渔用高性能绳索材料的研究进展
作者: 徐俊杰 石建高 王猛 孙斌 邱昱 李守湖 张文阳摘 要:绳索是重要的渔具材料,在渔业生产中发挥了重要作用,其综合性能直接影响到渔业生产效率及安全。本文主要围绕超高分子量聚乙烯(UHMWPE)绳索、钢丝绳、碳纤维绳索的主要性能及改性研究进行综述,分析对比了三种渔用高性能绳索材料在断裂性能、抗腐蚀性能、抗蠕变性能等综合性能上的优缺点;介绍了它们在渔业领域的发展现状,为渔用绳索新材料的进一步研发及应用提供理论参考。此外,本文回顾了渔用高性能绳索材料前期研究方向及应用技术方面的重点与难点,建议今后加强其基础研究及产业化应用技术研究。
关键词:高性能绳索;渔具材料; UHMWPE绳索;钢丝绳;碳纤维绳索;深远海网箱
中图分类号: S971
绳索是一种重要的渔具材料,其强力、耐磨性、抗疲劳性、抗蠕变性和抗冲击性等综合性能直接影响渔具的使用效果。人类早期使用的绳索多为天然纤维绳索,在当时的历史条件之下,天然纤维绳索材料易于得到,并且绳索的性能已经基本满足当时人类生活需求,对人类社会的进步和发展发挥了重要作用[1]。随着18世纪工业革命的兴起及发展,天然纤维绳索的性能已经不能满足人类的生产活动要求,因此,各种合成纤维绳索应运而生,人们开发应用了多种高性能绳索。在由天然纤维绳索过渡到高性能绳索的过程中,合成纤维绳索逐步占据主要绳索市场。常见的合成纤维绳索有聚酯(PET)纤维绳索、聚乙烯纤维绳索、聚丙烯纤维绳索等七类。这些普通合成纤维绳索相对于传统天然纤维绳索,在防腐性能等方面取得了极大的进步,已广泛应用于拖网、网箱和养殖围栏等领域[2]。随着各种高性能纤维材料的出现,人们开始研发应用渔用高性能绳索。如UHMWPE绳索已替代普通合成纤维绳索在半潜式养殖装备等深远海养殖领域应用。又如钢丝绳强度高、工作相对较平稳、不易突然整根折断,工作可靠,可在拖网曳纲等领域应用。碳纤维绳索也以其良好的综合性能,较轻的质量成为高性能绳索的一员,被许多渔具生产商所青睐。这些高性能绳索应用于渔业中,不仅可以降低劳动强度、减小网具或养殖设施水阻力,而且可以扩大网具或养殖设施主尺度、提高作业效率与使用寿命。因此,高性能绳索是一种很有开发潜力的渔用绳索,产业前景广阔[3]。本文概述了UHMWPE绳索、钢丝绳、碳纤维绳索等三种渔用高性能绳索材料的相关性能及研究进展等,分析比较其优劣,旨在为渔用高性能绳索材料的开发及产业化应用提供科学依据。
1 UHMWPE绳索
UHMWPE纤维复丝具有强度高、伸长小、自重轻、耐磨耗、特柔软和易操作等特点,因而它在安全防护、渔业等领域得到应用[4]。随着远洋大型渔具、半潜式养殖装备、大型养殖围栏等的发展,UHMWPE绳网产品逐步在渔业中得到广泛应用。
1.1 UHMWPE绳索基体纤维的抗断裂性能
UHMWPE绳索基体纤维——UHMWPE纤维具有良好的力学性能, 在相同线密度下的抗拉伸强度比芳纶高出40%, 是普通化学纤维的10倍[5]。因此,由UHMWPE纤维制成的UHMWPE绳索较同规格的普通纤维绳索具有更好的抗断裂性能。UHMWPE纤维的密度为不锈钢丝的 1/8、碳纤维的1/2、玻璃纤维的2/5,但它的强度是不锈钢丝强度的5 倍,是碳纤维和玻璃纤维的1.6倍[6]。为保障渔业生产安全,人们对渔用绳索基体纤维材料的抗断裂性能提出了高标准要求,为此,部分学者尝试通过往UHMWPE原料中添加其它材料来增强UHMWPE复合材料的抗断裂性能。
