漁用共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲拉伸力學(xué)性能的比較

石建高　劉永利　王磊　馬海有　閔明華　余雯雯　陳曉雪　呂呈濤　黃中興　黃南婷　徐學(xué)明

摘要：在實(shí)驗(yàn)室對(duì)漁用共混改性中高分子量聚乙烯/聚丙烯單絲（簡稱共混改性MMWPE/PP單絲）和普通聚乙烯單絲（簡稱普通PE單絲）拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了比較試驗(yàn)。結(jié)果表明，共混改性MMWPE/PP單絲較普通PE單絲斷裂強(qiáng)度提高32.3%、結(jié)節(jié)強(qiáng)度提高25.6%、結(jié)強(qiáng)損失率提高7.4%，而斷裂伸長率降低47.9%。在保持?jǐn)嗔褟?qiáng)力優(yōu)勢(shì)的前提下，以共混改性MMWPE/PP繩網(wǎng)替代普通PE繩網(wǎng)，能使遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具用原材料降低消耗及水阻力減小，從而實(shí)現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)的降耗減阻。結(jié)論可為高性能材料的選配、遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)；養(yǎng)殖網(wǎng)具；拉伸力學(xué)性能；共混改性MMWPE/PP單絲

中圖分類號(hào)：S971.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

現(xiàn)代漁業(yè)的發(fā)展對(duì)合成纖維繩網(wǎng)的拉伸力學(xué)性能提出了更高要求，普通合成纖維繩網(wǎng)拉伸力學(xué)性能已不能滿足現(xiàn)代漁業(yè)生產(chǎn)的大型化、現(xiàn)代化及深水作業(yè)特殊化的需要，（中）高強(qiáng)纖維或超高強(qiáng)纖維研發(fā)及其在漁業(yè)上的應(yīng)用使這種需要成為可能[1-3]。目前，國內(nèi)外漁業(yè)上已開發(fā)出的（中）高強(qiáng)纖維或超高強(qiáng)纖維有聚芳酯纖維、高強(qiáng)度聚乙烯單絲、自增強(qiáng)聚乙烯單絲、對(duì)位芳香族聚酰胺纖維和超高分子量聚乙烯纖維（簡稱UHMWPE纖維，代表性品種如SK 75、Spectra1000和特力夫纖維等）等[4-6]。UHMWPE纖維具有卓越的物理性能，在國外它主要用于大型中層拖網(wǎng)、大型深水網(wǎng)箱等漁業(yè)領(lǐng)域，而在國內(nèi)目前它主要應(yīng)用于高端海釣線、遠(yuǎn)海網(wǎng)箱（如特力夫纖維絞捻網(wǎng)已成功應(yīng)用于三沙美濟(jì)礁遠(yuǎn)海網(wǎng)箱工程）和牧場(chǎng)化大型養(yǎng)殖圍網(wǎng)（如特力夫纖維繩網(wǎng)已成功應(yīng)用于石建高研究員團(tuán)隊(duì)主持設(shè)計(jì)的溫州白龍嶼柵欄式堤壩圍網(wǎng)網(wǎng)具工程、臺(tái)州大陳島超大型雙圓周式特力夫-銅合金圍網(wǎng)工程）等[3-5，7-11]。誠然，UHMWPE纖維成本高、進(jìn)口UHMWPE纖維絞捻網(wǎng)設(shè)備昂貴、UHMWPE繩網(wǎng)后處理工藝復(fù)雜、UHMWPE網(wǎng)具裝配要求嚴(yán)格、UHMWPE繩網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范研究缺乏等，這些因素綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致UHMWPE纖維目前在我國漁業(yè)領(lǐng)域還未能大面積推廣應(yīng)用。漁業(yè)對(duì)高性能纖維材料的需求量大，且要求價(jià)格低廉，就往往要考慮使用性能價(jià)格比高的（中）高強(qiáng)纖維材料。海洋漁業(yè)的發(fā)展，對(duì)（中）高強(qiáng)纖維材料的拉伸力學(xué)性能提出了更高要求，迫切需要開展（中）高強(qiáng)纖維新材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[2，12-14]。2013-2015年間東海水產(chǎn)研究所聯(lián)合江蘇昇和塑業(yè)有限公司等單位開展了中高強(qiáng)共混改性MMWPE/PP單絲新材料開發(fā)與應(yīng)用，并將其強(qiáng)度、結(jié)強(qiáng)損失率和延伸性等拉伸力學(xué)性能與普通PE單絲進(jìn)行了比較分析，以期為高性能材料的選配、遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以干燥MMWPE樹脂（淄博捷輝塑膠有限公司經(jīng)銷，熔融指數(shù)為3.0g /10 min，分子量60萬～100萬）、S1004型紡絲級(jí)PP樹脂（揚(yáng)子石化生產(chǎn)，熔融指數(shù)為3.0～4.0 g/10 min，添加量為MMWPE樹脂重量的24.3%～25.5%）以及白油（市售紡絲用白油材料，添加量為MMWPE樹脂重量的1.0‰～1.3‰）為原料，采用特殊共混改性紡絲專利技術(shù)加工線密度為36.9 tex的共混改性MMWPE/PP單絲，其紡絲工藝流程如下[14]：

