1、第 41 卷2023 年第 3 期产业用纺织品Technical Textiles 专论 帆船用缆绳的应用现状张海永1 韩冀川1 郜阿旺1 曹宝学1 李 亮1 张亚如2 黄华云21.中国人民解放军 92228 部队,北京 100072;2.上海仪耐新材料科技有限公司,上海 201702摘 要:缆绳在帆船运行中发挥着重要作用。缆绳的功能不同,其在选材、编织方法等方面亦有不同。简介了帆船用缆绳的材料、结构,并基于 3 种帆船用缆绳 控帆索、动力绳及捆帆绳介绍了它们的应用,为帆船用缆绳的后续开发提供支撑和新思路。关键词:缆绳;帆船;超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维;控帆索;动力绳;捆帆绳;
2、结构中图分类号:TQ 340.7 文献标志码:A文章编号:1004-7093(2023)03-0039-04Application status of sailboat cablesZhang Haiyong1,Han Jichuan1,Gao Awang1,Cao Baoxue1,Li Liang1,Zhang Yaru2,Huang Huayun21.Unit 92228 of Chinese Peoples Liberation Army,Beijing 100072,China;2.Shanghai Yinai New Material Technology Co.,Ltd.,Shan
3、ghai 201702,ChinaAbstract:Cables play an important role in operation of sailboats.Cables with different functions have different materials,weaving methods and so on.Materials and structures of cables used in sailboats were introduced.And the applications of three kinds of sailboat cables were introd
4、uced,which were sheets,dynamic ropes and gaskets,hoping to provide basic knowledge and ideas for subsequent development of sailboat cables.Keywords:cable;sailboat;ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE)fiber;sheet;dynamic rope;gasket;structure 收稿日期:2021-10-29作者简介:张海永,男,1976 年生,高级工程师,主要从事船用器
5、材的相关研究工作通信作者:黄华云,hhy 引用格式:张海永,韩冀川,郜阿旺,等.帆船用缆绳的应用现状J.产业用纺织品,2023,41(3):39-42.ZHANG H Y,HAN J C,GAO A W,et al.Application status of sailboat cablesJ.Technical Textiles,2023,41(3):39-42.自古以来,帆船就作为水上运输工具,用于客运及货物运输。帆船因以风力为动力而得名,可通过操纵舵和帆的位置来改变其航向。帆船用缆绳为调整船帆及系结船舶所用的多股缆绳,必须具有高强、耐冲击、耐磨等性能。此外,为了方便工作人员操作,帆船用缆绳
