登乘梯/引航員梯塑料踏板環(huán)境試驗研究

李金蓮，劉 丹，謝代健，邱金章

（1. 廈門朗納科工貿(mào)有限公司，福建廈門 361009；2. 廈門朗納科材料技術有限公司，福建廈門 361009）

0 引言

登乘梯和引航員梯作為船上重要的登離船設施，主流采用繩索連接木質(zhì)或鋁制踏板組成，存放于船上開放空間。

塑料踏板允許被使用，但在ISO 5489:2008《船舶和海洋科技-登乘梯》和ISO 799-1:2019《船舶和海洋科技-引航員梯-第 1部分設計和技術參數(shù)》2份國際標準中，塑料踏板除了需要滿足同木質(zhì)或鋁制踏板一樣制成的整梯試驗要求，還需單獨對材料進行一年戶外風化試驗。眾所周知，塑料于戶外使用時，其性能易受外部環(huán)境影響而降低，目前主流工程塑料PP、ABS、PC、PA等直接制成踏板使用均難滿足強度與長期戶外使用要求，均需對以上材料進行增強及耐候理化改性。其中PA綜合性能優(yōu)越，易于改性，改性后拉伸強度、沖擊強度和耐候性能提升明顯。本文以下論述均基于廈門朗納科材料技術有限公司的一款PA尼龍改性材料及一年多的實際測試論證，結(jié)果表明：即使塑料材料符合ISO 5489:2008和ISO 799-1:2019國際標準要求，且其制成的踏板也滿足整梯的強度要求，但是由于結(jié)構(gòu)設計不合理和環(huán)境條件的不良影響，踏板的強度性能存在下降趨勢，不能保證整梯在服役期對標準的持續(xù)符合性。因此，通過對試驗結(jié)果的分析總結(jié)，提出了塑料踏板環(huán)境可靠性試驗的改進方案。

1 ISO標準要求分析

1.1 塑料材料要求分析

ISO 5489:2008標準對塑料材料的要求為“ISO 877:1994方法A中所述的一年戶外風化試驗時，每種塑料材料應至少保持其原始拉伸強度的30%和原始沖擊強度的80%”。ISO 799-1:2019標準對塑料材料的要求為“ISO 877-2:2009方法A中所述的一年戶外風化試驗時，每種塑料材料應至少保持其原始拉伸強度的30%和原始沖擊強度的80%”。

以上標準要求都是只針對材料本身的力學性能提出，未涉及塑料踏板在環(huán)境條件影響后的性能要求。

1.2 踏板結(jié)構(gòu)要求

國際標準對于踏板結(jié)構(gòu)要求如圖1所示。

圖1 踏板結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位：mm）

如圖1所示，標準主要針對踏板外形、固定孔位及表面防滑表面高度進行規(guī)定，并沒有限制塑料踏板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計。對于塑料制品，結(jié)構(gòu)設計是其強度的決定性因素之一。因此，對于不同結(jié)構(gòu)的踏板會表現(xiàn)出不同的強度性能。

1.3 踏板強度要求分析

國際標準對組成整梯的踏板強度要求為：“在踏板中心100 mm寬的接觸區(qū)域均勻施加靜載荷3 kN至少1 min，踏板中心的撓度不得超過25 mm，卸下荷載后，踏板應無殘余撓度，且可恢復”以及“在踏板中心100 mm寬的接觸區(qū)域均勻施加靜載荷8.8 kN至少1 min，踏板不得斷裂或破裂”。對用于試驗的塑料踏板的狀態(tài)未明確提要求，因此可使用成型的新踏板實施驗證。

綜上所述，ISO標準中針對塑料踏板，雖單獨要求應滿足一年自然風化試驗，但是對于老化后的塑料踏板并沒有明確的驗證要求。眾所周知，塑料制品的力學性能及使用壽命除了受選用材料的影響外，還受外形結(jié)構(gòu)和實際使用環(huán)境條件的制約。因此，即使材料和新踏板都滿足標準要求，但材料在自然老化或因自然環(huán)境條件的影響而性能降低后，塑料踏板強度也可能呈現(xiàn)下降趨勢，不能 100%保證整梯在服役期內(nèi)對標準的持續(xù)符合性。下面用實際驗證數(shù)據(jù)加以論證。

