石墨烯改性纖維全球技術及產業化現狀分析

劉頂+張金柱

[摘要]專利承載著全世界最前沿的技術信息，根據統計顯示，全世界90%～95%的最新技術動態以專利的形式公之于眾。無論是對高校、科研院所甚至企業單位而言，專利是專利申請人或專利權人唯一不得不向公眾透露關鍵信息的方式，即以公開換保護。及時了解和掌握全球石墨烯應用專利申請狀況，有利于推動石墨烯產業進步，促進成果轉化，推進技術創新，為我國石墨烯產業發展提供參考。

[關鍵詞]石墨烯；專利；分析；技術；應用

[DOI]1013939/jcnkizgsc201729030

石墨烯是一種新型碳材料，拉伸強度（130GPa），最高的楊氏模量（1TPa），并且有最高的載流子遷移率（15000cm2·V-1·S-1）和最快傳熱速度（導熱系數5000W·m-1·K-1），為單層碳原子堆積成的二維蜂窩狀晶體結構，石墨烯在電學、熱學、力學、光學等方面有諸多優良性能，其理論應用領域廣泛。從2004年石墨烯被發現至2010年獲得諾貝爾獎期間經歷了萌芽期，2010年至2015年是石墨烯理論研究及制備研究爆發式發展階段，再好的技術和材料不能產業化應用都是曇花一現，因此2016年是石墨烯應用元年，無論是高校、科研院所，還是企業單位都進入了石墨烯應用研究及產業化階段。

石墨烯各方面理論數據雖好，但難以應用，找到一個好的應用方向，是非?？少F的。濟南圣泉集團股份有限公司通過研究發現，利用石墨烯改性的紡織纖維具有抗菌、抗螨蟲、低溫遠紅外發熱等功能，后期通過與黑龍江大學、青島大學、東華大學聯合研發，成功將石墨烯改性纖維應用于各類服裝及床上用品，并實現了商業化運作。

1全球石墨烯改性纖維專利

11全球石墨烯改性纖維專利申請量態勢分析

人類利用纖維的歷史比較悠久了，從1848年粘膠纖維被J默塞發現之后，各種人造纖維陸續登上人類歷史的舞臺。隨著技術的不斷改進，各種特種纖維也相繼出現。

從圖1中可以看出，2005年開始，研發人員開始嘗試著將石墨烯應用到紡織行業中，但是直到2009年5年間一共申請專利20項，年平均4項的申請量，該技術處于萌芽期，發展非常緩慢，前景不被研發人員看好。2010年之后，該領域的專利申請量開始逐年大幅度地增加，越來越多的研發團隊進入該技術領域。主要的原因在于2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和克斯特亞·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發現了石墨烯，大家對這一新的物質開始探索性地應用，但在2010年兩位科學家獲得諾貝爾物理學獎之后，大家對石墨烯在各領域的應用研究出現了空前的熱情。

2012年之前，由于石墨烯自身的特性，可紡性差，價格昂貴，一直限制其傳統紡紗和織造領域的應用，石墨烯可紡纖維的研究一直存在著瓶頸。在2012年高超團隊申請了系列聚合物接枝的石墨烯纖維，實現了石墨烯宏觀纖維的可紡性，但是與傳統紡織行業的纖維還存在著很大的差異。中國專利CN103046151A公開日為2013年4月17日，公開了一種石墨烯共混再生纖維素纖維及其制備方法，該方法與技術制備的系列石墨烯復合纖維產品力學性能優異、導熱耐熱，研發的石墨烯/再生纖維素復合纖維2013年通過山東省科技廳成果鑒定，該產品的制備方法屬國際首創，整體技術達到國際先進水平，開創了石墨烯應用于傳統紡織行業的先河，目前該技術在濟南圣泉集團股份有限公司得到應用轉化。

從圖中也可以看出在2013年之后，關于石墨烯在紡織領域的應用出現了井噴式的增長，2016年申請量達到331件，2017年的數據受專利公開的滯后的影響不做參考，但是從國內外的各新聞報道及我國的政策驅動，可以預見2017年的申請量還會有所增加。

12最早公開區域分布分析

圖2是石墨烯改性纖維在全球申請的最早公開區域分布圖。全球公開區域反映的是全球范圍內石墨烯改性纖維相關專利申請的國際主要專利權人的地域分布信息，從另一方面可以反映出全球主要市場區域分布情況，專利集中的地區也是市場競爭及市場需求比較旺盛的地區。