MHMWPE+PP+白油→特殊共混改性紡絲專利技術(shù)→單絲絲束→分絲→共混改性MMWPE/PP單絲

以揚(yáng)子石化生產(chǎn)的紡絲級(jí)干燥HDPE樹脂為原料加工對(duì)照試驗(yàn)用普通PE單絲（其線密度為40.5tex）。

1.2 方法

試驗(yàn)儀器：國產(chǎn)FA2004N型電子天平和英國INSTRON-4466型強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)等。

試驗(yàn)方法：按SC 5005—2014《漁用聚乙烯單絲》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)[15]。

數(shù)據(jù)處理：按SC 5005—2014《漁用聚乙烯單絲》標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理[7-8，15-16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲強(qiáng)度性能的比較

單絲強(qiáng)度一般包括斷裂強(qiáng)度、結(jié)節(jié)強(qiáng)度等參量。共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲拉伸力學(xué)性能及現(xiàn)有市場(chǎng)單價(jià)的比較見圖1。共混改性MMWPE/PP單絲的斷裂強(qiáng)度及結(jié)節(jié)強(qiáng)度分別為8.56 cN/dtex、4.85 cN/dtex；而普通PE單絲的斷裂強(qiáng)度及結(jié)節(jié)強(qiáng)度分別為6.47 cN/dtex、3.86 cN/dtex；前者較后者的斷裂強(qiáng)度、結(jié)節(jié)強(qiáng)度分別提高32.3%、25.6%（圖1）。此外，共混改性MMWPE/PP單絲的斷裂強(qiáng)度及結(jié)節(jié)強(qiáng)度分別比漁用聚乙烯單絲行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)增加646%、34.7%[15]。共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲產(chǎn)生強(qiáng)度性能差別的原因有很多[3，6-8，12-13，16]。與普通PE單絲相比，共混改性MMWPE/PP單絲采用特殊共混改性紡絲專利技術(shù)（如PP樹脂添加量為MMWPE樹脂重量的24.3%～25.5%；白油助劑添加量為MMWPE樹脂重量的1.0‰～1.3‰等），這改善了共混改性MMWPE/PP單絲的拉伸力學(xué)性能與內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，使得其強(qiáng)度性能優(yōu)于普通PE單絲。此外，共混改性MMWPE/PP單絲加工用MMWPE樹脂中添加了特定劑量價(jià)格便宜的PP樹脂，使得其價(jià)格適中、取向度較大，這非常有利于它替代普通PE單絲在繩網(wǎng)、遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具（如傳統(tǒng)近岸網(wǎng)箱、遠(yuǎn)海網(wǎng)箱、水產(chǎn)養(yǎng)殖圍網(wǎng)等）中的推廣應(yīng)用。

2.2 共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲結(jié)強(qiáng)損失率的比較

纖維在繩網(wǎng)加工過程中一般需要進(jìn)行打結(jié)成型；一旦進(jìn)行打結(jié)成型工序，纖維強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生損失，而強(qiáng)度損失程度又進(jìn)一步關(guān)系到繩網(wǎng)及其下游制品（捕撈漁具或水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)具等）的拉伸力學(xué)性能，因此，在繩網(wǎng)等制品用纖維篩選、新型纖維開發(fā)時(shí)人們都十分關(guān)心纖維打結(jié)成型后的強(qiáng)度損失程度。為表征纖維打結(jié)成型后強(qiáng)度損失程度，石建高等人在相關(guān)文獻(xiàn)中提出“結(jié)強(qiáng)損失率”概念[7-8，16]。相關(guān)研究結(jié)果表明，原料、紡絲工藝以及纖維內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)直接影響到PE單絲等漁用纖維的結(jié)強(qiáng)損失率[7-8，16-19]。由圖1可見，共混改性MMWPE/PP單絲的結(jié)強(qiáng)損失率為433%；而普通PE單絲的結(jié)強(qiáng)損失率為40.3%。特種配方原料與紡絲工藝使得共混改性MMWPE/PP單絲內(nèi)部的高分子鏈段在拉伸時(shí)很難滑移或伸展，這進(jìn)一步導(dǎo)致共混改性MMWPE/PP單絲結(jié)強(qiáng)損失率較高，具體表現(xiàn)為其結(jié)強(qiáng)損失率較普通PE單絲提高7.4%。共混改性MMWPE/PP單絲結(jié)強(qiáng)損失率較高對(duì)其結(jié)節(jié)強(qiáng)度不利，但它通過強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)對(duì)結(jié)強(qiáng)損失率進(jìn)行了彌補(bǔ)，綜合作用的結(jié)果使得其結(jié)節(jié)強(qiáng)度仍較普通PE單絲具有明顯優(yōu)勢(shì)（圖1）。

