化學纖維新材料發展趨勢與專利分析

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.紡織工業科學技術發展中心，北京 100020；3.中國化學纖維工業協會，北京 100020；4.東華大學 紡織產業關鍵技術協同創新中心，上海 201620)

當今世界貿易是在WTO框架下開展，近年來一些發達國家主要利用以專利為代表的技術壁壘采用單邊貿易制裁手段限制發展中國家，我國作為經濟快速增長的發展中國家首當其沖，包括化學纖維新材料在內的多個領域貿易摩擦頻頻出現。美國杜邦公司、日本東麗公司、日本帝人公司等不僅在國際上布局專利，而且在高性能、生物基、功能與智能纖維方面，在中國布局了大量的專利體系，嚴重干擾了國內企業的正常發展，甚至成為纖維產業發展的“卡脖子”難題，一定程度影響了我國“紡織強國”戰略的實施。我國的專利信息的專業化深度研究與開發利用剛剛起步，專利信息研究對支撐產業發展的意識還比較薄弱，在化學纖維新材料領域還未受到足夠的重視，也沒有任何機構從事相關工作。由于國外已經開始在該領域的一些技術制高點進行專利布局，而國內化學纖維新材料行業剛起步，關鍵技術與裝備依賴進口，申請專利還很少，也鮮見在國外申請。這將有可能嚴重阻礙我國化學纖維新材料行業的良性發展，如何應對所面臨的挑戰并形成產業和企業的發展戰略成為亟待解決的問題。

作者在纖維材料系統檢索基礎上，從專利申請量、我國化學纖維專利與世界纖維專利的分布、競爭區域分布、申請人、申請人數量、專利的生命周期、專利關注點等進行了對比及分析，指出了我國化學纖維新材料知識產權發展的新方向。

1 纖維材料技術發展趨勢

發達國家針對先進纖維材料，制定了國家戰略和研究發展計劃。例如，美國制定了革命性纖維和紡織品計劃，建立纖維和織物產業創新機構，重點發展新一代具有智能特征的纖維紗線技術和織物；德國在“工業4.0”中推出了Future TEX計劃，重點是可再生纖維材料，顧客為中心的纖維產品制造，以智能纖維等為主體的未來新興纖維材料等；法國建設了纖維新材料與產業用紡織品技術創新基地 Up-tex，推進纖維產業的技術創新，重點關注智能纖維、新工業用途的高技術非織造布、輕質化高性能復合纖維材料、高效醫護納米先進材料及安全防護纖維新材料；歐盟推出了Horizion 2020計劃，重點是醫療器械和智能纖維制品，新工業發展用的高技術非織造材料，高性能復合纖維材料，納米纖維先進材料，安全防腐纖維材料等；日本注重纖維材料整個產業鏈的研發，通過與紡織企業和產品公司的業務合作，保持其在高性能纖維產業領域已經占領的制高點，在高功能纖維設計及面料的開發、評價到整體的服裝應用等方面重點開展研究，賦予纖維更多功能性，提高服用舒適性，保持其國際競爭力[1]。

先進纖維材料作為我國十大重點突破領域之一，是《紡織工業發展規劃》(2016—2020年)和《化纖工業“十三五”發展指導意見》的優先發展方向，也是我國新材料發展戰略及《中國制造2025》的重要方向[2]。預計未來10年，在纖維新材料方面，我國將重點圍繞超高性能、多功能、智能、綠色低碳、高附加值纖維的制造技術進行研究開發。

2 化學纖維專利分析

從圖1可以看出，1960—2000年，全球化學纖維專利基本都是國外專利，但2000年后，隨著化學纖維制造重心轉移到中國，中國化學纖維專利的申請量呈現出了快速增長趨勢，在2010年中國專利申請量開始超過國外專利申請量(專利數據分析均來源于國家知識產權局官網，其中2018年數均未統計完全)，說明我國在化學纖維方面的后發優勢明顯。目前我國在化學纖維尤其是在聚酯纖維、聚酰胺纖維等品種的專利申請已經處于國際絕對的主導地位。

圖1 全球化學纖維專利申請量的變化趨勢Fig.1 Trend of global chemical fiber patent applications■—國外；●—國內

