会导致另一方面性能的下降，即追求高精度与便携性之间的平衡。
对于熔体转化系统，各组件的尺寸都需要尽可能小，以满足便携要求，但同时又要保证足够的供应能力和稳定性。由此生成矛盾矩阵，如表2所示，即改善设备的便携性（32）和大小（4）：使整个设备能够手持操作，方便在不同场所灵活使用，这是设计的关键目标之一；可能会恶化物质或能量的传递效率（21）和精度（29）：当试图缩小熔体传输、加热、纺丝等部件的大小时，可能会降低纺丝效率和输送精度，进而影响生成物的质量和设备供应的稳定性。
表2 熔体转化系统矛盾矩阵Table 2 Contradiction matrix in the melt conversion system |
| 改善的参数 | 受影响的参数及发明原理 | |
|---|---|---|
| 恶化的参数21：效率 | 恶化的参数29： 制造精度 | |
| 32：可制造性 | 27，1，12，24 | - |
| 4：静止物体的长度 | 12，8 | 2，32，10 |
对于电场发生系统，既要求其能够驱动整体装置产生电场带动作业，又要使供电部分装置的大小能够安装于便携设备，由此生成矛盾矩阵，如表3所示。即改善设备的可制造性（32）：要求电场发生系统尽可能地轻便、小巧，以便手持操作和在不同场所灵活使用；可能会恶化能量供应的稳定性（13）：当追求系统的可移动性而对电场发生系统进行小型化设计时，往往会面临能量供应不稳定的问题。
表3 电场发生系统矛盾矩阵Table 3 Contradiction matrix in the electric field generation system |
| 改善的参数 | 恶化的参数 | 对应的发明原理 |
|---|---|---|
| 32：可制造性 | 13：结构的稳定性 | 11，13，1 |
对于控制系统，既希望使用者能够更方便、准确地控制设备运行，又不能使加入控制系统的设备过于复杂和大型。由此生成矛盾矩阵，如表4所示，即改善测试中调节系统的困难程度（37）：根据需求及时调节电压等设置，提高设备的可靠性和稳定性，同时减少使用所需的时间、人力和物力成本；可能会恶化设备的复杂程度（36）：为了更好地调节与监控，可能需要增加更多的传感器、电路等，这将不可避免地使装置变得更加复杂。
表4 控制系统矛盾矩阵Table 4 Contradiction matrix in the control system |
| 改善的参数 | 恶化的参数 | 对应的发明原理 |
|---|---|---|
| 37：监控与测试的困难程度 | 36：装置的复杂性 | 15，10，37，28 |
3 便携式熔体微分静电纺丝机方案
综上所述，根据TRIZ理论构建的矛盾矩阵查询对应发明原理，再依据以上发明原理并结合实际需求对问题进行分析和解决，将各部分结构分别进行优化，以指导最终便携式熔体微分静电纺丝机的设计。
（1）针对熔体转化系统中各组件的尺寸与供应能力的矛盾问题，采用No.1分割原理，在设计方案中将该整体分为输送、加热、喷丝3个部分，并选择小型化的输送管、加热件和喷头，以提高系统的灵活性和便携性；采用No.2抽取原理，把与熔体射流形成直接相关的部分抽取出来，进行独立的优化设计，以提高其性能；采用No.7嵌套原理，对输送部件与外壳、加热部件与外壳、喷头与外壳及其他部件进行合理嵌套，减少熔体在传输过程中的热量损失，也可以有效减小设备体积。
如图5（a）所示，原料被预先缠绕于供料装置中，随着电机的持续转动，依据预设的参数对原料进行加热处理，并通过管道传输到喷头部位，将熔体均匀地分散并细化成极细的射流状，从而完成整个纺丝过程。手持部分是进行纺丝操作的关键部件，设计上考虑了人体工程学原理，确保使用者在长时间操作过程中的舒适性和操作稳定性。
