英利公司主要Lyocell 纖維技術專利分析

肖 舒， 宋舒蘋

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心， 蘇州 215000）

Lyocell 纖維的相關專利技術最早可推至1980年，由荷蘭阿克蘇·諾貝爾（Akzo Nobel）公司首先取得工藝和產(chǎn)品專利[1]，并于1989 由國際人造纖維標準化局（BISFA）正式命名。 根據(jù)目前業(yè)界普遍使用的定義，Lyocell 纖維是一種新型的再生纖維素纖維，是通過將天然纖維素原料（漿粕）直接溶解在N-甲基嗎啉-N-氧化物（NMMO）與水的混合溶液中，進行特殊紡絲制備得到的，具有高結(jié)晶度、長晶粒、高取向度以及良好取向的無定形區(qū)域[2-4]。 Lyocell 纖維的化學結(jié)構(gòu)與黏膠纖維基本相同， 除了具有天然纖維本身的特性，如吸濕、透氣、有光澤、可染色和可生物降解外，還具有合成纖維所具有的高強度，其強度與滌綸纖維接近，遠高于棉和普通黏膠，因而有利于染整處理， 適用于多種染料；Lyocell 纖維具有良好的強伸性能， 適宜于其他天然纖維或合成纖維混合紡絲；Lyocell 纖維還能耐受劇烈的機械和化學處理，使織物具有絲、棉、麻、毛等各種手感。 因Lyocell纖維具有諸多優(yōu)良的特性， 使得其在服飾材料方面得到廣泛應用。

1 Lyocell 纖維的生產(chǎn)工藝及技術狀況

1.1 Lyocell 纖維的生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀

NMMO 溶劑法纖維素制備技術于20 世紀70年代由阿克蘇·諾貝爾公司研制成功并申請了專利，此后由英國考陶爾茲（Courtaulds）公司和奧地利蘭精（Lenzing）公司進行了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)[5]，并分別建立了Lyocell 纖維工業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)。 2013年，蘭精公司投資1.3 億歐元建成全球最大的6.7 萬t/a 生產(chǎn)線，具有22 萬t/a 的生產(chǎn)能力[6]。

在纖維素纖維的生產(chǎn)工藝中， 最先實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的是以NMM/H2O 為溶劑生產(chǎn)Lyocell 纖維。 考陶爾茲公司于1978年開始對Lyocell 纖維進行研究，并于1988年在美國阿拉巴馬州的莫比爾（Mobil）投資9 千萬美元建立了生產(chǎn)能力為1.8 萬t/a 的工廠；在產(chǎn)品以商標“Tencel”投放市場后又投資1.43億美元擴建了工廠，使其生產(chǎn)能力達4.3 萬t/a。1995年， 考陶爾茲公司宣布投資1.2 億英鎊在英國格里姆斯比（Grimsby）建立一家Lyocell 生產(chǎn)廠，計劃年產(chǎn)量為4.2 萬t/a，并于1997年投產(chǎn)。 1995年4月，考陶爾茲公司宣布Lyocell 生產(chǎn)技術取得新突破，提高了紡速， 應用新技術后可使產(chǎn)量提高30%，到1997年， 考陶爾茲公司的Lyocell 纖維總產(chǎn)量已達到10 萬t/a，2002年達到15 萬t/a。

蘭精公司自1986年開始研究Lyocell 生產(chǎn)技術和工藝，在奧地利建立了50 t/a 的中試工廠，進行工藝和產(chǎn)品開發(fā)研究。 1995年，蘭精公司決定在奧地利Heligellkrewz 地區(qū)建立一家年產(chǎn)量2.4 萬t 的Lyocell 工廠， 并于1997年投產(chǎn)， 產(chǎn)品以“Lenzing Lyocell”為商標投放市場?？继諣柶澓吞m精兩家公司現(xiàn)階段都以生產(chǎn)Lyocell 短纖維為主。

1.2 工藝流程設計及主要問題

1.2.1 工藝流程的設計

現(xiàn)有技術中紡絲原液 （含纖維素的NMMO 溶液）通過計量、過濾、擠壓噴絲成原液細流進入凝固浴槽進行凝固浴，原液細流在凝固浴中，其表面濃相溶劑和水不斷擴散到凝固浴液中， 原液細流表面逐漸固化形成初生纖維。 為了保證纖維成型品質(zhì)的均勻性，工藝流程的設計必須保證以下兩點：

