張雅群,朱佩,熊進(jìn)蘇,孫麗娟,葉文瑩,孫婧元
(1 浙江大學(xué)圖書(shū)館,浙江 杭州 310027;2 浙江大學(xué)化工工程與生物工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國(guó)已經(jīng)成為世界聚烯烴的第一生產(chǎn)大國(guó),聚烯烴技術(shù)進(jìn)展已引起科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。采用流化床反應(yīng)器進(jìn)行烯烴聚合是其生產(chǎn)的主流工藝,不僅具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì),同時(shí)還能降低生產(chǎn)成本,受到眾多工業(yè)企業(yè)的青睞。圍繞聚烯烴流化床技術(shù)領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度進(jìn)行分析研究。
在工藝技術(shù)研究方面,吳瑾等針對(duì)氣相聚乙烯裝置,研究聚合反應(yīng)溫度控制的優(yōu)化;時(shí)強(qiáng)等以烯烴聚合流化床反應(yīng)器為研究對(duì)象,對(duì)氣固流化床中顆粒團(tuán)聚的形成和演化進(jìn)行研究;Sbaaei等從動(dòng)態(tài)建模的角度對(duì)聚烯烴流化床進(jìn)行分析研究;舒巍等對(duì)氣相法聚丙烯工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析研究;董陽(yáng)陽(yáng)等對(duì)中國(guó)聚烯烴產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析。
在催化劑技術(shù)研究方面,周浪嶼等對(duì)聚丙烯、聚乙烯中催化劑計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行以及催化劑變化對(duì)烯烴聚合工藝及產(chǎn)品性能的影響開(kāi)展研究分析;Yang等對(duì)流化床反應(yīng)器中采用茂金屬催化劑進(jìn)行聚乙烯、聚丙烯聚合反應(yīng)進(jìn)行研究;Shamiri等對(duì)Ziegler-Natta 和茂金屬催化劑對(duì)聚烯烴結(jié)構(gòu)、性能和加工能力的影響開(kāi)展研究;張麗霞對(duì)Unipol氣相法聚乙烯工藝技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行分析,得出該技術(shù)工藝的核心是氣相流化床反應(yīng)技術(shù)和催化劑技術(shù),兩個(gè)技術(shù)伴隨發(fā)展。
這些研究雖然在一定程度上反映了聚烯烴流化床領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,但仍然存在著一些不足。國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究主要集中在聚烯烴流化床領(lǐng)域具體技術(shù)的發(fā)展,或是針對(duì)聚乙烯或聚丙烯等生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)展技術(shù)進(jìn)展分析,但對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展全貌以及世界競(jìng)爭(zhēng)格局方面缺乏相關(guān)的研究。聚烯烴作為最具廣泛應(yīng)用價(jià)值的工業(yè)產(chǎn)品,把握領(lǐng)域研究動(dòng)態(tài),掌握世界競(jìng)爭(zhēng)格局,對(duì)于我國(guó)相關(guān)企業(yè)發(fā)展具有重要意義。因此,本文以Innography專利數(shù)據(jù)庫(kù)中的聚烯烴流化床領(lǐng)域?qū)@麨閿?shù)據(jù)源,通過(guò)專利計(jì)量進(jìn)行聚烯烴流化床領(lǐng)域技術(shù)的可視化研究,綜合運(yùn)用Derwent Innovation 以及Derwent Data Analyzer,探索聚烯烴流化床領(lǐng)域全球發(fā)展態(tài)勢(shì)、競(jìng)爭(zhēng)格局以及技術(shù)創(chuàng)新前沿。
專利是科研產(chǎn)出的重要表現(xiàn)形式之一,是科技研發(fā)活動(dòng)中定義明確的發(fā)明成果的法定代表,普遍認(rèn)為是表征科技創(chuàng)新的強(qiáng)有力的指標(biāo)。專利信息計(jì)量是將專利分析、文獻(xiàn)計(jì)量和信息計(jì)量學(xué)的原理和方法用于專利文獻(xiàn)和專利信息的定量分析,從而為從事專利活動(dòng)、科技創(chuàng)新、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和管理決策提供服務(wù)。本文采用專利信息計(jì)量法對(duì)聚烯烴流化床領(lǐng)域的專利信息進(jìn)行采集、處理和統(tǒng)計(jì)分析,以報(bào)表、圖表、矩陣和網(wǎng)絡(luò)等方式提供可視化的分析結(jié)果,不僅能夠準(zhǔn)確揭示全球及各個(gè)國(guó)家(地區(qū))、組織機(jī)構(gòu)等技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn),探析當(dāng)前全球聚烯烴流化床領(lǐng)域?qū)@植几窬趾颓把責(zé)狳c(diǎn),也能為我國(guó)聚烯烴流化床技術(shù)發(fā)展提供決策參考。
經(jīng)過(guò)對(duì)聚烯烴流化床工藝技術(shù)的背景調(diào)研后,確定流化床和烯烴聚合為該技術(shù)領(lǐng)域兩個(gè)主要的檢索要素,制訂檢索要素表,如表1所示。
表1 流化床聚烯烴技術(shù)工藝的檢索要素表
