漁用高性能繩索材料的研究進(jìn)展

徐俊杰 石建高 王猛 孫斌 邱昱 李守湖 張文陽(yáng)

摘 要：繩索是重要的漁具材料，在漁業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，其綜合性能直接影響到漁業(yè)生產(chǎn)效率及安全。本文主要圍繞超高分子量聚乙烯（UHMWPE）繩索、鋼絲繩、碳纖維繩索的主要性能及改性研究進(jìn)行綜述，分析對(duì)比了三種漁用高性能繩索材料在斷裂性能、抗腐蝕性能、抗蠕變性能等綜合性能上的優(yōu)缺點(diǎn);介紹了它們?cè)跐O業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，為漁用繩索新材料的進(jìn)一步研發(fā)及應(yīng)用提供理論參考。此外，本文回顧了漁用高性能繩索材料前期研究方向及應(yīng)用技術(shù)方面的重點(diǎn)與難點(diǎn)，建議今后加強(qiáng)其基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：高性能繩索;漁具材料; UHMWPE繩索;鋼絲繩;碳纖維繩索;深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱

中圖分類號(hào)： S971

繩索是一種重要的漁具材料，其強(qiáng)力、耐磨性、抗疲勞性、抗蠕變性和抗沖擊性等綜合性能直接影響漁具的使用效果。人類早期使用的繩索多為天然纖維繩索，在當(dāng)時(shí)的歷史條件之下，天然纖維繩索材料易于得到，并且繩索的性能已經(jīng)基本滿足當(dāng)時(shí)人類生活需求，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展發(fā)揮了重要作用[1]。隨著18世紀(jì)工業(yè)革命的興起及發(fā)展，天然纖維繩索的性能已經(jīng)不能滿足人類的生產(chǎn)活動(dòng)要求，因此，各種合成纖維繩索應(yīng)運(yùn)而生，人們開發(fā)應(yīng)用了多種高性能繩索。在由天然纖維繩索過渡到高性能繩索的過程中，合成纖維繩索逐步占據(jù)主要繩索市場(chǎng)。常見的合成纖維繩索有聚酯（PET）纖維繩索、聚乙烯纖維繩索、聚丙烯纖維繩索等七類。這些普通合成纖維繩索相對(duì)于傳統(tǒng)天然纖維繩索，在防腐性能等方面取得了極大的進(jìn)步，已廣泛應(yīng)用于拖網(wǎng)、網(wǎng)箱和養(yǎng)殖圍欄等領(lǐng)域[2]。隨著各種高性能纖維材料的出現(xiàn)，人們開始研發(fā)應(yīng)用漁用高性能繩索。如UHMWPE繩索已替代普通合成纖維繩索在半潛式養(yǎng)殖裝備等深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用。又如鋼絲繩強(qiáng)度高、工作相對(duì)較平穩(wěn)、不易突然整根折斷，工作可靠，可在拖網(wǎng)曳綱等領(lǐng)域應(yīng)用。碳纖維繩索也以其良好的綜合性能，較輕的質(zhì)量成為高性能繩索的一員，被許多漁具生產(chǎn)商所青睞。這些高性能繩索應(yīng)用于漁業(yè)中，不僅可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減小網(wǎng)具或養(yǎng)殖設(shè)施水阻力，而且可以擴(kuò)大網(wǎng)具或養(yǎng)殖設(shè)施主尺度、提高作業(yè)效率與使用壽命。因此，高性能繩索是一種很有開發(fā)潛力的漁用繩索，產(chǎn)業(yè)前景廣闊[3]。本文概述了UHMWPE繩索、鋼絲繩、碳纖維繩索等三種漁用高性能繩索材料的相關(guān)性能及研究進(jìn)展等，分析比較其優(yōu)劣，旨在為漁用高性能繩索材料的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 UHMWPE繩索

UHMWPE纖維復(fù)絲具有強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)小、自重輕、耐磨耗、特柔軟和易操作等特點(diǎn)，因而它在安全防護(hù)、漁業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用[4]。隨著遠(yuǎn)洋大型漁具、半潛式養(yǎng)殖裝備、大型養(yǎng)殖圍欄等的發(fā)展，UHMWPE繩網(wǎng)產(chǎn)品逐步在漁業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 UHMWPE繩索基體纖維的抗斷裂性能

