碳纖維表面處理專利技術分析

王海晶

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000)

碳纖維表面處理專利技術分析

王海晶

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000)

統計并分析了碳纖維表面處理技術在國內外專利的申請情況，介紹和展望了該領域專利發展狀況。

碳纖維；表面處理；等離子體；電化學；氣相；液相

隨著碳纖維在汽車、機械設備、航空航天領域應用的迅速增長，其需求量也在不斷地增加。碳纖維表面處理技術的研究在碳纖維的應用和技術改進中起著至關重要的作用，碳纖維的表面處理技術是制備碳纖維增強材料的重要方法之一，常采用的處理方法分為電化學氧化法、液相氧化法、氣相氧化法、等離子體處理法、表面涂層改性法等5種方法。

本文分析所用的專利數據源于國家知識產權局專利局提供的國內外專利數據庫中篩選出的關于碳纖維表面處理技術領域的專利文獻。

圖1分析了碳纖維表面處理方法的技術演進路線。

圖1 碳纖維表面處理方法的技術演進路線

從圖1可知，碳纖維表面處理技術從20世紀60年代就已經開始了，US19630323649為首件用表面涂覆改性方法處理碳纖維表面的申請；US19700015281為首件涉及用等離子體處理碳纖維表面的申請；US19700065456為首件涉及用氣相氧化法處理碳纖維表面的方法；US3806489為首件涉及用電化學氧化法處理碳纖維表面的申請；CN86108839為首件涉及用液相氧化法處理碳纖維表面的申請。

碳纖維表面處理方法的申請人主要為大公司和研究院，最初的碳纖維表面處理方法的專利申請主要集中在美國，首件中國專利申請的申請人是中國科學院山西煤炭化學研究院，內容為采用液相氧化法處理碳纖維表面。

1 碳纖維表面處理技術專利的申請統計

1.1 專利申請量

圖2給出了全球碳纖維表面處理技術隨年份的發展情況。

圖2 全球碳纖維表面處理技術的專利申請量分布圖

由圖2可知，進入20世紀以來，全球碳纖維表面處理技術的研究與應用大致分為三個階段：第一階段(1961-1980年)平穩發展階段。此階段對碳纖維表面處理技術的研究還處于萌芽階段，專利申請的數量較平穩，在1961-1965年期間專利申請僅有5件，首件涉及用表面涂覆改性方法處理碳纖維表面的專利申請在此階段產生，US19630323649是由發明人Gutzeit Carlos L在1963年11月14日提出的，該專利申請人位于美國加州加迪納市的HITCO碳纖維復合材料公司(是SGL集團的附屬碳公司)；在1966-1970年期間專利申請量為43件，在此期間的碳纖維表面處理方法由表面涂覆改性方法發展到等離子體及氣相氧化法，首件涉及用等離子體處理碳纖維表面的專利申請為US19700015281，是由John Cecil Goan等人在1970年2月27日提出，該申請人是位于美國德克薩斯州阿瑟港市的大湖碳素公司(GREAT LAKES CARBON CORP)；首件涉及用氣相氧化法處理碳纖維表面方法的專利申請是US19700065456，是由Melvin L.Druin等人在1970年8月20日提出，申請人是塞拉尼斯(CELANESE CORP)公司，是一家具有近90年歷史的全球性集化工、纖維和工程塑料為一體的公司。在1971-1975年期間專利申請量增加到100件，相對于1966-1970年期間專利申請量有明顯的增加，在此期間新產生了一種碳纖維表面處理方法——電化學氧化法，US3806489是由Jean-Philippe Rieux等人在1973年5月24日在法國提出的，申請人來自法國的RHONE-PROGIL公司，直到1976-1980年，期間專利申請量增長到118件。

第二階段(1981-2000年)是第一增長期。此階段關于碳纖維表面處理技術的專利申請量處于穩步增長狀態，在表面涂覆改性方法、等離子體、氣相氧化法及電化學氧化方法的基礎上不斷地研究和改進，直到1986年12月25日由中國科學院山西煤炭化學研究院提出了一種碳纖維表面處理的新方法——液相氧化法，CN86108839是采用液相介質對碳纖維表面進行氧化處理的方法，這是首件中國專利申請，從此中國在該領域的專利申請不斷增長。在1981-2000年期間的碳纖維表面處理方法的專利申請量共1 144件，中國專利申請量僅為33件，主要是采用氣相氧化法、液相氧化法及電化學氧化法處理碳纖維表面，相關申請人主要集中在研究所、高校。

