纤维改性制备行业的专利技术现状及其创新发展趋势

卢茜

摘要：从纤维改性技术现状出发，通过国内外专利中相关技术和工艺创新点视角研究分析，总体上探明纤维改性制备行业的申请时间、区域分布、技术领域分布、申请人分布四个维度的专利布局情况，力争系统地反映出主要国家和主要申请人在纤维改性行业的实际水平，以期能够为纤维改性行业确立进一步专利技术研究方向提供支持，使相关企业能够从整体上把握纤维改性行业专利技术的创新发展脉络。

关键词：纤维改性；专利分析；创新技术；分类；布局

1 引言

通过物理、化学或生物方法使纤维的某些特性（如吸湿、染色、光热稳定、高强高弹等）或特殊功能（如抗静电、防霉、防污、阻燃等）进行改进、改变或派生的一系列差异性纤维统称为改性纤维。目前，研发新纤维需耗费大量时间和经费，而新型纤维材料开发、先进制造加工技术、先进检测表征技术和纤维产业应用等高新技术的快速发展为改性纤维研发提供了充分基础，也为改性纤维的应用前景提供了广阔空间[1]。纤维改性技术自问世以来，其市场研发化进程已近60年，尤其自1986年以来，改性纤维诸多优良的性能使其在纺织、装饰、产业、医疗、工程等诸多领域逐渐占据着巨大市场，目前国内外具有特定性能的改性纤维产量已占全部合成纤维的60%之多，改性纤维正源源不断进入国内外市场，大大缓解了相关行业缺乏特殊性能及功能纤维原料的现状。

近年来，发展改性纤维，开发改性纤维新品种，尤其在重要领域扩大改性纤维应用范围是当今国内外纤维改性研发方向。改性方法是实现纤维多用途、高性能、环保性等不可缺少的关键技术，目前，在涵盖专利创新技术在内的纤维改性技术中，化学方法主要包括碱法改性、液氮改性、金属及其氧化物改性、电化学改性、分离组分复合改性、共混共聚改性、接枝共聚改性、无甲醛改性、氧化改性、后处理等[2]，物理方法主要为形状结构、活性炭吸附结构、截面表面异形改性、等离子改性、纳米改性、共混或物理性添加改性剂等方法[3]，而生物方法主要有蛋白质分子设计改性、基因重组改性、辐射基因突变改性等。

本文以纤维改性制备行业中的核心技术为分析对象，尤其对纺织、医疗、产业、工程等重要领域用的纤维改性制备相关国内外专利中新技术和新工艺进行深入剖析，对于纤维改性领域的申请时间分布、区域分布、技术领域分布、申请人分布等进行统计分析。通过统计分析，总结纤维改性领域的专利技术发展过程，综合研究中国、美国、欧洲、日本等国家地区在纤维改性专利技术方面的实力。从而分析纤维改性技术研发的领先企业、预测行业的发展趋势、了解市场战略布局、分析近期的研究热点、发现行业关键技术，以使得我国在纤维改性技术领域能够借鉴更好的经验，采取合理的技术和专利战略，为企业确定专利创新发展路线提供参考。

2 纤维改性国内外专利技术现状

本文在检索时所使用的检索系统为欧洲专利局EPOQUE检索系统和国家知识产权局的专利检索系统，所检索的数据库为德温特世界专利索引数据库和中国专利全文数据库，根据国际专利分类体系，由技术领域和关键词检索（截止日为2015年6月26日）筛选得到自1986年至今纤维改性关键新技术的1633件国内外核心相关发明专利文献，下面对纤维改性方面的专利技术从申请时间、地区分布、技术领域、重点申请人等多角度分层次进行统计分析。

2.1 国内外纤维改性专利申请时间分布情况

从1986年至2009年的总共24年时间内专利申请量为488件，而从2010年至2015年的6年时间的专利申请量就达到了1145件。其中，1986至2005年的专利申请量比较少，20年时间内共有213件，纤维改性技术的研发水平处于起步阶段。到2006年专利迅速增加到278件，随后从2006年至2010年每年的专利申请量一直处于稳定快速增加的趋势，这期间改性纤维由于其特有的优势逐渐被人们重视，其增长趋势比较明显，为纤维改性的技术发展期阶段。而2010年以后每年的申请量开始大幅度增加，并且远远超过了之前所有年份的申请量总和，这表明了纤维改性技术的研发能力在近几年已达到了一个较高的水平。

