化學(xué)纖維新材料發(fā)展趨勢(shì)與專利分析

湯方明，王 寧，楊 濤，吉 鵬，王華平

(1.江蘇恒力化纖股份有限公司，江蘇 蘇州 215226；2.紡織工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心，北京 100020；3.中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100020；4.東華大學(xué) 紡織產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620)

當(dāng)今世界貿(mào)易是在WTO框架下開展，近年來一些發(fā)達(dá)國(guó)家主要利用以專利為代表的技術(shù)壁壘采用單邊貿(mào)易制裁手段限制發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)作為經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的發(fā)展中國(guó)家首當(dāng)其沖，包括化學(xué)纖維新材料在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域貿(mào)易摩擦頻頻出現(xiàn)。美國(guó)杜邦公司、日本東麗公司、日本帝人公司等不僅在國(guó)際上布局專利，而且在高性能、生物基、功能與智能纖維方面，在中國(guó)布局了大量的專利體系，嚴(yán)重干擾了國(guó)內(nèi)企業(yè)的正常發(fā)展，甚至成為纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”難題，一定程度影響了我國(guó)“紡織強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施。我國(guó)的專利信息的專業(yè)化深度研究與開發(fā)利用剛剛起步，專利信息研究對(duì)支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意識(shí)還比較薄弱，在化學(xué)纖維新材料領(lǐng)域還未受到足夠的重視，也沒有任何機(jī)構(gòu)從事相關(guān)工作。由于國(guó)外已經(jīng)開始在該領(lǐng)域的一些技術(shù)制高點(diǎn)進(jìn)行專利布局，而國(guó)內(nèi)化學(xué)纖維新材料行業(yè)剛起步，關(guān)鍵技術(shù)與裝備依賴進(jìn)口，申請(qǐng)專利還很少，也鮮見在國(guó)外申請(qǐng)。這將有可能嚴(yán)重阻礙我國(guó)化學(xué)纖維新材料行業(yè)的良性發(fā)展，如何應(yīng)對(duì)所面臨的挑戰(zhàn)并形成產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略成為亟待解決的問題。

作者在纖維材料系統(tǒng)檢索基礎(chǔ)上，從專利申請(qǐng)量、我國(guó)化學(xué)纖維專利與世界纖維專利的分布、競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域分布、申請(qǐng)人、申請(qǐng)人數(shù)量、專利的生命周期、專利關(guān)注點(diǎn)等進(jìn)行了對(duì)比及分析，指出了我國(guó)化學(xué)纖維新材料知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)展的新方向。

1 纖維材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)先進(jìn)纖維材料，制定了國(guó)家戰(zhàn)略和研究發(fā)展計(jì)劃。例如，美國(guó)制定了革命性纖維和紡織品計(jì)劃，建立纖維和織物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)發(fā)展新一代具有智能特征的纖維紗線技術(shù)和織物；德國(guó)在“工業(yè)4.0”中推出了Future TEX計(jì)劃，重點(diǎn)是可再生纖維材料，顧客為中心的纖維產(chǎn)品制造，以智能纖維等為主體的未來新興纖維材料等；法國(guó)建設(shè)了纖維新材料與產(chǎn)業(yè)用紡織品技術(shù)創(chuàng)新基地 Up-tex，推進(jìn)纖維產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，重點(diǎn)關(guān)注智能纖維、新工業(yè)用途的高技術(shù)非織造布、輕質(zhì)化高性能復(fù)合纖維材料、高效醫(yī)護(hù)納米先進(jìn)材料及安全防護(hù)纖維新材料；歐盟推出了Horizion 2020計(jì)劃，重點(diǎn)是醫(yī)療器械和智能纖維制品，新工業(yè)發(fā)展用的高技術(shù)非織造材料，高性能復(fù)合纖維材料，納米纖維先進(jìn)材料，安全防腐纖維材料等；日本注重纖維材料整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)，通過與紡織企業(yè)和產(chǎn)品公司的業(yè)務(wù)合作，保持其在高性能纖維產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)占領(lǐng)的制高點(diǎn)，在高功能纖維設(shè)計(jì)及面料的開發(fā)、評(píng)價(jià)到整體的服裝應(yīng)用等方面重點(diǎn)開展研究，賦予纖維更多功能性，提高服用舒適性，保持其國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

先進(jìn)纖維材料作為我國(guó)十大重點(diǎn)突破領(lǐng)域之一，是《紡織工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(2016—2020年)和《化纖工業(yè)“十三五”發(fā)展指導(dǎo)意見》的優(yōu)先發(fā)展方向，也是我國(guó)新材料發(fā)展戰(zhàn)略及《中國(guó)制造2025》的重要方向[2]。預(yù)計(jì)未來10年，在纖維新材料方面，我國(guó)將重點(diǎn)圍繞超高性能、多功能、智能、綠色低碳、高附加值纖維的制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。

