Cơ quan Khoa học Công nghiệp và Công nghệ Nhật Bản
Vào cuối những năm 1950; sợi carbon polycrylonitrile (PAN), một vật liệu bao gồm các sợi acrylic cực mỏng chủ yếu được tạo ra từ nguyên tử carbon; được phát triển tại Viện Nghiên cứu Công nghiệp Chính phủ cũ của Nhật Bản, Osaka (GIRIO).(AIST). Mặc dù GIRIO không còn tồn tại dưới tên gọi đó (nó được đổi tên thành AIST Kansai vào năm 2001); tuy nhiên nó đã hình thành một bộ phận quan trọng của tổ chức nghiên cứu Nhật Bản; đóng góp vào sự tiến bộ công nghệ của Nhật Bản kể từ năm 1876.
GIRIO đã – và tiếp tục hoạt động dưới tên AIST Kansai – cơ sở nghiên cứu lớn thứ hai của Nhật bản. Được thành lập vào năm 1920 với tư cách là một tổ chức nghiên cứu công; GIRIO được thành lập để cung cấp hướng dẫn kỹ thuật cho các ngành công nghiệp khác nhau ở khu vực Kansai. Những nỗ lực nghiên cứu ban đầu của GIRIO đã đặt trọng tâm vào ngành dệt may. Do đó việc phát triển sợi carbon được đặc biệt quan tâm đối với tổ chức. Trọng tâm tất cả các nghiên cứu của GIRIO là cung cấp các sản phẩm giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và đảm bảo an toàn và an ninh cộng đồng.
Nghiên cứu và Phát triển
Sự khởi nguồn của sợi carbon là polyme của than chì; một dạng carbon tinh khiết, nơi các nguyên tử được sắp xếp trong các tấm hình vòng lục giác. Sự phát triển này kéo dài từ cuối thế kỷ 19; khi Thomas Edison carbon hóa sợi tre để sử dụng làm dây tóc trong bóng đèn điện sợi đốt. Những dây tóc này ban đầu cực kỳ kém hiệu quả; trong khi vonfram thay thế tất cả dây tóc carbon trong bóng đèn điện.
Không có nhiều ý tưởng liên quan đến việc nghiên cứu và phát triển sợi carbon (R&D). Cho đến những năm 1950; khi Union Carbide Corporation (UCC), một công ty sản xuất dây tóc bóng đèn điện từ Hoa Kỳ (US) bắt đầu nghiên cứu sự thay thế dây vonfram trong bóng đèn và ống chân không gần cuối Thế chiến thứ hai. UCC đã phát triển thành công một dạng carbon đúc có khả năng thương mại.
Carbon ở dạng sợi được cho là gần như không thể phát triển do quá trình sản xuất sợi than chì cực kỳ khó khăn. Tất cả điều này đã thay đổi vào năm 1956; khi UCC bắt đầu sử dụng tơ nhân tạo làm thành phần cơ bản cho sợi carbon. Năm 1958; tiến sĩ Roger Bacon, một nhà khoa học tại UCC, đã phát hiện ra “râu than chì” trong thành phần tơ nhân tạo. Nó có thể chế biến thành sợi carbon; và điều này báo trước cho sự khởi đầu của việc phát triển sợi carbon hiện đại.
Sợi PAN
Trong khi nghiên cứu về tơ nhân tạo đang được phát triển tại USA; các nhà nghiên cứu trên Thái Bình Dương đang tạo ra ngành công nghiệp sợi carbon của riêng họ dựa trên PAN, một loại polyme tổng hợp ít được sử dụng trong ứng dụng thương mại. PAN đã được chứng minh là một loại polyme khó thực hiện và các nhà nghiên cứu Hoa kỳ đã bỏ qua nó sau những nỗ lực không thành công trong việc chế tạo sợi mô-đun cao với nó.
Tại Nhật Bản, các nhà nghiên cứu GIRO đã nhìn thấy cơ hội mà người Mỹ đã bỏ qua. Kể từ khi thành lập; carbon đã là một trong những trụ cột chính trong các hoạt động R&D của GIRIO. Năm 1952, Tiến sĩ Akio Shindo gia nhập GIRIO và được bổ nhiệm vào bộ phận R&D carbon.
