肖 舒， 宋舒苹

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心， 苏州 215000）

Lyocell 纤维的相关专利技术最早可推至1980年，由荷兰阿克苏·诺贝尔（Akzo Nobel）公司首先取得工艺和产品专利[1]，并于1989 由国际人造纤维标准化局（BISFA）正式命名。

根据目前业界普遍使用的定义，Lyocell 纤维是一种新型的再生纤维素纤维，是通过将天然纤维素原料（浆粕）直接溶解在N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）与水的混合溶液中，进行特殊纺丝制备得到的，具有高结晶度、长晶粒、高取向度以及良好取向的无定形区域[2-4]。

Lyocell 纤维的化学结构与黏胶纤维基本相同， 除了具有天然纤维本身的特性，如吸湿、透气、有光泽、可染色和可生物降解外，还具有合成纤维所具有的高强度，其强度与涤纶纤维接近，远高于棉和普通黏胶，因而有利于染整处理， 适用于多种染料；
Lyocell 纤维具有良好的强伸性能， 适宜于其他天然纤维或合成纤维混合纺丝；
Lyocell 纤维还能耐受剧烈的机械和化学处理，使织物具有丝、棉、麻、毛等各种手感。

因Lyocell纤维具有诸多优良的特性， 使得其在服饰材料方面得到广泛应用。

1.1 Lyocell 纤维的生产发展现状

NMMO 溶剂法纤维素制备技术于20 世纪70年代由阿克苏·诺贝尔公司研制成功并申请了专利，此后由英国考陶尔兹（Courtaulds）公司和奥地利兰精（Lenzing）公司进行了大规模工业生产[5]，并分别建立了Lyocell 纤维工业化生产企业。

2013年，兰精公司投资1.3 亿欧元建成全球最大的6.7 万t/a 生产线，具有22 万t/a 的生产能力[6]。

在纤维素纤维的生产工艺中， 最先实现工业化生产的是以NMM/H2O 为溶剂生产Lyocell 纤维。

考陶尔兹公司于1978年开始对Lyocell 纤维进行研究，并于1988年在美国阿拉巴马州的莫比尔（Mobil）投资9 千万美元建立了生产能力为1.8 万t/a 的工厂；
在产品以商标“Tencel”投放市场后又投资1.43亿美元扩建了工厂，使其生产能力达4.3 万t/a。1995年， 考陶尔兹公司宣布投资1.2 亿英镑在英国格里姆斯比（Grimsby）建立一家Lyocell 生产厂，计划年产量为4.2 万t/a，并于1997年投产。

1995年4月，考陶尔兹公司宣布Lyocell 生产技术取得新突破，提高了纺速， 应用新技术后可使产量提高30%，到1997年， 考陶尔兹公司的Lyocell 纤维总产量已达到10 万t/a，2002年达到15 万t/a。

兰精公司自1986年开始研究Lyocell 生产技术和工艺，在奥地利建立了50 t/a 的中试工厂，进行工艺和产品开发研究。

1995年，兰精公司决定在奥地利Heligellkrewz 地区建立一家年产量2.4 万t 的Lyocell 工厂， 并于1997年投产， 产品以“Lenzing Lyocell”为商标投放市场。考陶尔兹和兰精两家公司现阶段都以生产Lyocell 短纤维为主。

1.2 工艺流程设计及主要问题

1.2.1 工艺流程的设计

现有技术中纺丝原液 （含纤维素的NMMO 溶液）通过计量、过滤、挤压喷丝成原液细流进入凝固浴槽进行凝固浴，原液细流在凝固浴中，其表面浓相溶剂和水不断扩散到凝固浴液中， 原液细流表面逐渐固化形成初生纤维。

为了保证纤维成型品质的均匀性，工艺流程的设计必须保证以下两点：

（1）及时更新丝条周围浓度已变化的浴液，原液细流表面的浓相溶剂才能连续不断地扩散到表面黏附的浴膜中，纤维表面结构才能均匀紧密。

因此，浴液必须是以恒定流速流动而不是静止的。

（2） 凝固浴的浓度和量也随着原液细流连续进入槽内同步增加，为了保证纤维成型的均匀性，浴液温度和浓度的变化必须控制在保证连续进入浴液的丝条品质要求的范围内， 一般为误差不超过±0.2%溶剂浓度。

