高强度玻璃纤维专利申请分析

杨絮，王公领（等同第一作者）

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏省苏州市 215163

摘 要：高强度玻璃纤维是一种特殊的玻璃纤维，在国民经济中尤其是国防、高端民品中起着非常重要的作用。本文旨在阐明国内外高强度玻璃纤维技术的发展、研究的现状、特征及趋势，为相关企业跟踪国内外优势企业的技术情况提供帮助，推动我国的高强度玻璃纤维技术发展。

关键词：玻璃纤维、强度、S纤维

一、背景和意义

玻璃纤维作为一种产业用纤维于1938年投入工业性生产，是一种性能优异的无机非金属新材料，主要成分为：二氧化硅和钙、硼、钠、钾、铝等的氧化物。其具有绝缘性能好、机械强度高、耐热性强、尺寸稳定性等优点，已成为一种高性能的产业用纤维，广泛应用于汽车、电子、风力发电、造船、航空、建筑、石油、化工等方面^[1]。

在20世纪60年代初，美国率先研制成S-994HTS高强度玻璃纤维，新生态单丝强度高达4600MPa，由于它的高比强度和比模量而受到军事部门重视。1964年，S玻璃纤维首次在导弹上应用成功，因此玻璃纤维具有广阔的研究价值和应用前景^[2]。

我国从20世纪60年代中后期开始研究高强度玻璃纤维，至今投入生产的已有高强2^#和4^#，新生态单丝强度分别为4020MPa和4600MPa，弹性模量分别为83.3GPa和86.4GPa，接近和达到了国际水平。

二、高强度玻璃纤维总体状况

2.1 全球专利申请趋势

在1991年之前，高强度玻璃纤维领域的专利申请处于起步阶段，主要集中于美国和欧洲，但该阶段申请量比较少，说明当时高强度玻璃纤维刚刚处于起步阶段，技术并不成熟。1992年到2001年之间，对高强度玻璃纤维的研究逐渐成熟，向应用靠拢，申请量井喷式增长，且中国在高强度玻璃纤维领域也逐步从研究阶段步入生产阶段。但在2002年到2011年期间，国外在高强度玻璃纤维领域的专利申请出现下降趋势，并未出现突破性进展。而从2012年以后，高强度玻璃纤维的申请量再一次增加。

2.2 国内外申请对比

国外从1962年已逐步有少量申请，且其部分申请人为研究院，这一时期处于高强度玻璃纤维的萌芽阶段，专利数量较少，主要处于研究阶段，且由于该领域起源于美国，因此前期的的专利主要以美国为主，美国S-2、法国R高强度纤维在23℃下的强度分别为4890MPa和4135MPa，弹性模量分别为86.9GPa和85.5GPa。1992年开始，国外在该领域的申请量快速增长，同期国内在高强度玻璃纤维领域刚刚起步。2002年开始，国外在高强度玻璃纤维领域的申请量逐步下降，即国外在该领域的技术已经逐步成熟，而在该阶段国内在高强度玻璃纤维领域的申请量却快速增长，因此国内对高强度玻璃纤维的研究仍处于发展阶段。

2.3 申请人类型分析

高强度玻璃纤维的申请人主要以企业为主，高校/研究院和个人的申请人所占份额较少，其主要的原因可能是高强度玻璃纤维的主要组分较单一，其不适于高校/研究院和个人大量试验和研究，因此，国内外各高校/研究所鲜有研究玻璃纤维领域，且高强度玻璃纤维主要用于军事等领域，其更注重工业化生产。

2.4 主要申请人申请量分析

ROCKWOOL INT AS与MANVILLE SERVICE CORP的申请量比其它公司的申请量高，圣戈班、OCV以及OWENS的申请量紧随其后。中国巨石集团有限公司、重庆国际复合材料有限公司以及泰山玻璃纤维有限公司的申请量所占比例并不大，其主要原因可能在于玻璃纤维的分类较多，这些公司研究玻璃纤维具有多方向性，因此，虽然其属于国内重要玻璃纤维生产单位，但其在高强度玻璃纤维领域申请量并不出众。