由上面这些数据也可以看出，2010年以来是改性纤维创新技术飞速发展的阶段，因此这个阶段的增长趋势也可以看作是对于纤维改性技术的需求大幅度快速增长，各个国家和地区在纤维改性相关技术方面的研发投入了更大的人力和物力。在最近的6年中随着现代科学技术的不断进步、各学科的不断交叉融合、化学高分子高科技水平快速发展以及纤维改性技术的不断创新，纺织工业、医疗行业、工程技术等领域对于纤维的高性能、多用途等用途需求不断拓展，人们对高性能、多应用的改性纤维越来越依赖，由此对纤维改性技术的要求越来越高，从而使得纤维改性创新技术研究发展越来越快。

2.2 国内外纤维改性专利申请国家和地区分布情况

由申请量可以看出，美国核心专利的申请量是第一位，其份额是28%，数量为457件，其次是日本、中国、德国，依次份额是23%、15%、11%，数量依次为376件、245件、180件，而除了这几个国家外其他国家和地区总量所占份额约为23%，共计375件。

从上面的数据可以看出，国外分布的专利申请量要大大高于国内，尤其是美国、日本等发达国家的纤维改性技术研发实力较强，以及他们对世界范围的纤维改性市场的重视。但国内的企业、科研院所逐渐意识到纤维改性创新技术的重要性，并开始迎头追赶美国、日本等在这方面技术比较领先的国家。由于美国、日本在纤维改性领域的研究起步早、发展快，并且已经在包括我国在内的世界范围申请了一定数量的专利，进行了专利布局，虽然我国的申请经过近几年的快速增长，数量的总份额逐渐接近这些国家，但是美国、日本等国家早期申请的专利对我国申请人在国内外的专利战略已经造成一定威胁，应该引起国内高校、科研院所以及企业足够的重视。应该充分在国外企业还没有全面进入中国并形成足够充分的专利布局前寻找自己的突破口，逐渐建立起自己的纤维改性创新的自主知识产权的技术堡垒。endprint

2.3 国内外纤维改性专利技术领域分布情况

在核心技术领域排名前五位的国际分类号大组类别依次是：D06M15、D01F4、C08L1、D06M10、C08L27，其申请量分别达到了621件、376件、245件、163件、131件。D06M15是用烷氧基化合物、烯化氧改性、含磷等各种高分子化合物处理纤维或由该材料制成的化学改性纤维制品的分类，D01F4是按生物特性区分的用丝心蛋白、用酪朊、用球朊、单组分蛋白人造长丝或类似物等纤维生物改性的领域，C08L1是按多糖类或其衍生物等高分子化合物的组合物类别区分的化学改性纤维，D06M10则是按超声波、电晕放电、辐射、电流、磁场、同化合物或化学元素处理相结合的基于物理改性处理纤维的分类，C08L27是属于用化学后处理改性的纤维分类。从图3中显示的结果可以看出对于纤维改性的研究最主要集中在化学改性和生物改性方法，也都是基于添加材料和纤维材料本身改性的技术改进，其次是纤维物理改性方法，即在于对其纤维结构、形状或者填料等的技术改进。

