帆船用纖維繩索簡(jiǎn)介及其發(fā)展現(xiàn)狀

李 亮 郜阿旺 宋炳濤 曹寶學(xué) 韓冀川 張海永 劉 鵬

1. 中國(guó)人民解放軍92228部隊(duì)，北京 100072； 2. 山東魯普科技有限公司，山東 泰安 271000

帆船游艇航海運(yùn)動(dòng)是繼賽車(chē)、高爾夫球運(yùn)動(dòng)之后出現(xiàn)的更高層次的時(shí)尚體育休閑運(yùn)動(dòng)，其要求參與者具備良好的綜合素質(zhì)[1-2]。帆船游艇運(yùn)動(dòng)屬于一種費(fèi)用高昂的航海運(yùn)動(dòng)，在目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)尚不發(fā)達(dá)的情況下，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)還難以向大眾化普及[3]。我國(guó)海域遼闊，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，相信不久的將來(lái)，帆船航海運(yùn)動(dòng)在我國(guó)會(huì)迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展與普及階段[4]。經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的專(zhuān)家認(rèn)為，帆船航海運(yùn)動(dòng)在我國(guó)屬于一項(xiàng)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，蘊(yùn)藏著巨大的潛力與商機(jī)，將成為海洋經(jīng)濟(jì)未來(lái)發(fā)展中一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)[5]?；诖?，附屬于該領(lǐng)域的帆船用纖維繩索產(chǎn)品，也具有極大的市場(chǎng)潛力與研究?jī)r(jià)值。

1 帆船用纖維繩索界定

歐洲在法律上將游艇界定為長(zhǎng)度不小于2.5 m的，用于非營(yíng)利性的海上運(yùn)動(dòng)、釣魚(yú)運(yùn)動(dòng)或娛樂(lè)的航水器具或設(shè)備。國(guó)際市場(chǎng)上通常將長(zhǎng)度超過(guò)10 m、價(jià)格在10萬(wàn)美元以上的船艇稱為游艇(yacht)，長(zhǎng)度不足10 m的則稱為船艇(boat)[6]。我國(guó)對(duì)游艇的定義也不一致。在技術(shù)規(guī)范方面，GB/T 15095—1994《游艇術(shù)語(yǔ)》中對(duì)游艇(pleasure boat)的定義是主要供娛樂(lè)的艇，如游覽艇，摩托艇，汽艇，家用游艇等；對(duì)帆艇(sailing boat)的定義是裝備有帆具，利用風(fēng)力作為推進(jìn)動(dòng)力的艇，也可以裝有輔助推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。GB/T 16158—1996《內(nèi)河船舶分類(lèi)與代碼》中將游艇的英文翻譯為yacht。在法律規(guī)范方面，《中華人民共和國(guó)車(chē)船稅法實(shí)施條例》中明確：游艇是指具備內(nèi)置機(jī)械推進(jìn)動(dòng)力裝置，長(zhǎng)度在90 m以下，主要用于游覽觀光、休閑娛樂(lè)、水上體育運(yùn)動(dòng)等活動(dòng)，應(yīng)當(dāng)具有船舶檢驗(yàn)證書(shū)和適航證書(shū)的船舶。國(guó)際上則按照功能通常將游艇分為商務(wù)用游艇、運(yùn)動(dòng)休閑艇、競(jìng)速艇、巡游艇、釣魚(yú)艇及帆船等[7]。

通過(guò)上述對(duì)游艇的定義與分類(lèi)可以看出，目前國(guó)際上與國(guó)內(nèi)對(duì)游艇的定義并沒(méi)有統(tǒng)一，游艇與帆船的區(qū)分不明顯，對(duì)附屬于游艇或帆船的纖維繩索更是缺乏清晰的界定或劃分?；谶@種情況，纖維繩索行業(yè)通常將帆船用纖維繩索歸類(lèi)于游艇用纖維繩索，或直接將帆船用纖維繩索與游艇用纖維繩索的概念通用。