Tại thời điểm đó ông không nghĩ rằng nghiên cứu của mình có thể phù hợp với bất kỳ ứng dụng công nghiệp nào. Dù vậy, mục tiêu của ông là cố gắng tạo ra một thứ gì đó có ích cho xã hội. Sau khi làm việc bảy năm trong bộ phận R&D carbon tại GIRIO; một bài báo đã lọt vào mắt ông. Bài báo này mô tả sự phát triển của sợi carbon được làm từ tơ nhân tạo bởi Công ty Carbon Quốc gia của Hoa kỳ. Bị hấp dẫn bởi tiềm năng của một vật liệu như vậy; ông đã bắt đầu tìm cách sử dụng nó trong tương lai.
Hoạt động nghiên cứu
Tiến sĩ Shindo đã bắt đầu nghiên cứu của ông ấy vào tháng 5 năm 1959; chỉ một tháng sau khi đọc bài báo về sợi carbon tơ nhân tạo. Hoạt động R&D ban đầu diễn ra bình thường; Tiến sĩ Shindo không mất nhiều thời gian tìm ra những ưu điểm của sợi carbon làm từ PAN.
Đặc tính chịu nhiệt và tính hóa học tuyệt vời của vật liệu mới; cùng với tính không bị ăn mòn; đồng nghĩa với việc nó có thể được sử dụng làm vật liệu chống cháy hay một vật liệu lọc các chất khí và các loại axit và kiềm khác nhau. Cùng với khả năng dẫn điện mạnh mẽ; ông nhận ra rằng nó có thể được sử dụng như một bộ tản nhiệt hồng ngoại hoặc dây tóc ống chân không. Bản chất sợi; tính mềm dẻo khiến nó có thể được sử dụng trong nhiều loại thiết bị điện.
Ban đầu thuộc hạng mục R&D “bình thường”; được cấp số quỹ có hạn; tuy nhiên sau một vài tháng, nghiên cứu của ông đã được phân loại “đặc biệt” do những kết quả ban đầu đầy hứa hẹn. Điều này đã mang lại một dòng vốn cần thiết từ GIRIO, và dự án được mở rộng. Trong thời gian này; nhóm R&D đã tăng lên từ 6 đến 10 nhà nghiên cứu toàn thời gian cùng các nhân việc được hỗ trợ khác. Đến tháng 9 năm 1959, Tiến sĩ Shindo đã phát triển thành công quy trình tạo ra sợi carbon PAN.
Sự phát minh
Đỉnh cao của sự nghiệp nghiên cứu của Tiến sĩ Shindo là việc phát triển quy trình sử dụng PAN làm tiền chất – thành phần cơ bản – cho sợi carbon. Tiến sĩ Shindo phát hiện ra rằng PAN có độ bền nhiệt phi thường. Tính ổn định này có nghĩa là PAN có thể giữ lại phần trăm carbon cao; tạo ra sản phẩm dạng bền hơn, linh hoạt hơn; và có khả năng chịu nhiệt tốt hơn bất kỳ dạng carbon sợi nào khác. Với suy nghĩ này; ông đã phát minh ra một quy trình sử dụng PAN làm tiền chất cho sợi carbon.
Quy trình của Tiến sĩ Shinso bao gồm một vài bước quan trọng. Đầu tiên; PAN nguyên chất; polyme hóa không bị ô nhiễm được kết hợp với các loại nhựa dẻo khác; sau đó kéo thành sợi. Trước khi carbon hóa; các sợi cần được ổn định bằng cách nung chúng đến 250oC trong 30 – 120 phút. Sau đó, chúng được đưa đến nhiệt độ xấp xỉ 1000oC trong vài phút; dẫn đến quá trình carbon. Sau khi carbon hóa; các sợi PAN được biến thành than chì (carbon kết tinh cao) bằng cách giải phóng nitơ và hydro trong chúng dưới dạng amoniac và axit hydrocyanic.
Kết quả là một sản phẩm carbon được graphit hóa ở dạng sợi. Một sự mở rộng quan trọng trong quá trình này đó là sự phát hiện của Tiến sĩ Shindo. Ông phát hiện rằng sợi carbon PAN có thể đạt được chất lượng cao nếu quá trình gia nhiệt không được thực hiện trong một lò kín.
