石墨烯改性纖維全球技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀分析

劉頂+張金柱

[摘要]專利承載著全世界最前沿的技術(shù)信息，根據(jù)統(tǒng)計顯示，全世界90%～95%的最新技術(shù)動態(tài)以專利的形式公之于眾。無論是對高校、科研院所甚至企業(yè)單位而言，專利是專利申請人或?qū)＠麢?quán)人唯一不得不向公眾透露關(guān)鍵信息的方式，即以公開換保護(hù)。及時了解和掌握全球石墨烯應(yīng)用專利申請狀況，有利于推動石墨烯產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，為我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

[關(guān)鍵詞]石墨烯；專利；分析；技術(shù)；應(yīng)用

[DOI]1013939/jcnkizgsc201729030

石墨烯是一種新型碳材料，拉伸強度（130GPa），最高的楊氏模量（1TPa），并且有最高的載流子遷移率（15000cm2·V-1·S-1）和最快傳熱速度（導(dǎo)熱系數(shù)5000W·m-1·K-1），為單層碳原子堆積成的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯在電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面有諸多優(yōu)良性能，其理論應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)至2010年獲得諾貝爾獎期間經(jīng)歷了萌芽期，2010年至2015年是石墨烯理論研究及制備研究爆發(fā)式發(fā)展階段，再好的技術(shù)和材料不能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都是曇花一現(xiàn)，因此2016年是石墨烯應(yīng)用元年，無論是高校、科研院所，還是企業(yè)單位都進(jìn)入了石墨烯應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化階段。

石墨烯各方面理論數(shù)據(jù)雖好，但難以應(yīng)用，找到一個好的應(yīng)用方向，是非常可貴的。濟南圣泉集團(tuán)股份有限公司通過研究發(fā)現(xiàn)，利用石墨烯改性的紡織纖維具有抗菌、抗螨蟲、低溫遠(yuǎn)紅外發(fā)熱等功能，后期通過與黑龍江大學(xué)、青島大學(xué)、東華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，成功將石墨烯改性纖維應(yīng)用于各類服裝及床上用品，并實現(xiàn)了商業(yè)化運作。

1全球石墨烯改性纖維專利

11全球石墨烯改性纖維專利申請量態(tài)勢分析

人類利用纖維的歷史比較悠久了，從1848年粘膠纖維被J默塞發(fā)現(xiàn)之后，各種人造纖維陸續(xù)登上人類歷史的舞臺。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，各種特種纖維也相繼出現(xiàn)。

從圖1中可以看出，2005年開始，研發(fā)人員開始嘗試著將石墨烯應(yīng)用到紡織行業(yè)中，但是直到2009年5年間一共申請專利20項，年平均4項的申請量，該技術(shù)處于萌芽期，發(fā)展非常緩慢，前景不被研發(fā)人員看好。2010年之后，該領(lǐng)域的專利申請量開始逐年大幅度地增加，越來越多的研發(fā)團(tuán)隊進(jìn)入該技術(shù)領(lǐng)域。主要的原因在于2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和克斯特亞·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)了石墨烯，大家對這一新的物質(zhì)開始探索性地應(yīng)用，但在2010年兩位科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎之后，大家對石墨烯在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究出現(xiàn)了空前的熱情。

2012年之前，由于石墨烯自身的特性，可紡性差，價格昂貴，一直限制其傳統(tǒng)紡紗和織造領(lǐng)域的應(yīng)用，石墨烯可紡纖維的研究一直存在著瓶頸。在2012年高超團(tuán)隊申請了系列聚合物接枝的石墨烯纖維，實現(xiàn)了石墨烯宏觀纖維的可紡性，但是與傳統(tǒng)紡織行業(yè)的纖維還存在著很大的差異。中國專利CN103046151A公開日為2013年4月17日，公開了一種石墨烯共混再生纖維素纖維及其制備方法，該方法與技術(shù)制備的系列石墨烯復(fù)合纖維產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)異、導(dǎo)熱耐熱，研發(fā)的石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維2013年通過山東省科技廳成果鑒定，該產(chǎn)品的制備方法屬國際首創(chuàng)，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，開創(chuàng)了石墨烯應(yīng)用于傳統(tǒng)紡織行業(yè)的先河，目前該技術(shù)在濟南圣泉集團(tuán)股份有限公司得到應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

從圖中也可以看出在2013年之后，關(guān)于石墨烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用出現(xiàn)了井噴式的增長，2016年申請量達(dá)到331件，2017年的數(shù)據(jù)受專利公開的滯后的影響不做參考，但是從國內(nèi)外的各新聞報道及我國的政策驅(qū)動，可以預(yù)見2017年的申請量還會有所增加。

