化学纤维新材料发展趋势与专利分析

汤方明，王 宁，杨 涛，吉 鹏，王华平

(1.江苏恒力化纤股份有限公司，江苏 苏州 215226；2.纺织工业科学技术发展中心，北京 100020；3.中国化学纤维工业协会，北京 100020；4.东华大学 纺织产业关键技术协同创新中心，上海 201620)

当今世界贸易是在WTO框架下开展，近年来一些发达国家主要利用以专利为代表的技术壁垒采用单边贸易制裁手段限制发展中国家，我国作为经济快速增长的发展中国家首当其冲，包括化学纤维新材料在内的多个领域贸易摩擦频频出现。美国杜邦公司、日本东丽公司、日本帝人公司等不仅在国际上布局专利，而且在高性能、生物基、功能与智能纤维方面，在中国布局了大量的专利体系，严重干扰了国内企业的正常发展，甚至成为纤维产业发展的“卡脖子”难题，一定程度影响了我国“纺织强国”战略的实施。我国的专利信息的专业化深度研究与开发利用刚刚起步，专利信息研究对支撑产业发展的意识还比较薄弱，在化学纤维新材料领域还未受到足够的重视，也没有任何机构从事相关工作。由于国外已经开始在该领域的一些技术制高点进行专利布局，而国内化学纤维新材料行业刚起步，关键技术与装备依赖进口，申请专利还很少，也鲜见在国外申请。这将有可能严重阻碍我国化学纤维新材料行业的良性发展，如何应对所面临的挑战并形成产业和企业的发展战略成为亟待解决的问题。

作者在纤维材料系统检索基础上，从专利申请量、我国化学纤维专利与世界纤维专利的分布、竞争区域分布、申请人、申请人数量、专利的生命周期、专利关注点等进行了对比及分析，指出了我国化学纤维新材料知识产权发展的新方向。

1 纤维材料技术发展趋势

发达国家针对先进纤维材料，制定了国家战略和研究发展计划。例如，美国制定了革命性纤维和纺织品计划，建立纤维和织物产业创新机构，重点发展新一代具有智能特征的纤维纱线技术和织物；德国在“工业4.0”中推出了Future TEX计划，重点是可再生纤维材料，顾客为中心的纤维产品制造，以智能纤维等为主体的未来新兴纤维材料等；法国建设了纤维新材料与产业用纺织品技术创新基地 Up-tex，推进纤维产业的技术创新，重点关注智能纤维、新工业用途的高技术非织造布、轻质化高性能复合纤维材料、高效医护纳米先进材料及安全防护纤维新材料；欧盟推出了Horizion 2020计划，重点是医疗器械和智能纤维制品，新工业发展用的高技术非织造材料，高性能复合纤维材料，纳米纤维先进材料，安全防腐纤维材料等；日本注重纤维材料整个产业链的研发，通过与纺织企业和产品公司的业务合作，保持其在高性能纤维产业领域已经占领的制高点，在高功能纤维设计及面料的开发、评价到整体的服装应用等方面重点开展研究，赋予纤维更多功能性，提高服用舒适性，保持其国际竞争力[1]。

先进纤维材料作为我国十大重点突破领域之一，是《纺织工业发展规划》(2016—2020年)和《化纤工业“十三五”发展指导意见》的优先发展方向，也是我国新材料发展战略及《中国制造2025》的重要方向[2]。预计未来10年，在纤维新材料方面，我国将重点围绕超高性能、多功能、智能、绿色低碳、高附加值纤维的制造技术进行研究开发。

2 化学纤维专利分析

从图1可以看出，1960—2000年，全球化学纤维专利基本都是国外专利，但2000年后，随着化学纤维制造重心转移到中国，中国化学纤维专利的申请量呈现出了快速增长趋势，在2010年中国专利申请量开始超过国外专利申请量(专利数据分析均来源于国家知识产权局官网，其中2018年数均未统计完全)，说明我国在化学纤维方面的后发优势明显。目前我国在化学纤维尤其是在聚酯纤维、聚酰胺纤维等品种的专利申请已经处于国际绝对的主导地位。

图1 全球化学纤维专利申请量的变化趋势Fig.1 Trend of global chemical fiber patent applications■—国外；●—国内

