基于专利分析视角的静电纺喷丝装置技术发展研究

李鹏刚，朱 静

（1. 苏州小顺科技有限公司 知识产权中心， 江苏 苏州 215000；2. 国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 材料工程发明审查部， 江苏 苏州 215000）

0 引 言

静电纺丝又称电纺丝，是一种简便高效的可生产纳米纤维的新材料加工技术，是纳米材料学、纳米生物学和纳米加工学在纺织领域的应用，也是与专利制度紧密结合的高新技术。早在1914年，Zeleny[1]就开始了静电纺技术的研究，1934 年由美国人Formalas 公开了首个静电纺丝技术发明专利。由于静电纺丝技术的可生产性较低，纳米纤维技术没有引起广泛关注和应用。直到20 世纪末，随着纳米科技的发展和对纳米材料的需求增加，该技术才得到业界的关注。进入21 世纪以来，静电纺喷丝装置从最传统的针头注射器式发展为多针头/喷头式、无针式、同轴式及辅助设备式等多样化设备[2]。纳米纤维技术也在电子、机械、生物医学、化工、纺织等产业领域得到广泛应用，已成为纤维科学的前沿和研究热点，取得了大量研究成果，并由此产生了大量的专利申请。本文以与“静电纺喷丝装置” 相关的中英文关键词结合国际专利分类（IPC）号，在智慧芽专利检索数据库进行相关专利技术检索（截至2021 年11 月29日），对检索结果进行人工去噪和标引分类，以分析静电喷丝装置的专利技术分类和发展趋势，并据此提出相关建议。

1 静电纺喷丝装置分类

如图1 所示，静电纺丝喷丝装置可分为传统针管式、喷头式及无针式，其中喷头式可以分为单针喷头式和多针喷头式。无针式静电纺丝喷丝装置不需要注射器针头及喷头喷丝嘴，是一种利用高压电场在自由液体表面直接形成喷射流的纺丝装置。根据其喷丝工作动静机理，可分为动态无针喷头和静态无针喷头[3]两种。动态无针式喷丝头一般通过机械运动来保持喷射流的形成，而静态无针式喷丝头一般借助重力、磁力或气压等实现喷丝。无针式电纺丝喷丝装置是一种新型的电纺丝装置，使用其可解决传统针管式静电纺丝产量低的问题，同时可克服多喷头式纺丝喷头装置喷头尺寸及设备体积大且喷头易堵塞、电场分布不均等不足。根据静电纺喷丝装置的分类，静电纺喷丝装置的专利技术也分为三类。本文将在分析静电纺喷丝装置三大技术分类及其专利申请总体趋势的基础上，着重分析无针式的电纺喷丝装置的技术进展。

图1 静电纺喷丝装置分类

2 静电纺喷丝装置专利申请总体状况分析

针对检索去噪后的静电纺丝喷丝装置的专利申请数据，按照前述三大技术分类进行分类标引，然后统计出针管式、喷头式和无针式静电纺喷丝装置在总体申请量中的占比及各专利技术在近20 年的变化趋势如图2。从图2（a）可以看出，在静电纺丝装置的三类技术中，喷头式静电纺喷丝装置技术专利占比近50%，针管式静电纺喷丝装置专利申请量其次，无针式静电纺喷丝装置技术占比最小。需要说明的是，专利申请附图中具有明显针管注射器的，本文统计为针管式静电纺喷丝装置。结合图2（b）可以看出，针管式和喷头式的静电纺喷丝装置专利申请量均在2013 年左右达到了峰值，在2013 年之后开始呈波浪式下降。在2014 年之前，无针式静电纺喷丝装置技术专利申请量均较低，2014 年之后总体呈上升趋势。此外，由于发明专利申请可能存在18 个月的公开期，因此，2020—2021 年的申请量不做参考。

图2 静电纺喷丝装置三大技术分类占比及其专利申请量趋势

静电纺喷丝装置的专利主要申请人分布情况如图3 所示。从图3 可以看出，在静电纺喷丝装置的专利申请量TOP 10 排名中，专利申请人主要来自中国、美国、日本及韩国，其中中国占50 %，美国占30 %。值得关注的是，无论是中国还是美国均以高校申请为主。其原因主要在于，静电纺丝技术在纳米新材料研究领域具有非常广泛的应用，且许多新纳米材料的研究开始于高校实验室。特别是关于针管式静电纺丝的技术专利大多来自于高校申请，这也是高校专利申请在静电纺丝领域占主导的原因。另外，也有一些生物公司或滤材公司对静电纺技术颇有研究，例如作为滤材行业领跑者的美国唐纳森公司在专利申请量排名中位列第三。