2.3 共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲延伸性的比較

單絲延伸性主要取決于紡絲工藝、紡絲設(shè)備、紡絲外部環(huán)境、紡絲原料（包括樹脂原料種類及其組成、原料分子量、原料熔融指數(shù)）等相關(guān)因素[1-3，6-8，16-21]。由圖1可以看出，共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲的斷裂伸長率分別為8.8%、16.9%，前者的斷裂伸長率較后者降低47.9%。與普通PE單絲相比，共混改性MMWPE/PP單絲延伸性變小的原因是MMWPE/PP樹脂的分子量與熔融指數(shù)明顯高于HDPE樹脂，共混改性MMWPE/PP單絲高分子鏈在晶區(qū)排列更加緊密有序，這使得共混改性MMWPE/PP單絲高分子鏈段在拉伸時(shí)很難滑移或伸展[6-8，13，16，19-20]，所以，具有此種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的共混改性MMWPE/PP單絲的延伸性差，表現(xiàn)為共混改性MMWPE/PP單絲具有相對(duì)較低的斷裂伸長率。與普通PE單絲相比，共混改性MMWPE/PP單絲強(qiáng)度提高32.3%，在漁業(yè)上人們可以用較小規(guī)格的共混改性MMWPE/PP繩網(wǎng)來替代普通PE繩網(wǎng)，因此，相同外力條件下共混改性MMWPE/PP繩網(wǎng)更不易變形，其耐磨性、承載能力和抗沖擊性更好。

2.4 共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲性能價(jià)格比的比較

性能價(jià)格比是漁用材料科研工作者、漁用材料生產(chǎn)商及漁用材料制品用戶等都十分關(guān)注的一個(gè)商業(yè)模型參量，石建高等人在相關(guān)文獻(xiàn)中曾使用過相關(guān)概念[9-10，21]。共混改性MMWPE/PP單絲較普通PE單絲具有較高的斷裂強(qiáng)度、結(jié)節(jié)強(qiáng)度和市場(chǎng)單價(jià)，而線密度和延伸性則相對(duì)較小（圖1）。由圖1可見，若以共混改性MMWPE/PP單絲替代普通PE單絲用作遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)，在其它條件相同的前提下，根據(jù)相同使用面積的漁網(wǎng)重量進(jìn)行推算，即使共混改性MMWPE/PP漁網(wǎng)單價(jià)增加7.9%，但由于共混改性MMWPE/PP漁網(wǎng)重量減少8.9%，共混改性MMWPE/PP漁網(wǎng)成本還可以減少1.7%；這不但能保持共混改性MMWPE/PP漁網(wǎng)強(qiáng)力大于普通PE漁網(wǎng)，而且還可以相應(yīng)減小遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)重量、減小漁網(wǎng)的規(guī)格，從而進(jìn)一步減少遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)的水阻力、油耗和沖擊強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)的節(jié)能減排，發(fā)展低碳遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁業(yè)[22]。由圖1還可以看出，以共混改性MMWPE/PP網(wǎng)衣替代普通PE網(wǎng)衣制作養(yǎng)殖網(wǎng)具（如扇貝籠、大型養(yǎng)殖圍網(wǎng)或遠(yuǎn)海網(wǎng)箱等），在其它條件相同的前提下，根據(jù)相同使用面積的網(wǎng)具重量進(jìn)行推算，即使共混改性MMWPE/PP網(wǎng)具單價(jià)增加7.9%，但由于共混改性MMWPE/PP網(wǎng)具重量減少8.9%，共混改性MMWPE/PP網(wǎng)具成本還可以減少1.7%；這不但能保持共混改性MMWPE/PP網(wǎng)具強(qiáng)力大于普通PE網(wǎng)具，而且還可以相應(yīng)減小養(yǎng)殖網(wǎng)具重量及其網(wǎng)衣規(guī)格（如網(wǎng)衣目腳粗度等）、降低養(yǎng)殖網(wǎng)具換網(wǎng)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少養(yǎng)殖網(wǎng)具的水阻力和沖擊強(qiáng)度、減少養(yǎng)殖網(wǎng)具的海洋污損生物附著面積，從而提高養(yǎng)殖網(wǎng)具的使用周期與適應(yīng)性[9-10，21，23-24]。此外，隨著共混改性MMWPE/PP單絲工藝的不斷創(chuàng)新、單絲產(chǎn)品產(chǎn)能及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的不斷增加，未來共混改性MMWPE/PP單絲的價(jià)格將可進(jìn)一步下降。綜上，在同等條件下，漁業(yè)上使用線密度為36.9tex的共混改性MMWPE/PP單絲比使用線密度為40.5tex的普通PE單絲更經(jīng)濟(jì)，共混改性MMWPE/PP繩網(wǎng)較普通PE繩網(wǎng)具有性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)，共混改性MMWPE/PP單絲在遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)可行性。