2 帆船用纖維繩索國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

帆船運(yùn)動(dòng)在國(guó)外尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家中，已成為一項(xiàng)較普遍的戶外運(yùn)動(dòng)，其供需市場(chǎng)十分龐大，因此也帶動(dòng)了纖維繩索制造產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展。國(guó)外纖維繩索制造廠家已在帆船用纖維繩索系列產(chǎn)品領(lǐng)域的研究、開(kāi)發(fā)與制作方面積累了數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，其產(chǎn)品普遍質(zhì)量好且穩(wěn)定性高。國(guó)際上知名的帆船用纖維繩索制造商有：英國(guó)Marlow公司和English Braids公司，奧地利Teufelberger公司，德國(guó)Liros公司和 Gleistein公司，瑞典Poly-produkter公司，美國(guó)Samson公司和Yalecordage公司，意大利Plam公司等。

帆船用纖維繩索的規(guī)格范圍：纖維繩索直徑通常為4～32 mm，甚至更大的直徑范圍，主要集中在8～24 mm；纖維繩索的構(gòu)成材質(zhì)多種多樣，絕大多數(shù)為合成纖維，極少數(shù)仍沿用過(guò)去常用的天然纖維；帆船用纖維繩索的結(jié)構(gòu)也具有多樣性，與不同的使用方式和操作習(xí)慣對(duì)應(yīng)。帆船用纖維繩索質(zhì)量評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)有直徑、線密度、破斷強(qiáng)力、定負(fù)載下的延伸率、耐鹽霧性、耐光照性、耐磨性及柔軟度等。

帆船運(yùn)動(dòng)是一種耗費(fèi)高昂的航海運(yùn)動(dòng)，目前我國(guó)涉足這一領(lǐng)域的人員較少，帆船運(yùn)動(dòng)在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。基于此，帆船用纖維繩索在國(guó)內(nèi)的供需市場(chǎng)也十分狹小，多數(shù)國(guó)內(nèi)纖維繩索制造商尚未涉足該領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品研究，因此國(guó)內(nèi)真正意義上生產(chǎn)帆船用纖維繩索系列產(chǎn)品的廠家數(shù)量十分有限。其中，比較具有代表性的企業(yè)有魯普耐特集團(tuán)旗下的山東魯普科技有限公司，其關(guān)注該領(lǐng)域的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，連續(xù)多年參加了于荷蘭舉辦的國(guó)際游艇帆船展，并啟動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)工作，具有專(zhuān)門(mén)的研究團(tuán)隊(duì)和較好的技術(shù)儲(chǔ)備。

國(guó)外已有大量的帆船用纖維繩索制造商并且研制經(jīng)驗(yàn)豐富，然而，由于帆船用纖維繩索系列產(chǎn)品規(guī)格、種類(lèi)及用途繁多，無(wú)法用統(tǒng)一的指標(biāo)來(lái)衡量產(chǎn)品的性能，不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品參數(shù)差異較大。目前，全球仍缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)帆船用纖維繩索產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

3 帆船用纖維繩索的材質(zhì)特征及對(duì)應(yīng)繩索性能

在20世紀(jì)中葉以前，合成纖維尚未開(kāi)發(fā)出來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)期，纖維繩索主要是以各類(lèi)天然纖維為原料制作的，如采用劍麻、馬尼拉麻、黃麻、亞麻等天然植物纖維[8]4。伴隨著各種化學(xué)纖維的相繼問(wèn)世，纖維繩索的制作材質(zhì)逐步由天然纖維向合成纖維過(guò)渡。

3.1 帆船領(lǐng)域常用合成纖維類(lèi)型及特性

目前，帆船用纖維繩索領(lǐng)域常用的合成纖維主要有：丙綸、錦綸、滌綸、對(duì)位芳香族聚酰胺纖維(芳綸1414)、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(HMPE)纖維、液晶聚酯(LCP)纖維及聚對(duì)苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維等，幾種合成纖維的主要物理力學(xué)性能[8]54和耐磨、耐紫外及耐蠕變性能對(duì)比如表1所示。由表1可以看出，每種合成纖維都具有各自的性能優(yōu)勢(shì)，也存在一定的缺陷。合成纖維因制作原料、工藝及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模不同，導(dǎo)致纖維的價(jià)格差異很大，因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，根據(jù)用途選擇合適的纖維類(lèi)型來(lái)制作帆船用纖維繩索很有必要。

