三元共混网线材料断裂强力试验研究

刘　嫚， 石建高， 汪征位， 余雯雯， 高　敏， 宋伟华

(1 浙江海洋大学水产学院，浙江省海洋渔业装备技术研究重点实验室，浙江 舟山 316022；2 中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090)



三元共混网线材料断裂强力试验研究

刘嫚1， 石建高2， 汪征位1， 余雯雯2， 高敏1， 宋伟华1

(1 浙江海洋大学水产学院，浙江省海洋渔业装备技术研究重点实验室，浙江 舟山 316022；2 中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090)

摘要：为给渔用材料的合理选用提供参考，以三元共混网线材料(中高分子量聚乙烯/聚丙烯/三元乙丙橡胶，MHMWPE/PP/EPDM)作为研究对象，按不同混合比、不同直径进行网线的断裂强力及结节强力试验，分析其相应的强力、延伸性等性能。结果显示，三元共混网线材料的断裂强力随着直径增大而增加，优于同等直径普通聚乙烯网线材料，且随着直径增大，差异性越明显，最大差异时三元共混网线材料的断裂强力为2 091.4 N，是普通聚乙烯的1.8倍；在相同的网线直径条件下，三元共混网线材料断裂强力均随PP含量增加而增加；在相同的直径下，三元共混网线材料的断裂伸长率小于普通聚乙烯网线材料，结节损失率高于普通聚乙烯网线材料。三元共混网线材料，虽然断裂伸长率低、结节损失率高，但强力性能要优于普通聚乙烯，可在渔业生产中推广应用。

关键词：三元共混材料；断裂强力；断裂伸长率；结节损失率；断裂试验

网衣是捕捞网渔具和养殖网箱重要的组成部分。捕捞拖网中的网囊在水中易变形、阻力大，不但影响渔获质量和渔具的使用周期，还造成渔船燃油消耗增多；养殖网箱在海水中经常会受到风、浪、流的影响，造成箱体变形，导致容积减少，减少了养殖鱼类的活动空间，使得鱼类拥挤，造成擦伤出血从而引发鱼病[1]。网衣材料是影响网渔具和养殖网箱性能的主要因子之一，直接关系到两者的安全性、使用寿命、抗风浪性等。目前，网衣所使用的纤维材料以合成纤维为主，国内外常用的渔用合成纤维主要有聚乙烯纤维、聚酯类纤维、聚酰胺类纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和聚氯乙烯纤维等[2-3]。与发达国家相比，我国在渔用材料品种和质量等方面存在较大差距，如抗老化性差、强度低、低温易脆断、收缩率大和尺寸稳定性差等[4]，难以满足现代渔业生产中远洋拖网与养殖网具所需的更高承载和更好的抗风浪需求[5]。

中国水产科学研究院东海水产研究所采用三元共混技术制备了高强高韧渔用材料纤维，主要是采用聚丙烯(PP)对中高分子量聚乙烯(MHMWPE)进行共混改性，选取相应低粘度的三元乙丙橡胶(EPDM)作为相熔剂，共混后通过熔融、纺丝、多级后牵伸工艺制备等技术环节制成共混渔用材料(简称“三元共混网线”)，可满足渔业生产要求的高强高韧性能，在保持渔网纤维高结节强力要求下，既能克服上述缺点，又可减小渔网线直径，提高渔具滤水性，降低水阻力，以实现渔业生产节能降耗。本文通过网线材料干态下断裂强力试验研究，比较不同直径及不同混合比的三元共混材料直线状态下断裂强力，探究该种新型材料的强度性能，为合理选用网线材料提供数据参考，对高性能渔用纤维新材料的开发具有重要意义。

1材料与方法

1.1试验材料

试验在中国水产科学研究院东海水产研究所进行，试验样品为不同混合比PP、MHMWPE、EPDM的4组材料(表1中的样品A、B、C、D)，同时按照网线直径大小相似标准，采用普通聚乙烯(PE)对比试验组样品4种(表2)。