同时， 需及时排出已经被增浓的凝固浴液，并适当增加稀释水调节已变化的浓度，以保证凝固浴液的浓度相对恒定。

排出的凝固浴液将送到溶剂回收工段， 在净化处理和浓缩后送去原液制备工段制备纺丝原液。

为了节能， 一般厂家都将循环槽设置在半地下室；
由于采用大浴比，其温度的恒定只能靠自然散热，尽量增大贮槽液面自然蒸发面积。

1.2.2 面临的主要技术问题

Lyocell 纤维生产过程存在着高浓度NMMO 溶剂溶解纤维素，然后稀释至低浓度后释放纤维素，再经过纯化浓缩至高浓度这一无限循环过程，其间，水被添加进去又被蒸发出来， 在这个过程中需要消耗大量能量，Lyocell 纤维生产中80%以上的能源消耗均发生在这个环节。

由于在采用NMMO 溶剂制备Lyocell 纤维的过程中存在以上问题， 导致在实际生产过程中能耗巨大。

同时，NMMO 纤维素纺丝原液的黏度较大，且黏度随温度变化敏感，会造成运输困难。

在运输过程中需严格控制纺丝液的温度， 因而对运输设备的要求较高。

提高纺丝原液中纤维素的浓度可进一步减少溶剂NMMO 的用量，从而降低生产成本。

总体上，虽然现有采用NMMO 溶解植物纤维原料制备再生纤维的工艺已经十分成熟， 但是存在对设备的要求高、NMMO 溶剂回收成本大、 生产过程中能耗高等问题， 不断地优化Lyocell 纤维生产工艺、提高NMMO 溶剂回收效率，对于降低Lyocell 纤维生产成本、提高生产效率具有重大意义。

2.1 专利申请概况

截至2017年05月24日，山东英利实业有限公司（以下简称英利公司）在中国与Lyocell 纤维相关的已公开专利申请数量为35 项， 在国外无专利申请。

纵观英利公司在Lyocell 纤维生产的专利申请，从工艺设备的局部扩展到整体工艺， 其已逐步具有全面的Lyocell 纤维生产工艺和设备，在国内具有领先的技术基础。

2.1.1 设备类专利

与Lyocell 纤维设备相关的专利申请数量变化体现在2013年至2016年间， 共涉及有效专利30项。

通过表1 可以看到，2013年， 英利公司开始就Lyocell 纤维相关的设备在中国进行专利申请，并且呈现出先增长后下降的趋势。

表1 设备类专利的申请量分布

2013年， 在与Lyocell 纤维相关的设备方面共申请4 项专利， 其中2 项涉及纤维生产中的输送装置，另外2 项涉及重点工艺纺丝过程中的装置，分别是纤维牵伸辊喷淋装置和用于溶解纤维素的搅拌装置。

2014年， 在与Lyocell 纤维相关的设备方面共申请12 项专利， 其中有10 项涉及重点工艺纺丝过程中的装置，分别为干喷湿纺法纺丝装置、纺丝原液的过滤装置等原液处理装置、 纤维丝束水洗接水等装置、纺丝用喷丝板、纺口加热装置；
其中有1 项涉及预处理过程中的装置，为纤维素压榨除水装置；
另1 项涉及浸胶机。

2014年的设备专利申请量呈现显著增长。

2015年， 在Lyocell 纤维相关的设备方面共申请12 项专利：其中有4 项涉及重点工艺纺丝过程中的装置，分别涉及预混合器、预混合浆粥储罐、纺丝原液的过滤装置，可以看到，纺丝过程的设备申请量较2014年减少；
其中有4 项涉及预处理过程中的装置，分别涉及浆粕压榨机控制毛边水分装置、压榨网带、压榨上料装置、浆粕活化罐，可以看到，预处理阶段的设备申请量增加；
另外4 项涉及储水罐、管道分流装置、浆粥取样铲和管道防爆装置。2015年的专利布局从纺丝工艺设备向预处理阶段的设备方向转移。

2016年，Lyocell 纤维相关的设备申请量减少到2 项， 分别为涉及纺丝工艺的刮板式薄膜蒸发器的物料推进装置、涉及预处理工艺的浆粕粉碎装置。

2.1.2 工艺类专利

在检索时间段内，英利公司在Lyocell 纤维相关工艺方面的专利申请仅有5 项，具体见表2。

表2 工艺类专利的申请情况

通过表2 可以看到：2013年有2 项涉及对原料进行纤维素酶活化工艺，2014年有1 项涉及对Lyocell纤维的后加工工艺，2015年有1 项涉及通过添加抗菌剂制备抗菌Lyocell 功能纤维的工艺，2016年有1项涉及Lyocell 纤维的后加工工艺；
其中，2014年和2016年的后加工工艺都是探究Lyocell 纤维超细化、原纤化的工艺过程。