2 試驗測試

2.1 塑料材料受環(huán)境條件影響分析

2.1.1 塑料材料一年自然風化試驗分析

ISO 5489:2008和ISO 799-1:2019國際標準一年自然風化試驗中提到的 ISO 877-2:2009(E)標準為ISO 877:1994的更新有效版本，因此，以下論述基于ISO 877-2:2009(E)標準中的方法A在地位于北緯118°09'18"，東經(jīng)24°33'36"的廈門大離譜海島上的海洋性氣候暴露場進行塑料材質(zhì)一年戶外直接太陽輻射暴露老化后的性能驗證。

試驗的樣片為基于ISO 294-1:2017標準要求，采用同一批次材料、相同工藝，在同一個時間段連續(xù)生產(chǎn)的一批標準樣片。其中拉伸強度測試樣片尺寸滿足ISO 527-2:2012《塑料拉伸性能的測定-第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》的1B型樣片要求。沖擊強度測試樣片尺寸滿足 ISO 180:2000《塑料-缺口沖擊強度》的測定的A型樣片要求。

在測試樣片注塑成型后按要求進行預處理，并從中各隨機抽取5個樣片測試拉伸強度和缺口沖擊強度，求取5個數(shù)值的平均值作為初始值。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 強度初始值測試數(shù)據(jù)

表1數(shù)據(jù)顯示，拉伸強度初始值為105.82 MPa，缺口沖擊強度初始值為39.92 kJ/m。

剩余的樣片按照ISO 877-2:2009標準的要求安裝于對應的試驗環(huán)境下，進行為期一年的自然風化試驗。試驗期間，為了更清楚地了解材料性能的變化情況，試驗開始后，每個自然月都各抽取5個樣片進行測試拉伸強度和缺口沖擊強度測試，然后統(tǒng)計其平均值數(shù)據(jù)的變化。

拉伸強度和缺口沖擊強度隨著自然風化時長的變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 拉伸強度隨風化時長變化曲線

圖3 沖擊強度隨風化時長變化曲線

以上試驗結(jié)果表明：該尼龍改性材料在一年的自然風化后其拉伸強度和缺口沖擊強度都高于標準要求。其中，試驗后拉伸強度最小值為78.97 MPa，保留了初始值105.82 MPa的74.63%；缺口沖擊強度試驗后的最小值為 38.65 kJ/m，保留了初始值39.92 kJ/m的96.82%。一年自然風化試驗前后強度對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 一年自然風化試驗前后材料力學性能對比

表2的數(shù)據(jù)充分說明了該尼龍改性材料對于ISO 5489:2008和ISO 799-1:2019國際標準的符合性。但是，劉奎芳等研究了塑料在不同地區(qū)自然大氣暴露與人工模擬加速老化試驗相關性，試驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)不同地點的大氣暴露嚴酷程度存在明顯差異，其中塑料斷裂伸長率結(jié)果差了25%。說明一年自然風化試驗也存在地域差異而導致試驗結(jié)果差異。在其研究成果中，人工模擬加速光老化與大氣暴露試驗結(jié)果的變化規(guī)律比較接近，隨著時間的增長相關性很好。采用人工模擬加速試驗，各項參數(shù)都控制在一定的誤差范圍內(nèi)，相同試驗條件下的試驗結(jié)果不會出現(xiàn)明顯差異。本文通過人工模擬試驗，分別從太陽輻照、溫度、濕度這3個影響塑料老化的最主要的環(huán)境因素進行模擬論證。

2.1.2 溫度因素

登乘梯和引航員梯安裝于船上開放空間，借鑒同整梯一樣安裝于船上開放空間且承受相同自然條件影響的船用個人救生設備如救生圈、救生圈燈等的高低溫循環(huán)模擬老化試驗10 d后，材料的拉伸強度下降1.8%，缺口沖擊強度下降不到10%，影響不明顯，不作重點論述。