本文采用Innography 專利數(shù)據(jù)庫(kù),基于上述檢索要素形成檢索策略。由于聚烯烴流化床技術(shù)歷史沿革長(zhǎng),近二十年的專利申請(qǐng)難以形成領(lǐng)域技術(shù)全貌,因此本文分析20 世紀(jì)50 年代至今領(lǐng)域內(nèi)的專利,并針對(duì)不同發(fā)展階段的專利進(jìn)一步進(jìn)行分析,探究聚烯烴領(lǐng)域的研究發(fā)展動(dòng)向。經(jīng)檢索,獲得1951—2020 年跨度70 年期間基于流化床反應(yīng)器的烯烴聚合反應(yīng)工藝技術(shù)領(lǐng)域的專利14628件。專利文獻(xiàn)檢索時(shí)間為2021年4月15日。
全球范圍內(nèi)聚烯烴流化床技術(shù)專利申請(qǐng)及授權(quán)量情況如圖1所示,該領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)大致可以分為三個(gè)階段:①技術(shù)萌芽期,早在1951 年便出現(xiàn)了該領(lǐng)域的專利申請(qǐng),1977年以前,每年有零星的專利申請(qǐng),技術(shù)不斷萌芽;②技術(shù)發(fā)展期,從1978—1999 年,專利申請(qǐng)量在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的低速增長(zhǎng)后,開(kāi)始快速增長(zhǎng),尤其是在1986—1999年,該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)速度加快,呈現(xiàn)一個(gè)指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì);③技術(shù)穩(wěn)定期,聚烯烴流化床技術(shù)歷時(shí)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,從2000年開(kāi)始經(jīng)過(guò)短暫的回調(diào),技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,每年的專利申請(qǐng)量在400件上下浮動(dòng)。發(fā)明專利的審查周期通常為2~3年,因此專利的授權(quán)量整體趨勢(shì)相比申請(qǐng)趨勢(shì)后延,且經(jīng)過(guò)審查后獲得授權(quán)的專利量相比于申請(qǐng)量有所下降,尤其是1996—2000年出現(xiàn)的申請(qǐng)高峰,在授權(quán)專利上并未出現(xiàn)如此大的起伏。由于2018年之后的專利申請(qǐng)還未全部公開(kāi),近兩年的專利申請(qǐng)量無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì),聚烯烴流化床技術(shù)目前屬于技術(shù)穩(wěn)定期,預(yù)測(cè)其專利申請(qǐng)會(huì)維持在四五百件上下。
圖1 全球流化床聚烯烴技術(shù)工藝專利申請(qǐng)和授權(quán)年度趨勢(shì)
2.2.1 專利技術(shù)原創(chuàng)國(guó)家/地區(qū)
專利發(fā)明人的國(guó)家(inventor location)可以體現(xiàn)專利技術(shù)的原創(chuàng)地區(qū),衡量各個(gè)國(guó)家在領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力。經(jīng)分析,來(lái)自全球55個(gè)國(guó)家/地區(qū)的發(fā)明人為聚烯烴流化床領(lǐng)域的專利技術(shù)創(chuàng)新做出貢獻(xiàn),其中排名前十的發(fā)明人國(guó)家/地區(qū)如圖2 所示。領(lǐng)域內(nèi)主要發(fā)明人國(guó)家為美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)等,其中來(lái)自美國(guó)的發(fā)明人技術(shù)創(chuàng)新能力強(qiáng)勁,實(shí)力突出,占專利申請(qǐng)總量的41.6%,可見(jiàn)美國(guó)在該領(lǐng)域上有強(qiáng)大的研發(fā)能力,并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)德國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家。中國(guó)發(fā)明人的專利量為603 件,排名第7,僅占總申請(qǐng)量的4.1%,我國(guó)在該領(lǐng)域的研發(fā)能力與美國(guó)有著極大的差距。
圖2 聚烯烴流化床領(lǐng)域原創(chuàng)國(guó)家/地區(qū)排名前十分布圖
2.2.2 專利技術(shù)目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)
專利申請(qǐng)國(guó)(source jurisdiction)可以體現(xiàn)專利權(quán)人需要在哪些國(guó)家或地區(qū)保護(hù)該發(fā)明,這一參數(shù)也反映了該發(fā)明未來(lái)可能的實(shí)施國(guó)家或地區(qū)。聚烯烴流化床專利申請(qǐng)國(guó)的分布如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)其全球?qū)@饕植荚诿绹?guó)、歐盟、日本、中國(guó)等地,且該領(lǐng)域的專利技術(shù)在美國(guó)應(yīng)用稍微居多外,在各國(guó)的技術(shù)應(yīng)用較為平均,該技術(shù)領(lǐng)域在全球的專利申請(qǐng)都較為廣泛。這同樣也可以從流化床聚烯烴工藝技術(shù)領(lǐng)域的PCT (專利合作條約,patent cooperation treaty) 國(guó)際專利申請(qǐng)(WIPO)(1494 件)、歐洲專利局(EPO)申請(qǐng)(1882 件)中得出,說(shuō)明很多專利權(quán)人都非常注重技術(shù)的區(qū)域保護(hù),利用WIPO和EPO的專利申請(qǐng)同時(shí)對(duì)多個(gè)國(guó)家或者地區(qū)申請(qǐng)保護(hù)。對(duì)比于原創(chuàng)國(guó)家/地區(qū)分布(占比4.1%),我國(guó)在目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)的占比增加到11.8%,且與排名首位的美國(guó)差距較小,表明各申請(qǐng)人非常重視聚烯烴在中國(guó)的市場(chǎng)。進(jìn)一步分析中國(guó)專利的發(fā)明人來(lái)源,1720 件中國(guó)專利,發(fā)明人來(lái)自美國(guó)有545件,排名首位,可見(jiàn)美國(guó)企業(yè)非常關(guān)注中國(guó)市場(chǎng),在聚烯烴流化床領(lǐng)域布局大量專利,國(guó)內(nèi)研發(fā)單位與企業(yè)需要引起重視。
