渔用改性HDPE/MMWPE/SiO2单丝的初步研究

石建高，余雯雯，闵明华，马海有，王鲁民，刘永利，王 磊，陈晓雪，吕呈涛，黄南婷

(1. 中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090； 2. 山东爱地高分子材料有限公司，莱芜 271100； 3. 江苏昇和塑业有限公司，淮安 211600)



渔用改性HDPE/MMWPE/SiO2单丝的初步研究

石建高1，余雯雯1，闵明华1，马海有1，王鲁民1，刘永利1，王 磊1，陈晓雪1，吕呈涛2，黄南婷3

(1. 中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090； 2. 山东爱地高分子材料有限公司，莱芜 271100； 3. 江苏昇和塑业有限公司，淮安 211600)

2013年～2015年期间东海水产研究所对渔用改性高密度聚乙烯(HDPE)/中高分子量聚乙烯(MMWPE)/二氧化硅(SiO2)单丝(简称HDPE/MMWPE/SiO2单丝)进行了初步研究。结果表明，HDPE/MMWPE/SiO2单丝比普通聚乙烯单丝(简称PE单丝)断裂强度、结节强度和结强损失率分别提高16.7%、12.8%和7.5%，而断裂伸长率降低37.1%；HDPE/MMWPE/SiO2单丝的性价比更高、渔用适配性更好；在保持断裂强力优势的前提下，以HDPE/MMWPE/SiO2绳网替代PE绳网，能使绳网原材料消耗减小、网具水阻力相应减小，从而实现渔业生产的节能降耗。结论可为高性能绳网材料的选配、捕捞渔具与养殖网具的优化设计提供参考。

改性单丝；捕捞渔具；水产养殖网具；HDPE/MMWPE/SiO2

聚乙烯单丝在渔业生产中广泛应用，其物理性能直接关系到绳网、捕捞渔具与水产养殖网具的强度及其安全性[1-6]。现有PE单丝一般用传统加工工艺生产，其强度较小、适配性较差，难以满足渔业生产的大型化、现代化及深水作业特殊化需要，恶劣作业条件下网破鱼逃事件时有发生[7-12]。现代渔业的发展，对单丝的物理性能提出了更高要求，迫切需要开展渔用单丝新材料的研发与产业化应用[2]。特力夫纤维等超高强纤维具有优异的物理性能，可有效抵御海况条件，目前它主要应用于远海网箱、牧场化养殖围网及大型中层拖网纲索(如超高强特力夫纤维绳网已成功应用于石建高研究员主持设计的三沙美济礁金属网箱工程、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)等领域[1-4,8]。诚然，超高强纤维成本高、设备昂贵且网具装备工艺复杂，这些因素导致它目前还未能在渔业上广泛应用。根据渔业的种类与海况、企业的经济状况与技术条件等情况，人们会筛选普通纤维、中高强纤维和超高强纤维等不同层次的渔用纤维材料。中高强纤维新材料可构建普通纤维与超高强纤维之间过渡的桥梁，丰富渔用材料品种、助力海洋经济创新发展，未来其市场前景广阔。2013年～2015年期间，东海水产研究所采用新材料技术首次开发出渔用中高强纤维新材料——HDPE/MMWPE/SiO2单丝。本文对HDPE/MMWPE/SiO2单丝的拉伸力学性能、性价比和适配性进行了初步研究，以期为渔用绳网材料的筛选、捕捞渔具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

HDPE/MMWPE/SiO2单丝新材料以特定比例的干燥纺丝级HDPE树脂(添加量为MMWPE树脂重量的24.1‰～25.8‰)、MMWPE树脂(熔融指数为3.0 g/10 min，分子量60×104～100×104)、纺丝级纳米SiO2(添加量为MMWPE树脂重量的1.6‰～2.6‰)以及白油(添加量为MMWPE树脂重量的0.33%～0.46%)为原料，采用特殊纺丝改性技术与专利技术加工生产[13]，其纺丝工艺流程如下：

HDPE+MHMWPE+SiO2+白油→特殊纺丝改性技术与专利技术→单丝丝束→分丝→HDPE/MMWPE/SiO2单丝以纺丝级干燥HDPE树脂(熔融指数范围为0.6 g/10 min～1.5 g/10 min)为原料，采用传统熔融纺丝工艺加工PE单丝[1]。