表1 幾種合成纖維的主要性能對(duì)比

3.2 不同合成纖維類(lèi)型帆船用纖維繩索的特征及用途

帆船用纖維繩索多采用不同類(lèi)型的合成纖維制成，纖維自身的優(yōu)勢(shì)與缺陷勢(shì)必影響纖維繩索的特性，因此需根據(jù)帆船上不同位置的使用性能要求，選擇合適的纖維繩索。幾種不同合成纖維類(lèi)型帆船用纖維繩索的特性及其對(duì)應(yīng)用途[9-10]如表2所示。

表2 幾種不同合成纖維類(lèi)型帆船用纖維繩索的特性及用途

在實(shí)際制作過(guò)程中，可采用一種或多種合成纖維制備帆船用纖維繩索。通過(guò)將多種合成纖維復(fù)合，可結(jié)合不同纖維的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低或規(guī)避單一纖維制品的缺陷。如，對(duì)要求負(fù)載大且延伸率低的帆船用纖維繩索，其繩皮多采用單一組分的滌綸制備[11]，部分纖維繩索的繩皮采用滌綸與芳綸1414或LCP纖維混合編織而成，目的是將滌綸的耐紫外性、耐磨性優(yōu)勢(shì)與芳綸1414或LCP纖維的耐蠕變性[12]及耐高溫性[13]結(jié)合，同時(shí)部分規(guī)避芳綸1414與LCP纖維自身耐磨性與耐紫外性差[14]的缺陷，并且滌綸相對(duì)易染色[15]的特性使其纖維產(chǎn)品具有多種顏色類(lèi)別，制成的繩皮顏色多樣且可定制，能夠方便用戶通過(guò)外觀辨識(shí)區(qū)分；繩芯多數(shù)采用HMPE纖維制成，原因是HMPE纖維具有高強(qiáng)與低延伸性[16]的特性，而繩皮的保護(hù)作用可彌補(bǔ)其不耐高溫[17]的缺陷，部分纖維繩索的繩芯采用芳綸1414或LCP纖維制成，目的是在確保繩芯高強(qiáng)、低延伸及低蠕變特性的前提下，通過(guò)繩皮的保護(hù)作用避免摩擦與紫外光的損害。通過(guò)繩皮與繩芯采用不同纖維原料的復(fù)合搭配設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)不同纖維的優(yōu)勢(shì)結(jié)合與缺陷規(guī)避，進(jìn)而獲得實(shí)用性強(qiáng)的帆船用纖維繩索。

4 帆船用纖維繩索結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)繩索特征

4.1 帆船用纖維繩索常見(jiàn)結(jié)構(gòu)、特征及用途

目前，帆船領(lǐng)域內(nèi)常用的纖維繩索按結(jié)構(gòu)的不同通常分為3股捻繩、4股捻繩、8股編繩、12股編繩、雙編繩及皮芯繩等類(lèi)。相關(guān)研究表明：在一定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，編織結(jié)構(gòu)緊密則纖維繩索的耐磨性好；結(jié)構(gòu)疏松則纖維繩索的破斷強(qiáng)力高[18-19]。這是因?yàn)槔w維的軸向越趨于纖維繩索的受力方向時(shí)，纖維繩索的強(qiáng)力越高[20]，但同時(shí)也會(huì)不可避免地導(dǎo)致纖維繩索的耐鉤絲性及耐磨性變差。12股編繩為圓形平滑結(jié)構(gòu)，這種纖維繩索的表面相比3股捻繩和8股捻繩更加平滑，在受到摩擦作用時(shí)具有更大的承擔(dān)區(qū)域，因此相對(duì)而言耐磨性更優(yōu)；同理，8股編繩的耐磨性優(yōu)于3股捻繩。幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)帆船用纖維繩索的優(yōu)缺點(diǎn)[8]81-98及其常規(guī)用途如表3所示。