最先公開國一般都是首先提出該項專利技術的國家，即專利技術的來源國，一般是專利權人所在國家或地區，也是該項技術首先要求獲得專利權保護的國家或地區。

從圖2可以看出，該領域的專利申請來源地主要包括中國、韓國、美國、中國臺灣、日本。其中中國在石墨烯改性纖維領域的研發實力一枝獨秀，專利申請公開量最大，達到全球總申請量的八成以上，如此高的專利份額充分證實了中國在石墨烯改性纖維領域的引領地位，無論是研發資金還是研發人員的投入都是其他國家無法與之相提并論的。其次為韓國和美國，專利申請公開量達全球申請量的5%和3%，其研發實力也不容小覷，但與中國之間的差距仍然是巨大的，目前尚不構成對中國的領導地位的直接威脅。接下來的第三梯隊是中國臺灣和日本，這兩個地區的專利量僅為全球申請公開量的1%，可以看出第三梯隊石墨烯改性纖維研發和專利布局也在進行之中，但面對中國大陸的先發優勢，要在該領域內形成氣候，尚需假以時日。

總之，中國在石墨烯改性纖維領域的研究占有明顯的優勢，其專利申請量遠遠超過其他各國和地區的申請量。雖然美國、日本、韓國是目前世界上化纖及特種纖維領域是比較領先的國家，它們擁有該領域大部分的重要申請人，例如杜邦、東麗、東麗、鐘紡、韓一合纖等，但是這些國家的企業對石墨烯改性纖維領域的涉足還是比較有限的。

13專利權人分析

對石墨烯改性纖維的申請主要是中國專利，中國專利在下面將詳細介紹，因此我們對國外的專利權人進行排名，如圖3所示。

從圖3中可以看出，排名前十位的專利權人的申請量都比較小，申請量最大的僅3項，分別為Korea Inst Sci & Tech，Acelon Chemicals And Fiber Corp和Vorbeck Materials Corp，其余的專利權人申請量為1項。endprint

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從整個的申請量分布來說該領域的專利申請較為分散，專利申請的技術集中度不高，目前國外的市場占有率的數據尚不明確，更沒有形成在世界范圍內能夠排在前列的企業。

2中國石墨烯改性纖維專利

21中國石墨烯改性纖維專利申請量態勢分析

中國是最大的化纖生產、進口和使用國之一，也是化纖的一個主要市場。隨著石墨烯改性纖維領域研發的深入，技術已經趨于成熟，將要進入消費市場，世界各國的申請人也必將積極在中國進行專利申請，以期望取得技術和市場先機。截至統計日，中國相關專利申請量達到了815項。圖4是石墨烯改性纖維中國專利申請量的發展態勢圖。

從圖4中可以看出，石墨烯改性纖維的中國專利申請始于2006年，隨后很長的一段時間增長的態勢相對緩慢；直到2011年之后才出現比較多的專利申請，隨后幾年的增長速度越來越快，到2016年中國專利申請量達到最大值，申請量為326項，申請量最大的是東華大學29項，其次是濟南圣泉20項。可見，該領域的中國專利申請比較分散，技術壁壘尚在形成中，企業研發進入該領域相對比較容易；中國專利申請量趨勢變化與全球申請量趨勢變化基本形同，足以說明中國在該領域的技術領先地位和市場優勢。

22申請國分析

對石墨烯改性纖維的中國專利申請來源地的申請量和授權量進行了統計，結果如圖5所示。

在專利技術來源方面，中國大陸申請人的申請量為796項，約占全部申請的977%；源自中國臺灣及國外申請人的申請量則為19項，約占全部申請的23%。從圖5可知，除中國大陸外，中國臺灣、美國和韓國的申請量名列前茅。這種分布情況與前文提到的全球專利申請國信息大致相當。中國大陸石墨烯改性纖維行業專利申請796項，說明中國大陸申請人在該領域的專利意識比較強，在其他國家和地區企業及研究人員還沒有認識到該領域潛在的巨大前景時就已經紛紛投入該領域的研發中，并對相關技術研發成果進行專利保護。我國的專利申請量雖然很大，但是申請人較分散。雖然有些專利技術已經達到全球領先的水平，但目前來說由于應用市場的拓展需要時間，所以短期內的高收益比較難實現。但考慮到我國企業在石墨烯改性纖維領域的投入增加、國家政策的鼓勵，以及該領域潛在的巨大的商機，國內外專利申請量很有可能會繼續上升，尤其是國外的化纖及特種纖維廠家，它們本來就應用比較先進的工藝及研發團隊，石墨烯改性纖維領域的技術壁壘尚未形成，要想趕上或超過我國的技術水平可能性比較大。

