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(jìn)一步細(xì)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(jī)、制股機(jī)和制繩機(jī)的大型化及自動(dòng)化，纜繩的直徑有了進(jìn)一步增加的趨勢(shì)，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(dá)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(gè)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(jìn)一步指出，一種繩很難滿足各種環(huán)境的應(yīng)用要求。實(shí)際上，在不同的使用環(huán)境中，繩的實(shí)際性能會(huì)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(zhǎng)的一段時(shí)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(jià)比高、彈性模量高以及強(qiáng)度比天然纖維大。但是鋼絲繩的缺點(diǎn)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(shí)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(chǎng)的進(jìn)一步細(xì)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(chǎng)對(duì)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(qiáng)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(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHWMPE)纖維、高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(HMPE)纖維、聚芳酯(LCP)纖維和對(duì)位芳香族聚酰胺纖維(對(duì)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。

對(duì)位芳綸，國內(nèi)一般稱為芳綸1414，是一種具有高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度比聚酯和聚酰胺纖維高2~3倍；在同等質(zhì)量下，其強(qiáng)度是鋼絲的7倍)、高模量(模量可以達(dá)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(duì)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(duì)位芳綸的熱穩(wěn)定性特別好，沒有熔點(diǎn)，只有在500℃及以上才會(huì)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(shí)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(duì)位芳綸制成的繩纜具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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(gè)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(duì)位芳綸產(chǎn)品的注冊(cè)商標(biāo)。自從1971年杜邦TM公司將芳綸商品化以來，Kevlar®很長(zhǎng)時(shí)間以來一直是對(duì)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(duì)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(kuò)產(chǎn)，并確定將在2022年之前完成擴(kuò)產(chǎn)25%的目標(biāo)，以進(jìn)一步鞏固市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者地位。除了Twaron®之外，帝人芳綸還擁有高端對(duì)位芳綸品牌Technora®。如圖2所示，有別于一般由聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)制備的對(duì)位芳綸，如Twaron®和Kevlar®，Technora®由獨(dú)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(shí)Technora®的耐久性和強(qiáng)度均比一般的對(duì)位芳綸更優(yōu)異，在同等質(zhì)量下，Technora®的強(qiáng)度比鋼絲高8倍。

圖 2 由 PPTA 制備的對(duì)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。

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(huì)在50℃左右失去強(qiáng)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(shí)，MAGNARO®Aramid系泊纜還兼具蠕變小和回彈低的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。

除了使用Twaron®纖維的系泊纜之外，Technora®由于其優(yōu)于一般對(duì)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(rèn)為，對(duì)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(zhǎng)的使用壽命和在高溫下更好的穩(wěn)定性，并且不會(huì)產(chǎn)生蠕變，這些都使得系泊纜變得更加安全。

除了用于運(yùn)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(tái)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(yuǎn)小于基于Dyneema®SK75的繩纜，并且Technora®T221繩纜在滑輪彎曲測(cè)試中的使用壽命比Dyneema®SK75的更長(zhǎng)。

LCP纖維是一種多芳基化合物類高強(qiáng)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(qiáng)度高、吸水性低和耐磨性好的特點(diǎn)。

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(shí)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(huì)社(以下簡(jiǎn)稱為可樂麗)從1990年開始生產(chǎn)高強(qiáng)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(jī)線)。此外，基于Vectran®高性能繩纜被用于漂浮式采油、

儲(chǔ)存和卸載平臺(tái)(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(huì)(JapanIndustrialStandardsCommittee,JISC)向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization,ISO)提交了一個(gè)測(cè)試和評(píng)價(jià)基于Vectran®高性能繩纜的動(dòng)議，以便在海外市場(chǎng)進(jìn)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(zhǎng)時(shí)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(huì)社(以下簡(jiǎn)稱東麗)在2017年成功研發(fā)了LCP纖維——Siveras®，并在2018年實(shí)現(xiàn)了銷售。東麗預(yù)計(jì)2021財(cái)年Siveras®的銷售額將達(dá)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(cè)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(qiáng)力能達(dá)到73kN，而用現(xiàn)有的LCP纖維制備的繩子強(qiáng)力僅能達(dá)到56kN。

隨著市場(chǎng)對(duì)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(duì)位芳綸和LCP纖維由于其獨(dú)特的優(yōu)越性能，已經(jīng)被越來越多地用在對(duì)繩纜性能有特殊要求(如耐高溫、低蠕變)的領(lǐng)域，進(jìn)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(chǎng)，并且為用戶提供更多的選擇。