复合材料弹性体浮标的研发及应用

◎ 王松 北海航标处



复合材料弹性体浮标的研发及应用

◎ 王松 北海航标处

浮标是船舶安全航行的重要助航设施，浮标新材料的应用是航道建设的重要内容，符合交通运输部关于《航道发展规划》中提出的“积极运用新技术、新工艺、新材料，全面推进航道建设与管理工作科技进步”的新要求，本文立足新材料应用、新材料特性，克服传统钢质浮标存在的诸多问题进行论证探讨。

浮标 钢质浮标 复合材料弹性体浮标 EVA

1.背景

传统的钢质浮标存在如①长期浸泡在海上，易腐蚀。②需两、三年开展一次陆地维护保养。③笨重、运输困难。根据交通部在《航道发展规划》中提出了“积极运用新材料，新科技，新工艺，全面推进航道建设与管理工作科技进步”的新要求，北海航标处成立技术攻关小组，对浮标新材料应用进行了大量的研究和探讨，近期研发了“复合材料弹性体浮标”，一定程度上解决了钢质浮标使用面临难题。

2.复合材料弹性体浮标的结构工艺

2.1材料的组成

本项目研发的复合材料弹性体浮标规格有直径2.4米和1.8米两款，本文提供技术指标为直径2.4米复合弹性体浮标，浮标由钢筋、聚氨酯、玻璃钢、乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚脲等组成。

2.2复合材料弹性体航标的结构设计

（1）灯架机构：灯架含电池箱用玻璃钢材料由模具整体制作。

（2）浮鼓、尾管结构：浮鼓是浮标的核心部件。浮鼓和尾管用玻璃钢材料（FRP）由模具整体制作，为确保吊装安全，浮鼓内由数根加强钢筋连接2个吊环和一个链条环，鼓内填满聚氨酯发泡材料。玻璃钢浮鼓表面整体包覆一层乙烯—醋酸乙烯（PUR）共聚物，再在乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）和尾管表面喷涂聚脲弹性材料（SPUA）。尾管内加配重块。

图1　复合材料弹性体浮标结构图

2.3各种材料的性能特点

（1）玻璃钢（FRP）主要有①强度高、重量轻；②耐腐蚀；③绝缘性能好；④可设计性好；⑤工艺性优良。

（2）聚氨酯硬质泡沫（PUR）是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催发剂等多重助剂的作用下，通过专用设备混合，经发泡而成的高分子聚合物，主要有①重量轻；②具有优良的防水性能；③无氟发泡，适应环境宽；④不吸水，憎水率96％以上；⑤耐腐蚀。

（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，其主要特点①抗水、盐分；②柔软性及坚韧度好，弹性极佳；③重量较轻：EVA的密度为0.91—0.93，而PVC则为1.32。④对环境友好。

（4）聚脲弹性体（SPUA）技术是一种新型“万能”涂装技术。主要特性①优异的综合力学性能：拉伸强度最高达27.5MPa，硬度A30—D65 （shore），伸长率最高达1000％；②耐介质性能十分突出，它可耐受绝大部分腐蚀介质的长期浸泡；③防腐性能优异：SPUA材料致密、连续、无针孔、无接缝，有效地阻止了外界腐蚀介质的侵入；涂层不会产生开裂和脱落现象；④耐老化性能；⑤附着力强；⑥施工性能优异，它彻底改变了传统喷涂工艺中普遍存在的溶剂污染、厚度薄、流挂、固化时间长等缺点，给喷涂带来了革命性飞跃。⑦快速固化：5秒钟凝胶，不会在垂直面（甚至顶面）产生流泪现象，1分钟即可达到可用强度。⑧对环境友好。

2.4复合材料弹性体航标的制造技术

（1）浮鼓、灯架、望板、电池箱的制造工艺技术。分别制做浮鼓、灯架、望板、电池箱母模，成型加工后达到制模的要求，进行翻模工作，制做模具的材料为玻璃钢原材料，铺层厚度达到模具使用要求。模具固化后，脱模、脱模修整、打磨、抛光、打蜡，达到模具使用要求。产品的原材料选用：①树脂：产品用基体树脂，具有耐腐蚀性能。我们选择乙烯基酯树脂；②增强材料：选用增强材料有：表面毡、短切毡、玻璃纤维布；③固化系统：选用过氧化苯甲酰糊—二甲基苯胺的苯乙烯溶液。

（2）浮鼓内填充聚氨酯：将聚酯多元醇（白料）和多异氰酸酯（黑料）、催化剂、表面活性剂、发泡剂、其他添加剂等原料同步加入，通过专用设备混合，经现场发泡而成。通过计算，我们采用的密度为50kg/m3。

