静电纺丝喷丝装置专利分析

陈威亚，杨 眉

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100160）

1 引言

静电纺丝技术中涉及的部件有静电纺丝喷丝装置、接收装置、供液装置、高压电源装置等，喷丝装置对由供液装置提供的溶液或熔体进行静电喷丝形成纳米纤维，最终由接收装置收集纳米纤维进而形成一张纳米纤维杂乱交叉排列或者纤维高度取向排列的纤维膜。其中喷丝装置的结构对形成纳米纤维的直径、纳米纤维膜的均匀性等均有影响，因此，喷丝装置结构的改进对静电纺丝技术的发展起到了至关重要的作用。

2 静电纺丝喷丝装置专利分析

本文对静电纺丝喷丝装置的专利技术进行分析，国内和国外专利申请分别采用CNABS 和VEN 数据库进行检索；检索的截止日期为2020-06-13。

2.1 申请趋势分析

静电纺丝喷丝装置的专利申请最早始于1930 年，是由FORMHALS 提出的多项关于静电纺丝针头式和无针头式的静电纺丝喷丝装置专利申请；在2003 年之前（约21 世纪之前），国内外的静电纺丝喷丝装置相关专利申请量非常少，年申请量不足10 项，这是由于FORMHALS 和TAYLOR 等研究人员在早期对静电纺丝技术进行研究后，由于能够检测和表征亚微米尺寸纤维的设备和技术发展缓慢，导致静电纺丝技术在这个期间出现了停滞期，直到21 世纪开始，该项技术又受到研究人员的关注[1]。国内外静电纺丝喷丝装置专利申请趋势如图1 所示。

从图1 中可以看出，自2004 年开始，静电纺丝喷丝装置相关专利的年申请量逐年增长，直到2018 年达到峰值，该年的全球申请量为185 项。国内有关静电纺丝喷丝装置的专利申请主要在21 世纪开始出现，年申请量呈迅猛式增长，在2018 年达到了164 项的年申请量，国内在该项技术上虽起步较晚，但后期发展较快，成为静电纺丝喷丝装置技术专利申请领域的主力军。

图1 国内外静电纺丝喷丝装置专利申请趋势

2.2 申请来源国/地区分析

专利申请来源国/地区如图2 所示。由图2 可知，中国在全球的申请中占比67%，达到了一半以上；其次是韩国、日本和美国，专利申请量分别为190 项、161 项和72 项，全球申请量占比均在5%以上；捷克、德国以及中国台湾地区的申请量分别为12、11 和10 项，占全球申请量约1%。

图2 专利申请来源国/地区

2.3 申请人分析

国内主要和主要申请人类型占比如图3 所示。从图3 中可以看出，国内主要申请人中申请量最多的为东华大学，申请量为90 项，其主要研究方向包括同轴/皮芯静电纺丝、取向静电纺丝、批量化制备静电纺丝纳米纤维等；其次是北京化工大学，为65 项，其主要研究内容包括熔体静电纺丝、增设气流/磁场等辅助结构；广东工业大学和苏州大学的申请量均在50 项以上，研究的主要方向分别为批量化静电纺丝和气泡静电纺丝技术。国内前十名的申请人均是高校，院校占到了所有申请人的62%，院校是国内静电纺丝喷丝装置相关技术的主要创新主体。

图3 国内主要和主要申请人类型占比

国外主要申请人如图4 所示。从图4 中可以看出，国外主要申请人均是来自韩国和日本的高校、研究所和企业，申请量最多的为韩国全北国立大学，日本松下集团、花王株式会社和MEC 公司分别以28、19 和8 项专利位居第二、第四和第五位，韩国的FINETEX ENE 公司位列第三，韩国机械与材料研究所、韩国大学研究和商业基金会以及日本的帝人株式会社、VILENE 企业均拥有7 项专利申请。从国外主要的申请人类型看，韩国以高校和研究所的申请人类型为主，而日本则是企业居多，这可能与日本企业具有深厚的研发基础有关。