UHMWPE繩索基體纖維——UHMWPE纖維具有良好的力學(xué)性能， 在相同線密度下的抗拉伸強(qiáng)度比芳綸高出40%， 是普通化學(xué)纖維的10倍[5]。因此，由UHMWPE纖維制成的UHMWPE繩索較同規(guī)格的普通纖維繩索具有更好的抗斷裂性能。UHMWPE纖維的密度為不銹鋼絲的 1/8、碳纖維的1/2、玻璃纖維的2/5，但它的強(qiáng)度是不銹鋼絲強(qiáng)度的5 倍，是碳纖維和玻璃纖維的1.6倍[6]。為保障漁業(yè)生產(chǎn)安全，人們對(duì)漁用繩索基體纖維材料的抗斷裂性能提出了高標(biāo)準(zhǔn)要求，為此，部分學(xué)者嘗試通過往UHMWPE原料中添加其它材料來增強(qiáng)UHMWPE復(fù)合材料的抗斷裂性能。

1.2 UHMWPE繩索基體纖維的耐磨性能

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11542中將UHMWPE的分子量定義為100萬(wàn)以上，因此UHMWPE材料是一種具有極高分子量的材料，這種極高分子量的結(jié)構(gòu)給予了UHMWPE纖維超高的耐磨性。UHMWPE的耐磨性能甚至是碳鋼將近7倍。盡管UHMWPE的耐磨性能居塑料之冠，但是由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，對(duì)漁用UHMWPE繩索提出了更高要求，促使科學(xué)界需要進(jìn)一步提高制品的耐磨性能。首先，相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，高結(jié)晶度的制品應(yīng)當(dāng)具有更高的表面彈性模量和硬度，從而可能會(huì)有利于提升制品的耐磨性能[7]。Simis等[8]通過高壓（300 MPa）結(jié)晶將GUR1050的結(jié)晶度從50.2%提高到70.9%，通過對(duì)比兩種制品磨損后的SEM形貌圖，能夠得出高結(jié)晶度制品的耐磨性能更優(yōu)。也有部分研究人員認(rèn)為通過簡(jiǎn)捷的填充共混改性可以增強(qiáng)UHMWPE的耐磨性。胡永樂[9]認(rèn)為，通過添加二硫化鉬和石墨，在摩擦面形成黏著牢固的轉(zhuǎn)移膜，其磨損機(jī)理會(huì)表現(xiàn)為疲勞磨損，同時(shí)兩者都能改善材料的耐溫性或者提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此二硫化鉬和石墨都能夠改善材料的摩擦磨損性能。其中改善效果最佳的二硫化鉬和石墨含量均為25%左右，改進(jìn)后的UHMWPE材料的耐磨性能相對(duì)于純的UHMWPE材料有大幅度的提高。將上述改性后的UHMWPE材料制作UHMWPE繩索，則可大大提高產(chǎn)品的耐磨性能。