2 化學(xué)纖維專利分析

從圖1可以看出，1960—2000年，全球化學(xué)纖維專利基本都是國(guó)外專利，但2000年后，隨著化學(xué)纖維制造重心轉(zhuǎn)移到中國(guó)，中國(guó)化學(xué)纖維專利的申請(qǐng)量呈現(xiàn)出了快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2010年中國(guó)專利申請(qǐng)量開始超過國(guó)外專利申請(qǐng)量(專利數(shù)據(jù)分析均來源于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)，其中2018年數(shù)均未統(tǒng)計(jì)完全)，說明我國(guó)在化學(xué)纖維方面的后發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯。目前我國(guó)在化學(xué)纖維尤其是在聚酯纖維、聚酰胺纖維等品種的專利申請(qǐng)已經(jīng)處于國(guó)際絕對(duì)的主導(dǎo)地位。

圖1 全球化學(xué)纖維專利申請(qǐng)量的變化趨勢(shì)Fig.1 Trend of global chemical fiber patent applications■—國(guó)外；●—國(guó)內(nèi)

對(duì)國(guó)內(nèi)外的化學(xué)纖維專利進(jìn)一步深入分析發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)纖維品種方面，中國(guó)專利申請(qǐng)與國(guó)外專利申請(qǐng)基本是一致的，都是以聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維等品種的專利為主導(dǎo)。在纖維素纖維、碳纖維等方面，中國(guó)與國(guó)外專利申請(qǐng)量占比有較大的差異，這主要是因?yàn)檫@些纖維品種在國(guó)外發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，而國(guó)內(nèi)正處于快速發(fā)展期。從表1可以發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)境內(nèi)專利申請(qǐng)方面，中國(guó)專利申請(qǐng)量占比82%，處于絕對(duì)的主導(dǎo)地位，說明中國(guó)較注重本土化學(xué)纖維的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家也在中國(guó)申請(qǐng)了一定比例的專利，說明國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)注中國(guó)化學(xué)纖維的發(fā)展，并積極參與其中。

表1 中國(guó)境內(nèi)專利申請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域分布Tab.1 Regional distribution of patent application competition in China

2000年以來，中國(guó)化學(xué)纖維專利申請(qǐng)前10名的申請(qǐng)人及申請(qǐng)量見表2。高校的專利申請(qǐng)量較多，其中東華大學(xué)占到了申請(qǐng)量的絕對(duì)領(lǐng)先地位，高校一直長(zhǎng)期從事于化學(xué)纖維的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)研究，優(yōu)勢(shì)明顯。另外，中國(guó)石油化工股份有限公司、江蘇恒力化纖股份有限公司、國(guó)外的杜邦及東麗公司的專利申請(qǐng)量也較大，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面比較活躍。

表2 中國(guó)化學(xué)纖維專利申請(qǐng)前10名Tab.2 Top 10 chemical fiber patent applicants in China

從圖2可以看出，自1985年以來，中國(guó)專利申請(qǐng)人數(shù)量處于不斷增加的趨勢(shì)，尤其是在2000年以后增加顯著。

根據(jù)中國(guó)專利申請(qǐng)量與申請(qǐng)人變化關(guān)系顯示出的專利申請(qǐng)技術(shù)生命周期趨勢(shì)可以看出，中國(guó)專利申請(qǐng)正處于成長(zhǎng)期與成熟期之間，雖然中途出現(xiàn)了2008年金融危機(jī)與2013—2014年化學(xué)纖維行業(yè)低迷期，但通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整與優(yōu)化，高質(zhì)量發(fā)展成為了行業(yè)方向，中國(guó)專利申請(qǐng)情況整體仍然向好。

圖2 中國(guó)專利申請(qǐng)人數(shù)量的變化趨勢(shì)Fig.2 Changing trend of the number of patent applicants in China

進(jìn)一步深入分析自2000年以來中國(guó)的化學(xué)纖維專利，發(fā)現(xiàn)中國(guó)的化學(xué)纖維專利重點(diǎn)圍繞功能纖維、高性能纖維、循環(huán)再利用纖維、納米纖維、生物基及生物醫(yī)用纖維、智能纖維等，其中功能纖維是中國(guó)的化學(xué)纖維專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)。從圖3可以看出，2000年以來功能纖維專利申請(qǐng)呈逐年上升，說明功能纖維整體上得到了快速發(fā)展，化學(xué)纖維的功能屬性備受關(guān)注，日益變得重要，滿足終端的多方面需求成為化學(xué)纖維產(chǎn)品開發(fā)的重要方向。