1.2 UHMWPE绳索基体纤维的耐磨性能
国际标准ISO 11542中将UHMWPE的分子量定义为100万以上,因此UHMWPE材料是一种具有极高分子量的材料,这种极高分子量的结构给予了UHMWPE纤维超高的耐磨性。UHMWPE的耐磨性能甚至是碳钢将近7倍。尽管UHMWPE的耐磨性能居塑料之冠,但是由于海洋环境的复杂多变,对渔用UHMWPE绳索提出了更高要求,促使科学界需要进一步提高制品的耐磨性能。首先,相关学者认为,高结晶度的制品应当具有更高的表面弹性模量和硬度,从而可能会有利于提升制品的耐磨性能[7]。Simis等[8]通过高压(300 MPa)结晶将GUR1050的结晶度从50.2%提高到70.9%,通过对比两种制品磨损后的SEM形貌图,能够得出高结晶度制品的耐磨性能更优。也有部分研究人员认为通过简捷的填充共混改性可以增强UHMWPE的耐磨性。胡永乐[9]认为,通过添加二硫化钼和石墨,在摩擦面形成黏着牢固的转移膜,其磨损机理会表现为疲劳磨损,同时两者都能改善材料的耐温性或者提高材料的导热系数,因此二硫化钼和石墨都能够改善材料的摩擦磨损性能。其中改善效果最佳的二硫化钼和石墨含量均为25%左右,改进后的UHMWPE材料的耐磨性能相对于纯的UHMWPE材料有大幅度的提高。将上述改性后的UHMWPE材料制作UHMWPE绳索,则可大大提高产品的耐磨性能。
1.3 UHMWPE绳索基体纤维的抗腐蚀性能
UHMWPE纤维由于化学结构单一,并且具有高度取向和高度结晶的结构,因此能耐绝大部分化学物质腐蚀,只有极少数有机溶剂能使该纤维产生轻度溶胀[6],这种极度稳定的化学结构同样使得它具有极其优异的耐老化性能,在长期光照环境中,同样能保持高强高模的特性。UHMWPE材料的这种优秀耐腐蚀性能也被各种企业用于渔业生产活动中。渔用绳索由于需要长期浸泡于海水之中,海水中含有的各种化学物质具有很强的腐蚀性,普通材料制成的绳索长期处于这种环境中,很有可能会因此断裂。用UHMWPE纤维制成的绳索,得益于本身的极强耐腐蚀性,很快被各大渔业公司青睐。为了使UHMWPE纤维获得更好的抗腐蚀性能,相关学者也对UHMWPE材料进行了相关实验。曾黎明等[10]通过将UHMWPE材料浸泡在铬酸溶液之中进行酸腐蚀处理,将酸腐蚀处理之后的材料实验之后发现,铬酸可以对UHMWPE材料的表面活性起到比较明显的改进作用。王成忠等[11]经过试验研究发现,UHMWPE纤维经过铬酸氧化表面处理,以及各种类型的上胶剂处理都可以提高复合材料的层间剪切强度,但是氧化处理时间过长则会导致纤维强度下降,这就会导致UHMWPE纤维的抗腐蚀能力下降,相关绳网制品容易破坏。但是通过液相氧化和表面活性上胶剂涂覆相结合的复合处理,可使其具有协同效应,就可以在纤维的表面接枝活性官能团,从而使得纤维和树脂基体产生化学键合,这样就基本不会降低纤维强度而大幅度提高复合材料的层间剪切强度,是一种比较方便有效的表面处理方法,能够有效提高UHMWPE纤维的抗腐蚀性能。将上述改性后的UHMWPE材料制作UHMWPE绳索,则可大大提高绳索网具等产品的抗腐蚀性能与使用寿命,这进一步推动了UHMWPE绳索在深水网箱、深远海养殖、远洋渔业等渔业领域的应用。
