[会员登录] [加入协会] English Version
热点透视
拽住生命的轻质UHMWPE纤维绳索
尹延征 陈岩/文 2014/10/29
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是20世纪研制成功的一种高性能的有机纤维,是继芳纶(Kevlar)之后又一类具有高度取向伸直链结构的纤维,具备高强度、高模量、耐腐蚀、耐光照、耐霉变、密度低等优异特性,可以加工成绳缆、防弹装备以及防割手套、防刺服等,在民用、航空、军事等各领域均显示出极好的应用前景。
 
种类及应用
 
UHMWPE纤维制作的绳索有三股捻绳、四股捻绳、六股拧绞绳和八股、十二股编织绳等系列,该绳索的出现替代了对传统钢丝绳的应用,比同等直径的钢丝强度高1.5倍左右,质量轻85%左右,可漂浮于水面上,并且具有耐磨、柔软、易操作、安全性高、防腐、耐老化等特点。在渔业和海岸工业中作为重负荷绳索,UHMWPE纤维绳索用于海上打捞、救援、停泊、抛锚、拖泊等;在船艇系列中用作帆船用帆缆、帆脚索、升降索,张帆和细绳系列;体育系列中用作滑翔索、伞索、登山索、张帆绳索、射击用弓弦等;军用系列中用于海军用绳缆、帆缆、伞兵部队用伞索及其他张帆绳索,直升机吊索,救援索及陆军部队和装甲部队用的多种张帆、机运用强力绳索等。
绳网产品的应用已经有几千年的历史,其应用涵盖工、农、日用等领域的各个方面。以往对绳索的应用仅仅限于绳索本身,而对绳索的后整理较少,随着科技发展,人们越来越希望得到操作方便且功能优化的生产、生活工具,因此对绳网产品也提出了较高要求,绳索的后整理成为一种增加附加值的必然趋势。
UHMWPE纤维在绳索领域有广泛的应用,但是由于纤维本身非常柔软,制备绳索时增加捻度会使强度有所下降,若不加捻或加捻较弱时,制备出的绳索的纤维间贴服程度较低,容易出现毛羽;工业中还会对绳索的其他性能提出一定要求,如不同颜色、增加耐磨性、耐候性、延长绳索使用寿命等。因此需要对绳索进行一定的处理,如使用涂层等。
目前对UHMWPE纤维的整理本质上是两种方式,一是通过对UHMWPE纤维进行改性,改变纤维的表面形态使其易与其他反应性物质化学交联接枝或物理性结合。二是将涂层剂直接粘附在UHMWPE纤维或其绳索表面,改进其力学或其他性能。
对纤维进行改性后可以增强纤维的表面能,利于与其他物质反应,有效扩展了UHMWPE纤维的其他性能,但是对UHMWPE纤维处理过度会减小纤维的拉伸强度等性能。直接对纤维进行涂层处理时,由于纤维表面过于光滑,高分子涂层在纤维表面的粘合强度相对较小,耐久性差。因此建议将两种方法进行结合,首先对UHMWPE纤维进行适当表面处理,再进行涂层整理,可获得持久性能高的多功能UHMWPE纤维绳索。
 
多功能涂层
 
随着高分子化学的飞跃发展,涂层种类和技术不断多样化。采用不同高分子材料作涂层剂,或在涂层剂中混入不同的功能性添加剂,对绳索进行涂层整理,可以方便地制得功能性绳索。
通过涂层整理可加强绳索的拒水性。德国鲁道夫(Rudolf)公司合成末端为甲基的树状大分子拒水剂,拒水性、耐洗性和手感良好。而模拟荷叶表面结构,利用纳米粒子涂层增加低表面能界面的粗糙度,可赋予物体表面超疏水性能。
绳索多数会受到光照、紫外线照射等环境考验,将紫外线屏蔽剂和紫外线吸收剂两种材料以适当比例混入涂层剂中,对绳索表面进行涂层整理,加强其耐候性能。
绳索进行涂层整理后,对力学性能也会有一定影响。例如UHMWPE纤维表面非常光滑,纤维之间摩擦力小,制备的绳索容易分散起毛,将UHMWPE纤维绳索进行涂层整理后可使纤维在涂层剂作用下粘合在一起,增强了绳索的力学性能。例如,冰岛Hampidjan公司生产的涂有聚氨酯的Dyneema超高分子量聚乙烯纤维编织的12股编绳可以浮在水面上,与同等粗细的钢丝绳断裂强度相同时,质量仅有钢丝绳的1/6,在反复拉伸和弯曲的条件下,其耐用性比钢丝绳高好几倍,断裂伸长率仅为6%,且可以快速粘接。
宁波大成新材料公司的专利CN 101748558A中制备的高强度的聚乙烯纤维涂层绳索,涂胶量在6%~10%,具有良好的耐磨、耐腐蚀性,极好的韧性和弯曲性能。
丹麦ProFlex Aps公司开发了应用于渔网和绳索产品的系列涂层,涂层剂经稀释后直接对绳网进行浸渍处理,产品耐磨、耐日晒、耐海水、碱、酸和汽油腐蚀。该公司生产的涂层剂除水性改性丙烯酸外还有溶剂型涂层剂,并能根据特殊目的制备具有阻燃等性能的涂层剂。
 
