漁用改性HDPE/MMWPE/SiO2單絲的初步研究

石建高，余雯雯，閔明華，馬海有，王魯民，劉永利，王 磊，陳曉雪，呂呈濤，黃南婷

(1. 中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090； 2. 山東愛地高分子材料有限公司，萊蕪 271100； 3. 江蘇昇和塑業有限公司，淮安 211600)

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漁用改性HDPE/MMWPE/SiO2單絲的初步研究

石建高1，余雯雯1，閔明華1，馬海有1，王魯民1，劉永利1，王 磊1，陳曉雪1，呂呈濤2，黃南婷3

(1. 中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090； 2. 山東愛地高分子材料有限公司，萊蕪 271100； 3. 江蘇昇和塑業有限公司，淮安 211600)

2013年～2015年期間東海水產研究所對漁用改性高密度聚乙烯(HDPE)/中高分子量聚乙烯(MMWPE)/二氧化硅(SiO2)單絲(簡稱HDPE/MMWPE/SiO2單絲)進行了初步研究。結果表明，HDPE/MMWPE/SiO2單絲比普通聚乙烯單絲(簡稱PE單絲)斷裂強度、結節強度和結強損失率分別提高16.7%、12.8%和7.5%，而斷裂伸長率降低37.1%；HDPE/MMWPE/SiO2單絲的性價比更高、漁用適配性更好；在保持斷裂強力優勢的前提下，以HDPE/MMWPE/SiO2繩網替代PE繩網，能使繩網原材料消耗減小、網具水阻力相應減小，從而實現漁業生產的節能降耗。結論可為高性能繩網材料的選配、捕撈漁具與養殖網具的優化設計提供參考。

改性單絲；捕撈漁具；水產養殖網具；HDPE/MMWPE/SiO2

聚乙烯單絲在漁業生產中廣泛應用，其物理性能直接關系到繩網、捕撈漁具與水產養殖網具的強度及其安全性[1-6]?，F有PE單絲一般用傳統加工工藝生產，其強度較小、適配性較差，難以滿足漁業生產的大型化、現代化及深水作業特殊化需要，惡劣作業條件下網破魚逃事件時有發生[7-12]?，F代漁業的發展，對單絲的物理性能提出了更高要求，迫切需要開展漁用單絲新材料的研發與產業化應用[2]。特力夫纖維等超高強纖維具有優異的物理性能，可有效抵御海況條件，目前它主要應用于遠海網箱、牧場化養殖圍網及大型中層拖網綱索(如超高強特力夫纖維繩網已成功應用于石建高研究員主持設計的三沙美濟礁金屬網箱工程、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)等領域[1-4,8]。誠然，超高強纖維成本高、設備昂貴且網具裝備工藝復雜，這些因素導致它目前還未能在漁業上廣泛應用。根據漁業的種類與海況、企業的經濟狀況與技術條件等情況，人們會篩選普通纖維、中高強纖維和超高強纖維等不同層次的漁用纖維材料。中高強纖維新材料可構建普通纖維與超高強纖維之間過渡的橋梁，豐富漁用材料品種、助力海洋經濟創新發展，未來其市場前景廣闊。2013年～2015年期間，東海水產研究所采用新材料技術首次開發出漁用中高強纖維新材料——HDPE/MMWPE/SiO2單絲。本文對HDPE/MMWPE/SiO2單絲的拉伸力學性能、性價比和適配性進行了初步研究，以期為漁用繩網材料的篩選、捕撈漁具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

HDPE/MMWPE/SiO2單絲新材料以特定比例的干燥紡絲級HDPE樹脂(添加量為MMWPE樹脂重量的24.1‰～25.8‰)、MMWPE樹脂(熔融指數為3.0 g/10 min，分子量60×104～100×104)、紡絲級納米SiO2(添加量為MMWPE樹脂重量的1.6‰～2.6‰)以及白油(添加量為MMWPE樹脂重量的0.33%～0.46%)為原料，采用特殊紡絲改性技術與專利技術加工生產[13]，其紡絲工藝流程如下：

HDPE+MHMWPE+SiO2+白油→特殊紡絲改性技術與專利技術→單絲絲束→分絲→HDPE/MMWPE/SiO2單絲以紡絲級干燥HDPE樹脂(熔融指數范圍為0.6 g/10 min～1.5 g/10 min)為原料，采用傳統熔融紡絲工藝加工PE單絲[1]。

