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木塑復(fù)合材料發(fā)展動態(tài)及專利現(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，對該材料的研究也越來越深入。本文介紹了我國木塑復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并對我國木塑發(fā)明專利進行了一定的數(shù)據(jù)挖掘及分析，通過專利申請時間分布，專利技術(shù)領(lǐng)域分布以及專利申請人等方面對中國木塑復(fù)合材料發(fā)明專利進行統(tǒng)計和分析，得出了中國木塑復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，指出了中國木塑行業(yè)發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞:木塑復(fù)合材料;發(fā)展現(xiàn)狀;專利;分析
木塑復(fù)合材料(wood－plasticscomposites，縮寫為WPC，簡稱木塑)是木質(zhì)纖維－聚合物復(fù)合材料的俗稱，它是一類以木材、竹材、農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維材料為填充增強材料，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，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，無污染、耐腐朽蟲蛀、耐老化、耐水浸和潮濕、耐鹽霧、使用壽命長、維護費用低，既有類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
1.1技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
對于生物質(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。雖然發(fā)達國家也有關(guān)于注塑成型的研究報道和零星產(chǎn)品，然而擠出成型仍是目前的主流技術(shù)。我國開展的生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料研究開始于20世紀90年代后期，起初主要跟蹤國外已有的技術(shù)和仿制產(chǎn)品，在基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)方面投入較少。近幾年來，在國家循環(huán)經(jīng)濟政策的鼓勵和企業(yè)潛在效益需求的雙重推動下，全國性的“木塑”熱正逐漸興起。2017年中國木塑產(chǎn)品產(chǎn)量接近300萬噸，占世界總產(chǎn)量的三分之二。生產(chǎn)、銷售、消費以及出口均居于世界第一，并且完全有可能長期占居此位。近10余年來，在國家“863”、“948”、“自然科學基金”等重要科研計劃的支持下，對生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料技術(shù)的主要方面都開展了實質(zhì)性研究，獲得了較豐富的實驗室技術(shù)儲備。東北林業(yè)大學、中國林科院木材工業(yè)研究所、南京林業(yè)大學、北京化工大學、華南農(nóng)業(yè)大學等科研院所和高等學校在基礎(chǔ)研究、加工技術(shù)和設(shè)備開發(fā)等方面展開了率先開展了相關(guān)工作，取得了重要成果，在某些重要技術(shù)的研究方面具有獨特優(yōu)勢。例如，東北林業(yè)大學針對我國廢舊塑料資源的特點，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］。華南理工大學采用拉伸流變原理研制的專用WPC設(shè)備顯示出很大發(fā)展?jié)摿Γ?］。東北林業(yè)大學依據(jù)動態(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)原理研究得到國家自然科學基金重大國際合作研究項目的支持［5］。上述研究提高了我國生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料的技術(shù)能力和國際學術(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)年以前國內(nèi)就有研究機構(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，物料需要經(jīng)受兩次高溫加熱過程，不僅能耗高而且不利于保持熱敏性生物質(zhì)材料的優(yōu)良物理力學性能。不過，兩步法也有工藝控制相對容易和組織生產(chǎn)靈活較大的優(yōu)點，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、改進塑料設(shè)備到開發(fā)木塑專用設(shè)備的發(fā)展歷程，可以滿足地板和欄桿類制品的制造加工。不過，與國外木塑專用設(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。總體來說，我國對生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料加工設(shè)備具有較強的開發(fā)能力，從最近幾年螺桿、模具等關(guān)鍵配件不斷改進的發(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)品的開發(fā)。
1.2技術(shù)發(fā)展趨勢
