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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xiàng)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(jì)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(xiàng)，這是由于FORMHALS 和TAYLOR 等研究人員在早期對靜電紡絲技術(shù)進(jìn)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(jì)開始，該項(xiàng)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(dá)到峰值，該年的全球申請量為185 項(xiàng)。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(jì)開始出現(xiàn)，年申請量呈迅猛式增長，在2018 年達(dá)到了164 項(xiàng)的年申請量，國內(nèi)在該項(xiàng)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(dá)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(xiàng)、161 項(xiàng)和72 項(xiàng)，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(xiàng)，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(xué)，申請量為90 項(xiàng)，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(xué)，為65 項(xiàng)，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(xué)和蘇州大學(xué)的申請量均在50 項(xiàng)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(xué)，日本松下集團(tuán)、花王株式會社和MEC 公司分別以28、19 和8 項(xiàng)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(jī)械與材料研究所、韓國大學(xué)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(xiàng)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(diǎn)，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(xué)（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(xué)（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(jìn)行供液，每一個紡絲針裝置設(shè)置有單獨(dú)的流動阻抗裝置；財團(tuán)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(xué)（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(dá)大學(xué)（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(xiàng)改進(jìn)措施，廣東工業(yè)大學(xué)（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(jìn)行帶液電紡； 天津工業(yè)大學(xué)（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(xué)（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(tuán)（KR20110125334）采用具有多噴嘴的無針靜電紡絲噴絲裝置進(jìn)行納米纖維的制備；麻省理工大學(xué)（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(xué)（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(jìn)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(diǎn)主要集中在避免針頭易堵、均勻化場強(qiáng)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(jìn)無針頭的外形結(jié)構(gòu)來形成纖維直徑更細(xì)、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(xiàng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化靜電紡絲噴絲設(shè)備的方向上還需要進(jìn)一步地加強(qiáng)。