圖3 專利技術(shù)目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)分布地圖(單位:件)
主要技術(shù)目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖4所示(近兩年的專利申請(qǐng)部分還未公開(kāi),相關(guān)數(shù)據(jù)不具有太大參考價(jià)值),從圖4 中可以看出,美國(guó)是技術(shù)的先驅(qū)者,最早在流化床聚烯烴領(lǐng)域申請(qǐng)專利,隨后是歐盟與日本。中國(guó)1985 年正式實(shí)施專利法,專利的申請(qǐng)起點(diǎn)相比國(guó)外起步較晚。細(xì)究專利的技術(shù)來(lái)源,發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)最早的專利申請(qǐng)不是國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu),而是美國(guó)聯(lián)合碳化物公司(現(xiàn)為美國(guó)陶氏化工全資附屬公司),可見(jiàn)國(guó)外相關(guān)企業(yè)非常懂得用專利制度來(lái)?yè)屨际袌?chǎng)先機(jī)。近十年,美國(guó)與歐盟專利申請(qǐng)穩(wěn)中有降,而中國(guó)市場(chǎng)愈發(fā)受到各國(guó)重視,專利申請(qǐng)呈現(xiàn)不斷上漲的趨勢(shì),國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)與研發(fā)機(jī)構(gòu)要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā),借鑒美國(guó)、歐洲等相關(guān)的技術(shù)積累,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,站穩(wěn)中國(guó)市場(chǎng)。
圖4 主要技術(shù)目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)專利申請(qǐng)趨勢(shì)分布
專利地圖基于專利資訊,采用統(tǒng)計(jì)分析方法,呈現(xiàn)可分析解讀的圖表訊息,使其具有地圖指向功能。通過(guò)對(duì)專利地圖的分析,可以發(fā)現(xiàn)在技術(shù)相對(duì)密集領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展機(jī)會(huì)點(diǎn),進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),激發(fā)創(chuàng)造新的技術(shù)。本文采用德溫特專利地圖功能對(duì)全球?qū)@夹g(shù)研發(fā)方向進(jìn)行了總體揭示,如圖5所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域研發(fā)主要圍繞在三個(gè)方面,一是聚合反應(yīng)過(guò)程,包括聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器及聚合過(guò)程的優(yōu)化和控制等;二是催化劑及催化劑有關(guān)以及助催化劑等;三是以產(chǎn)品應(yīng)用為導(dǎo)向的聚合物結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。進(jìn)一步觀察,可以發(fā)現(xiàn)涉及催化劑相關(guān)部分形成了幾個(gè)比較聚類的專利地圖,分別為自由基聚合引發(fā)劑、Ziefler-Natta 催化劑、Phillips 鉻系催化劑和茂金屬催化劑,均是烯烴聚合中使用最廣泛的催化劑類型。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)右下角聚丙烯的集合相對(duì)獨(dú)立,表明丙烯聚合工藝與乙烯、丁烯聚合的工藝存在較大的差別。
圖5 基于流化床聚烯烴技術(shù)工藝的專利地圖
3.2.1 技術(shù)演化
圖6為聚烯烴流化床領(lǐng)域近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)專利技術(shù)在各個(gè)不同時(shí)期的文本聚類環(huán)狀圖。圖中的內(nèi)環(huán)代表一級(jí)技術(shù)點(diǎn),外環(huán)代表該一級(jí)技術(shù)點(diǎn)下的二級(jí)技術(shù)點(diǎn),環(huán)的大小代表該技術(shù)點(diǎn)的專利量。從圖6 中可以看出,聚烯烴流化床領(lǐng)域,在技術(shù)萌芽期,相關(guān)專利申請(qǐng)主要集中在聚合過(guò)程中對(duì)分子量的控制,聚合中的催化劑主要涉及過(guò)渡金屬、四氯化鈦、鉻化合物。在技術(shù)發(fā)展期,對(duì)α-烯烴的相關(guān)研發(fā)成為重點(diǎn),其余的研發(fā)主要集中在涉及過(guò)渡金屬、催化體系、助催化劑以及電子供體等催化劑范疇的技術(shù)保護(hù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。