（1）及時更新絲條周圍濃度已變化的浴液，原液細流表面的濃相溶劑才能連續(xù)不斷地擴散到表面黏附的浴膜中，纖維表面結(jié)構(gòu)才能均勻緊密。 因此，浴液必須是以恒定流速流動而不是靜止的。

（2） 凝固浴的濃度和量也隨著原液細流連續(xù)進入槽內(nèi)同步增加，為了保證纖維成型的均勻性，浴液溫度和濃度的變化必須控制在保證連續(xù)進入浴液的絲條品質(zhì)要求的范圍內(nèi)， 一般為誤差不超過±0.2%溶劑濃度。 同時， 需及時排出已經(jīng)被增濃的凝固浴液，并適當增加稀釋水調(diào)節(jié)已變化的濃度，以保證凝固浴液的濃度相對恒定。 排出的凝固浴液將送到溶劑回收工段， 在凈化處理和濃縮后送去原液制備工段制備紡絲原液。 為了節(jié)能， 一般廠家都將循環(huán)槽設置在半地下室；由于采用大浴比，其溫度的恒定只能靠自然散熱，盡量增大貯槽液面自然蒸發(fā)面積。

1.2.2 面臨的主要技術問題

Lyocell 纖維生產(chǎn)過程存在著高濃度NMMO 溶劑溶解纖維素，然后稀釋至低濃度后釋放纖維素，再經(jīng)過純化濃縮至高濃度這一無限循環(huán)過程，其間，水被添加進去又被蒸發(fā)出來， 在這個過程中需要消耗大量能量，Lyocell 纖維生產(chǎn)中80%以上的能源消耗均發(fā)生在這個環(huán)節(jié)。

由于在采用NMMO 溶劑制備Lyocell 纖維的過程中存在以上問題， 導致在實際生產(chǎn)過程中能耗巨大。 同時，NMMO 纖維素紡絲原液的黏度較大，且黏度隨溫度變化敏感，會造成運輸困難。 在運輸過程中需嚴格控制紡絲液的溫度， 因而對運輸設備的要求較高。 提高紡絲原液中纖維素的濃度可進一步減少溶劑NMMO 的用量，從而降低生產(chǎn)成本。

總體上，雖然現(xiàn)有采用NMMO 溶解植物纖維原料制備再生纖維的工藝已經(jīng)十分成熟， 但是存在對設備的要求高、NMMO 溶劑回收成本大、 生產(chǎn)過程中能耗高等問題， 不斷地優(yōu)化Lyocell 纖維生產(chǎn)工藝、提高NMMO 溶劑回收效率，對于降低Lyocell 纖維生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率具有重大意義。

2 英利公司的專利技術情況

2.1 專利申請概況

截至2017年05月24日，山東英利實業(yè)有限公司（以下簡稱英利公司）在中國與Lyocell 纖維相關的已公開專利申請數(shù)量為35 項， 在國外無專利申請。 縱觀英利公司在Lyocell 纖維生產(chǎn)的專利申請，從工藝設備的局部擴展到整體工藝， 其已逐步具有全面的Lyocell 纖維生產(chǎn)工藝和設備，在國內(nèi)具有領先的技術基礎。

2.1.1 設備類專利

與Lyocell 纖維設備相關的專利申請數(shù)量變化體現(xiàn)在2013年至2016年間， 共涉及有效專利30項。 通過表1 可以看到，2013年， 英利公司開始就Lyocell 纖維相關的設備在中國進行專利申請，并且呈現(xiàn)出先增長后下降的趨勢。

表1 設備類專利的申請量分布

2013年， 在與Lyocell 纖維相關的設備方面共申請4 項專利， 其中2 項涉及纖維生產(chǎn)中的輸送裝置，另外2 項涉及重點工藝紡絲過程中的裝置，分別是纖維牽伸輥噴淋裝置和用于溶解纖維素的攪拌裝置。

2014年， 在與Lyocell 纖維相關的設備方面共申請12 項專利， 其中有10 項涉及重點工藝紡絲過程中的裝置，分別為干噴濕紡法紡絲裝置、紡絲原液的過濾裝置等原液處理裝置、 纖維絲束水洗接水等裝置、紡絲用噴絲板、紡口加熱裝置；其中有1 項涉及預處理過程中的裝置，為纖維素壓榨除水裝置；另1 項涉及浸膠機。 2014年的設備專利申請量呈現(xiàn)顯著增長。

