特种绳纤维材料的发展和应用

牛鹏霞 杨彩云 (天津工业大学纺织学院，天津，300160)

特种绳纤维材料的发展和应用

牛鹏霞 杨彩云 (天津工业大学纺织学院，天津，300160)

绳是一种特种纺织品。随着科技的发展，特种绳性能不断提高并发挥着越来越重要的作用。通过伞绳、渔业用绳和船用缆绳的材料从采用植物纤维到以高性能纤维取代的历程，介绍了特种绳纤维材料的发展和应用。

特种绳，伞绳，渔业用绳，船用缆绳，开发，应用

0 前言

绳是纺织品中的一个特殊品种，是由多股纱或线捻合而成，直径较粗，按绳的直径大小可将其分为绳、索、缆。我国国家标准将直径为1～4 mm的绳称为绳或绳线，直径大于4mm的称为绳索，缆或缆绳的直径一般在40～120 mm之间。绳的特性由其原料、加工方法决定。绳的原料有棉、麻、丝、毛等天然纤维，还有聚酰胺、聚丙烯、聚酯、聚乙烯纤维等化学纤维，以及钢丝等金属纤维。绳按其制作方法基本可以分为编织、拧绞、编绞三类。编织绳的生产在圆锭编织机上进行，锭数为偶数，通常为8锭、12锭、24锭或更多，用编织方式生产出的编织绳直径通常在50 mm以下;拧绞绳由3股、4股或多股纱线加捻而成，加工方法方便，产品结构没有编织绳复杂，产量高，但由于结构关系使用时易扭结，该类绳索直径一般在4～50 mm之间，代表性品种为3股绳索;编绞具有编织及拧绞的特点，编绞绳通常由8根拧绞绳分4组以“8”字形轨道交叉编织而成，在专门生产缆绳的机器上进行编绞，所谓“8股缆绳”就属于编绞绳，其特点是直径大、强度高，主要用于高吨位船舶的拖牵［1-2]。绳类多用于服装、民用和特种用途［1]。特殊用途类绳(以下简称为特种绳)的市场需求量很大，目前主要在国防军工、交通港口、运动伞和船舶等领域得到广泛应用，如用于空降兵伞、飞机阻力伞、投物伞和运动伞，船舶、起重装卸用具，以及服装等，编织伞绳、松紧绳、缓冲绳、传动绳、攀登绳等被大量运用。1997 年 R.Chattopadhyay［3]研究了纺织行业中的绳，他指出影响绳性能的因素有:用于绳的纤维材料的性能、绳的结构和环境因素。他指出一种绳不可能满足各种环境的应用要求。在不同的环境中，所用绳的纤维材料不同，绳的结构不同，对绳的实际应用性能有很大的影响。

本文通过伞绳、渔业用绳和船用缆绳的材料从采用植物纤维到以高性能纤维取代的历程，介绍了特种绳纤维材料的发展和应用。

1 伞绳材料的发展应用

特种绳的用途非常广泛，其中伞绳是绳特种用途中非常重要的一项。降落伞用的绳类织物主要采用编织结构，分有芯和无芯两种。在20世纪30年代以前，人们主要使用天然纤维编织伞绳，蚕丝和棉为伞绳的主要材料，两种纤维制成的伞绳最小断裂强力分别为1 421和1 225 N，质量分别为7和11 g/m;美国织造的丝绳(伞绳)强力为2 000 N，直径4.8 mm，强质比都比较低。随着科技的发展和新型化学纤维的研发，降落伞的开伞速度的提高，天然纤维伞绳已经不能满足降落伞所需材料强度高、质轻的性能要求。相对于强力为3.0～5.3和3.0 ～4.4 cN/dtex、相对密度为1.54 和 1.37 的棉纤维和蚕丝，强力较高(6.1～7.6 cN/dtex)、相对密度较小(1.14)的聚酰胺纤维更能满足降落伞的应用需求。除聚酰胺纤维外，20世纪五六十年代我国还研发了几种化学纤维，诸如聚乙烯醇、聚丙烯纤维等，用作航空产品的伞面材料。与棉纤维相比，聚乙烯醇纤维强力较大，耐腐蚀性较好，耐光老化性好，不易发霉，且价格便宜，但弹性差，手感较硬，耐热性也较差。1967年，上海纺织工业局所属有关单位试制成功200 tex的聚丙烯纤维;1979年，上海化纤九厂通过工艺改进，成功研制出8.2～8.7 cN/dtex的高强聚酰胺纤维，并且用该纤维织造织物和绳带产品等，其强质比又有了明显的提高［4-5];1982年，无锡纺织研究所研制成聚丙烯纤维及其绸、绳、带，并经中纺部鉴定定型。

20世纪70年代中期，随着芳香族聚酰胺纤维(Kevlar)的引入，降落伞材料的性能也向前跨进一大步。C.W.Peterson等［6]在其论文中详细研究了Kevlar 29代替聚酰胺纤维(Nylon)用于伞绳材料的优势与缺点，以美国国家航空航天局降落伞伞绳用Kevlar取代Nylon后的自重变化为例，说明高强质比的Kevlar更适宜用作伞绳。