未來生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下三個方面:(1)技術(shù)原理與科學支撐方面，重點研究方向是生物質(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、環(huán)境老化機理、性能優(yōu)化與評價方法等，這是改進提高現(xiàn)有技術(shù)和開發(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價與應(yīng)用技術(shù)體系;(3)新產(chǎn)品開發(fā)方面，重點集中在產(chǎn)品的高性能化、高附加值和多功能化，包括門窗、功能型地板、功能型裝飾材料、輕型建筑結(jié)構(gòu)材，以及車船用裝飾材料等重大產(chǎn)品開發(fā)等。
2木塑復(fù)合材料專利現(xiàn)狀分析
國外由于對這種材料開發(fā)的時間較早，因此專利技術(shù)較多，一方面為我國自主創(chuàng)新提供了借鑒，另一方面專利壁壘也對我國的自主創(chuàng)新造成很大挑戰(zhàn)。近年來，我國在生物質(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)合材料開發(fā)、專用設(shè)備等方面，獲得系列專利技術(shù)成果。以國家知識產(chǎn)權(quán)局下的專利檢索及分析系統(tǒng)為依據(jù)，檢索時間截止到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)明專利4294件，因受發(fā)明專利審查程序限制，發(fā)明專利申請18個月后才公開，因此2017年數(shù)據(jù)僅作參考。
2.1木塑發(fā)明專利申請時間分布
圖1為中國木塑發(fā)明年申請量圖。作為一種新興的復(fù)合材料，從專利申請時間分布曲線圖可以看出，2004年以前，中國木塑復(fù)合材料出去萌芽以及起步階段，此時年發(fā)明專利數(shù)量均在15件以下。2004－2008年，木塑復(fù)合材料處于較快增長階段，發(fā)明專利年申請量也有了較明顯的增加，年申請量均超過了100件。隨后，木塑復(fù)合材料的重點產(chǎn)品作為綠色建筑材料參與了2008年北京奧運會、2010年上海世博會以及2010年廣州亞運會等重大活動的場館建設(shè)，我國木塑復(fù)合材料產(chǎn)量迅速攀升，2012年則超越美國發(fā)展成為國際木塑生產(chǎn)第一大國［6］。我國木塑復(fù)合材料專利年申請量也出現(xiàn)了快速增長，從2008年的79件，迅速增至2016年的836件。
2.2專利技術(shù)領(lǐng)域分析
表1為我國木塑發(fā)明專利技術(shù)領(lǐng)域分析。由表1可以看出，我國木塑復(fù)合材料專利申請主要涉及如下技術(shù)研究方向:高分子化合物的組合物(C08L)、使用無機物或非高分子有機物作為配料(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)、成型材料的準備或預(yù)處理(B29B)。其中C08L及C08K遠高于其它分類號的專利申請量，體現(xiàn)了木塑復(fù)合材料配方、機理等研究是木塑復(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)明專利申請人分析
由表2中國主要木塑發(fā)明專利申請人分析可以看出，企業(yè)在木塑發(fā)明專利的申請方面走在了前列，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)對專利技術(shù)的重視，以及對新產(chǎn)品研發(fā)的能力越來越強。在木塑發(fā)明申的院校中，東北林業(yè)大學以長江學者王清文教授團隊為主要研發(fā)力量，在國家“863”計劃、科技支撐計劃、國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化等項目的支持下，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、流變學、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)域開展了系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，申請發(fā)明專利80余項，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年度國家科技進步獎二等獎，并建設(shè)了全國唯一以生物質(zhì)材料科學與技術(shù)為特色的教育部重點實驗室等基地，充分展示了高校的學術(shù)科研能力和科技創(chuàng)新成果。
3結(jié)論
近幾年我國木塑生產(chǎn)企業(yè)和產(chǎn)量的平均增長率超過20%，國內(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)品種類較為單一，主要應(yīng)用于室外鋪板、景觀、欄桿等，這對我國木塑行業(yè)的長期健康發(fā)展構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，在木塑新產(chǎn)品開發(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，以及車船用裝飾材料等重大產(chǎn)品開發(fā)等方面，將產(chǎn)品推向具有巨大市場容量的室內(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)市場化是解決這一問題的關(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)讓機制。在近十年的國際市場競爭中，我國的木塑行業(yè)已經(jīng)積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗和一大批專門技術(shù)人才，并運用了國際上先進的管理經(jīng)驗。多數(shù)企業(yè)開始重視產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)儲備，有關(guān)研究機構(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。
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