表1　4组试验材料中PP、MHMWPE、EPDM的比例

表2　不同规格的网线材料的直径和线密度

1.2材料制备

(1)采用PP、MHMWPE、EPDM原料按表1不同混合比例均匀混合；(2)经SJ-30×25C单螺杆挤出机，挤出机4区温度控制为290 ℃、338 ℃、340 ℃和346 ℃，进行熔融挤出喷丝；(3)将喷丝冷却后的初生丝采用二次牵伸法，以不同的牵伸比进行热牵伸，制备三元共混单丝材料；(4)采用常规的渔用网线捻制设备和工艺制成三元共混网线材料[6]。

1.3试验方法

试验仪器：网线拉伸力学性能试验采用国产WDW-100型电子式万能试验机(量程100 kN，精度0.1%)；网线的长度、直径和质量分别采用直尺(量程1 m，精度0.1%)、游标卡尺(量程300 mm，精度0.01mm)和电子称测量(量程5 kg，精度0.01 g)。

试验内容：测量5种样品材料的直径、线密度，以及5种样品材料无结节和有结节时的网线断裂强力和断裂伸长度。将网线试样绕于夹钳，将上下两个夹钳的距离设定为(250±5)mm，用夹钳将网线夹紧，试验机的拉伸速率设定为(500±10)mm/min。开启试验机，拉伸试样至断裂，记录断裂强力(N)和断裂长度(m)，如果网线试样在钳口处滑移，或在钳口中和钳口边缘断裂，或试验结果明显这一组的平均值相差太大时，则必须舍弃这个试验结果，另加试验以得到10个“正常值”。

1.4数据处理

试验所取得的有效数据按数据处理规范进行整理[7]。测试结果以平均值表示，用标准差、变异系数表示测试结果的分散性和测试方法的精确度[8]。具体公式如下：

(1)断裂强力F[9]：

式中：F—平均断裂强力，N；Fi—每根试样断裂强力，N；n—试验次数。

(2)标准差S[10]：

(3)变异系数C[10]：

C=S/F

(4)伸长率ε[9]：

ε=(L′/L)×100%

式中：ε—伸长率，%；L′—拉伸后的伸长度，mm；L—拉伸前的初始长度，mm。

(5)结节损失率ζ[11]：

ζ=(F-Fj)/F×100%

式中：ζ—结节损失率，%；Fj—结节强力，N。

2结果

2.1断裂强力对比

网线在渔业生产过程中会受到拉伸、弯曲、压缩、摩擦和扭转作用，产生不同程度的变形，而网线的断裂强力是反映网具品质和选用时的一个重要技术指标[12]。实验在标准大气压条件下，温度(20±2) ℃，相对湿度(65±2)%，分别取样品A、B、C、D和普通聚乙烯网线(PE)干态无结节与有结节试样作拉伸试验，测得断裂时的最大负荷值。取有效测定10次的算术平均值，测量结果如图1和图2所示。

图1　网线无结节断裂强力Fig.1　The breaking strength of netting twines without nodules

图2　网线结节断裂强力Fig.2　The breaking strength of netting twines with nodules

网线的断裂强力与纤维材料的种类、网线的直径、网线的工艺结构等有密切关系。由图1可见，直径相同时，三元共混网线材料断裂强力均大于普通聚乙烯网线材料，这主要是因为三元共混网线材料的单丝结构较普通PE单丝结构发生了变化。与普通PE单丝相比，三元共混网线单丝采用特殊的混纺技术，改善了单丝的拉伸力学性能与内部聚集态结构，使其强度性能优于普通PE单丝[5]。图1中，随着直径的增加，三元共混材料的断裂强力大大超过普通聚乙烯材料的断裂强力，最大时是后者的1.8倍(样品B、C、D)；4种不同混合比的三元共混材料断裂强力均随PP含量增加而增加，但直径增大后，4种混合比三元共混材料的断裂强力趋近相等。