1.2 方法

1.2.1 試驗儀器

英國INSTRON-4466型強力試驗機。

1.2.2 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[14]。

1.2.3 試驗數據處理

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[5,14]。

2 結果與分析

2.1 HDPE/MMWPE/SiO2單絲的拉伸力學性能分析

2.1.1 HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲延伸性的比較分析

HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲拉伸力學性能及現有市場單價的比較見表1。

表1 HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲拉伸力學性能及現有市場單價的比較

單絲延伸性通常用斷裂伸長率來表征。由表1可見，HDPE/MMWPE/SiO2單絲的斷裂伸長率較PE單絲降低37.1%。HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲產生上述延伸性差別的原因有很多。單絲延伸性不僅與單絲的紡絲工藝、紡絲設備、紡絲外部環境及紡絲原料等因素有關，而且與單絲本身的伸長能力有著密不可分的聯系[1,5,10,15-16]。HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲均屬結晶性高聚物，因彼此之間結晶度不同，理論上講，兩者的延伸性能可產生一定的差別[1,5,10-12,15-16]。與PE單絲相比，HDPE/MMWPE/SiO2單絲延伸性變小的原因是HDPE/MMWPE/SiO2樹脂的分子量與熔融指數明顯高于HDPE樹脂，HDPE/MMWPE/SiO2單絲高分子鏈在晶區排列更加緊密有序，這使得HDPE/MMWPE/SiO2單絲高分子鏈段在拉伸時很難伸展或滑移[5-6,10-12,15-16]，因此，HDPE/MMWPE/SiO2單絲具有相對較小的延伸性，相同外力條件下HDPE/MMWPE/SiO2繩網不易變形，以該種單絲新材料制作的繩網的安全性、耐磨性、承載能力與抗沖擊性更好。

2.1.2 HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲強度性能的比較分析

單絲強度一般包括斷裂強度和結節強度。由表1可以看出，HDPE/MMWPE/SiO2單絲的斷裂強度和結節強度分別比PE單絲增加16.7%和12.8%。單絲強度主要與紡絲工藝、單絲內部聚集態結構等因素緊密相關[1-3,5-6,15]。與PE單絲相比，HDPE/MMWPE/SiO2單絲采用特殊紡絲改性技術與專利技術(如單螺桿擠出機在料筒電加熱區的第Ⅰ區的溫控范圍為286 ℃～294 ℃等)，這改善了HDPE/MMWPE/SiO2單絲的拉伸力學性能及其內部聚集態結構，使得其取向度較高、分子鏈間作用力更大；此外，HDPE/MMWPE/SiO2單絲加工用樹脂中添加了特定劑量的納米SiO2，納米SiO2在 HDPE/MMWPE基體中可以起到成核劑作用，促進成核及結晶行為使分子鏈排列規整，同時在拉伸過程中納米SiO2使裂紋擴展受阻和鈍化，從而使HDPE/MMWPE/SiO2單絲拉伸力學性能得到改善和提高，因此，HDPE/MMWPE/SiO2單絲較PE單絲具有明顯的強度優勢(表1)?？紤]到HDPE/MMWPE/SiO2單絲在漁業生產中的產業化應用，單絲制作加工時在MMWPE樹脂中添加了價格相對便宜的HDPE樹脂，并通過納米SiO2對單絲強度進行增強，使得HDPE/MMWPE/SiO2單絲價格適中、結晶度與取向度較大，這非常有利于它在漁業上的產業化應用。

2.1.3 HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲結強損失率的比較分析

單絲繩網材料在加工與使用中都離不開單絲打結成型工序，因此，在漁用單絲新材料開發時大家都很關心單絲打結成型后的強度損失程度。為表征單絲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[5,11,16-17]。相關研究結果表明，單絲結強損失率主要與紡絲原料、紡絲工藝以及單絲內部聚集態結構等因素有著密不可分的聯系[5]。特種紡絲原料與紡絲工藝使得HDPE/MMWPE/SiO2單絲內部的高分子鏈內旋轉的自由度較小，使高分子鏈段在拉伸時很難移動，這進一步導致HDPE/MMWPE/SiO2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7.5%(表1)。HDPE/MMWPE/SiO2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。

2.2 HDPE/MMWPE/SiO2單絲性價比分析

性能價格比簡稱性價比。性價比是漁用材料用戶、生產商和科研工作者十分關注的一個商業模型參量，在漁業新材料科技文獻中經常有性價比分析內容[1-2,5-9]。HDPE/MMWPE/SiO2單絲與PE單絲線密度、斷裂強力和現有市場單價之間均存在差異(表1)。根據表1數據推算，在保持單絲強度與強力優勢的前提下，在漁業上以線密度390 dtex的HDPE/MMWPE/SiO2單絲替代線密度440 dtex的PE單絲，即使單價增加10.7%，但由于重量減少11.4%，HDPE/MMWPE/SiO2單絲成本還可減少1.9%；使用HDPE/MMWPE/SiO2單絲比PE單絲更經濟，HDPE/MMWPE/SiO2單絲的性價比更高，其在漁業生產中推廣應用具有經濟可行性。