對國內外的化學纖維專利進一步深入分析發現，在化學纖維品種方面，中國專利申請與國外專利申請基本是一致的，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。在纖維素纖維、碳纖維等方面，中國與國外專利申請量占比有較大的差異，這主要是因為這些纖維品種在國外發展已經相對成熟，而國內正處于快速發展期。從表1可以發現，在中國境內專利申請方面，中國專利申請量占比82%，處于絕對的主導地位，說明中國較注重本土化學纖維的知識產權保護，日本、德國、美國等國家也在中國申請了一定比例的專利，說明國外發達國家關注中國化學纖維的發展，并積極參與其中。

表1 中國境內專利申請競爭區域分布Tab.1 Regional distribution of patent application competition in China

2000年以來，中國化學纖維專利申請前10名的申請人及申請量見表2。高校的專利申請量較多，其中東華大學占到了申請量的絕對領先地位，高校一直長期從事于化學纖維的基礎研究與應用開發研究，優勢明顯。另外，中國石油化工股份有限公司、江蘇恒力化纖股份有限公司、國外的杜邦及東麗公司的專利申請量也較大，在知識產權保護方面比較活躍。

表2 中國化學纖維專利申請前10名Tab.2 Top 10 chemical fiber patent applicants in China

從圖2可以看出，自1985年以來，中國專利申請人數量處于不斷增加的趨勢，尤其是在2000年以后增加顯著。

根據中國專利申請量與申請人變化關系顯示出的專利申請技術生命周期趨勢可以看出，中國專利申請正處于成長期與成熟期之間，雖然中途出現了2008年金融危機與2013—2014年化學纖維行業低迷期，但通過產業結構的不斷調整與優化，高質量發展成為了行業方向，中國專利申請情況整體仍然向好。

圖2 中國專利申請人數量的變化趨勢Fig.2 Changing trend of the number of patent applicants in China

進一步深入分析自2000年以來中國的化學纖維專利，發現中國的化學纖維專利重點圍繞功能纖維、高性能纖維、循環再利用纖維、納米纖維、生物基及生物醫用纖維、智能纖維等，其中功能纖維是中國的化學纖維專利申請的熱點。從圖3可以看出，2000年以來功能纖維專利申請呈逐年上升，說明功能纖維整體上得到了快速發展，化學纖維的功能屬性備受關注，日益變得重要，滿足終端的多方面需求成為化學纖維產品開發的重要方向。

圖3 功能纖維專利申請趨勢Fig.3 Patent application trend of functional fiber

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

表3 功能纖維中國專利申請量前10名Tab.3 Top 10 functional fiber patent applicants in China

3 聚酯纖維專利技術

2017年我國聚酯纖維產量達到39 340 kt，占我國纖維總量的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能越來越高，而產品附加值較低，人工成本、能源消耗較高，以及大規模定制的柔性生產能力不足，纖維使用廢棄后降解周期長、循環再利用率低等問題，導致聚酯纖維的發展優勢與存在的發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、高性能與產業用聚酯纖維、生物降解與循環再生聚酯纖維等成為了我國聚酯纖維自“十二五”以來重點發展的方向，其中部分品種已經成為了國家“十三五”重點研發計劃項目重要研究內容。

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品開發的主要方向之一[3-4]，聚酯纖維的高仿真是以動物纖維、天然植物纖維為仿生對象，融入多重改性技術實現結構與性能的統一。聚酯纖維的功能化包括了實現環境適應、衛生保健、安全防護、運動休閑舒適、易護理等功能，滿足終端消費者差別化的需求。

聚酯纖維多重改性技術包括了通過分子結構設計的共聚技術、相態組分調控技術、異形紡絲技術及后整理技術等。其中共聚技術是指采用共聚方法向成纖聚合物大分子中引入基團、柔性基團等作為成孔劑的微粒子；共混技術是采用功能母粒通過共混紡絲制得改性聚酯纖維；纖維形態技術是指改變纖維截面，如中空、異形等；后整理技術包括了紡紗工藝與織造工藝等。