在技術(shù)穩(wěn)定期,催化劑的相關(guān)研究經(jīng)歷了技術(shù)萌芽期、技術(shù)發(fā)展期的不斷發(fā)展,成為技術(shù)穩(wěn)定期的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,尤其是茂金屬相關(guān)的催化劑,成為專利技術(shù)保護(hù)的重點(diǎn)方向,同時(shí)涉及聚合反應(yīng)器的專利技術(shù)開(kāi)始涌現(xiàn)。在最近的熱點(diǎn)技術(shù)中,聚合反應(yīng)器的相關(guān)專利技術(shù)超過(guò)茂金屬以及催化系統(tǒng),成為技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)方向。聚烯烴流化床領(lǐng)域技術(shù)歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,催化劑的相關(guān)研究在各個(gè)技術(shù)發(fā)展時(shí)期都是研究的一個(gè)重要方向,其技術(shù)的發(fā)展總是將工藝發(fā)展和催化劑技術(shù)發(fā)展聯(lián)系起來(lái),以確保新技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。近幾年聚合反應(yīng)器逐步成為研發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)方向,越來(lái)越多的領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)者在關(guān)注催化劑技術(shù)的同時(shí),更加注重反應(yīng)器的研發(fā)保護(hù)。
圖6 全球聚烯烴流化床專利技術(shù)演進(jìn)文本聚類環(huán)狀圖
3.2.2 領(lǐng)域內(nèi)的專利技術(shù)分布
為了進(jìn)一步揭示聚合反應(yīng)技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)與熱點(diǎn),本文在專利地圖與文本聚類的基礎(chǔ)上,對(duì)專利進(jìn)行了技術(shù)上更細(xì)致的劃分,分為原料體系、進(jìn)料工藝、聚合動(dòng)力學(xué)控制、催化劑工藝、冷凝工藝以及分離和回收工藝,并對(duì)領(lǐng)域內(nèi)所有的專利逐一進(jìn)行人工技術(shù)分支的標(biāo)引,得到了各技術(shù)分支的對(duì)應(yīng)專利,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出,催化劑工藝相關(guān)的專利為10238件,占該領(lǐng)域總專利申請(qǐng)量的69.99%,是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。其次是聚合動(dòng)力學(xué)的控制,包括對(duì)原料濃度、溫度、原料分壓、反應(yīng)器壓強(qiáng)以及氣體和液體流化速度等的控制,相關(guān)專利為7452 件,占比接近總申請(qǐng)量的50.94%,是該領(lǐng)域另一研究核心方向。冷凝工藝是該領(lǐng)域的主要技術(shù)難點(diǎn)之一,由于烯烴聚合反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng),反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出大量的熱,對(duì)聚合熱效應(yīng)的控制具有重要意義。首先,若反應(yīng)器撤熱能力差、聚合熱無(wú)法及時(shí)撤除,反應(yīng)器內(nèi)極易產(chǎn)生局部熱點(diǎn),進(jìn)一步引起聚合產(chǎn)物團(tuán)聚結(jié)塊并堵塞反應(yīng)器,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致停車故障。其次,反應(yīng)器產(chǎn)熱速率與撤熱速率曲線的相互關(guān)系決定了反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性,即當(dāng)操作條件出現(xiàn)偏離定態(tài)擾動(dòng)時(shí),反應(yīng)器能否恢復(fù)或保持所有定態(tài)所規(guī)定的操作狀態(tài)。最后,反應(yīng)器的撤熱能力決定了生產(chǎn)負(fù)荷的大小,要想提升裝置產(chǎn)能,必須采取措施提高反應(yīng)器的撤熱能力。因此,如何在冷凝工藝中將聚合熱及時(shí)撤除是該領(lǐng)域最關(guān)注的技術(shù)發(fā)明點(diǎn)之一。此外,該領(lǐng)域的申請(qǐng)專利還相對(duì)集中在進(jìn)料工藝、原料體系構(gòu)成以及回收和分離工藝等方面。
表2 全球流化床聚烯烴專利技術(shù)分支的專利申請(qǐng)量
3.2.3 技術(shù)功效矩陣
技術(shù)功效矩陣分析是一種可用于尋找解決具體技術(shù)問(wèn)題的專利技術(shù),也可用于尋找技術(shù)空白點(diǎn)、技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)和突破點(diǎn)。在上述6 個(gè)技術(shù)分類的基礎(chǔ)上,對(duì)專利技術(shù)的功效進(jìn)行劃分,分為烯烴聚合生產(chǎn)速率的控制、烯烴聚合產(chǎn)率的控制、聚烯烴分子量及其分布的可控合成、烯烴聚合過(guò)程團(tuán)聚及結(jié)塊控制、聚烯烴結(jié)構(gòu)的可控合成這5個(gè)功效。
全球?qū)@闹饕夹g(shù)分支(橫坐標(biāo))和功效(縱坐標(biāo))如圖7 所示。從技術(shù)分支上看,全球?qū)@暾?qǐng)熱點(diǎn)的集中順序?yàn)榇呋瘎┕に嚒⒕酆蟿?dòng)力學(xué)控制、進(jìn)料工藝、原料體系、冷凝工藝以及回收和分離工藝。從功效分類來(lái)看,全球?qū)@麩狳c(diǎn)的集中順序?yàn)榫巯N分子量及其分布的可控合成、烯烴聚合過(guò)程團(tuán)聚及結(jié)塊控制、聚烯烴結(jié)構(gòu)的可控合成、烯烴聚合產(chǎn)率的控制以及烯烴聚合生產(chǎn)速率的控制等。
圖7 基于流化床反應(yīng)器的烯烴聚合工藝功效矩陣