1.4 UHMWPE绳索材料的综合性能研究进展
UHMWPE纤维具有极好的力学综合性能,因此由UHMWPE纤维制成的UHMWPE绳索也被各相关科学界深入研究。石建高等[12]对UHMWPE绳索的力学性能进行研究,研究结果表明,与相同直径的其它材料绳索相比,UHMWPE绳索的断裂强力性能有极大的优势,如果用UHMWPE绳索代替普通纤维绳索用于网箱等水产养殖装备,可降低网箱阻力、减少网箱箱体原材料消耗,进而能够提高网箱的使用周期、提升网箱的抗风浪性能,满足现代网箱的大型化、离岸化和低碳化等功能需求。马海有等[13]研究了UHMWPE复合绳加工工艺,结果表明,绳索的断裂强力与其加捻程度成反比,因为对绳索的加捻程度越大,绳索中的纤维受到的剪切力越大,绳索的断裂强力也就因此下降。因此在将UHMWPE纤维制成绳索时,要注意其加捻程度;相关试验证明,捻系数在4.9~5.5的UHMWPE绳索,其整体结构较好。UHMWPE绳索的抗疲劳性能决定着绳索的使用寿命,因此相关学者也对其进行了深入研究,吕生华等[5]通过不同捻度UHMWPE绳索的断裂强力对比,研究发现,捻度越大UHMWPE绳索受到的横向剪切力就越大,这就相当于在绳索侧面添加了一个剪切力,因此,在使用UHMWPE纤维制作绳索时,应当尽量使用低捻度或者无捻度纤维,来减少断裂强力的损失。综上,UHMWPE绳索特别适用于需要高性能绳索的领域(如离岸网箱、远洋渔具、半潜式养殖装备、深远海养殖围栏、深远海网箱、离岸贝藻养殖设施等领域),这也是近年来UHMWPE绳索相关产业迅速发展的一个重要原因[12]。
2 钢丝绳
钢丝绳以钢丝为基体纤维,具有强度高、抗蠕变、抗磨损等性能,主要应用于渔业、钢铁、化工、运输和港口等行业。但是钢丝绳因为材质的原因,在渔业生产活动中,纯钢丝绳的耐腐蚀能力不强,因此如何解决渔用钢丝绳的耐腐蚀性能一直是渔业界亟待解决的关键问题。
2.1 钢丝绳基体纤维的抗拉性能
钢丝绳材料以特种基体纤维——钢丝加工而成,具有极强的抗拉性能。虽然普通钢丝绳材料的抗拉性能已经满足日常使用,但由于渔用钢丝绳需要承受更大的强力,因此对其抗拉性能有着更高要求。钢丝绳自投入使用之日起始终处于不同的轴向载荷作用,当钢丝绳处于拉伸状态时,从局部角度去考虑,钢丝绳内部的股与股之间,丝与丝之间必然相互挤压形成内力,并且此内力使丝股沿着螺旋角的方向产生旋转位移[14]。从整体角度去考虑,钢丝绳除受轴向作用力产生拉伸变形,还受到径向作用力使之产生扭转变形。因此,拉伸引起的扭转载荷在钢丝绳使用后就始终存在,是钢丝绳极其普遍且重要的载荷之一[15]。部分企业及学者尝试通过增加金属元素的方式来提升钢丝绳的抗拉性能,在热处理过程中,通过掺杂合金元素的办法可以使成型的钢丝获得更加优异的机械性能。钢丝在钢丝绳中起主要承载作用,钢丝的力学性能会对整个钢丝绳的承载能力产生决定性作用[16]。