23申請人分析

石墨烯改性纖維領域專利申請量中國排名前十位的申請人如圖6所示。

從圖6可以看出，排名前十位的申請人中，都是中國的企業或者高校，與全球專利排名相同，但是各專利權人的研究側重點有所不同。從圖中可以看出在高校申請人中排名第一的為東華大學，專利申請量為49項，研究的側重點在石墨烯涂覆的紡織纖維在催化領域的應用；排名第二的為青島大學，專利申請量為18項，研究的側重點在石墨烯改性聚合物纖維、石墨烯改性海藻纖維、石墨烯改性再生纖維素纖維的等改性纖維的制備方法；排名第三的為哈爾濱工業大學，專利申請13項，研究的側重點主要是石墨烯表面接枝改性纖維、石墨烯上漿液等方面的研究；緊隨其后的是天津工業大學11項，研究的側重點主要是石墨烯改性蛋白纖維、石墨烯整理織物、石墨烯改性聚合物調溫纖維等；浙江大學10項，研究的側重點主要是導電石墨烯接枝纖維、石墨烯纖維無紡布&電熱膜；四川大學8項，研究的側重點主要是石墨烯改性聚氨酯（合成革）纖維、納米離子改性纖維等。

從圖中可以看出在企業申請人中排名第一的濟南圣泉集團股份有限公司，專利申請量為27項，研究的側重點為石墨烯改性聚合物纖維、石墨烯改性粘纖、石墨烯色漿以及石墨烯改性纖維在服裝、家居、保健等領域的應用；排名第二的為合肥康齡，專利申請量為16項，研究的側重點在石墨烯改性聚甲醛復合材料領域，提高該材料的抗紫外、抗老化、抗靜電、耐腐蝕、導熱性等性能；排名第三的為無錫市長安曙光，專利申請14項，研究的側重點在石墨烯改性纖維的應用，纖維氈、手套等，提高制品的防輻射、吸波、耐磨等性能；排名第四的是安徽玉發塑業，專利申請8項，研究的側重點主要是石墨烯改性聚乙烯母粒，以提高該材料的抗菌、阻燃、耐老化、耐酸堿、耐高低溫等性能。

此外，在以上分析中可以看出濟南圣泉與青島大學的研究側重點最為相似，在共同專利權人青島大學和濟南圣泉存在共有專利，說明這兩家單位的合作比較密切，同時競爭也是最大的。

3石墨烯改性纖維的應用分析

通過石墨烯對纖維進行改性可以給其帶來許多優異的性能，例如強度高，任性好，質輕，導電導熱快等優點，甚至還可以使其具有抗菌、抗螨蟲、低溫遠紅外發熱等功能，因此被廣泛應用于各個領域。

截至2017年4月27日，涉及石墨烯改性纖維應用的專利申請量為184項，在技術領域布局上，相比制備專利，應用專利公開數量遠低于制備專利公開數量，這說明國內外目前更重視石墨烯改性纖維及原料的制備專利布局，利用上游專利控制下游石墨烯改性纖維制品行業。下面對石墨烯改性纖維制品應用的184項專利進行分析。endprint

31全球專利概況

311專利申請態勢分析

從圖7可以看出，2010年之前，有關石墨烯改性纖維制品的專利申請量極少，只有4項申請；2011—2014年，專利申請量呈波動式增長，2014年之后專利申請量呈現井噴式增長，可見在2010年之后，研究人員認識到石墨烯的特殊功能與紡織相結合可以達到意想不到的效果，它的有益性能是其他材料很難實現的。隨著研究的不斷深入，石墨烯改性纖維更多的性能被發現，應用領域不斷被擴展，因此投身于此領域的研究人員越來越多。

312公開國分布

有關有關石墨烯改性纖維制品主要公開國如圖8所示。

從圖8可以看出，有關石墨烯改性纖維制品的公開國與石墨烯改性纖維的分布類似，說明這些國家研究石墨烯改性纖維的同時，研究人員也對石墨烯改性纖維制品進行了專利布局。專利布局最多的還是中國，專利申請量為175項，占全球總申請量的95%，其次是韓國，專利申請5項，占總量的3%，緊隨其后的是美國，專利申請2項，占比1%，英國和德國也有少量專利布局。

32中國專利概況

321專利申請態勢分析

對石墨烯改性纖維制品在中國申請的175項專利進行申請趨勢分析，如圖9所示。

有關石墨烯改性纖維制品的專利申請量非常大，基本都是中國專利申請，從申請量的變化趨勢來看與全球專利的申請趨勢是一致的，2011—2014年，專利申請量呈波動式增長，2014年之后專利申請量呈現井噴式增長?？梢娭袊膶＠暾埩康淖兓苯佑绊懼驅＠暾埩康淖兓?，在該領域中中國專利的申請處于絕對的優勢地位，專利技術處于領先地位。

