李 亮 郜阿旺 宋炳濤 曹寶學(xué) 韓冀川 張海永 劉 鵬

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

帆船游艇航海運動是繼賽車、高爾夫球運動之后出現(xiàn)的更高層次的時尚體育休閑運動，其要求參與者具備良好的綜合素質(zhì)[1-2]。帆船游艇運動屬于一種費用高昂的航海運動，在目前我國經(jīng)濟尚不發(fā)達(dá)的情況下，這類運動還難以向大眾化普及[3]。我國海域遼闊，伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，相信不久的將來，帆船航海運動在我國會迎來一個快速發(fā)展與普及階段[4]。經(jīng)濟領(lǐng)域的專家認(rèn)為，帆船航海運動在我國屬于一項朝陽產(chǎn)業(yè)，蘊藏著巨大的潛力與商機，將成為海洋經(jīng)濟未來發(fā)展中一個新的經(jīng)濟增長點[5]?；诖?，附屬于該領(lǐng)域的帆船用纖維繩索產(chǎn)品，也具有極大的市場潛力與研究價值。

1 帆船用纖維繩索界定

歐洲在法律上將游艇界定為長度不小于2.5 m的，用于非營利性的海上運動、釣魚運動或娛樂的航水器具或設(shè)備。國際市場上通常將長度超過10 m、價格在10萬美元以上的船艇稱為游艇(yacht)，長度不足10 m的則稱為船艇(boat)[6]。我國對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》中對游艇(pleasure boat)的定義是主要供娛樂的艇，如游覽艇，摩托艇，汽艇，家用游艇等；對帆艇(sailing boat)的定義是裝備有帆具，利用風(fēng)力作為推進(jìn)動力的艇，也可以裝有輔助推進(jìn)發(fā)動機。GB/T 16158—1996《內(nèi)河船舶分類與代碼》中將游艇的英文翻譯為yacht。在法律規(guī)范方面，《中華人民共和國車船稅法實施條例》中明確：游艇是指具備內(nèi)置機械推進(jìn)動力裝置，長度在90 m以下，主要用于游覽觀光、休閑娛樂、水上體育運動等活動，應(yīng)當(dāng)具有船舶檢驗證書和適航證書的船舶。國際上則按照功能通常將游艇分為商務(wù)用游艇、運動休閑艇、競速艇、巡游艇、釣魚艇及帆船等[7]。

通過上述對游艇的定義與分類可以看出，目前國際上與國內(nèi)對游艇的定義并沒有統(tǒng)一，游艇與帆船的區(qū)分不明顯，對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 帆船用纖維繩索國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

帆船運動在國外尤其是發(fā)達(dá)國家中，已成為一項較普遍的戶外運動，其供需市場十分龐大，因此也帶動了纖維繩索制造產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展。國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、開發(fā)與制作方面積累了數(shù)十年的經(jīng)驗，其產(chǎn)品普遍質(zhì)量好且穩(wěn)定性高。國際上知名的帆船用纖維繩索制造商有：英國Marlow公司和English Braids公司，奧地利Teufelberger公司，德國Liros公司和 Gleistein公司，瑞典Poly-produkter公司，美國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)慣對應(yīng)。帆船用纖維繩索質(zhì)量評價的參考指標(biāo)有直徑、線密度、破斷強力、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。

帆船運動是一種耗費高昂的航海運動，目前我國涉足這一領(lǐng)域的人員較少，帆船運動在國內(nèi)尚處于起步階段。基于此，帆船用纖維繩索在國內(nèi)的供需市場也十分狹小，多數(shù)國內(nèi)纖維繩索制造商尚未涉足該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)品研究，因此國內(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)有魯普耐特集團旗下的山東魯普科技有限公司，其關(guān)注該領(lǐng)域的時間相對較長，連續(xù)多年參加了于荷蘭舉辦的國際游艇帆船展，并啟動了相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)工作，具有專門的研究團隊和較好的技術(shù)儲備。

國外已有大量的帆船用纖維繩索制造商并且研制經(jīng)驗豐富，然而，由于帆船用纖維繩索系列產(chǎn)品規(guī)格、種類及用途繁多，無法用統(tǒng)一的指標(biāo)來衡量產(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，全球仍缺乏專門針對帆船用纖維繩索產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