2.3 HDPE/MMWPE/SiO2單絲適配性分析

適配性主要取決于漁用材料綜合性能、漁用適應性及其終端用戶接收度[1-5,7]。前文分析表明，HDPE/MMWPE/SiO2單絲通過強度優勢彌補了其價格偏高與結強損失率偏高的不利因素；在其它條件相同的前提下，HDPE/MMWPE/SiO2繩網的斷裂強力明顯高于普通PE繩網，這大大提高了漁用繩網的安全性以及抗風浪流性能，助推了捕撈漁具與水產養殖圍網網具的大型化發展，為低碳漁業、遠海網箱以及牧場化養殖圍網的飛速發展創造了條件[6-8,18]。在保持繩網強力優勢的前提下，以較小規格的HDPE/MMWPE/SiO2繩網替代PE繩網，能使繩網水阻力降低、繩網原材料消耗降低、繩網從業人員勞動強度降低，從而實現漁業生產的節能減排或降耗減阻，發展低碳漁業[5,18]。相比較傳統PE單絲而言，HDPE/MMWPE/SiO2單絲具有更好的漁用適配性。

3 結論與討論

東海水產研究所對HDPE/MMWPE/SiO2單絲進行了初步研究。研究結果顯示，與PE單絲相比，HDPE/MMWPE/SiO2單絲具有較小的延伸性，而斷裂強度、結節強度和結強損失率相對較高；HDPE/MMWPE/SiO2單絲性價比更高、漁用適配性更好。在保持斷裂強力優勢的前提下，以HDPE/MMWPE/SiO2繩網替代PE繩網，能使繩網原材料消耗減小、網具水阻力相應減小，從而實現漁業生產的節能降耗。結論可為漁具與養殖網具的創新設計以及繩網材料的選配提供科技支撐。

隨著新材料技術的持續創新、MMWPE 樹脂產能及其生產應用單位的增加、HDPE/MMWPE/SiO2漁具與養殖網具裝備工藝的技術熟化，中高強HDPE/MMWPE/SiO2單絲新材料的性能、性價比與適配性將會得到進一步提高。隨著漁業節能減排政策推進以及藍色海洋經濟創新發展，普通纖維材料已難以滿足現代漁業發展需要，中高強纖維與超高強纖維材料既適合傳統漁用材料的升級換代需要，又適合現代漁業的大型化及離岸發展需要，HDPE/MMWPE/SiO2單絲的開發應用前景廣闊。本文因時間因素，僅對HDPE/MMWPE/SiO2單絲的延伸性、強度性能、結強損失率、性價比和適配性進行了分析研究，對耐磨性、耐切割性及拉伸模量未作研究，這有待今后深入研究。

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On the modification HDPE/MMWPE/SiO2monofilament for fisheries

SHI Jian-gao1, YU Wen-wen1, MIN Ming-hua1, MA Hai-you1,WANG Lu-min1, LIU Yong-li1, WANG Lei1, CHEN Xiao-xue1, LV Cheng-tao2, HUANG Nan-ting3

(1.EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200090,China; 2.ShandongICDHighPerformanceCo.,Ltd.,Laiwu271100,China; 3.JiangsuShenghePlasticsCo,Ltd,Huaian211600)

The modification of high-density polyethylene/mid-high molecular weight polyethylene/SiO2monofilament for fisheries (HDPE/MMWPE/SiO2monofilament for short) was elementarily studied in the East China Sea Fisheries Research Institute during 2013-2015. The results showed that compared with common PE monofilament(PE monofilament for short), breaking strength and knot breaking strength of the HDPE/MMWPE/SiO2monofilament were enhanced by 16.7% and 12.8% separately. However, loss rate of knot breaking strength and elongation at break of the HDPE/MMWPE/SiO2monofilament separately increased by 7.5% and decreased by 37.1%, and it was more economically feasible to generalize in fishery. Under the condition of keeping the advantage of breaking load, the raw material consumption of the rope & netting as well as the resistance of netting gear in water can be reduced if the PE rope & netting is replaced by the HDPE/MMWPE/SiO2rope & netting, and thus the energy saving and consumption decreasing in fishery can be realized, it better fits for fishing. The conclusion can be used as a reference in high performance rope & netting material selection, fishing gear and farming netting gear design.

monofilament; modification; tensile properties; HDPE/MMWPE/SiO2

2095-3666(2016)01-0054-05

10.13233/j.cnki.fishis.2016.01.009

2015-08-07

2015-09-12

國家科技支撐項目(2013BAD13B03、2013BAD13B02)，廣東省海洋經濟創新發展區域示范專項項目(GD2013-D01-001)，臺州市科技計劃項目(14ny17)

石建高(1969-)，男，研究員，主要從事海洋漁業、漁用材料、深水網箱及水產養殖圍網工程研究。

E-mail:zyshi666@163.com

S 971.2

A