漁用共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲拉伸力學性能的比較

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　徐學明

摘要：在實驗室對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）拉伸力學性能進行了比較試驗。結果表明，共混改性MMWPE/PP單絲較普通PE單絲斷裂強度提高32.3%、結節強度提高25.6%、結強損失率提高7.4%，而斷裂伸長率降低47.9%。在保持斷裂強力優勢的前提下，以共混改性MMWPE/PP繩網替代普通PE繩網，能使遠洋拖網與養殖網具用原材料降低消耗及水阻力減小，從而實現漁業生產的降耗減阻。結論可為高性能材料的選配、遠洋拖網與養殖網具的優化設計提供參考。

關鍵詞：遠洋拖網；養殖網具；拉伸力學性能；共混改性MMWPE/PP單絲

中圖分類號：S971.2 文獻標識碼：A

現代漁業的發展對合成纖維繩網的拉伸力學性能提出了更高要求，普通合成纖維繩網拉伸力學性能已不能滿足現代漁業生產的大型化、現代化及深水作業特殊化的需要，（中）高強纖維或超高強纖維研發及其在漁業上的應用使這種需要成為可能[1-3]。目前，國內外漁業上已開發出的（中）高強纖維或超高強纖維有聚芳酯纖維、高強度聚乙烯單絲、自增強聚乙烯單絲、對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、大型深水網箱等漁業領域，而在國內目前它主要應用于高端海釣線、遠海網箱（如特力夫纖維絞捻網已成功應用于三沙美濟礁遠海網箱工程）和牧場化大型養殖圍網（如特力夫纖維繩網已成功應用于石建高研究員團隊主持設計的溫州白龍嶼柵欄式堤壩圍網網具工程、臺州大陳島超大型雙圓周式特力夫-銅合金圍網工程）等[3-5，7-11]。誠然，UHMWPE纖維成本高、進口UHMWPE纖維絞捻網設備昂貴、UHMWPE繩網后處理工藝復雜、UHMWPE網具裝配要求嚴格、UHMWPE繩網產業化應用示范研究缺乏等，這些因素綜合作用的結果導致UHMWPE纖維目前在我國漁業領域還未能大面積推廣應用。漁業對高性能纖維材料的需求量大，且要求價格低廉，就往往要考慮使用性能價格比高的（中）高強纖維材料。海洋漁業的發展，對（中）高強纖維材料的拉伸力學性能提出了更高要求，迫切需要開展（中）高強纖維新材料的研發與產業化應用[2，12-14]。2013-2015年間東海水產研究所聯合江蘇昇和塑業有限公司等單位開展了中高強共混改性MMWPE/PP單絲新材料開發與應用，并將其強度、結強損失率和延伸性等拉伸力學性能與普通PE單絲進行了比較分析，以期為高性能材料的選配、遠洋拖網與養殖網具的優化設計提供科學依據。

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銷，熔融指數為3.0g /10 min，分子量60萬～100萬）、S1004型紡絲級PP樹脂（揚子石化生產，熔融指數為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→單絲絲束→分絲→共混改性MMWPE/PP單絲

以揚子石化生產的紡絲級干燥HDPE樹脂為原料加工對照試驗用普通PE單絲（其線密度為40.5tex）。

1.2 方法

試驗儀器：國產FA2004N型電子天平和英國INSTRON-4466型強力試驗機等。

試驗方法：按SC 5005—2014《漁用聚乙烯單絲》標準的規定進行拉伸力學性能試驗[15]。

數據處理：按SC 5005—2014《漁用聚乙烯單絲》標準及相關文獻進行試驗數據處理[7-8，15-16]。

2 結果與分析

2.1 共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲強度性能的比較

單絲強度一般包括斷裂強度、結節強度等參量。共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲拉伸力學性能及現有市場單價的比較見圖1。共混改性MMWPE/PP單絲的斷裂強度及結節強度分別為8.56 cN/dtex、4.85 cN/dtex；而普通PE單絲的斷裂強度及結節強度分別為6.47 cN/dtex、3.86 cN/dtex；前者較后者的斷裂強度、結節強度分別提高32.3%、25.6%（圖1）。此外，共混改性MMWPE/PP單絲的斷裂強度及結節強度分別比漁用聚乙烯單絲行業標準指標增加646%、34.7%[15]。共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲產生強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（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單絲的拉伸力學性能與內部聚集態結構，使得其強度性能優于普通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格便宜的PP樹脂，使得其價格適中、取向度較大，這非常有利于它替代普通PE單絲在繩網、遠洋拖網與養殖網具（如傳統近岸網箱、遠海網箱、水產養殖圍網等）中的推廣應用。

