由于特殊領(lǐng)域?qū)τ诶K纜性能(例如要求強度高、耐高溫)及輕量化有很高的要求，高性能合成纖維，包括超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHWMPE)纖維、高相對分子質(zhì)量聚乙烯(HMPE)纖維、聚芳酯(LCP)纖維和對位芳香族聚酰胺纖維(對位芳綸)，逐漸取代了在過去被廣泛應(yīng)用的鋼絲，成為了高性能繩纜的主流原材料。

繩纜作為一種特殊的織物，根據(jù)直徑及編織工藝的不同，可以進一步細分為不同類型，包括線、繩索及纜。一般來說，直徑為1~4mm的被稱為線，直徑大于4mm的稱為繩索，而纜或者纜繩多指直徑較粗的繩纜(如直徑在40~120mm之間)。近年來，隨著制造設(shè)備如捻線機、制股機和制繩機的大型化及自動化，纜繩的直徑有了進一步增加的趨勢，例如目前國內(nèi)廠商已經(jīng)可以生產(chǎn)直徑為160mm的8股或12股絞辮繩及直徑達到300mm的復(fù)編繩，見圖1。

圖 1 絞辮繩和復(fù)編繩結(jié)構(gòu)示意圖

繩纜的性能不僅受編織結(jié)構(gòu)(如絞辮繩或復(fù)編繩、繩股的數(shù)量、捻距)的影響，更與制繩的原材料密切相關(guān)。早在上個世紀(jì)，RChattopadhyay就曾將影響繩纜性能的因素概括為用于繩的纖維材料性能、繩的結(jié)構(gòu)和環(huán)境的因素。他進一步指出，一種繩很難滿足各種環(huán)境的應(yīng)用要求。實際上，在不同的使用環(huán)境中，繩的實際性能會因所用繩的纖維材料的不同以及其結(jié)構(gòu)的不同受很大影響。由于我國制繩的歷史悠久，繩纜的原材料多種多樣，從多用于傳統(tǒng)手工制繩業(yè)的棉、麻、絲、毛等天然纖維到工業(yè)化制繩常用的鋼絲等金屬纖維。在很長的一段時間內(nèi)，鋼絲都是工業(yè)用繩纜的主要原材料。這是由于鋼絲性價比高、彈性模量高以及強度比天然纖維大。但是鋼絲繩的缺點也很明顯，如質(zhì)量大、在潮濕的環(huán)境中易生銹腐蝕并且鋼絲繩在斷裂的時候回彈很大，很容易造成使用人員出現(xiàn)人身傷害等。因此近年來，由于繩纜用途的多樣化以及市場的進一步細分，聚酰胺(尼龍)、聚丙烯、聚酯等合成纖維被廣泛應(yīng)用到包括彈力繩、寵物牽引繩、登山繩等在內(nèi)的多種民用繩纜當(dāng)中。

除此之外，市場對于用于特種用途如國防軍工、漁業(yè)船舶以及消防救援等領(lǐng)域的高性能繩纜的需求日益增加。由于特殊領(lǐng)域?qū)τ诶K纜性能(例如要求強度高、耐高溫)及輕量化有很高的要求，高性能合成纖維，包括超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHWMPE)纖維、高相對分子質(zhì)量聚乙烯(HMPE)纖維、聚芳酯(LCP)纖維和對位芳香族聚酰胺纖維(對位芳綸)，逐漸取代了在過去被廣泛應(yīng)用的鋼絲，成為了高性能繩纜的主流原材料。

1 對位芳綸

對位芳綸，國內(nèi)一般稱為芳綸1414，是一種具有高強度(抗拉強度比聚酯和聚酰胺纖維高2~3倍；在同等質(zhì)量下，其強度是鋼絲的7倍)、高模量(模量可以達到140GPa)及質(zhì)量輕(密度約為1.44g/cm3，比碳纖維更小)的高性能纖維。對位芳綸的尺寸穩(wěn)定性好，蠕變非常低并且熱膨脹系數(shù)小。除了優(yōu)異的力學(xué)性能外，對位芳綸的熱穩(wěn)定性特別好，沒有熔點，只有在500℃及以上才會開始分解，并且在-200℃或以下的極低溫度下仍能保持大部分力學(xué)性能。同時其抗切割、耐化學(xué)性好、不易燃并且不導(dǎo)電。這些優(yōu)異的特性都使得用對位芳綸制成的繩纜具有獨特的優(yōu)勢。