2.4 国内外纤维改性专利重点申请人申请量分布情况

在国内外纤维改性核心技术中申请量排名前12位的申请人，占申请量前3位的依次是美国杜邦公司、东华大学、日本DIC株式会社，数量依次是56件、52件、50件；其次是日本日清纺织株式会社、德国巴斯夫欧洲公司、美国伊万奈特纤维公司、日本信越化学工业株式会社、欧盟植物纤维技术控股公司、北京中纺化工股份有限公司、欧盟GP纤维素股份公司、美国安全BT股份有限公司、华南理工大学。从中可以看出申请总量中国已靠近占据头位的杜邦公司的美国、日本和欧洲发达国家，但排位靠前较多的仍然是美国、日本和欧洲发达国家，这也显示了其在纤维改性技术方面投入人力物力比较多，具有非常强的研发能力，核心竞争力相对比较高，占据领先地位。但其中，国内申请人东华大学申请量位列第2，北京中纺化工股份有限公司第9，华南理工大学第12。说明国内高校和企业对于纤维改性技术的研究虽有一定的重视，且在专利申请量上正在追赶国外的高新企业，但是可以从图4中看出中国的3家申请人中有两家高校科研院所，而企业仅有1家，这些申请人的总量为85件，其中科研院所的高校的申请量为66件，企业申请量为19件。也就是说中国的申请量虽然在努力追赶国外，但是中国企业的申请量依然不足。相对于高校以及科研院所的申请，企业的申请往往更加注重纤维改性技术的工业化、规模化和实用化，而高校以及科研院所的申请则更侧重于实验性、学术性和前瞻性。因此如果想进一步保护国内改性纤维市场，避免被国外高新企业占领技术制高点，还需要国内企业进一步增加科研投入，加大与高校、科研院所的合作，提高申请的纤维改性的技术、价值含金量，才能力争在纤维改性技术的申请量和技术含量上取得双突破。

3 纤维改性技术发展趋势

随着纺织工业、医疗行业和工程技术等科技水平的不断发展，对纤维的环保性、多用途、高性能等要求的日益提高，传统的纤维改性技术面临巨大的挑战，具体表现在对新型添加剂、稳定剂、交联母料等化学改性，特性基团、基体材料等生物改性，以及纤维结构、形状等的物理改性的开发和研究中，结合以上对纤维改性国内外专利技术现状的分析，纤维改性技术未来将呈现以下发展趋势：

一是纤维改性材料用新型稳定剂、添加剂的开发和应用。

新型稳定剂、添加剂在纤维化学改性中使用所占比例最大，两者也是纤维改性效果的最直接体现者。而在传统纤维化学改性技术中，其所使用的对人体和环境有害的含重金属以及含甲醛等有害化合物的传统稳定剂、添加剂，虽然在纤维化学改性加工过程中实现了某些特殊性能或功能，但同时，这些传统稳定剂、添加剂本身的可分解度却很低，导致其无法有效分解或消化对人体和环境的危害。近年来，迫于世界各地医疗卫生和环保的压力，在纤维化学改性技术中，全球要求取缔含重金属和有害化合物的添加剂和稳定剂的呼声日益高涨。

近年来，在纤维化学改性创新技术开发和应用中，通过环保型高分子化合物及其衍生物制备的新型稳定剂、添加剂的创新技术的专利申请层出不穷，大有逐渐替代之前对人体和环境有害的含重金属以及含甲醛等有害化合物的传统稳定剂、添加剂之势。与此同时，新型稳定剂、添加剂在保证其环保性的基础上，同时又需要在稳定性、特殊性能和功能效果、工业化以及成本等多方面综合考虑，如近年具有代表性的：日本纤维改性技术集中攻关的在人造和天然纤维素纤维上键合有类环氧化合物等添加剂的研发，改性后不仅赋予纤维各种功能性，同时大大提高其染色性和色牢度，从而在纺织工业高端应用领域大大提高其改性纤维的附加值；美国用于中空纤维材料改性的包含具有直链或支链的合成的聚阳离子链、半合成的聚阳离子链和天然的聚阳离子链中的至少一种阴离子交换基团的添加剂的研究，这将在医疗和工程领域中保证轻质卫生纤维，成几何倍数地提高改性纤维的强度和韧度，同时大大减少老化、光暴露或气候带来的变色。目前在保证环保性的同时，如何实现低成本、工业化生产，提高不同特殊性能及功能效果和稳定性，仍是新型稳定剂、添加剂开发应用关注的焦点。