利用催化劑工藝進(jìn)行烯烴聚合產(chǎn)物的分子量可控合成的專利最多,因?yàn)榫巯N的分子量是影響樹(shù)脂產(chǎn)物的性能的重要因素之一,而且利用催化劑調(diào)控聚烯烴的分子量是最常用也最有效的方法之一。涉及催化劑工藝的專利數(shù)量最多,催化劑是烯烴聚合過(guò)程中很重要的一項(xiàng)工藝,涉及聚合反應(yīng)的引發(fā)、聚合產(chǎn)物性質(zhì)的控制等。此外,原料體系構(gòu)成、原料的進(jìn)料方式、聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制、反應(yīng)熱撤除能力、氣液分離能力等都是影響聚烯烴分子量的重要因素。
從技術(shù)功效圖來(lái)看,目前在烯烴聚合產(chǎn)率控制和烯烴聚合速率控制這兩個(gè)功效分類上專利申請(qǐng)量相對(duì)較少,特別是在提高產(chǎn)率節(jié)省成本上還有較大的技術(shù)研發(fā)與專利申請(qǐng)空間。
對(duì)聚烯烴流化床領(lǐng)域內(nèi)的申請(qǐng)人進(jìn)行分析,全球?qū)@暾?qǐng)人排名前十如表3所示。從表3中可以發(fā)現(xiàn),全球排名前十的申請(qǐng)人主要來(lái)自美國(guó)、歐洲跟日本,沒(méi)有一家企業(yè)來(lái)自中國(guó)。中國(guó)申請(qǐng)人排名首位的是中國(guó)石化集團(tuán)有限公司,在全球排名14位,且申請(qǐng)量?jī)H為陶氏公司的5.68%。值得注意的是,陶氏公司、利安德巴塞爾工業(yè)公司、穆巴達(dá)拉投資公司、英國(guó)石油公司和??松梨诠九琶拔宓纳暾?qǐng)人,專利申請(qǐng)量達(dá)到了總申請(qǐng)量的57.36%,其中陶氏公司一個(gè)申請(qǐng)人的占比就達(dá)到了23.5%,表明該領(lǐng)域存在著較強(qiáng)的技術(shù)壟斷現(xiàn)象。
表3 全球?qū)@暾?qǐng)人排名前十
全球排名前五申請(qǐng)人的專利技術(shù)布局情況如圖8 所示。從圖8 中可以看出,五家企業(yè)在6 個(gè)專利技術(shù)領(lǐng)域均有涉及和布局,催化劑工藝是核心申請(qǐng)人重點(diǎn)布局方向,緊隨其后的是聚合動(dòng)力學(xué)控制與進(jìn)料工藝。陶氏公司作為領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)頭羊,在除回收和分離工藝領(lǐng)域外都表現(xiàn)出較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力,尤其是在催化劑工藝領(lǐng)域,申請(qǐng)了2683 件專利,占到企業(yè)專利申請(qǐng)總量的78%(由于專利一般保護(hù)的是一個(gè)或多個(gè)工藝,故占比之和會(huì)超過(guò)1)。穆巴達(dá)拉投資公司是五家企業(yè)中唯一一家在聚合動(dòng)力學(xué)控制領(lǐng)域?qū)@砍^(guò)催化劑工藝的申請(qǐng)人,可見(jiàn)該公司非常注重在聚合動(dòng)力學(xué)控制方面的技術(shù)研發(fā)?;厥蘸头蛛x工藝作為6 個(gè)技術(shù)方向中的冷門(mén)技術(shù),專利申請(qǐng)量最少,五大巨頭企業(yè)在該領(lǐng)域內(nèi)的專利布局實(shí)力相當(dāng),可以作為中小企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)突破口。
圖8 全球排名前五申請(qǐng)人專利技術(shù)布局
圖9為全球核心申請(qǐng)人專利技術(shù)效果分布。從圖9中可以發(fā)現(xiàn),陶氏企業(yè)實(shí)力最強(qiáng),五大技術(shù)效果提升都十分關(guān)注,尤其是在烯烴聚合生產(chǎn)速率的控制以及烯烴聚合產(chǎn)率的控制方面,在核心申請(qǐng)人中占據(jù)半壁江山。在五大技術(shù)效果中,聚烯烴的分子量及其分布的可控合成是各家企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn),尤其是穆巴達(dá)拉投資公司,涉及聚烯烴流化床領(lǐng)域的專利有44.3%圍繞這方面。其次是烯烴聚合過(guò)程團(tuán)聚及結(jié)塊控制,除陶氏公司外,利安德巴賽爾工業(yè)公司與英國(guó)石油公司均十分關(guān)注。在聚烯烴結(jié)構(gòu)可控合成方面的效果提升上,五家企業(yè)實(shí)力相對(duì)均衡。
圖9 全球核心申請(qǐng)人專利技術(shù)效果分布
對(duì)中國(guó)專利申請(qǐng)人進(jìn)行分析,排名前十的申請(qǐng)人如表4所示。申請(qǐng)量最多的是陶氏公司,前十位中,中國(guó)本土申請(qǐng)人僅占三席,分別是中國(guó)石化集團(tuán)有限公司、浙江大學(xué)和中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司,其余均為國(guó)外企業(yè),且7家外國(guó)企業(yè)均是全球排名前十的申請(qǐng)人,可見(jiàn)外國(guó)巨頭公司非常看重中國(guó)市場(chǎng),已提前布局大量專利。
表4 中國(guó)專利申請(qǐng)人排名前十
中國(guó)專利排名前五申請(qǐng)人的專利技術(shù)布局情況如圖10所示,催化劑工藝依舊是重點(diǎn)布局的領(lǐng)域,5 家企業(yè)均有近1/3 專利布局在催化劑領(lǐng)域。陶氏公司在中國(guó)布局專利與全球策略相同,重點(diǎn)布局在催化劑工藝,其次是聚合動(dòng)力學(xué)控制以及進(jìn)料工藝。中國(guó)石化集團(tuán)有限公司作為國(guó)內(nèi)本土企業(yè)中的翹楚,重點(diǎn)方向在聚合動(dòng)力學(xué)控制,其次是催化劑工藝,但兩個(gè)方向的專利布局量均不及陶氏公司,僅在回收分離工藝方面有些許優(yōu)勢(shì),專利量超過(guò)其余4家企業(yè),可以作為技術(shù)突破的一個(gè)方向。
圖10 中國(guó)專利排名前五申請(qǐng)人專利技術(shù)布局