早在20世紀(jì)70年代，美國國家航空航天局為了減輕降落傘系統(tǒng)的質(zhì)量開始探索使用907kg的Kevlar?K29編織繩取代1020kg的尼龍(聚酰胺)繩，整個降落傘系統(tǒng)因此減重約20%，并且該系統(tǒng)的性能還得到了提升。Kevlar?是美國杜邦TM公司對位芳綸產(chǎn)品的注冊商標(biāo)。自從1971年杜邦TM公司將芳綸商品化以來，Kevlar?很長時間以來一直是對位芳綸的知名品牌。

帝人芳綸公司從1986年開始商業(yè)化生產(chǎn)高性能對位芳綸，并將其正式命名為Twaron?，此后帝人芳綸一直是芳綸技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。2019年11月，作為目前全世界最大的芳綸制造商及供應(yīng)商的帝人芳綸正式開始Twaron?高性能芳綸的第二輪擴產(chǎn)，并確定將在2022年之前完成擴產(chǎn)25%的目標(biāo)，以進一步鞏固市場領(lǐng)導(dǎo)者地位。除了Twaron?之外，帝人芳綸還擁有高端對位芳綸品牌Technora?。如圖2所示，有別于一般由聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)制備的對位芳綸，如Twaron?和Kevlar?，Technora?由獨特的共聚化合物組成，具備更加杰出的性能，包括抗彎曲疲勞性能、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性及耐熱性，同時Technora?的耐久性和強度均比一般的對位芳綸更優(yōu)異，在同等質(zhì)量下，Technora?的強度比鋼絲高8倍。

圖 2 由 PPTA 制備的對位芳綸的分子鏈結(jié)構(gòu)(a)和 Technora?的分子鏈結(jié)構(gòu)(b)

美國著名高性能纜繩供應(yīng)商Phillystran已經(jīng)給美國海軍供應(yīng)了超過100萬m的芳綸系泊纜(見圖3)，并且在2019年又贏得了美國海軍新的五年芳綸系泊纜的合同。

圖3 美國海軍在軍艦上使用芳綸系泊纜

除此之外，在海工領(lǐng)域享有盛名的新加坡TEHOInternationalInc.Ltd.從2015年開始與帝人芳綸展開戰(zhàn)略合作，研發(fā)了基于Twaron?的高性能系泊纜MAGNARO?Aramid(見圖4)。不同于一般基于HMPE纖維的常規(guī)高性能系泊纜會在50℃左右失去強度并因此在系泊的操作過程中引起安全問題，MAGNARO?Aramid系泊纜可以在高至427℃的環(huán)境中保持性能，因此適用于非常炎熱的環(huán)境中。與此同時，MAGNARO?Aramid系泊纜還兼具蠕變小和回彈低的特點，并且通過TEHO和帝人芳綸聯(lián)合推出的回購服務(wù)，MAGNARO?Aramid可以被回收并且重復(fù)利用已實現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。

圖4 MAGNARO? Aramid 外觀(帶護套)(a)和結(jié)構(gòu) (b)

除了使用Twaron?纖維的系泊纜之外，Technora?由于其優(yōu)于一般對位芳綸的性能，甚至更早就在高性能系泊纜中得到了應(yīng)用。繩纜制造商D.KoronakisS.A.在十余年前就研發(fā)了基于Technora?的高性能系泊纜(見圖5)，在2006年就推出了基于HMPE纖維的高性能系泊纜Kapaneema-Plus，并成功取代用于液化天然氣行業(yè)的鋼絲系泊纜。該公司CEO認為，對比由HMPE纖維制成的系泊纜，基于Technora?的系泊纜在不犧牲柔軟度的前提下有更長的使用壽命和在高溫下更好的穩(wěn)定性，并且不會產(chǎn)生蠕變，這些都使得系泊纜變得更加安全。

