小型應急復合材料彈性體浮鼓應用研究

◎ 唐承源 北海航標處

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小型應急復合材料彈性體浮鼓應用研究

◎ 唐承源 北海航標處

摘 要：本文主要介紹了一種非鋼質(zhì)新型復合材料彈性體浮鼓研發(fā)過程，材料構造，使用效果等。

關鍵詞：小型 應急 復合材料 浮鼓

1.項目研發(fā)背景

據(jù)《中國海事航海保障“十三五”發(fā)展規(guī)劃》統(tǒng)計，截止2014年底，交通運輸部北海、東海、南海三大航海保障中心共管理維護的公用達航標6434座，其中燈塔187座，燈樁1843座，導標306座，燈船20座，燈浮3853座，橋梁標57座，立標130座，浮標25座，音響航標13座。其中燈浮標占了60.27%，占航標數(shù)量中的絕大多數(shù)。

1.1傳統(tǒng)鋼制浮標存在大量缺點

從建國以來，鋼制浮鼓一直是我國燈浮標的主要材質(zhì)。鋼制浮鼓具有堅固、不易變形等優(yōu)點，但是也由于鋼板材料的限制，具有整體重量大，易生銹，維護使用壽命短，搬運起吊困難、對機械設備依賴度高等缺點。在目前航標維護管理人員、設備、經(jīng)費都緊張的情況下，解決鋼制浮鼓存在的上述問題，成了我們航標管理維護人員義不容辭的責任。

鋼制浮鼓具有如下缺點：①本身重量大，起吊、運輸、投放困難，對船舶、起重機、叉車等依賴度高，必須借助機械力才能完成作業(yè)。以φ2.4米浮鼓為例，鋼質(zhì)浮鼓（含配重塊、燈架、電池箱、望板）總重超過5000kg；在海況風力達到四五級以上時，根據(jù)安全規(guī)范，需要噸位為400總噸以上的中型航標船才能完成航標作業(yè)。②易生銹、使用壽命短。由于沿海浮標都是投放在海水中，海水對鋼板的腐蝕性非常強，雖然鋼板外部涂刷油漆加以保護，但是根本不足以杜絕浮鼓表面的銹蝕。涂刷完畢的浮鼓投放到海水中最多兩個月，表面就已經(jīng)銹跡斑斑。為保持浮標色澤鮮艷，每年都需要對浮標進行起吊，油漆保養(yǎng)，每兩年陸地保養(yǎng)一次。需要耗費大量人力、物力、財力。

1.2新材料、新技術、新工藝的應用是航標發(fā)展趨勢

《中國海事航海保障“十三五”發(fā)展規(guī)劃》將研究使用高分子、玻璃鋼等新型材料列入發(fā)展規(guī)劃，預計到“十三五”末可再生能源、環(huán)保涂料、環(huán)保材料等將具有較大發(fā)展應用的空間，綠色節(jié)能環(huán)保的理念將真正落實到航標管理實踐當中。

研發(fā)一種新材料、新工藝、新技術浮鼓，減少維護保養(yǎng)周期，降低維護成本，方便運輸起吊作業(yè)，延長使用壽命，對緩解目前航標維護作業(yè)船艇不足、維護經(jīng)費短缺、維護人員勞動強度大的現(xiàn)狀，具有重要的意義。

2.項目材料組成

小型應急復合材料彈性體浮鼓材質(zhì)由玻璃鋼、聚氨酯、聚脲等組成。

2.1玻璃鋼（FRP）

即玻璃纖維增強塑料，它是以玻璃鋼纖維及其制品（玻纖布、帶、氈、紗等）作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。

主要有以下幾個特點：①強度高、重量輕。舉例參考：木材和塑料的強度為40—100MPa，鋼材的強度為250—350 MPa，玻璃鋼的強度為150—450 MPa。玻璃鋼的密度大約是水的1.8倍，而鋁為水的2.7倍，鋼鐵為水的7.8倍；②耐腐蝕。玻璃鋼是良好的耐腐材料，對大氣、水和一般濃度的酸堿鹽以及各種油類和溶劑都有較好的抵抗能力；③絕電性能好。玻璃鋼是優(yōu)良的絕緣材料；④可設計性好?？梢愿鶕?jù)需要，靈活地設計出各種結構產(chǎn)品來滿足使用要求；⑤工藝性能優(yōu)良?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)品的形狀、技術要求、用途及數(shù)量來靈活選擇成型工藝。工藝簡單，可以一次成型。

2.2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，通過專用設備混合，經(jīng)高壓噴涂現(xiàn)場發(fā)泡而成的高分子聚合物。主要有以下特點：①重量輕：密度：0.0368g/cm3，②具有優(yōu)良的防水性能，③無氟發(fā)泡，適應環(huán)境寬，④不吸水，憎水率96%以上，⑤耐腐蝕。