2015年， 在Lyocell 纖維相關的設備方面共申請12 項專利：其中有4 項涉及重點工藝紡絲過程中的裝置，分別涉及預混合器、預混合漿粥儲罐、紡絲原液的過濾裝置，可以看到，紡絲過程的設備申請量較2014年減少；其中有4 項涉及預處理過程中的裝置，分別涉及漿粕壓榨機控制毛邊水分裝置、壓榨網(wǎng)帶、壓榨上料裝置、漿粕活化罐，可以看到，預處理階段的設備申請量增加；另外4 項涉及儲水罐、管道分流裝置、漿粥取樣鏟和管道防爆裝置。2015年的專利布局從紡絲工藝設備向預處理階段的設備方向轉(zhuǎn)移。

2016年，Lyocell 纖維相關的設備申請量減少到2 項， 分別為涉及紡絲工藝的刮板式薄膜蒸發(fā)器的物料推進裝置、涉及預處理工藝的漿粕粉碎裝置。

2.1.2 工藝類專利

在檢索時間段內(nèi)，英利公司在Lyocell 纖維相關工藝方面的專利申請僅有5 項，具體見表2。

表2 工藝類專利的申請情況

通過表2 可以看到：2013年有2 項涉及對原料進行纖維素酶活化工藝，2014年有1 項涉及對Lyocell纖維的后加工工藝，2015年有1 項涉及通過添加抗菌劑制備抗菌Lyocell 功能纖維的工藝，2016年有1項涉及Lyocell 纖維的后加工工藝；其中，2014年和2016年的后加工工藝都是探究Lyocell 纖維超細化、原纖化的工藝過程。 英利公司對Lyocell 纖維相關工藝的申請量較匱乏，遠低于設備類的專利申請，且工藝申請的涉及面較窄， 沒有涉及紡絲等重點工藝的專利申請。

英利公司從國外引進部分設備， 并自行設計和生產(chǎn)部分設備， 在此基礎上對新溶劑法纖維素纖維裝備進行集成創(chuàng)新，分別對紡絲關鍵工藝、溶劑高效回收等進行系統(tǒng)研究，形成了溶解、紡絲、溶劑回收等全套工藝軟件包， 填補了國內(nèi)關于新溶劑法纖維素纖維生產(chǎn)工藝和設備的空白，其在生產(chǎn)Lyocell 纖維方面已經(jīng)掌握了國內(nèi)先進的技術， 但對技術的研發(fā)量仍不夠， 對各技術分支的深入研究特別是溶解和紡絲核心工藝的集中、攻堅研究仍較少。

2.2 技術主題分析

2.2.1 技術主題分解

英利公司的Lyocell 纖維專利主要涉及以下技術主題：生產(chǎn)工藝及相應產(chǎn)品、原料前處理設備、溶解紡絲設備、輔助設備，具體分布如表3 所示。

表3 專利技術主題分解概況

2.2.2 生產(chǎn)工藝及相關產(chǎn)品

Lyocell 纖維生產(chǎn)工藝的專利申請有5 項，如表4 所示。由表4 可知，Lyocell 纖維生產(chǎn)工藝主要涉及纖維原料的預處理和紡絲原液的制備工藝（CN103556235A）， 功能化Lyocell 纖維的制備工藝及產(chǎn)品（CN103556248B、CN105177746A），Lyocell 纖維的后處理工藝（CN105926272A、CN104005225B）。

其中， 原料的預處理和紡絲原液的制備工藝（CN103556235A）是對Lyocell 纖維原料采用生物酶預處理，然后與溶劑混合制備纖維素溶解液，從而縮短溶解時間，提高生產(chǎn)效率。 而功能化Lyocell 纖維如抗菌纖維、竹炭纖維的制備工藝及所得到產(chǎn)品，不但拓寬了原料的來源，而且賦予了Lyocell 纖維相應的強度、吸附性、抗菌性等功能，使其應用范圍更加廣泛。

