木塑復(fù)合材料發(fā)展動(dòng)態(tài)及專(zhuān)利現(xiàn)狀論文
摘要:作為一種新型材料，木塑復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域近年發(fā)展迅速，對(duì)該材料的研究也越來(lái)越深入。本文介紹了我國(guó)木塑復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)我國(guó)木塑發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)行了一定的數(shù)據(jù)挖掘及分析，通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間分布，專(zhuān)利技術(shù)領(lǐng)域分布以及專(zhuān)利申請(qǐng)人等方面對(duì)中國(guó)木塑復(fù)合材料發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得出了中國(guó)木塑復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，指出了中國(guó)木塑行業(yè)發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞:木塑復(fù)合材料;發(fā)展現(xiàn)狀;專(zhuān)利;分析
木塑復(fù)合材料(wood－plasticscomposites，縮寫(xiě)為WPC，簡(jiǎn)稱(chēng)木塑)是木質(zhì)纖維－聚合物復(fù)合材料的俗稱(chēng)，它是一類(lèi)以木材、竹材、農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維材料為填充增強(qiáng)材料，以熱塑性聚合物為基體，經(jīng)熔融復(fù)合采用擠出、注射或模壓等成型工藝而制備的復(fù)合材料［1］。它兼具木材和塑料的低成本和綜合性能好的優(yōu)點(diǎn)，有良好的木質(zhì)外觀，比熱塑性塑料的硬度高，比木材的尺寸穩(wěn)定性好，無(wú)污染、耐腐朽蟲(chóng)蛀、耐老化、耐水浸和潮濕、耐鹽霧、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低，既有類(lèi)似木材的二次加工特性，又能像熱塑性塑料一樣方便地回收再利用，是典型的生態(tài)環(huán)境材料，其適用范圍廣泛，幾乎可涵蓋木材、塑料、塑鋼、鋁合金及其它類(lèi)似用途復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。木塑復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)能夠?qū)⒌椭档哪举|(zhì)纖維材料和有機(jī)固體廢棄物加工利用成為高附加值的工業(yè)產(chǎn)品，是可以大規(guī)模利用、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
1木塑復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
1.1技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
對(duì)于生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，北美在總體上處于領(lǐng)先地位，歐洲和日本則分別在加工裝備和仿木產(chǎn)品方面有一定優(yōu)勢(shì)。雖然發(fā)達(dá)國(guó)家也有關(guān)于注塑成型的研究報(bào)道和零星產(chǎn)品，然而擠出成型仍是目前的主流技術(shù)。我國(guó)開(kāi)展的生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代后期，起初主要跟蹤國(guó)外已有的技術(shù)和仿制產(chǎn)品，在基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)方面投入較少。近幾年來(lái)，在國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策的鼓勵(lì)和企業(yè)潛在效益需求的雙重推動(dòng)下，全國(guó)性的“木塑”熱正逐漸興起。2017年中國(guó)木塑產(chǎn)品產(chǎn)量接近300萬(wàn)噸，占世界總產(chǎn)量的三分之二。生產(chǎn)、銷(xiāo)售、消費(fèi)以及出口均居于世界第一，并且完全有可能長(zhǎng)期占居此位。近10余年來(lái)，在國(guó)家“863”、“948”、“自然科學(xué)基金”等重要科研計(jì)劃的支持下，對(duì)生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料技術(shù)的主要方面都開(kāi)展了實(shí)質(zhì)性研究，獲得了較豐富的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)儲(chǔ)備。東北林業(yè)大學(xué)、中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所、南京林業(yè)大學(xué)、北京化工大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研院所和高等學(xué)校在基礎(chǔ)研究、加工技術(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)等方面展開(kāi)了率先開(kāi)展了相關(guān)工作，取得了重要成果，在某些重要技術(shù)的研究方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。例如，東北林業(yè)大學(xué)針對(duì)我國(guó)廢舊塑料資源的特點(diǎn)，研究成功混合廢舊塑料的再生改性技術(shù)，并成功用于高性能WPC的制備［2－3］。華南理工大學(xué)采用拉伸流變?cè)硌兄频膶?zhuān)用WPC設(shè)備顯示出很大發(fā)展?jié)摿Γ?］。東北林業(yè)大學(xué)依據(jù)動(dòng)態(tài)塑化原理而研發(fā)的生物質(zhì)塑性加工技術(shù)可大幅度提高生物質(zhì)纖維的用量，醞釀著生物質(zhì)材料加工利用方式的變革，其相關(guān)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)原理研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作研究項(xiàng)目的支持［5］。