全球聚乳酸纤维制备技术专利分析

张桂菊，黄 威，廖世豪，龚丹宇，王国华*，陈 鹏*

(1.浙江工业大学，浙江 杭州 310014； 2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315201)

聚乳酸是一种生物可降解聚合物，其原料来源于可再生植物资源，废弃后可在土壤内微生物和水的作用下完全分解为二氧化碳和水，从而实现自然循环[1]。聚乳酸具有出色的可纺性，其纤维制品具有吸湿性、阻燃性、抗紫外线稳定性好等优点[2]。与此同时，聚乳酸纤维作为一种新型环保纤维，具有良好的生物降解性和生物相容性，是一种可持续的生态纤维，被广泛应用于纺织服装、生物医疗、食品包装等领域。

目前，聚乳酸纤维制备技术主要包括熔融纺丝[5]、溶液纺丝[6]和静电纺丝[7]等，其中熔融纺丝因其生产成本低、环境污染小、纺丝速度快且稳定，成为目前生产聚乳酸纤维的主要方法。与熔融纺丝相比，溶液纺丝因其加工温度低，聚乳酸相对分子质量保持率高，成为制备聚乳酸纤维新的技术选择，但其生产效率较低，溶剂难以回收，且所选用的毒性溶剂易污染纤维，限制了纤维的应用领域，故难以规模化生产。此外，静电纺丝作为一种可制备直径为亚微米、纳米级别聚乳酸纤维的纺丝方法受到广泛关注,但其所制备纤维的强度、结晶度均偏低，潜在应用局限于生物医用等领域，同时生产效率偏低，目前尚未达到规模化生产的要求。

作者从专利视角出发，聚焦聚乳酸纤维制备技术领域的全球专利申请态势和创新主体，梳理了聚乳酸纤维制备技术的相关重点专利，旨在通过对聚乳酸纤维制备技术领域的专利分析，揭示该领域当前的专利活动特点，为我国在该领域的科技创新、产业化及专利布局提供参考。

1 专利申请整体情况

图1为全球聚乳酸纤维制备技术相关专利件数的年度(基于专利申请年)变化趋势。数据通过Incopat专利数据库进行检索得到，简单同族合并后专利检索数量共32 298件，检索日期至2021年12月25日止。如图1所示，聚乳酸纤维制备技术相关专利最早出现在20世纪70年代，专利申请主要来自于美国和日本等国外企业，申请数量较少，并且在接下来的近30年里，申请量无明显增加；直到21世纪初，中国开启大规模聚乳酸领域的研究，聚乳酸纤维相关专利的申请量出现明显上升趋势；此后，随着中国在2013年和2016年分别发布《能源发展“十二五”规划》和《“十三五”生态环境保护规划》，聚乳酸纤维作为国家“十二五”和“十三五”新材料产业规划中位列第一的前沿生物新材料，其相关制备技术专利申请件数在2013年以后呈现快速增长趋势。表1为全球聚乳酸纤维制备技术专利申请来源分布。通过对申请来源国进行统计分析发现，中国处于技术申请国的首位，申请量11 206件，占比34.68%；其次是美国、韩国和日本，其申请专利件数分别为9 340、2 446和2 013件。相较于美国、韩国和日本等国家，我国虽然在聚乳酸纤维领域的研究起步较晚，但是我国非常重视聚乳酸纤维新材料的开发，因而布局了大量专利。

图1 全球聚乳酸纤维制备技术专利申请趋势Fig.1 Global trend of patent applications for preparation technology of polylactide fibers

表1 全球聚乳酸纤维制备技术专利申请来源分布Tab.1 Global distribution of patent application sources for preparation technology of polylactide fibers

2 专利申请人分析

表2为全球聚乳酸纤维制备技术专利申请人排名，展示了全球聚乳酸纤维专利申请量大于10件的申请人排名情况(该数据使用Incopat专利数据进行检索，并通过人工筛选统计聚乳酸纤维相关有效专利)。如表2所示，聚乳酸纤维相关专利申请量排名前五的申请人依次为日本东丽纤维有限公司(168件)、日本尤尼吉可株式会社(155件)、东华大学(109件)、日本帝人株式会社(96件)和美国金伯利-克拉克环球有限公司(48件)。此外，从该专利申请人排名还可以看出，国外在聚乳酸纤维的专利申请方面主要集中于企业，而我国在相关领域的专利布局集中于高校和研究机构。这表明我国在聚乳酸纤维领域的技术开发主要来自于实验室，因而企业独立开发聚乳酸纤维制备技术并布局相关专利的能力需要进一步加强。