12最早公開區(qū)域分布分析

圖2是石墨烯改性纖維在全球申請的最早公開區(qū)域分布圖。全球公開區(qū)域反映的是全球范圍內(nèi)石墨烯改性纖維相關(guān)專利申請的國際主要專利權(quán)人的地域分布信息，從另一方面可以反映出全球主要市場區(qū)域分布情況，專利集中的地區(qū)也是市場競爭及市場需求比較旺盛的地區(qū)。

最先公開國一般都是首先提出該項專利技術(shù)的國家，即專利技術(shù)的來源國，一般是專利權(quán)人所在國家或地區(qū)，也是該項技術(shù)首先要求獲得專利權(quán)保護(hù)的國家或地區(qū)。

從圖2可以看出，該領(lǐng)域的專利申請來源地主要包括中國、韓國、美國、中國臺灣、日本。其中中國在石墨烯改性纖維領(lǐng)域的研發(fā)實力一枝獨秀，專利申請公開量最大，達(dá)到全球總申請量的八成以上，如此高的專利份額充分證實了中國在石墨烯改性纖維領(lǐng)域的引領(lǐng)地位，無論是研發(fā)資金還是研發(fā)人員的投入都是其他國家無法與之相提并論的。其次為韓國和美國，專利申請公開量達(dá)全球申請量的5%和3%，其研發(fā)實力也不容小覷，但與中國之間的差距仍然是巨大的，目前尚不構(gòu)成對中國的領(lǐng)導(dǎo)地位的直接威脅。接下來的第三梯隊是中國臺灣和日本，這兩個地區(qū)的專利量僅為全球申請公開量的1%，可以看出第三梯隊石墨烯改性纖維研發(fā)和專利布局也在進(jìn)行之中，但面對中國大陸的先發(fā)優(yōu)勢，要在該領(lǐng)域內(nèi)形成氣候，尚需假以時日。

總之，中國在石墨烯改性纖維領(lǐng)域的研究占有明顯的優(yōu)勢，其專利申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他各國和地區(qū)的申請量。雖然美國、日本、韓國是目前世界上化纖及特種纖維領(lǐng)域是比較領(lǐng)先的國家，它們擁有該領(lǐng)域大部分的重要申請人，例如杜邦、東麗、東麗、鐘紡、韓一合纖等，但是這些國家的企業(yè)對石墨烯改性纖維領(lǐng)域的涉足還是比較有限的。

13專利權(quán)人分析

對石墨烯改性纖維的申請主要是中國專利，中國專利在下面將詳細(xì)介紹，因此我們對國外的專利權(quán)人進(jìn)行排名，如圖3所示。

從圖3中可以看出，排名前十位的專利權(quán)人的申請量都比較小，申請量最大的僅3項，分別為Korea Inst Sci & Tech，Acelon Chemicals And Fiber Corp和Vorbeck Materials Corp，其余的專利權(quán)人申請量為1項。endprint

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從整個的申請量分布來說該領(lǐng)域的專利申請較為分散，專利申請的技術(shù)集中度不高，目前國外的市場占有率的數(shù)據(jù)尚不明確，更沒有形成在世界范圍內(nèi)能夠排在前列的企業(yè)。

2中國石墨烯改性纖維專利

21中國石墨烯改性纖維專利申請量態(tài)勢分析

中國是最大的化纖生產(chǎn)、進(jìn)口和使用國之一，也是化纖的一個主要市場。隨著石墨烯改性纖維領(lǐng)域研發(fā)的深入，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，將要進(jìn)入消費市場，世界各國的申請人也必將積極在中國進(jìn)行專利申請，以期望取得技術(shù)和市場先機。截至統(tǒng)計日，中國相關(guān)專利申請量達(dá)到了815項。圖4是石墨烯改性纖維中國專利申請量的發(fā)展態(tài)勢圖。

從圖4中可以看出，石墨烯改性纖維的中國專利申請始于2006年，隨后很長的一段時間增長的態(tài)勢相對緩慢；直到2011年之后才出現(xiàn)比較多的專利申請，隨后幾年的增長速度越來越快，到2016年中國專利申請量達(dá)到最大值，申請量為326項，申請量最大的是東華大學(xué)29項，其次是濟南圣泉20項?？梢?，該領(lǐng)域的中國專利申請比較分散，技術(shù)壁壘尚在形成中，企業(yè)研發(fā)進(jìn)入該領(lǐng)域相對比較容易；中國專利申請量趨勢變化與全球申請量趨勢變化基本形同，足以說明中國在該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位和市場優(yōu)勢。