6、还应具有较强的柔韧性。因为长时间在海上作业,且使用频率高,所以常见的钢索、麻绳或棉绳并不适用。合成纤维缆绳由于其质量小、力学性能和耐航性优异等而被广泛应用于海洋行业,从帆船用缆绳到海上系泊系统均有涉及1。目前,帆船用缆绳大多采用锦纶、丙纶、维纶、涤纶和超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维等作为原料。本文以帆船用缆绳的应用和发展情况为切入点,汇总了原材料及结构等基本信息,以及帆船用缆绳的具体特性指标,从而为帆船用缆绳的后续开发提供支撑和新思路。1 帆船用缆绳的发展 对于所有出海船只,缆绳是必不可少的,常将其93 专论 产业用纺织品Technical TextilesVol.41Mar.20
7、23制成帆缆以控制篷帆。随着科技的进步,缆绳材料不断发展变化。在工业还未发展的远古时代,帆船用缆绳一般采用天然纤维;19 世纪工业开始发展,钢丝绳逐渐替代大部分天然纤维缆绳2;随着高强高模、阻燃、耐磨、轻质等高性能合成纤维的出现,钢丝绳逐渐被取代,高性能合成纤维开始成为大多高性能缆绳的原材料。帆船用缆绳的原料有棉、麻、丝、毛等天然纤维,还有聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚乙烯(PE)等合成纤维,以及钢丝等金属纤维。缆绳的制作方法有编织、拧绞、编绞3 类3。缆绳的材料和结构要根据实际使用情况来确定。1.1 帆船用缆绳的材料 帆船用缆绳需要在干态和湿态条件下均有一定的强力,化学稳
8、定性好,并且对微生物的侵蚀有良好的抵抗能力。原材料对缆绳性能起到了决定性作用。以下介绍几种常用的帆船用缆绳合成纤维材料。(1)UHMWPE 纤维具有大分子链线型结构,具备高结晶、高取向、高强高模、高耐冲击,以及耐磨、密度小等优异性能4-5,在帆船上的应用广泛,如系泊缆绳、帆船控帆索、渔网及防护装备等。(2)PET 纤维是当前应用最广的一种合成纤维,具有高强度、低伸长、耐磨、耐紫外线辐射以及弹性回复能力良好等优势,已广泛应用于海洋系泊系统6。(3)PP 纤维可直接通过塑料膜裂膜的方式制备绳索,其干湿态强度相同且均较高,密度小,因此PP 缆绳在使用时可漂浮在水面上,方便工作人员操作,是制造帆船用缆
9、绳的理想材料。此外,其成本低,和 PE 混合可制得密度小、力学性能好的聚烯烃材料,也可用作帆船用缆绳。(4)PA 纤维的各项性能指标优异,摩擦因数低,比一般天然纤维的断裂强度高数倍,且具有优良的阻燃、耐磨性能,较多应用在弹力绳和登山绳中;另有芳香族 PA 纤维,主要应用在海洋系泊系统中7。以上常用的合成纤维缆绳不仅物理性能比天然纤维缆绳的优异,而且对恶劣环境有良好的适应性,在盐碱环境下具有良好的耐腐蚀和抗霉菌等性能。1.2 帆船用缆绳的结构 帆船用缆绳的性能不仅与其材料相关,还与结构有关。在不同的使用环境中,缆绳的材料和结构对缆绳的实际性能具有很大影响。按结构的不同,缆绳通常分为捻绳和编织绳(
10、包括圆编绳和立体编绳)2 类,帆船用缆绳一般以 3 股、4 股、8 股等多股捻绳和编织绳为主。图 1 和图 2 分别为 3 股捻绳和编织绳的结构示意。图 1 3 股捻绳结构示意Fig.1 Structure diagram of 3 strands rope图 2 编织绳结构示意Fig.2 Structure diagram of braided rope2 不同缆绳在帆船上的应用 帆船用缆绳有很多种:桅杆与船体的连接索,称作支索;桅杆与船首的连接索,称作前支索;桅杆与船尾的连接索,称作后支索;用来操作帆的索具,称作控帆索,包括主帆控帆索、前帆控帆索、后拉索、主帆升帆索、下拉索,以及斜拉索或帆
11、桁斜拉器等。一般支索采用钢丝绳,而控帆索采用合成纤维绳索。除上述帆船用缆绳外,动力绳和捆帆绳也是帆船用缆绳必不可少的。根据海面航行情况,需展开或收起风帆,或需爬上桅杆进行活动,这些均需要捆帆索和动力绳来配合。后文分别对控帆索、动力绳和捆帆绳 3 种帆船用缆绳进行介绍。2.1 控帆索 控帆索,也称操帆绳,如图 3 所示。由于其用途和特性不同,控帆索一般会用颜色予以标记,主帆升帆索一般标记为白色,前帆控帆索一般标记为蓝色,帆桁斜拉器一般标记为黑色。由于实际使用环境特殊,帆船用控帆索需要具有良好的耐候性、延伸性、耐磨性、耐盐雾性等,可通过涂层及热定型处理使其具备以上特性。由于控帆索要经受较高的摩擦力