表3 幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)帆船用纖維繩索的優(yōu)缺點(diǎn)及其用途

帆船用纖維繩索結(jié)構(gòu)選擇時(shí)主要考慮的因素是繩索在游艇、帆船上的使用位置與使用方式，需根據(jù)不同的使用領(lǐng)域選擇相對(duì)合適的繩索結(jié)構(gòu)?？蓞⒖急?中纖維繩索結(jié)構(gòu)及其用途進(jìn)行選配。表3中用途的劃分是按照纖維繩索的結(jié)構(gòu)特征及多數(shù)使用者的操作習(xí)慣而進(jìn)行的大體上的歸類(lèi)，并不代表該結(jié)構(gòu)的繩索僅適用于此領(lǐng)域而不能用于其他領(lǐng)域。

例如，部分使用者習(xí)慣選擇3股捻繩作為升帆索或操縱索，而另一些使用者偏愛(ài)選擇12股編繩作為系泊纜使用。只要能滿足使用要求，同時(shí)確保使用安全，使用者根據(jù)自身習(xí)慣選擇纖維繩索結(jié)構(gòu)是完全可行的。

4.2 雙編結(jié)構(gòu)帆船用纖維繩索特征

雙編結(jié)構(gòu)纖維繩索因具有結(jié)構(gòu)多樣與性能多變的優(yōu)勢(shì)，在帆船領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用最多。常見(jiàn)的雙編結(jié)構(gòu)纖維繩索的繩皮編織方式有24錠編織、32錠編織和48錠編織，極少數(shù)采用16錠或8錠的編織結(jié)構(gòu)；繩芯多數(shù)采用12錠編織結(jié)構(gòu)，部分采用16錠編織結(jié)構(gòu)，極少數(shù)采用8錠編織結(jié)構(gòu)或3股絞捻結(jié)構(gòu)。

不同結(jié)構(gòu)的繩皮具備不同的特性，繩皮采用24錠編織結(jié)構(gòu)時(shí)，所得纖維繩索具有較好的握持性、耐用(耐磨)性和靈活性，容易進(jìn)行眼環(huán)編織，在帆船用纖維繩索領(lǐng)域應(yīng)用最多。繩皮采用32錠編織結(jié)構(gòu)，可使帆船用纖維繩索更平滑地通過(guò)滑輪組和槽輪，同時(shí)能在保持繩索直徑不變的前提下，將繩芯組分的占比提高，從而提升整繩的破斷強(qiáng)力，但與24錠編織結(jié)構(gòu)繩皮相比，其在進(jìn)行眼環(huán)編織時(shí)的工藝較復(fù)雜。48錠編織結(jié)構(gòu)的繩皮最薄，繩體表面更光滑且更具延伸性，這種結(jié)構(gòu)的繩皮在進(jìn)行滑輪操作時(shí)，可提供杰出的耐磨性能。雙編結(jié)構(gòu)纖維繩索不同結(jié)構(gòu)繩皮的優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。

表4 雙編結(jié)構(gòu)纖維繩索不同結(jié)構(gòu)繩皮的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于繩芯而言，纖維繩索行業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為繩芯采用3股絞捻或8錠編織結(jié)構(gòu)時(shí)，所得纖維繩索在相同纖維直徑下的線密度更??；繩芯采用12錠編織結(jié)構(gòu)時(shí)，編織成的纖維繩索具有較低的延伸率及較高的強(qiáng)力利用率，該結(jié)構(gòu)適用于高強(qiáng)高模纖維；繩芯采用16錠編織結(jié)構(gòu)時(shí)，編織成的纖維繩索具有良好的柔韌性。不同雙編結(jié)構(gòu)繩芯的優(yōu)缺點(diǎn)如表5所示。