22申請國分析

對石墨烯改性纖維的中國專利申請來源地的申請量和授權(quán)量進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

在專利技術(shù)來源方面，中國大陸申請人的申請量為796項，約占全部申請的977%；源自中國臺灣及國外申請人的申請量則為19項，約占全部申請的23%。從圖5可知，除中國大陸外，中國臺灣、美國和韓國的申請量名列前茅。這種分布情況與前文提到的全球?qū)＠暾垏畔⒋笾孪喈?dāng)。中國大陸石墨烯改性纖維行業(yè)專利申請796項，說明中國大陸申請人在該領(lǐng)域的專利意識比較強，在其他國家和地區(qū)企業(yè)及研究人員還沒有認(rèn)識到該領(lǐng)域潛在的巨大前景時就已經(jīng)紛紛投入該領(lǐng)域的研發(fā)中，并對相關(guān)技術(shù)研發(fā)成果進(jìn)行專利保護(hù)。我國的專利申請量雖然很大，但是申請人較分散。雖然有些專利技術(shù)已經(jīng)達(dá)到全球領(lǐng)先的水平，但目前來說由于應(yīng)用市場的拓展需要時間，所以短期內(nèi)的高收益比較難實現(xiàn)。但考慮到我國企業(yè)在石墨烯改性纖維領(lǐng)域的投入增加、國家政策的鼓勵，以及該領(lǐng)域潛在的巨大的商機，國內(nèi)外專利申請量很有可能會繼續(xù)上升，尤其是國外的化纖及特種纖維廠家，它們本來就應(yīng)用比較先進(jìn)的工藝及研發(fā)團(tuán)隊，石墨烯改性纖維領(lǐng)域的技術(shù)壁壘尚未形成，要想趕上或超過我國的技術(shù)水平可能性比較大。

23申請人分析

石墨烯改性纖維領(lǐng)域?qū)＠暾埩恐袊琶笆坏纳暾埲巳鐖D6所示。

從圖6可以看出，排名前十位的申請人中，都是中國的企業(yè)或者高校，與全球?qū)＠琶嗤歉鲗＠麢?quán)人的研究側(cè)重點有所不同。從圖中可以看出在高校申請人中排名第一的為東華大學(xué)，專利申請量為49項，研究的側(cè)重點在石墨烯涂覆的紡織纖維在催化領(lǐng)域的應(yīng)用；排名第二的為青島大學(xué)，專利申請量為18項，研究的側(cè)重點在石墨烯改性聚合物纖維、石墨烯改性海藻纖維、石墨烯改性再生纖維素纖維的等改性纖維的制備方法；排名第三的為哈爾濱工業(yè)大學(xué)，專利申請13項，研究的側(cè)重點主要是石墨烯表面接枝改性纖維、石墨烯上漿液等方面的研究；緊隨其后的是天津工業(yè)大學(xué)11項，研究的側(cè)重點主要是石墨烯改性蛋白纖維、石墨烯整理織物、石墨烯改性聚合物調(diào)溫纖維等；浙江大學(xué)10項，研究的側(cè)重點主要是導(dǎo)電石墨烯接枝纖維、石墨烯纖維無紡布&電熱膜；四川大學(xué)8項，研究的側(cè)重點主要是石墨烯改性聚氨酯（合成革）纖維、納米離子改性纖維等。

從圖中可以看出在企業(yè)申請人中排名第一的濟南圣泉集團(tuán)股份有限公司，專利申請量為27項，研究的側(cè)重點為石墨烯改性聚合物纖維、石墨烯改性粘纖、石墨烯色漿以及石墨烯改性纖維在服裝、家居、保健等領(lǐng)域的應(yīng)用；排名第二的為合肥康齡，專利申請量為16項，研究的側(cè)重點在石墨烯改性聚甲醛復(fù)合材料領(lǐng)域，提高該材料的抗紫外、抗老化、抗靜電、耐腐蝕、導(dǎo)熱性等性能；排名第三的為無錫市長安曙光，專利申請14項，研究的側(cè)重點在石墨烯改性纖維的應(yīng)用，纖維氈、手套等，提高制品的防輻射、吸波、耐磨等性能；排名第四的是安徽玉發(fā)塑業(yè)，專利申請8項，研究的側(cè)重點主要是石墨烯改性聚乙烯母粒，以提高該材料的抗菌、阻燃、耐老化、耐酸堿、耐高低溫等性能。