2.2 共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲結強損失率的比較

纖維在繩網加工過程中一般需要進行打結成型；一旦進行打結成型工序，纖維強度就會產生損失，而強度損失程度又進一步關系到繩網及其下游制品（捕撈漁具或水產養殖網具等）的拉伸力學性能，因此，在繩網等制品用纖維篩選、新型纖維開發時人們都十分關心纖維打結成型后的強度損失程度。為表征纖維打結成型后強度損失程度，石建高等人在相關文獻中提出“結強損失率”概念[7-8，16]。相關研究結果表明，原料、紡絲工藝以及纖維內部聚集態結構直接影響到PE單絲等漁用纖維的結強損失率[7-8，16-19]。由圖1可見，共混改性MMWPE/PP單絲的結強損失率為433%；而普通PE單絲的結強損失率為40.3%。特種配方原料與紡絲工藝使得共混改性MMWPE/PP單絲內部的高分子鏈段在拉伸時很難滑移或伸展，這進一步導致共混改性MMWPE/PP單絲結強損失率較高，具體表現為其結強損失率較普通PE單絲提高7.4%。共混改性MMWPE/PP單絲結強損失率較高對其結節強度不利，但它通過強度優勢對結強損失率進行了彌補，綜合作用的結果使得其結節強度仍較普通PE單絲具有明顯優勢（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、紡絲設備、紡絲外部環境、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）等相關因素[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明顯高于HDPE樹脂，共混改性MMWPE/PP單絲高分子鏈在晶區排列更加緊密有序，這使得共混改性MMWPE/PP單絲高分子鏈段在拉伸時很難滑移或伸展[6-8，13，16，19-20]，所以，具有此種聚集態結構的共混改性MMWPE/PP單絲的延伸性差，表現為共混改性MMWPE/PP單絲具有相對較低的斷裂伸長率。與普通PE單絲相比，共混改性MMWPE/PP單絲強度提高32.3%，在漁業上人們可以用較小規格的共混改性MMWPE/PP繩網來替代普通PE繩網，因此，相同外力條件下共混改性MMWPE/PP繩網更不易變形，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單絲性能價格比的比較

性能價格比是漁用材料科研工作者、漁用材料生產商及漁用材料制品用戶等都十分關注的一個商業模型參量，石建高等人在相關文獻中曾使用過相關概念[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度、結節強度和市場單價，而線密度和延伸性則相對較?。▓D1）。由圖1可見，若以共混改性MMWPE/PP單絲替代普通PE單絲用作遠洋拖網，在其它條件相同的前提下，根據相同使用面積的漁網重量進行推算，即使共混改性MMWPE/PP漁網單價增加7.9%，但由于共混改性MMWPE/PP漁網重量減少8.9%，共混改性MMWPE/PP漁網成本還可以減少1.7%；這不但能保持共混改性MMWPE/PP漁網強力大于普通PE漁網，而且還可以相應減小遠洋拖網重量、減小漁網的規格，從而進一步減少遠洋拖網的水阻力、油耗和沖擊強度，從而實現遠洋拖網的節能減排，發展低碳遠洋拖網漁業[22]。由圖1還可以看出，以共混改性MMWPE/PP網衣替代普通PE網衣制作養殖網具（如扇貝籠、大型養殖圍網或遠海網箱等），在其它條件相同的前提下，根據相同使用面積的網具重量進行推算，即使共混改性MMWPE/PP網具單價增加7.9%，但由于共混改性MMWPE/PP網具重量減少8.9%，共混改性MMWPE/PP網具成本還可以減少1.7%；這不但能保持共混改性MMWPE/PP網具強力大于普通PE網具，而且還可以相應減小養殖網具重量及其網衣規格（如網衣目腳粗度等）、降低養殖網具換網時的勞動強度、減少養殖網具的水阻力和沖擊強度、減少養殖網具的海洋污損生物附著面積，從而提高養殖網具的使用周期與適應性[9-10，21，23-24]。此外，隨著共混改性MMWPE/PP單絲工藝的不斷創新、單絲產品產能及其產業化應用的不斷增加，未來共混改性MMWPE/PP單絲的價格將可進一步下降。綜上，在同等條件下，漁業上使用線密度為36.9tex的共混改性MMWPE/PP單絲比使用線密度為40.5tex的普通PE單絲更經濟，共混改性MMWPE/PP繩網較普通PE繩網具有性能價格比優勢，共混改性MMWPE/PP單絲在遠洋拖網與養殖網具生產中進行推廣應用具有經濟可行性。

3 結論與討論

在實驗室對漁用共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲的拉伸力學性能進行了比較。結果表明， 共混改性MMWPE/PP單絲較普通PE單絲具有較高的斷裂強度、結節強度及結強損失率，而延伸性則相對較小。在保持斷裂強力優勢的前提下，以共混改性MMWPE/PP繩網替代普通PE繩網，能使遠洋拖網與養殖網具用原材料消耗及水阻力減小，從而實現漁業生產的降耗減阻。結論可為漁用高性能材料的選配、遠洋拖網與養殖網具的優化設計提供參考。

共混改性MMWPE/PP單絲的拉伸力學性能介于普通PE單絲與UHMWPE纖維之間，它構建了普通漁用纖維（如普通PE單絲、普通PP單絲等）與超高強纖維（如UHMWPE纖維、超高強裂膜纖維等）之間拉伸力學性能過渡橋梁，在漁業上它可結合UHMWPE纖維使用，以在確保漁業安全的前提下適當降低漁業生產成本，滿足了現代漁業的可持續健康發展需要[1，23-24]。共混改性MMWPE/PP單絲通過強度優勢彌補了結強損失率偏大、價格偏高的不利因素，確保了其結節強度較普通PE單絲具有明顯優勢，滿足了漁業生產中繩網、遠洋拖網與養殖網具所需的更高承載與抗風浪需求；它可幫助人們提高生產效率、提高了漁用適應性與安全性、助力藍色海洋經濟與海洋糧倉建設。共混改性MMWPE/PP單絲及其繩網是很有開發潛力的漁用新材料，隨著新材料技術、繩網加工設備、遠洋拖網與養殖網具新技術的持續創新，共混改性MMWPE/PP單絲新材料的性能、性能價格比與漁用適應性將會得到進一步的提高。本文因時間、設備等因素，僅開展了共混改性MMWPE/PP單絲和普通PE單絲拉伸力學性能的比較，對共混改性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