1.2 方法

1.2.1 试验仪器

英国INSTRON-4466型强力试验机。

1.2.2 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[14]。

1.2.3 试验数据处理

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[5,14]。

2 结果与分析

2.1 HDPE/MMWPE/SiO2单丝的拉伸力学性能分析

2.1.1 HDPE/MMWPE/SiO2单丝和PE单丝延伸性的比较分析

HDPE/MMWPE/SiO2单丝和PE单丝拉伸力学性能及现有市场单价的比较见表1。

表1 HDPE/MMWPE/SiO2单丝和PE单丝拉伸力学性能及现有市场单价的比较

单丝延伸性通常用断裂伸长率来表征。由表1可见，HDPE/MMWPE/SiO2单丝的断裂伸长率较PE单丝降低37.1%。HDPE/MMWPE/SiO2单丝和PE单丝产生上述延伸性差别的原因有很多。单丝延伸性不仅与单丝的纺丝工艺、纺丝设备、纺丝外部环境及纺丝原料等因素有关，而且与单丝本身的伸长能力有着密不可分的联系[1,5,10,15-16]。HDPE/MMWPE/SiO2单丝和PE单丝均属结晶性高聚物，因彼此之间结晶度不同，理论上讲，两者的延伸性能可产生一定的差别[1,5,10-12,15-16]。与PE单丝相比，HDPE/MMWPE/SiO2单丝延伸性变小的原因是HDPE/MMWPE/SiO2树脂的分子量与熔融指数明显高于HDPE树脂，HDPE/MMWPE/SiO2单丝高分子链在晶区排列更加紧密有序，这使得HDPE/MMWPE/SiO2单丝高分子链段在拉伸时很难伸展或滑移[5-6,10-12,15-16]，因此，HDPE/MMWPE/SiO2单丝具有相对较小的延伸性，相同外力条件下HDPE/MMWPE/SiO2绳网不易变形，以该种单丝新材料制作的绳网的安全性、耐磨性、承载能力与抗冲击性更好。

2.1.2 HDPE/MMWPE/SiO2单丝和PE单丝强度性能的比较分析

单丝强度一般包括断裂强度和结节强度。由表1可以看出，HDPE/MMWPE/SiO2单丝的断裂强度和结节强度分别比PE单丝增加16.7%和12.8%。单丝强度主要与纺丝工艺、单丝内部聚集态结构等因素紧密相关[1-3,5-6,15]。与PE单丝相比，HDPE/MMWPE/SiO2单丝采用特殊纺丝改性技术与专利技术(如单螺杆挤出机在料筒电加热区的第Ⅰ区的温控范围为286 ℃～294 ℃等)，这改善了HDPE/MMWPE/SiO2单丝的拉伸力学性能及其内部聚集态结构，使得其取向度较高、分子链间作用力更大；此外，HDPE/MMWPE/SiO2单丝加工用树脂中添加了特定剂量的纳米SiO2，纳米SiO2在 HDPE/MMWPE基体中可以起到成核剂作用，促进成核及结晶行为使分子链排列规整，同时在拉伸过程中纳米SiO2使裂纹扩展受阻和钝化，从而使HDPE/MMWPE/SiO2单丝拉伸力学性能得到改善和提高，因此，HDPE/MMWPE/SiO2单丝较PE单丝具有明显的强度优势(表1)。考虑到HDPE/MMWPE/SiO2单丝在渔业生产中的产业化应用，单丝制作加工时在MMWPE树脂中添加了价格相对便宜的HDPE树脂，并通过纳米SiO2对单丝强度进行增强，使得HDPE/MMWPE/SiO2单丝价格适中、结晶度与取向度较大，这非常有利于它在渔业上的产业化应用。

2.1.3 HDPE/MMWPE/SiO2单丝和PE单丝结强损失率的比较分析

单丝绳网材料在加工与使用中都离不开单丝打结成型工序，因此，在渔用单丝新材料开发时大家都很关心单丝打结成型后的强度损失程度。为表征单丝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[5,11,16-17]。相关研究结果表明，单丝结强损失率主要与纺丝原料、纺丝工艺以及单丝内部聚集态结构等因素有着密不可分的联系[5]。特种纺丝原料与纺丝工艺使得HDPE/MMWPE/SiO2单丝内部的高分子链内旋转的自由度较小，使高分子链段在拉伸时很难移动，这进一步导致HDPE/MMWPE/SiO2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7.5%(表1)。HDPE/MMWPE/SiO2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。