5种样品的断裂强力显示，网线无结节比有结节的要大，两者相比大约是1.25～1.76倍。其中，三元共混网线材料无结节比有结节的断裂强力大的倍数，大于PE材料大的倍数，最大的倍数关系为1.76倍。网线的断裂强力随着网线粗度的增加而增加，增加的幅度比直径增加的幅度要大，即直径增加1倍，网线断裂强力和结节强力增加多倍(表3)。从表3可以看出，样品A的增加倍数为最大，而5个样品中，无结节网线强力要比有结节的增加倍数略大。

断裂强力的测试数据标准差都比较小，均在试验误差允许的范围之内[13]，变异系数均小于0.05。

表3　直径增大1倍时网线的断裂强力增加倍数

2.2断裂伸长率对比

表4为5种样品测定的断裂伸长度计算处理后得到的断裂伸长率。

表4　5种规格网线断裂伸长率的比较

延伸性为网线在拉力作用下产生伸长变形的特性，它是涉及网线材料特性和应用性能的重要因素[14]。由表4可知，样品A和B的断裂伸长率随直径的增加而增加，而样品C和D的断裂伸长率并非如此，说明直径对三元共混网线材料断裂伸长率的影响不大。相同直径下，三元共混材料的断裂伸长率均小于普通聚乙烯材料，且在直径最大(3.4 mm)时差异最明显。造成网线断裂伸长率差别的原因很多，网线的伸长不仅与制线用基体纤维材料本身的伸长能力、网线的线密度和网线后处理方式等因素有关，还与网线的单丝结构有着紧密联系。三元共混材料断裂伸长率变小的原因是高分子链在晶区排列紧密有序，使得其高分子链段在拉伸时很难伸展或滑移。因此，具有此种结构的三元共混材料的网线延伸性差，表现为相对较低的断裂伸长率[15]。

2.3结节损失率对比

结节损失率是渔民和渔具材料制造商及研发人员都十分关注的一个力学参量[16-18]。表5是5种材料在不同规格下的网线结节损失情况。

表5　5种规格网线结节损失率比较

一般来说，网线的结节损失率与纤维材料的种类、网线的直径、网结的类型等有密切联系。由表5可知，相同条件下，三元共混网线材料结节损失率随直径的增大，大体上也呈增大趋势(材料D除外)，直径增大对结节损耗的影响，主要是因为直径增大，其组成的绳纱数也增加，绳纱间排列差异的可能性增大，导致每根绳纱受力不一致，而直径越大，这种差异对整体的影响也将增大，绳索在结节处内外层的受力差异也会增大，从而增加了结节损耗[19]。在直径为3.4 mm时，网线结节损失率随PP比例含量减少而增大，最小时比普通聚乙烯材料网线增加96.54%。

3讨论

试验显示，三元共混网线材料无结节和结节强力均优于普通聚乙烯网线材料，断裂强力差异随直径增大而越明显，而网线断裂伸长率较普通聚乙烯网线材料有一定幅度的降低，结节损失率高于普通聚乙烯网线材料。在保持网线直径相同的条件下，选择三元共混材料网线替代普通聚乙烯网线可以有效提高渔具或网箱的强力性能，有利于实现渔具或网箱的大型化、提高作业效率，以及提高作业人员的安全性[20]。

网箱制作时，在保持网线断裂强力相同的条件下，若采用本试验中的三元共混网线材料替代普通聚乙烯网线材料，则可有效降低网线的直径，网片的目脚粗度也随之降低，进而降低水流对网箱的冲击力，降低因网衣变形而造成的养殖对象逃逸。此外，网线直径降低，还可以降低养殖设施生物附着量，提高养殖水体内外交换率，降低养殖对象的疾病发生率，提高养殖经济效益。

与普通聚乙烯网线材料相比，三元共混网线材料的断裂伸长率低，结节损失率高，但其网线断裂强力和结节强力均高于普通聚乙烯网线材料。在相同条件下，使用三元共混网线材料可以增加网线的强力，且网线不易变形，其制成的网具具有较好的稳定性。因此，三元共混网线材料的低断裂伸长率、高结节损失率，可以通过其强力优势来弥补。

