高思洋，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，100160
引言
现代工业中纳米技术依然成为最为主要的研发方向，这其中，纳米纤维材料由于其在高端电池薄膜、生物半透膜、医用组织基质等高端材料的制造中具有不可替代的作用，而越受到人们的广泛关注。在纳米纤维的纺制工艺中，相较于其他方法，静电纺装置及其工艺由于具有布置简单，适纺性强，改进前景广阔等突出优势，成为本领域技术人员的重点研究方向。
静电纺丝装置技术发展路线
回顾静电纺丝装置的技术发展，可将其分为如下几个阶段：
根据专利检索数据库的结果显示，1899年10月06日，由申请人CHARLES S FARQUHAR和AMBROSE EASTMAN提出申请，并于1902年02月04日公开的美国专利（US692631A）中记载了一种特别的纤维生产设备和工艺。文献中指出，利用静电发生器以及一组对置电极e和e’在喷丝头外产生高强度静电场，喷头部产生的纺丝原液射流受电场力作用拉伸为纤维长丝，并收集在起卷绕作用的接收轮盘上。该专利设备被普遍认为构建了纺丝技术领域的首个现代静电纺丝装置原型。
图1 US692631A静电纺丝装置
随后，由申请人RICHARD SCHREIBER GASTELL和ANTON FORMHALS于1930年12月05日向美国专利局提出申请，并于1934年10月02日公开的美国专利（US1975504A）中记载了最早的无针头式静电纺丝装置，该装置利用齿轮式电极f的旋转将纺丝原液从溶液槽中甩出，并在齿轮电极与接收电极之间静电场力的作用下拉伸为醋酸纤维长丝。
此后，由上述申请人于1937年03月25日提出申请，并于1938年09月26日公开的英国专利（GB492966A）中记载了一种带轮传送式纤维收集装置，文献中指出，皮带收集装置上设置有多组电极15，喷丝头10与对应的电极之间形成电极之间静电场，皮带在转轮的带动下拉伸纤维长丝，并在带轮传送装置末端设置有卷绕收集装置，用以收集纤维长丝。该专利设备被认为是现代规模化静电纺丝生产装置的原型。
20世纪末至21世纪初，各种高新技术产业井喷式的发展，进一步推动了纳米纤维在诸如生物医药、燃料电池等领域中的广泛应用。随着对各种纳米高性能材料的需求不断提升，针对静电纺丝装置的优化也再一次获得了各国研究人员的重视。例如，由申请人(UYAK ) UNIV AKRON申请的美国专利（US6382526B1）中记载了一种气体射流式纺丝装置，由于静电纺丝装置受到电介质在空气中的击穿强度的限制，纺丝速度难以获得提升；为此，文献中提供了一种利用空气射流提速的喷丝头，以此提升纳米纤维的产量，而文献中的一个实施例将NGJ（nanofibers by gas jet）技术与静电纺丝技术相互结合。因此，该实施例所述的专利设备被认为是首个带有辅助流体场的静电纺丝生产装置。
之后，随着其他部件的改进方案日趋成熟，科研人员更多地将研究重心聚焦在对纺丝能力和效果影响最大的纺丝头/电极上。下面将对各段时期内具有一定代表性的静电纺丝装置进行介绍，以期对静电纺丝装置各个阶段的发展状况作出简要梳理。
罗拉溅射式静电纺丝装置
由申请人EL MARCO SRO公司申请的捷克专利（CZ20050360A3）是罗拉溅射式静电纺丝装置典型代表，由于上述装置摆脱了针头布置量的限制，相同条件下促使纤维长丝产量成倍增长。
震荡溅射式静电纺丝装置
东华大学何吉欢、刘雍等申请的中国专利（CN1986913A）独树一帜，提出了一种在形式上完全取消电极的静电纺丝装置。该方案直接通过超声波震荡在贮液池纺丝原液液面形成泰勒锥，在静电场力的作用下液体或熔体突破泰勒锥表面，并通过拉伸以及鞭动效应收集于接收帘上，最终固化成纳米纤维。
气泡溅射式静电纺丝装置
中国专利（CN101050550A）创造性地提出了另一种在形式上完全取消电极的静电纺丝装置。该方案利用多组喷气管在贮液池内持续不停的供气，在气压的作用下贮液池液面形成单个鞋钉状凸起或多个液泡，受静电荷集中于液泡突起部的作用影响或，纺丝原液突破泰勒锥顶部，形成微纳米级的射流溶液或熔液，最终形成纤维丝束。
近年来随着社会与科学技术的发展，相继出现了如利用辅助磁场获得泰勒锥的无电极式静电纺丝装置（例如CN101089254A、CN101871132A）以及附加离心力提升静电纺丝效率的的静电纺丝装置（例如CN102061530A、CN103215664A）等多种创新方案。此外，静电纺丝装置目前正逐渐向小型化、高度集成化（例如CN202152382U、CN106555235A）以及多功能、多用途化（例如CN104278345A、CN106757413A）的趋势发展。
图2
技术演进路线图
静电纺丝专利申请分布及态势
图3 2000-2016年专利申请量增长趋势图
如图3所示，2003年至2011年涉及静电纺丝装置的专利申请量持续保持着较高的增长幅度，数据验证了上节提出的观点：21世纪后，各种高新技术、基础科学的跨越式发展带动了静电纺丝装置的进一步优化。基于部分专利申请存在申请人就同样的发明创造向不同国家或地区申请多分专利的情况，实际数据应略低于检索得到的数据。
图4 专利申请量全球分布图
图4中所示的申请量全球分布图中，清晰地展示了针对静电纺丝装置申请专利的核心国家或区域的具体分布。仅从专利申请量数据分析，我国与美国在静电纺丝装置的研发工作中占据了绝对的领先地位。而加拿大与澳大利亚针对这一领域同样投入了大量的研发力量，但科技成果转化量较我国与美国差距较为明显。此外，在欧洲的研发团队中，作为行业巨头的捷克EL MARCO SRO公司代表着欧洲最顶尖的技术研发水平，但近年来受全球经济疲软影响，该公司在行业内的领军地位受到了来自美国和中国的研发团队的强力挑战。
重点申请人分析
图5 重点申请人专利价值柱状图
针对专利申请价值的评述，可以从带来的经济效益、技术创新高度、技术推广水平等多个方面进行分析。而本文仅从技术层面考虑，选取同一申请人名下的专利申请被引用次数作为申请人为推动业内技术创新作出贡献量的参考依据。图5以上述依据对申请人的专利价值贡献作出统计。从图中不难看出，捷克EL MARCO SRO公司作出的技术贡献的高度仍是其他国内外申请人无法比拟的。而在国内，北京化工大学和东华大学两所科研院校靠着其前期的技术方案的积累以及大量研发成本的投入，更是靠着其科研人员坚持不懈的研究探索，仅仅利用数年时间，变跻身于国际高水平研发团队的行列中，并成为业内最具技术价值的国际领先科研院校中的一员。
论文作者:高思洋
论文发表刊物:《科技新时代》2019年2期
论文发表时间:2019/4/11
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