二是纤维改性交联工艺的改进。

与添加剂和稳定剂的纤维化学改性相比，交联工艺的纤维改性技术充分利用了合成纤维的各原料成分相互之间的化学反应关系，其大大减少了添加非纤维原料本身成分带来的副作用，较好地实现了纤维改性的效果或功能，并大大提高了其可分解性。当然，纤维化学改性中的交联工艺的复杂度和可控难度大大增加，实现所需特殊性能或功能的改性纤维的几率相对较小，因此交联工艺在纤维改性品种中需要同时提高纤维特殊性能或功能的成效度。如近年美国、日本等发达国家研发的由多阳离子式胺的反应产物交联而得低分子聚合物进行氨基甲酸酯纤维素改性纤维，大大改善用直接染料或反应性染料染色或印花较差的色牢度，其可得到具有特别出色的染色或印染物的色牢度。目前，美国杜邦公司、日本日清纺织株式会社等致力于纤维改性交联工艺改进技术方向的研究。endprint

三是纤维材料本身的生物改性的改进和开发。

生物改性方法把纤维改性技术基于纤维材料本身改性的应用提到了一个新的高度。纤维材料分子大小均一，分子量分布相对较窄，密度小、生物活性具有的性能特异，大大提高了纤维改性的稳定性和多样性。如美国研发的通过基因重组技术改变动物纤维中角蛋白纤维颜色、高柔韧性和防毡化收缩性等纤维生物改性方法，在保持纤维原有的生物活性基础上，大大提高改性纤维的多色性、高柔韧性和高防毡化收缩性。德国和比利时共同研发的基于新型蔗糖合酶蛋白质或相关核酸的使用，大大改变植物纤维一系列舒适性和功能性等纤维特征效果的纤维生物改性方法，并以棉纤维为例取得了非常突出的效果，目前不仅美国、日本、欧洲发达国家致力于纤维生物改性这一全新的技术方向的研究，我国也有不少高校、科研院所联合相关企业已在这一技术领域逐步开展研究和开发。

四是纤维纳米结构改性的研发。

纳米材料和纳米技术在各领域的不断深入应用，已在纤维的结构、形成、形态的调控、改性、微细化及后加工改性方面发挥着重大作用，并通过纤维内部结构纳米级再排列的多维、多层、复合等，重新赋予相对于传统纤维完全不同的力、热、电、磁、光、吸湿等功能和风格，其利用化学、物理和生物刺激的激发作用，制备改性纤维将是今后很长时期具有很大发展空间的新领域。如近年美国研发的含有聚烯烃及表面改性碳纳米管的纳米复合纤维，该改性碳纳米管具有增强的与聚烯烃的相容性，有机改性碳纳米管和聚烯烃的纳米复合物用于制备的改性纤维具有超强的机械和电学性能，尤其具有超强的断裂伸长率及韧性，其目前已开始工业化生产准备阶段；日本研究的含聚乙烯微多孔膜的改性纤维素纳米纤维，其为含有具有碳数4至30的烷基或链烯基的改性纤维素纳米纤维；大大提高了纳米增强纤维和纤维束在内的纤维的强度和刚度，并在后续研究中涉及将无规或定向的纳米增强材料粘附至展开碳丝束或纤维之中或之上以形成改性纤维，其中纳米增强材料粘附或截留在碳丝束中，其纳米纤维可以是定向的，包含改性碳纤维的碳纤维丝束可以再加工用热固性或热塑性树脂浸渍，从而形成复合改性纳米结构。其改性后的纤维能显著提高其纤维刚度和强度，同时显著降低纤维重量。纤维纳米结构改性可显著获得优异的光学性、机械性能、耐热性等。另外，纳米结构改性结合化学和生物改性方法复合新的改性纤维也是研究热点和技术发展趋势，如何解决其加工工艺的产业化，降低成本的问题是目前这类改性纤维的技术难点。

4 对我国纤维改性专利技术发展的建议

从之前的数据分析能够看出，2010年以后世界范围内的纤维改性技术领域的各项技术发展开始提速，同时我国由于改性纤维的使用量大，企业众多，因此虽然对于纤维改性研究起步比国外晚，但起点高，近年也有了长足的发展和进步，其发展速度非常快，我国的一些大企业、科研院所和高校，如东华大学、北京中纺化工股份有限公司、华南理工大学等纷纷开发出属于自己的知识产权，依靠这些知识产权对自己的改性纤维产品进行更好的推广与保护。