4结论

海洋渔业的快速发展，对渔用纤维材料的拉伸力学性能提出了更高的要求。纤维材料的强力性能关系到渔具的变形、渔获物量、使用寿命等。三元共混网线材料在断裂强力上优于普通聚乙烯材料，与普通聚乙烯相比，虽然其结节损失率高、断裂伸长率低，但均可通过其强力优势来弥补。三元共混网线材料其优异的强力性能，满足了现代渔业生产中远洋拖网与养殖网具所要求的更高承载和更好抗风浪性能。因此，三元共混网线材料的开发和应用具有广阔的前景。

□

参考文献

[1]石建高,刘永利,王鲁民,等.深水网箱箱体用超高强经编网的物理性能研究[J].渔业信息与战略,2012,27(4)：303-309.

[2]KLUSTG. Netting Materials for Fishing gear[M].London：Fishing New Books Ltd.Press,1982：1-175.

[3]石建高,王鲁民,陈晓蕾,等.渔用合成纤维新材料研究进展[J].现代渔业信息,2008,23(5)：7-10,13.

[4]于迁,石建高,陈晓蕾,等.渔用PP/PA复合单丝和普通PP单丝结构与性能的比较研究[J].海洋渔业,2009,31(2)：186-191.

[5]石建高,刘永利,王磊,等.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[J].河北渔业,2015(10)：5-8.

[6]王鲁民,胡萍,施锦飞,等.渔用高强度聚乙烯材料研究[J].水产学报,1998,22(S)：41-46.

[7]SC 5005-1987渔用乙纶单丝[S].北京：中国标准出版社,1988.

[8]卢伙胜.机织单死结锦纶网片不同定型方向的断裂强力特性比较[J].福建水产, 2003(1)：17-22.

[9]王兴国,宋伟华,陈志海,等.网具工艺技术[M].北京：华艺出版社,2009：45-47.

[10]国家质量监督检验检疫总局质量管理司编.质量专业理论与实务(中级)[M].北京：中国人事出版社,2002：181-400.

[11]石建高,王鲁民,汤振明,等.渔用自增强聚乙烯单丝的拉伸力学性能分析[J].上海水产大学学报, 2004,13(4)：323-327.

[12]钟若英.渔具材料与工艺学[M].中国农业出版社,1994：145-161.

[14]李汝勤,宋钧才.纤维和纺织品测试技术[M].上海：东华大学出版社,2005：1-34.

[15]孙满昌,石建高,许传才,等.渔具材料与工艺学[M].北京：中国农业出版社,2009：1-138.

[16]沃丁柱.复合材料大全[M].北京：化学工业出版社,2000：106-113.

[17]王鲁民.超高强纤维的试验研究及其在渔业中的应用前景[J].水产学报,2000,24(5)：480-484.

[18]万荣,唐衍力,杜守恩.渔具合成纤维材料强度性能的比较与分析[J].青岛海洋大学学报,1997,27(4)：490-495.

[19]黄丽琴,石建高,王鲁民,等.改性渔用乙纶单丝试验研究[J].渔业现代化,2009,36(5)：63-66.

[20]石建高,王鲁民,张勋,等.共混改性PP/PE 编织线的初步研究[J].现代渔业信息,2011,26(7)：13-18.

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

中图分类号：S971.2

文献标志码：A

文章编号：1007-9580(2016)02-045-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.02.009

作者简介：刘嫚(1987—)，女， 硕士研究生，研究方向：现代渔业工程。E-mail：1003987696@qq.com通信作者：宋伟华(1968—)，男，教授，研究方向：设施渔业。E-mail：whsong6806@163.com

基金项目：浙江省自然科学基金(LY14C190005)；浙江省自然科学基金青年基金(LQ14C190002)

收稿日期：2015-11-03修回日期：2016-03-16