在不斷優(yōu)化Lyocell 纖維生產(chǎn)工藝同時，提高產(chǎn)品質(zhì)量、 降低生產(chǎn)成本是未來亟待解決的問題。 而對Lyocell 纖維原料和新產(chǎn)品的開發(fā)也具有廣闊的前景。

2.2.3 原料前處理設備

原料前處理設備主要涉及原料的粉碎、壓榨，以及相關的預處理設備。 英利公司關于原料前處理設備的專利申請情況如表5 所示。

表5 原料前處理設備專利的申請情況

漿粕粉碎設備的主要作用是將漿粕原料攪拌、粉碎，得到合適的尺寸，提高其后續(xù)的預處理效果， 同時降低纖維溶解過程中的能耗。 專利CN205340964U 涉及一種漿粕粉碎裝置， 其可改善粉碎粒度不均、物料聚集的技術問題。

壓榨設備是為了使?jié){粕脫水， 在漿粕溶解前盡量降低其含水率，提高后續(xù)的溶解效果，降低蒸發(fā)脫水量，從而降低能耗。 漿粕溶解前的含水率直接影響后續(xù)制備紡絲液的能耗， 相關專利有CN203715797U、CN204977523U、CN205133792U、CN204982150U、CN205164709U。

對原料漿粕進行活化或其他預處理， 可縮短后續(xù)纖維溶解時間，提高溶解效率，降低生產(chǎn)成本，不同的活化處理所需的工藝條件不同， 對活化反應設備的要求也不同， 例如專利CN205164709U 通過在罐體壁上設置攪拌軸提高漿粕活化效果。

2.2.4 溶解紡絲設備

用于Lyocell 纖維的溶解紡絲設備主要有：預混合器、溶解攪拌裝置、蒸發(fā)脫水裝置、紡絲液過濾裝置、紡絲液輸送裝置、紡絲裝置、洗滌裝置。 英利公司關于溶解紡絲設備的專利申請情況如表6所示。

表6 溶解紡絲設備專利的申請情況

預混合器是將原料纖維素與溶劑NMMO 混合、攪拌、預溶解的裝置，主要作用是使纖維素、溶劑、添加劑充分接觸混合， 促進纖維素溶脹。 預混合器的混合效果關系到纖維的溶解效果， 所涉及專利為CN204982149U、CN204973713U、CN105113027A。

溶解攪拌裝置是溶劑NMMO 對原料纖維素進行溶解形成均勻紡絲原液的場所， 需要不斷對原料纖維素攪拌均勻， 同時提供足夠的熱量使纖維素溶解， 并蒸發(fā)掉多余的水分得到均一穩(wěn)定的紡絲原液，是生產(chǎn)Lyocell 纖維工藝中的核心裝置。刮板式薄膜蒸發(fā)器是常見的溶解攪拌裝置，通過多溫區(qū)夾套加熱、刮壁攪拌、高黏度介質(zhì)傳熱傳質(zhì)及形成薄膜的脫水工藝過程使?jié){粥變成均一穩(wěn)定的紡絲原液。 溶解攪拌裝置的相關專利為CN205759773U、CN203960407U、CN203469913U、CN204111941U。

紡絲液過濾裝置是對紡絲原液進行過濾，去除固體雜質(zhì)、未溶解的纖維素，使原液達到紡絲工藝要求。 由于纖維素原液的黏度極高，使得過濾器容易阻塞，需要經(jīng)常清洗過濾器。 同時，紡絲原液中的雜質(zhì)含量直接影響Lyocell 纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。對紡絲液過濾裝置進行改進，采用過濾精度高、便于清洗的過濾設備不僅可以提高Lyocell 纖維的產(chǎn)品質(zhì)量，同時還可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。紡絲液過濾裝置的相關專利為CN103981578A、CN205133794U、CN203904511U。

紡絲設備是紡絲工藝中的核心裝置，將高溫、高壓、高黏度的紡絲原液通過計量裝置輸送到噴絲頭，經(jīng)噴絲板噴出形成纖維絲。 在紡絲設備中， 紡絲組件是生產(chǎn)出高質(zhì)量纖維的關鍵環(huán)節(jié)， 各個零件之間配合的緊密程度、密封效果、漿液流動是否存在死角等， 都會影響纖維的性能。 紡絲設備的相關專利為CN204111940U、 CN104153008A、 CN204111942U。

