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(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)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(yè)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(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)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(yè)有限公司，淮安 211600)

2013年～2015年期間東海水產(chǎn)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(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，HDPE/MMWPE/SiO2單絲比普通聚乙烯單絲(簡稱PE單絲)斷裂強(qiáng)度、結(jié)節(jié)強(qiáng)度和結(jié)強(qiáng)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?jǐn)嗔褟?qiáng)力優(yōu)勢的前提下，以HDPE/MMWPE/SiO2繩網(wǎng)替代PE繩網(wǎng)，能使繩網(wǎng)原材料消耗減小、網(wǎng)具水阻力相應(yīng)減小，從而實現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗。結(jié)論可為高性能繩網(wǎng)材料的選配、捕撈漁具與養(yǎng)殖網(wǎng)具的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

改性單絲；捕撈漁具；水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)具；HDPE/MMWPE/SiO2

聚乙烯單絲在漁業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，其物理性能直接關(guān)系到繩網(wǎng)、捕撈漁具與水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)具的強(qiáng)度及其安全性[1-6]。現(xiàn)有PE單絲一般用傳統(tǒng)加工工藝生產(chǎn)，其強(qiáng)度較小、適配性較差，難以滿足漁業(yè)生產(chǎn)的大型化、現(xiàn)代化及深水作業(yè)特殊化需要，惡劣作業(yè)條件下網(wǎng)破魚逃事件時有發(fā)生[7-12]。現(xiàn)代漁業(yè)的發(fā)展，對單絲的物理性能提出了更高要求，迫切需要開展?jié)O用單絲新材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[2]。特力夫纖維等超高強(qiáng)纖維具有優(yōu)異的物理性能，可有效抵御海況條件，目前它主要應(yīng)用于遠(yuǎn)海網(wǎng)箱、牧場化養(yǎng)殖圍網(wǎng)及大型中層拖網(wǎng)綱索(如超高強(qiáng)特力夫纖維繩網(wǎng)已成功應(yīng)用于石建高研究員主持設(shè)計的三沙美濟(jì)礁金屬網(wǎng)箱工程、溫州白龍嶼柵欄式堤壩圍網(wǎng)網(wǎng)具工程、臺州大陳島超大型雙圓周式特力夫-銅合金圍網(wǎng)工程)等領(lǐng)域[1-4,8]。誠然，超高強(qiáng)纖維成本高、設(shè)備昂貴且網(wǎng)具裝備工藝復(fù)雜，這些因素導(dǎo)致它目前還未能在漁業(yè)上廣泛應(yīng)用。根據(jù)漁業(yè)的種類與海況、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)狀況與技術(shù)條件等情況，人們會篩選普通纖維、中高強(qiáng)纖維和超高強(qiáng)纖維等不同層次的漁用纖維材料。中高強(qiáng)纖維新材料可構(gòu)建普通纖維與超高強(qiáng)纖維之間過渡的橋梁，豐富漁用材料品種、助力海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展，未來其市場前景廣闊。2013年～2015年期間，東海水產(chǎn)研究所采用新材料技術(shù)首次開發(fā)出漁用中高強(qiáng)纖維新材料——HDPE/MMWPE/SiO2單絲。本文對HDPE/MMWPE/SiO2單絲的拉伸力學(xué)性能、性價比和適配性進(jìn)行了初步研究，以期為漁用繩網(wǎng)材料的篩選、捕撈漁具與養(yǎng)殖網(wǎng)具的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

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(shù)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(shù)與專利技術(shù)加工生產(chǎn)[13]，其紡絲工藝流程如下：

HDPE+MHMWPE+SiO2+白油→特殊紡絲改性技術(shù)與專利技術(shù)→單絲絲束→分絲→HDPE/MMWPE/SiO2單絲以紡絲級干燥HDPE樹脂(熔融指數(shù)范圍為0.6 g/10 min～1.5 g/10 min)為原料，采用傳統(tǒng)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(qiáng)力試驗機(jī)。

1.2.2 試驗方法

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[14]。

1.2.3 試驗數(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)行試驗數(shù)據(jù)處理[5,14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 HDPE/MMWPE/SiO2單絲的拉伸力學(xué)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(xué)性能及現(xiàn)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(xué)性能及現(xiàn)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(chǎn)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(shè)備、紡絲外部環(huán)境及紡絲原料等因素有關(guān)，而且與單絲本身的伸長能力有著密不可分的聯(lián)系[1,5,10,15-16]。HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲均屬結(jié)晶性高聚物，因彼此之間結(jié)晶度不同，理論上講，兩者的延伸性能可產(chǎn)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(shù)明顯高于HDPE樹脂，HDPE/MMWPE/SiO2單絲高分子鏈在晶區(qū)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(wǎng)不易變形，以該種單絲新材料制作的繩網(wǎng)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(qiáng)度性能的比較分析

單絲強(qiáng)度一般包括斷裂強(qiáng)度和結(jié)節(jié)強(qiáng)度。由表1可以看出，HDPE/MMWPE/SiO2單絲的斷裂強(qiáng)度和結(jié)節(jié)強(qiáng)度分別比PE單絲增加16.7%和12.8%。單絲強(qiáng)度主要與紡絲工藝、單絲內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等因素緊密相關(guān)[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(shù)與專利技術(shù)(如單螺桿擠出機(jī)在料筒電加熱區(qū)的第Ⅰ區(qū)的溫控范圍為286 ℃～294 ℃等)，這改善了HDPE/MMWPE/SiO2單絲的拉伸力學(xué)性能及其內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，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(jìn)成核及結(jié)晶行為使分子鏈排列規(guī)整，同時在拉伸過程中納米SiO2使裂紋擴(kuò)展受阻和鈍化，從而使HDPE/MMWPE/SiO2單絲拉伸力學(xué)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(qiáng)度優(yōu)勢(表1)?？紤]到HDPE/MMWPE/SiO2單絲在漁業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)，使得HDPE/MMWPE/SiO2單絲價格適中、結(jié)晶度與取向度較大，這非常有利于它在漁業(yè)上的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.1.3 HDPE/MMWPE/SiO2單絲和PE單絲結(jié)強(qiáng)損失率的比較分析