1.3 UHMWPE繩索基體纖維的抗腐蝕性能

UHMWPE纖維由于化學(xué)結(jié)構(gòu)單一，并且具有高度取向和高度結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，因此能耐絕大部分化學(xué)物質(zhì)腐蝕，只有極少數(shù)有機(jī)溶劑能使該纖維產(chǎn)生輕度溶脹[6]，這種極度穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)同樣使得它具有極其優(yōu)異的耐老化性能，在長(zhǎng)期光照環(huán)境中，同樣能保持高強(qiáng)高模的特性。UHMWPE材料的這種優(yōu)秀耐腐蝕性能也被各種企業(yè)用于漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中。漁用繩索由于需要長(zhǎng)期浸泡于海水之中，海水中含有的各種化學(xué)物質(zhì)具有很強(qiáng)的腐蝕性，普通材料制成的繩索長(zhǎng)期處于這種環(huán)境中，很有可能會(huì)因此斷裂。用UHMWPE纖維制成的繩索，得益于本身的極強(qiáng)耐腐蝕性，很快被各大漁業(yè)公司青睞。為了使UHMWPE纖維獲得更好的抗腐蝕性能，相關(guān)學(xué)者也對(duì)UHMWPE材料進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。曾黎明等[10]通過將UHMWPE材料浸泡在鉻酸溶液之中進(jìn)行酸腐蝕處理，將酸腐蝕處理之后的材料實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，鉻酸可以對(duì)UHMWPE材料的表面活性起到比較明顯的改進(jìn)作用。王成忠等[11]經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，UHMWPE纖維經(jīng)過鉻酸氧化表面處理，以及各種類型的上膠劑處理都可以提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，但是氧化處理時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致纖維強(qiáng)度下降，這就會(huì)導(dǎo)致UHMWPE纖維的抗腐蝕能力下降，相關(guān)繩網(wǎng)制品容易破壞。但是通過液相氧化和表面活性上膠劑涂覆相結(jié)合的復(fù)合處理，可使其具有協(xié)同效應(yīng)，就可以在纖維的表面接枝活性官能團(tuán)，從而使得纖維和樹脂基體產(chǎn)生化學(xué)鍵合，這樣就基本不會(huì)降低纖維強(qiáng)度而大幅度提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，是一種比較方便有效的表面處理方法，能夠有效提高UHMWPE纖維的抗腐蝕性能。將上述改性后的UHMWPE材料制作UHMWPE繩索，則可大大提高繩索網(wǎng)具等產(chǎn)品的抗腐蝕性能與使用壽命，這進(jìn)一步推動(dòng)了UHMWPE繩索在深水網(wǎng)箱、深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖、遠(yuǎn)洋漁業(yè)等漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.4 UHMWPE繩索材料的綜合性能研究進(jìn)展

UHMWPE纖維具有極好的力學(xué)綜合性能，因此由UHMWPE纖維制成的UHMWPE繩索也被各相關(guān)科學(xué)界深入研究。石建高等[12]對(duì)UHMWPE繩索的力學(xué)性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，與相同直徑的其它材料繩索相比，UHMWPE繩索的斷裂強(qiáng)力性能有極大的優(yōu)勢(shì)，如果用UHMWPE繩索代替普通纖維繩索用于網(wǎng)箱等水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備，可降低網(wǎng)箱阻力、減少網(wǎng)箱箱體原材料消耗，進(jìn)而能夠提高網(wǎng)箱的使用周期、提升網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪性能，滿足現(xiàn)代網(wǎng)箱的大型化、離岸化和低碳化等功能需求。馬海有等[13]研究了UHMWPE復(fù)合繩加工工藝，結(jié)果表明，繩索的斷裂強(qiáng)力與其加捻程度成反比，因?yàn)閷?duì)繩索的加捻程度越大，繩索中的纖維受到的剪切力越大，繩索的斷裂強(qiáng)力也就因此下降。因此在將UHMWPE纖維制成繩索時(shí)，要注意其加捻程度;相關(guān)試驗(yàn)證明，捻系數(shù)在4.9～5.5的UHMWPE繩索，其整體結(jié)構(gòu)較好。UHMWPE繩索的抗疲勞性能決定著繩索的使用壽命，因此相關(guān)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了深入研究，呂生華等[5]通過不同捻度UHMWPE繩索的斷裂強(qiáng)力對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，捻度越大UHMWPE繩索受到的橫向剪切力就越大，這就相當(dāng)于在繩索側(cè)面添加了一個(gè)剪切力，因此，在使用UHMWPE纖維制作繩索時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量使用低捻度或者無(wú)捻度纖維，來減少斷裂強(qiáng)力的損失。綜上，UHMWPE繩索特別適用于需要高性能繩索的領(lǐng)域（如離岸網(wǎng)箱、遠(yuǎn)洋漁具、半潛式養(yǎng)殖裝備、深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖圍欄、深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱、離岸貝藻養(yǎng)殖設(shè)施等領(lǐng)域），這也是近年來UHMWPE繩索相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的一個(gè)重要原因[12]。

2 鋼絲繩

鋼絲繩以鋼絲為基體纖維，具有強(qiáng)度高、抗蠕變、抗磨損等性能，主要應(yīng)用于漁業(yè)、鋼鐵、化工、運(yùn)輸和港口等行業(yè)。但是鋼絲繩因?yàn)椴馁|(zhì)的原因，在漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，純鋼絲繩的耐腐蝕能力不強(qiáng)，因此如何解決漁用鋼絲繩的耐腐蝕性能一直是漁業(yè)界亟待解決的關(guān)鍵問題。

