帆船用纤维绳索简介及其发展现状

李 亮 郜阿旺 宋炳涛 曹宝学 韩冀川 张海永 刘 鹏

1. 中国人民解放军92228部队，北京 100072；

2. 山东鲁普科技有限公司，山东 泰安 271000

帆船游艇航海运动是继赛车、高尔夫球运动之后出现的更高层次的时尚体育休闲运动，其要求参与者具备良好的综合素质[1-2]。帆船游艇运动属于一种费用高昂的航海运动，在目前我国经济尚不发达的情况下，这类运动还难以向大众化普及[3]。我国海域辽阔，伴随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，相信不久的将来，帆船航海运动在我国会迎来一个快速发展与普及阶段[4]。经济领域的专家认为，帆船航海运动在我国属于一项朝阳产业，蕴藏着巨大的潜力与商机，将成为海洋经济未来发展中一个新的经济增长点[5]。基于此，附属于该领域的帆船用纤维绳索产品，也具有极大的市场潜力与研究价值。

欧洲在法律上将游艇界定为长度不小于2.5 m的，用于非营利性的海上运动、钓鱼运动或娱乐的航水器具或设备。国际市场上通常将长度超过10 m、价格在10万美元以上的船艇称为游艇(yacht)，长度不足10 m的则称为船艇(boat)[6]。我国对游艇的定义也不一致。在技术规范方面，GB/T 15095—1994《游艇术语》中对游艇(pleasure boat)的定义是主要供娱乐的艇，如游览艇，摩托艇，汽艇，家用游艇等；
对帆艇(sailing boat)的定义是装备有帆具，利用风力作为推进动力的艇，也可以装有辅助推进发动机。GB/T 16158—1996《内河船舶分类与代码》中将游艇的英文翻译为yacht。在法律规范方面，《中华人民共和国车船税法实施条例》中明确：游艇是指具备内置机械推进动力装置，长度在90 m以下，主要用于游览观光、休闲娱乐、水上体育运动等活动，应当具有船舶检验证书和适航证书的船舶。国际上则按照功能通常将游艇分为商务用游艇、运动休闲艇、竞速艇、巡游艇、钓鱼艇及帆船等[7]。

通过上述对游艇的定义与分类可以看出，目前国际上与国内对游艇的定义并没有统一，游艇与帆船的区分不明显，对附属于游艇或帆船的纤维绳索更是缺乏清晰的界定或划分。基于这种情况，纤维绳索行业通常将帆船用纤维绳索归类于游艇用纤维绳索，或直接将帆船用纤维绳索与游艇用纤维绳索的概念通用。

帆船运动在国外尤其是发达国家中，已成为一项较普遍的户外运动，其供需市场十分庞大，因此也带动了纤维绳索制造产业的繁荣发展。国外纤维绳索制造厂家已在帆船用纤维绳索系列产品领域的研究、开发与制作方面积累了数十年的经验，其产品普遍质量好且稳定性高。国际上知名的帆船用纤维绳索制造商有：英国Marlow公司和English Braids公司，奥地利Teufelberger公司，德国Liros公司和 Gleistein公司，瑞典Poly-produkter公司，美国Samson公司和Yalecordage公司，意大利Plam公司等。

帆船用纤维绳索的规格范围：纤维绳索直径通常为4～32 mm，甚至更大的直径范围，主要集中在8～24 mm；
纤维绳索的构成材质多种多样，绝大多数为合成纤维，极少数仍沿用过去常用的天然纤维；
帆船用纤维绳索的结构也具有多样性，与不同的使用方式和操作习惯对应。帆船用纤维绳索质量评价的参考指标有直径、线密度、破断强力、定负载下的延伸率、耐盐雾性、耐光照性、耐磨性及柔软度等。

帆船运动是一种耗费高昂的航海运动，目前我国涉足这一领域的人员较少，帆船运动在国内尚处于起步阶段。基于此，帆船用纤维绳索在国内的供需市场也十分狭小，多数国内纤维绳索制造商尚未涉足该领域的技术开发与产品研究，因此国内真正意义上生产帆船用纤维绳索系列产品的厂家数量十分有限。其中，比较具有代表性的企业有鲁普耐特集团旗下的山东鲁普科技有限公司，其关注该领域的时间相对较长，连续多年参加了于荷兰举办的国际游艇帆船展，并启动了相关产品的技术研发工作，具有专门的研究团队和较好的技术储备。

国外已有大量的帆船用纤维绳索制造商并且研制经验丰富，然而，由于帆船用纤维绳索系列产品规格、种类及用途繁多，无法用统一的指标来衡量产品的性能，不同厂商生产的产品参数差异较大。目前，全球仍缺乏专门针对帆船用纤维绳索产品的标准。

