石墨烯改性纤维全球技术及产业化现状分析

（济南圣泉集团股份有限公司，山东济南250204）

［摘要］专利承载着全世界最前沿的技术信息，根据统计显示，全世界90%～95%的最新技术动态以专利的形式公之于众。无论是对高校、科研院所甚至企业单位而言，专利是专利申请人或专利权人唯一不得不向公众透露关键信息的方式，即以公开换保护。及时了解和掌握全球石墨烯应用专利申请状况，有利于推动石墨烯产业进步，促进成果转化，推进技术创新，为我国石墨烯产业发展提供参考。

［关键词］石墨烯；专利；分析；技术；应用

［DOI］10．13939/j．cnki．zgsc．2017．29．030

［作者简介］刘顶（1987—），男，山东济南人，研发工程师及专利代理人，石墨烯等新型炭材料研究及专利布局情报搜集；张金柱（1955—），男，山东东阿人，高级工程师，研究方向：生物质综合利用及石墨烯宏量制备技术、石墨烯在聚合物中的分散技术、石墨烯在纺织领域的产业化应用、石墨烯远红外及抗菌机理。

石墨烯是一种新型碳材料，拉伸强度（130GPa），最高的杨氏模量（1TPa），并且有最高的载流子迁移率（15000cm2·V-1·S-1）和最快传热速度（导热系数5000W·m-1·K-1），为单层碳原子堆积成的二维蜂窝状晶体结构，石墨烯在电学、热学、力学、光学等方面有诸多优良性能，其理论应用领域广泛。从2004年石墨烯被发现至2010年获得诺贝尔奖期间经历了萌芽期，2010年至2015年是石墨烯理论研究及制备研究爆发式发展阶段，再好的技术和材料不能产业化应用都是昙花一现，因此2016年是石墨烯应用元年，无论是高校、科研院所，还是企业单位都进入了石墨烯应用研究及产业化阶段。

石墨烯各方面理论数据虽好，但难以应用，找到一个好的应用方向，是非常可贵的。济南圣泉集团股份有限公司通过研究发现，利用石墨烯改性的纺织纤维具有抗菌、抗螨虫、低温远红外发热等功能，后期通过与黑龙江大学、青岛大学、东华大学联合研发，成功将石墨烯改性纤维应用于各类服装及床上用品，并实现了商业化运作。

1 全球石墨烯改性纤维专利

1．1全球石墨烯改性纤维专利申请量态势分析

人类利用纤维的历史比较悠久了，从1848年粘胶纤维被J．默塞发现之后，各种人造纤维陆续登上人类历史的舞台。随着技术的不断改进，各种特种纤维也相继出现。

从图1中可以看出，2005年开始，研发人员开始尝试着将石墨烯应用到纺织行业中，但是直到2009年5年间一共申请专利20项，年平均4项的申请量，该技术处于萌芽期，发展非常缓慢，前景不被研发人员看好。2010年之后，该领域的专利申请量开始逐年大幅度地增加，越来越多的研发团队进入该技术领域。主要的原因在于2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和克斯特亚·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现了石墨烯，大家对这一新的物质开始探索性地应用，但在2010年两位科学家获得诺贝尔物理学奖之后，大家对石墨烯在各领域的应用研究出现了空前的热情。

2012年之前，由于石墨烯自身的特性，可纺性差，价格昂贵，一直限制其传统纺纱和织造领域的应用，石墨烯可纺纤维的研究一直存在着瓶颈。在2012年高超团队申请了系列聚合物接枝的石墨烯纤维，实现了石墨烯宏观纤维的可纺性，但是与传统纺织行业的纤维还存在着很大的差异。中国专利CN103046151A公开日为2013年4月17日，公开了一种石墨烯共混再生纤维素纤维及其制备方法，该方法与技术制备的系列石墨烯复合纤维产品力学性能优异、导热耐热，研发的石墨烯／再生纤维素复合纤维2013年通过山东省科技厅成果鉴定，该产品的制备方法属国际首创，整体技术达到国际先进水平，开创了石墨烯应用于传统纺织行业的先河，目前该技术在济南圣泉集团股份有限公司得到应用转化。

从图中也可以看出在2013年之后，关于石墨烯在纺织领域的应用出现了井喷式的增长，2016年申请量达到331件，2017年的数据受专利公开的滞后的影响不做参考，但是从国内外的各新闻报道及我国的政策驱动，可以预见2017年的申请量还会有所增加。

1．2最早公开区域分布分析

图2是石墨烯改性纤维在全球申请的最早公开区域分布图。全球公开区域反映的是全球范围内石墨烯改性纤维相关专利申请的国际主要专利权人的地域分布信息，从另一方面可以反映出全球主要市场区域分布情况，专利集中的地区也是市场竞争及市场需求比较旺盛的地区。

