靜電紡絲噴絲裝置專利分析

陳威亞，楊 眉

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100160）

1 引言

靜電紡絲技術(shù)中涉及的部件有靜電紡絲噴絲裝置、接收裝置、供液裝置、高壓電源裝置等，噴絲裝置對由供液裝置提供的溶液或熔體進行靜電噴絲形成納米纖維，最終由接收裝置收集納米纖維進而形成一張納米纖維雜亂交叉排列或者纖維高度取向排列的纖維膜。其中噴絲裝置的結(jié)構(gòu)對形成納米纖維的直徑、納米纖維膜的均勻性等均有影響，因此，噴絲裝置結(jié)構(gòu)的改進對靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

2 靜電紡絲噴絲裝置專利分析

本文對靜電紡絲噴絲裝置的專利技術(shù)進行分析，國內(nèi)和國外專利申請分別采用CNABS 和VEN 數(shù)據(jù)庫進行檢索；檢索的截止日期為2020-06-13。

2.1 申請趨勢分析

靜電紡絲噴絲裝置的專利申請最早始于1930 年，是由FORMHALS 提出的多項關(guān)于靜電紡絲針頭式和無針頭式的靜電紡絲噴絲裝置專利申請；在2003 年之前（約21 世紀之前），國內(nèi)外的靜電紡絲噴絲裝置相關(guān)專利申請量非常少，年申請量不足10 項，這是由于FORMHALS 和TAYLOR 等研究人員在早期對靜電紡絲技術(shù)進行研究后，由于能夠檢測和表征亞微米尺寸纖維的設(shè)備和技術(shù)發(fā)展緩慢，導(dǎo)致靜電紡絲技術(shù)在這個期間出現(xiàn)了停滯期，直到21 世紀開始，該項技術(shù)又受到研究人員的關(guān)注[1]。國內(nèi)外靜電紡絲噴絲裝置專利申請趨勢如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，自2004 年開始，靜電紡絲噴絲裝置相關(guān)專利的年申請量逐年增長，直到2018 年達到峰值，該年的全球申請量為185 項。國內(nèi)有關(guān)靜電紡絲噴絲裝置的專利申請主要在21 世紀開始出現(xiàn)，年申請量呈迅猛式增長，在2018 年達到了164 項的年申請量，國內(nèi)在該項技術(shù)上雖起步較晚，但后期發(fā)展較快，成為靜電紡絲噴絲裝置技術(shù)專利申請領(lǐng)域的主力軍。

圖1 國內(nèi)外靜電紡絲噴絲裝置專利申請趨勢

2.2 申請來源國/地區(qū)分析

專利申請來源國/地區(qū)如圖2 所示。由圖2 可知，中國在全球的申請中占比67%，達到了一半以上；其次是韓國、日本和美國，專利申請量分別為190 項、161 項和72 項，全球申請量占比均在5%以上；捷克、德國以及中國臺灣地區(qū)的申請量分別為12、11 和10 項，占全球申請量約1%。

圖2 專利申請來源國/地區(qū)

2.3 申請人分析

國內(nèi)主要和主要申請人類型占比如圖3 所示。從圖3 中可以看出，國內(nèi)主要申請人中申請量最多的為東華大學，申請量為90 項，其主要研究方向包括同軸/皮芯靜電紡絲、取向靜電紡絲、批量化制備靜電紡絲納米纖維等；其次是北京化工大學，為65 項，其主要研究內(nèi)容包括熔體靜電紡絲、增設(shè)氣流/磁場等輔助結(jié)構(gòu)；廣東工業(yè)大學和蘇州大學的申請量均在50 項以上，研究的主要方向分別為批量化靜電紡絲和氣泡靜電紡絲技術(shù)。國內(nèi)前十名的申請人均是高校，院校占到了所有申請人的62%，院校是國內(nèi)靜電紡絲噴絲裝置相關(guān)技術(shù)的主要創(chuàng)新主體。

圖3 國內(nèi)主要和主要申請人類型占比

國外主要申請人如圖4 所示。從圖4 中可以看出，國外主要申請人均是來自韓國和日本的高校、研究所和企業(yè)，申請量最多的為韓國全北國立大學，日本松下集團、花王株式會社和MEC 公司分別以28、19 和8 項專利位居第二、第四和第五位，韓國的FINETEX ENE 公司位列第三，韓國機械與材料研究所、韓國大學研究和商業(yè)基金會以及日本的帝人株式會社、VILENE 企業(yè)均擁有7 項專利申請。從國外主要的申請人類型看，韓國以高校和研究所的申請人類型為主，而日本則是企業(yè)居多，這可能與日本企業(yè)具有深厚的研發(fā)基礎(chǔ)有關(guān)。