对国内外的化学纤维专利进一步深入分析发现，在化学纤维品种方面，中国专利申请与国外专利申请基本是一致的，都是以聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等品种的专利为主导。在纤维素纤维、碳纤维等方面，中国与国外专利申请量占比有较大的差异，这主要是因为这些纤维品种在国外发展已经相对成熟，而国内正处于快速发展期。从表1可以发现，在中国境内专利申请方面，中国专利申请量占比82%，处于绝对的主导地位，说明中国较注重本土化学纤维的知识产权保护，日本、德国、美国等国家也在中国申请了一定比例的专利，说明国外发达国家关注中国化学纤维的发展，并积极参与其中。

表1 中国境内专利申请竞争区域分布Tab.1 Regional distribution of patent application competition in China

2000年以来，中国化学纤维专利申请前10名的申请人及申请量见表2。高校的专利申请量较多，其中东华大学占到了申请量的绝对领先地位，高校一直长期从事于化学纤维的基础研究与应用开发研究，优势明显。另外，中国石油化工股份有限公司、江苏恒力化纤股份有限公司、国外的杜邦及东丽公司的专利申请量也较大，在知识产权保护方面比较活跃。

表2 中国化学纤维专利申请前10名Tab.2 Top 10 chemical fiber patent applicants in China

从图2可以看出，自1985年以来，中国专利申请人数量处于不断增加的趋势，尤其是在2000年以后增加显著。

根据中国专利申请量与申请人变化关系显示出的专利申请技术生命周期趋势可以看出，中国专利申请正处于成长期与成熟期之间，虽然中途出现了2008年金融危机与2013—2014年化学纤维行业低迷期，但通过产业结构的不断调整与优化，高质量发展成为了行业方向，中国专利申请情况整体仍然向好。

图2 中国专利申请人数量的变化趋势Fig.2 Changing trend of the number of patent applicants in China

进一步深入分析自2000年以来中国的化学纤维专利，发现中国的化学纤维专利重点围绕功能纤维、高性能纤维、循环再利用纤维、纳米纤维、生物基及生物医用纤维、智能纤维等，其中功能纤维是中国的化学纤维专利申请的热点。从图3可以看出，2000年以来功能纤维专利申请呈逐年上升，说明功能纤维整体上得到了快速发展，化学纤维的功能属性备受关注，日益变得重要，满足终端的多方面需求成为化学纤维产品开发的重要方向。

图3 功能纤维专利申请趋势Fig.3 Patent application trend of functional fiber

2000年以来功能纤维中国专利申请量前10名如表3所示。由表3可知，高校在功能性化学纤维拥有较多的专利，约占总申请量的50%；东丽纤维研究所(中国)有限公司在功能化学纤维拥有122件专利，这凸显出了其在化学纤维创新方面的实力；江苏恒力化纤股份有限公司在功能化学纤维方面的专利也有111件，这体现了该公司在化学纤维产业上的布局，为后续更大、更快的发展奠定了基础。

表3 功能纤维中国专利申请量前10名Tab.3 Top 10 functional fiber patent applicants in China

3 聚酯纤维专利技术

2017年我国聚酯纤维产量达到39 340 kt，占我国纤维总量的85%以上，占世界纤维总量的60%以上。但聚酯纤维面临着单线产能越来越高，而产品附加值较低，人工成本、能源消耗较高，以及大规模定制的柔性生产能力不足，纤维使用废弃后降解周期长、循环再利用率低等问题，导致聚酯纤维的发展优势与存在的发展瓶颈之间的矛盾日益凸显。因此，高仿真与功能化聚酯纤维、高性能与产业用聚酯纤维、生物降解与循环再生聚酯纤维等成为了我国聚酯纤维自“十二五”以来重点发展的方向，其中部分品种已经成为了国家“十三五”重点研发计划项目重要研究内容。

3.1 高仿真与功能化聚酯纤维

高仿真与功能化聚酯纤维是聚酯纤维产品开发的主要方向之一[3-4]，聚酯纤维的高仿真是以动物纤维、天然植物纤维为仿生对象，融入多重改性技术实现结构与性能的统一。聚酯纤维的功能化包括了实现环境适应、卫生保健、安全防护、运动休闲舒适、易护理等功能，满足终端消费者差别化的需求。

聚酯纤维多重改性技术包括了通过分子结构设计的共聚技术、相态组分调控技术、异形纺丝技术及后整理技术等。其中共聚技术是指采用共聚方法向成纤聚合物大分子中引入基团、柔性基团等作为成孔剂的微粒子；共混技术是采用功能母粒通过共混纺丝制得改性聚酯纤维；纤维形态技术是指改变纤维截面，如中空、异形等；后整理技术包括了纺纱工艺与织造工艺等。