2.1.3 太陽輻射因素

太陽輻射是塑料老化另一個最重要的影響因素，在 IEC 60068-2-9《太陽輻射試驗指引》標準中載明，對地表由太陽及天空之全輻射的給定值1 120 W/m，保持8 h連續(xù)照射，16 h保持黑暗，這提供了8 960 W/m日全輻射量，約近似于自然條件之最嚴厲狀況。當超過8 h連續(xù)照射時，可導致對自然條件的加速。另外，同整梯一樣安裝于船上開放空間的救生圈燈等，依據(jù) IMO發(fā)布的MSC81.(70)《救生設備試驗建議》要求，執(zhí)行IEC60945:2002《海上導航和無線電通信設備及系統(tǒng)-通用要求-測試方法及要求的測試結(jié)果》標準的第8.10條款，采用特定燈光模擬太陽輻射，設定輻射給定值1 120 W/m保持80 h連續(xù)照射來加速老化。尼龍改性材料制成的標準樣片進行材料老化試驗數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 模擬太陽輻射試驗結(jié)果

表3的數(shù)據(jù)顯示，該尼龍改性材料樣片正反面施加80 h的模擬太陽輻射后，樣片表面完整，其拉伸強度從105.88 MPa提升到了119.17 MPa，保留原強度的112.55%；缺口沖擊強度從38.78 kJ/m下降到35.60 kJ/m，保留初始強度的91.8%；當模擬太陽輻射增加到正反面試驗時長120 h后，樣片表面依然保持完整，且拉伸強度提升到了118.69 MPa，保留原強度的112.1%；缺口沖擊強度下降到32.68 kJ/m，保留初始強度的 84.27%。在相同的試驗條件下，ABS和PP塑料樣片結(jié)束80 h試驗后，表面已經(jīng)開始龜裂。

結(jié)果表明：模擬太陽輻射試驗可以驗證塑料耐太陽輻射老化性能區(qū)別，并且試驗條件比自然環(huán)境下老化的輻射強度更高，可起到驗證作用。

但是，試驗結(jié)果顯示：該尼龍改性材料雖然試驗后的力學性能滿足 ISO 5489:2008和 ISO 799-1:2019標準要求，但是缺口沖擊強度存在下降趨勢，存在導致其制成的塑料踏板整體性能隨之降低的可能。用該尼龍改性材料注塑成型的1型塑料踏板進行模擬太陽輻射試驗，然后依據(jù) ISO 5489:2008和ISO 799:2019國際標準測試1型塑料踏板在承受3 kN和8.8 kN靜載荷下的撓度，其中的撓度為靜載荷下踏板的變形量。觀察并記錄塑料踏板變形量的變化趨勢如圖4所示。

圖4 1型塑料踏板受力變形量隨輻射時長變化

數(shù)據(jù)顯示：塑料踏板在靜載荷下的變形量雖然滿足整梯強度要求，但是隨著模擬太陽輻射照射時長的增加，變形量相應變大。結(jié)果印證了前面的試驗分析。

2.1.4 濕度影響

濕度是塑料老化的第 3個主要因素。登乘梯/引航員梯在船上與海洋環(huán)境中使用，長期處于高濕度環(huán)境中。尤其海水或雨水在整梯存儲處形成積水，會使踏板浸泡其中。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，鹽霧影響的變形量小于直接泡水的變形量，且淡水和海水浸泡后的材料力學性能基本相同。以下試驗主要基于海水浸泡試驗進行分析。

選用標準樣片實施海水浸泡試驗，并每隔 7 d監(jiān)測1次樣片的拉伸強度和缺口沖擊強度，每次隨機抽取5個樣片進行測試并計算平均值，記錄拉伸強度和缺口沖擊強度隨著泡水時間推移變化趨勢如圖5所示。

圖5 樣片力學性能隨泡水時長變化曲線

圖5表明該尼龍改性材料在水分的影響下，拉伸強度和缺口沖擊強度這2項力學性能受到明顯影響。其中，拉伸強度隨著泡水時長的推移而不斷降低，可能導致其制成的塑料踏板整體性能隨之降低。用該尼龍改性材料注塑成型的1型塑料踏板進行海水浸泡試驗，然后依據(jù) ISO 5489:2008和 ISO 799:2019國際標準測試1型塑料踏板在承受3 kN和8.8 kN靜載荷下的變形量變化趨勢如圖6所示。

