三元共混網(wǎng)線材料斷裂強(qiáng)力試驗研究

劉　嫚， 石建高， 汪征位， 余雯雯， 高　敏， 宋偉華

(1 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點實驗室，浙江 舟山 316022；2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090)

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三元共混網(wǎng)線材料斷裂強(qiáng)力試驗研究

劉嫚1， 石建高2， 汪征位1， 余雯雯2， 高敏1， 宋偉華1

(1 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點實驗室，浙江 舟山 316022；2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090)

摘要：為給漁用材料的合理選用提供參考，以三元共混網(wǎng)線材料(中高分子量聚乙烯/聚丙烯/三元乙丙橡膠，MHMWPE/PP/EPDM)作為研究對象，按不同混合比、不同直徑進(jìn)行網(wǎng)線的斷裂強(qiáng)力及結(jié)節(jié)強(qiáng)力試驗，分析其相應(yīng)的強(qiáng)力、延伸性等性能。結(jié)果顯示，三元共混網(wǎng)線材料的斷裂強(qiáng)力隨著直徑增大而增加，優(yōu)于同等直徑普通聚乙烯網(wǎng)線材料，且隨著直徑增大，差異性越明顯，最大差異時三元共混網(wǎng)線材料的斷裂強(qiáng)力為2 091.4 N，是普通聚乙烯的1.8倍；在相同的網(wǎng)線直徑條件下，三元共混網(wǎng)線材料斷裂強(qiáng)力均隨PP含量增加而增加；在相同的直徑下，三元共混網(wǎng)線材料的斷裂伸長率小于普通聚乙烯網(wǎng)線材料，結(jié)節(jié)損失率高于普通聚乙烯網(wǎng)線材料。三元共混網(wǎng)線材料，雖然斷裂伸長率低、結(jié)節(jié)損失率高，但強(qiáng)力性能要優(yōu)于普通聚乙烯，可在漁業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三元共混材料；斷裂強(qiáng)力；斷裂伸長率；結(jié)節(jié)損失率；斷裂試驗

網(wǎng)衣是捕撈網(wǎng)漁具和養(yǎng)殖網(wǎng)箱重要的組成部分。捕撈拖網(wǎng)中的網(wǎng)囊在水中易變形、阻力大，不但影響漁獲質(zhì)量和漁具的使用周期，還造成漁船燃油消耗增多；養(yǎng)殖網(wǎng)箱在海水中經(jīng)常會受到風(fēng)、浪、流的影響，造成箱體變形，導(dǎo)致容積減少，減少了養(yǎng)殖魚類的活動空間，使得魚類擁擠，造成擦傷出血從而引發(fā)魚病[1]。網(wǎng)衣材料是影響網(wǎng)漁具和養(yǎng)殖網(wǎng)箱性能的主要因子之一，直接關(guān)系到兩者的安全性、使用壽命、抗風(fēng)浪性等。目前，網(wǎng)衣所使用的纖維材料以合成纖維為主，國內(nèi)外常用的漁用合成纖維主要有聚乙烯纖維、聚酯類纖維、聚酰胺類纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和聚氯乙烯纖維等[2-3]。與發(fā)達(dá)國家相比，我國在漁用材料品種和質(zhì)量等方面存在較大差距，如抗老化性差、強(qiáng)度低、低溫易脆斷、收縮率大和尺寸穩(wěn)定性差等[4]，難以滿足現(xiàn)代漁業(yè)生產(chǎn)中遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具所需的更高承載和更好的抗風(fēng)浪需求[5]。