在20世纪中叶以前，合成纤维尚未开发出来的很长一段时期，纤维绳索主要是以各类天然纤维为原料制作的，如采用剑麻、马尼拉麻、黄麻、亚麻等天然植物纤维[8]4。伴随着各种化学纤维的相继问世，纤维绳索的制作材质逐步由天然纤维向合成纤维过渡。

3.1 帆船领域常用合成纤维类型及特性

目前，帆船用纤维绳索领域常用的合成纤维主要有：丙纶、锦纶、涤纶、对位芳香族聚酰胺纤维(芳纶1414)、超高相对分子质量聚乙烯(HMPE)纤维、液晶聚酯(LCP)纤维及聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维等，几种合成纤维的主要物理力学性能[8]54和耐磨、耐紫外及耐蠕变性能对比如表1所示。由表1可以看出，每种合成纤维都具有各自的性能优势，也存在一定的缺陷。合成纤维因制作原料、工艺及产业化规模不同，导致纤维的价格差异很大，因此，从经济角度考虑，根据用途选择合适的纤维类型来制作帆船用纤维绳索很有必要。

表1 几种合成纤维的主要性能对比

3.2 不同合成纤维类型帆船用纤维绳索的特征及用途

帆船用纤维绳索多采用不同类型的合成纤维制成，纤维自身的优势与缺陷势必影响纤维绳索的特性，因此需根据帆船上不同位置的使用性能要求，选择合适的纤维绳索。几种不同合成纤维类型帆船用纤维绳索的特性及其对应用途[9-10]如表2所示。

表2 几种不同合成纤维类型帆船用纤维绳索的特性及用途

在实际制作过程中，可采用一种或多种合成纤维制备帆船用纤维绳索。通过将多种合成纤维复合，可结合不同纤维的性能优势，同时降低或规避单一纤维制品的缺陷。如，对要求负载大且延伸率低的帆船用纤维绳索，其绳皮多采用单一组分的涤纶制备[11]，部分纤维绳索的绳皮采用涤纶与芳纶1414或LCP纤维混合编织而成，目的是将涤纶的耐紫外性、耐磨性优势与芳纶1414或LCP纤维的耐蠕变性[12]及耐高温性[13]结合，同时部分规避芳纶1414与LCP纤维自身耐磨性与耐紫外性差[14]的缺陷，并且涤纶相对易染色[15]的特性使其纤维产品具有多种颜色类别，制成的绳皮颜色多样且可定制，能够方便用户通过外观辨识区分；
绳芯多数采用HMPE纤维制成，原因是HMPE纤维具有高强与低延伸性[16]的特性，而绳皮的保护作用可弥补其不耐高温[17]的缺陷，部分纤维绳索的绳芯采用芳纶1414或LCP纤维制成，目的是在确保绳芯高强、低延伸及低蠕变特性的前提下，通过绳皮的保护作用避免摩擦与紫外光的损害。通过绳皮与绳芯采用不同纤维原料的复合搭配设计，可实现不同纤维的优势结合与缺陷规避，进而获得实用性强的帆船用纤维绳索。

4.1 帆船用纤维绳索常见结构、特征及用途

目前，帆船领域内常用的纤维绳索按结构的不同通常分为3股捻绳、4股捻绳、8股编绳、12股编绳、双编绳及皮芯绳等类。相关研究表明：在一定的工艺参数范围内，编织结构紧密则纤维绳索的耐磨性好；
结构疏松则纤维绳索的破断强力高[18-19]。这是因为纤维的轴向越趋于纤维绳索的受力方向时，纤维绳索的强力越高[20]，但同时也会不可避免地导致纤维绳索的耐钩丝性及耐磨性变差。12股编绳为圆形平滑结构，这种纤维绳索的表面相比3股捻绳和8股捻绳更加平滑，在受到摩擦作用时具有更大的承担区域，因此相对而言耐磨性更优；
同理，8股编绳的耐磨性优于3股捻绳。几种常见结构帆船用纤维绳索的优缺点[8]81-98及其常规用途如表3所示。

表3 几种常见结构帆船用纤维绳索的优缺点及其用途

帆船用纤维绳索结构选择时主要考虑的因素是绳索在游艇、帆船上的使用位置与使用方式，需根据不同的使用领域选择相对合适的绳索结构。可参考表3中纤维绳索结构及其用途进行选配。表3中用途的划分是按照纤维绳索的结构特征及多数使用者的操作习惯而进行的大体上的归类，并不代表该结构的绳索仅适用于此领域而不能用于其他领域。

例如，部分使用者习惯选择3股捻绳作为升帆索或操纵索，而另一些使用者偏爱选择12股编绳作为系泊缆使用。只要能满足使用要求，同时确保使用安全，使用者根据自身习惯选择纤维绳索结构是完全可行的。

