王國華,張桂菊,葛文豪,黃 威,陳 鵬

(中國科學院寧波材料技術與工程研究所,浙江 寧波 315201)

聚己二酸對苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)在特定條件下能完全降解成小分子或二氧化碳和水,由己二酸(AA)、精對苯二甲酸(PTA)和丁二醇(BDO)逐步聚合而成,是聚己二酸丁二醇酯(PBA)和聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的共聚物[1-5]。因此,PBAT兼具PBA和PBT的優(yōu)良性能,具有良好的延展性和沖擊性能[6-10],以及優(yōu)異的生物可降解性能,可用于包裝材料(垃圾袋、薄膜包裝)、衛(wèi)生材料(尿布、床單、棉簽)、生物應用材料、發(fā)泡材料、纖維材料等領域,是最有前景的可降解共聚酯[3,11-13]。

PBAT的研究開發(fā)始于德國巴斯夫歐洲公司[1],意大利諾瓦蒙特股份公司是較早實現(xiàn)PBAT產(chǎn)業(yè)化的公司。我國PBAT產(chǎn)業(yè)化起步較晚,但發(fā)展速度較快。目前,新疆藍山屯河化工股份有限公司、金發(fā)科技股份有限公司、金暉兆隆高新科技股份有限公司、杭州鑫富科技有限公司、中國石化儀征化纖有限責任公司等單位陸續(xù)實現(xiàn)了PBAT的產(chǎn)業(yè)化[1,3,5]。

作者以PBAT技術相關專利為研究對象,針對全球專利申請態(tài)勢,分析與其相關的重點專利,揭示該領域專利布局特點,旨在闡述PBAT相關領域核心技術的發(fā)展方向,為我國在PBAT領域的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化提供相應參考。

1 全球PBAT專利申請狀況

以Incopat數(shù)據(jù)庫為專利數(shù)據(jù)來源,PBAT全球專利為數(shù)據(jù)分析對象,利用關鍵詞構建檢索式,檢索日期為 2023年5月10 日,對檢索到的專利逐篇篩選,得到與主題相關的專利3 600篇。

1.1 PBAT專利數(shù)量總體發(fā)展趨勢和專利技術生命周期分析

對PBAT技術相關專利申請數(shù)量進行統(tǒng)計,可以了解該領域專利技術整體發(fā)展情況,從而制定出相應的發(fā)展策略。如表1所示,PBAT技術發(fā)展大致可分為三個階段:2001—2007年為萌芽期,全球PBAT相關專利開始出現(xiàn),專利申請數(shù)量和專利申請人均相對較少,年均申請數(shù)量低于50件,德國巴斯夫歐洲公司、意大利諾瓦蒙特股份公司、美國伊士曼化學公司等跨國公司率先開展技術研究和產(chǎn)業(yè)化應用;2008—2015年為初步發(fā)展期,這階段國務院辦公廳發(fā)布《國務院辦公廳關于限制生產(chǎn)銷售使用塑料購物袋的通知》,中國科學院理化技術研究所、中國科學院長春應用化學研究所等科研機構相繼投入到 PBAT工業(yè)化的研究中,開始圍繞核心技術展開專利布局,國內(nèi)申請數(shù)量增多,2010年前后國內(nèi)自主技術的PBAT工業(yè)化裝置開始出現(xiàn);2016年至今為快速發(fā)展期,專利申請數(shù)量和專利申請人快速增長,尤其是2020年1月國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《關于進一步加強塑料污染治理的意見》后,可降解材料需求量大幅增加,大量企業(yè)開始投資建設PBAT項目。預計到2026年PBAT生產(chǎn)能力將達到10 000～20 000 kt/a,隨著PBAT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,PBAT專利申請也會持續(xù)快速增長[14]。

表1 全球PBAT專利歷年申請數(shù)量和申請人數(shù)量Tab.1 Number of global PBAT patent applications and applicants by year

