半透膜材料專利技術分析

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了半透膜材料專利技術分析范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

[摘要]為了解中國半透膜材料領域研究開發的知識產權現狀，本文對截止到2020年7月的中國半透膜材料領域專利文獻進行檢索統計，全面分析了中國半透膜材料領域的專利申請現狀，半透膜材質的細分領域發展情況，并就細分領域的創新主體進行了詳細闡述。

[關鍵詞]半透膜；專利；創新主體

半透膜分離是一種選擇性分離的技術，其廣泛地應用于食品、化工和海水淡化等領域。半透膜分離技術包括半透膜材料、制備方法和運行條件三個關鍵方面，而半透膜材料的性質通常決定半透膜的制備方法和運行條件，因此，半透膜材料的研究更為重要。為了解中國半透膜材料專利發展情況，本文在中文專利文獻摘要數據庫中采用國際專利分類號進行檢索，通過主分類號獲得以半透膜材料為主要發明點的專利并對其進行分析。本文統計分析的專利文獻為公開日在2020年7月之前的專利文獻。

1半透膜材料專利申請的總體分析

我國專利制度在1984年開始實施，截止到目前共有5855件半透膜材料專利申請，獲得授權的專利共有2683件，授權率超過50%。如圖1所示，在1984~1986年沒有關于半透膜材料的專利申請，從1987年開始有相關專利申請出現。2006年專利申請首次超過100件，從1998~2017年，專利申請數量逐年增長，從每年不到20件增長到每年超過900件。從2007~2019年，專利申請數量穩定在900件以上，2020年上半年專利申請公開量已經達到475件。由于專利申請自申請日至公開日需要一定的時間，因此，2019和2020年的專利申請數量還會繼續增長。從授權專利量可以看出，在2004年以前授權專利量占整個專利申請公開量的比例非常高，表明相關的專利申請授權率較高。在2004~2016年，授權專利量雖然逐年增加，但非授權專利量也逐年增加，造成授權率相對下降，但仍然穩定在一定范圍內。在2017~2020年，授權專利量開始下降并隨著時間嚴重下滑，而且授權率也隨之下降，其主要原因包括2017~2020年的部分申請還沒有審查結論。從上述專利申請量發展趨勢可以看出，我國半透膜材料專利申請可以分為三個階段，2003年以前屬于萌芽階段，專利申請公開量低，但授權率高；2003~2017年屬于發展階段，專利申請公開量逐年提高，但授權率有所下降；2017年以后進入成熟階段，專利申請公開量開始穩定，但由于相當一部分專利申請還未有審查結論，難以判斷授權率走向。