通過對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情況見圖4。

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

自2000年后我國高仿真與功能化聚酯纖維專利經過快速增長期后，目前穩中有升，說明我國在開發高仿真與功能化聚酯纖維已經具備了一定的技術方案，對終端市場的需求日益清晰，今后需要在品質上進一步加大投入，實現功能化與高品質的統一。

3.2 高性能與產業用聚酯纖維

高性能與產業用聚酯纖維也是重要的發展方向[5]，尤其是在交通運輸、環境保護、工程建筑、個體防護用等領域，聚酯纖維發揮了重要作用，發展極為迅速。其中滌綸工業絲是最具代表性的產品，滌綸工業絲是許多工業用紡織品橡膠骨架的良好材料，廣泛用于工業布、簾子布、廣告燈箱布、建筑用膜結構材料、安全氣囊、輸送帶和其他增強材料等。自2000年以來，高性能與產業用聚酯纖維專利申請趨勢如圖5所示，相比較于高仿真與功能化聚酯纖維，高性能與產業用聚酯纖維的專利申請量從2000年開始整體處于增長趨勢，2010年后增長較快，這說明聚酯纖維在高性能與產業用方面需求持續穩定，發展前景較好。

圖5 高性能與產業用聚酯纖維專利申請的趨勢Fig.5 Trend of patent application on high performance and industrial polyester fibers

3.3 生物降解與循環再生聚酯纖維

據統計，全球每年由環境污染和生態破壞造成的損失達到上萬億美元，嚴重影響人類的可持續發展。廢舊化纖制品作為重要廢棄資源，通常都只被當作垃圾進行填埋或焚燒等簡單處理，這不僅嚴重污染了環境，而且也造成極大的資源浪費。我國廢舊化纖制品累計產生量達1.4×105kt，但目前回收利用率卻不足10%，預計到“十三五”末，廢舊化纖制品的產生量可達近2.0×105kt?；w再生循環不僅可以緩解資源短缺的現狀，而且可以減少紡織廢棄物對環境造成的污染，具有顯著的經濟效益和巨大的社會效益,并且隨著石油、棉花等纖維資源的緊缺及環境壓力的加大而不斷強化。聚酯纖維是廢舊化纖制品中的主要纖維品種，相比較傳統簡單、粗放的處理方式，循環再生及生物可降解技術成為其回收利用的有效發展路徑[6-7]。

生物降解與循環再生聚酯纖維專利申請趨勢如圖6所示，其專利申請量從2000年開始整體處于增長趨勢，2010年后增長較快。這一方面說明了伴隨著聚酯纖維的快速發展，廢舊聚酯纖維及制品社會存儲量急劇增加，環保壓力大；另外一方面說明環保理念不斷深入人心，生物降解與循環再生聚酯纖維已引起社會關注。

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

高仿真與功能化聚酯纖維、高性能與產業用聚酯纖維、生物降解與循環再生聚酯纖維分別從纖維材料功能、應用領域及資源再生等角度闡明了聚酯纖維發展趨勢，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展方向。聚酯纖維的綠色制造與智能制造體現在全流程，更加強調聚酯纖維全生命周期的綠色化、生產全過程的高效柔性化、數字化、智能化。未來聚酯纖維的創新發展將面臨跨學科、跨專業、跨領域的挑戰，尤其是行業可持續發展的挑戰。

4 結語

我國化學纖維材料知識產權伴隨著國家化學纖維產業的發展而發展。目前，我國化學纖維尤其是聚酯纖維、聚酰胺纖維等品種的專利申請處于絕對的主導地位，在專利申請數量方面，以高校申請的專利最多，因為這些高校一直長期從事于化學纖維的基礎研究與應用開發研究，優勢明顯。另外，國外的杜邦及東麗公司利用他們先進的技術在中國布局了比較完整的知識產權體系，具有核心的競爭力。

圍繞功能纖維、高性能纖維、循環再利用纖維、納米纖維、生物基及生物醫用纖維、智能纖維等專利進行檢索，其中功能纖維是我國化學纖維專利申請的熱點。通過對聚酯纖維的專利檢索與分析，我國化學纖維新材料的發展重點應在高仿真與功能化纖維、高性能與產業用纖維、生物降解與循環再生纖維以及綠色與智能制造等方面進行技術創新。