Quản lý Sở hữu trí tuệ (IP)
Vào thời điểm phát minh của Tiến sĩ Shindo; GIRIO không có cách tiếp cận cụ thể nào đối với việc cấp bằng sáng chế tại chỗ. Mọi thứ diễn ra đáng kể hơn khi ông Tadashi Sengoku trở thành Tổng giám đốc GIRIO vào năm 1958. Ông Sengoku nhấn mạnh đến tầm quan trọng của quyền sở hữu trí tuệ (IPR). Do đó số lượng lớn đăng ký sáng chế ra khỏi Các dự án nghiên cứu của GIRIO bắt đầu tăng lên.
Khi xác định phát minh nào sẽ được cấp bằng sáng chế; chính sách của GIRIO dựa trên một số yếu tố quan trọng. Thứ nhất; các nhà nghiên cứu cá nhân có mức độ tự chủ trong việc xác định các dự án nghiên cứu của họ; và liệu họ có yêu cầu bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ (IP) hay không. Vào thời điểm sợi carbon PAN phát triển; chính phủ Nhật Bản, các tổ chức quốc gia và cộng đồng khoa học đã quyết tâm sử dụng tài năng của họ để giúp nền kinh tế Nhật Bản phát triển; làm cho đất nước có khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế.
Như trường hợp nghiên cứu sợi carbon PAN; việc đánh giá sáng chế và quyết định yêu cầu bảo hộ SHTT được thúc đẩy bởi mong muốn tạo ra một sản phẩm hữu ích. Phát minh của Tiến sĩ Shindo là một quy trình mới có ý nghĩa thương mại rộng lớn. Cả GIRIO và tiến sĩ Shindo nhận ra rằng các thủ tục đăng ký sáng chế là cần thiết. Điều này sẽ cho phép các công nghệ được cấp phép; tạo ra sự cạnh tranh trên thị trường và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế quốc gia.
Bằng sáng chế
Cân nhắc các mục tiêu và cấu trúc quản lý SHTT của GIRIO vào thời điểm đó; Tiến sĩ Shindo đã chủ động nộp đơn đăng ký sáng chế trong nước cho quy trình sợi carbon PAN của mình vào tháng 9 năm 1959 với Văn phòng Sáng chế Nhật Bản (JPO) và quốc tế. Bằng sáng chế đã giúp GIRIO đạt được các mục tiêu của mình theo nhiều cách.
Đầu tiên, việc cấp bằng sáng chế có nghĩa là công nghệ sẽ được tiết lộ cho công chúng. Điều này sẽ thu hút sự quan tâm của các công ty; và mang lại cho GIRIO nhiều lựa chọn khi họ muốn làm việc với các công ty khác. Thứ hai; việc đảm bảo bằng sáng chế đã cho GIRIO khả năng thực hiện chuyển giao công nghệ chính thức. Điều này không chỉ mang lại doanh thu R&D bổ sung thông qua việc cấp phép; mà nó cũng sẽ cho phép Tiến sĩ Shindo và các nhà nghiên cứu khác hợp tác chặt chẽ với các nhà nghiên cứu nội bộ của bên được cấp phép; mang lại quyền truy cập vào các khía cạnh của cơ sở hạ tầng R&D của họ.
Cấp phép
Nhận thấy sự cần thiết của một số hình thức cơ quan chuyển giao công nghệ chính thức; năm 1961, GIRIO đã thành lập Văn phòng Tư vấn Công nghệ (TCO). TCO là nơi cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và tư vấn cho các công ty muốn thương mại hóa các dự án R&D khác nhau. Sự thay đổi tổ chức này đã mang lại cho GIRIO một sự thúc đẩy đáng kể trong việc tạo điều kiện cho việc thương mại hóa nhiều công nghệ hơn.
Trong khoảng thời gian Tiến sĩ Shindo nghiên cứu về sợi carbon PAN; Tokai Electrode và Nippon Carbon cũng đang nghiên cứu phát triển các sản phẩm sợi carbon. Cả hai công ty đều có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực sợi carbon và rất hào hứng với những cơ hội mà sợi carbon PAN mang lại. Cả hai công ty đã tiếp cận TCO và GIRIO bằng cách cấp cho họ các giấy phép không độc quyền cho bằng sáng chế được cấp vào năm 1959.