图3 静电纺喷丝装置专利申请量TOP 10 排名

图4 反映了静电纺喷丝装置专利申请的类型及法律状态。从图4 可以看出，静电纺喷丝装置中发明专利占比较高，达88.6 %，远高于实用新型专利申请。其原因在于，较多的静电纺喷丝装置专利涉及电纺丝的工艺方法，而工艺方法只能申请发明专利。另外，实用新型专利的法律状态图显示，有57.3 %的专利处于失效状态，而发明专利中有36.0 %处于授权有效状态，PCT 国际申请占比7.9 %，审中发明专利申请占比11.2 %，这也表明该领域发明专利申请积压量不多。

图4 静电纺喷丝装置专利申请的类型及法律状态

静电纺喷丝装置技术专利来源国（区域）和目标国（区域）的申请情况如图5。从图5 可看出，中国是最大的静电纺喷丝装置专利来源国，同时也是最大的目标国，但来源于中国的专利技术略小于进入中国（目标国）的数量，表明相关技术略呈进口状态。美国是第二大技术来源国和技术目标国，而来源于美国的专利技术明显大于进入美国（目标国）的专利数量，这表明其呈明显的技术出口状态。四大主要静电纺喷丝装置专利来源国近20 年的相关专利申请量趋势如图6。从图6 可以看出，在2005 年之前，中国作为技术来源国的专利申请量明显低于美、日、韩，但在2005—2013 年持续上升，2013 年达到峰值并高于美日韩，表明在2005 年以来，我国静电纺技术在持续不断发展并赶超国外。

图5 静电纺喷丝装置专利来源及目标分布情况

图6 静电纺喷丝装置专利主要来源国申请趋势

3 无针式电纺喷丝装置技术发展

根据上文对无针式电纺喷丝装置的分类，从专利技术角度对动态无针式电纺喷丝装置及静态无针式电纺喷丝装置的技术发展进行梳理，并对技术路线上的部分重点专利进行技术解读和分析。

3.1 动态无针式静电纺装置技术发展

动态无针式电纺喷丝装置主要是通过机械运动或采用机械运动与重力、气流等辅助方式促使静电纺喷丝装置喷射流的形成。图7 给出了动态无针式电纺装置专利技术发展路线。

图7 动态无针式电纺装置专利技术发展路线

1930 年，美国专利申请US1975504A 公开了采用锯齿状轮式电极在电纺丝液中旋转，从该锯齿状的轮式电极上朝着金属环的方向不间断地产生极细的细丝并被收集[4]的技术。该技术是动态无针式静电纺装置最早的专利技术，但该技术在当时并未得到重视。

1973 年，美国专利申请US4069026A 公开了通过旋转的环形电极不断地从纺丝液容器中将纺丝液喷溅射电纺并通过环形传送带进行收集实现量产静电纺丝[5]的技术，该专利在当时也并未引起足够重视，但后来该专利被引证103 频次。

2003 年，捷克专利CZ294274B6 公告了一种静电纺丝设备，该设备利用旋转带电极的圆柱体部分浸入纺丝液中，同时在其上方设置了半圆形带电极的输送器。通过圆柱体及输送器电极之间的电势差产生的电场从聚合物溶液生产纳米纤维，同时在纺丝空间内通入热空气，极大地提高了射流中聚合物溶剂从生产的纳米纤维中蒸发的速率以及纳米纤维的移动速度[6]。该专利在21 个国家/地区进行了专利申请并获得了授权，从此无针式静电纺丝技术迅速引起广泛关注。

2008 年，中国专利申请CN101215762A 公开了一种静电纺制备纳米纤维毡的装置。该装置采用上方溅射方式取液，即纺丝液由金属滚筒上方的均匀分配器中缓缓滴落到带电旋转的金属滚筒上，像雨滴一样依靠溶液的压力和重力滴落到旋转金属滚筒上，在离心力和电场作用下，液滴成锥抽拉成丝[7]。

2012 年，中国专利申请CN102828259A 公开了一种锯齿式无针头静电纺丝装置。该装置的纺丝系统包括纺丝箱体、纺丝组件和中心轴，其纺丝组件为轴向连续式或并列式的薄型齿条结构，齿条的尖端向外安装在中心轴上，并可由中心轴带动旋转，使得带尖端的薄型齿条成为无针头式静电纺丝单元[8]。

2018 年，中国专利申请CN108547005A 公开了一种机械波干涉静电纺丝装置。装置通过周期性机械振动产生机械波干涉信号传给纺丝溶液，纺丝溶液作周期性振动，在机械波干涉下驻波处产生大量射流[9]。