英利公司对Lyocell 纤维相关工艺的申请量较匮乏，远低于设备类的专利申请，且工艺申请的涉及面较窄， 没有涉及纺丝等重点工艺的专利申请。

英利公司从国外引进部分设备， 并自行设计和生产部分设备， 在此基础上对新溶剂法纤维素纤维装备进行集成创新，分别对纺丝关键工艺、溶剂高效回收等进行系统研究，形成了溶解、纺丝、溶剂回收等全套工艺软件包， 填补了国内关于新溶剂法纤维素纤维生产工艺和设备的空白，其在生产Lyocell 纤维方面已经掌握了国内先进的技术， 但对技术的研发量仍不够， 对各技术分支的深入研究特别是溶解和纺丝核心工艺的集中、攻坚研究仍较少。

2.2 技术主题分析

2.2.1 技术主题分解

英利公司的Lyocell 纤维专利主要涉及以下技术主题：生产工艺及相应产品、原料前处理设备、溶解纺丝设备、辅助设备，具体分布如表3 所示。

表3 专利技术主题分解概况

2.2.2 生产工艺及相关产品

Lyocell 纤维生产工艺的专利申请有5 项，如表4 所示。由表4 可知，Lyocell 纤维生产工艺主要涉及纤维原料的预处理和纺丝原液的制备工艺（CN103556235A）， 功能化Lyocell 纤维的制备工艺及产品（CN103556248B、CN105177746A），Lyocell 纤维的后处理工艺（CN105926272A、CN104005225B）。

其中， 原料的预处理和纺丝原液的制备工艺（CN103556235A）是对Lyocell 纤维原料采用生物酶预处理，然后与溶剂混合制备纤维素溶解液，从而缩短溶解时间，提高生产效率。

而功能化Lyocell 纤维如抗菌纤维、竹炭纤维的制备工艺及所得到产品，不但拓宽了原料的来源，而且赋予了Lyocell 纤维相应的强度、吸附性、抗菌性等功能，使其应用范围更加广泛。

在不断优化Lyocell 纤维生产工艺同时，提高产品质量、 降低生产成本是未来亟待解决的问题。

而对Lyocell 纤维原料和新产品的开发也具有广阔的前景。

2.2.3 原料前处理设备

原料前处理设备主要涉及原料的粉碎、压榨，以及相关的预处理设备。

英利公司关于原料前处理设备的专利申请情况如表5 所示。

表5 原料前处理设备专利的申请情况

浆粕粉碎设备的主要作用是将浆粕原料搅拌、粉碎，得到合适的尺寸，提高其后续的预处理效果， 同时降低纤维溶解过程中的能耗。

专利CN205340964U 涉及一种浆粕粉碎装置， 其可改善粉碎粒度不均、物料聚集的技术问题。

压榨设备是为了使浆粕脱水， 在浆粕溶解前尽量降低其含水率，提高后续的溶解效果，降低蒸发脱水量，从而降低能耗。

浆粕溶解前的含水率直接影响后续制备纺丝液的能耗， 相关专利有CN203715797U、CN204977523U、CN205133792U、CN204982150U、CN205164709U。

对原料浆粕进行活化或其他预处理， 可缩短后续纤维溶解时间，提高溶解效率，降低生产成本，不同的活化处理所需的工艺条件不同， 对活化反应设备的要求也不同， 例如专利CN205164709U 通过在罐体壁上设置搅拌轴提高浆粕活化效果。

2.2.4 溶解纺丝设备

用于Lyocell 纤维的溶解纺丝设备主要有：预混合器、溶解搅拌装置、蒸发脱水装置、纺丝液过滤装置、纺丝液输送装置、纺丝装置、洗涤装置。

英利公司关于溶解纺丝设备的专利申请情况如表6所示。

表6 溶解纺丝设备专利的申请情况

预混合器是将原料纤维素与溶剂NMMO 混合、搅拌、预溶解的装置，主要作用是使纤维素、溶剂、添加剂充分接触混合， 促进纤维素溶胀。

预混合器的混合效果关系到纤维的溶解效果， 所涉及专利为CN204982149U、CN204973713U、CN105113027A。

溶解搅拌装置是溶剂NMMO 对原料纤维素进行溶解形成均匀纺丝原液的场所， 需要不断对原料纤维素搅拌均匀， 同时提供足够的热量使纤维素溶解， 并蒸发掉多余的水分得到均一稳定的纺丝原液，是生产Lyocell 纤维工艺中的核心装置。刮板式薄膜蒸发器是常见的溶解搅拌装置，通过多温区夹套加热、刮壁搅拌、高黏度介质传热传质及形成薄膜的脱水工艺过程使浆粥变成均一稳定的纺丝原液。