此外，在以上分析中可以看出濟南圣泉與青島大學(xué)的研究側(cè)重點最為相似，在共同專利權(quán)人青島大學(xué)和濟南圣泉存在共有專利，說明這兩家單位的合作比較密切，同時競爭也是最大的。

3石墨烯改性纖維的應(yīng)用分析

通過石墨烯對纖維進(jìn)行改性可以給其帶來許多優(yōu)異的性能，例如強度高，任性好，質(zhì)輕，導(dǎo)電導(dǎo)熱快等優(yōu)點，甚至還可以使其具有抗菌、抗螨蟲、低溫遠(yuǎn)紅外發(fā)熱等功能，因此被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

截至2017年4月27日，涉及石墨烯改性纖維應(yīng)用的專利申請量為184項，在技術(shù)領(lǐng)域布局上，相比制備專利，應(yīng)用專利公開數(shù)量遠(yuǎn)低于制備專利公開數(shù)量，這說明國內(nèi)外目前更重視石墨烯改性纖維及原料的制備專利布局，利用上游專利控制下游石墨烯改性纖維制品行業(yè)。下面對石墨烯改性纖維制品應(yīng)用的184項專利進(jìn)行分析。endprint

31全球?qū)＠艣r

311專利申請態(tài)勢分析

從圖7可以看出，2010年之前，有關(guān)石墨烯改性纖維制品的專利申請量極少，只有4項申請；2011—2014年，專利申請量呈波動式增長，2014年之后專利申請量呈現(xiàn)井噴式增長，可見在2010年之后，研究人員認(rèn)識到石墨烯的特殊功能與紡織相結(jié)合可以達(dá)到意想不到的效果，它的有益性能是其他材料很難實現(xiàn)的。隨著研究的不斷深入，石墨烯改性纖維更多的性能被發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷被擴展，因此投身于此領(lǐng)域的研究人員越來越多。

312公開國分布

有關(guān)有關(guān)石墨烯改性纖維制品主要公開國如圖8所示。

從圖8可以看出，有關(guān)石墨烯改性纖維制品的公開國與石墨烯改性纖維的分布類似，說明這些國家研究石墨烯改性纖維的同時，研究人員也對石墨烯改性纖維制品進(jìn)行了專利布局。專利布局最多的還是中國，專利申請量為175項，占全球總申請量的95%，其次是韓國，專利申請5項，占總量的3%，緊隨其后的是美國，專利申請2項，占比1%，英國和德國也有少量專利布局。

32中國專利概況

321專利申請態(tài)勢分析

對石墨烯改性纖維制品在中國申請的175項專利進(jìn)行申請趨勢分析，如圖9所示。

有關(guān)石墨烯改性纖維制品的專利申請量非常大，基本都是中國專利申請，從申請量的變化趨勢來看與全球?qū)＠纳暾堏厔菔且恢碌模?011—2014年，專利申請量呈波動式增長，2014年之后專利申請量呈現(xiàn)井噴式增長。可見中國的專利申請量的變化直接影響著全球?qū)＠暾埩康淖兓?，在該領(lǐng)域中中國專利的申請?zhí)幱诮^對的優(yōu)勢地位，專利技術(shù)處于領(lǐng)先地位。

就申請人國別來看，圖10的中國申請人共申請專利174項，國外申請人只有一個為韓國，申請專利僅1項，說明我國技術(shù)創(chuàng)新水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國外知名纖維制品企業(yè)，如杜邦、東麗等，這在很大程度上反映了我國纖維制品的領(lǐng)域在研發(fā)水平和技術(shù)敏感性上處于較高的水平，也說明國外公司對該領(lǐng)域的關(guān)注度比較小，也給我國石墨烯改性纖維制品的技術(shù)發(fā)展提供了契機。中國市場的專利壁壘逐漸形成，國外想進(jìn)入中國市場存在較大阻力。

322主要申請人

在中國申請石墨烯改性纖維制品方面相關(guān)的專利申請人排名如圖11所示。

從圖11中可以看出，專利申請量排名前三位的申請人分別為濟南圣泉、無錫長安曙光及義烏麻尚生針織。其中濟南圣泉專利申請量有11項，占專利申請總量的63%，可見濟南圣泉在中國專利布局意識較強，處于中國石墨烯改性纖維制品下游產(chǎn)品市場的領(lǐng)導(dǎo)地位；緊隨其后的是無錫長安曙光，專利申請量分別為10項，占專利申請總量的57%，其研發(fā)實力不容小覷；排名第三的義烏麻尚生針織，專利申請量為6項，其余申請人都不超過5項實力落后于前幾位申請人?？傮w來看，我國企業(yè)比較分散，最多僅占申請總量的63%。說明我國尚未出現(xiàn)領(lǐng)軍企業(yè)，市場競爭力較低，準(zhǔn)入門檻較低。

