特種繩纖維材料的發(fā)展和應(yīng)用

牛鵬霞 楊彩云 (天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

特種繩纖維材料的發(fā)展和應(yīng)用

牛鵬霞 楊彩云 (天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

繩是一種特種紡織品。隨著科技的發(fā)展，特種繩性能不斷提高并發(fā)揮著越來越重要的作用。通過傘繩、漁業(yè)用繩和船用纜繩的材料從采用植物纖維到以高性能纖維取代的歷程，介紹了特種繩纖維材料的發(fā)展和應(yīng)用。

特種繩，傘繩，漁業(yè)用繩，船用纜繩，開發(fā)，應(yīng)用

0 前言

繩是紡織品中的一個(gè)特殊品種，是由多股紗或線捻合而成，直徑較粗，按繩的直徑大小可將其分為繩、索、纜。我國國家標(biāo)準(zhǔn)將直徑為1～4 mm的繩稱為繩或繩線，直徑大于4mm的稱為繩索，纜或纜繩的直徑一般在40～120 mm之間。繩的特性由其原料、加工方法決定。繩的原料有棉、麻、絲、毛等天然纖維，還有聚酰胺、聚丙烯、聚酯、聚乙烯纖維等化學(xué)纖維，以及鋼絲等金屬纖維。繩按其制作方法基本可以分為編織、擰絞、編絞三類。編織繩的生產(chǎn)在圓錠編織機(jī)上進(jìn)行，錠數(shù)為偶數(shù)，通常為8錠、12錠、24錠或更多，用編織方式生產(chǎn)出的編織繩直徑通常在50 mm以下;擰絞繩由3股、4股或多股紗線加捻而成，加工方法方便，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)沒有編織繩復(fù)雜，產(chǎn)量高，但由于結(jié)構(gòu)關(guān)系使用時(shí)易扭結(jié)，該類繩索直徑一般在4～50 mm之間，代表性品種為3股繩索;編絞具有編織及擰絞的特點(diǎn)，編絞繩通常由8根擰絞繩分4組以“8”字形軌道交叉編織而成，在專門生產(chǎn)纜繩的機(jī)器上進(jìn)行編絞，所謂“8股纜繩”就屬于編絞繩，其特點(diǎn)是直徑大、強(qiáng)度高，主要用于高噸位船舶的拖牽［1-2]。繩類多用于服裝、民用和特種用途［1]。特殊用途類繩(以下簡稱為特種繩)的市場需求量很大，目前主要在國防軍工、交通港口、運(yùn)動(dòng)傘和船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如用于空降兵傘、飛機(jī)阻力傘、投物傘和運(yùn)動(dòng)傘，船舶、起重裝卸用具，以及服裝等，編織傘繩、松緊繩、緩沖繩、傳動(dòng)繩、攀登繩等被大量運(yùn)用。1997 年 R.Chattopadhyay［3]研究了紡織行業(yè)中的繩，他指出影響繩性能的因素有:用于繩的纖維材料的性能、繩的結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素。他指出一種繩不可能滿足各種環(huán)境的應(yīng)用要求。在不同的環(huán)境中，所用繩的纖維材料不同，繩的結(jié)構(gòu)不同，對(duì)繩的實(shí)際應(yīng)用性能有很大的影響。

本文通過傘繩、漁業(yè)用繩和船用纜繩的材料從采用植物纖維到以高性能纖維取代的歷程，介紹了特種繩纖維材料的發(fā)展和應(yīng)用。

1 傘繩材料的發(fā)展應(yīng)用

特種繩的用途非常廣泛，其中傘繩是繩特種用途中非常重要的一項(xiàng)。降落傘用的繩類織物主要采用編織結(jié)構(gòu)，分有芯和無芯兩種。在20世紀(jì)30年代以前，人們主要使用天然纖維編織傘繩，蠶絲和棉為傘繩的主要材料，兩種纖維制成的傘繩最小斷裂強(qiáng)力分別為1 421和1 225 N，質(zhì)量分別為7和11 g/m;美國織造的絲繩(傘繩)強(qiáng)力為2 000 N，直徑4.8 mm，強(qiáng)質(zhì)比都比較低。隨著科技的發(fā)展和新型化學(xué)纖維的研發(fā)，降落傘的開傘速度的提高，天然纖維傘繩已經(jīng)不能滿足降落傘所需材料強(qiáng)度高、質(zhì)輕的性能要求。相對(duì)于強(qiáng)力為3.0～5.3和3.0 ～4.4 cN/dtex、相對(duì)密度為1.54 和 1.37 的棉纖維和蠶絲，強(qiáng)力較高(6.1～7.6 cN/dtex)、相對(duì)密度較小(1.14)的聚酰胺纖維更能滿足降落傘的應(yīng)用需求。除聚酰胺纖維外，20世紀(jì)五六十年代我國還研發(fā)了幾種化學(xué)纖維，諸如聚乙烯醇、聚丙烯纖維等，用作航空產(chǎn)品的傘面材料。與棉纖維相比，聚乙烯醇纖維強(qiáng)力較大，耐腐蝕性較好，耐光老化性好，不易發(fā)霉，且價(jià)格便宜，但彈性差，手感較硬，耐熱性也較差。1967年，上海紡織工業(yè)局所屬有關(guān)單位試制成功200 tex的聚丙烯纖維;1979年，上?；w九廠通過工藝改進(jìn)，成功研制出8.2～8.7 cN/dtex的高強(qiáng)聚酰胺纖維，并且用該纖維織造織物和繩帶產(chǎn)品等，其強(qiáng)質(zhì)比又有了明顯的提高［4-5];1982年，無錫紡織研究所研制成聚丙烯纖維及其綢、繩、帶，并經(jīng)中紡部鑒定定型。

