復(fù)合材料彈性體浮標的研發(fā)及應(yīng)用

◎ 王松 北海航標處

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復(fù)合材料彈性體浮標的研發(fā)及應(yīng)用

◎ 王松 北海航標處

浮標是船舶安全航行的重要助航設(shè)施，浮標新材料的應(yīng)用是航道建設(shè)的重要內(nèi)容，符合交通運輸部關(guān)于《航道發(fā)展規(guī)劃》中提出的“積極運用新技術(shù)、新工藝、新材料，全面推進航道建設(shè)與管理工作科技進步”的新要求，本文立足新材料應(yīng)用、新材料特性，克服傳統(tǒng)鋼質(zhì)浮標存在的諸多問題進行論證探討。

浮標 鋼質(zhì)浮標 復(fù)合材料彈性體浮標 EVA

1.背景

傳統(tǒng)的鋼質(zhì)浮標存在如①長期浸泡在海上，易腐蝕。②需兩、三年開展一次陸地維護保養(yǎng)。③笨重、運輸困難。根據(jù)交通部在《航道發(fā)展規(guī)劃》中提出了“積極運用新材料，新科技，新工藝，全面推進航道建設(shè)與管理工作科技進步”的新要求，北海航標處成立技術(shù)攻關(guān)小組，對浮標新材料應(yīng)用進行了大量的研究和探討，近期研發(fā)了“復(fù)合材料彈性體浮標”，一定程度上解決了鋼質(zhì)浮標使用面臨難題。

2.復(fù)合材料彈性體浮標的結(jié)構(gòu)工藝

2.1材料的組成

本項目研發(fā)的復(fù)合材料彈性體浮標規(guī)格有直徑2.4米和1.8米兩款，本文提供技術(shù)指標為直徑2.4米復(fù)合彈性體浮標，浮標由鋼筋、聚氨酯、玻璃鋼、乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚脲等組成。

2.2復(fù)合材料彈性體航標的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）燈架機構(gòu)：燈架含電池箱用玻璃鋼材料由模具整體制作。

（2）浮鼓、尾管結(jié)構(gòu)：浮鼓是浮標的核心部件。浮鼓和尾管用玻璃鋼材料（FRP）由模具整體制作，為確保吊裝安全，浮鼓內(nèi)由數(shù)根加強鋼筋連接2個吊環(huán)和一個鏈條環(huán)，鼓內(nèi)填滿聚氨酯發(fā)泡材料。玻璃鋼浮鼓表面整體包覆一層乙烯—醋酸乙烯（PUR）共聚物，再在乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）和尾管表面噴涂聚脲彈性材料（SPUA）。尾管內(nèi)加配重塊。

圖1　復(fù)合材料彈性體浮標結(jié)構(gòu)圖

2.3各種材料的性能特點

（1）玻璃鋼（FRP）主要有①強度高、重量輕；②耐腐蝕；③絕緣性能好；④可設(shè)計性好；⑤工藝性優(yōu)良。

（2）聚氨酯硬質(zhì)泡沫（PUR）是以異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發(fā)泡劑、催發(fā)劑等多重助劑的作用下，通過專用設(shè)備混合，經(jīng)發(fā)泡而成的高分子聚合物，主要有①重量輕；②具有優(yōu)良的防水性能；③無氟發(fā)泡，適應(yīng)環(huán)境寬；④不吸水，憎水率96％以上；⑤耐腐蝕。

（3）乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA），是由乙烯（E）和醋酸乙烯（VA）共聚而成，其主要特點①抗水、鹽分；②柔軟性及堅韌度好，彈性極佳；③重量較輕：EVA的密度為0.91—0.93，而PVC則為1.32。④對環(huán)境友好。

（4）聚脲彈性體（SPUA）技術(shù)是一種新型“萬能”涂裝技術(shù)。主要特性①優(yōu)異的綜合力學(xué)性能：拉伸強度最高達27.5MPa，硬度A30—D65 （shore），伸長率最高達1000％；②耐介質(zhì)性能十分突出，它可耐受絕大部分腐蝕介質(zhì)的長期浸泡；③防腐性能優(yōu)異：SPUA材料致密、連續(xù)、無針孔、無接縫，有效地阻止了外界腐蝕介質(zhì)的侵入；涂層不會產(chǎn)生開裂和脫落現(xiàn)象；④耐老化性能；⑤附著力強；⑥施工性能優(yōu)異，它徹底改變了傳統(tǒng)噴涂工藝中普遍存在的溶劑污染、厚度薄、流掛、固化時間長等缺點，給噴涂帶來了革命性飛躍。⑦快速固化：5秒鐘凝膠，不會在垂直面（甚至頂面）產(chǎn)生流淚現(xiàn)象，1分鐘即可達到可用強度。⑧對環(huán)境友好。

2.4復(fù)合材料彈性體航標的制造技術(shù)

（1）浮鼓、燈架、望板、電池箱的制造工藝技術(shù)。分別制做浮鼓、燈架、望板、電池箱母模，成型加工后達到制模的要求，進行翻模工作，制做模具的材料為玻璃鋼原材料，鋪層厚度達到模具使用要求。模具固化后，脫模、脫模修整、打磨、拋光、打蠟，達到模具使用要求。產(chǎn)品的原材料選用：①樹脂：產(chǎn)品用基體樹脂，具有耐腐蝕性能。我們選擇乙烯基酯樹脂；②增強材料：選用增強材料有：表面氈、短切氈、玻璃纖維布；③固化系統(tǒng)：選用過氧化苯甲酰糊—二甲基苯胺的苯乙烯溶液。