Thật không may cho Tokai Electrode và Nippon Carbon khi dự án phát triển sợi carbon PAN của họ đã không thành công ngay lập tức như họ mong đợi. Mặc dù cả hai công ty đều có kinh nghiệm chuyên sâu về sợi carbon; nhưng họ đều không có khả năng sản xuất sợi PAN; trong khi đây là điều cần thiết. Đồng thời; Toray Industries (Toray), khi đó là nhà sản xuất sợi tổng hợp lớn nhất Nhật Bản; cũng bắt đầu quan tâm đến công nghệ sợi carbon PAN. Năm 1961; Toray mở một cơ sở nghiên cứu và sản xuất sợi carbon mới và đến năm 1962, họ đang nghiên cứu những cách sử dụng mới cho nhiều loại sợi carbon khác nhau.
Thương mại hóa
Kế hoạch kinh doanh của Toray là trở thành công ty hàng đầu trên toàn thế giới về sợi carbon PAN. Ban đầu sợi carbon là vật liệu được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng quân sự. Phần lớn là do tính chất bền, chịu nhiệt và chống ăn mòn của nó. Toray đã phải tìm cách biến sản phẩm thành một sản phẩm có ứng dụng thương mại rộng rãi hơn.
Sợi carbon PAN đã trở thành trụ cột chính trong ngành thương mại công nghiệp hàng không vũ trụ. Toray đã cố gắng đa dạng hóa sản phẩm của mình bằng cách phát triển các sản phẩm; như áo khoác đạn đạo, dây neo, dây câu cá và găng tay bảo hộ.
Từ năm 1973 đến 1974; nhu cầu về sợi carbon PAN tăng nhanh chóng và nhà máy sản xuất 5 tấn mỗi tháng của Toray đã hoạt động hết công suất. Vào cuối năm 1974, Toray đã sản xuất 13 tấn sợi carbon PAN mỗi tháng. Công ty đã mở rộng dòng sản phẩm của mình sang các thiết bị thể thao khác như vợt tennis và cần câu cá. Do đó, công ty đã tự khẳng định mình là nhà cung cấp sợi carbon PAN chất lượng cao hàng đầu thế giới.
Kết quả kinh doanh
Việc chuyển giao công nghệ sợi carbon PAN đã đưa Toray và Nhật Bản đi đầu trong ngành công nghiệp sợi carbon trên toàn thế giới. Toray đã trở thành một trong những nhà cung cấp sợi carbon thương mại lớn nhất thế giới. Đồng thời, có sự phát triển nhất quán trong ngành công nghiệp sợi carbon trong hơn ba thập kỷ. Toray có năm cơ sở sản xuất sợi carbon; trong đó hai cơ sở ở Nhật Bản, hai cơ sở ở Mỹ và một cơ sở ở Pháp; với tổng công suất sản xuất hơn 17.000 tấn PAN và các loại sợi carbon khác mỗi năm.
Việc chuyển giao quy trình sợi carbon PAN thông qua cấp phép không chỉ mang lại lợi ích cho Toray; mà còn cho các công ty khác và nền kinh tế Nhật Bản nói chung. Với sự suy giảm của sợi carbon dựa trên tơ nhân tạo và tính ưu việt của sợi carbon PAN đã được chứng minh; sợi carbon dựa trên PAN hiện là dạng chính được sử dụng trong gần như tất cả các ứng dụng sợi carbon. Các công ty Nhật Bản như Toray, Tập đoàn Mitsubishi và Tập đoàn Toho Tenax cung cấp khoảng 80% nguồn cung sợi carbon trên thế giới.
Thị trường đang mở rộng khoảng 15% mỗi năm; và nhu cầu về sợi carbon dựa trên PAN trong các sản phẩm mới đang cao hơn bao giờ hết. Thành công tài chính của việc chuyển giao công nghệ sợi carbon PAN đã giúp Nhật Bản phát triển thành một nước dẫn đầu ngành công nghiệp trên toàn thế giới. Đóng góp một phần vào sự hồi sinh của nền kinh tế Nhật Bản trong những năm 1970 và 1980.
Một ngành công nghiệp tái sinh
Khi bài báo về sợi carbon lọt vào mắt Tiến sĩ Shindo vào năm 1952; ông không thể ngờ rằng trong vòng chưa đầy mười năm; ông đã phát minh ra một quy trình báo hiệu sự tái sinh của cả một ngành công nghiệp và sự củng cố của nền kinh tế Nhật Bản. Bằng cách thúc đẩy một môi trường nghiên cứu; tạo điều kiện cho các phát minh mới; đáp ứng nhu cầu hữu hình kết hợp với việc sử dụng hiệu quả hệ thống IP; các tổ chức nghiên cứu có thể tạo ra những cơ hội thành công tương tự.
-Vicma-