纳米涂层
 
根据绳索应用领域的不同,对绳索性能会有各种要求,除在纤维生产阶段对原料进行填料添加或化学改性外,还可以将各种功能的纳米粒子加入涂层剂中以进行功能改性。从理论上讲,将纳米粒子添加到聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚四氟乙烯等传统涂层中均可以给予涂层以纳米粒子的特殊功能。
纳米复合涂层技术是利用纳米技术方法将功能化的涂层涂覆在材料表面,可以显著改善材料的性能,是一种纳米表面整理技术。纳米复合涂层是由两相或两相以上的固态物质组成的薄膜材料,其中至少有一相是纳米相,其他相可以是纳米相,也可以是非纳米相。纳米复合涂层集中了纳米材料的优异特性,纳米涂层成膜致密,具有常规涂层不可比拟的防水耐油等特殊性能。
纳米涂层中的应用方式分为两种:一种是纳米粒子在传统有机涂料中分散后形成纳米复合涂料,再喷涂到基体材料上生成涂层,目的是通过添加纳米粒子对传统涂料进行改性,属纳米复合材料的一种,称为纳米复合涂层;另一种是完全由纳米粒子组成的纳米涂层材料,目的是将纳米涂层直接与固体物件的制备联系在一起。完全的纳米材料涂层离商业化尚有相当一段距离,只有在军事上有所应用。但传统涂层中添加纳米材料获得的纳米复合涂层在技术上无须增加太大成本,实际应用较为广泛。
绳索在使用中大都暴露在空气或日晒等环境中,长时间使用会使绳索老化,各项性能指标下降。向涂层剂中添加吸收或屏蔽紫外线的纳米粒子,可以延缓绳索的老化,延长绳索使用寿命。
以高楼逃生绳索为例,高层建筑在发生火灾或其他灾害时,人员可使用应急逃生绳索紧急避难。使用时绳索上端固定悬挂,人员配合下降器进行下降。绳索的原料大都为化纤类原料,与金属丝相比导热系数小,下降过程中绳索容易出现磨毛和发热现象,对绳索的拉伸强度造成一定影响。若在涂层剂中添加包覆石蜡或金属等相变储能材料的微胶囊,将其涂覆在绳索或纤维表面,可以有效转移绳索热量,大大增强绳索的安全性能。涂覆树脂粘合的锑—溴等阻燃体系涂层还可以使绳索具备相应的阻燃性能,替代芳纶等成本较高的阻燃纤维绳索,降低生产成本。加入特定涂层剂还可以提高绳索在下降器或滑轮使用中抗弯曲疲劳的性能。
在渔业用绳缆中,绳缆在拖曳船只时会有一些砂粒等进入纤维中,像砂纸一样摩擦和切割绳索,影响绳索的使用。可以在绳索表面涂覆一层增强耐磨性的功能性涂层剂,如纳米SiO2微球。SiO2在涂层剂的交联作用下紧紧贴附在纤维表面形成一层致密薄膜,增强了纤维的贴服程度,有效抵御外部颗粒对绳缆内部纤维的损害。同时自修复功能的纳米涂层的可保证磨损面恢复原有形态。
尼龙等纤维容易吸潮,吸湿后的绳缆重量增加,且强度会相应减小,耐磨性下降,绳子吸湿结冰后失去了原有的柔软性,不易操作。如登山绳等会在冰雪等恶劣环境中使用,要求绳索必须防水;油田用绳因接触大量油剂容易造成污染和侵蚀,因此该类绳索最好做到防水防油。而绝大多数绳索纤维都会对液体有一定的浸润性,对于此类绳索,除严格要求其制备工艺外,若在绳索或纤维表面涂布一层具备超强疏水或疏油性质的纳米涂层,可以使绳索在接触水或油等液体时,液体在绳索表面迅速滑落,并将附着在绳网表面的污染物质包裹除去,而不会浸润到纤维内部,即自清洁效应,有效提高绳网使用效率。同样,在绳网纤维表面涂覆一层具有超亲水或超亲油的纳米级涂层剂,可以增强绳网的吸水或吸油性能,可在消防救灾或石油泄露等突发状况下使用。
在农林牧渔的种植养殖等绳网使用领域,绳网涂层剂中可添加含有驱虫剂或驱藻剂的纳米粒子,大大延长绳网类产品的使用寿命,增加附加值。
此外,根据生产要求,向涂层剂中加入发光、香味、磁性、变色等各种特性的纳米粒子,可以制得具有特殊功能的绳网产品。
 
版权声明  |  关于我们  |  联系我们  |  广告服务  |  网站地图
主办单位:中国产业用纺织品行业协会 电话:010-85229421 传真:010-85229425
京公网安备11010102000562号 京ICP备09054622号