2.2 HDPE/MMWPE/SiO2单丝性价比分析

性能价格比简称性价比。性价比是渔用材料用户、生产商和科研工作者十分关注的一个商业模型参量，在渔业新材料科技文献中经常有性价比分析内容[1-2,5-9]。HDPE/MMWPE/SiO2单丝与PE单丝线密度、断裂强力和现有市场单价之间均存在差异(表1)。根据表1数据推算，在保持单丝强度与强力优势的前提下，在渔业上以线密度390 dtex的HDPE/MMWPE/SiO2单丝替代线密度440 dtex的PE单丝，即使单价增加10.7%，但由于重量减少11.4%，HDPE/MMWPE/SiO2单丝成本还可减少1.9%；使用HDPE/MMWPE/SiO2单丝比PE单丝更经济，HDPE/MMWPE/SiO2单丝的性价比更高，其在渔业生产中推广应用具有经济可行性。

2.3 HDPE/MMWPE/SiO2单丝适配性分析

适配性主要取决于渔用材料综合性能、渔用适应性及其终端用户接收度[1-5,7]。前文分析表明，HDPE/MMWPE/SiO2单丝通过强度优势弥补了其价格偏高与结强损失率偏高的不利因素；在其它条件相同的前提下，HDPE/MMWPE/SiO2绳网的断裂强力明显高于普通PE绳网，这大大提高了渔用绳网的安全性以及抗风浪流性能，助推了捕捞渔具与水产养殖围网网具的大型化发展，为低碳渔业、远海网箱以及牧场化养殖围网的飞速发展创造了条件[6-8,18]。在保持绳网强力优势的前提下，以较小规格的HDPE/MMWPE/SiO2绳网替代PE绳网，能使绳网水阻力降低、绳网原材料消耗降低、绳网从业人员劳动强度降低，从而实现渔业生产的节能减排或降耗减阻，发展低碳渔业[5,18]。相比较传统PE单丝而言，HDPE/MMWPE/SiO2单丝具有更好的渔用适配性。

3 结论与讨论

东海水产研究所对HDPE/MMWPE/SiO2单丝进行了初步研究。研究结果显示，与PE单丝相比，HDPE/MMWPE/SiO2单丝具有较小的延伸性，而断裂强度、结节强度和结强损失率相对较高；HDPE/MMWPE/SiO2单丝性价比更高、渔用适配性更好。在保持断裂强力优势的前提下，以HDPE/MMWPE/SiO2绳网替代PE绳网，能使绳网原材料消耗减小、网具水阻力相应减小，从而实现渔业生产的节能降耗。结论可为渔具与养殖网具的创新设计以及绳网材料的选配提供科技支撑。

随着新材料技术的持续创新、MMWPE 树脂产能及其生产应用单位的增加、HDPE/MMWPE/SiO2渔具与养殖网具装备工艺的技术熟化，中高强HDPE/MMWPE/SiO2单丝新材料的性能、性价比与适配性将会得到进一步提高。随着渔业节能减排政策推进以及蓝色海洋经济创新发展，普通纤维材料已难以满足现代渔业发展需要，中高强纤维与超高强纤维材料既适合传统渔用材料的升级换代需要，又适合现代渔业的大型化及离岸发展需要，HDPE/MMWPE/SiO2单丝的开发应用前景广阔。本文因时间因素，仅对HDPE/MMWPE/SiO2单丝的延伸性、强度性能、结强损失率、性价比和适配性进行了分析研究，对耐磨性、耐切割性及拉伸模量未作研究，这有待今后深入研究。

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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

国家科技支撑项目(2013BAD13B03、2013BAD13B02)，广东省海洋经济创新发展区域示范专项项目(GD2013-D01-001)，台州市科技计划项目(14ny17)

石建高(1969-)，男，研究员，主要从事海洋渔业、渔用材料、深水网箱及水产养殖围网工程研究。

E-mail:zyshi666@163.com

S 971.2

A