圖6 1型塑料踏板受力變形量隨泡水時長變化

測試數(shù)據(jù)顯示經(jīng)過海水浸泡并充分吸收水分后的塑料踏板，在承受3 kN和8.8 kN靜載荷下的變形量明顯增加。在泡水14 d后，塑料踏板在3 kN靜載荷下持續(xù)1 min后的變形量從3.44 mm增加到6.07 mm；在8.8 kN靜載荷下持續(xù)1 min后的變形量從8.39 mm增加到28.00 mm并斷裂。結(jié)果表明：塑料踏板在長期泡水的過程中，存在因吸水而導致強度降低甚至出現(xiàn)不符合標準要求的情況。塑料制品的成型厚度及造型樣式對局部或整體強度有著顯著的影響。因此，需要從結(jié)構(gòu)設計方面進行優(yōu)化，提升試驗前塑料踏板的強度，才能保障泡水后的踏板對標準的符合性。

2.2 塑料踏板結(jié)構(gòu)設計分析

2.2.1 建模分析

基于前面的試驗結(jié)論，在設計塑料踏板時，先采用建模分析的方法分析結(jié)構(gòu)合理性和其對踏板強度的影響，然后再用實際塑料踏板對建模分析結(jié)論進行驗證。

建模分析通過三維模型高級仿真軟件，輸入塑料踏板的結(jié)構(gòu)設計模型以及在2.1條款驗證符合標準要求的尼龍改性材料的相關參數(shù)，依據(jù) ISO 5489:2008和ISO 799-1:2019國際標準要求進行塑料踏板的強度試驗模擬分析。當輸入靜載荷為3 kN時，圖7左邊顯示了1型塑料踏板在載荷下的變形量為19.90 mm，撤去載荷后可在60 s內(nèi)恢復；圖7右邊的為基于1型塑料踏板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的2型塑料踏板模擬效果，在3 kN載荷下的變形量為4.85 mm，撤去載荷后在30 s內(nèi)恢復。當輸入靜載荷為8.8 kN時，圖8左邊顯示1型塑料踏板結(jié)構(gòu)在載荷下踏板的變形量達到了24.14 mm；圖8右邊為2型塑料踏板模擬效果，在8.8 kN載荷下的變形量為13.67 mm。

圖7 3 kN載荷下塑料踏板變形量效果圖

圖8 8.8 kN載荷下塑料踏板變形量效果圖

以上建模數(shù)據(jù)顯示，用相同的材料制成的塑料踏板，其結(jié)構(gòu)設計會對受力后的變形量有顯著影響，即塑料踏板的結(jié)構(gòu)設計對其強度有顯著影響。

2.2.2 塑料踏板成品驗證

采用注塑工藝將2.1條款驗證合格的材料制成1型塑料踏板和2型塑料踏板進行實際測試，其受力后變形量變化如表4所示。數(shù)據(jù)顯示，在 ISO 5489:2008和ISO 799-1:2019國際標準要求的3 kN和8.8 kN靜載荷以及超標準要求的12 kN靜載荷下，2型塑料踏板的變形量都小于1型塑料踏板，即2型塑料踏板的強度高于1型塑料踏板。塑料踏板成品的試驗結(jié)果，印證了建模分析的結(jié)果，表明了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可明顯提高塑料踏板的強度性能。

表4 不同結(jié)構(gòu)踏板受力變形量對比

結(jié)合2.1.2條款的試驗結(jié)果，將2型塑料踏板進行泡水試驗后測試其受力變形量如圖9所示。

圖9 2型塑料踏板隨泡水時長的受力變形量變化

圖9數(shù)據(jù)顯示2型塑料踏板在經(jīng)受長達35 d的海水浸泡試驗后，在標準要求的3 kN靜載荷下持續(xù)1 min后的最大變形量為5.53 mm，明顯小于25 mm標準線；而在8.8 kN靜載荷下持續(xù)1 min后的最大變形量為18.97 mm，不會出現(xiàn)如1型塑料踏板斷裂的現(xiàn)象。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設計合理可彌補因材料吸水而導致的塑料強度降低，所以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高新踏板的強度，可保證塑料踏板在經(jīng)受環(huán)境條件影響后對標準的符合性。