上述研究提高了我國(guó)生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料的技術(shù)能力和國(guó)際學(xué)術(shù)地位，為提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平打下重要基礎(chǔ)。在生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料技術(shù)方面，雖然數(shù)年以前國(guó)內(nèi)就有研究機(jī)構(gòu)從事注塑成型、仿人造板技術(shù)的熱壓成型研究，但目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的和正在研究中的成型技術(shù)，主要是兩步法擠出成型技術(shù)，即，首先將生物質(zhì)纖維與塑料混煉造粒，然后擠出成型。與其他成型方法相比，擠出成型的生產(chǎn)效率高，并且特別適于異型材的生產(chǎn)。然而，采用兩步法擠出成型時(shí)，物料需要經(jīng)受兩次高溫加熱過(guò)程，不僅能耗高而且不利于保持熱敏性生物質(zhì)材料的優(yōu)良物理力學(xué)性能。不過(guò)，兩步法也有工藝控制相對(duì)容易和組織生產(chǎn)靈活較大的優(yōu)點(diǎn)，受到總體技術(shù)和裝備水平不高的中小企業(yè)的歡迎。在加工設(shè)備方面，木塑行業(yè)在短短幾年里經(jīng)歷了從借用塑料設(shè)備、改進(jìn)塑料設(shè)備到開(kāi)發(fā)木塑專(zhuān)用設(shè)備的發(fā)展歷程，可以滿足地板和欄桿類(lèi)制品的制造加工。不過(guò)，與國(guó)外木塑專(zhuān)用設(shè)備相比，在加工精度、擠出速度、冷卻成型等關(guān)鍵技術(shù)上仍存在差距。總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)對(duì)生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料加工設(shè)備具有較強(qiáng)的開(kāi)發(fā)能力，從最近幾年螺桿、模具等關(guān)鍵配件不斷改進(jìn)的發(fā)展速度可以看出，設(shè)備加工企業(yè)完全有能力適應(yīng)生物質(zhì)纖維原材料的多樣化和新型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
1.2技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
未來(lái)生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(1)技術(shù)原理與科學(xué)支撐方面，重點(diǎn)研究方向是生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料的界面表征與調(diào)控方法、加工與結(jié)構(gòu)流變學(xué)、環(huán)境老化機(jī)理、性能優(yōu)化與評(píng)價(jià)方法等，這是改進(jìn)提高現(xiàn)有技術(shù)和開(kāi)發(fā)新技術(shù)的基本前提;(2)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新方面，重點(diǎn)集中在生物質(zhì)原料的制備與改性技術(shù)、生物質(zhì)－聚合物復(fù)合材料的先進(jìn)加工成型技術(shù)與裝備、功能型生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料以及材料性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用技術(shù)體系;(3)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，重點(diǎn)集中在產(chǎn)品的高性能化、高附加值和多功能化，包括門(mén)窗、功能型地板、功能型裝飾材料、輕型建筑結(jié)構(gòu)材，以及車(chē)船用裝飾材料等重大產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等。
2木塑復(fù)合材料專(zhuān)利現(xiàn)狀分析
國(guó)外由于對(duì)這種材料開(kāi)發(fā)的時(shí)間較早，因此專(zhuān)利技術(shù)較多，一方面為我國(guó)自主創(chuàng)新提供了借鑒，另一方面專(zhuān)利壁壘也對(duì)我國(guó)的自主創(chuàng)新造成很大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，我國(guó)在生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛研究，在廢舊塑料改性技術(shù)、生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料擠出成型技術(shù)、阻燃等功能型生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料開(kāi)發(fā)、專(zhuān)用設(shè)備等方面，獲得系列專(zhuān)利技術(shù)成果。以國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局下的專(zhuān)利檢索及分析系統(tǒng)為依據(jù)，檢索時(shí)間截止到2018年1月1日，檢索關(guān)鍵詞為木塑、塑木，最終檢索并篩選發(fā)明專(zhuān)利4294件，因受發(fā)明專(zhuān)利審查程序限制，發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)18個(gè)月后才公開(kāi)，因此2017年數(shù)據(jù)僅作參考。
2.1木塑發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間分布
圖1為中國(guó)木塑發(fā)明年申請(qǐng)量圖。作為一種新興的復(fù)合材料，從專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間分布曲線圖可以看出，2004年以前，中國(guó)木塑復(fù)合材料出去萌芽以及起步階段，此時(shí)年發(fā)明專(zhuān)利數(shù)量均在15件以下。2004－2008年，木塑復(fù)合材料處于較快增長(zhǎng)階段，發(fā)明專(zhuān)利年申請(qǐng)量也有了較明顯的增加，年申請(qǐng)量均超過(guò)了100件。隨后，木塑復(fù)合材料的重點(diǎn)產(chǎn)品作為綠色建筑材料參與了2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)以及2010年廣州亞運(yùn)會(huì)等重大活動(dòng)的場(chǎng)館建設(shè)，我國(guó)木塑復(fù)合材料產(chǎn)量迅速攀升，2012年則超越美國(guó)發(fā)展成為國(guó)際木塑生產(chǎn)第一大國(guó)［6］。我國(guó)木塑復(fù)合材料專(zhuān)利年申請(qǐng)量也出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)，從2008年的79件，迅速增至2016年的836件。