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所采用三元共混技術(shù)制備了高強(qiáng)高韌漁用材料纖維，主要是采用聚丙烯(PP)對中高分子量聚乙烯(MHMWPE)進(jìn)行共混改性，選取相應(yīng)低粘度的三元乙丙橡膠(EPDM)作為相熔劑，共混后通過熔融、紡絲、多級后牽伸工藝制備等技術(shù)環(huán)節(jié)制成共混漁用材料(簡稱“三元共混網(wǎng)線”)，可滿足漁業(yè)生產(chǎn)要求的高強(qiáng)高韌性能，在保持漁網(wǎng)纖維高結(jié)節(jié)強(qiáng)力要求下，既能克服上述缺點，又可減小漁網(wǎng)線直徑，提高漁具濾水性，降低水阻力，以實現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)節(jié)能降耗。本文通過網(wǎng)線材料干態(tài)下斷裂強(qiáng)力試驗研究，比較不同直徑及不同混合比的三元共混材料直線狀態(tài)下斷裂強(qiáng)力，探究該種新型材料的強(qiáng)度性能，為合理選用網(wǎng)線材料提供數(shù)據(jù)參考，對高性能漁用纖維新材料的開發(fā)具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所進(jìn)行，試驗樣品為不同混合比PP、MHMWPE、EPDM的4組材料(表1中的樣品A、B、C、D)，同時按照網(wǎng)線直徑大小相似標(biāo)準(zhǔn)，采用普通聚乙烯(PE)對比試驗組樣品4種(表2)。

表1　4組試驗材料中PP、MHMWPE、EPDM的比例

表2　不同規(guī)格的網(wǎng)線材料的直徑和線密度

1.2材料制備

(1)采用PP、MHMWPE、EPDM原料按表1不同混合比例均勻混合；(2)經(jīng)SJ-30×25C單螺桿擠出機(jī)，擠出機(jī)4區(qū)溫度控制為290 ℃、338 ℃、340 ℃和346 ℃，進(jìn)行熔融擠出噴絲；(3)將噴絲冷卻后的初生絲采用二次牽伸法，以不同的牽伸比進(jìn)行熱牽伸，制備三元共混單絲材料；(4)采用常規(guī)的漁用網(wǎng)線捻制設(shè)備和工藝制成三元共混網(wǎng)線材料[6]。

1.3試驗方法

試驗儀器：網(wǎng)線拉伸力學(xué)性能試驗采用國產(chǎn)WDW-100型電子式萬能試驗機(jī)(量程100 kN，精度0.1%)；網(wǎng)線的長度、直徑和質(zhì)量分別采用直尺(量程1 m，精度0.1%)、游標(biāo)卡尺(量程300 mm，精度0.01mm)和電子稱測量(量程5 kg，精度0.01 g)。

試驗內(nèi)容：測量5種樣品材料的直徑、線密度，以及5種樣品材料無結(jié)節(jié)和有結(jié)節(jié)時的網(wǎng)線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長度。將網(wǎng)線試樣繞于夾鉗，將上下兩個夾鉗的距離設(shè)定為(250±5)mm，用夾鉗將網(wǎng)線夾緊，試驗機(jī)的拉伸速率設(shè)定為(500±10)mm/min。開啟試驗機(jī)，拉伸試樣至斷裂，記錄斷裂強(qiáng)力(N)和斷裂長度(m)，如果網(wǎng)線試樣在鉗口處滑移，或在鉗口中和鉗口邊緣斷裂，或試驗結(jié)果明顯這一組的平均值相差太大時，則必須舍棄這個試驗結(jié)果，另加試驗以得到10個“正常值”。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗所取得的有效數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)處理規(guī)范進(jìn)行整理[7]。測試結(jié)果以平均值表示，用標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)表示測試結(jié)果的分散性和測試方法的精確度[8]。具體公式如下：

(1)斷裂強(qiáng)力F[9]：

式中：F—平均斷裂強(qiáng)力，N；Fi—每根試樣斷裂強(qiáng)力，N；n—試驗次數(shù)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)差S[10]：