3.2 静态无针式静电纺装置技术发展

静态无针式静电纺装置主要是在静电场的作用下，通过重力、电磁、气体压力等辅助方式促使静电纺喷丝喷射流的形成。静态无针式静电纺丝装置的专利技术起步较晚，图8 给出了静态无针式电纺装置专利技术发展路线。

图8 静态无针式静电纺装置专利技术发展路线

2006 年，中国专利申请CN1861268A 公开了一种界面助力型无喷丝头电流体力学方法，其通过静电作用力与气泡爆破作用力共同作用形成电射流，进而对被加工材料进行加工[10]。

2013 年，中国专利申请CN103572388A 公开了一种无针式同轴静电纺丝装置。该装置包括阶梯状无针式喷丝头、供液系统、溶液回收槽、接收装置以及高压静电发生器。该阶梯状无针式喷丝头是中空的圆形阶梯状喷丝头，有三层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，可实现核壳结构纳米纤维的批量化生产[11]。

2016 年，中国专利申请CN105821497A 公开了一种双圆环状狭缝式静电纺喷头系统。该喷头系统包括套在内芯外壁上的内环和套在外壳内壁上的外环，将套有内环的内芯与套有外环的外壳装配在一起构成双圆环状狭缝式静电纺丝喷头。该专利意在解决无针式静电纺纺丝过程中溶剂容易挥发、溶液利用不充分和纳米纤维结构不可控等问题，且该喷头可拆卸便于清洗[12]。

2019 年，中国专利申请CN110106564A 公开了一种取向纳米纤维纱线组合式静电纺丝装置。该装置包括了组合使用的无针式和针头式纺丝喷头，其无针式纺丝喷头包括内锥角式喷头和电场屏蔽盘，利用无针式多射流纺丝喷头与针头式纺丝喷头组合射流产生纺丝纤维，有效提高了纱线产量[13]。

2021 年，中国专利申请CN113046845A 公开了一种狭缝式静电纺丝装置。该装置通过在导电座上设置绝缘罩，形成一个储液腔，同时在绝缘罩上设置环形狭缝以供射流喷出，有效减少了溶液暴露面积，提升了纺丝溶液的液面稳定性[14]。

4 结论与建议

基于静电纺丝喷丝装置的专利技术分析，可以看出，作为静电纺丝喷丝装置的三大技术分支，喷头式及针管式喷丝装置的申请量占据了静电纺丝喷丝装置总申请量的87 %。从各技术的专利申请量趋势来看，自2013 年以来，传统的针管式及喷头式喷丝装置的申请量开始呈递减趋势。这主要是由于传统的针管式及单针喷头式喷丝装置无法实现规模化生产，主要用于教学或对新材料电纺技术的试验性研究。多针喷头式装置存在喷头容易堵塞，多针喷头间电场相互干扰，纳米纤维均匀性难以控制等问题，也无法在规模化生产中得到应用。随着纳米纤维在电子、机械、生物、医学、化工、纺织等产业领域应用的不断扩大，静电纺纳米纤维生产技术处于不断发展的状态，行业内开始重视静电纺丝的规模化生产技术的研究，这一点从无针式纺丝装置的专利申请趋势亦可看出。

无针式电纺喷丝装置主要是为提高电纺纳米纤维的规模化生产而兴起，是静电纺丝喷丝技术发展的方向，近年来发展较快，并且以动态无针式喷丝装置为主。静态无针式电纺喷丝装置发展起步较晚，国内无针式电纺喷丝装置的研究相对国外较晚。

无针式电纺喷丝装置目前仍存在射流形状不易控制、纳米纤维分布均匀性差、纺丝液密封难、喷丝头清理不彻底、配套接收装置影响纺丝稳定性等诸多问题。目前，已有一些专利技术在着重解决这些问题。今后，还需要对射流控制的方法与原理展开进一步研究，开发新型无针式静电纺丝的规模化生产设备，并继续优化无针式静电纺丝工艺参数，以解决上述问题，并使其能够规模化生产直径更细且分布均匀的纳米纤维。

此外，根据静电纺喷丝装置专利技术的来源国和目标国分布情况分析，建议：我国在该领域的各创新主体应提高专利战略和专利布局的意识和能力；在知识产权强国的背景下，尤其需要加强对具有发展前景的规模化无针静电纺丝设备的海外专利布局；要根据静电纺丝设备及下游纤维产品的预期目标市场进行海内外专利布局，以期在未来的国际市场竞争中占据优势。