圖11 為中國(guó)專利排名前五申請(qǐng)人的專利技術(shù)效果分布。除英力士集團(tuán)外,其余四家企業(yè)在聚烯烴結(jié)構(gòu)的可控合成技術(shù)功效上的關(guān)注度相對(duì)一致,布局的專利量在40 件上下。其余四個(gè)方向,陶氏企業(yè)更具技術(shù)優(yōu)勢(shì),尤其是在烯烴聚合生產(chǎn)速率的控制以及聚合產(chǎn)率控制方法方面,陶氏企業(yè)專利布局量遠(yuǎn)超其余四家企業(yè)。中國(guó)石化集團(tuán)有限公司在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的專利最注重聚烯烴分子量及其分布的可控合成,其次是聚烯烴結(jié)構(gòu)的可控合成以及聚烯烴聚合過(guò)程團(tuán)聚及結(jié)塊控制,在生產(chǎn)速率與產(chǎn)率控制方面相對(duì)較少。
圖11 中國(guó)專利排名前五申請(qǐng)人專利技術(shù)效果分布
國(guó)內(nèi)外在聚烯烴流化床技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人眾多,本研究綜合考慮專利申請(qǐng)數(shù)量、授權(quán)情況及技術(shù)工業(yè)化程度等因素,選取了陶氏公司、利安德巴塞爾工業(yè)公司以及中國(guó)石化集團(tuán)有限公司作為該領(lǐng)域?qū)@诵纳暾?qǐng)人代表,對(duì)其在該領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。
陶氏公司是在聚烯烴流化床技術(shù)領(lǐng)域活躍度最高的企業(yè),在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量現(xiàn)居于全球第一,其自1987 年成立以來(lái)一直致力于系列化工產(chǎn)品、塑料及農(nóng)化產(chǎn)品的研制及生產(chǎn),并于2015 年收購(gòu)了ExxonMobil 公司在Univation Technologies 公司(之前為ExxonMobil 公司和陶氏公司50/50 的合資公司)中的股權(quán)份額,成為其專利權(quán)人。陶氏公司在該領(lǐng)域的專利主要涉及四大類,分別是烯烴聚合催化劑體系的制備及應(yīng)用、流化床反應(yīng)器制備聚烯烴工藝方法及其優(yōu)化、聚烯烴功能化及改性以及聚合反應(yīng)過(guò)程監(jiān)測(cè)方法。其中,在烯烴聚合催化劑體系的制備及應(yīng)用方面,其核心專利數(shù)量最多,近40 余年來(lái)一直有相關(guān)專利持續(xù)申請(qǐng),主要涉及負(fù)載型金屬催化劑體系的制備及改進(jìn)、混合催化劑體系及其使用方法、不相容烯烴聚合催化劑之間的轉(zhuǎn)換方法等。針對(duì)流化床反應(yīng)制備聚烯烴工藝方面,其專利主要涉及對(duì)聚烯烴生產(chǎn)工藝的控制和改進(jìn),以達(dá)到減少聚烯烴中凝膠、改善流化床反應(yīng)器中的靜電現(xiàn)象、控制聚合物及其組合物分子量分布、控制流化床反應(yīng)器溫度等目的。在聚烯烴功能化及改性方面,其專利主要涵蓋高分子量高密度聚乙烯及其薄膜的制造方法、具有改進(jìn)物理性能的聚烯烴薄膜的制備等方向。此外,陶氏公司還申請(qǐng)了多篇關(guān)于聚合反應(yīng)過(guò)程監(jiān)測(cè)方法的專利,包括提出無(wú)需取樣和測(cè)試聚合物特性的快速檢測(cè)和控制聚合反應(yīng)的方法、使用超聲波或微波檢測(cè)流化床聚合反應(yīng)器中的動(dòng)態(tài)流化床料面、在線監(jiān)測(cè)聚合過(guò)程和反應(yīng)器的方法[42-43]等。
利安德巴塞爾工業(yè)公司成立于2000 年,是全球聚烯烴技術(shù)、生產(chǎn)和市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者,全球最大的聚烯烴技術(shù)許可方。其在該領(lǐng)域的專利可大致劃分為三大類,分別是烯烴聚合方法與裝置、用于烯烴聚合催化劑的制備方法以及聚烯烴功能化及改性。在烯烴聚合方法與裝置方面,利安德巴塞爾工業(yè)公司的核心專利數(shù)量最多,具有強(qiáng)大的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,其專利主要涵蓋烯烴聚合的氣相方法和裝置、烯烴(共)聚合的多級(jí)方法等。在用于烯烴聚合催化劑的制備方法方面,其專利主要涉及負(fù)載型金屬催化劑的制備、基于二氧化鎂加合物及由其得到催化劑組分、用于烯烴聚合反應(yīng)的鉻基催化劑的制備方法等方向。此外,利安德巴塞爾工業(yè)公司還申請(qǐng)了多篇關(guān)于聚烯烴功能化及改性的專利,包括高韌性聚烯烴組合物的制備、具有改進(jìn)的加工性的軟性聚烯烴組合物的制備、抗沖擊線性低密度聚乙烯(LLDPE)組合物及其薄膜的制備方法、用于吹塑的聚合物組合物制備、低量凝膠的LLDPE 樹(shù)脂和膜的制備等。
中國(guó)石化集團(tuán)有限公司是1998年7月在原中國(guó)石油化工總公司基礎(chǔ)上重組成立的特大型石油石化企業(yè)集團(tuán),是中國(guó)最大的成品油和石化產(chǎn)品供應(yīng)商。其在該領(lǐng)域的專利可大致劃分為三大類,分別是聚烯烴功能化及改性、用于烯烴聚合催化劑的制備及應(yīng)用以及烯烴聚合反應(yīng)裝置及方法。在聚烯烴功能化及改性方面,中國(guó)石化集團(tuán)有限公司的核心專利數(shù)量最多,申請(qǐng)時(shí)間集中在近20 年,主要涉及管材用聚乙烯樹(shù)脂的制備方法、抗沖擊聚丙烯材料的制備方法、線型低密度聚乙烯膜的組合物及其制備方法、透明聚丙烯片材的制備方法、用于熱收縮薄膜的高強(qiáng)度聚乙烯材料的制備方法等。在用于烯烴聚合催化劑的制備及應(yīng)用方面,其專利主要涵蓋烯烴聚合負(fù)載型金屬催化劑的制備及其應(yīng)用、烯烴聚合用無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合載體的制備、不相容烯烴聚合催化劑體系之間的轉(zhuǎn)變方法等方向。