最先公开国一般都是首先提出该项专利技术的国家，即专利技术的来源国，一般是专利权人所在国家或地区，也是该项技术首先要求获得专利权保护的国家或地区。

从图2可以看出，该领域的专利申请来源地主要包括中国、韩国、美国、中国台湾、日本。其中中国在石墨烯改性纤维领域的研发实力一枝独秀，专利申请公开量最大，达到全球总申请量的八成以上，如此高的专利份额充分证实了中国在石墨烯改性纤维领域的引领地位，无论是研发资金还是研发人员的投入都是其他国家无法与之相提并论的。其次为韩国和美国，专利申请公开量达全球申请量的5%和3%，其研发实力也不容小觑，但与中国之间的差距仍然是巨大的，目前尚不构成对中国的领导地位的直接威胁。接下来的第三梯队是中国台湾和日本，这两个地区的专利量仅为全球申请公开量的1%，可以看出第三梯队石墨烯改性纤维研发和专利布局也在进行之中，但面对中国大陆的先发优势，要在该领域内形成气候，尚需假以时日。

总之，中国在石墨烯改性纤维领域的研究占有明显的优势，其专利申请量远远超过其他各国和地区的申请量。虽然美国、日本、韩国是目前世界上化纤及特种纤维领域是比较领先的国家，它们拥有该领域大部分的重要申请人，例如杜邦、东丽、东丽、钟纺、韩一合纤等，但是这些国家的企业对石墨烯改性纤维领域的涉足还是比较有限的。

1．3专利权人分析

对石墨烯改性纤维的申请主要是中国专利，中国专利在下面将详细介绍，因此我们对国外的专利权人进行排名，如图3所示。

从图3中可以看出，排名前十位的专利权人的申请量都比较小，申请量最大的仅3项，分别为Korea Inst sci & Tech，Acelon Chemicals And Fiber Corp和Vorbeck Materials Corp，其余的专利权人申请量为1项。

从整个的申请量分布来说该领域的专利申请较为分散，专利申请的技术集中度不高，目前国外的市场占有率的数据尚不明确，更没有形成在世界范围内能够排在前列的企业。

2 中国石墨烯改性纤维专利

2．1中国石墨烯改性纤维专利申请量态势分析

中国是最大的化纤生产、进口和使用国之一，也是化纤的一个主要市场。随着石墨烯改性纤维领域研发的深入，技术已经趋于成熟，将要进入消费市场，世界各国的申请人也必将积极在中国进行专利申请，以期望取得技术和市场先机。截至统计日，中国相关专利申请量达到了815项。图4是石墨烯改性纤维中国专利申请量的发展态势图。

从图4中可以看出，石墨烯改性纤维的中国专利申请始于2006年，随后很长的一段时间增长的态势相对缓慢；直到2011年之后才出现比较多的专利申请，随后几年的增长速度越来越快，到2016年中国专利申请量达到最大值，申请量为326项，申请量最大的是东华大学29项，其次是济南圣泉20项。可见，该领域的中国专利申请比较分散，技术壁垒尚在形成中，企业研发进入该领域相对比较容易；中国专利申请量趋势变化与全球申请量趋势变化基本形同，足以说明中国在该领域的技术领先地位和市场优势。

2．2申请国分析

对石墨烯改性纤维的中国专利申请来源地的申请量和授权量进行了统计，结果如图5所示。

在专利技术来源方面，中国大陆申请人的申请量为796项，约占全部申请的97．7%；源自中国台湾及国外申请人的申请量则为19项，约占全部申请的2．3%。从图5可知，除中国大陆外，中国台湾、美国和韩国的申请量名列前茅。这种分布情况与前文提到的全球专利申请国信息大致相当。中国大陆石墨烯改性纤维行业专利申请796项，说明中国大陆申请人在该领域的专利意识比较强，在其他国家和地区企业及研究人员还没有认识到该领域潜在的巨大前景时就已经纷纷投入该领域的研发中，并对相关技术研发成果进行专利保护。我国的专利申请量虽然很大，但是申请人较分散。虽然有些专利技术已经达到全球领先的水平，但目前来说由于应用市场的拓展需要时间，所以短期内的高收益比较难实现。但考虑到我国企业在石墨烯改性纤维领域的投入增加、国家政策的鼓励，以及该领域潜在的巨大的商机，国内外专利申请量很有可能会继续上升，尤其是国外的化纤及特种纤维厂家，它们本来就应用比较先进的工艺及研发团队，石墨烯改性纤维领域的技术壁垒尚未形成，要想赶上或超过我国的技术水平可能性比较大。