以上的試驗數(shù)據(jù)驗證了材料老化、材料吸水性以及結(jié)構(gòu)設計對于塑料踏板強度都有明顯的影響。因此，如果只依據(jù)ISO 5489:2008和ISO 799-1:2019國際標準要求，對塑料材料的拉伸強度和缺口沖擊強度進行可靠性驗證，而沒有綜合考慮塑料踏板成品的可靠性驗證，則可能存在初始狀態(tài)下滿足標準要求的塑料踏板經(jīng)過了一段時間的存儲和使用，因其材料老化、吸水特性或結(jié)構(gòu)設計合理性不足而使得塑料踏板在材料性能降低后出現(xiàn)不符合國際標準要求的情況，使整梯在使用過程中存在安全隱患。

3 塑料踏板環(huán)境可靠性實驗方案小結(jié)

通過對以上測試結(jié)果及數(shù)據(jù)進行分析小結(jié)，依據(jù)標準要求單獨對塑料材料進行1年自然風化試驗，而塑料踏板只進行整梯試驗是不足的。分析結(jié)果表明：塑料踏板強度不僅受結(jié)構(gòu)設計影響，在整梯的實際存儲和使用過程中，太陽輻射和環(huán)境潮濕度會使塑料材料老化，力學性能降低，而導致踏板強度降低。因此，塑料踏板的環(huán)境可靠性試驗應綜合考慮結(jié)構(gòu)、太陽輻射和環(huán)境潮濕度的影響，以塑料踏板為試驗主體，驗證模擬太陽輻射試驗和泡水試驗前后的強度性能。

3.1 模擬太陽輻射試驗要求

采用同種材料、同種工藝，在同一時期連續(xù)生產(chǎn)5個塑料踏板實施以下試驗：

步驟一，依據(jù)IEC 60945:2002標準的第8.10條款對塑料踏板進行80 h的模擬太陽輻射試驗。

步驟二，輻射試驗結(jié)束后，按照ISO 877-2:2009標準要求進行試驗前調(diào)濕。

步驟三，按照ISO 5489:2008標準的第5.0條款的表1中的第2項和附件A的TableA.1第1項或者ISO 799-1:2019標準的第6.1條款的表2中的第2項和附件A的TableA.1第1項的踏板撓性試驗和踏板強度2個試驗要求進行測試，5個踏板的試驗結(jié)果都應滿足標準的接收要求。

3.2 泡水試驗要求

圖9的泡水試驗數(shù)據(jù)顯示，在8.8 kN的重載荷下，泡水21 d～35 d的變形量變化相對穩(wěn)定，因此，結(jié)合塑料踏板的實際使用環(huán)境，可增加塑料踏板泡水試驗。采用同種材料、同種工藝，在同一時期連續(xù)生產(chǎn)5個塑料踏板實施以下試驗：

隨機抽取同批生產(chǎn)的至少3個踏板樣品，完全浸沒于海水中持續(xù)至少21 d后，按照ISO 5489:2008登乘梯標準或者ISO 799-1:2019引航員梯標準進行踏板撓性試驗和踏板附件強度試驗，試驗結(jié)果應符合標準的接收要求。

4 結(jié)論

綜上，通過試驗發(fā)現(xiàn)ISO 5489:2008《船舶和海洋科技-登乘梯》和ISO 799-1:2019《船舶和海洋科技-引航員梯-第 1部分設計和技術參數(shù)》標準對塑料踏板要求的不足，總結(jié)提出需完善的環(huán)境可靠性試驗方案，這將有利于登乘梯和引航員梯的相關設計和制造，有利于保障塑料踏板強度在整梯服役期內(nèi)的持續(xù)可靠性，也為 ISO 5489:2008和 ISO 799-1:2019引航員梯標準的重新修訂提供參考依據(jù)。