3 帆船用纖維繩索的材質(zhì)特征及對應(yīng)繩索性能

在20世紀(jì)中葉以前，合成纖維尚未開發(fā)出來的很長一段時期，纖維繩索主要是以各類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)纖維的相繼問世，纖維繩索的制作材質(zhì)逐步由天然纖維向合成纖維過渡。

3.1 帆船領(lǐng)域常用合成纖維類型及特性

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、對位芳香族聚酰胺纖維(芳綸1414)、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(HMPE)纖維、液晶聚酯(LCP)纖維及聚對苯撐苯并二噁唑(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，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)致纖維的價格差異很大，因此，從經(jīng)濟角度考慮，根據(jù)用途選擇合適的纖維類型來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比

3.2 不同合成纖維類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型的合成纖維制成，纖維自身的優(yōu)勢與缺陷勢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型帆船用纖維繩索的特性及其對應(yīng)用途[9-10]如表2所示。

表2 幾種不同合成纖維類型帆船用纖維繩索的特性及用途

在實際制作過程中，可采用一種或多種合成纖維制備帆船用纖維繩索。通過將多種合成纖維復(fù)合，可結(jié)合不同纖維的性能優(yōu)勢，同時降低或規(guī)避單一纖維制品的缺陷。如，對要求負(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，并且滌綸相對易染色[15]的特性使其纖維產(chǎn)品具有多種顏色類別，制成的繩皮顏色多樣且可定制，能夠方便用戶通過外觀辨識區(qū)分；繩芯多數(shù)采用HMPE纖維制成，原因是HMPE纖維具有高強與低延伸性[16]的特性，而繩皮的保護(hù)作用可彌補其不耐高溫[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、低延伸及低蠕變特性的前提下，通過繩皮的保護(hù)作用避免摩擦與紫外光的損害。通過繩皮與繩芯采用不同纖維原料的復(fù)合搭配設(shè)計，可實現(xiàn)不同纖維的優(yōu)勢結(jié)合與缺陷規(guī)避，進(jìn)而獲得實用性強的帆船用纖維繩索。

4 帆船用纖維繩索結(jié)構(gòu)及對應(yīng)繩索特征

4.1 帆船用纖維繩索常見結(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。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力高[18-19]。這是因為纖維的軸向越趨于纖維繩索的受力方向時，纖維繩索的強力越高[20]，但同時也會不可避免地導(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，在受到摩擦作用時具有更大的承擔(dān)區(qū)域，因此相對而言耐磨性更優(yōu)；同理，8股編繩的耐磨性優(yōu)于3股捻繩。幾種常見結(jié)構(gòu)帆船用纖維繩索的優(yōu)缺點[8]81-98及其常規(guī)用途如表3所示。

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

帆船用纖維繩索結(jié)構(gòu)選擇時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，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選擇12股編繩作為系泊纜使用。只要能滿足使用要求，同時確保使用安全，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，在帆船領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用最多。常見的雙編結(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，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滑輪組和槽輪，同時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，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

對于繩芯而言，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，所得纖維繩索在相同纖維直徑下的線密度更?。焕K芯采用12錠編織結(jié)構(gòu)時，編織成的纖維繩索具有較低的延伸率及較高的強力利用率，該結(jié)構(gòu)適用于高強高模纖維；繩芯采用16錠編織結(jié)構(gòu)時，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

從上述對纖維繩索結(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，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、種類繁多，因此對應(yīng)的制作處理工藝也多種多樣，尤其是針對特殊用途、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)，這兩項技術(shù)在纖維繩索制作領(lǐng)域?qū)儆谘芯侩y點，其研究內(nèi)容多、技術(shù)要求高，是目前國內(nèi)帆船用纖維繩索與國際尖端產(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。通過聚合物的低表面張力、低摩擦因數(shù)及高硬度等特性，實現(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纖維的老化損傷，滿足纖維繩索在戶外強光、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，微觀上對纖維大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，宏觀上對纖維繩索整體進(jìn)行牽伸。熱效應(yīng)的作用使纖維鏈段運動加劇，在纖維繩索松弛的狀態(tài)下，將纖維繩索編織過程中殘存的應(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、耐蠕變的使用要求。

6 結(jié)語

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