Kevlar［7-9]是一种对位芳香族聚酰胺纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、质轻等优良性能，并具有良好的绝缘性和抗老化性能，使用寿命很长，现在降落伞伞绳中应用最多的是芳香族聚酰胺纤维编织绳。早在20世纪80年代初，Kevlar就被确认是一种可以在降落伞上应用的优质材料，Kevlar的应用极大地提高了降落伞系统的诸多性能。Kevlar最初应用于降落伞仅局限于绳、带和缝线，因为受到原料只有20、40、100和150 tex几种规格的限制。

目前，降落伞伞绳一般用两种材料，除了芳香族聚酰胺纤维(应用较多的是Kevlar)还有超高相对分子质量聚乙烯纤维(如Spectra、Dyneema)。超高相对分子质量聚乙烯纤维的特点是质轻，相对密度只有0.97，可浮于水面，不受水的影响，有很强的抵抗化学品的能力，还有非常强的抗磨损能力和很好的抵抗弯曲疲劳能力，强度很高，同等线密度的纤维比钢铁坚固10倍，但减振能力非常小。新一代的超高相对分子质量聚乙烯纤维编织绳只有8 mm宽，但其强度等同于18 mm宽的聚酰胺纤维编织绳，而质量只有后者的一半。超高相对分子质量聚乙烯纤维的缺点是熔点低(147℃)，只能局限在温度较低的环境中使用，高速开伞时易严重灼伤;超高相对分子质量聚乙烯纤维表面非常光滑，其绳索打结大都会很不结实。20世纪90年代美国的Spectra-1000以及日本的Dyneema已经在降落伞上成功应用。超高相对分子质量聚乙烯纤维具有优异的耐用性(耐海水、耐化学药品、耐紫外线辐射及耐温差反复)等，其绳索操作方便、快速，使用安全，除了用于降落伞伞绳，还广泛用于渔业等的重负荷绳索，如海上打捞、救援系统、海洋石油平台系统，停泊、抛锚、拖泊、海洋地震勘测、海底电缆系统用绳，以及帆船用绳索和细绳系列等［10-13]。

S.K.Pal等［14]的研究，给出了用于织造降落伞伞绳的几种高性能纤维的性能数据，包括超高相对分子质量聚乙烯纤维Spectra 900、Spectra 1000、Spectra 2000和Dyneema SK-65，芳香族聚酰胺纤维Kevlar 29，聚芳酯纤维Vectran，聚酰胺纤维Nylon 6和 Nylon 66等。S.K.Pal等指出，Kevlar适用于带式快速降落伞、飞机降速伞、飞机抗旋降落伞伞面和伞绳等;Spectra、Dyneema和 Vectran是较新的用于降落伞(包括伞绳、伞面)的高性能纤维，这些材料以前只用于发达国家的某些系统中;Spectra和Dyneema窄幅织物用于滑翔伞、充气伞和其他的运动伞伞面。S.K.Pal等还研究比较了几种高性能编织绳的一些性能，如强质比、打结后强力、湿强、金属的磨损抵抗性和耐化学腐蚀性等。

2005年上海宏卫特种绳带有限责任公司［15]研发的HW防灼定型编织绳获当年纺织工业协会科学技术奖，该编织绳采用自行开发的涂层→微波加热定型→二级电脑温控定型的一步法后整理工艺，使产品表面平整，不易起毛，伸长稳定，强力增加，防灼性能好，久用不变形，目前主要在空降兵伞、飞机阻力伞、投物伞、运动伞等得到广泛应用。

据成都海蓉特种纺织品有限公司高级工程师李峰介绍，我国“神舟”飞船的降落伞采用的是强力高、质轻、缓冲性好的特制聚酯纤维材料，伞撑开的面积有1 300 m2，回收伞由96根伞绳撑起来，每根伞绳的长度为46 m，每米伞绳的质量仅2 g，但每根绳子可承受2 940 N的拉力，保证了飞船的顺利返回。

2009年6月我国国防科技大学与厂家合作完成直径5 mm，承受拉力19.6 kN以上，8 000 m没有结头的芳香族聚酰胺纤维编织绳，并生产出能承受6.86 kN拉力的直径3 mm编织绳，总长度达6 000 m。

2 渔业用绳的材料发展与应用

直接用来制作渔具的材料主要包括网线、网片、绳索等，广义的渔具材料还包括制造各类渔具材料所用的原材料，有纤维、钢丝和塑料等材料，其中最主要的是纤维材料。纤维材料在构成整个渔具(特别是网渔具)的用料中所占的比重最大。不同类型的渔具，依其捕鱼原理和操作特点，对渔具材料的性能各有不同要求，然而也有一些共同的要求。网线、网片和绳索等材料应具备的一般特性有:质轻，湿态下具有较高的断裂强力和打结强力，适当的伸长率，良好的弹性、韧性和柔挺性，不大的吸水性和缩水性，良好的抗光性，耐光老化性，耐磨性，耐热性和耐化学腐蚀性，以及对霉菌等细菌的腐蚀、对水生生物附着和啃咬的抵抗能力。

