欧洲专利局发布未来塑料全球专利创新趋势报告

摘  要

2021年10月19日，欧洲专利局（EPO）发布《未来塑料专利：回收、循环设计和替代来源的全球创新趋势》（Patents for tomorrow’s plastics：Global innovation trends in recycling, circular design and alternative sources），全面分析了2010至2019年期间推动塑料向循环经济转型的创新趋势。

从全球来看，欧洲和美国在塑料回收和替代塑料技术方面处于领先地位。主要结论如下。

01美国和欧洲在循环塑料行业的全球创新者中脱颖而出

迄今为止，美国和欧洲仍然是塑料行业循环方面的全球主要创新者。2010至2019年，美国和欧洲国际专利家族（International Patent Families，IPFs）中约有30%与循环塑料行业相关，也是唯一真正专注于这些技术的主要创新中心。尤其是美国，在塑料回收和生物塑料技术方面显示出更高的技术优势。

2010至2019年，日本国际专利家族约有18%与循环塑料有关，远远领先于韩国和中国（各自约占5%）。然而，中日韩在这些技术方面都表现出了类似的专业化缺失。

在欧洲，法国、英国、意大利、荷兰和比利时因其在塑料回收和生物塑料技术方面的专业化而脱颖而出。德国由于经济规模较大，其国际专利家族中的份额最高，但在这些领域仍然缺乏专业化。

图 1  循环塑料行业相关发明五大来源国的国际专利家族占比（2010-2019）

02化学和生物回收领域专利活动活跃

机械回收是目前将塑料废物转化为新产品最简单和最常用的解决方案。2010至2019年，该领域约有4500个国际专利家族，越来越关注解决回收消费后的塑料垃圾收集的质量退化问题。然而，同期关于化学和生物的回收方法的国际专利家族9000多个，表现最为突出。

化学方法主要包括能源密集型塑料原料回收工艺（如裂解和热解）。在这个过程中，塑料废物的化学结构被转化为基本化学品的混合物，从而可以在石化行业中灵活地再利用。然而，这些技术的创新在2014年达到了顶峰。新兴的“塑料到单体回收（plastic-to-monomer）”技术提供了将聚合物分解成其原始构件的可能性，即更接近原始质量的材料和更多循环的可能。类似地，“生物塑料到堆肥回收（plastic-to-compost）”技术的国际专利家族数量相对较少，这项有前途的技术涉及使用生物体将聚合物降解为堆肥。

所有这些方法都需要有效回收塑料垃圾，并在回收之前对不同类别的塑料进行筛选、分离和清洁，其创新主要集中在垃圾分类和分离，包括使用光学识别和人工智能（AI）等先进技术。2010至2019年间，该领域国际专利家族约3400个。

图 2  回收技术创新的国际专利家族数量（2010-2019）

03基础研究是化学和生物循环利用进一步发展的关键。欧洲的良好表现显示出将新技术推向市场的潜力

与其他回收技术相比，化学和生物回收更多地依赖于上游基础研究，2010至2019年，近20%国际专利家族来自大学和公共研究组织。“废物回收（Waste Recovery）”和“塑料到产品（Plastic to product）”的创新经常依赖于现有的技术和工程方法，这也解释了为什么这些领域的研究机构的国际专利家族的份额较低（分别为7.4%和6.8%）。

欧洲和美国在化学和生物回收方法表现出明显的领先优势，2010至2019年，各有29%的国际专利家族来自研究机构。报告发现，在化学和生物回收领域，欧洲是唯一一个其“上游”基础研究的国际专利家族占比（29%）大于欧洲在全球国际专利家族总体比例（26%）的地区；相比之下，美国和日本的“上游”基础研究的国际专利家族的比例分别为29%和11%，低于美国和日本在全球国际专利家族的总体占比（分别为36%和17%）。

这表明，尽管欧洲在基础研究方面特别活跃，但在将这些技术转移到工业领域时并未充分挖掘其潜力。2010至2019年，美国和欧洲此类国际专利家族数量以相同的比例增加，但在过去十年中，美国初创和规模扩张企业产生的知识产权数量是欧洲的四倍（338比84）。

图3  回收技术“上游”基础研究情况（2010-2019）

04生物塑料成为传统化石原料的替代品

生物基和/或生物可降解塑料显示出提升循环、减少使用传统化石原料所产生的碳排放的潜力。这些生物塑料的专利申请活动在20世纪80年代末开始兴起，此后一直与传统塑料技术呈现相似的增长趋势。

在这些材料中，化学改性的天然聚合物（如改性纤维素）在过去十年中的专利活动份额最大。然而，来自生物源单体的聚合物一直是增长最快的领域。该领域的大多数专利都涉及所谓的“嵌入式塑料”（即Bio-PE、Bio-PET），虽然不可生物降解，但可以减少生产过程中不可再生资源的消耗和二氧化碳排放。在更小的技术分支中，工业天然聚合物显示出制造可重复使用、可回收塑料的潜力，这些塑料很容易被微生物分解。

据欧洲塑料协会2020年统计，医疗保健的塑料需求占欧洲塑料总需求的不到3%，但就生物塑料的国际专利家族数量而言，医疗保健是迄今为止最重要的行业，2010至2019年，共有超过19000个国际专利家族。同时，化妆品和洗涤剂在生物塑料领域的创新率最高。在该行业，与生物塑料相关的国际专利家族数量占传统塑料的32%。包装、电子和纺织品也是生物塑料创新的重要贡献者，2010至2019年，国际专利家族数量分别为6400个、4500个和3300个。农业的市场渗透率很高（10%），2019年生物塑料国际专利家族数量是2010年的2.5倍。

图 4  相关行业生物塑料创新的国际专利家族数量及市场渗透率

05快速出现的技术使耐用塑料材料的新颖设计成为可能

在20世纪90年代初，专注于塑料设计以方便回收利用的技术开始出现，此后这些技术一直飞速发展。这些领域专利的快速增长是由动态共价键的进步推动的，动态共价键是一种用于形成大分子链三维网络的合成策略，可通过可逆化学反应进行分解和重组。这种动态可逆性可以克服在加工和回收用于航空航天、建筑、运输和微电子领域使用聚合物时遇到的困难。

在最近的发展中，玻璃纤维是一种很有前途的共价自适应网络（CAN）。玻化塑料具有坚固、稳定和内在自愈性，在高性能和轻量化应用中有可能取代热固性塑料，如生产飞机、汽车、运动器材和风力涡轮机叶片的复合材料零件。

日本在使用动态共价键的技术方面表现出强大的领先优势。2010至2019年，日本拥有近一半（49%）的相关国际专利家族，美国以24%紧随其后，而欧洲国家仅占17%。然而，大部分来自大学和公共科研机构的国际专利家族来自欧洲和美国的研究机构（分别为40%和30%），而日本只有7%。尽管如此，日本在总体上仍处于领先地位，这与欧洲形成鲜明对比，欧洲对上游研究的投入几乎是相关专利活动的两倍。

图 5  方便回收利用的塑料设计技术相关的国际专利家族数量（1980-2019）