李鵬剛，朱 靜

（1. 蘇州小順科技有限公司 知識產(chǎn)權(quán)中心， 江蘇 蘇州 215000；2. 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 材料工程發(fā)明審查部， 江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

靜電紡絲又稱電紡絲，是一種簡便高效的可生產(chǎn)納米纖維的新材料加工技術(shù)，是納米材料學(xué)、納米生物學(xué)和納米加工學(xué)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，也是與專利制度緊密結(jié)合的高新技術(shù)。早在1914年，Zeleny[1]就開始了靜電紡技術(shù)的研究，1934 年由美國人Formalas 公開了首個靜電紡絲技術(shù)發(fā)明專利。由于靜電紡絲技術(shù)的可生產(chǎn)性較低，納米纖維技術(shù)沒有引起廣泛關(guān)注和應(yīng)用。直到20 世紀(jì)末，隨著納米科技的發(fā)展和對納米材料的需求增加，該技術(shù)才得到業(yè)界的關(guān)注。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，靜電紡噴絲裝置從最傳統(tǒng)的針頭注射器式發(fā)展為多針頭/噴頭式、無針式、同軸式及輔助設(shè)備式等多樣化設(shè)備[2]。納米纖維技術(shù)也在電子、機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)、化工、紡織等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為纖維科學(xué)的前沿和研究熱點(diǎn)，取得了大量研究成果，并由此產(chǎn)生了大量的專利申請。本文以與“靜電紡噴絲裝置” 相關(guān)的中英文關(guān)鍵詞結(jié)合國際專利分類（IPC）號，在智慧芽專利檢索數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)專利技術(shù)檢索（截至2021 年11 月29日），對檢索結(jié)果進(jìn)行人工去噪和標(biāo)引分類，以分析靜電噴絲裝置的專利技術(shù)分類和發(fā)展趨勢，并據(jù)此提出相關(guān)建議。

1 靜電紡噴絲裝置分類

如圖1 所示，靜電紡絲噴絲裝置可分為傳統(tǒng)針管式、噴頭式及無針式，其中噴頭式可以分為單針噴頭式和多針噴頭式。無針式靜電紡絲噴絲裝置不需要注射器針頭及噴頭噴絲嘴，是一種利用高壓電場在自由液體表面直接形成噴射流的紡絲裝置。根據(jù)其噴絲工作動靜機(jī)理，可分為動態(tài)無針噴頭和靜態(tài)無針噴頭[3]兩種。動態(tài)無針式噴絲頭一般通過機(jī)械運(yùn)動來保持噴射流的形成，而靜態(tài)無針式噴絲頭一般借助重力、磁力或氣壓等實現(xiàn)噴絲。無針式電紡絲噴絲裝置是一種新型的電紡絲裝置，使用其可解決傳統(tǒng)針管式靜電紡絲產(chǎn)量低的問題，同時可克服多噴頭式紡絲噴頭裝置噴頭尺寸及設(shè)備體積大且噴頭易堵塞、電場分布不均等不足。根據(jù)靜電紡噴絲裝置的分類，靜電紡噴絲裝置的專利技術(shù)也分為三類。本文將在分析靜電紡噴絲裝置三大技術(shù)分類及其專利申請總體趨勢的基礎(chǔ)上，著重分析無針式的電紡噴絲裝置的技術(shù)進(jìn)展。

圖1 靜電紡噴絲裝置分類

2 靜電紡噴絲裝置專利申請總體狀況分析

針對檢索去噪后的靜電紡絲噴絲裝置的專利申請數(shù)據(jù)，按照前述三大技術(shù)分類進(jìn)行分類標(biāo)引，然后統(tǒng)計出針管式、噴頭式和無針式靜電紡噴絲裝置在總體申請量中的占比及各專利技術(shù)在近20 年的變化趨勢如圖2。從圖2（a）可以看出，在靜電紡絲裝置的三類技術(shù)中，噴頭式靜電紡噴絲裝置技術(shù)專利占比近50%，針管式靜電紡噴絲裝置專利申請量其次，無針式靜電紡噴絲裝置技術(shù)占比最小。需要說明的是，專利申請附圖中具有明顯針管注射器的，本文統(tǒng)計為針管式靜電紡噴絲裝置。結(jié)合圖2（b）可以看出，針管式和噴頭式的靜電紡噴絲裝置專利申請量均在2013 年左右達(dá)到了峰值，在2013 年之后開始呈波浪式下降。在2014 年之前，無針式靜電紡噴絲裝置技術(shù)專利申請量均較低，2014 年之后總體呈上升趨勢。此外，由于發(fā)明專利申請可能存在18 個月的公開期，因此，2020—2021 年的申請量不做參考。