2.1 鋼絲繩基體纖維的抗拉性能

鋼絲繩材料以特種基體纖維——鋼絲加工而成，具有極強(qiáng)的抗拉性能。雖然普通鋼絲繩材料的抗拉性能已經(jīng)滿足日常使用，但由于漁用鋼絲繩需要承受更大的強(qiáng)力，因此對(duì)其抗拉性能有著更高要求。鋼絲繩自投入使用之日起始終處于不同的軸向載荷作用，當(dāng)鋼絲繩處于拉伸狀態(tài)時(shí)，從局部角度去考慮，鋼絲繩內(nèi)部的股與股之間，絲與絲之間必然相互擠壓形成內(nèi)力，并且此內(nèi)力使絲股沿著螺旋角的方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移[14]。從整體角度去考慮，鋼絲繩除受軸向作用力產(chǎn)生拉伸變形，還受到徑向作用力使之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。因此，拉伸引起的扭轉(zhuǎn)載荷在鋼絲繩使用后就始終存在，是鋼絲繩極其普遍且重要的載荷之一[15]。部分企業(yè)及學(xué)者嘗試通過增加金屬元素的方式來提升鋼絲繩的抗拉性能，在熱處理過程中，通過摻雜合金元素的辦法可以使成型的鋼絲獲得更加優(yōu)異的機(jī)械性能。鋼絲在鋼絲繩中起主要承載作用，鋼絲的力學(xué)性能會(huì)對(duì)整個(gè)鋼絲繩的承載能力產(chǎn)生決定性作用[16]。

2.2 鋼絲繩基體纖維的抗蠕變性能

深水網(wǎng)箱、養(yǎng)殖圍欄、半潛式養(yǎng)殖裝備等水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施對(duì)繩索的抗蠕變性提出了嚴(yán)格要求[15]。袁行飛等[17]通過進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間蠕變實(shí)驗(yàn)得出，鋼絲繩在常溫下的蠕變應(yīng)變具有相似的時(shí)間發(fā)展規(guī)律：在初期較短時(shí)間內(nèi)，蠕變發(fā)展迅速，近似等同于線性增長(zhǎng);隨后增長(zhǎng)的速率逐漸減小，最終趨于平緩;大約180 d（4 300 h）后，蠕變應(yīng)變以比較穩(wěn)定的速率增長(zhǎng)。Ivanco等[18]通過對(duì)鋼絲繩的蠕變規(guī)律進(jìn)行有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鋼絲之間的空隙對(duì)鋼絲繩的蠕變性能影響較大，隨著鋼絲繩股蠕變應(yīng)力的增加，鋼絲繩軸芯的存在能夠有效提升鋼絲繩的抗蠕變性能。周立平[19]通過對(duì)鋼絲繩施加預(yù)加應(yīng)力，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，經(jīng)過預(yù)加應(yīng)力的鋼絲的蠕變現(xiàn)象及其預(yù)應(yīng)力損失，隨火場(chǎng)環(huán)境溫度的增大而增大。通過新材料技術(shù)提高鋼絲的抗蠕變性能，可相應(yīng)提高漁用鋼絲繩的抗蠕變性能。

2.3 鋼絲繩基體纖維的耐磨性能

鋼絲繩在使用的時(shí)候，會(huì)受交變應(yīng)力的影響，因此，鋼絲繩會(huì)出現(xiàn)一定程度的彈性拉伸變化，當(dāng)兩根互相接觸的鋼絲之間產(chǎn)生不同步變形時(shí)，它們之間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而引發(fā)微動(dòng)磨損，磨損會(huì)造成鋼絲繩的受磨損部位逐漸變細(xì)[20]。因此想辦法改善提高鋼絲繩的耐磨性能，是漁業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域研究人員亟待解決的問題。目前最普遍的改善鋼絲繩耐磨性能的方法，是把鋼絲繩的鋼絲表面進(jìn)行磷化處理，在鋼絲的表面上形成質(zhì)量約為3～60 g/m2的磷化膜涂層[21]。在對(duì)鋼絲繩進(jìn)行磷化處理的時(shí)候，一般會(huì)使用錳系或鋅錳系等耐磨磷化配方，耐磨磷化層和潤(rùn)滑油共同作用，從而起到降低鋼絲之間摩擦力、抑制微動(dòng)磨損的發(fā)生，進(jìn)而有效抑制或者緩解微動(dòng)疲勞的發(fā)生，提高鋼絲繩的耐磨損特性[22]。提高鋼絲繩的耐磨性，可以進(jìn)一步提高捕撈漁具等相關(guān)裝備的安全性與使用壽命。