2.3聚脲彈性體（SPUA）

聚脲彈性體技術是一種新型“萬能”涂裝技術，是目前世界上最先進的一種涂裝技術。

主要特性有：①優(yōu)異的綜合力學性能，拉伸強度最高達27.5 MPa，硬度A30—D65（shore），伸長率最高達1000%，撕裂強度43.9—105.4（KN/ m）；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；同時由于其優(yōu)異的柔韌性，完全能夠抵御晝夜、四季環(huán)境溫度變化給被保護物體造成的熱脹冷縮，涂層不會產(chǎn)生開裂和脫落現(xiàn)象；④戶外耐老化性能強；⑤附著力強；⑥施工性能優(yōu)異。

3.小型應急復合材料彈性體浮鼓制造技術

3.1浮鼓的制造工藝技術

首先制做浮鼓母模，加工成型后達到制模的要求，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，需具耐腐蝕性能。我們選擇乙烯基酯樹脂。②增強材料：選用的增強材料有：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。

3.2制造成型方法

小型應急復合材料彈性體浮鼓系采用手糊成型工藝方法制作。但在鋪設增強材料時，注意在受力集中及吊裝受力點處，進行局部增強。依據(jù)浮鼓外形及其受力情況，計算其產(chǎn)品的厚度，確定產(chǎn)品鋪層的數(shù)量。采用經(jīng)緯的密度為1：1的中堿玻璃纖維布和400g/m2的短切氈均鋪設，其中內(nèi)外表面均使用0.18mm的細布，中間使用0.4mm的粗布。

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、其他添加劑等原料一步加入，通過專用設備混合，經(jīng)高壓澆鑄現(xiàn)場發(fā)泡而成。通過計算，我們采用的密度為50kg/m3。

聚脲彈性體的噴涂：選用專用配方和專用的噴涂設備將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。

3.3 創(chuàng)造性的關鍵技術內(nèi)容

3.3.1研制開發(fā)重點

小型應急復合材料彈性體浮鼓主要圍繞耐腐蝕性、重量輕、抗沖擊性強、強度大、吸水率低、環(huán)境友好型、免維護等要點來研究開發(fā)。

3.3.2創(chuàng)造性地選擇多種非金屬材料

合理性的結構組合，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。

利用玻璃鋼復合材料的重量輕、強度高、耐腐蝕，防水、材料性能的可設計性，成型工藝的一次性，成型方便性等特點，制作浮鼓的整體外形結構，完全能滿足浮鼓的結構強度要求，完全能代替鋼質(zhì)結構。因浮鼓可整體一次性模具成型，可根據(jù)受力情況局部增強，大大降低了浮鼓的重量，是鋼質(zhì)的三分之一。

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構力和強度，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。

利用SPUA的拉伸強度高、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，在完成浮鼓制作所有工藝后，最后在浮鼓表面進行噴涂SPUA材料，根據(jù)使用情況需要，噴涂厚度不一致的SPUA涂層，從而形成一個本體著色、色彩鮮艷、綠色環(huán)保、高抗沖擊性、高耐腐蝕性（沒有任何外露的金屬件）。易修復、重量輕、浮力大、吸水率低，永不沉沒的浮鼓。

4.小型應急復合材料彈性體浮鼓成型產(chǎn)品

目前，北海航標處已經(jīng)根據(jù)以上生產(chǎn)工藝制作完成φ1.2米的小型應急復合材料彈性體浮鼓。

4.1產(chǎn)品特點

①無傳統(tǒng)尾管。對水深無要求，水深水淺都可以設置?？赏斗旁跍\灘等水深較淺的水域。海水潮水退去后，該浮鼓可擱淺在海灘上，海水漲潮后，可自動浮起。②重量輕。浮鼓重量僅有100KG，對作業(yè)船舶吃水、起吊能力無要求；投放、起吊作業(yè)時無需借助機械力量，單憑幾個成年人力氣即可完成投放、起吊。租用快艇或者木筏、木板船就可完成投放、回收。③安裝使用簡單。浮鼓頂部安裝一體化燈器就可完成投放使用。④免維護。不生銹，碰撞緩沖性能好，使用壽命長。投放一年來，色澤保持鮮艷，無需每年油漆保養(yǎng)、起吊除銹，節(jié)省了人力、物力、財力。

4.2產(chǎn)品性能參數(shù)

重量：100KG，；直徑：φ1.2米；吸水率：1%以下；拉伸強度：大于18 （MPa）；抗沖擊強度：大于45（kg. cm）；撕裂強度：大于35（kN/m）；抗風強度：12級以上。

4.3產(chǎn)品使用效果

北海航標處自2015年在北海港投放使用以來，浮標各項性能參數(shù)穩(wěn)定。投放、回收簡單，現(xiàn)場作業(yè)最多需要3人即可完成投放；鼓體表面無銹蝕、外觀色澤鮮艷；抗風能力強，經(jīng)受住了2015年第22號臺風“彩虹”的考驗。

西、南沙航標處于2016年4月在西沙群島七連嶼水域投放使用了2座。經(jīng)了解，目前使用情況良好。