圖5 D. Koronakis S.A.公司基于Technora? 的高性能系泊纜

除了用于運輸行業(yè)的系泊纜外，CHICH、LUNDHILDEM等闡述了一種基于芳綸的新型深海系泊技術(shù)，這種系泊技術(shù)可以取代聚酯系泊纜，用在深海石油鉆井平臺上。PeterDavies等比較了在深海工作條件下基于帝人芳綸Technora?T221和帝斯曼Dyneema?SK75高性能繩纜的力學(xué)性能之后指出，基于Technora?T221的繩纜在20℃持續(xù)受力6h的蠕變遠小于基于Dyneema?SK75的繩纜，并且Technora?T221繩纜在滑輪彎曲測試中的使用壽命比Dyneema?SK75的更長。

2 LCP纖維

LCP纖維是一種多芳基化合物類高強度纖維，通過使用液晶高分子聚合物L(fēng)CP紡絲制得(見圖6)，具有強度高、吸水性低和耐磨性好的特點。

圖 6 液晶高分子聚合物(LCP)纖維的分子結(jié)構(gòu)?

塞拉尼斯公司在20世紀(jì)70年代開始研發(fā)LCP纖維，1985年實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，并將相應(yīng)的產(chǎn)品命名為Vectran?。日本可樂麗株式會社(以下簡稱為可樂麗)從1990年開始生產(chǎn)高強型Vectran?HT纖維，并且在2005年從塞拉尼斯公司全面收購了Vectran?纖維相關(guān)業(yè)務(wù)。Vectran?纖維在高性能繩纜領(lǐng)域的主要用途包括：船用繩纜(釣魚線、網(wǎng)繩等)；非船用繩纜和吊裝帶(如輸電纜的導(dǎo)線)以及線和抗拉部件(如耳機線)。此外，基于Vectran?高性能繩纜被用于漂浮式采油、

儲存和卸載平臺(FPSO)的系泊纜。在2013年，可樂麗通過與日本頂尖的繩纜制造商TokyoRopeMfg.Co.,Ltd.,合作，通過日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(JapanIndustrialStandardsCommittee,JISC)向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization,ISO)提交了一個測試和評價基于Vectran?高性能繩纜的動議，以便在海外市場進一步拓展Vectran?在高性能繩纜中的應(yīng)用。

目前包括Cortland、Teufelberger和AtlanticBraids在內(nèi)的多家繩纜制造商均供應(yīng)基于Vectran?的高性能繩纜。由于紡絲和熱處理極為困難，LCP纖維的產(chǎn)量一直極其有限，甚至很長時間以來可樂麗都是唯一能商業(yè)化生產(chǎn)LCP纖維的制造商。但是東麗株式會社(以下簡稱東麗)在2017年成功研發(fā)了LCP纖維——Siveras?，并在2018年實現(xiàn)了銷售。東麗預(yù)計2021財年Siveras?的銷售額將達到10億日元。由于東麗從1996年便開始生產(chǎn)和銷售LCP聚合物，因此東麗也成為了全世界唯一一家掌握了從LCP聚合物到LCP纖維紡絲全產(chǎn)業(yè)鏈的制造商。得益于區(qū)別于傳統(tǒng)工藝的新的紡絲工藝，Siveras?纖維的力學(xué)性能與現(xiàn)有的LCP纖維有所區(qū)別，見表1。

表 1 Siveras? 和現(xiàn)有 LCP 纖維力學(xué)性能比較

(基于東麗的測試方法)

高性能繩纜顯然是Siveras?的目標(biāo)應(yīng)用之一。將Siveras?纖維和現(xiàn)有的LCP纖維都做成直徑為12mm的繩子(見圖7)，用Siveras?纖維制備的繩子的強力能達到73kN，而用現(xiàn)有的LCP纖維制備的繩子強力僅能達到56kN。

3 結(jié)語

隨著市場對高性能繩纜的需求量日益增加，高性能纖維已逐漸取代傳統(tǒng)的天然纖維和金屬纖維成為高性能繩纜原材料的主流選擇。對位芳綸和LCP纖維由于其獨特的優(yōu)越性能，已經(jīng)被越來越多地用在對繩纜性能有特殊要求(如耐高溫、低蠕變)的領(lǐng)域，進一步拓展這兩種纖維在高性能繩纜當(dāng)中的應(yīng)用必將極大地豐富市場，并且為用戶提供更多的選擇。

參考文獻：余曠,齊亮.對位芳綸和聚芳酯纖維在高性能繩纜中的應(yīng)用[J].合成纖維,2020,49(03):10-13+27.

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