圖3 功能纖維專利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.3 Patent application trend of functional fiber

2000年以來功能纖維中國(guó)專利申請(qǐng)量前10名如表3所示。由表3可知，高校在功能性化學(xué)纖維擁有較多的專利，約占總申請(qǐng)量的50%；東麗纖維研究所(中國(guó))有限公司在功能化學(xué)纖維擁有122件專利，這凸顯出了其在化學(xué)纖維創(chuàng)新方面的實(shí)力；江蘇恒力化纖股份有限公司在功能化學(xué)纖維方面的專利也有111件，這體現(xiàn)了該公司在化學(xué)纖維產(chǎn)業(yè)上的布局，為后續(xù)更大、更快的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

表3 功能纖維中國(guó)專利申請(qǐng)量前10名Tab.3 Top 10 functional fiber patent applicants in China

3 聚酯纖維專利技術(shù)

2017年我國(guó)聚酯纖維產(chǎn)量達(dá)到39 340 kt，占我國(guó)纖維總量的85%以上，占世界纖維總量的60%以上。但聚酯纖維面臨著單線產(chǎn)能越來越高，而產(chǎn)品附加值較低，人工成本、能源消耗較高，以及大規(guī)模定制的柔性生產(chǎn)能力不足，纖維使用廢棄后降解周期長(zhǎng)、循環(huán)再利用率低等問題，導(dǎo)致聚酯纖維的發(fā)展優(yōu)勢(shì)與存在的發(fā)展瓶頸之間的矛盾日益凸顯。因此，高仿真與功能化聚酯纖維、高性能與產(chǎn)業(yè)用聚酯纖維、生物降解與循環(huán)再生聚酯纖維等成為了我國(guó)聚酯纖維自“十二五”以來重點(diǎn)發(fā)展的方向，其中部分品種已經(jīng)成為了國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重要研究?jī)?nèi)容。

3.1 高仿真與功能化聚酯纖維

高仿真與功能化聚酯纖維是聚酯纖維產(chǎn)品開發(fā)的主要方向之一[3-4]，聚酯纖維的高仿真是以動(dòng)物纖維、天然植物纖維為仿生對(duì)象，融入多重改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的統(tǒng)一。聚酯纖維的功能化包括了實(shí)現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)、衛(wèi)生保健、安全防護(hù)、運(yùn)動(dòng)休閑舒適、易護(hù)理等功能，滿足終端消費(fèi)者差別化的需求。

聚酯纖維多重改性技術(shù)包括了通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共聚技術(shù)、相態(tài)組分調(diào)控技術(shù)、異形紡絲技術(shù)及后整理技術(shù)等。其中共聚技術(shù)是指采用共聚方法向成纖聚合物大分子中引入基團(tuán)、柔性基團(tuán)等作為成孔劑的微粒子；共混技術(shù)是采用功能母粒通過共混紡絲制得改性聚酯纖維；纖維形態(tài)技術(shù)是指改變纖維截面，如中空、異形等；后整理技術(shù)包括了紡紗工藝與織造工藝等。

通過對(duì)聚酯纖維專利檢索分析，高仿真與功能化聚酯纖維的專利申請(qǐng)情況見圖4。

圖4 高仿真與功能化聚酯纖維專利申請(qǐng)的趨勢(shì)Fig.4 Trend of patent application on highly simulated and functional polyester fibers

自2000年后我國(guó)高仿真與功能化聚酯纖維專利經(jīng)過快速增長(zhǎng)期后，目前穩(wěn)中有升，說明我國(guó)在開發(fā)高仿真與功能化聚酯纖維已經(jīng)具備了一定的技術(shù)方案，對(duì)終端市場(chǎng)的需求日益清晰，今后需要在品質(zhì)上進(jìn)一步加大投入，實(shí)現(xiàn)功能化與高品質(zhì)的統(tǒng)一。

3.2 高性能與產(chǎn)業(yè)用聚酯纖維

高性能與產(chǎn)業(yè)用聚酯纖維也是重要的發(fā)展方向[5]，尤其是在交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、工程建筑、個(gè)體防護(hù)用等領(lǐng)域，聚酯纖維發(fā)揮了重要作用，發(fā)展極為迅速。其中滌綸工業(yè)絲是最具代表性的產(chǎn)品，滌綸工業(yè)絲是許多工業(yè)用紡織品橡膠骨架的良好材料，廣泛用于工業(yè)布、簾子布、廣告燈箱布、建筑用膜結(jié)構(gòu)材料、安全氣囊、輸送帶和其他增強(qiáng)材料等。自2000年以來，高性能與產(chǎn)業(yè)用聚酯纖維專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖5所示，相比較于高仿真與功能化聚酯纖維，高性能與產(chǎn)業(yè)用聚酯纖維的專利申請(qǐng)量從2000年開始整體處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，2010年后增長(zhǎng)較快，這說明聚酯纖維在高性能與產(chǎn)業(yè)用方面需求持續(xù)穩(wěn)定，發(fā)展前景較好。