表2 全球聚乳酸纤维制备技术专利申请人排名Tab.2 Ranking of global patent applicants for preparation technology of polylactide fibers

3 专利申请技术领域分布

通过IPC主分类号对聚乳酸纤维制备技术相关专利进行分析，表3列出了该类分类号申请量占比前10的分类号的分布情况。在IPC大类中A61占比接近50%，即聚乳酸纤维的研究领域主要集中于生物医用领域。这与聚乳酸具有良好的生物相容性和生物可降解性有关。此外，为改善聚乳酸的韧性和耐热性差等劣势，大量耐热性、强韧性和耐水解性的改性聚乳酸纤维出现在相关研究及专利布局中。因此，聚乳酸纤维制备的主要技术领域在IPC大类中C08、B29、D01中占比相对较高，均大于10%。

表3 全球聚乳酸纤维制备技术主要应用领域分布情况Tab.3 Global distribution of patent applications for preparation technology of polylactide fibers by application fields

4 重点申请人专利技术分析

通过数据检索及人工筛选统计发现，目前聚乳酸纤维制备技术主要包括熔融纺丝、熔喷纺丝、溶液纺丝和静电纺丝等。从表4可以看出，目前熔融纺丝的相关专利布局较多，其次是静电纺丝，而熔喷纺丝和溶液纺丝专利布局相对较少。

表4 全球聚乳酸纤维制备技术的技术路线Tab.4 Global technological routes for preparation technology of polylactide fibers

从国外专利布局情况来看，日本东丽纤维股份有限公司在1999年截至检索日期间，共计申请168件聚乳酸纤维相关专利,专利布局的主要方向是熔融纺丝法制备聚乳酸纤维，开发了耐热、柔软、抗水解、耐摩擦、高强度和易染等聚乳酸纤维制备技术。在2003年，该公司申请JP2005113334A专利，提供了一种能够稳定生产具有足够强度和韧性的聚乳酸纤维的方法。2006年，该公司在中国布局CN101074501A专利，通过使用含水溶性交联剂的加工缓冲液对聚乳酸纤维(织物)进行处理，得到一种高温高湿下耐水解性能良好的聚乳酸纤维。2010年，该公司进一步申请JP2010150711A专利，提供了一种具有优异耐水解性的聚乳酸纤维制备方法。

日本尤尼吉可株式会社在1997年截至检索日期间，共计申请155件聚乳酸纤维相关专利，同样在熔融纺丝法制备聚乳酸纤维方面进行布局。此外，该公司在聚乳酸无纺布制备方面也有所布局，开发了可纺、柔软、耐热、高强度和耐磨等聚乳酸纤维制备技术。2010年，该公司申请JP2011174193A专利，提供了一种具有柔软的触摸感和优异力学性能的非织造织物制备方法。2014年，该公司申请JP2016094679A专利，制备得到可用于3D打印领域的抗水解聚乳酸单丝。

美国金伯利-卡拉克环球有限公司在1997年截至检索日期间，共计申请48件聚乳酸纤维相关专利，专利布局的主要方向是熔融纺丝技术制备改性聚乳酸纤维和熔喷纺丝技术制备聚乳酸无纺布，开发了柔软、高力学性能等聚乳酸纤维制备技术。1999年，该公司申请了US6135987A专利，公开了一种制备合成纤维的方法，该可生物降解纤维制成的非织造材料可作为用于吸收和除去体液的一次性吸收制品。2011年，该公司申请WO2012020336A2专利，通过增韧共混物的方法，熔融纺丝得到增韧改性的聚乳酸纤维。