(3)變異系數(shù)C[10]：

C=S/F

(4)伸長率ε[9]：

ε=(L′/L)×100%

式中：ε—伸長率，%；L′—拉伸后的伸長度，mm；L—拉伸前的初始長度，mm。

(5)結(jié)節(jié)損失率ζ[11]：

ζ=(F-Fj)/F×100%

式中：ζ—結(jié)節(jié)損失率，%；Fj—結(jié)節(jié)強(qiáng)力，N。

2結(jié)果

2.1斷裂強(qiáng)力對比

網(wǎng)線在漁業(yè)生產(chǎn)過程中會受到拉伸、彎曲、壓縮、摩擦和扭轉(zhuǎn)作用，產(chǎn)生不同程度的變形，而網(wǎng)線的斷裂強(qiáng)力是反映網(wǎng)具品質(zhì)和選用時的一個重要技術(shù)指標(biāo)[12]。實驗在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%，分別取樣品A、B、C、D和普通聚乙烯網(wǎng)線(PE)干態(tài)無結(jié)節(jié)與有結(jié)節(jié)試樣作拉伸試驗，測得斷裂時的最大負(fù)荷值。取有效測定10次的算術(shù)平均值，測量結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1　網(wǎng)線無結(jié)節(jié)斷裂強(qiáng)力Fig.1　The breaking strength of netting twines without nodules

圖2　網(wǎng)線結(jié)節(jié)斷裂強(qiáng)力Fig.2　The breaking strength of netting twines with nodules

網(wǎng)線的斷裂強(qiáng)力與纖維材料的種類、網(wǎng)線的直徑、網(wǎng)線的工藝結(jié)構(gòu)等有密切關(guān)系。由圖1可見，直徑相同時，三元共混網(wǎng)線材料斷裂強(qiáng)力均大于普通聚乙烯網(wǎng)線材料，這主要是因為三元共混網(wǎng)線材料的單絲結(jié)構(gòu)較普通PE單絲結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。與普通PE單絲相比，三元共混網(wǎng)線單絲采用特殊的混紡技術(shù)，改善了單絲的拉伸力學(xué)性能與內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，使其強(qiáng)度性能優(yōu)于普通PE單絲[5]。圖1中，隨著直徑的增加，三元共混材料的斷裂強(qiáng)力大大超過普通聚乙烯材料的斷裂強(qiáng)力，最大時是后者的1.8倍(樣品B、C、D)；4種不同混合比的三元共混材料斷裂強(qiáng)力均隨PP含量增加而增加，但直徑增大后，4種混合比三元共混材料的斷裂強(qiáng)力趨近相等。

5種樣品的斷裂強(qiáng)力顯示，網(wǎng)線無結(jié)節(jié)比有結(jié)節(jié)的要大，兩者相比大約是1.25～1.76倍。其中，三元共混網(wǎng)線材料無結(jié)節(jié)比有結(jié)節(jié)的斷裂強(qiáng)力大的倍數(shù)，大于PE材料大的倍數(shù)，最大的倍數(shù)關(guān)系為1.76倍。網(wǎng)線的斷裂強(qiáng)力隨著網(wǎng)線粗度的增加而增加，增加的幅度比直徑增加的幅度要大，即直徑增加1倍，網(wǎng)線斷裂強(qiáng)力和結(jié)節(jié)強(qiáng)力增加多倍(表3)。從表3可以看出，樣品A的增加倍數(shù)為最大，而5個樣品中，無結(jié)節(jié)網(wǎng)線強(qiáng)力要比有結(jié)節(jié)的增加倍數(shù)略大。

斷裂強(qiáng)力的測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差都比較小，均在試驗誤差允許的范圍之內(nèi)[13]，變異系數(shù)均小于0.05。

表3　直徑增大1倍時網(wǎng)線的斷裂強(qiáng)力增加倍數(shù)