圖4 國外主要申請人

2.4 專利技術(shù)分析

根據(jù)靜電紡絲噴絲裝置的結(jié)構(gòu)特點，其主要包括針頭式和無針頭兩種噴絲設(shè)備。

2.4.1 針頭式靜電紡絲噴絲

最初傳統(tǒng)的靜電紡絲噴絲裝置采用單個的針頭，然而單針頭噴絲裝置制備的納米纖維產(chǎn)量低、纖維膜均勻度差，為了提升靜電紡絲納米纖維的產(chǎn)量和纖維膜的均勻性，形成了采用多針頭式的靜電紡絲噴絲裝置，例如清華大學（CN1456716）采用多針頭靜電紡絲裝置制備獲得用于組織工程支架材料；廣東工業(yè)大學（CN108893788A）在多針頭靜電紡絲裝置中增加供氣組件，解決了多針頭靜電紡絲過程中針頭容易出現(xiàn)堵塞的問題；NANOSTATICS 公司（US2010071619）采用同一供液腔對多個針頭進行供液，每一個紡絲針裝置設(shè)置有單獨的流動阻抗裝置；財團法人紡織產(chǎn)業(yè)綜合研究所（CN1760411A）將多個紡絲針頭設(shè)置成可旋轉(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu)，改善了納米纖維膜的不均勻性。此外，研發(fā)主體還采用同軸/皮芯/并列/多通道的靜電紡絲噴絲裝置來形成復(fù)合納米纖維、中空納米纖維等，提升了納米纖維膜的整體質(zhì)量和性能；上海理工大學（CN110079877）采用四種電紡多級復(fù)合同軸的紡絲頭，能夠形成具有多種材料復(fù)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米纖維；弗羅里達大學（WO2010090868）采用內(nèi)針嵌入外針內(nèi)部且內(nèi)針和外針分別由輸送裝置送液，制備皮芯結(jié)構(gòu)的納米纖維。為了改善射流的狀態(tài)、纖維膜的均勻性等，通過增設(shè)輔助結(jié)構(gòu)也是目前創(chuàng)新主體的一項改進措施，廣東工業(yè)大學（CN107130305）通過在多針靜電紡絲裝置中增設(shè)輔助電極，輔助電極高度不一，使得電場更加均勻；花王株式會社（CN105431577）在紡絲針周圍設(shè)置空氣流噴射單元，增加了原料的帶電量，提升了產(chǎn)量。

2.4.2 無針頭靜電紡絲噴絲

多針頭式的靜電紡絲噴絲裝置雖然相較于單針頭有效地提升了產(chǎn)量和納米纖維膜的均勻性，但是針頭電紡容易出現(xiàn)針頭堵塞、清洗困難的問題，基于此發(fā)展出無針頭式的噴絲裝置，無針頭式噴絲裝置主要包括動態(tài)和靜態(tài)兩種類型。動態(tài)噴絲裝置主要包括轉(zhuǎn)動的圓柱、圓盤、球形等噴絲結(jié)構(gòu)以及帶有尖端的轉(zhuǎn)動噴絲裝置、異形結(jié)構(gòu)噴絲裝置等；最早由ANTON FORMHALS（US1975504A）發(fā)明的轉(zhuǎn)動鋸齒輪在儲液槽中轉(zhuǎn)動進行帶液電紡； 天津工業(yè)大學（CN107620127/CN110195264）公開轉(zhuǎn)動式的帶尖端分型結(jié)構(gòu)噴絲裝置以及轉(zhuǎn)動圓盤噴絲裝置；東華大學（CN106811811）采用球形旋轉(zhuǎn)刷式的噴絲裝置，能夠批量化地制備納米纖維。靜態(tài)噴絲裝置通常包括噴嘴、氣泡噴絲裝置、磁流體噴絲裝置和結(jié)構(gòu)異形的噴絲裝置等，HYOSUNG 集團（KR20110125334）采用具有多噴嘴的無針靜電紡絲噴絲裝置進行納米纖維的制備；麻省理工大學（US2014353860）采用異形結(jié)構(gòu)的噴射裝置，該裝置上延伸有微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)以有序的方式布置；艾克朗大學（US20100283189A1）將在儲存溶液的容器內(nèi)部設(shè)置氣管通入氣體，以形成氣泡，氣泡上升到流體表面時產(chǎn)生射流進而形成納米纖維。

3 小結(jié)

靜電紡絲噴絲裝置主要是針頭式和無針頭兩種形式，針頭式的研究熱點主要集中在避免針頭易堵、均勻化場強的方向；無針頭式產(chǎn)量較高，但纖維直徑較粗，研發(fā)主體主要通過改進無針頭的外形結(jié)構(gòu)來形成纖維直徑更細、纖維膜更均勻的產(chǎn)品。目前，靜電紡絲噴絲裝置相關(guān)技術(shù)仍處于快速發(fā)展階段，中國也是該項技術(shù)的主要來源國，其中中國高校對靜電紡絲噴絲設(shè)備的研究較為活躍，但國內(nèi)在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化靜電紡絲噴絲設(shè)備的方向上還需要進一步地加強。