2．3申请人分析

石墨烯改性纤维领域专利申请量中国排名前十位的申请人如图6所示。

从图6可以看出，排名前十位的申请人中，都是中国的企业或者高校，与全球专利排名相同，但是各专利权人的研究侧重点有所不同。从图中可以看出在高校申请人中排名第一的为东华大学，专利申请量为49项，研究的侧重点在石墨烯涂覆的纺织纤维在催化领域的应用；排名第二的为青岛大学，专利申请量为18项，研究的侧重点在石墨烯改性聚合物纤维、石墨烯改性海藻纤维、石墨烯改性再生纤维素纤维的等改性纤维的制备方法；排名第三的为哈尔滨工业大学，专利申请13项，研究的侧重点主要是石墨烯表面接枝改性纤维、石墨烯上浆液等方面的研究；紧随其后的是天津工业大学11项，研究的侧重点主要是石墨烯改性蛋白纤维、石墨烯整理织物、石墨烯改性聚合物调温纤维等；浙江大学10项，研究的侧重点主要是导电石墨烯接枝纤维、石墨烯纤维无纺布&电热膜；四川大学8项，研究的侧重点主要是石墨烯改性聚氨酯（合成革）纤维、纳米离子改性纤维等。

从图中可以看出在企业申请人中排名第一的济南圣泉集团股份有限公司，专利申请量为27项，研究的侧重点为石墨烯改性聚合物纤维、石墨烯改性粘纤、石墨烯色浆以及石墨烯改性纤维在服装、家居、保健等领域的应用；排名第二的为合肥康龄，专利申请量为16项，研究的侧重点在石墨烯改性聚甲醛复合材料领域，提高该材料的抗紫外、抗老化、抗静电、耐腐蚀、导热性等性能；排名第三的为无锡市长安曙光，专利申请14项，研究的侧重点在石墨烯改性纤维的应用，纤维毡、手套等，提高制品的防辐射、吸波、耐磨等性能；排名第四的是安徽玉发塑业，专利申请8项，研究的侧重点主要是石墨烯改性聚乙烯母粒，以提高该材料的抗菌、阻燃、耐老化、耐酸碱、耐高低温等性能。

此外，在以上分析中可以看出济南圣泉与青岛大学的研究侧重点最为相似，在共同专利权人青岛大学和济南圣泉存在共有专利，说明这两家单位的合作比较密切，同时竞争也是最大的。

3 石墨烯改性纤维的应用分析

通过石墨烯对纤维进行改性可以给其带来许多优异的性能，例如强度高，任性好，质轻，导电导热快等优点，甚至还可以使其具有抗菌、抗螨虫、低温远红外发热等功能，因此被广泛应用于各个领域。

截至2017年4月27日，涉及石墨烯改性纤维应用的专利申请量为184项，在技术领域布局上，相比制备专利，应用专利公开数量远低于制备专利公开数量，这说明国内外目前更重视石墨烯改性纤维及原料的制备专利布局，利用上游专利控制下游石墨烯改性纤维制品行业。下面对石墨烯改性纤维制品应用的184项专利进行分析。

3．1全球专利概况

3．1．1专利申请态势分析

图7是有关石墨烯改性纤维制品全球专利申请趋势。

从图7可以看出，2010年之前，有关石墨烯改性纤维制品的专利申请量极少，只有4项申请；2011—2014年，专利申请量呈波动式增长，2014年之后专利申请量呈现井喷式增长，可见在2010年之后，研究人员认识到石墨烯的特殊功能与纺织相结合可以达到意想不到的效果，它的有益性能是其他材料很难实现的。随着研究的不断深入，石墨烯改性纤维更多的性能被发现，应用领域不断被扩展，因此投身于此领域的研究人员越来越多。

3．1．2公开国分布

有关有关石墨烯改性纤维制品主要公开国如图8所示。

从图8可以看出，有关石墨烯改性纤维制品的公开国与石墨烯改性纤维的分布类似，说明这些国家研究石墨烯改性纤维的同时，研究人员也对石墨烯改性纤维制品进行了专利布局。专利布局最多的还是中国，专利申请量为175项，占全球总申请量的95%，其次是韩国，专利申请5项，占总量的3%，紧随其后的是美国，专利申请2项，占比1%，英国和德国也有少量专利布局。

3．2中国专利概况

3．2．1专利申请态势分析

对石墨烯改性纤维制品在中国申请的175项专利进行申请趋势分析，如图9所示。

有关石墨烯改性纤维制品的专利申请量非常大，基本都是中国专利申请，从申请量的变化趋势来看与全球专利的申请趋势是一致的，2011—2014年，专利申请量呈波动式增长，2014年之后专利申请量呈现井喷式增长。可见中国的专利申请量的变化直接影响着全球专利申请量的变化，在该领域中中国专利的申请处于绝对的优势地位，专利技术处于领先地位。