2.2專(zhuān)利技術(shù)領(lǐng)域分析
表1為我國(guó)木塑發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)領(lǐng)域分析。由表1可以看出，我國(guó)木塑復(fù)合材料專(zhuān)利申請(qǐng)主要涉及如下技術(shù)研究方向:高分子化合物的組合物(C08L)、使用無(wú)機(jī)物或非高分子有機(jī)物作為配料(C08K)、塑料的成型或連接;塑性狀態(tài)物質(zhì)的一般成型;已成型產(chǎn)品的后處理，例如修整(B29C)、建筑物的裝修工程，例如，樓梯，樓面(E04F)、層狀產(chǎn)品，即由扁平的或非扁平的薄層，例如泡沫狀的、蜂窩狀的薄層構(gòu)成的產(chǎn)品(B32B)、成型材料的準(zhǔn)備或預(yù)處理(B29B)。其中C08L及C08K遠(yuǎn)高于其它分類(lèi)號(hào)的專(zhuān)利申請(qǐng)量，體現(xiàn)了木塑復(fù)合材料配方、機(jī)理等研究是木塑復(fù)合材料研究領(lǐng)域最為重視及關(guān)注的技術(shù)研究方向。
2.3發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)人分析
由表2中國(guó)主要木塑發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)人分析可以看出，企業(yè)在木塑發(fā)明專(zhuān)利的申請(qǐng)方面走在了前列，其中包括木塑制品生產(chǎn)龍頭企業(yè)，如安微森泰塑木新材料有限公司，以及部分木塑模具生產(chǎn)企業(yè)，顯示了企業(yè)對(duì)專(zhuān)利技術(shù)的重視，以及對(duì)新產(chǎn)品研發(fā)的能力越來(lái)越強(qiáng)。在木塑發(fā)明申的院校中，東北林業(yè)大學(xué)以長(zhǎng)江學(xué)者王清文教授團(tuán)隊(duì)為主要研發(fā)力量，在國(guó)家“863”計(jì)劃、科技支撐計(jì)劃、國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化等項(xiàng)目的支持下，在木纖維制備與改性、塑料改性、偶聯(lián)劑合成與表征、界面科學(xué)、流變學(xué)、制備工藝與設(shè)備、老化與耐候性、阻燃等木塑復(fù)合材料的主要研究領(lǐng)域開(kāi)展了系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利80余項(xiàng)，其中“木塑復(fù)合材料擠出成型制造技術(shù)及應(yīng)用”獲得2012年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，并建設(shè)了全國(guó)唯一以生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)為特色的教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等基地，充分展示了高校的學(xué)術(shù)科研能力和科技創(chuàng)新成果。
3結(jié)論
近幾年我國(guó)木塑生產(chǎn)企業(yè)和產(chǎn)量的平均增長(zhǎng)率超過(guò)20%，國(guó)內(nèi)集結(jié)在木塑產(chǎn)業(yè)鏈上的主流企業(yè)已逾400家。然而，目前木塑復(fù)合材料的下游產(chǎn)品種類(lèi)較為單一，主要應(yīng)用于室外鋪板、景觀、欄桿等，這對(duì)我國(guó)木塑行業(yè)的長(zhǎng)期健康發(fā)展構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，在木塑新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，特別是在產(chǎn)品的高性能化、高附加值和多功能化，包括門(mén)窗、功能型地板、功能型裝飾材料、輕型建筑結(jié)構(gòu)材，以及車(chē)船用裝飾材料等重大產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等方面，將產(chǎn)品推向具有巨大市場(chǎng)容量的室內(nèi)建筑裝飾材料等領(lǐng)域，將是木塑復(fù)合材料這一新興產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展的重要方向。研發(fā)市場(chǎng)化是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。木塑行業(yè)不僅要探索建設(shè)木塑復(fù)合材料創(chuàng)新技術(shù)體系，更重要的是應(yīng)該創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)讓機(jī)制。在近十年的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，我國(guó)的木塑行業(yè)已經(jīng)積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和一大批專(zhuān)門(mén)技術(shù)人才，并運(yùn)用了國(guó)際上先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)。多數(shù)企業(yè)開(kāi)始重視產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備，有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和高校院系要和木塑企業(yè)，特別是骨干企業(yè)建立以契約為紐帶、經(jīng)濟(jì)利益為基礎(chǔ)的密切聯(lián)系，要使各種新的研究成果盡快作用于生產(chǎn)、作用于市場(chǎng)。
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