虽然如此，我们还没有能够与国外那些大公司相匹敌的有雄厚研发实力的公司、企业或研究机构。从数据可以看出，在世界领域内，美国、欧洲和日本的纤维改性技术占据领先地位，其技术发展快、基础好、起步较早，拥有纤维改性的核心技术，已经形成自己的完整体系，同时从分析数据中可以看到美国、欧洲和日本也非常重视中国市场，已经将我国纳入其知识产权战略中，向我国提交申请的外国申请人前三位就是美国、欧洲和日本。

国内申请人的专利申请量虽然近年从数量上靠近了美国、欧洲和日本，但是其设计外围技术多，技术含量较低，不属于核心技术范畴。从国内申请人的地区分布看，纤维改性的科研力量存在大城市和南强北弱的情况，这应该与大城市和南方工业上比较发达以及国家对于这些地区的政策鼓励有一定关系。因此，我国纤维改性制备行业应加强专利技术与实际产业应用间的结合，合理进行产业布局和规划；相关制备企业要加强专利知识培训，提高专利申请撰写质量。

与此同时，更为关键的是，纤维改性制备行业和相关制备企业要不断关注世界范围内相关技术，加大企业与高校和科研机构创新技术合作机制。纤维材料的改性与其加工方法、创新技术发展密切相关，直接影响到产品的功能和性能，经常关注世界范围内相关创新技术，涉及改性纤维产品时，可有效把握纤维改性技术发展的创新趋势和市场用途的热点需求，便于综合定位分析其改性技术的难易程度、性能和功能优良及附加值高低，这有利于改性纤维产品的创新并取得预期成果。长期以来，我国纤维制造产业普遍存在科研、专利申请、和生产脱节问题，在纤维改性制备行业也存在这类问题，从上文中国内外纤维改性核心技术申请量申请人的数据可以看出，在12个申请人中我们占据3位，并且东华大学以52件申请排在第2位，因此无论从数量还是科研实力来看，科研院所与高校都具有一定的水平。科研院所的优势在于仪器设施齐全、研究人次众多，而企业的优势在于对实际生产与市场需求更加敏锐、资金实力雄厚，因此国内的改性纤维制备企业应该不断加强与科研机构的交流合作，发挥各自的优势，优化纤维改性资源配置，促进科研院所的纤维改性研发成果产业化，在技术创新、知识产权保护和技术应用等环节上形成合力，使得纤维改性相关科研成果和专利技术能够在产业上获得应用，进一步提高我国整个纤维改性制备行业的核心竞争力。

5 结束语

改性纤维作为国民经济建设的重要配套产业之一，其占据了中国纤维行业三分之一多的产值，是纤维工业中的第二产业，纺织工业、医疗行业、工程技术改性纤维是纤维改性行业中非常重要的产品。近年来，随着我国产业工程建设的发展和工业进程的加快，纤维改性行业发展速度也不断加快，虽然国内相关生成企业数量众多，但是真正具有自主知识产权、主要生产纤维改性用于纺织工业、医疗行业、工程技术等科技含量较高的高端产品的企业并不多，而纤维行业的竞争法则是“质量为王、创新取胜”，因此，国内纤维改性制备的企业应该抓住当前经济发展形势的机遇，加大加快对纺织工业、医疗行业、工程技术改性纤维产品的研发进程，抢占纤维改性技术的制高点，创造出更多的自主知识产权的高端改性纤维产品。

参考文献：

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[2] 曹海琳，黄玉东，张志谦，等. 磷酸盐溶液中碳纤维表面电化学改性[J].复合材料学报，2004，21（3）：28-31.

[3] 金辉，王一雍. 芳纶纤维表面改性技术及相关机理的研究进展[J]. 化工新型材料，2009，37（3）：24-26.

（作者单位：中国专利技术开发公司）endprint