此外,在烯烴聚合反應(yīng)裝置及方法方面,中國(guó)石化集團(tuán)有限公司也申請(qǐng)了多篇涉及臥式流化床反應(yīng)器、檢測(cè)流化床反應(yīng)器中反應(yīng)狀態(tài)的方法和裝置等方面的專利。近10 年來(lái),中國(guó)石化集團(tuán)有限公司與浙江大學(xué)合作,申請(qǐng)了多篇關(guān)于流化床聚合反應(yīng)器和制備聚合物方法的專利,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的烯烴聚合反應(yīng)器及工藝進(jìn)行改進(jìn),達(dá)到在單一反應(yīng)器中生產(chǎn)具有寬分子量分布的聚合物、保證流化床反應(yīng)器的穩(wěn)定流化、提高反應(yīng)器的生產(chǎn)負(fù)荷、提高烯烴聚合物的支化度等目的,并在注重在冷凝工藝方面開(kāi)展體系化研究,取得良好成效。
為了進(jìn)一步研究全球申請(qǐng)人與發(fā)明人在聚烯烴流化床領(lǐng)域技術(shù)合作的情況,本文采用Gephi可視化軟件分析專利數(shù)量排名前五十的申請(qǐng)人以及發(fā)明人之間的合作關(guān)系,如圖12 所示。圖中節(jié)點(diǎn)代表申請(qǐng)人或發(fā)明人,邊代表申請(qǐng)人或發(fā)明人之間的共現(xiàn)觀點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)大小體現(xiàn)專利申請(qǐng)人或發(fā)明人在共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中共現(xiàn)程度的高低,節(jié)點(diǎn)越大說(shuō)明與其共同出現(xiàn)在相同專利中的專利申請(qǐng)人或發(fā)明人數(shù)越多。節(jié)點(diǎn)之間的連線即邊的粗細(xì)則體現(xiàn)專利申請(qǐng)人或發(fā)明人之間的共現(xiàn)強(qiáng)度,連線越粗,表示兩位專利申請(qǐng)人或發(fā)明人同時(shí)出現(xiàn)在相同專利中的次數(shù)越多,這兩位專利申請(qǐng)人或發(fā)明人之間的聯(lián)系越緊密。
分析全球?qū)@暾?qǐng)量排名前五十的申請(qǐng)人之間的合作關(guān)系,如圖12 所示,為了更好地展示公司內(nèi)部的合作,此部分的專利數(shù)據(jù)未進(jìn)行申請(qǐng)人的統(tǒng)一規(guī)整。從圖中可以看出,有三個(gè)合作比較緊密的集團(tuán),一是浙江大學(xué)-中國(guó)石化集團(tuán),二是Univation 技術(shù)公司-埃克森美孚公司-陶氏化學(xué)-英國(guó)石油公司,三是巴塞爾聚烯烴公司-Montell技術(shù)公司-巴斯夫股份公司。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),Univation 技術(shù)公司在2015 年被陶氏化學(xué)收購(gòu),Montell 技術(shù)公司是巴塞爾聚烯烴公司的子公司,因此Univation技術(shù)公司的專利權(quán)人歸屬陶氏化學(xué),Montell 技術(shù)公司的專利權(quán)歸屬巴塞爾聚烯烴公司,他們之間的合作屬于內(nèi)部合作。中國(guó)石化集團(tuán)子公司間的合作也非常頻繁。此外,三個(gè)外部合作較為緊密的集團(tuán):一是浙江大學(xué)-中國(guó)石化集團(tuán);二是??松梨诠?陶氏化學(xué)-英國(guó)石油公司;三是巴塞爾聚烯烴公司-巴斯夫股份公司。其中,埃克森美孚公司-陶氏化學(xué)-英國(guó)石油公司和巴塞爾聚烯烴公司-巴斯夫股份公司兩個(gè)集團(tuán)的合作屬于同行之間的合作;浙江大學(xué)和中國(guó)石化集團(tuán)之間的合作屬于高校和國(guó)有企業(yè)之間的合作。總體而言,專利申請(qǐng)數(shù)量較多的申請(qǐng)人之間更加偏向于內(nèi)部子公司之間的合作,與外部的合作相對(duì)較少。
圖12 專利申請(qǐng)量排名前五十的申請(qǐng)人之間的合作關(guān)系
分析全球?qū)@暾?qǐng)量排名前五十的發(fā)明人之間的合作關(guān)系,如圖13所示,圖中節(jié)點(diǎn)代表發(fā)明人,邊代表發(fā)明人之間的共現(xiàn)關(guān)系。從圖中可以明顯看出,有幾個(gè)合作關(guān)系比較緊密的集團(tuán),分別是:以王靖岱為代表的浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì),Qing Yang 為代表的雪佛龍菲利普斯化工有限責(zé)任公司團(tuán)隊(duì),Govoni Gabriel 為代表的巴塞爾聚烯烴公司團(tuán)隊(duì),Goode Gregory Mark 為代表的Univation 技術(shù)公司團(tuán)隊(duì),Wagner Burkhard E. 為 代 表 的 Union Carbide Chemicals Plastic 技術(shù)公司團(tuán)隊(duì),Stephen Kimberley Brian 為代表的Innovene 歐洲有限公司。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),這些合作集團(tuán)都表現(xiàn)出一個(gè)共同的特點(diǎn),即本單位人員的專利合作數(shù)量最多,與外單位人員很少合作或沒(méi)有合作。其中尤以王靖岱為代表的浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)人員之間的線條最粗,合作最為緊密。
圖13 專利申請(qǐng)量排名前50的發(fā)明人之間的合作關(guān)系