三、高强度玻璃纤维研究进展

3.1 基础组分的研究

下文列出了中国高强2^#、美国S-2和法国R高强度玻璃纤维成分（按重量百分比%计）和性能。

中国高强2#玻璃纤维：SiO2 52-57、Al2O3 20-25、MgO 10-14、B2O3<5、Na2O+K2O+Li2O 0.8-1.2、CeO2 1-2、Fe2O3 <1.2，其单丝强度达4018MPa，弹性模量达3.3GPa。

美国S-2玻璃纤维：SiO2 64-66、Al2O3 24-25、MgO 9.5-10、CaO 0-0.1、Na2O+K2O 0-0.2、Fe2O3 0-0.1其单丝强度达4890MPa，弹性模量达86.9GPa。

法国R高强度玻璃纤维：SiO2 55-65、Al2O3 15-30、MgO 3-8、CaO 9-25、Na2O+K2O0-1、F2 0-0.3，其单丝强度达4135MPa，弹性模量达85.5GPa。

根据上述对比可知：我国的高强度玻璃纤维的单丝强度与弹性模量低于美国的S-2高强度玻璃纤维和法国的R高强度玻璃纤维的单丝强度和弹性模量，我国高强玻璃纤维成分中Fe

₂O₃含量较高，其有利于玻璃的形成，但玻璃颜色较深。虽然我国研制生产的高强2^#玻璃纤维的性能低于美国与法国，但我国的高强4^#的单丝强度可到4600MPa，弹性模量达到86.4GPa，接近和达到了国际水平。如CN1113893A的高强度玻璃纤维成分，其公开了我国高强度玻璃纤维的组分和用量。

对于玻璃纤维基础成分的作用，如CN101549958A公开了对SiO₂的含量进行控制以提高玻璃性能。专利JPS4986637A公开了Al₂O₃在本领域的作用，并对其用量进行分析。CN102050583A即公开了通过控制MgO的添加量从而限制CaO的含量以保证玻璃纤维综合性能的同时提高玻璃纤维的强度。

3.2 掺杂氧化物组分的研究

玻璃组成之间往往不是单一作用，而是相互影响、相互协同，除了考虑玻璃纤维的强度之外，还需要考虑其介电性能、失透性能、耐酸碱性能等。由于纯SiO₂、Al₂O₃和MgO高强度玻璃纤维对玻璃的熔制、纤维成形设备和材料要求极高，工艺性差，为此，各研究院校和企业都注重于玻璃组分的研究，加入了不降低强度而能改善玻璃熔制和纤维成形性能的氧化物，如Fe₂O₃、B₂O₃、CeO₂等^[3]。

如CN104556711A公开了加入一定量氧化铁，并结合熔制方式以提高玻璃纤维的性能。CN102173594A的一种无硼无氟玻璃纤维组合物，其通过不主动添加硼从而防止其对大气的污染。文献CN101549958A公开了CeO₂能改善玻璃纤维成形性能等作用。

四、总结

通过对高强度玻璃纤维专利申请分析发现，国外大公司如ROCKWOOL INT AS与MANVILLE SERVICE CORP两企业在这一领域进行了很多研究，国内企业在高强度玻璃纤维领域从1972年开始才逐渐起步，虽然前期的发展比较缓慢，但近些几年国内企业在该领域却突飞猛进的发展，并且所制备玻璃纤维的强度和模量令世界瞩目。但是，由于我国生产玻璃纤维的企业数量较小，与美国、欧洲等国家仍具有差距，这需要我国相关企业加大研发力度，尽快掌握相关重要技术和核心技术，从而为在高强度玻璃纤维领域的技术竞争中掌握主动权而奠定基石。

参考文献：

[1] 韩利雄,赵世斌.高强度高模量玻璃纤维开发状况.玻璃纤维.2011-06. 34-37

[2]王承遇,陶瑛.玻璃材料手册. 北京：化学工业出版社.2008-01.583-623

[3]李浩业.掺杂金属氧化物对SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO系统高强度玻璃纤维性能的影响.中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）工程科技I辑.2015- 04.B15-136

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