33石墨烯改性纖維制品分布分析

對石墨烯改性纖維制品分布進(jìn)行分析如圖12所示。

從圖12可以看出，石墨烯改性纖維制品主要用作面料及織物、衣服及飾品、電熱墊/氈、保健醫(yī)療用品、過濾/吸波、涮洗用品、防彈衣、導(dǎo)電線、面膜、漁網(wǎng)、帳篷、安全帶及其他應(yīng)用，其專利申請量分別為69項、40項、21項、16項、10項、5項、3項、3項、1項、1項、1項、1項、13項。其中，在面料及織物應(yīng)用的專利申請量最大，其次是衣服及飾品（包括服裝、內(nèi)衣、內(nèi)褲、護(hù)腕、脖套、假發(fā)等），這兩個領(lǐng)域主要是利用了石墨烯改性纖維的高強度、透氣、防污、親疏水性、抗紫外、導(dǎo)電、抑菌等性能；應(yīng)用量比較大的領(lǐng)域還有電熱墊/氈和保健醫(yī)療用品（包括理療服、止血帶、創(chuàng)可貼、衛(wèi)生巾、繃帶等），主要是利用

石墨烯改性纖維的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、遠(yuǎn)紅外、抑菌、吸附等有益性能；其他的應(yīng)用還包括吸附性的應(yīng)用于過濾嘴、過濾布和吸波布，抗菌抑菌性能的應(yīng)用于涮洗用品（毛巾、澡巾、牙刷等），抗沖擊柔韌性應(yīng)用于防彈衣，導(dǎo)電性應(yīng)用于導(dǎo)線，遠(yuǎn)紅外促進(jìn)微循環(huán)應(yīng)用于面膜，高強度應(yīng)用于漁網(wǎng)、安全帶，抗紫外線應(yīng)用于帳篷。

4總結(jié)與展望

專利布局主要包括專利的技術(shù)布局，產(chǎn)業(yè)鏈布局和地域布局。除此之外，還應(yīng)當(dāng)綜合考慮專利保護(hù)的類型，申請人的選擇，發(fā)明人是否公開等其他因素。

第一，就技術(shù)布局而言，就是為實現(xiàn)經(jīng)營目的，通過合理設(shè)計、規(guī)劃的一系列專利所構(gòu)筑的專利組合（多件專利、多項獨權(quán)），為競爭對手設(shè)置障礙，防止競爭對手的回避設(shè)計，讓自身獲得盡可能多的市場機會和利益。

通過合理的專利布局可以提升產(chǎn)品乃至企業(yè)的市場競爭力，在保障產(chǎn)品本身市場價值的基礎(chǔ)上，擴大利益鏈，為研發(fā)增加附加值。

第二，就產(chǎn)業(yè)鏈布局而言，當(dāng)與競爭對手爭奪同類產(chǎn)品的市場時，企業(yè)可以結(jié)合所在的產(chǎn)業(yè)位置、自身技術(shù)特長對競爭對手的核心專利或其組合進(jìn)行包繞式挖掘。

對于競爭對手的核心專利涉及上游原材料產(chǎn)品的情景，企業(yè)可以在該產(chǎn)品的下游各個應(yīng)用方向挖掘?qū)＠?，比如將原材料進(jìn)行深加工和改性處理，轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)和生活中的實際產(chǎn)品。據(jù)此堵住上游產(chǎn)品的出口，最終同樣能夠在競爭中獲利。

第三，就地域布局而言，企業(yè)在選擇專利申請的地域時，可以從企業(yè)自身市場和競爭對手市場兩個面進(jìn)行確定。一個總體的原則是：企業(yè)的產(chǎn)品擴展到哪里，其專利申請就要布到哪里；企業(yè)未來的市場在哪個國家/地區(qū)，其專利申請就要在這些國家/地區(qū)提前布局。

企業(yè)自己的未來目標(biāo)市場和競爭對手的潛在市場是確定專利布局地域的重要信息。對這些地域的專利布局，可以結(jié)合自身市場發(fā)展規(guī)劃、對方的市場和專利布局動態(tài)、企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中的位置、行業(yè)的整體發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行判斷。

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