表5 雙編結(jié)構(gòu)纖維繩索不同結(jié)構(gòu)繩芯的優(yōu)缺點(diǎn)

從上述對(duì)纖維繩索結(jié)構(gòu)的分析可以看出：每種結(jié)構(gòu)纖維繩索都有著其固有的特性，在選擇帆船用纖維繩索時(shí)，需根據(jù)不同的用途和功能需求確定，不存在一種纖維繩索結(jié)構(gòu)可滿足帆船上所有的使用需求。此外，帆船用纖維繩索結(jié)構(gòu)的選取不能僅以理論上的優(yōu)缺點(diǎn)作為判斷依據(jù)，需綜合考慮使用領(lǐng)域及使用者的操作習(xí)慣等因素，遵循“合適的才是最優(yōu)選擇”的原則。

5 帆船用纖維繩索特定工藝技術(shù)

帆船用纖維繩索用途多樣、種類(lèi)繁多，因此對(duì)應(yīng)的制作處理工藝也多種多樣，尤其是針對(duì)特殊用途、特定指標(biāo)的纖維繩索，更需要一些特定的纖維繩索工藝技術(shù)。其中，最具代表性的是纖維繩索涂層后整理技術(shù)與牽伸定型技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)在纖維繩索制作領(lǐng)域?qū)儆谘芯侩y點(diǎn)，其研究?jī)?nèi)容多、技術(shù)要求高，是目前國(guó)內(nèi)帆船用纖維繩索與國(guó)際尖端產(chǎn)品存在差距的關(guān)鍵所在。

5.1 纖維繩索涂層后整理技術(shù)

纖維繩索涂層后整理技術(shù)是一種在纖維繩索表面覆蓋固化一層聚氨酯或丙烯酸類(lèi)聚合物的技術(shù)，即在纖維繩索表面形成一層保護(hù)膜。通過(guò)聚合物的低表面張力、低摩擦因數(shù)及高硬度等特性，實(shí)現(xiàn)纖維繩索防水性與耐磨性的提升。此外，聚合物大分子的高聚合度及鏈段鍵能的穩(wěn)定性，可阻止戶外環(huán)境中大部分的高能態(tài)紫外光與強(qiáng)氧化態(tài)的自由氧與繩索中的纖維接觸，從而降低紫外光與氧氣對(duì)纖維的老化損傷，滿足纖維繩索在戶外強(qiáng)光、潮濕乃至海洋環(huán)境中反復(fù)摩擦疲勞的使用要求，顯著延長(zhǎng)其使用壽命。

5.2 纖維繩索牽伸定型技術(shù)

牽伸定型技術(shù)是在熱效應(yīng)與拉應(yīng)力的雙重作用下，微觀上對(duì)纖維大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，宏觀上對(duì)纖維繩索整體進(jìn)行牽伸。熱效應(yīng)的作用使纖維鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，在纖維繩索松弛的狀態(tài)下，將纖維繩索編織過(guò)程中殘存的應(yīng)力釋放；拉應(yīng)力的作用使繩索或纖維本身更趨于承載力方向排布。熱效應(yīng)與拉應(yīng)力的協(xié)同作用，可實(shí)現(xiàn)纖維繩索在一定延伸狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化，從而滿足繩索在負(fù)載、潮濕及張力作用工況下的尺寸穩(wěn)定及低伸長(zhǎng)、耐蠕變的使用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

帆船用纖維繩索種類(lèi)繁多，用途多樣，這類(lèi)繩索使用特征迥異且性能要求高，在整個(gè)纖維繩索行業(yè)屬于使用高性能纖維多、技術(shù)難點(diǎn)大的領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)帆船用纖維繩索的探索與研究正處于起步階段，與國(guó)際高水平產(chǎn)品相比還存在較大的差距。隨著國(guó)內(nèi)帆船航海運(yùn)動(dòng)的不斷普及，帆船用纖維繩索的應(yīng)用市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，將促進(jìn)我國(guó)帆船用纖維繩索制造工藝和技術(shù)水平的快速提升。