20世紀(jì)70年代中期，隨著芳香族聚酰胺纖維(Kevlar)的引入，降落傘材料的性能也向前跨進(jìn)一大步。C.W.Peterson等［6]在其論文中詳細(xì)研究了Kevlar 29代替聚酰胺纖維(Nylon)用于傘繩材料的優(yōu)勢與缺點(diǎn)，以美國國家航空航天局降落傘傘繩用Kevlar取代Nylon后的自重變化為例，說明高強(qiáng)質(zhì)比的Kevlar更適宜用作傘繩。

Kevlar［7-9]是一種對(duì)位芳香族聚酰胺纖維，具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、質(zhì)輕等優(yōu)良性能，并具有良好的絕緣性和抗老化性能，使用壽命很長，現(xiàn)在降落傘傘繩中應(yīng)用最多的是芳香族聚酰胺纖維編織繩。早在20世紀(jì)80年代初，Kevlar就被確認(rèn)是一種可以在降落傘上應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)材料，Kevlar的應(yīng)用極大地提高了降落傘系統(tǒng)的諸多性能。Kevlar最初應(yīng)用于降落傘僅局限于繩、帶和縫線，因?yàn)槭艿皆现挥?0、40、100和150 tex幾種規(guī)格的限制。

目前，降落傘傘繩一般用兩種材料，除了芳香族聚酰胺纖維(應(yīng)用較多的是Kevlar)還有超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維(如Spectra、Dyneema)。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的特點(diǎn)是質(zhì)輕，相對(duì)密度只有0.97，可浮于水面，不受水的影響，有很強(qiáng)的抵抗化學(xué)品的能力，還有非常強(qiáng)的抗磨損能力和很好的抵抗彎曲疲勞能力，強(qiáng)度很高，同等線密度的纖維比鋼鐵堅(jiān)固10倍，但減振能力非常小。新一代的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維編織繩只有8 mm寬，但其強(qiáng)度等同于18 mm寬的聚酰胺纖維編織繩，而質(zhì)量只有后者的一半。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的缺點(diǎn)是熔點(diǎn)低(147℃)，只能局限在溫度較低的環(huán)境中使用，高速開傘時(shí)易嚴(yán)重灼傷;超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維表面非常光滑，其繩索打結(jié)大都會(huì)很不結(jié)實(shí)。20世紀(jì)90年代美國的Spectra-1000以及日本的Dyneema已經(jīng)在降落傘上成功應(yīng)用。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維具有優(yōu)異的耐用性(耐海水、耐化學(xué)藥品、耐紫外線輻射及耐溫差反復(fù))等，其繩索操作方便、快速，使用安全，除了用于降落傘傘繩，還廣泛用于漁業(yè)等的重負(fù)荷繩索，如海上打撈、救援系統(tǒng)、海洋石油平臺(tái)系統(tǒng)，停泊、拋錨、拖泊、海洋地震勘測、海底電纜系統(tǒng)用繩，以及帆船用繩索和細(xì)繩系列等［10-13]。

S.K.Pal等［14]的研究，給出了用于織造降落傘傘繩的幾種高性能纖維的性能數(shù)據(jù)，包括超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維Spectra 900、Spectra 1000、Spectra 2000和Dyneema SK-65，芳香族聚酰胺纖維Kevlar 29，聚芳酯纖維Vectran，聚酰胺纖維Nylon 6和 Nylon 66等。S.K.Pal等指出，Kevlar適用于帶式快速降落傘、飛機(jī)降速傘、飛機(jī)抗旋降落傘傘面和傘繩等;Spectra、Dyneema和 Vectran是較新的用于降落傘(包括傘繩、傘面)的高性能纖維，這些材料以前只用于發(fā)達(dá)國家的某些系統(tǒng)中;Spectra和Dyneema窄幅織物用于滑翔傘、充氣傘和其他的運(yùn)動(dòng)傘傘面。S.K.Pal等還研究比較了幾種高性能編織繩的一些性能，如強(qiáng)質(zhì)比、打結(jié)后強(qiáng)力、濕強(qiáng)、金屬的磨損抵抗性和耐化學(xué)腐蝕性等。