圖2 靜電紡噴絲裝置三大技術(shù)分類占比及其專利申請量趨勢

靜電紡噴絲裝置的專利主要申請人分布情況如圖3 所示。從圖3 可以看出，在靜電紡噴絲裝置的專利申請量TOP 10 排名中，專利申請人主要來自中國、美國、日本及韓國，其中中國占50 %，美國占30 %。值得關(guān)注的是，無論是中國還是美國均以高校申請為主。其原因主要在于，靜電紡絲技術(shù)在納米新材料研究領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，且許多新納米材料的研究開始于高校實驗室。特別是關(guān)于針管式靜電紡絲的技術(shù)專利大多來自于高校申請，這也是高校專利申請在靜電紡絲領(lǐng)域占主導(dǎo)的原因。另外，也有一些生物公司或濾材公司對靜電紡技術(shù)頗有研究，例如作為濾材行業(yè)領(lǐng)跑者的美國唐納森公司在專利申請量排名中位列第三。

圖3 靜電紡噴絲裝置專利申請量TOP 10 排名

圖4 反映了靜電紡噴絲裝置專利申請的類型及法律狀態(tài)。從圖4 可以看出，靜電紡噴絲裝置中發(fā)明專利占比較高，達(dá)88.6 %，遠(yuǎn)高于實用新型專利申請。其原因在于，較多的靜電紡噴絲裝置專利涉及電紡絲的工藝方法，而工藝方法只能申請發(fā)明專利。另外，實用新型專利的法律狀態(tài)圖顯示，有57.3 %的專利處于失效狀態(tài)，而發(fā)明專利中有36.0 %處于授權(quán)有效狀態(tài)，PCT 國際申請占比7.9 %，審中發(fā)明專利申請占比11.2 %，這也表明該領(lǐng)域發(fā)明專利申請積壓量不多。

圖4 靜電紡噴絲裝置專利申請的類型及法律狀態(tài)

靜電紡噴絲裝置技術(shù)專利來源國（區(qū)域）和目標(biāo)國（區(qū)域）的申請情況如圖5。從圖5 可看出，中國是最大的靜電紡噴絲裝置專利來源國，同時也是最大的目標(biāo)國，但來源于中國的專利技術(shù)略小于進(jìn)入中國（目標(biāo)國）的數(shù)量，表明相關(guān)技術(shù)略呈進(jìn)口狀態(tài)。美國是第二大技術(shù)來源國和技術(shù)目標(biāo)國，而來源于美國的專利技術(shù)明顯大于進(jìn)入美國（目標(biāo)國）的專利數(shù)量，這表明其呈明顯的技術(shù)出口狀態(tài)。四大主要靜電紡噴絲裝置專利來源國近20 年的相關(guān)專利申請量趨勢如圖6。從圖6 可以看出，在2005 年之前，中國作為技術(shù)來源國的專利申請量明顯低于美、日、韓，但在2005—2013 年持續(xù)上升，2013 年達(dá)到峰值并高于美日韓，表明在2005 年以來，我國靜電紡技術(shù)在持續(xù)不斷發(fā)展并趕超國外。

圖5 靜電紡噴絲裝置專利來源及目標(biāo)分布情況

圖6 靜電紡噴絲裝置專利主要來源國申請趨勢

3 無針式電紡噴絲裝置技術(shù)發(fā)展

根據(jù)上文對無針式電紡噴絲裝置的分類，從專利技術(shù)角度對動態(tài)無針式電紡噴絲裝置及靜態(tài)無針式電紡噴絲裝置的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行梳理，并對技術(shù)路線上的部分重點(diǎn)專利進(jìn)行技術(shù)解讀和分析。

3.1 動態(tài)無針式靜電紡裝置技術(shù)發(fā)展

動態(tài)無針式電紡噴絲裝置主要是通過機(jī)械運(yùn)動或采用機(jī)械運(yùn)動與重力、氣流等輔助方式促使靜電紡噴絲裝置噴射流的形成。圖7 給出了動態(tài)無針式電紡裝置專利技術(shù)發(fā)展路線。