（2）针对电场发生系统中设备的移动性与能量稳定性的矛盾问题，采用No.1分割原理，将电场发生系统中的高压供电组件、电场发生电极、电路等主要组件进行分割。把占据较大空间的高压供电模块设计为一个独立的小型箱体，如图6所示。箱体采用金属屏蔽层，能够隔离电场辐射，避免使用者直接接触高压部件。通过这种分离措施可以有效减少高压供电组件对手持部分灵活性的影响，同时便于对高压供电组件进行散热处理，提高其工作稳定性和安全性。
同时，在设备内部存储着一定量的熔体原料，在需要更换时可以方便快速地从设备后部的储存处更换原料，以满足较长时间的户外需求，如图7所示。
（3）在控制系统中，依据No.10预先作用原理，允许操作人员预先设置常用的纺丝参数，这些参数固定处于安全范围，如不同材料对应的电压、温度、送料速度等。这些预设参数可以存储在控制系统的内部存储器中，形成参数模板，方便操作人员快速启动设备并进入工作状态，减少操作步骤和时间，也能够防止误操作从而引发危险。同时，如设备检测到任何紧急情况，则会直接切断电源，以确保高压电场环境下使用者的安全。
根据上述解决方案，对熔体微分静电纺丝机进行整合设计，得到最终设计方案如图9所示。
本设计主要由手持部分和固定部分组成。固定部分集成了电场发生系统和控制系统：电场发生系统主要负责产生并控制电场，能够提供稳定且可调节的电压；控制系统配备操作面板，使用人员可以通过操作开关开启设备并调节电压等参数，通过内部电路与熔体转化系统和电场发生系统进行通信，确保各系统间的协同工作。手持部分与固定部分通过合理的连接方式，在保证电连接和熔体传输的同时，允许手持部分能够灵活移动。
本设计的具体使用流程如下：使用人员打开设备开关，此时控制系统启动预设状态。纺丝操作参数设置完成后，使用者拿起手持部分，将喷头对准纺丝位置即可。使用示意图如图10所示，流程简单，易于操作。
4 设备性能及效果
1）纤维直径均匀性与结构稳定性
设备能够制备直径分布均匀的纳米纤维，纤维直径小于1 000 nm，达到传统溶液静电纺丝纤维直径的1/20以下，如图11所示。其较高的拉伸强度和柔韧性能够承受一定的机械力，使得敷料更好地贴合伤口表面，适应不同形状的伤口。
2）抗菌与促愈合双重功能
纤维敷料能够负载抗菌药物（如银离子、抗生素等），有效抑制细菌生长，降低感染风险。同时，纤维的多孔结构还能够促进细胞迁移和血管生成，显著加速伤口愈合。因本研究聚焦于设备的研究设计与应用，关于具体治疗效果的实验尚未开展，但通过图11可以看出所制纤维均匀且无缺陷结构，这种特征有利于药物的负载与释放，同时也可为细胞生长提供适宜的三维支架。
3）便携性与快速响应
整体设备的重量控制在5 kg内，大小控制在长 × 宽 × 高 ≤ 50 cm × 30 cm × 30 cm内，便于携带和操作。在紧急情况下，设备能够在10 min内完成伤口敷料的制备。其小型化设计和易操作性使得设备能够在任意环境下灵活使用，为伤员提供及时的治疗。
通过精确控制熔体流动和电场分布，确保药物在纤维间均匀分布，不仅提高了药物的负载量，还优化了药物的释放性能，使得药物释放能够持续、稳定。纺丝效果如图12所示。
5 结论
本文基于TRIZ的矛盾解决理论，针对传统纺丝机便携性差、操作复杂等问题，分析便携式纺丝机设计中的技术矛盾并求解，对便携式熔体微分静电纺丝机进行创新设计，最终实现了对熔体转化系统、电场发生系统和控制系统的优化整合设计，取得了便携性与实用性能的平衡。在军事领域，便携式纺丝机的便携性和可操作性能够满足军队在野外应急、个体防护等方面对高性能纤维材料医疗制备的需求，适应复杂多变的战场环境，提升军队的应急保障能力和作战效能。
本研究为便携式纺丝设备的设计提供了新的思路和方法，有望为纺丝工业和军事医疗领域的创新提供参考路径。通过医工协同，可进一步拓展其在灾害救援、偏远地区医疗等场景中的应用价值，推动高性能医疗材料的普惠化发展。未来还需进一步优化设备的结构、功能及利用效率等，以更好地满足军事和其他实际应用需求。