（3）EVA的粘接：通过直接购买EVA材料，加工成设计的厚度和形状，通过特殊的粘接剂粘接到玻璃钢浮鼓上面，并用模具固定成型，12～20个小时即成。

（4）配重块的加入：通过实验，计算出航标的配重重量，将所需重量的铸铁块和水泥沙浆一同铸入玻璃钢配重箱体内。

（5）聚脲弹性体的喷涂：选用专用配方和专用的喷涂设备将A组分异氰酸酯和B组分氨基化合物高压喷涂在已加工成型的浮鼓上，根据不同部位，喷涂不同的厚度。

图2 聚脲弹性体的喷涂及浮标成品

图3 北海港14号灯浮投放

图4 复合材料弹性体浮标使用1年实拍照（2016年5月拍摄）

3.技术创新及特点

（1）选择多种非金属材料在浮标上进行应用，合理性的结构组合，通过扬长避短，充分发挥各种材料的优点来达到我们所需的要求，利用玻璃钢复合材料的重量轻、强度高、耐腐蚀，防水、材料性能的可设计性，成型工艺的一次性，成型方便性等特点，完全能代替钢质结构。浮鼓可整体一次性模具成型，可根据受力情况局部增强。利用聚氨酯硬质泡沫的重量轻、防水、耐腐蚀、缓冲防震抗压、强度高等特点，浇铸进入玻璃钢浮鼓内腔，能大大加强玻璃钢浮鼓的结构力和强度，吸收和缓解外部带来的冲击力，以防万一被撞破玻璃钢浮鼓，内腔进水。

（2）利用EVA的抗水、重量轻、柔软性、坚韧度和弹性极佳的特点，选择一定厚度的EVA整体包覆在玻璃钢浮鼓上，弥补了玻璃钢材料抗冲击性差的缺点。具有吸能的作用，自身压缩变形可达85％以上，在外力消失后会迅速回复原型。

（3）利用SPUA拉伸强度高、抗冲击强度高、伸长率高、柔韧性好、耐磨、耐老化、防腐蚀、附着性好等特点。

（4）大大降低了航标的重量（浮标整体重量约为2.2吨），是钢质的40％，投放、吊换方便，降低对海上大型起吊设施的依赖。

（5）创造性地将链系环装在尾筒凹型槽里面，并将配重块放入尾管和配重箱内，减少配重块的卸装，可防腐。将配重箱做大，能使整座航标立放，节省摆放空间。

（6）在浮鼓的下方，装了4块平衡板，减少航标的摇摆。

（7）灯架、望板采用全玻璃钢复合材料制作，防腐蚀，减少了防锈工序。

（8）灯架与浮鼓的连接创造性地改为沉式连接，增加了连接处的强度，方便航标工人的安装。

4.使用情况及取得成效

委托广东海事工程咨询检验公司对浮标的净水性能进行计算，计算结果能满足《浮标通用技术条件》要求。2015年1月，该型复合材料浮标投入使用，首次投放选择在北海港14号灯浮，并进行了稳性试验。通过陆续选择深水区、浅水区、碰撞多发区开展试验，至2015年底已在辖区投放了13座该型浮标，均能正常使用，其中北海港17、19号灯浮使用已满一年。

5.经济效益

复合材料弹性体浮标制作能统一模具，统一生产，具有制作简单、快速等优点，与钢质浮标对比，①重量大大减轻，只有钢质浮标40％；②防腐性好，附着海生物少，颜色维持稳定，维护成本低；③混凝土配重浇筑在尾管里面，消除配重掉落问题；④扩大尾管直径，浮鼓可以直立安全堆放；⑤水密性高、回弹性好，号称永不沉没的航标。

6.建议

为实现更大的综合效益，下一步应逐步扩大使用范围，加大试验力度并做好以下改进工作：①改进复合材料灯架的材质，降低灯架的钢性，增强灯架的韧性，降低浮标受撞后灯架的损毁率；②跟进海生物附着情况，制定海上维护方案；③做好浮标使用寿命的跟踪，加快复合材料弹性体浮标推广应用的步伐。

［1］黄微波.喷涂聚脲弹性体技术——喷涂设备，上海涂料，2006（02）.

［2］赵燕，王景政，何颖等.乙烯-醋酸乙烯共聚物的生产技术与市场分析及预测，石油化工应用，2011（10）.

［3］陈柱.新型超高分子量聚乙烯柱形航标的研制与应用，中国海事，2016（03）.