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木塑復合材料發展動態及專利現狀論文
摘要:作為一種新型材料，木塑復合材料產業規模和應用領域近年發展迅速，對該材料的研究也越來越深入。本文介紹了我國木塑復合材料的技術發展現狀和發展趨勢，并對我國木塑發明專利進行了一定的數據挖掘及分析，通過專利申請時間分布，專利技術領域分布以及專利申請人等方面對中國木塑復合材料發明專利進行統計和分析，得出了中國木塑復合材料技術發展現狀及存在問題，指出了中國木塑行業發展的方向。
關鍵詞:木塑復合材料;發展現狀;專利;分析
木塑復合材料(wood－plasticscomposites，縮寫為WPC，簡稱木塑)是木質纖維－聚合物復合材料的俗稱，它是一類以木材、竹材、農作物秸稈等木質纖維材料為填充增強材料，以熱塑性聚合物為基體，經熔融復合采用擠出、注射或模壓等成型工藝而制備的復合材料［1］。它兼具木材和塑料的低成本和綜合性能好的優點，有良好的木質外觀，比熱塑性塑料的硬度高，比木材的尺寸穩定性好，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，是典型的生態環境材料，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合材料的應用領域。木塑復合材料產業能夠將低值的木質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產品，是可以大規模利用、可持續發展的戰略性新興產業。
1木塑復合材料技術發展現狀及趨勢
1.1技術發展現狀
對于生物質聚合物復合材料的研發與產業化生產，北美在總體上處于領先地位，歐洲和日本則分別在加工裝備和仿木產品方面有一定優勢。雖然發達國家也有關于注塑成型的研究報道和零星產品，然而擠出成型仍是目前的主流技術。我國開展的生物質聚合物復合材料研究開始于20世紀90年代后期，起初主要跟蹤國外已有的技術和仿制產品，在基礎研究和技術開發方面投入較少。近幾年來，在國家循環經濟政策的鼓勵和企業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年中國木塑產品產量接近300萬噸，占世界總產量的三分之二。生產、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，對生物質聚合物復合材料技術的主要方面都開展了實質性研究，獲得了較豐富的實驗室技術儲備。東北林業大學、中國林科院木材工業研究所、南京林業大學、北京化工大學、華南農業大學等科研院所和高等學校在基礎研究、加工技術和設備開發等方面展開了率先開展了相關工作，取得了重要成果，在某些重要技術的研究方面具有獨特優勢。例如，東北林業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，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設備顯示出很大發展潛力［4］。東北林業大學依據動態塑化原理而研發的生物質塑性加工技術可大幅度提高生物質纖維的用量，醞釀著生物質材料加工利用方式的變革，其相關的基礎理論和技術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聚合物復合材料的技術能力和國際學術地位，為提升產業技術水平打下重要基礎。在生物質聚合物復合材料技術方面，雖然數年以前國內就有研究機構從事注塑成型、仿人造板技術的熱壓成型研究，但目前已經廣泛應用的和正在研究中的成型技術，主要是兩步法擠出成型技術，即，首先將生物質纖維與塑料混煉造粒，然后擠出成型。與其他成型方法相比，擠出成型的生產效率高，并且特別適于異型材的生產。然而，采用兩步法擠出成型時，物料需要經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材料的優良物理力學性能。不過，兩步法也有工藝控制相對容易和組織生產靈活較大的優點，受到總體技術和裝備水平不高的中小企業的歡迎。在加工設備方面，木塑行業在短短幾年里經歷了從借用塑料設備、改進塑料設備到開發木塑專用設備的發展歷程，可以滿足地板和欄桿類制品的制造加工。不過，與國外木塑專用設備相比，在加工精度、擠出速度、冷卻成型等關鍵技術上仍存在差距。總體來說，我國對生物質聚合物復合材料加工設備具有較強的開發能力，從最近幾年螺桿、模具等關鍵配件不斷改進的發展速度可以看出，設備加工企業完全有能力適應生物質纖維原材料的多樣化和新型產品的開發。
1.2技術發展趨勢