2.4 鋼絲繩的綜合性能

鋼絲繩的傳動(dòng)在漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)之中占有極其重要的地位，由于用到鋼絲繩的地方大多涉及到重型器械的使用，一旦出現(xiàn)安全問題就是一場(chǎng)重大事故，因此鋼絲繩的性能研究必須得到重視。鋼絲繩通常都與滑輪組配合使用，因此廖紅衛(wèi)[23]分析對(duì)比了低硬度滑輪、中硬度滑輪、中高硬度滑輪以及高硬度滑輪對(duì)鋼絲繩的影響，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)鋼絲繩的使用壽命曲線呈現(xiàn)M型，這也就是說，滑輪的表面硬度過高或者過低，對(duì)于鋼絲繩的壽命都不利，因此在鋼絲繩的使用中，應(yīng)當(dāng)盡量選用中硬度或者中高硬度的滑輪來配合使用。何敬[24]通過改變鋼絲繩的整體結(jié)構(gòu)來改變鋼絲繩抗拉能力，對(duì)于截面形狀為橢圓股和三角股的鋼絲繩，減小鋼絲繩的側(cè)絲直徑是一種降低其應(yīng)力的方法。同時(shí)，三角股鋼絲繩的抗拉伸性能要優(yōu)于橢圓股鋼絲繩的抗拉伸性能。因此，三角股鋼絲繩在漁業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用潛力更大。谷威等[25]認(rèn)為鋼絲繩在使用過程中，有可能會(huì)因?yàn)檩^長(zhǎng)的使用距離而導(dǎo)致其發(fā)生彎曲，而在滑輪處會(huì)因?yàn)閺澢a(chǎn)生彎曲應(yīng)力，因此在鋼絲繩使用過程中，應(yīng)當(dāng)在安全拉力的前提下，盡量加大鋼絲繩縱向拉力，并且應(yīng)當(dāng)定期對(duì)鋼絲繩表面產(chǎn)生的挫傷、斷絲等進(jìn)行檢查，及時(shí)檢查，及時(shí)處理。

3 碳纖維繩索

碳纖維繩索相對(duì)于其它傳統(tǒng)漁用繩索材料而言，比較突出的性能有，較高的強(qiáng)度、較高的抗疲勞性以及較小的伸長(zhǎng)率[26]。例如相對(duì)于鋼絲繩來說，碳纖維繩索不僅有高于鋼絲繩的拉伸模量，而且又有相對(duì)鋼鐵數(shù)倍乃至數(shù)十倍的拉伸性能，并且更重要的一點(diǎn)是其具有纖維的可編織性能，因此由碳纖維制成的碳纖維繩索，正好可以彌補(bǔ)高分子材料繩索以及鋼絲繩的一些不足，得到性能較佳的高性能繩索[20]。