通过对聚酯纤维专利检索分析，高仿真与功能化聚酯纤维的专利申请情况见图4。

图4 高仿真与功能化聚酯纤维专利申请的趋势Fig.4 Trend of patent application on highly simulated and functional polyester fibers

自2000年后我国高仿真与功能化聚酯纤维专利经过快速增长期后，目前稳中有升，说明我国在开发高仿真与功能化聚酯纤维已经具备了一定的技术方案，对终端市场的需求日益清晰，今后需要在品质上进一步加大投入，实现功能化与高品质的统一。

3.2 高性能与产业用聚酯纤维

高性能与产业用聚酯纤维也是重要的发展方向[5]，尤其是在交通运输、环境保护、工程建筑、个体防护用等领域，聚酯纤维发挥了重要作用，发展极为迅速。其中涤纶工业丝是最具代表性的产品，涤纶工业丝是许多工业用纺织品橡胶骨架的良好材料，广泛用于工业布、帘子布、广告灯箱布、建筑用膜结构材料、安全气囊、输送带和其他增强材料等。自2000年以来，高性能与产业用聚酯纤维专利申请趋势如图5所示，相比较于高仿真与功能化聚酯纤维，高性能与产业用聚酯纤维的专利申请量从2000年开始整体处于增长趋势，2010年后增长较快，这说明聚酯纤维在高性能与产业用方面需求持续稳定，发展前景较好。

图5 高性能与产业用聚酯纤维专利申请的趋势Fig.5 Trend of patent application on high performance and industrial polyester fibers

3.3 生物降解与循环再生聚酯纤维

据统计，全球每年由环境污染和生态破坏造成的损失达到上万亿美元，严重影响人类的可持续发展。废旧化纤制品作为重要废弃资源，通常都只被当作垃圾进行填埋或焚烧等简单处理，这不仅严重污染了环境，而且也造成极大的资源浪费。我国废旧化纤制品累计产生量达1.4×105kt，但目前回收利用率却不足10%，预计到“十三五”末，废旧化纤制品的产生量可达近2.0×105kt。化纤再生循环不仅可以缓解资源短缺的现状，而且可以减少纺织废弃物对环境造成的污染，具有显著的经济效益和巨大的社会效益,并且随着石油、棉花等纤维资源的紧缺及环境压力的加大而不断强化。聚酯纤维是废旧化纤制品中的主要纤维品种，相比较传统简单、粗放的处理方式，循环再生及生物可降解技术成为其回收利用的有效发展路径[6-7]。

生物降解与循环再生聚酯纤维专利申请趋势如图6所示，其专利申请量从2000年开始整体处于增长趋势，2010年后增长较快。这一方面说明了伴随着聚酯纤维的快速发展，废旧聚酯纤维及制品社会存储量急剧增加，环保压力大；另外一方面说明环保理念不断深入人心，生物降解与循环再生聚酯纤维已引起社会关注。

图6 生物降解与循环再生聚酯纤维专利申请的趋势Fig.6 Trend of patent application on biodegradable and recycled polyester fibers

高仿真与功能化聚酯纤维、高性能与产业用聚酯纤维、生物降解与循环再生聚酯纤维分别从纤维材料功能、应用领域及资源再生等角度阐明了聚酯纤维发展趋势，除此之外，聚酯纤维制造绿色化、智能化等也是聚酯纤维的重要发展方向。聚酯纤维的绿色制造与智能制造体现在全流程，更加强调聚酯纤维全生命周期的绿色化、生产全过程的高效柔性化、数字化、智能化。未来聚酯纤维的创新发展将面临跨学科、跨专业、跨领域的挑战，尤其是行业可持续发展的挑战。

4 结语

我国化学纤维材料知识产权伴随着国家化学纤维产业的发展而发展。目前，我国化学纤维尤其是聚酯纤维、聚酰胺纤维等品种的专利申请处于绝对的主导地位，在专利申请数量方面，以高校申请的专利最多，因为这些高校一直长期从事于化学纤维的基础研究与应用开发研究，优势明显。另外，国外的杜邦及东丽公司利用他们先进的技术在中国布局了比较完整的知识产权体系，具有核心的竞争力。

围绕功能纤维、高性能纤维、循环再利用纤维、纳米纤维、生物基及生物医用纤维、智能纤维等专利进行检索，其中功能纤维是我国化学纤维专利申请的热点。通过对聚酯纤维的专利检索与分析，我国化学纤维新材料的发展重点应在高仿真与功能化纤维、高性能与产业用纤维、生物降解与循环再生纤维以及绿色与智能制造等方面进行技术创新。