渔用共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝拉伸力学性能的比较

    石建高　刘永利　王磊　马海有　闵明华　余雯雯　陈晓雪　吕呈涛　黄中兴　黄南婷　徐学明

    

    摘要：在实验室对渔用共混改性中高分子量聚乙烯/聚丙烯单丝（简称共混改性MMWPE/PP单丝）和普通聚乙烯单丝（简称普通PE单丝）拉伸力学性能进行了比较试验。结果表明，共混改性MMWPE/PP单丝较普通PE单丝断裂强度提高32.3%、结节强度提高25.6%、结强损失率提高7.4%，而断裂伸长率降低47.9%。在保持断裂强力优势的前提下，以共混改性MMWPE/PP绳网替代普通PE绳网，能使远洋拖网与养殖网具用原材料降低消耗及水阻力减小，从而实现渔业生产的降耗减阻。结论可为高性能材料的选配、远洋拖网与养殖网具的优化设计提供参考。

    关键词：远洋拖网；养殖网具；拉伸力学性能；共混改性MMWPE/PP单丝

    中图分类号：S971.2 文献标识码：A

    现代渔业的发展对合成纤维绳网的拉伸力学性能提出了更高要求，普通合成纤维绳网拉伸力学性能已不能满足现代渔业生产的大型化、现代化及深水作业特殊化的需要，（中）高强纤维或超高强纤维研发及其在渔业上的应用使这种需要成为可能[1-3]。目前，国内外渔业上已开发出的（中）高强纤维或超高强纤维有聚芳酯纤维、高强度聚乙烯单丝、自增强聚乙烯单丝、对位芳香族聚酰胺纤维和超高分子量聚乙烯纤维（简称UHMWPE纤维，代表性品种如SK 75、Spectra1000和特力夫纤维等）等[4-6]。UHMWPE纤维具有卓越的物理性能，在国外它主要用于大型中层拖网、大型深水网箱等渔业领域，而在国内目前它主要应用于高端海钓线、远海网箱（如特力夫纤维绞捻网已成功应用于三沙美济礁远海网箱工程）和牧场化大型养殖围网（如特力夫纤维绳网已成功应用于石建高研究员团队主持设计的温州白龙屿栅栏式堤坝围网网具工程、台州大陈岛超大型双圆周式特力夫-铜合金围网工程）等[3-5，7-11]。诚然，UHMWPE纤维成本高、进口UHMWPE纤维绞捻网设备昂贵、UHMWPE绳网后处理工艺复杂、UHMWPE网具装配要求严格、UHMWPE绳网产业化应用示范研究缺乏等，这些因素综合作用的结果导致UHMWPE纤维目前在我国渔业领域还未能大面积推广应用。渔业对高性能纤维材料的需求量大，且要求价格低廉，就往往要考虑使用性能价格比高的（中）高强纤维材料。海洋渔业的发展，对（中）高强纤维材料的拉伸力学性能提出了更高要求，迫切需要开展（中）高强纤维新材料的研发与产业化应用[2，12-14]。2013-2015年间东海水产研究所联合江苏昇和塑业有限公司等单位开展了中高强共混改性MMWPE/PP单丝新材料开发与应用，并将其强度、结强损失率和延伸性等拉伸力学性能与普通PE单丝进行了比较分析，以期为高性能材料的选配、远洋拖网与养殖网具的优化设计提供科学依据。

    1 材料与方法

    1.1 材料

    以干燥MMWPE树脂（淄博捷辉塑胶有限公司经销，熔融指数为3.0g /10 min，分子量60万～100万）、S1004型纺丝级PP树脂（扬子石化生产，熔融指数为3.0～4.0 g/10 min，添加量为MMWPE树脂重量的24.3%～25.5%）以及白油（市售纺丝用白油材料，添加量为MMWPE树脂重量的1.0‰～1.3‰）为原料，采用特殊共混改性纺丝专利技术加工线密度为36.9 tex的共混改性MMWPE/PP单丝，其纺丝工艺流程如下[14]：