3 結(jié)論與討論

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)漁用共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明， 共混改性MMWPE/PP單絲較普通PE單絲具有較高的斷裂強(qiáng)度、結(jié)節(jié)強(qiáng)度及結(jié)強(qiáng)損失率，而延伸性則相對(duì)較小。在保持?jǐn)嗔褟?qiáng)力優(yōu)勢(shì)的前提下，以共混改性MMWPE/PP繩網(wǎng)替代普通PE繩網(wǎng)，能使遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具用原材料消耗及水阻力減小，從而實(shí)現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)的降耗減阻。結(jié)論可為漁用高性能材料的選配、遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

共混改性MMWPE/PP單絲的拉伸力學(xué)性能介于普通PE單絲與UHMWPE纖維之間，它構(gòu)建了普通漁用纖維（如普通PE單絲、普通PP單絲等）與超高強(qiáng)纖維（如UHMWPE纖維、超高強(qiáng)裂膜纖維等）之間拉伸力學(xué)性能過渡橋梁，在漁業(yè)上它可結(jié)合UHMWPE纖維使用，以在確保漁業(yè)安全的前提下適當(dāng)降低漁業(yè)生產(chǎn)成本，滿足了現(xiàn)代漁業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展需要[1，23-24]。共混改性MMWPE/PP單絲通過強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了結(jié)強(qiáng)損失率偏大、價(jià)格偏高的不利因素，確保了其結(jié)節(jié)強(qiáng)度較普通PE單絲具有明顯優(yōu)勢(shì)，滿足了漁業(yè)生產(chǎn)中繩網(wǎng)、遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具所需的更高承載與抗風(fēng)浪需求；它可幫助人們提高生產(chǎn)效率、提高了漁用適應(yīng)性與安全性、助力藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)與海洋糧倉建設(shè)。共混改性MMWPE/PP單絲及其繩網(wǎng)是很有開發(fā)潛力的漁用新材料，隨著新材料技術(shù)、繩網(wǎng)加工設(shè)備、遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具新技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，共混改性MMWPE/PP單絲新材料的性能、性能價(jià)格比與漁用適應(yīng)性將會(huì)得到進(jìn)一步的提高。本文因時(shí)間、設(shè)備等因素，僅開展了共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲拉伸力學(xué)性能的比較，對(duì)共混改性MMWPE/PP單絲其它物理性能（如耐磨性、耐老化性）未作研究，這有待今后進(jìn)一步深入研究。

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Abstract：The modification of mid-high molecular weight polyethylene/polypropylene monofilament for fisheries （blending modification MMWPE/PP monofilament for short） and common polyethylene monofilament （common PE monofilament for short） tensile mechanical properties were compared in the laboratory.The result shows that compared with common PE monofilament，breaking strength and knot breaking strength of the MMWPE/PP monofilament are enhanced by 32.3% and 25.6% separately.However，loss rate of knot breaking strength and elongation at break of the MMWPE/PP monofilament separately increased 7.4% and decreased 47.9%.Under the condition of keeping the advantage of breaking load，the raw material consumption of the pelagic trawl & farming netting gear as well as the resistance of netting gear in water can be reduced if the PE rope & netting is replaced by the MMWPE/PP rope & netting，and thus the consumption decreasing and the resistance reducing in fishery can be realized.The conclusion can be used as a reference in high performance materials selection，pelagic trawl and farming netting gear design.

Key words：pelagic trawl； farming netting gear； tensile？properties； blending modification MMWPE/PP monofilament