2.2 钢丝绳基体纤维的抗蠕变性能
深水网箱、养殖围栏、半潜式养殖装备等水产养殖设施对绳索的抗蠕变性提出了严格要求[15]。袁行飞等[17]通过进行长时间蠕变实验得出,钢丝绳在常温下的蠕变应变具有相似的时间发展规律:在初期较短时间内,蠕变发展迅速,近似等同于线性增长;随后增长的速率逐渐减小,最终趋于平缓;大约180 d(4 300 h)后,蠕变应变以比较稳定的速率增长。Ivanco等[18]通过对钢丝绳的蠕变规律进行有限元分析,结果发现:钢丝之间的空隙对钢丝绳的蠕变性能影响较大,随着钢丝绳股蠕变应力的增加,钢丝绳轴芯的存在能够有效提升钢丝绳的抗蠕变性能。周立平[19]通过对钢丝绳施加预加应力,并对其进行有限元分析,结果表明,经过预加应力的钢丝的蠕变现象及其预应力损失,随火场环境温度的增大而增大。通过新材料技术提高钢丝的抗蠕变性能,可相应提高渔用钢丝绳的抗蠕变性能。
2.3 钢丝绳基体纤维的耐磨性能
钢丝绳在使用的时候,会受交变应力的影响,因此,钢丝绳会出现一定程度的弹性拉伸变化,当两根互相接触的钢丝之间产生不同步变形时,它们之间会发生相对滑动,从而引发微动磨损,磨损会造成钢丝绳的受磨损部位逐渐变细[20]。因此想办法改善提高钢丝绳的耐磨性能,是渔业等相关领域研究人员亟待解决的问题。目前最普遍的改善钢丝绳耐磨性能的方法,是把钢丝绳的钢丝表面进行磷化处理,在钢丝的表面上形成质量约为3~60 g/m2的磷化膜涂层[21]。在对钢丝绳进行磷化处理的时候,一般会使用锰系或锌锰系等耐磨磷化配方,耐磨磷化层和润滑油共同作用,从而起到降低钢丝之间摩擦力、抑制微动磨损的发生,进而有效抑制或者缓解微动疲劳的发生,提高钢丝绳的耐磨损特性[22]。提高钢丝绳的耐磨性,可以进一步提高捕捞渔具等相关装备的安全性与使用寿命。
2.4 钢丝绳的综合性能
钢丝绳的传动在渔业生产活动之中占有极其重要的地位,由于用到钢丝绳的地方大多涉及到重型器械的使用,一旦出现安全问题就是一场重大事故,因此钢丝绳的性能研究必须得到重视。钢丝绳通常都与滑轮组配合使用,因此廖红卫[23]分析对比了低硬度滑轮、中硬度滑轮、中高硬度滑轮以及高硬度滑轮对钢丝绳的影响,通过对比发现:试验钢丝绳的使用寿命曲线呈现M型,这也就是说,滑轮的表面硬度过高或者过低,对于钢丝绳的寿命都不利,因此在钢丝绳的使用中,应当尽量选用中硬度或者中高硬度的滑轮来配合使用。何敬[24]通过改变钢丝绳的整体结构来改变钢丝绳抗拉能力,对于截面形状为椭圆股和三角股的钢丝绳,减小钢丝绳的侧丝直径是一种降低其应力的方法。同时,三角股钢丝绳的抗拉伸性能要优于椭圆股钢丝绳的抗拉伸性能。因此,三角股钢丝绳在渔业领域应用潜力更大。谷威等[25]认为钢丝绳在使用过程中,有可能会因为较长的使用距离而导致其发生弯曲,而在滑轮处会因为弯曲产生弯曲应力,因此在钢丝绳使用过程中,应当在安全拉力的前提下,尽量加大钢丝绳纵向拉力,并且应当定期对钢丝绳表面产生的挫伤、断丝等进行检查,及时检查,及时处理。