    MHMWPE+PP+白油→特殊共混改性纺丝专利技术→单丝丝束→分丝→共混改性MMWPE/PP单丝

    以扬子石化生产的纺丝级干燥HDPE树脂为原料加工对照试验用普通PE单丝（其线密度为40.5tex）。

    1.2 方法

    试验仪器：国产FA2004N型电子天平和英国INSTRON-4466型强力试验机等。

    试验方法：按SC 5005—2014《渔用聚乙烯单丝》标准的规定进行拉伸力学性能试验[15]。

    数据处理：按SC 5005—2014《渔用聚乙烯单丝》标准及相关文献进行试验数据处理[7-8，15-16]。

    2 结果与分析

    2.1 共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝强度性能的比较

    单丝强度一般包括断裂强度、结节强度等参量。共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝拉伸力学性能及现有市场单价的比较见图1。共混改性MMWPE/PP单丝的断裂强度及结节强度分别为8.56 cN/dtex、4.85 cN/dtex；而普通PE单丝的断裂强度及结节强度分别为6.47 cN/dtex、3.86 cN/dtex；前者较后者的断裂强度、结节强度分别提高32.3%、25.6%（图1）。此外，共混改性MMWPE/PP单丝的断裂强度及结节强度分别比渔用聚乙烯单丝行业标准指标增加646%、34.7%[15]。共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝产生强度性能差别的原因有很多[3，6-8，12-13，16]。与普通PE单丝相比，共混改性MMWPE/PP单丝采用特殊共混改性纺丝专利技术（如PP树脂添加量为MMWPE树脂重量的24.3%～25.5%；白油助剂添加量为MMWPE树脂重量的1.0‰～1.3‰等），这改善了共混改性MMWPE/PP单丝的拉伸力学性能与内部聚集态结构，使得其强度性能优于普通PE单丝。此外，共混改性MMWPE/PP单丝加工用MMWPE树脂中添加了特定剂量价格便宜的PP树脂，使得其价格适中、取向度较大，这非常有利于它替代普通PE单丝在绳网、远洋拖网与养殖网具（如传统近岸网箱、远海网箱、水产养殖围网等）中的推广应用。

    2.2 共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝结强损失率的比较

    纤维在绳网加工过程中一般需要进行打结成型；一旦进行打结成型工序，纤维强度就会产生损失，而强度损失程度又进一步关系到绳网及其下游制品（捕捞渔具或水产养殖网具等）的拉伸力学性能，因此，在绳网等制品用纤维筛选、新型纤维开发时人们都十分关心纤维打结成型后的强度损失程度。为表征纤维打结成型后强度损失程度，石建高等人在相关文献中提出“结强损失率”概念[7-8，16]。相关研究结果表明，原料、纺丝工艺以及纤维内部聚集态结构直接影响到PE单丝等渔用纤维的结强损失率[7-8，16-19]。由图1可见，共混改性MMWPE/PP单丝的结强损失率为433%；而普通PE单丝的结强损失率为40.3%。特种配方原料与纺丝工艺使得共混改性MMWPE/PP单丝内部的高分子链段在拉伸时很难滑移或伸展，这进一步导致共混改性MMWPE/PP单丝结强损失率较高，具体表现为其结强损失率较普通PE单丝提高7.4%。共混改性MMWPE/PP单丝结强损失率较高对其结节强度不利，但它通过强度优势对结强损失率进行了弥补，综合作用的结果使得其结节强度仍较普通PE单丝具有明显优势（图1）。

    2.3 共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝延伸性的比较

    单丝延伸性主要取决于纺丝工艺、纺丝设备、纺丝外部环境、纺丝原料（包括树脂原料种类及其组成、原料分子量、原料熔融指数）等相关因素[1-3，6-8，16-21]。由图1可以看出，共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝的断裂伸长率分别为8.8%、16.9%，前者的断裂伸长率较后者降低47.9%。与普通PE单丝相比，共混改性MMWPE/PP单丝延伸性变小的原因是MMWPE/PP树脂的分子量与熔融指数明显高于HDPE树脂，共混改性MMWPE/PP单丝高分子链在晶区排列更加紧密有序，这使得共混改性MMWPE/PP单丝高分子链段在拉伸时很难滑移或伸展[6-8，13，16，19-20]，所以，具有此种聚集态结构的共混改性MMWPE/PP单丝的延伸性差，表现为共混改性MMWPE/PP单丝具有相对较低的断裂伸长率。与普通PE单丝相比，共混改性MMWPE/PP单丝强度提高32.3%，在渔业上人们可以用较小规格的共混改性MMWPE/PP绳网来替代普通PE绳网，因此，相同外力条件下共混改性MMWPE/PP绳网更不易变形，其耐磨性、承载能力和抗冲击性更好。