就申请人国别来看，图10的中国申请人共申请专利174项，国外申请人只有一个为韩国，申请专利仅1项，说明我国技术创新水平远远超过了国外知名纤维制品企业，如杜邦、东丽等，这在很大程度上反映了我国纤维制品的领域在研发水平和技术敏感性上处于较高的水平，也说明国外公司对该领域的关注度比较小，也给我国石墨烯改性纤维制品的技术发展提供了契机。中国市场的专利壁垒逐渐形成，国外想进入中国市场存在较大阻力。

3．2．2主要申请人

在中国申请石墨烯改性纤维制品方面相关的专利申请人排名如图11所示。

从图11中可以看出，专利申请量排名前三位的申请人分别为济南圣泉、无锡长安曙光及义乌麻尚生针织。其中济南圣泉专利申请量有11项，占专利申请总量的6．3%，可见济南圣泉在中国专利布局意识较强，处于中国石墨烯改性纤维制品下游产品市场的领导地位；紧随其后的是无锡长安曙光，专利申请量分别为10项，占专利申请总量的5．7%，其研发实力不容小觑；排名第三的义乌麻尚生针织，专利申请量为6项，其余申请人都不超过5项实力落后于前几位申请人。总体来看，我国企业比较分散，最多仅占申请总量的6．3%。说明我国尚未出现领军企业，市场竞争力较低，准入门槛较低。

3．3石墨烯改性纤维制品分布分析

对石墨烯改性纤维制品分布进行分析如图12所示。

从图12可以看出，石墨烯改性纤维制品主要用作面料及织物、衣服及饰品、电热垫/毡、保健医疗用品、过滤/吸波、涮洗用品、防弹衣、导电线、面膜、渔网、帐篷、安全带及其他应用，其专利申请量分别为69项、40项、21项、16项、10项、5项、3项、3项、1项、1项、1项、1项、13项。其中，在面料及织物应用的专利申请量最大，其次是衣服及饰品（包括服装、内衣、内裤、护腕、脖套、假发等），这两个领域主要是利用了石墨烯改性纤维的高强度、透气、防污、亲疏水性、抗紫外、导电、抑菌等性能；应用量比较大的领域还有电热垫/毡和保健医疗用品（包括理疗服、止血带、创可贴、卫生巾、绷带等），主要是利用

石墨烯改性纤维的导电、导热、远红外、抑菌、吸附等有益性能；其他的应用还包括吸附性的应用于过滤嘴、过滤布和吸波布，抗菌抑菌性能的应用于涮洗用品（毛巾、澡巾、牙刷等），抗冲击柔韧性应用于防弹衣，导电性应用于导线，远红外促进微循环应用于面膜，高强度应用于渔网、安全带，抗紫外线应用于帐篷。

4 总结与展望

专利布局主要包括专利的技术布局，产业链布局和地域布局。除此之外，还应当综合考虑专利保护的类型，申请人的选择，发明人是否公开等其他因素。

第一，就技术布局而言，就是为实现经营目的，通过合理设计、规划的一系列专利所构筑的专利组合（多件专利、多项独权），为竞争对手设置障碍，防止竞争对手的回避设计，让自身获得尽可能多的市场机会和利益。

通过合理的专利布局可以提升产品乃至企业的市场竞争力，在保障产品本身市场价值的基础上，扩大利益链，为研发增加附加值。

第二，就产业链布局而言，当与竞争对手争夺同类产品的市场时，企业可以结合所在的产业位置、自身技术特长对竞争对手的核心专利或其组合进行包绕式挖掘。

对于竞争对手的核心专利涉及上游原材料产品的情景，企业可以在该产品的下游各个应用方向挖掘专利，比如将原材料进行深加工和改性处理，转化为生产和生活中的实际产品。据此堵住上游产品的出口，最终同样能够在竞争中获利。

第三，就地域布局而言，企业在选择专利申请的地域时，可以从企业自身市场和竞争对手市场两个面进行确定。一个总体的原则是：企业的产品扩展到哪里，其专利申请就要布到哪里；企业未来的市场在哪个国家／地区，其专利申请就要在这些国家／地区提前布局。

企业自己的未来目标市场和竞争对手的潜在市场是确定专利布局地域的重要信息。对这些地域的专利布局，可以结合自身市场发展规划、对方的市场和专利布局动态、企业在产业链中的位置、行业的整体发展态势进行判断。

参考文献：

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［4］张清华，张殿波．石墨烯与纤维的高性能化［J］.纺织学报，2016,37(10)．