(1)聚烯烴流化床技術(shù)處于技術(shù)穩(wěn)定期。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,聚烯烴流化床技術(shù)經(jīng)歷了技術(shù)萌芽期與快速發(fā)展期,目前已邁入技術(shù)的穩(wěn)定期,全球超過(guò)七成的專利來(lái)自美國(guó)、日本、歐盟,美國(guó)是技術(shù)的先驅(qū)者,技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)。美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家與地區(qū)技術(shù)發(fā)展時(shí)間長(zhǎng),技術(shù)積累豐富,對(duì)我國(guó)聚烯烴流化床技術(shù)的發(fā)展具有重要的借鑒意義。
(2)中國(guó)屬于技術(shù)輸入國(guó),本土實(shí)力不強(qiáng)。美國(guó)是技術(shù)大國(guó),中國(guó)與之差距明顯。各國(guó)申請(qǐng)人非常注重聚烯烴在中國(guó)的市場(chǎng),提前布局專利,中國(guó)專利申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人中,中國(guó)本土單位僅占三席,為中國(guó)石化集團(tuán)(排名第二)、浙江大學(xué)、中國(guó)石油天然氣集團(tuán),其余均為國(guó)外在華企業(yè),中國(guó)專利來(lái)自本土申請(qǐng)的僅占三層,中國(guó)市場(chǎng)已被國(guó)外搶占先機(jī),國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)研發(fā)要積極借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù),不斷增加國(guó)內(nèi)的技術(shù)實(shí)力。
(3)領(lǐng)域技術(shù)集中度高,技術(shù)壁壘強(qiáng)。全球?qū)@暾?qǐng)量排名前五的申請(qǐng)人為陶氏化學(xué)、利安德巴塞爾工業(yè)公司、穆巴達(dá)拉投資公司、英國(guó)石油公司和??松梨诠?,五家公司申請(qǐng)量之和超過(guò)總申請(qǐng)量一半,其中陶氏化學(xué)獨(dú)占鰲頭,全球近四分之一的專利來(lái)自陶氏。五家公司都傾向于對(duì)聚烯烴流化床各個(gè)技術(shù)分支的全布局,技術(shù)保護(hù)網(wǎng)嚴(yán)密,領(lǐng)域內(nèi)大量技術(shù)掌握在少數(shù)幾家行業(yè)巨頭手里,技術(shù)集中度高,技術(shù)壁壘強(qiáng),且這些大型企業(yè)具備獨(dú)立的技術(shù)研發(fā)實(shí)力,申請(qǐng)人合作關(guān)系較少。20 世紀(jì)90年代聚烯烴流化床技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)技術(shù)增長(zhǎng)高峰,究其原因是陶氏等幾家巨頭企業(yè)大量申請(qǐng)了專利,使整個(gè)領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)上升明顯,從中看出該領(lǐng)域幾家巨頭幾乎左右整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)中小企業(yè)要進(jìn)入聚烯烴領(lǐng)域參與競(jìng)爭(zhēng),靠自身進(jìn)行研發(fā),實(shí)力不足,難以實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,可以緊密聯(lián)合高??蒲性核?,依托高校豐富的科研資源,開(kāi)展技術(shù)研究,中國(guó)石化集團(tuán)有限公司與浙江大學(xué)的合作是一個(gè)非常好的學(xué)習(xí)案例。
(4)技術(shù)的發(fā)展與前沿。在技術(shù)萌芽期,相關(guān)專利申請(qǐng)主要集中在聚合過(guò)程中對(duì)分子量的控制,技術(shù)發(fā)展期,α-烯烴的相關(guān)研發(fā)成為重點(diǎn),這兩個(gè)時(shí)期催化劑技術(shù)同樣是研究的重點(diǎn)方向,在技術(shù)穩(wěn)定期,催化劑技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的突破,尤其是茂金屬相關(guān)的催化劑,成為專利技術(shù)保護(hù)的重點(diǎn)方向。近五年,聚合反應(yīng)器逐步成為研發(fā)的一個(gè)前沿與熱點(diǎn),越來(lái)越多的領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)者在關(guān)注催化劑技術(shù)的同時(shí),更加注重反應(yīng)器的研發(fā)保護(hù)。
(5)技術(shù)創(chuàng)新的布局重點(diǎn)與可突破點(diǎn)。從聚合工藝技術(shù)角度看,領(lǐng)域研發(fā)的主要技術(shù)集中在催化劑工藝、聚合動(dòng)力學(xué)控制、進(jìn)料工藝,而冷凝工藝與回收分離工藝相對(duì)較少,其中催化劑工藝技術(shù)最密集,集中在自由基聚合引發(fā)劑、Ziefler-Natta 催化劑、Phillips 鉻系催化劑和茂金屬催化劑等相關(guān)技術(shù)。從技術(shù)效果角度看,領(lǐng)域研發(fā)關(guān)注的主要技術(shù)效果包括聚烯烴分子量可控合成、聚烯烴結(jié)構(gòu)可控合成和聚合反應(yīng)過(guò)程中團(tuán)塊控制三個(gè)方面。目前在烯烴聚合產(chǎn)率控制和烯烴聚合速率控制這兩個(gè)功效分類上專利申請(qǐng)量相對(duì)較少,特別是在提高產(chǎn)率節(jié)省成本上還有較大的專利申請(qǐng)空間。催化劑雖然是聚烯烴的核心技術(shù),但是領(lǐng)域技術(shù)布局密集,國(guó)內(nèi)相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)可以嘗試從冷凝工藝與回收分離工藝方面開(kāi)展相關(guān)研究,進(jìn)一步關(guān)注烯烴聚合產(chǎn)率控制和烯烴聚合速率控制方面的技術(shù),實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。