    2.4 共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝性能价格比的比较

    性能价格比是渔用材料科研工作者、渔用材料生产商及渔用材料制品用户等都十分关注的一个商业模型参量，石建高等人在相关文献中曾使用过相关概念[9-10，21]。共混改性MMWPE/PP单丝较普通PE单丝具有较高的断裂强度、结节强度和市场单价，而线密度和延伸性则相对较小（图1）。由图1可见，若以共混改性MMWPE/PP单丝替代普通PE单丝用作远洋拖网，在其它条件相同的前提下，根据相同使用面积的渔网重量进行推算，即使共混改性MMWPE/PP渔网单价增加7.9%，但由于共混改性MMWPE/PP渔网重量减少8.9%，共混改性MMWPE/PP渔网成本还可以减少1.7%；这不但能保持共混改性MMWPE/PP渔网强力大于普通PE渔网，而且还可以相应减小远洋拖网重量、减小渔网的规格，从而进一步减少远洋拖网的水阻力、油耗和冲击强度，从而实现远洋拖网的节能减排，发展低碳远洋拖网渔业[22]。由图1还可以看出，以共混改性MMWPE/PP网衣替代普通PE网衣制作养殖网具（如扇贝笼、大型养殖围网或远海网箱等），在其它条件相同的前提下，根据相同使用面积的网具重量进行推算，即使共混改性MMWPE/PP网具单价增加7.9%，但由于共混改性MMWPE/PP网具重量减少8.9%，共混改性MMWPE/PP网具成本还可以减少1.7%；这不但能保持共混改性MMWPE/PP网具强力大于普通PE网具，而且还可以相应减小养殖网具重量及其网衣规格（如网衣目脚粗度等）、降低养殖网具换网时的劳动强度、减少养殖网具的水阻力和冲击强度、减少养殖网具的海洋污损生物附着面积，从而提高养殖网具的使用周期与适应性[9-10，21，23-24]。此外，随着共混改性MMWPE/PP单丝工艺的不断创新、单丝产品产能及其产业化应用的不断增加，未来共混改性MMWPE/PP单丝的价格将可进一步下降。综上，在同等条件下，渔业上使用线密度为36.9tex的共混改性MMWPE/PP单丝比使用线密度为40.5tex的普通PE单丝更经济，共混改性MMWPE/PP绳网较普通PE绳网具有性能价格比优势，共混改性MMWPE/PP单丝在远洋拖网与养殖网具生产中进行推广应用具有经济可行性。

    3 结论与讨论

    在实验室对渔用共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝的拉伸力学性能进行了比较。结果表明， 共混改性MMWPE/PP单丝较普通PE单丝具有较高的断裂强度、结节强度及结强损失率，而延伸性则相对较小。在保持断裂强力优势的前提下，以共混改性MMWPE/PP绳网替代普通PE绳网，能使远洋拖网与养殖网具用原材料消耗及水阻力减小，从而实现渔业生产的降耗减阻。结论可为渔用高性能材料的选配、远洋拖网与养殖网具的优化设计提供参考。

    共混改性MMWPE/PP单丝的拉伸力学性能介于普通PE单丝与UHMWPE纤维之间，它构建了普通渔用纤维（如普通PE单丝、普通PP单丝等）与超高强纤维（如UHMWPE纤维、超高强裂膜纤维等）之间拉伸力学性能过渡桥梁，在渔业上它可结合UHMWPE纤维使用，以在确保渔业安全的前提下适当降低渔业生产成本，满足了现代渔业的可持续健康发展需要[1，23-24]。共混改性MMWPE/PP单丝通过强度优势弥补了结强损失率偏大、价格偏高的不利因素，确保了其结节强度较普通PE单丝具有明显优势，满足了渔业生产中绳网、远洋拖网与养殖网具所需的更高承载与抗风浪需求；它可帮助人们提高生产效率、提高了渔用适应性与安全性、助力蓝色海洋经济与海洋粮仓建设。共混改性MMWPE/PP单丝及其绳网是很有开发潜力的渔用新材料，随着新材料技术、绳网加工设备、远洋拖网与养殖网具新技术的持续创新，共混改性MMWPE/PP单丝新材料的性能、性能价格比与渔用适应性将会得到进一步的提高。本文因时间、设备等因素，仅开展了共混改性MMWPE/PP单丝和普通PE单丝拉伸力学性能的比较，对共混改性MMWPE/PP单丝其它物理性能（如耐磨性、耐老化性）未作研究，这有待今后进一步深入研究。

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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