2半透膜材料專利申請的材質分析

半透膜材料主要分為無機材質和有機材質。無機膜采用純無機材質或以無機材質為主體，其包括金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等，由于以無機材質為主體，無機膜通常具有良好的耐高溫、耐高壓、耐強酸、耐強堿等特性。有機膜采用純有機材質或以有機材質為主體，其包括多種有機高分子聚合物膜，由于有機高分子聚合物種類較多且性質各異，有機膜材質的研究更為廣泛。如圖2所示，從1987年開展至2020年，關于半透膜材料相關申請中，有機膜的專利申請數量一直高于無機膜的數量，并占據絕對多數。無機膜的申請從2000年開始進入增長狀態，在2018年申請量達到199件，而由于2019年和2020年的專利申請未到公開期限，其還可能繼續增長。從上述發展趨勢可以看出，我國半透膜材料相關專利申請始終以有機材質為主，2000年以后無機材質的半透膜才引起關注。如表1所示，大組B01D71/00分類號代表了以材料為特征的半透膜，以該分類號下所有小組為主分類號的專利申請共有5855件，該大組分類號主要分為無機膜和有機膜兩個小組。無機材質膜除將玻璃材質的膜進行細分以外，沒有進一步對其他材質進行細分，主要因素與無機材質的半透膜專利申請數量較少和性質差異較小有關。有機膜的小組進一步細分為20個小組，其中部分細分的小組又進一步進行了細分，其說明有機膜種類較多，而且每個種類的性質差異相對較大。對上述20個小組進行統計分析發現，專利申請量超過200件的共有5個小組，其公開量由高到底依次為B01D71/30、B01D71/66、B01D71/56、B01D71/26、B01D71/58，其說明在有機膜中上述五種類型的膜是主要研究關注對象，其他種類的有機膜研究關注相對較少，其原因可能與自身性質、制備技術、應用市場有關。對于以聚鹵代烯烴為特征的半透膜，其主要代表材質為聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯[1,2]，雖然其為有機材質，但具有機械性能高，耐酸堿腐蝕，化學性能穩定的特點，而且這兩種材質應用較為廣泛，因此，在半透膜領域中相關的專利申請最多。由于聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯為強疏水性材質，其主要缺點之一是抗污染性不足。針對該不足，大量研究集中于提高上述材質的親水性，主要手段包括共混改性、共聚改性、表面接枝、表面輻射等多種處理方法。對于以主鏈上有硫的，有或沒有氮、氧或只有碳的聚合物為特征的半透膜，其主要代表材質為聚砜[3]。砜基中的硫原子處于最高價態，能夠與其他基團形成π鍵構成共軛體系，因此能夠形成具有高穩定性的高分子聚合物，而且通過對其他基團的調節能夠進一步調節聚砜材料的機械性能、耐高溫性能和耐腐蝕性能。聚砜材料存在抗污染性和耐有機溶劑性不足的缺點，但通過提高其親水性可以彌補上述不足。對于聚酰胺為特征的半透膜，膜材質以聚酰胺[4]為主體，其通過界面聚合形成超薄膜，用于滲透或反滲透膜，為了增強該膜的機械強度，聚酰胺膜在支撐膜上形成。制備聚酰胺膜時，通常先將支撐膜負載胺類反應物，再與酰氯類反應物接觸，兩種反應物接觸時發生化學反應，從而在支撐膜表面形成聚酰胺膜層。由于制備方法與膜的性能息息相關，關于聚酰胺膜的專利申請主要是通過在制備過程中添加改性物質，調節胺類和酰氯類反應物，控制制備條件等手段實現提高純水通量或截留率的效果。對于多糖類為特征的半透膜，其主要代表材質為纖維素[5]。纖維素是自然界中廣泛存在的可再生資源之一，而且其分子結構中存在羥基使得其具有較高的親水性。因此纖維素膜除具有力學性能優良、耐酸耐堿等優點以外，還具有抗污染性能良好以及成本低的特點。而且纖維素本身種類較多，其分子鏈上的羥基能夠通過化學反應進行改性，因此，纖維素膜可以用于超濾、納濾和正反滲透多個領域。對于主鏈上有氮的，有或沒有氧或只有碳的其他聚合物的半透膜，其主要代表材質為聚酰亞胺[6]。聚酰亞胺為含亞胺雜環的高分子聚合物，其制備的半透膜具有良好的熱穩定性、化學穩定性和機械性能。聚酰亞胺存在溶解性差、玻璃化溫度較低的不足，但通過在聚酰亞胺的分子鏈上引入官能團或通過交聯改性等方式能夠克服上述不足。