圖5 高性能與產(chǎn)業(yè)用聚酯纖維專利申請(qǐng)的趨勢(shì)Fig.5 Trend of patent application on high performance and industrial polyester fibers

3.3 生物降解與循環(huán)再生聚酯纖維

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年由環(huán)境污染和生態(tài)破壞造成的損失達(dá)到上萬億美元，嚴(yán)重影響人類的可持續(xù)發(fā)展。廢舊化纖制品作為重要廢棄資源，通常都只被當(dāng)作垃圾進(jìn)行填埋或焚燒等簡(jiǎn)單處理，這不僅嚴(yán)重污染了環(huán)境，而且也造成極大的資源浪費(fèi)。我國(guó)廢舊化纖制品累計(jì)產(chǎn)生量達(dá)1.4×105kt，但目前回收利用率卻不足10%，預(yù)計(jì)到“十三五”末，廢舊化纖制品的產(chǎn)生量可達(dá)近2.0×105kt?；w再生循環(huán)不僅可以緩解資源短缺的現(xiàn)狀，而且可以減少紡織廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的社會(huì)效益,并且隨著石油、棉花等纖維資源的緊缺及環(huán)境壓力的加大而不斷強(qiáng)化。聚酯纖維是廢舊化纖制品中的主要纖維品種，相比較傳統(tǒng)簡(jiǎn)單、粗放的處理方式，循環(huán)再生及生物可降解技術(shù)成為其回收利用的有效發(fā)展路徑[6-7]。

生物降解與循環(huán)再生聚酯纖維專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖6所示，其專利申請(qǐng)量從2000年開始整體處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，2010年后增長(zhǎng)較快。這一方面說明了伴隨著聚酯纖維的快速發(fā)展，廢舊聚酯纖維及制品社會(huì)存儲(chǔ)量急劇增加，環(huán)保壓力大；另外一方面說明環(huán)保理念不斷深入人心，生物降解與循環(huán)再生聚酯纖維已引起社會(huì)關(guān)注。

圖6 生物降解與循環(huán)再生聚酯纖維專利申請(qǐng)的趨勢(shì)Fig.6 Trend of patent application on biodegradable and recycled polyester fibers

高仿真與功能化聚酯纖維、高性能與產(chǎn)業(yè)用聚酯纖維、生物降解與循環(huán)再生聚酯纖維分別從纖維材料功能、應(yīng)用領(lǐng)域及資源再生等角度闡明了聚酯纖維發(fā)展趨勢(shì)，除此之外，聚酯纖維制造綠色化、智能化等也是聚酯纖維的重要發(fā)展方向。聚酯纖維的綠色制造與智能制造體現(xiàn)在全流程，更加強(qiáng)調(diào)聚酯纖維全生命周期的綠色化、生產(chǎn)全過程的高效柔性化、數(shù)字化、智能化。未來聚酯纖維的創(chuàng)新發(fā)展將面臨跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，尤其是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)語

我國(guó)化學(xué)纖維材料知識(shí)產(chǎn)權(quán)伴隨著國(guó)家化學(xué)纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。目前，我國(guó)化學(xué)纖維尤其是聚酯纖維、聚酰胺纖維等品種的專利申請(qǐng)?zhí)幱诮^對(duì)的主導(dǎo)地位，在專利申請(qǐng)數(shù)量方面，以高校申請(qǐng)的專利最多，因?yàn)檫@些高校一直長(zhǎng)期從事于化學(xué)纖維的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)研究，優(yōu)勢(shì)明顯。另外，國(guó)外的杜邦及東麗公司利用他們先進(jìn)的技術(shù)在中國(guó)布局了比較完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，具有核心的競(jìng)爭(zhēng)力。

圍繞功能纖維、高性能纖維、循環(huán)再利用纖維、納米纖維、生物基及生物醫(yī)用纖維、智能纖維等專利進(jìn)行檢索，其中功能纖維是我國(guó)化學(xué)纖維專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)。通過對(duì)聚酯纖維的專利檢索與分析，我國(guó)化學(xué)纖維新材料的發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)在高仿真與功能化纖維、高性能與產(chǎn)業(yè)用纖維、生物降解與循環(huán)再生纖維以及綠色與智能制造等方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。