1.2 全球專利申請國家/地區(qū)分布

從表2 PBAT技術專利的申請來源國家/地區(qū)分布可以看出,中國處于PBAT專利申請數(shù)量的首位,申請專利數(shù)為2 393件,其次是韓國、美國、日本、德國、法國,申請專利數(shù)分別為318,205,194,92,67件。

表2 全球PBAT專利申請來源國家/地區(qū)分布Tab.2 Distribution of global PBAT patent applications by source countries/regions

由表3可以看出,中國、日本和美國是較早進入PBAT技術領域的國家,其中美國、日本的申請數(shù)量始終保持穩(wěn)定,增長緩慢,中國自2012年起申請數(shù)量開始迅速增長,且近5年受理的相關專利數(shù)量增長尤為迅速。此外,各國通過世界知識產(chǎn)權組織(WO)途徑申請的專利數(shù)量一直保持穩(wěn)定,說明相關申請人都在積極進行國外布局。

表3 PBAT專利受理量居前4的國家/地區(qū)受理量年度分布Tab.3 Annual distribution of PBAT patent acceptance in the top 5 countries/regions

1.3 技術領域分布

對PBAT技術相關專利基于國際專利分類號(IPC)進行統(tǒng)計分析,可以了解PBAT技術相關專利主要涉及的技術領域和技術重點等。如表4所示,全球PBAT專利主要IPC分布主要集中在以下領域:(1)PBAT的制備,例如直接酯化法、酯交換法等[1,3,11,14],主要分類號包括C08L67等;(2)PBAT用于制備薄膜、片材、植保覆蓋物、醫(yī)用材料等[15,17-23],主要分類號包括C08J5、C08L3、B32B27、C08K9、C08L97等;(3)PBAT用于制備復合材料,如通過共混改性提高 PBAT混合物的綜合性能,同時保持其基本的生物降解性并降低價格[14,25-26],主要分類號包括C08K3、C08K5、C08K13、C08L23等。

表4 全球PBAT專利前10位IPC分布Tab.4 Distribution of top 10 IPC in global PBAT patent applications

1.4 主要國家/地區(qū)的技術布局

如表5所示,中國、韓國、美國和日本4個主要國家/地區(qū)的PBAT專利技術布局如下:(1)中國專利主要集中在C08L67、C08K3、C08K5、C08J5和C08L3,涉及PBAT制備及改性、催化劑制備、工藝優(yōu)化,發(fā)泡材料、農(nóng)用地膜、保鮮膜、抗菌材料、可降解容器等應用領域,申請數(shù)量遠超其他國家,全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢明顯;(2)韓國專利主要集中在C08L67、C08K3、C08K5、C08J5和B32B27,涉及PBAT復合材料制備及改性、成膜裝置,包裝材料、農(nóng)用地膜、可降解容器、抗菌面料、功能纖維、發(fā)泡材料、包裝材料等應用領域;(3)美國專利主要集中在C08L67、C08K5和C08J5,在合成工藝方面具有很強的技術積累,涉及PBAT制備工藝、薄膜材料制備、復合改性,可降解容器、包裝材料、纖維制品、堆肥工藝等應用領域;(4)日本主要集中在C08L67、C08K5、C08J5和B32B27,涉及PBAT復合材料制備及改性,農(nóng)用地膜、保鮮膜、包裝材料、抗菌面料、功能纖維等應用領域。此外,各國通過WO途徑申請的專利主要集中在C08L67、C08K5、C08J5和B32B27,涉及PBAT制備工藝、催化劑制備、復合材料開發(fā)等核心技術。

表5 主要國家/地區(qū)在PBAT領域的專利布局Tab.5 Patent layout of major countries/regions in PBAT field

1.5 重要專利申請人

全球PBAT專利申請數(shù)量不少于15件的申請人見表6。

表6 全球部分PBAT專利申請人及申請數(shù)量Tab.6 Partial PBAT patent applicants and number of patent applications in the world