單絲繩網(wǎng)材料在加工與使用中都離不開單絲打結(jié)成型工序，因此，在漁用單絲新材料開發(fā)時大家都很關(guān)心單絲打結(jié)成型后的強(qiáng)度損失程度。為表征單絲打結(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[5,11,16-17]。相關(guān)研究結(jié)果表明，單絲結(jié)強(qiáng)損失率主要與紡絲原料、紡絲工藝以及單絲內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等因素有著密不可分的聯(lián)系[5]。特種紡絲原料與紡絲工藝使得HDPE/MMWPE/SiO2單絲內(nèi)部的高分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)的自由度較小，使高分子鏈段在拉伸時很難移動，這進(jìn)一步導(dǎo)致HDPE/MMWPE/SiO2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7.5%(表1)。HDPE/MMWPE/SiO2單絲結(jié)強(qiáng)損失率較高對其結(jié)節(jié)強(qiáng)度不利，但它通過強(qiáng)度優(yōu)勢對結(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。

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(chǎn)商和科研工作者十分關(guān)注的一個商業(yè)模型參量，在漁業(yè)新材料科技文獻(xiàn)中經(jīng)常有性價比分析內(nèi)容[1-2,5-9]。HDPE/MMWPE/SiO2單絲與PE單絲線密度、斷裂強(qiáng)力和現(xiàn)有市場單價之間均存在差異(表1)。根據(jù)表1數(shù)據(jù)推算，在保持單絲強(qiáng)度與強(qiáng)力優(yōu)勢的前提下，在漁業(yè)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(jīng)濟(jì)，HDPE/MMWPE/SiO2單絲的性價比更高，其在漁業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(qiáng)度優(yōu)勢彌補(bǔ)了其價格偏高與結(jié)強(qiáng)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(wǎng)的斷裂強(qiáng)力明顯高于普通PE繩網(wǎng)，這大大提高了漁用繩網(wǎng)的安全性以及抗風(fēng)浪流性能，助推了捕撈漁具與水產(chǎn)養(yǎng)殖圍網(wǎng)網(wǎng)具的大型化發(fā)展，為低碳漁業(yè)、遠(yuǎn)海網(wǎng)箱以及牧場化養(yǎng)殖圍網(wǎng)的飛速發(fā)展創(chuàng)造了條件[6-8,18]。在保持繩網(wǎng)強(qiáng)力優(yōu)勢的前提下，以較小規(guī)格的HDPE/MMWPE/SiO2繩網(wǎng)替代PE繩網(wǎng)，能使繩網(wǎng)水阻力降低、繩網(wǎng)原材料消耗降低、繩網(wǎng)從業(yè)人員勞動強(qiáng)度降低，從而實現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排或降耗減阻，發(fā)展低碳漁業(yè)[5,18]。相比較傳統(tǒng)PE單絲而言，HDPE/MMWPE/SiO2單絲具有更好的漁用適配性。

3 結(jié)論與討論

東海水產(chǎn)研究所對HDPE/MMWPE/SiO2單絲進(jìn)行了初步研究。研究結(jié)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(qiáng)度、結(jié)節(jié)強(qiáng)度和結(jié)強(qiáng)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?jǐn)嗔褟?qiáng)力優(yōu)勢的前提下，以HDPE/MMWPE/SiO2繩網(wǎng)替代PE繩網(wǎng)，能使繩網(wǎng)原材料消耗減小、網(wǎng)具水阻力相應(yīng)減小，從而實現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗。結(jié)論可為漁具與養(yǎng)殖網(wǎng)具的創(chuàng)新設(shè)計以及繩網(wǎng)材料的選配提供科技支撐。

隨著新材料技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新、MMWPE 樹脂產(chǎn)能及其生產(chǎn)應(yīng)用單位的增加、HDPE/MMWPE/SiO2漁具與養(yǎng)殖網(wǎng)具裝備工藝的技術(shù)熟化，中高強(qiáng)HDPE/MMWPE/SiO2單絲新材料的性能、性價比與適配性將會得到進(jìn)一步提高。隨著漁業(yè)節(jié)能減排政策推進(jìn)以及藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展，普通纖維材料已難以滿足現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展需要，中高強(qiáng)纖維與超高強(qiáng)纖維材料既適合傳統(tǒng)漁用材料的升級換代需要，又適合現(xiàn)代漁業(yè)的大型化及離岸發(fā)展需要，HDPE/MMWPE/SiO2單絲的開發(fā)應(yīng)用前景廣闊。本文因時間因素，僅對HDPE/MMWPE/SiO2單絲的延伸性、強(qiáng)度性能、結(jié)強(qiáng)損失率、性價比和適配性進(jìn)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(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)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(yè)、漁用材料、深水網(wǎng)箱及水產(chǎn)養(yǎng)殖圍網(wǎng)工程研究。

E-mail:zyshi666@163.com

S 971.2

A