（2）浮鼓內(nèi)填充聚氨酯：將聚酯多元醇（白料）和多異氰酸酯（黑料）、催化劑、表面活性劑、發(fā)泡劑、其他添加劑等原料同步加入，通過專用設(shè)備混合，經(jīng)現(xiàn)場發(fā)泡而成。通過計算，我們采用的密度為50kg/m3。

（3）EVA的粘接：通過直接購買EVA材料，加工成設(shè)計的厚度和形狀，通過特殊的粘接劑粘接到玻璃鋼浮鼓上面，并用模具固定成型，12～20個小時即成。

（4）配重塊的加入：通過實驗，計算出航標的配重重量，將所需重量的鑄鐵塊和水泥沙漿一同鑄入玻璃鋼配重箱體內(nèi)。

（5）聚脲彈性體的噴涂：選用專用配方和專用的噴涂設(shè)備將A組分異氰酸酯和B組分氨基化合物高壓噴涂在已加工成型的浮鼓上，根據(jù)不同部位，噴涂不同的厚度。

圖2 聚脲彈性體的噴涂及浮標成品

圖3 北海港14號燈浮投放

圖4 復(fù)合材料彈性體浮標使用1年實拍照（2016年5月拍攝）

3.技術(shù)創(chuàng)新及特點

（1）選擇多種非金屬材料在浮標上進行應(yīng)用，合理性的結(jié)構(gòu)組合，通過揚長避短，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)點來達到我們所需的要求，利用玻璃鋼復(fù)合材料的重量輕、強度高、耐腐蝕，防水、材料性能的可設(shè)計性，成型工藝的一次性，成型方便性等特點，完全能代替鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。浮鼓可整體一次性模具成型，可根據(jù)受力情況局部增強。利用聚氨酯硬質(zhì)泡沫的重量輕、防水、耐腐蝕、緩沖防震抗壓、強度高等特點，澆鑄進入玻璃鋼浮鼓內(nèi)腔，能大大加強玻璃鋼浮鼓的結(jié)構(gòu)力和強度，吸收和緩解外部帶來的沖擊力，以防萬一被撞破玻璃鋼浮鼓，內(nèi)腔進水。

（2）利用EVA的抗水、重量輕、柔軟性、堅韌度和彈性極佳的特點，選擇一定厚度的EVA整體包覆在玻璃鋼浮鼓上，彌補了玻璃鋼材料抗沖擊性差的缺點。具有吸能的作用，自身壓縮變形可達85％以上，在外力消失后會迅速回復(fù)原型。

（3）利用SPUA拉伸強度高、抗沖擊強度高、伸長率高、柔韌性好、耐磨、耐老化、防腐蝕、附著性好等特點。

（4）大大降低了航標的重量（浮標整體重量約為2.2噸），是鋼質(zhì)的40％，投放、吊換方便，降低對海上大型起吊設(shè)施的依賴。

（5）創(chuàng)造性地將鏈系環(huán)裝在尾筒凹型槽里面，并將配重塊放入尾管和配重箱內(nèi)，減少配重塊的卸裝，可防腐。將配重箱做大，能使整座航標立放，節(jié)省擺放空間。

（6）在浮鼓的下方，裝了4塊平衡板，減少航標的搖擺。

（7）燈架、望板采用全玻璃鋼復(fù)合材料制作，防腐蝕，減少了防銹工序。

（8）燈架與浮鼓的連接創(chuàng)造性地改為沉式連接，增加了連接處的強度，方便航標工人的安裝。

4.使用情況及取得成效

委托廣東海事工程咨詢檢驗公司對浮標的凈水性能進行計算，計算結(jié)果能滿足《浮標通用技術(shù)條件》要求。2015年1月，該型復(fù)合材料浮標投入使用，首次投放選擇在北海港14號燈浮，并進行了穩(wěn)性試驗。通過陸續(xù)選擇深水區(qū)、淺水區(qū)、碰撞多發(fā)區(qū)開展試驗，至2015年底已在轄區(qū)投放了13座該型浮標，均能正常使用，其中北海港17、19號燈浮使用已滿一年。

5.經(jīng)濟效益

復(fù)合材料彈性體浮標制作能統(tǒng)一模具，統(tǒng)一生產(chǎn)，具有制作簡單、快速等優(yōu)點，與鋼質(zhì)浮標對比，①重量大大減輕，只有鋼質(zhì)浮標40％；②防腐性好，附著海生物少，顏色維持穩(wěn)定，維護成本低；③混凝土配重澆筑在尾管里面，消除配重掉落問題；④擴大尾管直徑，浮鼓可以直立安全堆放；⑤水密性高、回彈性好，號稱永不沉沒的航標。

6.建議

為實現(xiàn)更大的綜合效益，下一步應(yīng)逐步擴大使用范圍，加大試驗力度并做好以下改進工作：①改進復(fù)合材料燈架的材質(zhì)，降低燈架的鋼性，增強燈架的韌性，降低浮標受撞后燈架的損毀率；②跟進海生物附著情況，制定海上維護方案；③做好浮標使用壽命的跟蹤，加快復(fù)合材料彈性體浮標推廣應(yīng)用的步伐。

［1］黃微波.噴涂聚脲彈性體技術(shù)——噴涂設(shè)備，上海涂料，2006（02）.

［2］趙燕，王景政，何穎等.乙烯-醋酸乙烯共聚物的生產(chǎn)技術(shù)與市場分析及預(yù)測，石油化工應(yīng)用，2011（10）.

［3］陳柱.新型超高分子量聚乙烯柱形航標的研制與應(yīng)用，中國海事，2016（03）.