从国内专利布局情况来看，东华大学作为国内聚乳酸纤维的重点研究单位，在2004年截至检索日期间，共计申请109件聚乳酸纤维相关专利，专利布局的主要方向是熔融纺丝制备聚乳酸纤维，开发了抗水解、高强度、抗菌等聚乳酸纤维制备技术。2005年，该校申请了CN1670273A专利，提供了一种干湿法制备聚乳酸类纤维的方法，所生产的纤维具有湿法和干法制备纤维的特点，该方法特别适用于制备医用生物高分子材料和组织工程材料。2018年，该校申请CN109594144A专利，提出了一种含金属改性十字型酯化物的聚乳酸纤维的熔体直纺方法，该方法制备简单、成本低廉；制得的产品具有优良的力学、抗菌和阻燃性能，实现了纤维的高感性化和高性能化。2019年，该校申请CN110144638A专利，提出了一种填充用抗水解聚乳酸纤维及其制备方法，有效地改善了聚乳酸纤维的韧性。

江南大学在2008年截至检索日期间，共计申请34件聚乳酸纤维相关专利，专利布局的主要方向是熔融纺丝法和静电纺丝法制备聚乳酸纤维，开发了抗菌、保暖、易染、抗静电、高强度和吸湿排汗等聚乳酸纤维制备技术。2009年，该校申请CN101748560A专利，提供了一种复合材料的纺纱方法，尤其是一种纳米级多孔静电纺复合材料的纺纱方法。2010年，该校申请CN102086565A专利，通过在聚乳酸中添加抗菌剂，采用静电纺丝技术制备了一种具有高效抗菌活性的聚乳酸抗菌纳米纤维膜。2019年，该校申请CN110938905A专利，公开了一种高强免浆聚乳酸纱线及其制备方法。

中国科学院宁波材料与技术工程研究所在2009年截至检索日期间，共计申请12件聚乳酸纤维相关专利，专利布局的主要方向是熔融纺丝法制备聚乳酸及其改性纤维，开发了耐物理老化、易染、可纺、柔软和优异光泽等聚乳酸纤维制备技术。2009年，该研究所申请了CN101608346A专利，公开了一种异形聚乳酸类纤维及其制备方法，与普通圆形聚乳酸类纤维相比，该异形纤维具有较好的亲水性、蓬松性、柔韧性、光泽和优异的力学性能。2011年，该研究所申请CN102146597A专利，提供了一种含聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)的可降解纤维及其制备方法，该纤维在较低的纺丝温度和较高的纺丝速度下具有较好的可纺性，并且具有较高的力学强度和持续稳定的较柔软的手感。2012年，该研究所申请CN102634866A专利，提供了一种自增强的聚乳酸纤维及其制备方法，与普通聚乳酸纤维相比具有较高的常温力学强度、高温力学强度和较低的沸水收缩率。2020年，该研究所申请CN112522804A专利，展示了一种耐物理老化的聚乳酸纤维材料的制备方法及应用。

5 展望

目前国内外对于熔融纺丝技术制备聚乳酸纤维的专利布局较为全面，对实现聚乳酸纤维的相关技术效果均有涉及。相比之下，熔喷纺丝技术制备聚乳酸纤维的相关专利布局较少，特定技术效果的布局仍属空白，我国可在此方面进行大量的专利布局。溶液纺丝和静电纺丝技术制备聚乳酸纤维，因其生产成本和环境污染等问题，大多仍处于实验室研发阶段，故开发环保、高效且适用于工业化的聚乳酸纤维制备技术是未来的主要方向，可进行进一步专利布局。

通过对现有聚乳酸纤维制备技术的专利分析发现，为进一步拓展聚乳酸纤维的应用面，当前需要解决的技术问题还有很多，主要包括：(1)利用其他生物基聚合物改性聚乳酸，提高聚乳酸纤维的耐热性、柔韧性；(2)研究聚乳酸物理老化的本质，使聚乳酸纤维具有耐物理老化性能；(3)开发恒温浴纺丝工艺，制备高强度聚乳酸纤维；(4)开发聚乳酸抗菌配方，提高聚乳酸纤维的抗菌性；(5)研究染色机理，开发聚乳酸共混配方，改善聚乳酸纤维的染色性能；(6)开发异型喷丝板，实现聚乳酸纤维和织物的闪光性、保暖性、吸湿排汗性、高仿真性；(7)开发生物基阻燃剂，进一步改善聚乳酸纤维的阻燃性。