紡絲液輸送設備是整個紡絲工藝中的重要輔助設備，能否把高溫、高壓、高黏度的紡絲液輸送至紡絲設備進行紡絲， 且在輸送過程中不會影響紡絲液的均一性等性質(zhì)發(fā)生變化， 直接影響后續(xù)紡絲工藝是否順利進行。 運輸設備的結(jié)構(gòu)、 材料選擇都會對紡絲原液的性能產(chǎn)生影響。 紡絲液輸送設備的相關專利為CN204111941U。

2.2.5 輔助設備

輔助設備如輸送裝置、儲存裝置、在線監(jiān)測裝置等也是生產(chǎn)Lyocell 纖維中必不可少的設備，可以通過輔助設備使整個生產(chǎn)工藝完整流暢。 英利公司在Lyocell 纖維生產(chǎn)工藝中相關輔助設備的專利申請量較少，具體輔助設備相關專利的公開信息見表7。

表7 Lyocell 纖維生產(chǎn)輔助設備的具體專利

2.3 綜合分析

基于對英利公司專利申請的技術標引、核心/重點專利的分析， 得出其對Lyocell 纖維相關技術的研發(fā)重點主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）重點研發(fā)了紡絲原液的處理設備，通過提供包含濾液收集管和過濾單元的原液處理設備，并通過探究過濾單位各部件的連接和位置關系，實現(xiàn)對原液的有效處理，不但能夠?qū)⑵渲械娜苣z顆粒進行有效過濾，還可以除去其中的小氣泡，改善紡絲原液的可紡性，增加紡絲的穩(wěn)定性。 （2）重點研發(fā)了配合牽伸輥的噴淋裝置，通過在每個卷繞輥的出入部分設置噴嘴噴淋清洗液，從而有效避免纖維纏繞在牽伸輥上，實現(xiàn)高倍牽伸技術。

透過上述專利分析，可以判斷英利公司今后的研發(fā)趨勢應主要集中在以下方面：

（1）探究纖維的快速溶解技術，如何在節(jié)約溶解成本的前提下， 防止制得的Lyocell 纖維的原纖化。 （2）優(yōu)化紡絲原液的過濾技術，綜合考慮過濾溫度、反洗時間、過濾精度等工藝參數(shù)的調(diào)整，從而實現(xiàn)紡絲原液的高效過濾。 （3）實現(xiàn)成熟的高溫紡絲與牽伸技術，在紡絲過程中通過設置紡口加熱裝置以及在牽伸設備中引入噴淋裝置，這已經(jīng)在專利申請中有所體現(xiàn)，但專利量較少，在此基礎上，全面深入探討高溫紡絲和牽伸的具體影響因素。 （4）全面研發(fā)溶劑回收和凈化技術。 （5）深入研究纖維的高效水洗技術， 現(xiàn)有專利僅有兩項涉及水洗裝置，分別是纖維絲束水洗裝置和纖維絲束水洗接水裝置，在此基礎上深入探討水洗工藝條件對纖維成品的影響，以及配套水洗設備的改進。

3 結(jié)論

本文對山東英利公司的Lyocell 纖維專利申請情況進行了分析，并給出了建議措施。 雖然英利公司已經(jīng)掌握了國內(nèi)先進的Lyocell 纖維生產(chǎn)技術，然而，對于進一步提高纖維原料溶解速度、紡絲原液的均一性、后續(xù)溶劑NMMO 的回收效率、開發(fā)新產(chǎn)品的研究，以及對生產(chǎn)設備的優(yōu)化改進研究仍具有重要意義。 同時，在英利公司的專利申請中實用新型居多，技術布局不完善，如在溶劑回收領域暫無專利；且專利全部為國內(nèi)申請，無國際發(fā)明專利（PCT）或巴黎公約專利。 而蘭精公司等行業(yè)內(nèi)的領頭羊，其專利布局相對更完善，技術上的涉及面更寬廣。 基于此，包括英利公司在內(nèi)的國內(nèi)Lyocell 纖維生產(chǎn)企業(yè)，一方面，應在專利申請上重視發(fā)明專利和國際專利的申請；另一方面，在技術研發(fā)和專利申請上要重視核心技術；同時，還應加強技術研發(fā)能力，重視對交叉領域技術的應用，做好專利的布局。