2.2斷裂伸長率對比

表4為5種樣品測定的斷裂伸長度計算處理后得到的斷裂伸長率。

表4　5種規(guī)格網(wǎng)線斷裂伸長率的比較

延伸性為網(wǎng)線在拉力作用下產(chǎn)生伸長變形的特性，它是涉及網(wǎng)線材料特性和應(yīng)用性能的重要因素[14]。由表4可知，樣品A和B的斷裂伸長率隨直徑的增加而增加，而樣品C和D的斷裂伸長率并非如此，說明直徑對三元共混網(wǎng)線材料斷裂伸長率的影響不大。相同直徑下，三元共混材料的斷裂伸長率均小于普通聚乙烯材料，且在直徑最大(3.4 mm)時差異最明顯。造成網(wǎng)線斷裂伸長率差別的原因很多，網(wǎng)線的伸長不僅與制線用基體纖維材料本身的伸長能力、網(wǎng)線的線密度和網(wǎng)線后處理方式等因素有關(guān)，還與網(wǎng)線的單絲結(jié)構(gòu)有著緊密聯(lián)系。三元共混材料斷裂伸長率變小的原因是高分子鏈在晶區(qū)排列緊密有序，使得其高分子鏈段在拉伸時很難伸展或滑移。因此，具有此種結(jié)構(gòu)的三元共混材料的網(wǎng)線延伸性差，表現(xiàn)為相對較低的斷裂伸長率[15]。

2.3結(jié)節(jié)損失率對比

結(jié)節(jié)損失率是漁民和漁具材料制造商及研發(fā)人員都十分關(guān)注的一個力學(xué)參量[16-18]。表5是5種材料在不同規(guī)格下的網(wǎng)線結(jié)節(jié)損失情況。

表5　5種規(guī)格網(wǎng)線結(jié)節(jié)損失率比較

一般來說，網(wǎng)線的結(jié)節(jié)損失率與纖維材料的種類、網(wǎng)線的直徑、網(wǎng)結(jié)的類型等有密切聯(lián)系。由表5可知，相同條件下，三元共混網(wǎng)線材料結(jié)節(jié)損失率隨直徑的增大，大體上也呈增大趨勢(材料D除外)，直徑增大對結(jié)節(jié)損耗的影響，主要是因為直徑增大，其組成的繩紗數(shù)也增加，繩紗間排列差異的可能性增大，導(dǎo)致每根繩紗受力不一致，而直徑越大，這種差異對整體的影響也將增大，繩索在結(jié)節(jié)處內(nèi)外層的受力差異也會增大，從而增加了結(jié)節(jié)損耗[19]。在直徑為3.4 mm時，網(wǎng)線結(jié)節(jié)損失率隨PP比例含量減少而增大，最小時比普通聚乙烯材料網(wǎng)線增加96.54%。

3討論

試驗顯示，三元共混網(wǎng)線材料無結(jié)節(jié)和結(jié)節(jié)強(qiáng)力均優(yōu)于普通聚乙烯網(wǎng)線材料，斷裂強(qiáng)力差異隨直徑增大而越明顯，而網(wǎng)線斷裂伸長率較普通聚乙烯網(wǎng)線材料有一定幅度的降低，結(jié)節(jié)損失率高于普通聚乙烯網(wǎng)線材料。在保持網(wǎng)線直徑相同的條件下，選擇三元共混材料網(wǎng)線替代普通聚乙烯網(wǎng)線可以有效提高漁具或網(wǎng)箱的強(qiáng)力性能，有利于實現(xiàn)漁具或網(wǎng)箱的大型化、提高作業(yè)效率，以及提高作業(yè)人員的安全性[20]。

網(wǎng)箱制作時，在保持網(wǎng)線斷裂強(qiáng)力相同的條件下，若采用本試驗中的三元共混網(wǎng)線材料替代普通聚乙烯網(wǎng)線材料，則可有效降低網(wǎng)線的直徑，網(wǎng)片的目腳粗度也隨之降低，進(jìn)而降低水流對網(wǎng)箱的沖擊力，降低因網(wǎng)衣變形而造成的養(yǎng)殖對象逃逸。此外，網(wǎng)線直徑降低，還可以降低養(yǎng)殖設(shè)施生物附著量，提高養(yǎng)殖水體內(nèi)外交換率，降低養(yǎng)殖對象的疾病發(fā)生率，提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。