未來生物質聚合物復合材料的發展趨勢，主要表現在以下三個方面:(1)技術原理與科學支撐方面，重點研究方向是生物質聚合物復合材料的界面表征與調控方法、加工與結構流變學、環境老化機理、性能優化與評價方法等，這是改進提高現有技術和開發新技術的基本前提;(2)應用技術創新方面，重點集中在生物質原料的制備與改性技術、生物質－聚合物復合材料的先進加工成型技術與裝備、功能型生物質聚合物復合材料以及材料性能評價與應用技術體系;(3)新產品開發方面，重點集中在產品的高性能化、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、輕型建筑結構材，以及車船用裝飾材料等重大產品開發等。
2木塑復合材料專利現狀分析
國外由于對這種材料開發的時間較早，因此專利技術較多，一方面為我國自主創新提供了借鑒，另一方面專利壁壘也對我國的自主創新造成很大挑戰。近年來，我國在生物質聚合物復合材料及其相關技術領域開展了廣泛研究，在廢舊塑料改性技術、生物質聚合物復合材料擠出成型技術、阻燃等功能型生物質聚合物復合材料開發、專用設備等方面，獲得系列專利技術成果。以國家知識產權局下的專利檢索及分析系統為依據，檢索時間截止到2018年1月1日，檢索關鍵詞為木塑、塑木，最終檢索并篩選發明專利4294件，因受發明專利審查程序限制，發明專利申請18個月后才公開，因此2017年數據僅作參考。
2.1木塑發明專利申請時間分布
圖1為中國木塑發明年申請量圖。作為一種新興的復合材料，從專利申請時間分布曲線圖可以看出，2004年以前，中國木塑復合材料出去萌芽以及起步階段，此時年發明專利數量均在15件以下。2004－2008年，木塑復合材料處于較快增長階段，發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，木塑復合材料的重點產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，我國木塑復合材料產量迅速攀升，2012年則超越美國發展成為國際木塑生產第一大國［6］。我國木塑復合材料專利年申請量也出現了快速增長，從2008年的79件，迅速增至2016年的836件。
2.2專利技術領域分析
表1為我國木塑發明專利技術領域分析。由表1可以看出，我國木塑復合材料專利申請主要涉及如下技術研究方向: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;塑性狀態物質的一般成型;已成型產品的后處理，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、蜂窩狀的薄層構成的產品(B32B)、成型材料的準備或預處理(B29B)。其中C08L及C08K遠高于其它分類號的專利申請量，體現了木塑復合材料配方、機理等研究是木塑復合材料研究領域最為重視及關注的技術研究方向。
2.3發明專利申請人分析
由表2中國主要木塑發明專利申請人分析可以看出，企業在木塑發明專利的申請方面走在了前列，其中包括木塑制品生產龍頭企業，如安微森泰塑木新材料有限公司，以及部分木塑模具生產企業，顯示了企業對專利技術的重視，以及對新產品研發的能力越來越強。在木塑發明申的院校中，東北林業大學以長江學者王清文教授團隊為主要研發力量，在國家“863”計劃、科技支撐計劃、國家農業科技成果轉化等項目的支持下，在木纖維制備與改性、塑料改性、偶聯劑合成與表征、界面科學、流變學、制備工藝與設備、老化與耐候性、阻燃等木塑復合材料的主要研究領域開展了系統的基礎研究和技術開發，申請發明專利80余項，其中“木塑復合材料擠出成型制造技術及應用”獲得2012年度國家科技進步獎二等獎，并建設了全國唯一以生物質材料科學與技術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科研能力和科技創新成果。
3結論
近幾年我國木塑生產企業和產量的平均增長率超過20%，國內集結在木塑產業鏈上的主流企業已逾400家。然而，目前木塑復合材料的下游產品種類較為單一，主要應用于室外鋪板、景觀、欄桿等，這對我國木塑行業的長期健康發展構成了挑戰。因此，在木塑新產品開發方面，特別是在產品的高性能化、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、輕型建筑結構材，以及車船用裝飾材料等重大產品開發等方面，將產品推向具有巨大市場容量的室內建筑裝飾材料等領域，將是木塑復合材料這一新興產業下一步發展的重要方向。研發市場化是解決這一問題的關鍵。木塑行業不僅要探索建設木塑復合材料創新技術體系，更重要的是應該創新技術轉讓機制。在近十年的國際市場競爭中，我國的木塑行業已經積累了豐富的生產經驗和一大批專門技術人才，并運用了國際上先進的管理經驗。多數企業開始重視產品開發和技術儲備，有關研究機構和高校院系要和木塑企業，特別是骨干企業建立以契約為紐帶、經濟利益為基礎的密切聯系，要使各種新的研究成果盡快作用于生產、作用于市場。
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