12、,04第 41 卷2023 年第 3 期产业用纺织品Technical Textiles 专论 一般采用耐磨性能较好的合成纤维,如 UHMWPE纤维、PET 纤维,制作上下拉拽绳索、收帆绳索及斜桁支绳索等控帆索8。图 3 控帆索Fig.3 Sheets目前,市面上的控帆索大多是用 UHMWPE 纤维、PET 纤维及芳香族 PA 纤维等混合编织而成的。因 UHMWPE 纤维的强度会随着温度的增大而降低9,为了最大程度地利用 UHMWPE 纤维的高强性能,可将其作为绳芯;为了提高控帆索耐久性和轻微损伤后的使用性,外层可采用 PET 纤维。这样既可满足控帆索握持的便利性和强力要求,又降低了材料成本。
13、2.2 动力绳 动力绳(图 4)作为安全性能高、抗冲击性能好的一种缆绳,已广泛应用于救援防护、建筑,以及登山、攀岩等户外运动中,一般会配套金属锁扣以方便下降或攀登时使用。在航海过程中,由于海洋环境复杂,工作人员有时需爬上桅杆进行作业,在有动力冲坠可能性的作业中,必须利用动力绳的延伸来吸收能量,避免因坠落造成伤害。动力绳包括单绳、半绳和双绳10。单绳是指登高过程中可以单独使用的绳索;半绳是指在登高过程中绳子中间部分固定在高处,2 位登高者分别握持绳子两端的一种绳索;双绳是指在登高过程中绳子中间部分固定在高处,登高者自己同时握持绳子两端的一种绳索。3 种动力绳均可防止使用者坠落。动力绳需要有良好的
14、抗冲击性能,这便要求其制作材料具有一定的弹性和强度。帆船用动力绳还需具有较强的耐日晒性能。目前帆船用动力绳采用较多的材料为 PA 纤维。在国内已公开的关于动力绳的专利中,绳芯和绳皮的材料均为 PA6 11,再经过后整理及结构设计,制备出符合国际登山联合会图 4 动力绳Fig.4 Dynamic ropes(UIAA)要求的、能承受人体冲击力的动力绳。2.3 捆帆绳 在航海过程中,前风帆、后风帆及主帆的张开程度会随着环境的变化而变化,需要在帆收起时用缆绳将其捆绑起来。捆绑风帆的缆绳称为捆帆绳(图 5),捆帆方式一般为平结捆绑。对捆帆绳的性能要求不及控帆索和动力绳的高,但其也要具备一定的强度、耐磨
15、和耐日晒等性能。目前捆帆绳常用的材料为 PE 纤维,结构为 3 股捻绳结构。图 5 捆帆绳Fig.5 Gaskets3 结语 现有帆船用缆绳的国外制造厂家主要集中在美国、英国、德国、荷兰等国家,国内制造厂家主要集中在江苏、浙江等省,国外厂家的综合优势较为明显。目前,我国首艘风帆训练船“破浪”号已正式开展海上航行。以往船上缆绳直接引自国外成熟产品,缆绳等帆装器材直接影响帆船日常的使用和船员安全,消耗量大,引进周期长,费用高。经过联合方案设计,现“破浪”号使用的部分缆绳已由国内制造厂家研制的缆绳替代,替代的帆船用缆绳包括控帆索、动力绳和捆帆绳等。国内帆船用缆绳制造厂家对帆船用缆绳的结构和功能进行了
16、较为系统的设计,并积累了相关生产经验。参考文献:1 李亮,郜阿旺,宋炳涛,等.帆船用纤维绳索简介及其14 专论 产业用纺织品Technical TextilesVol.41Mar.2023发展现状J.产业用纺织品,2022,40(8):1-6.2 姜文松,王依民,闫寿科,等.纤维材料强度和失效机理及其缆绳发展趋势J.高科技纤维与应用,2017,42(3):7-13.3 牛鹏霞,杨彩云.特种绳纤维材料的发展和应用J.产业用纺织品,2010,28(12):33-36.4 石珊珊,孙勇飞,张磊,等.超高分子量聚乙烯的制备和应用综述J.合成纤维,2021,50(5):16-20.5 DSM Dyneema:高性能聚乙烯纤维展望J.张遥,译.国际纺织导报,2015,43(8):15-16.6 马建平,严剑波,林启松,等.海洋缆绳用高耐磨高强低伸涤纶工业丝的开发J.产业用纺织品,2019,37(3):10-11.7 余旷,齐亮.对位芳纶和聚芳酯纤维在高性能缆绳中的应用J.合成纤维,2020,49(3):10-13.8 赵莹,王笃金,于俊荣,等.超高分子量聚乙烯纤维M.北京:国防工业出版社,2018