從表6可以看出:全球PBAT專利申請數(shù)量不少于15件的申請人中中國有12家,申請人包括研究機構、高校和企業(yè),其中金發(fā)科技股份有限公司的申請數(shù)量最多,其次為中國科學院長春應用化學研究所,目前國內(nèi)已經(jīng)攻克PBAT 的合成、改性和應用等關鍵技術難題,擁有自主知識產(chǎn)權的PBAT生產(chǎn)工藝包及應用專利技術,為我國PBAT產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了扎實基礎[27];國外申請人主要是跨國公司,如德國巴斯夫歐洲公司、美國伊士曼化學公司等,表明這些跨國公司PBAT技術已經(jīng)非常成熟。

從表7可以看出,國外申請人對于自主開發(fā)的技術保護意識很強,比較注重通過專利合作條約(PCT)途徑在全球進行專利布局,并圍繞核心技術進行多方面的外圍專利布局,如德國巴斯夫歐洲公司在美國、日本、韓國、中國、WO、歐洲專利局(EPO)的申請數(shù)量分別為23、24、21、28、37、34件,而我國在PBAT專利領域排名前列的高校和科研機構均以國內(nèi)申請為主,缺乏完善的海外布局。

表7 PBAT主要國外專利申請人專利保護策略Tab.7 Patent protection strategies for major PBAT patent applicants outside China

1.6 重要專利申請人專利布局分析

從表8可知:國外申請人在復合材料制備方面具有較強的技術積累,其中德國巴斯夫歐洲公司聚焦于合成工藝和食品包裝材料開發(fā),法國卡比奧斯公司側重于生物酶降解技術開發(fā),韓國樂金集團在汽車內(nèi)飾和面板材料方面做了大量布局,韓國 SKC 高科技材料有限公司聚焦于食品包裝材料、纖維和薄膜制備技術,且這些企業(yè)已在巴西、澳大利亞、日本、韓國、WO、中國、EPO、加拿大、美國等進行專利布局;中國申請人中金發(fā)科技股份有限公司、中國科學院長春應用化學研究所等機構在增強增韌等功能改性領域有較強的技術開發(fā)能力,而其他申請人則大多聚焦于農(nóng)用膜和食品包裝等領域,如上海昶法新材料有限公司、萬華化學集團股份有限公司等,且僅在中國、WO、EPO進行專利布局。

表8 全球專利申請量排名前10專利申請人的專利布局Tab.8 Patent layout of top 10 patent applicants in terms of patent application volume in the world

2 中國區(qū)域PBAT技術專利重點分析

2.1 專利數(shù)量年度分布分析

從圖1可以看出:中國受理的PBAT專利申請數(shù)量總計2 670件,2001—2015年申請數(shù)量較少,呈現(xiàn)較為緩慢的上升趨勢;自2016年起,中國受理的相關專利開始進入快速增長階段。

圖1 中國受理的PBAT專利數(shù)量的年度變化趨勢Fig.1 Annual trend in the number of PBAT patents accepted in China

從圖2可以看出:2015—2017年中國申請人的申請數(shù)量處于增長趨勢,2018年專利申請量有所下降,之后又呈現(xiàn)逐年上升態(tài)勢;2001年國外申請人開始在中國申請PBAT相關專利,此后申請數(shù)量相對穩(wěn)定。

圖2 在中國申請的PBAT專利數(shù)量的年度變化趨勢Fig.2 Annual trend in the number of PBAT patents applied in China●—國外申請人申請量;■—中國申請人申請量

2.2 專利申請來源地分析

在檢索到的2 670件PBAT技術中國專利申請中,國內(nèi)申請數(shù)量2 393件,占89.6%,其他國家或地區(qū)申請數(shù)量277件,占10.3%,主要來源于美國、德國、韓國、日本、法國、芬蘭、瑞士、英國、荷蘭等國家,見表9。