2005年上海宏衛(wèi)特種繩帶有限責(zé)任公司［15]研發(fā)的HW防灼定型編織繩獲當(dāng)年紡織工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，該編織繩采用自行開發(fā)的涂層→微波加熱定型→二級(jí)電腦溫控定型的一步法后整理工藝，使產(chǎn)品表面平整，不易起毛，伸長穩(wěn)定，強(qiáng)力增加，防灼性能好，久用不變形，目前主要在空降兵傘、飛機(jī)阻力傘、投物傘、運(yùn)動(dòng)傘等得到廣泛應(yīng)用。

據(jù)成都海蓉特種紡織品有限公司高級(jí)工程師李峰介紹，我國“神舟”飛船的降落傘采用的是強(qiáng)力高、質(zhì)輕、緩沖性好的特制聚酯纖維材料，傘撐開的面積有1 300 m2，回收傘由96根傘繩撐起來，每根傘繩的長度為46 m，每米傘繩的質(zhì)量僅2 g，但每根繩子可承受2 940 N的拉力，保證了飛船的順利返回。

2009年6月我國國防科技大學(xué)與廠家合作完成直徑5 mm，承受拉力19.6 kN以上，8 000 m沒有結(jié)頭的芳香族聚酰胺纖維編織繩，并生產(chǎn)出能承受6.86 kN拉力的直徑3 mm編織繩，總長度達(dá)6 000 m。

2 漁業(yè)用繩的材料發(fā)展與應(yīng)用

直接用來制作漁具的材料主要包括網(wǎng)線、網(wǎng)片、繩索等，廣義的漁具材料還包括制造各類漁具材料所用的原材料，有纖維、鋼絲和塑料等材料，其中最主要的是纖維材料。纖維材料在構(gòu)成整個(gè)漁具(特別是網(wǎng)漁具)的用料中所占的比重最大。不同類型的漁具，依其捕魚原理和操作特點(diǎn)，對(duì)漁具材料的性能各有不同要求，然而也有一些共同的要求。網(wǎng)線、網(wǎng)片和繩索等材料應(yīng)具備的一般特性有:質(zhì)輕，濕態(tài)下具有較高的斷裂強(qiáng)力和打結(jié)強(qiáng)力，適當(dāng)?shù)纳扉L率，良好的彈性、韌性和柔挺性，不大的吸水性和縮水性，良好的抗光性，耐光老化性，耐磨性，耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性，以及對(duì)霉菌等細(xì)菌的腐蝕、對(duì)水生生物附著和啃咬的抵抗能力。

20世紀(jì)40年代以前，幾乎所有漁網(wǎng)的網(wǎng)片和繩索都由植物纖維制成。植物纖維具有一定的物理機(jī)械性能，產(chǎn)量豐富，價(jià)格低廉，這類纖維主要有棉、大麻、亞麻、苧麻、蕉麻(馬尼拉麻)、劍麻(龍舌蘭麻)、棕櫚、椰纖維和稻秸稈等，因其主要成分是纖維素，在水中使用極易受細(xì)菌的分解腐蝕而遭破壞。因此，用植物纖維制成的漁網(wǎng)和繩索必須經(jīng)曬干、油染等防腐處理后方能使用，且使用期限短，具有勞力消耗多和經(jīng)濟(jì)效益低的缺點(diǎn)。

20世紀(jì)40年代以后，合成纖維開始在漁業(yè)中應(yīng)用。這類纖維的主要特性是不腐爛、斷裂強(qiáng)力高、質(zhì)輕等。實(shí)踐證明，合成纖維應(yīng)用于漁業(yè)，對(duì)提高漁具的強(qiáng)度、耐久性和漁獲效率等方面有著重要作用?，F(xiàn)今漁業(yè)中，合成纖維幾乎全部代替了傳統(tǒng)使用的植物纖維，這成為當(dāng)代漁業(yè)最重要的技術(shù)革命之一。漁用合成纖維按其成分主要有:聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯纖維等七大類。其中前四類纖維在漁業(yè)中應(yīng)用最廣，后三類因物理機(jī)械性能較差，漁業(yè)中應(yīng)用不普遍。20世紀(jì)50年代日本曾試用后三類纖維制作繩索和漁網(wǎng)，現(xiàn)亦不多用。