3半透膜材料專利申請的申請人分析

圖3表明中國半透膜材料專利申請的主要申請人分布情況，專利申請公開量超過50件的申請人共有14位，數量從多到少依次為：天津工業大學、南京工業大學、天津大學、浙江大學、浙江工業大學、中國科學院大連化學物理研究所、東華大學、大連理工大學、中國石油化工股份有限公司、清華大學、哈爾濱工業大學、華南理工大學、中國科學院寧波材料技術與工程研究所、東麗株式會社。從上述主要申請人分布可以看出，前14位中有12位申請人為高校與科研機構，僅有2位為企業，其分別大型國企和知名外企。上述情況說明半透膜材質改進研究需要具備良好的理論與實踐基礎，有較高的行業門檻。圖3表明中國半透膜材料專利申請的主要申請人分布情況，專利申請公開量超過50件的申請人共有14位，數量從多到少依次為：天津工業大學、南京工業大學、天津大學、浙江大學、浙江工業大學、中國科學院大連化學物理研究所、東華大學、大連理工大學、中國石油化工股份有限公司、清華大學、哈爾濱工業大學、華南理工大學、中國科學院寧波材料技術與工程研究所、東麗株式會社。從上述主要申請人分布可以看出，前14位中有12位申請人為高校與科研機構，僅有2位為企業，其分別大型國企和知名外企。上述情況說明半透膜材質改進研究需要具備良好的理論與實踐基礎，有較高的行業門檻。表2給出了無機膜和上述五種有機膜的申請人排名情況。在無機膜領域，排在第1位的申請人為南京工業大學，其在1994年成立的南京工業大學膜科學技術研究所專門從事陶瓷膜研究，該研究所不僅建立了我國第一個無機膜生產基地，而且獲得我國無機膜第一個國家技術發明獎，實現了我國無機膜發展領域的眾多第一。排在第2位的申請人為大連理工大學，其依托膜科學與技術研究開發中心不僅實現膜的工業化，而且獲得兩項國家技術發明二等獎。排在第3位的申請人為日本礙子株式會社。在有機膜領域，天津工業大學和天津大學在多個細分領域都排名靠前，天津工業大學設有分離膜與膜過程國家重點實驗室，不僅研制出我國第一支產業化中空纖維膜組件，而且孵化成立的天津膜天膜工程技術有限公司已經在深圳證券交易所成功上市。天津大學海水淡化與膜技術研究中心是我國最早開展大型陸用海水淡化研究單位之一，對海水淡化技術有深入研究并取得多項重要成果。其他高校和科研機構也都在有機膜細分領域能夠名列前茅。結合半透膜領域申請人整體排名可以看出，我國的半透膜材質的研究主要是產學研模式，尤其是排名靠前的高校，其既作為研發主體同時也作為生產主體，從而有效促進專利申請量的提升。這使得我國在半透膜材料領域不僅具有自主知識產權，而且建立了雄厚的專利技術儲備，為與知名外企競爭提供了有利條件。值得注意的是，在聚鹵代烯烴為特征的半透膜領域中，中國民營企業的專利申請量已經能夠排名至第2、3位，其原因可能為聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯膜的生產技術已經趨于成熟，從而有實力的民營企業能夠跨過行業門檻從事產品的研究與生產。在聚酰胺為特征的半透膜領域中，排名前三位的申請人都是企業，其中有兩個日本知名企業和一個大型國企，其原因可能為聚酰胺膜領域由于具有實際應用價值和市場而吸引企業進行技術研發與專利布局，我國高校和科研機構在該領域的研究還未形成規模，對此應引起足夠重視。

4總結

我國半透膜材料專利申請分為萌芽、發展和成熟三個階段。其中，有機膜在數量上始終占據主導地位，但無機膜在進入新世紀后也得到了快速發展。通過對半透膜材質進行細分發現，無機膜由于發展起步較晚，還未有細分領域；而有機膜有五種細分領域的專利申請數量明顯較多，其吸引關注較多的原因與材質自身性質、制備方法和應用市場有關。通過對半透膜材料專利申請的申請人分析發現我國高校以產學研方式不僅實現擁有自主知識產權的目標，而且建立了雄厚的專利申請技術儲備。值得注意的，在聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯膜領域，我國有實力的民營企業已經能夠進行研發和生產；在聚酰胺膜領域，日本企業擁有大量相關專利申請，應引起重點關注。

參考文獻

[1]朱騰義，嚴和婷，李毛．聚偏氟乙烯膜改性方法研究進展[J]．化學通報，2018，81(12)：1089-1095．

[2]郭玉海，朱海霖，王峰，等．聚四氟乙烯濾膜的發展及應用[J]．紡織學報，2015，36(9)：149-153．

[3]余亞偉，周勇．聚砜材料在膜技術中的應用研究[J]．水處理技術，2016，42(4)：1-6．

[4]張雨山，魏楊楊，曹震，等．反滲透膜的研究進展與展望[J]．化學工業與工程，2015，32(5)：8-18．

[5]陳姣姣，陳釤姍，林志英，等．纖維素復合分離膜的制備與性能研究進展[J]．廣東化工，2020，47(11)：101-104．

[6]孟凡寧，張新妙，酈和生，等．聚酰亞胺基氣體分離膜的研究進展[J]．化工新型材料，2020，48(5)：7-11．

作者：張濛 王晶晶 時彥衛 單位：國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心