图4 国外主要申请人

2.4 专利技术分析

根据静电纺丝喷丝装置的结构特点，其主要包括针头式和无针头两种喷丝设备。

2.4.1 针头式静电纺丝喷丝

最初传统的静电纺丝喷丝装置采用单个的针头，然而单针头喷丝装置制备的纳米纤维产量低、纤维膜均匀度差，为了提升静电纺丝纳米纤维的产量和纤维膜的均匀性，形成了采用多针头式的静电纺丝喷丝装置，例如清华大学（CN1456716）采用多针头静电纺丝装置制备获得用于组织工程支架材料；广东工业大学（CN108893788A）在多针头静电纺丝装置中增加供气组件，解决了多针头静电纺丝过程中针头容易出现堵塞的问题；NANOSTATICS 公司（US2010071619）采用同一供液腔对多个针头进行供液，每一个纺丝针装置设置有单独的流动阻抗装置；财团法人纺织产业综合研究所（CN1760411A）将多个纺丝针头设置成可旋转式的结构，改善了纳米纤维膜的不均匀性。此外，研发主体还采用同轴/皮芯/并列/多通道的静电纺丝喷丝装置来形成复合纳米纤维、中空纳米纤维等，提升了纳米纤维膜的整体质量和性能；上海理工大学（CN110079877）采用四种电纺多级复合同轴的纺丝头，能够形成具有多种材料复合的复杂结构纳米纤维；弗罗里达大学（WO2010090868）采用内针嵌入外针内部且内针和外针分别由输送装置送液，制备皮芯结构的纳米纤维。为了改善射流的状态、纤维膜的均匀性等，通过增设辅助结构也是目前创新主体的一项改进措施，广东工业大学（CN107130305）通过在多针静电纺丝装置中增设辅助电极，辅助电极高度不一，使得电场更加均匀；花王株式会社（CN105431577）在纺丝针周围设置空气流喷射单元，增加了原料的带电量，提升了产量。

2.4.2 无针头静电纺丝喷丝

多针头式的静电纺丝喷丝装置虽然相较于单针头有效地提升了产量和纳米纤维膜的均匀性，但是针头电纺容易出现针头堵塞、清洗困难的问题，基于此发展出无针头式的喷丝装置，无针头式喷丝装置主要包括动态和静态两种类型。动态喷丝装置主要包括转动的圆柱、圆盘、球形等喷丝结构以及带有尖端的转动喷丝装置、异形结构喷丝装置等；最早由ANTON FORMHALS（US1975504A）发明的转动锯齿轮在储液槽中转动进行带液电纺； 天津工业大学（CN107620127/CN110195264）公开转动式的带尖端分型结构喷丝装置以及转动圆盘喷丝装置；东华大学（CN106811811）采用球形旋转刷式的喷丝装置，能够批量化地制备纳米纤维。静态喷丝装置通常包括喷嘴、气泡喷丝装置、磁流体喷丝装置和结构异形的喷丝装置等，HYOSUNG 集团（KR20110125334）采用具有多喷嘴的无针静电纺丝喷丝装置进行纳米纤维的制备；麻省理工大学（US2014353860）采用异形结构的喷射装置，该装置上延伸有微结构，微结构以有序的方式布置；艾克朗大学（US20100283189A1）将在储存溶液的容器内部设置气管通入气体，以形成气泡，气泡上升到流体表面时产生射流进而形成纳米纤维。

3 小结

静电纺丝喷丝装置主要是针头式和无针头两种形式，针头式的研究热点主要集中在避免针头易堵、均匀化场强的方向；无针头式产量较高，但纤维直径较粗，研发主体主要通过改进无针头的外形结构来形成纤维直径更细、纤维膜更均匀的产品。目前，静电纺丝喷丝装置相关技术仍处于快速发展阶段，中国也是该项技术的主要来源国，其中中国高校对静电纺丝喷丝设备的研究较为活跃，但国内在实现产业化静电纺丝喷丝设备的方向上还需要进一步地加强。