3.1 碳纖維繩索基體纖維的高比強(qiáng)度

在漁用纖維材料中，碳纖維繩索基體纖維——碳纖維材料的強(qiáng)度較高。碳纖維彈性模量值僅為鋼絲材料的3/4，碳纖維繩索相對(duì)于同等規(guī)格的鋼絲繩自重也小得多。雖然碳纖維的強(qiáng)度相對(duì)于其他材料已經(jīng)足夠高，但是一些相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者也在通過各種方式來提升碳纖維的性能。例如，一些學(xué)者通過處理碳纖維繩索的表面來試圖進(jìn)一步提升碳纖維繩索的抗拉強(qiáng)度[27]，通過對(duì)碳纖維的表面進(jìn)行處理，碳纖維的表面粗糙度可以得到有效提升，碳纖維和基體樹脂之間的界面接合也能夠得到有效提升，從而使得界面層能夠有效地傳遞載荷，極大地增強(qiáng)了碳纖維的強(qiáng)度和模量，使其強(qiáng)度的利用率能夠達(dá)到80%～90%;與此相反，沒有經(jīng)過表面處理的碳纖維，其強(qiáng)度利用率僅為50%～60%。Xie等[28]將碳纖維經(jīng)過等離子體空氣處理后，制得碳纖維聚酰亞胺復(fù)合材料，等離子體處理可能導(dǎo)致單纖維在長(zhǎng)應(yīng)變片長(zhǎng)度時(shí)的抗拉強(qiáng)度降低，但在短應(yīng)變片長(zhǎng)度時(shí)可能發(fā)生相反的情況。綜上，人們可以利用碳纖維材料強(qiáng)度高的特性，研發(fā)應(yīng)用高強(qiáng)度的漁用高性能碳纖維繩索。

3.2 碳纖維繩索基體纖維的抗疲勞性

碳纖維及其復(fù)合材料有良好的抗疲勞性能，在經(jīng)過長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)疲勞之后仍能保持較高的強(qiáng)度[29]。王成忠等[30]選取了一段碳纖維拉擠復(fù)合材料，在經(jīng)過1 000萬(wàn)次的高頻高應(yīng)力比的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)之后，這段碳纖維材料拉伸強(qiáng)度仍舊保持在90%，表現(xiàn)出了比鋼質(zhì)材料更寬的應(yīng)力范圍。單向的碳纖維復(fù)合材料當(dāng)受到拉伸應(yīng)力時(shí)，其負(fù)荷大部分由碳纖維承受，而碳纖維具有良好的抗疲勞性[31]。疲勞是由原子滑移積累所導(dǎo)致[32]，而碳纖維的基本結(jié)構(gòu)是碳六角網(wǎng)面的積層體，其所受到的拉力能夠被均勻分布到每層石墨層面，而其層面上所受的力也能由碳原子共同承擔(dān)，受力后的層間滑移并不會(huì)影響積層體的微晶結(jié)構(gòu)。這也是碳纖維在長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)疲勞之后仍能夠保持較高強(qiáng)度的原因。人們可以利用碳纖維材料抗疲勞的特性，研發(fā)應(yīng)用耐疲勞的漁用高性能碳纖維繩索。

3.3 碳纖維繩索基體纖維的伸長(zhǎng)率

碳纖維的伸長(zhǎng)率相對(duì)于其它傳統(tǒng)纖維材料來說較小，純碳纖維制成的繩索容易發(fā)生脆斷，這是由于碳纖維的極限應(yīng)變較小，在豎纖維承重的時(shí)候，單根纖維之間的形變不統(tǒng)一，在一根纖維斷裂后，其他纖維也會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中很快發(fā)生斷裂[33]。部分學(xué)者通過改變常規(guī)的碳纖維繩索編織結(jié)構(gòu)來提高其斷裂伸長(zhǎng)率與延伸性。原婷婷[34]利用繩編法制得一種新型碳纖維繩索，其結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定;且用三維編織機(jī)制得的上述新型碳纖維繩索結(jié)構(gòu)緊密。繩編法和三維編織法均為較合適的制備方式，經(jīng)過對(duì)制成的碳纖維繩索的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，能夠確定繩編法是一種更為理想的漁用碳纖維繩索的編織方法，可有效提升漁用碳纖維繩索的伸長(zhǎng)率、延伸性和抗沖擊性。