圖7 動態(tài)無針式電紡裝置專利技術(shù)發(fā)展路線

1930 年，美國專利申請US1975504A 公開了采用鋸齒狀輪式電極在電紡絲液中旋轉(zhuǎn)，從該鋸齒狀的輪式電極上朝著金屬環(huán)的方向不間斷地產(chǎn)生極細(xì)的細(xì)絲并被收集[4]的技術(shù)。該技術(shù)是動態(tài)無針式靜電紡裝置最早的專利技術(shù)，但該技術(shù)在當(dāng)時并未得到重視。

1973 年，美國專利申請US4069026A 公開了通過旋轉(zhuǎn)的環(huán)形電極不斷地從紡絲液容器中將紡絲液噴濺射電紡并通過環(huán)形傳送帶進(jìn)行收集實現(xiàn)量產(chǎn)靜電紡絲[5]的技術(shù)，該專利在當(dāng)時也并未引起足夠重視，但后來該專利被引證103 頻次。

2003 年，捷克專利CZ294274B6 公告了一種靜電紡絲設(shè)備，該設(shè)備利用旋轉(zhuǎn)帶電極的圓柱體部分浸入紡絲液中，同時在其上方設(shè)置了半圓形帶電極的輸送器。通過圓柱體及輸送器電極之間的電勢差產(chǎn)生的電場從聚合物溶液生產(chǎn)納米纖維，同時在紡絲空間內(nèi)通入熱空氣，極大地提高了射流中聚合物溶劑從生產(chǎn)的納米纖維中蒸發(fā)的速率以及納米纖維的移動速度[6]。該專利在21 個國家/地區(qū)進(jìn)行了專利申請并獲得了授權(quán)，從此無針式靜電紡絲技術(shù)迅速引起廣泛關(guān)注。

2008 年，中國專利申請CN101215762A 公開了一種靜電紡制備納米纖維氈的裝置。該裝置采用上方濺射方式取液，即紡絲液由金屬滾筒上方的均勻分配器中緩緩滴落到帶電旋轉(zhuǎn)的金屬滾筒上，像雨滴一樣依靠溶液的壓力和重力滴落到旋轉(zhuǎn)金屬滾筒上，在離心力和電場作用下，液滴成錐抽拉成絲[7]。

2012 年，中國專利申請CN102828259A 公開了一種鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置。該裝置的紡絲系統(tǒng)包括紡絲箱體、紡絲組件和中心軸，其紡絲組件為軸向連續(xù)式或并列式的薄型齒條結(jié)構(gòu)，齒條的尖端向外安裝在中心軸上，并可由中心軸帶動旋轉(zhuǎn)，使得帶尖端的薄型齒條成為無針頭式靜電紡絲單元[8]。

2018 年，中國專利申請CN108547005A 公開了一種機(jī)械波干涉靜電紡絲裝置。裝置通過周期性機(jī)械振動產(chǎn)生機(jī)械波干涉信號傳給紡絲溶液，紡絲溶液作周期性振動，在機(jī)械波干涉下駐波處產(chǎn)生大量射流[9]。

3.2 靜態(tài)無針式靜電紡裝置技術(shù)發(fā)展

靜態(tài)無針式靜電紡裝置主要是在靜電場的作用下，通過重力、電磁、氣體壓力等輔助方式促使靜電紡噴絲噴射流的形成。靜態(tài)無針式靜電紡絲裝置的專利技術(shù)起步較晚，圖8 給出了靜態(tài)無針式電紡裝置專利技術(shù)發(fā)展路線。

圖8 靜態(tài)無針式靜電紡裝置專利技術(shù)發(fā)展路線

2006 年，中國專利申請CN1861268A 公開了一種界面助力型無噴絲頭電流體力學(xué)方法，其通過靜電作用力與氣泡爆破作用力共同作用形成電射流，進(jìn)而對被加工材料進(jìn)行加工[10]。

2013 年，中國專利申請CN103572388A 公開了一種無針式同軸靜電紡絲裝置。該裝置包括階梯狀無針式噴絲頭、供液系統(tǒng)、溶液回收槽、接收裝置以及高壓靜電發(fā)生器。該階梯狀無針式噴絲頭是中空的圓形階梯狀噴絲頭，有三層結(jié)構(gòu)，從頂層至底層的直徑逐漸增大，可實現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維的批量化生產(chǎn)[11]。