與普通聚乙烯網(wǎng)線材料相比，三元共混網(wǎng)線材料的斷裂伸長率低，結(jié)節(jié)損失率高，但其網(wǎng)線斷裂強(qiáng)力和結(jié)節(jié)強(qiáng)力均高于普通聚乙烯網(wǎng)線材料。在相同條件下，使用三元共混網(wǎng)線材料可以增加網(wǎng)線的強(qiáng)力，且網(wǎng)線不易變形，其制成的網(wǎng)具具有較好的穩(wěn)定性。因此，三元共混網(wǎng)線材料的低斷裂伸長率、高結(jié)節(jié)損失率，可以通過其強(qiáng)力優(yōu)勢來彌補(bǔ)。

4結(jié)論

海洋漁業(yè)的快速發(fā)展，對漁用纖維材料的拉伸力學(xué)性能提出了更高的要求。纖維材料的強(qiáng)力性能關(guān)系到漁具的變形、漁獲物量、使用壽命等。三元共混網(wǎng)線材料在斷裂強(qiáng)力上優(yōu)于普通聚乙烯材料，與普通聚乙烯相比，雖然其結(jié)節(jié)損失率高、斷裂伸長率低，但均可通過其強(qiáng)力優(yōu)勢來彌補(bǔ)。三元共混網(wǎng)線材料其優(yōu)異的強(qiáng)力性能，滿足了現(xiàn)代漁業(yè)生產(chǎn)中遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)具所要求的更高承載和更好抗風(fēng)浪性能。因此，三元共混網(wǎng)線材料的開發(fā)和應(yīng)用具有廣闊的前景。

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Experimental study on the breaking strength of MHMWPE/PP/EPDM ternary blend netting materials

LIU Man1, SHI Jiangao2, WANG Zhengwei1, YU Wenwen2, GAO Min1, SONG Weihua1

(1FisherycollegeofZhejiangOceanUniversity，KeyLaboratoryofMarineFisheryEquipmentandTechnologyofZhejiang，ZhejiangZhoushan316022,China；2EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai, 200090,China)

Abstract：To furnish reference for fishing materials selection, this study took MHMWPE/PP/EPDM ternary blend material for netting as object, and studied through experiments the breaking strength, nodules breaking strength, etc. of the blends under different mixing ratios and different diameter sizes. The results showed that：the breaking strength of the ternary blend increased with the increasing of the twine diameter, and was better than that of ordinary polyethylene netting twine materials of the same diameter. Besides, as the diameter increased, the difference with ordinary polyethylene materials became more obvious, and when it came to the maximum difference, the breaking strength of the target ternary blend was 2 091.4N, 1.8 times of that of ordinary polyethylene. When the diameter remained the same, the breaking strength of the ternary blend increased with the increasing of pp content. Compared with ordinary polyethylene materials of the same diameter, the elongation at break of the studied ternary blend was lower and the nodules loss rate was higher. Nevertheless, the MHMWPE/PP/EPDM ternary blend as netting twine materials is superior to ordinary polyethylene material in terms of the breaking strength, thus can be promoted and applied in fishery production.

Key words：ternary blending material; breaking strength; elongation at break; nodules loss; fracture test

中圖分類號：S971.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-9580(2016)02-045-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.02.009

作者簡介：劉嫚(1987—)，女， 碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代漁業(yè)工程。E-mail：1003987696@qq.com通信作者：宋偉華(1968—)，男，教授，研究方向：設(shè)施漁業(yè)。E-mail：whsong6806@163.com

基金項目：浙江省自然科學(xué)基金(LY14C190005)；浙江省自然科學(xué)基金青年基金(LQ14C190002)

收稿日期：2015-11-03修回日期：2016-03-16