3.4 碳纖維繩索材料的綜合性能

碳纖維繩索的基本組成是碳纖維，這也就是說碳纖維繩索本身帶有一些碳纖維的基本特性，比如脆性高、不耐屈撓，并且，雖然碳纖維相對(duì)于鋼絲繩之類的繩索有更好的可編性，但是相對(duì)于其它的柔性纖維，其柔韌性就相對(duì)較差，這也就導(dǎo)致碳纖維繩索在制造和使用過程之中容易發(fā)生局部斷裂。劉建軍等[35]研究發(fā)現(xiàn)碳纖維繩索表面有起毛現(xiàn)象是碳纖維繩索發(fā)生斷裂的一個(gè)原因，因此嘗試將碳纖維繩索用Lago45乳液進(jìn)行處理，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，碳纖維繩索在經(jīng)過Lago45乳液處理過后，會(huì)在繩索表面形成一層柔韌的保護(hù)膜，這層保護(hù)膜可以有效避免碳纖維束之間的相互摩擦，從而有效抑制碳纖維繩索的起毛現(xiàn)象，提升碳纖維繩索的抗斷裂性能。碳纖維的高模量特性也使得碳纖維繩索在制繩過程之中容易發(fā)生斷裂;如果碳纖維之間的排列方式不合理，就會(huì)使碳纖維繩索整體或者局部受力不均，從而導(dǎo)致碳纖維的利用率較低，進(jìn)而引發(fā)碳纖維繩索的局部斷裂。劉建軍等[35]研究結(jié)果表明，在碳纖維繩索制備過程中，加捻的時(shí)候，捻數(shù)控制在15 n/m，碳纖維的利用率達(dá)到最高值94%左右;在合股操作中，將合股傾斜度控制在4.5左右，會(huì)使碳纖維的強(qiáng)度利用率達(dá)到最高值93%左右。碳纖維繩索的斷裂伸長(zhǎng)要比鋼絲繩小得多，它的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為一條直線，中間沒有屈服點(diǎn)，在多次重復(fù)使用之中也沒有參與應(yīng)變，在應(yīng)力振幅較小的情況之下幾乎沒有疲勞現(xiàn)象發(fā)生[2]，在應(yīng)力振幅較大時(shí)表現(xiàn)出了良好的抗疲勞特性。此外，碳纖維繩索耐腐蝕，不生銹和優(yōu)良的耐受性相對(duì)于鋼絲繩和傳統(tǒng)纖維繩索也有很大優(yōu)勢(shì)[3]。

4 展望

4.1 三種繩索材料未來的研究方向和重點(diǎn)難點(diǎn)

UHMWPE繩索的抗斷裂強(qiáng)力、耐磨性能、耐腐蝕性能等性能優(yōu)異，因此目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種新型漁具設(shè)施之中，例如“深藍(lán)1號(hào)”深海漁場(chǎng)、“長(zhǎng)鯨1號(hào)”深遠(yuǎn)海智能化坐底式網(wǎng)箱、雙圓周管樁式大型養(yǎng)殖圍欄、超大規(guī)模牧場(chǎng)化堤壩圍欄和網(wǎng)格式養(yǎng)殖圍欄等深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖設(shè)施上都有UHMWPE繩索的身影。伴隨著現(xiàn)代漁業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，高性能繩索必將以其更加出色的力學(xué)綜合性能在漁需物資市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。目前為止，限制UHMWPE繩索發(fā)展的一項(xiàng)重要原因是其價(jià)格偏高，但是隨著UHMWPE纖維材料的規(guī)模化發(fā)展、系統(tǒng)研發(fā)，必將改性出性能更為優(yōu)良，價(jià)位更加合理的UHMWPE繩索，屆時(shí)必將迎來UHMWPE繩索網(wǎng)具產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

鋼絲繩因其特殊的材質(zhì)，帶來了相對(duì)于其他傳統(tǒng)合成纖維繩索的更高抗斷裂性能[36]，因此，僅從這方面考慮，鋼絲繩是一種理想的漁用高性能繩索材料。但與其他高性能繩索相比，鋼絲繩在相同規(guī)格的情況之下，其重量達(dá)到了合成纖維繩索的數(shù)倍，并且由于長(zhǎng)期處于海水環(huán)境之中，海水對(duì)鋼絲繩的腐蝕也是漁用鋼絲繩材料的一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題，相信隨著漁具新材料的深入研究，例如改變鋼絲繩結(jié)構(gòu)及其后處理技術(shù)，在漁用鋼絲繩表面涂抹耐腐蝕涂層等，一定會(huì)解決漁用鋼絲繩的耐腐蝕問題，使其更好地應(yīng)用于漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中。