4.2 双编结构帆船用纤维绳索特征

双编结构纤维绳索因具有结构多样与性能多变的优势，在帆船领域内的应用最多。常见的双编结构纤维绳索的绳皮编织方式有24锭编织、32锭编织和48锭编织，极少数采用16锭或8锭的编织结构；
绳芯多数采用12锭编织结构，部分采用16锭编织结构，极少数采用8锭编织结构或3股绞捻结构。

不同结构的绳皮具备不同的特性，绳皮采用24锭编织结构时，所得纤维绳索具有较好的握持性、耐用(耐磨)性和灵活性，容易进行眼环编织，在帆船用纤维绳索领域应用最多。绳皮采用32锭编织结构，可使帆船用纤维绳索更平滑地通过滑轮组和槽轮，同时能在保持绳索直径不变的前提下，将绳芯组分的占比提高，从而提升整绳的破断强力，但与24锭编织结构绳皮相比，其在进行眼环编织时的工艺较复杂。48锭编织结构的绳皮最薄，绳体表面更光滑且更具延伸性，这种结构的绳皮在进行滑轮操作时，可提供杰出的耐磨性能。双编结构纤维绳索不同结构绳皮的优缺点如表4所示。

表4 双编结构纤维绳索不同结构绳皮的优缺点

对于绳芯而言，纤维绳索行业内通常认为绳芯采用3股绞捻或8锭编织结构时，所得纤维绳索在相同纤维直径下的线密度更小；
绳芯采用12锭编织结构时，编织成的纤维绳索具有较低的延伸率及较高的强力利用率，该结构适用于高强高模纤维；
绳芯采用16锭编织结构时，编织成的纤维绳索具有良好的柔韧性。不同双编结构绳芯的优缺点如表5所示。

表5 双编结构纤维绳索不同结构绳芯的优缺点

从上述对纤维绳索结构的分析可以看出：每种结构纤维绳索都有着其固有的特性，在选择帆船用纤维绳索时，需根据不同的用途和功能需求确定，不存在一种纤维绳索结构可满足帆船上所有的使用需求。此外，帆船用纤维绳索结构的选取不能仅以理论上的优缺点作为判断依据，需综合考虑使用领域及使用者的操作习惯等因素，遵循“合适的才是最优选择”的原则。

帆船用纤维绳索用途多样、种类繁多，因此对应的制作处理工艺也多种多样，尤其是针对特殊用途、特定指标的纤维绳索，更需要一些特定的纤维绳索工艺技术。其中，最具代表性的是纤维绳索涂层后整理技术与牵伸定型技术，这两项技术在纤维绳索制作领域属于研究难点，其研究内容多、技术要求高，是目前国内帆船用纤维绳索与国际尖端产品存在差距的关键所在。

5.1 纤维绳索涂层后整理技术

纤维绳索涂层后整理技术是一种在纤维绳索表面覆盖固化一层聚氨酯或丙烯酸类聚合物的技术，即在纤维绳索表面形成一层保护膜。通过聚合物的低表面张力、低摩擦因数及高硬度等特性，实现纤维绳索防水性与耐磨性的提升。此外，聚合物大分子的高聚合度及链段键能的稳定性，可阻止户外环境中大部分的高能态紫外光与强氧化态的自由氧与绳索中的纤维接触，从而降低紫外光与氧气对纤维的老化损伤，满足纤维绳索在户外强光、潮湿乃至海洋环境中反复摩擦疲劳的使用要求，显著延长其使用寿命。

5.2 纤维绳索牵伸定型技术

牵伸定型技术是在热效应与拉应力的双重作用下，微观上对纤维大分子的聚集态结构进行调控，宏观上对纤维绳索整体进行牵伸。热效应的作用使纤维链段运动加剧，在纤维绳索松弛的状态下，将纤维绳索编织过程中残存的应力释放；
拉应力的作用使绳索或纤维本身更趋于承载力方向排布。热效应与拉应力的协同作用，可实现纤维绳索在一定延伸状态下的结构稳定化，从而满足绳索在负载、潮湿及张力作用工况下的尺寸稳定及低伸长、耐蠕变的使用要求。

帆船用纤维绳索种类繁多，用途多样，这类绳索使用特征迥异且性能要求高，在整个纤维绳索行业属于使用高性能纤维多、技术难点大的领域。目前，国内对帆船用纤维绳索的探索与研究正处于起步阶段，与国际高水平产品相比还存在较大的差距。随着国内帆船航海运动的不断普及，帆船用纤维绳索的应用市场逐渐扩大，将促进我国帆船用纤维绳索制造工艺和技术水平的快速提升。