20世纪40年代以前，几乎所有渔网的网片和绳索都由植物纤维制成。植物纤维具有一定的物理机械性能，产量丰富，价格低廉，这类纤维主要有棉、大麻、亚麻、苎麻、蕉麻(马尼拉麻)、剑麻(龙舌兰麻)、棕榈、椰纤维和稻秸秆等，因其主要成分是纤维素，在水中使用极易受细菌的分解腐蚀而遭破坏。因此，用植物纤维制成的渔网和绳索必须经晒干、油染等防腐处理后方能使用，且使用期限短，具有劳力消耗多和经济效益低的缺点。

20世纪40年代以后，合成纤维开始在渔业中应用。这类纤维的主要特性是不腐烂、断裂强力高、质轻等。实践证明，合成纤维应用于渔业，对提高渔具的强度、耐久性和渔获效率等方面有着重要作用。现今渔业中，合成纤维几乎全部代替了传统使用的植物纤维，这成为当代渔业最重要的技术革命之一。渔用合成纤维按其成分主要有: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纤维等七大类。其中前四类纤维在渔业中应用最广，后三类因物理机械性能较差，渔业中应用不普遍。20世纪50年代日本曾试用后三类纤维制作绳索和渔网，现亦不多用。

渔用合成纤维一般包括四种基本形态:长丝、短纤维、单丝和裂膜纤维。不同形态纤维制品性能和用途各不同，以长丝、单丝和裂膜纤维制品的渔用性能为最佳。裂膜纤维来源于一种塑料扎带，这种扎带在捻合和制造中，受到拉伸后能自行纵向分裂成若干粗细不匀的纤维，强度较大，主要用来制造绳索和较粗的网线。

在世界渔业技术的发展中，除推广使用合成纤维外，还改进了渔网材料的结构和制造工艺，网线和绳索由捻制法发展为编织法，提高了制品的技术性能和使用性能［6，9，15]。

3 船用缆绳纤维材料的发展

船用缆绳亦从使用麻纤维等植物纤维发展到使用质轻、强度大的化学纤维。船用缆绳性能要求有在湿态下具有高的断裂强力和打结强力，吸水性和缩水性较小，耐化学腐蚀性好，以及对霉菌等细菌的腐蚀、对水生生物附着和啃咬的抵抗能力。化学纤维缆绳分为普通化学纤维缆绳系列和特种化学纤维缆绳系列。普通化学纤维缆绳包括聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺纤维缆绳，防静电纤维缆绳和混编缆绳系列等;特种化学纤维缆绳又分为普通化学纤维复合绳索系列、超高相对分子质量聚乙烯纤维缆绳系列和芳香族聚酰胺纤维缆绳系列。缆绳的结构有3股、4股、6股、7股、8股、12股、16股、圆股、48股、双层多股编织等，直径3～160 mm不等。现在，国内外根据绳索的用途不同，各种化学纤维缆绳在各个领域均有所应用。

超高相对分子质量聚乙烯纤维船用绳索是由高性能纤维经过特定加工工艺制成的，是目前世界上强度非常高的绳索，具有柔软、易操作等特点，质轻可漂浮于水面，比同等直径钢丝绳轻85%左右，比同等直径钢丝强度高1.5倍左右。该绳索问世后部分替代了传统钢丝绳，在船用缆绳等一些特殊行业中应用，如许多国家广泛应用于船舶系泊(军用、民用)、海洋救助、运输吊装等，其优越性能已经得到了充分的肯定。据报道，美国、俄罗斯等国家已经用超高相对分子质量聚乙烯纤维绳索装备海军舰艇，以提高舰艇的战斗力。目前我国在用高强度纤维材料装备海军舰艇方面还是空白［8，10]。

4 结语

本文介绍了三种特殊用途的绳的变迁，可以反映各类特殊用途绳的发展历程，主要是从原料和织造结构两个方面来提高绳的性能。起初绳的原料都是天然纤维，随着化学纤维的兴起，特别是各种高性能纤维如芳香族聚酰胺纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维等被用于织造绳，各领域绳的应用性能快速提高。随着高性能纤维的发展，越来越多领域应用的天然纤维绳和钢丝绳等将会被取而代之，高性能纤维材料绳的应用领域会更广泛。绳的编织技术也由原来的单股编织逐渐发展为多股编织，现在24股并且含芯的编织绳也已广泛应用。

各类船舶配备、渔业捕捞、港口装卸、电力施工、石油勘探、体育用品、国防科研、航空航天等领域对绳的性能要求越来越高，需求量也越来越多。随着各种高性能纤维的应用及织造技术的发展，各种高性能的绳将会发挥越来越重要的作用。

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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

牛鹏霞，女，1985年生，在读硕士研究生。主要从事芳纶编织绳方面的研究。