美國申請人申請的專利主要集中在復合改性、薄膜制備、包裝材料、纖維和片材開發(fā)、堆肥工藝等領域,代表性公司有美國伊士曼化學公司、維里科爾公司、美國阿拉丁制造公司、丹尼米爾生物塑料有限公司、美國梅塔玻利克斯公司、寶潔公司等。德國申請人申請的專利主要集中在合成工藝、復合改性、薄膜制備、包裝材料、阻燃材料等領域,代表性公司有德國巴斯夫歐洲公司、朗盛公司、萊茵化學公司等。韓國申請人申請的專利主要集中在復合改性、醫(yī)用材料、發(fā)泡材料、汽車內(nèi)飾材料等領域,代表性公司有韓國樂金集團、韓國SKC高科技材料有限公司、韓國三星集團等。日本申請人申請的專利主要集中在生產(chǎn)裝置、復合改性、薄膜制備等領域,代表性公司有日本鐘化株式會社、日本旭化成株式會社、日本TBM株式會社、日本東麗公司、日本三菱公司等。法國申請人申請的專利主要集中在發(fā)泡材料、可降解容器、降解酯酶等領域,代表性公司有法國卡比奧斯公司、阿克馬法國公司、羅蓋特公司等。

2.3 國外專利申請人構成

國外在中國的PBAT技術領域專利主要申請人來自德國、法國、韓國、美國、日本、芬蘭和意大利,主要有德國巴斯夫歐洲公司(28件)、法國卡比奧斯公司(25件)、韓國樂金集團(10件)、美國伊士曼化學公司(9件)、芬蘭斯托拉恩公司(7件)、韓國三星集團(7件)、韓國SKC高科技材料有限公司(6件)、美國梅塔玻利克斯公司(5件)、日本東麗公司(4件)、日本鐘化株式會社(4件)、意大利諾瓦蒙特股份公司(4件)。

德國巴斯夫歐洲公司主要集中在食品包裝材料、復合材料工藝開發(fā)、阻燃材料方面的布局;法國卡比奧斯公司則集中在生物降解用生物酶的開發(fā);韓國樂金集團主要集中于汽車內(nèi)飾材料、生物可降解面板材料方面的布局;美國伊士曼化學公司和美國梅塔玻利克斯公司主要集中在復合材料工藝開發(fā)方面的布局;芬蘭斯托拉恩主要集中在包裝材料和相關工藝開發(fā)方面的布局;韓國三星集團主要集中在發(fā)泡材料、復合材料工藝開發(fā)方面的布局;韓國SKC高科技材料有限公司主要涉及復合材料工藝優(yōu)化;日本東麗公司和日本鐘化株式會社主要集中在復合材料工藝開發(fā)和片材制備方面;意大利諾瓦蒙特股份公司則聚焦于增強增韌改性方面。

3 結語

PBAT技術具有廣闊的應用前景,其相關專利的現(xiàn)狀如下:(1)PBAT的全球相關專利申請量在2001— 2015年處于緩慢發(fā)展期,2016年后處于快速增長期;(2)PBAT技術專利申請主要集中在原料合成、增強增韌、功能改性、制備技術、應用開發(fā)等領域;(3)國內(nèi)PBAT制品的研發(fā)和生產(chǎn)主要集中在包裝材料、農(nóng)用地膜等中低端產(chǎn)品領域,應用于汽車行業(yè)、電子行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)的高端應用目前還存在空白;(4)國外申請人比較注重通過PCT途徑在全球提前進行專利布局,我國在PBAT海外專利布局方面相對欠缺。

目前,我國PBAT技術正值產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模的推進階段,前景可期,但是存在高端PBAT制品相關專利技術儲備不足,缺乏完善的海外布局等問題。未來我國需重點關注跨國企業(yè)專利布局動向,積極開展高端PBAT制品關鍵技術開發(fā),加強海外專利布局和標準制定,在滿足中低端PBAT制品市場需求基礎上,提前布局高端市場,促使我國PBAT產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。