第三階段(2001年至今)為第二增長期。此階段關于碳纖維表面處理技術的專利申請量迅猛增長，在2001-2005年期間專利申請量為462件，到2006-2010年期間專利申請量已經增長到884件，與上個五年相比增長了近乎100%，到2011-2015年期間關于碳纖維表面處理方法的專利申請量已經達到1 436件，在此期間中國的專利申請量達到1 144件。由此可見，中國對于碳纖維表面處理的研究也在不斷增長，主要原因是碳纖維具有比強度高、比模量高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能，現已廣泛應用于汽車、機械設備、航天、航空等高科技領域。因此，對碳纖維表面處理方法的專利申請量呈現快速增長趨勢。

1.2 專利申請國家分布

圖3是全球碳纖維表面處理技術專利申請量位于前十位的國家分布情況。

由圖3可知，日本在碳纖維表面處理技術的專利量最多，中國位居第二，中國的專利申請量自2001年后迅速增長。雖然中國對碳纖維的表面處理技術的研究起步晚于西方國家，但是發展很快，已然超過美國和德國等早期就對碳纖維表面處理的國家，美國排第三，德國排第四。

圖3 碳纖維表面處理方法的專利申請國家分布圖

1.3 專利申請人分布

圖4為全球碳纖維表面處理技術的申請人分布情況。

圖4 全球碳纖維的表面處理技術的專利申請人分布圖

由圖4可知，巨頭企業主要集中日本，且前九家的企業中僅有兩家是美國公司，日本顯然已成為碳纖維表面處理技術專利申請量的大國，其中日本東麗的專利申請量最多。

1.4 國內申請人

圖5為國內碳纖維表面處理技術的申請人分布情況。

圖5 我國碳纖維表面處理技術的專利申請人分布圖

由圖5顯示了我國碳纖維表面處理技術領域專利申請量位于前十二位的申請人，從中可以看出，在前十位的申請人中有一所研究所、兩個公司和一個申請人，專利申請主要集中在高校。其中，哈爾濱工業大學的專利申請量最多，上海交通大學其次，中國科學院山西煤炭化學研究所位于第三位。另外，中國石油化工股份有限公司、肖忠淵及金發科技股份有限公司在該領域的專利申請量持平。

中國科學院山西煤炭化學研究所是我國最早研究碳纖維表面處理方法的企業。早在1986年12月25日由賀福等人在國內首次提出了關于用液相氧化法處理碳纖維表面的專利申請(CN86108839)。中國科學院山西煤炭化學研究所還涉及用氣相氧化法及表面涂覆改性法處理碳纖維表面的專利申請。

申請量最多的哈爾濱工業大學，其對碳纖維表面處理方法中表面涂覆改性方法研究比較深入，首次在2006年12月29日申請了一件關于表面涂覆改性方法處理碳纖維表面的專利CN200610151216，該專利公開了用碳化硅表面涂層改性碳纖維方法，以獲得工藝簡單易于操作的碳纖維復合材料。在2014年12月26日申請了一項新專利CN201410828189，公開了一種在超臨界甲醇中碳纖維表面接枝六亞甲基四胺的方法，使基團在碳纖維上分布均勻，從而提高改性后的碳纖維與樹脂的結合強度。

1.5 碳纖維的5種處理方法的專利申請量

圖6為全球碳纖維5種表面處理方法的申請量的分布情況。

圖6 碳纖維的5種表面處理方法專利申請量分布圖

由圖6可知，碳纖維5種表面處理方法專利申請量占前三位的是表面涂覆改性方法、等離子體處理法和電化學氧化法。

2 結語

通過對碳纖維表面處理技術國內外專利申請情況進行統計和分析，可以看出，國外的研究主要集中在日本東麗、三菱、東邦等公司，國內則主要集中在高校，如哈爾濱工業大學和上海交通大學。國內近年來雖在本領域有較為快速的發展，但是專利申請人大部分都是外國公司，可見在該領域外國企業具有較強的專利布局意識，與此同時，外國企業進入市場競爭也對本土企業帶來了一定的激勵作用。因此，在現有的碳纖維表面處理技術的基礎上進一步改進或突破現有的碳纖維表面處理方法，發現優于現有碳纖維表面處理的技術，申請專利布局，以掌握自主研發技術。

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Analysis of Patent Technology on Carbon Fiber Surface Treatment

WANG Hai-jing

(Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office, Sipo, Guangdong, Guangzhou 510000, China)

The patent applications of carbon fiber surface treatment technology at home and abroad were analyzed. The development of the patent in this field was introduced and prospected.

carbon fiber; surface treatment; plasma; electrochemistry; gas phase; liquid phase

2017-05-11；

2017-05-22

王海晶(1988-)，研究實習員，碩士研究生，主要研究領域為紡織品抗皺整理及碳纖維應用，E-mail：751364486@qq.com。

TS195.6

A

1673-0356(2017)07-0009-03