就申請人國別來看，圖10的中國申請人共申請專利174項，國外申請人只有一個為韓國，申請專利僅1項，說明我國技術創新水平遠遠超過了國外知名纖維制品企業，如杜邦、東麗等，這在很大程度上反映了我國纖維制品的領域在研發水平和技術敏感性上處于較高的水平，也說明國外公司對該領域的關注度比較小，也給我國石墨烯改性纖維制品的技術發展提供了契機。中國市場的專利壁壘逐漸形成，國外想進入中國市場存在較大阻力。

322主要申請人

在中國申請石墨烯改性纖維制品方面相關的專利申請人排名如圖11所示。

從圖11中可以看出，專利申請量排名前三位的申請人分別為濟南圣泉、無錫長安曙光及義烏麻尚生針織。其中濟南圣泉專利申請量有11項，占專利申請總量的63%，可見濟南圣泉在中國專利布局意識較強，處于中國石墨烯改性纖維制品下游產品市場的領導地位；緊隨其后的是無錫長安曙光，專利申請量分別為10項，占專利申請總量的57%，其研發實力不容小覷；排名第三的義烏麻尚生針織，專利申請量為6項，其余申請人都不超過5項實力落后于前幾位申請人?？傮w來看，我國企業比較分散，最多僅占申請總量的63%。說明我國尚未出現領軍企業，市場競爭力較低，準入門檻較低。

33石墨烯改性纖維制品分布分析

對石墨烯改性纖維制品分布進行分析如圖12所示。

從圖12可以看出，石墨烯改性纖維制品主要用作面料及織物、衣服及飾品、電熱墊/氈、保健醫療用品、過濾/吸波、涮洗用品、防彈衣、導電線、面膜、漁網、帳篷、安全帶及其他應用，其專利申請量分別為69項、40項、21項、16項、10項、5項、3項、3項、1項、1項、1項、1項、13項。其中，在面料及織物應用的專利申請量最大，其次是衣服及飾品（包括服裝、內衣、內褲、護腕、脖套、假發等），這兩個領域主要是利用了石墨烯改性纖維的高強度、透氣、防污、親疏水性、抗紫外、導電、抑菌等性能；應用量比較大的領域還有電熱墊/氈和保健醫療用品（包括理療服、止血帶、創可貼、衛生巾、繃帶等），主要是利用

石墨烯改性纖維的導電、導熱、遠紅外、抑菌、吸附等有益性能；其他的應用還包括吸附性的應用于過濾嘴、過濾布和吸波布，抗菌抑菌性能的應用于涮洗用品（毛巾、澡巾、牙刷等），抗沖擊柔韌性應用于防彈衣，導電性應用于導線，遠紅外促進微循環應用于面膜，高強度應用于漁網、安全帶，抗紫外線應用于帳篷。

4總結與展望

專利布局主要包括專利的技術布局，產業鏈布局和地域布局。除此之外，還應當綜合考慮專利保護的類型，申請人的選擇，發明人是否公開等其他因素。

第一，就技術布局而言，就是為實現經營目的，通過合理設計、規劃的一系列專利所構筑的專利組合（多件專利、多項獨權），為競爭對手設置障礙，防止競爭對手的回避設計，讓自身獲得盡可能多的市場機會和利益。

通過合理的專利布局可以提升產品乃至企業的市場競爭力，在保障產品本身市場價值的基礎上，擴大利益鏈，為研發增加附加值。

第二，就產業鏈布局而言，當與競爭對手爭奪同類產品的市場時，企業可以結合所在的產業位置、自身技術特長對競爭對手的核心專利或其組合進行包繞式挖掘。

對于競爭對手的核心專利涉及上游原材料產品的情景，企業可以在該產品的下游各個應用方向挖掘專利，比如將原材料進行深加工和改性處理，轉化為生產和生活中的實際產品。據此堵住上游產品的出口，最終同樣能夠在競爭中獲利。

第三，就地域布局而言，企業在選擇專利申請的地域時，可以從企業自身市場和競爭對手市場兩個面進行確定。一個總體的原則是：企業的產品擴展到哪里，其專利申請就要布到哪里；企業未來的市場在哪個國家/地區，其專利申請就要在這些國家/地區提前布局。

企業自己的未來目標市場和競爭對手的潛在市場是確定專利布局地域的重要信息。對這些地域的專利布局，可以結合自身市場發展規劃、對方的市場和專利布局動態、企業在產業鏈中的位置、行業的整體發展態勢進行判斷。

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