溶解搅拌装置的相关专利为CN205759773U、CN203960407U、CN203469913U、CN204111941U。

纺丝液过滤装置是对纺丝原液进行过滤，去除固体杂质、未溶解的纤维素，使原液达到纺丝工艺要求。

由于纤维素原液的黏度极高，使得过滤器容易阻塞，需要经常清洗过滤器。

同时，纺丝原液中的杂质含量直接影响Lyocell 纤维产品的质量。对纺丝液过滤装置进行改进，采用过滤精度高、便于清洗的过滤设备不仅可以提高Lyocell 纤维的产品质量，同时还可降低生产成本，提高经济效益。纺丝液过滤装置的相关专利为CN103981578A、CN205133794U、CN203904511U。

纺丝设备是纺丝工艺中的核心装置，将高温、高压、高黏度的纺丝原液通过计量装置输送到喷丝头，经喷丝板喷出形成纤维丝。

在纺丝设备中， 纺丝组件是生产出高质量纤维的关键环节， 各个零件之间配合的紧密程度、密封效果、浆液流动是否存在死角等， 都会影响纤维的性能。

纺丝设备的相关专利为CN204111940U、 CN104153008A、 CN204111942U。

纺丝液输送设备是整个纺丝工艺中的重要辅助设备，能否把高温、高压、高黏度的纺丝液输送至纺丝设备进行纺丝， 且在输送过程中不会影响纺丝液的均一性等性质发生变化， 直接影响后续纺丝工艺是否顺利进行。

运输设备的结构、 材料选择都会对纺丝原液的性能产生影响。

纺丝液输送设备的相关专利为CN204111941U。

2.2.5 辅助设备

辅助设备如输送装置、储存装置、在线监测装置等也是生产Lyocell 纤维中必不可少的设备，可以通过辅助设备使整个生产工艺完整流畅。

英利公司在Lyocell 纤维生产工艺中相关辅助设备的专利申请量较少，具体辅助设备相关专利的公开信息见表7。

表7 Lyocell 纤维生产辅助设备的具体专利

2.3 综合分析

基于对英利公司专利申请的技术标引、核心/重点专利的分析， 得出其对Lyocell 纤维相关技术的研发重点主要体现在以下两方面：

（1）重点研发了纺丝原液的处理设备，通过提供包含滤液收集管和过滤单元的原液处理设备，并通过探究过滤单位各部件的连接和位置关系，实现对原液的有效处理，不但能够将其中的溶胶颗粒进行有效过滤，还可以除去其中的小气泡，改善纺丝原液的可纺性，增加纺丝的稳定性。

（2）重点研发了配合牵伸辊的喷淋装置，通过在每个卷绕辊的出入部分设置喷嘴喷淋清洗液，从而有效避免纤维缠绕在牵伸辊上，实现高倍牵伸技术。

透过上述专利分析，可以判断英利公司今后的研发趋势应主要集中在以下方面：

（1）探究纤维的快速溶解技术，如何在节约溶解成本的前提下， 防止制得的Lyocell 纤维的原纤化。

（2）优化纺丝原液的过滤技术，综合考虑过滤温度、反洗时间、过滤精度等工艺参数的调整，从而实现纺丝原液的高效过滤。

（3）实现成熟的高温纺丝与牵伸技术，在纺丝过程中通过设置纺口加热装置以及在牵伸设备中引入喷淋装置，这已经在专利申请中有所体现，但专利量较少，在此基础上，全面深入探讨高温纺丝和牵伸的具体影响因素。

（4）全面研发溶剂回收和净化技术。

（5）深入研究纤维的高效水洗技术， 现有专利仅有两项涉及水洗装置，分别是纤维丝束水洗装置和纤维丝束水洗接水装置，在此基础上深入探讨水洗工艺条件对纤维成品的影响，以及配套水洗设备的改进。

本文对山东英利公司的Lyocell 纤维专利申请情况进行了分析，并给出了建议措施。

虽然英利公司已经掌握了国内先进的Lyocell 纤维生产技术，然而，对于进一步提高纤维原料溶解速度、纺丝原液的均一性、后续溶剂NMMO 的回收效率、开发新产品的研究，以及对生产设备的优化改进研究仍具有重要意义。

同时，在英利公司的专利申请中实用新型居多，技术布局不完善，如在溶剂回收领域暂无专利；
且专利全部为国内申请，无国际发明专利（PCT）或巴黎公约专利。

而兰精公司等行业内的领头羊，其专利布局相对更完善，技术上的涉及面更宽广。

基于此，包括英利公司在内的国内Lyocell 纤维生产企业，一方面，应在专利申请上重视发明专利和国际专利的申请；
另一方面，在技术研发和专利申请上要重视核心技术；
同时，还应加强技术研发能力，重视对交叉领域技术的应用，做好专利的布局。

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