碳纖維繩索不僅重量輕，比強(qiáng)度高、比模量高，而且耐腐蝕，在高溫和低溫環(huán)境中線膨脹系數(shù)小，性能穩(wěn)定而柔軟，具有傳統(tǒng)纖維繩索不可替代的優(yōu)越性[3]。在海洋生產(chǎn)活動(dòng)中，鋼絲的自由斷裂長(zhǎng)度很短，但是碳纖維繩索則顯示出優(yōu)異的自懸垂性[37]，這也就是說，密度較大的繩索材料在應(yīng)用于漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中時(shí)，需要用大量浮力發(fā)泡體來提供浮力，而碳纖維復(fù)合材料卻可以省去這部分費(fèi)用。碳纖維繩索的缺點(diǎn)就是碳纖維材料的抗剪切能力較差，彈性模量較低[38]，因此，在今后的相關(guān)研究中，這些問題亟待進(jìn)一步解決。隨著上述問題的逐步解決，碳纖維繩索材料必將成為漁用生產(chǎn)領(lǐng)域的重要漁具材料。

4.2 高性能繩索的未來發(fā)展

隨著社會(huì)發(fā)展和人們生產(chǎn)水平的提高，大家對(duì)繩索的性能也產(chǎn)生了更高需求，伴隨而來的就是繩索技術(shù)的日益提升和繩索性能的重大跨越。近年來，新型高性能繩索逐漸成為世界繩索產(chǎn)業(yè)的新寵[1]。由于新型漁用高性能繩索的研制擴(kuò)大了高性能繩索的使用空間，也提高了漁用高性能繩索在整個(gè)繩索使用中的比重。隨著我國(guó)遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)工作的推進(jìn)、深遠(yuǎn)海綠色養(yǎng)殖戰(zhàn)略的實(shí)施、雙碳戰(zhàn)略及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的貫徹落實(shí)，現(xiàn)代漁業(yè)對(duì)高性能繩索的需求更加迫切[39]。盡管部分新型漁用高性能繩索的研發(fā)與應(yīng)用還處于起步階段，我國(guó)繩網(wǎng)技術(shù)專家及企業(yè)開始在這方面有所嘗試，但這還局限在新型高性能繩索材料的應(yīng)用方面，在繩索構(gòu)造與工業(yè)方面則仍然沿襲著傳統(tǒng)技術(shù)，缺乏重大的原創(chuàng)技術(shù)突破。在國(guó)外繩索發(fā)達(dá)國(guó)家，由于繩索生產(chǎn)商尤其是繩索加工廠家分工更為精細(xì)，專業(yè)知識(shí)更為明晰，所以他們對(duì)繩索新技術(shù)的需求和能力也就更加專業(yè)。隨著現(xiàn)代漁業(yè)繩索應(yīng)用的增加以及應(yīng)用場(chǎng)景的多元化，對(duì)漁用繩索的特性以及環(huán)境的適應(yīng)性也提出了更加具體和規(guī)范的技術(shù)需求。這一方面的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)也是現(xiàn)代繩索，尤其是漁用高性能繩索發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。

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Research progress of high performance rope materials for fishery

XU Junjie1，2，SHI Jiangao2，3，WANG Meng2，4，SUN Bin1，2，QIU Yu1，2，LI Shouhu1，2，ZHANG WenYang2，3

（1. Shanghai Ocean University， School of Marine Science， Shanghai 201306，China;2.East China Sea Aquatic Research Institute， China Academy of Aquatic Sciences， Shanghai 200090，China;3.Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Rope Netting Product Quality Supervision and Testing Center， Shanghai 200090，China;4.Shanghai Polytechnic University， School of Materials and Chemistry， Shanghai 200093，China）

Abstract：Rope is an important fishing gear material， which plays an important role in the fishery production process， and its comprehensive performance directly affects the production efficiency and safety of the industry. This paper mainly focused on the research progress of ultra-high molecular weight polyethylene （UHMWPE） fiber rope， wire rope， carbon fiber rope and other research progress， analyzed and compared the advantages and disadvantages of three kinds of fishing high-performance rope materials in the comprehensive performance of anti-fracture， anti-corrosion， anti-creep performance， etc. In addition， this paper reviewed the research direction and application technology of high-performance rope materials for fishing， and suggested that the basic research and industrialization application technology research of fishing rope materials should be strengthened in the future.

Key words：high performance rope;fishing gear materials;UHMWPE fiber rope;wire rope; carbon fiber rope;deep-sea cage

（收稿日期：2021-12-17;修回日期：2022-02-11）