2016 年，中國專利申請CN105821497A 公開了一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡噴頭系統(tǒng)。該噴頭系統(tǒng)包括套在內(nèi)芯外壁上的內(nèi)環(huán)和套在外殼內(nèi)壁上的外環(huán)，將套有內(nèi)環(huán)的內(nèi)芯與套有外環(huán)的外殼裝配在一起構(gòu)成雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲噴頭。該專利意在解決無針式靜電紡紡絲過程中溶劑容易揮發(fā)、溶液利用不充分和納米纖維結(jié)構(gòu)不可控等問題，且該噴頭可拆卸便于清洗[12]。

2019 年，中國專利申請CN110106564A 公開了一種取向納米纖維紗線組合式靜電紡絲裝置。該裝置包括了組合使用的無針式和針頭式紡絲噴頭，其無針式紡絲噴頭包括內(nèi)錐角式噴頭和電場屏蔽盤，利用無針式多射流紡絲噴頭與針頭式紡絲噴頭組合射流產(chǎn)生紡絲纖維，有效提高了紗線產(chǎn)量[13]。

2021 年，中國專利申請CN113046845A 公開了一種狹縫式靜電紡絲裝置。該裝置通過在導(dǎo)電座上設(shè)置絕緣罩，形成一個儲液腔，同時在絕緣罩上設(shè)置環(huán)形狹縫以供射流噴出，有效減少了溶液暴露面積，提升了紡絲溶液的液面穩(wěn)定性[14]。

4 結(jié)論與建議

基于靜電紡絲噴絲裝置的專利技術(shù)分析，可以看出，作為靜電紡絲噴絲裝置的三大技術(shù)分支，噴頭式及針管式噴絲裝置的申請量占據(jù)了靜電紡絲噴絲裝置總申請量的87 %。從各技術(shù)的專利申請量趨勢來看，自2013 年以來，傳統(tǒng)的針管式及噴頭式噴絲裝置的申請量開始呈遞減趨勢。這主要是由于傳統(tǒng)的針管式及單針噴頭式噴絲裝置無法實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，主要用于教學(xué)或?qū)π虏牧想娂徏夹g(shù)的試驗性研究。多針噴頭式裝置存在噴頭容易堵塞，多針噴頭間電場相互干擾，納米纖維均勻性難以控制等問題，也無法在規(guī)?；a(chǎn)中得到應(yīng)用。隨著納米纖維在電子、機(jī)械、生物、醫(yī)學(xué)、化工、紡織等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，靜電紡納米纖維生產(chǎn)技術(shù)處于不斷發(fā)展的狀態(tài)，行業(yè)內(nèi)開始重視靜電紡絲的規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)的研究，這一點(diǎn)從無針式紡絲裝置的專利申請趨勢亦可看出。

無針式電紡噴絲裝置主要是為提高電紡納米纖維的規(guī)?；a(chǎn)而興起，是靜電紡絲噴絲技術(shù)發(fā)展的方向，近年來發(fā)展較快，并且以動態(tài)無針式噴絲裝置為主。靜態(tài)無針式電紡噴絲裝置發(fā)展起步較晚，國內(nèi)無針式電紡噴絲裝置的研究相對國外較晚。

無針式電紡噴絲裝置目前仍存在射流形狀不易控制、納米纖維分布均勻性差、紡絲液密封難、噴絲頭清理不徹底、配套接收裝置影響紡絲穩(wěn)定性等諸多問題。目前，已有一些專利技術(shù)在著重解決這些問題。今后，還需要對射流控制的方法與原理展開進(jìn)一步研究，開發(fā)新型無針式靜電紡絲的規(guī)?；a(chǎn)設(shè)備，并繼續(xù)優(yōu)化無針式靜電紡絲工藝參數(shù)，以解決上述問題，并使其能夠規(guī)模化生產(chǎn)直徑更細(xì)且分布均勻的納米纖維。

此外，根據(jù)靜電紡噴絲裝置專利技術(shù)的來源國和目標(biāo)國分布情況分析，建議：我國在該領(lǐng)域的各創(chuàng)新主體應(yīng)提高專利戰(zhàn)略和專利布局的意識和能力；在知識產(chǎn)權(quán)強(qiáng)國的背景下，尤其需要加強(qiáng)對具有發(fā)展前景的規(guī)?；療o針靜電紡絲設(shè)備的海外專利布局；要根據(jù)靜電紡絲設(shè)備及下游纖維產(chǎn)品的預(yù)期目標(biāo)市場進(jìn)行海內(nèi)外專利布局，以期在未來的國際市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。