漁用合成纖維一般包括四種基本形態(tài):長絲、短纖維、單絲和裂膜纖維。不同形態(tài)纖維制品性能和用途各不同，以長絲、單絲和裂膜纖維制品的漁用性能為最佳。裂膜纖維來源于一種塑料扎帶，這種扎帶在捻合和制造中，受到拉伸后能自行縱向分裂成若干粗細(xì)不勻的纖維，強(qiáng)度較大，主要用來制造繩索和較粗的網(wǎng)線。

在世界漁業(yè)技術(shù)的發(fā)展中，除推廣使用合成纖維外，還改進(jìn)了漁網(wǎng)材料的結(jié)構(gòu)和制造工藝，網(wǎng)線和繩索由捻制法發(fā)展為編織法，提高了制品的技術(shù)性能和使用性能［6，9，15]。

3 船用纜繩纖維材料的發(fā)展

船用纜繩亦從使用麻纖維等植物纖維發(fā)展到使用質(zhì)輕、強(qiáng)度大的化學(xué)纖維。船用纜繩性能要求有在濕態(tài)下具有高的斷裂強(qiáng)力和打結(jié)強(qiáng)力，吸水性和縮水性較小，耐化學(xué)腐蝕性好，以及對(duì)霉菌等細(xì)菌的腐蝕、對(duì)水生生物附著和啃咬的抵抗能力?；瘜W(xué)纖維纜繩分為普通化學(xué)纖維纜繩系列和特種化學(xué)纖維纜繩系列。普通化學(xué)纖維纜繩包括聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺纖維纜繩，防靜電纖維纜繩和混編纜繩系列等;特種化學(xué)纖維纜繩又分為普通化學(xué)纖維復(fù)合繩索系列、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維纜繩系列和芳香族聚酰胺纖維纜繩系列。纜繩的結(jié)構(gòu)有3股、4股、6股、7股、8股、12股、16股、圓股、48股、雙層多股編織等，直徑3～160 mm不等?，F(xiàn)在，國內(nèi)外根據(jù)繩索的用途不同，各種化學(xué)纖維纜繩在各個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用。

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維船用繩索是由高性能纖維經(jīng)過特定加工工藝制成的，是目前世界上強(qiáng)度非常高的繩索，具有柔軟、易操作等特點(diǎn)，質(zhì)輕可漂浮于水面，比同等直徑鋼絲繩輕85%左右，比同等直徑鋼絲強(qiáng)度高1.5倍左右。該繩索問世后部分替代了傳統(tǒng)鋼絲繩，在船用纜繩等一些特殊行業(yè)中應(yīng)用，如許多國家廣泛應(yīng)用于船舶系泊(軍用、民用)、海洋救助、運(yùn)輸?shù)跹b等，其優(yōu)越性能已經(jīng)得到了充分的肯定。據(jù)報(bào)道，美國、俄羅斯等國家已經(jīng)用超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維繩索裝備海軍艦艇，以提高艦艇的戰(zhàn)斗力。目前我國在用高強(qiáng)度纖維材料裝備海軍艦艇方面還是空白［8，10]。

4 結(jié)語

本文介紹了三種特殊用途的繩的變遷，可以反映各類特殊用途繩的發(fā)展歷程，主要是從原料和織造結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面來提高繩的性能。起初繩的原料都是天然纖維，隨著化學(xué)纖維的興起，特別是各種高性能纖維如芳香族聚酰胺纖維、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維等被用于織造繩，各領(lǐng)域繩的應(yīng)用性能快速提高。隨著高性能纖維的發(fā)展，越來越多領(lǐng)域應(yīng)用的天然纖維繩和鋼絲繩等將會(huì)被取而代之，高性能纖維材料繩的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛。繩的編織技術(shù)也由原來的單股編織逐漸發(fā)展為多股編織，現(xiàn)在24股并且含芯的編織繩也已廣泛應(yīng)用。

各類船舶配備、漁業(yè)捕撈、港口裝卸、電力施工、石油勘探、體育用品、國防科研、航空航天等領(lǐng)域?qū)K的性能要求越來越高，需求量也越來越多。隨著各種高性能纖維的應(yīng)用及織造技術(shù)的發(fā)展，各種高性能的繩將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

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The development and application of fiber materials for special ropes

Niu Pengxia，Yang Caiyun (College of Textiles，Tianjin Polytechnic University)

Ropes is a specific kind of textiles.With the development of science and technology，the performance of special ropes is constantly upgrade，they have play more important roles.The developments and applications of special ropes were introduced by adoptive materials of parachute lanyard，ropes for fishing and marine ropes from plant fibers to high performance fibers.

special rope，parachute lanyard，rope for fishing，marine rope，development，application

TS156.43

A

1004－7093(2010)12－0033－04

2009－12－31;修改稿:2010－12－08

牛鵬霞，女，1985年生，在讀碩士研究生。主要從事芳綸編織繩方面的研究。