小型应急复合材料弹性体浮鼓应用研究

◎ 唐承源 北海航标处



小型应急复合材料弹性体浮鼓应用研究

◎ 唐承源 北海航标处

摘 要：本文主要介绍了一种非钢质新型复合材料弹性体浮鼓研发过程，材料构造，使用效果等。

关键词：小型 应急 复合材料 浮鼓

1.项目研发背景

据《中国海事航海保障“十三五”发展规划》统计，截止2014年底，交通运输部北海、东海、南海三大航海保障中心共管理维护的公用达航标6434座，其中灯塔187座，灯桩1843座，导标306座，灯船20座，灯浮3853座，桥梁标57座，立标130座，浮标25座，音响航标13座。其中灯浮标占了60.27%，占航标数量中的绝大多数。

1.1传统钢制浮标存在大量缺点

从建国以来，钢制浮鼓一直是我国灯浮标的主要材质。钢制浮鼓具有坚固、不易变形等优点，但是也由于钢板材料的限制，具有整体重量大，易生锈，维护使用寿命短，搬运起吊困难、对机械设备依赖度高等缺点。在目前航标维护管理人员、设备、经费都紧张的情况下，解决钢制浮鼓存在的上述问题，成了我们航标管理维护人员义不容辞的责任。

钢制浮鼓具有如下缺点：①本身重量大，起吊、运输、投放困难，对船舶、起重机、叉车等依赖度高，必须借助机械力才能完成作业。以φ2.4米浮鼓为例，钢质浮鼓（含配重块、灯架、电池箱、望板）总重超过5000kg；在海况风力达到四五级以上时，根据安全规范，需要吨位为400总吨以上的中型航标船才能完成航标作业。②易生锈、使用寿命短。由于沿海浮标都是投放在海水中，海水对钢板的腐蚀性非常强，虽然钢板外部涂刷油漆加以保护，但是根本不足以杜绝浮鼓表面的锈蚀。涂刷完毕的浮鼓投放到海水中最多两个月，表面就已经锈迹斑斑。为保持浮标色泽鲜艳，每年都需要对浮标进行起吊，油漆保养，每两年陆地保养一次。需要耗费大量人力、物力、财力。

1.2新材料、新技术、新工艺的应用是航标发展趋势

《中国海事航海保障“十三五”发展规划》将研究使用高分子、玻璃钢等新型材料列入发展规划，预计到“十三五”末可再生能源、环保涂料、环保材料等将具有较大发展应用的空间，绿色节能环保的理念将真正落实到航标管理实践当中。

研发一种新材料、新工艺、新技术浮鼓，减少维护保养周期，降低维护成本，方便运输起吊作业，延长使用寿命，对缓解目前航标维护作业船艇不足、维护经费短缺、维护人员劳动强度大的现状，具有重要的意义。

2.项目材料组成

小型应急复合材料弹性体浮鼓材质由玻璃钢、聚氨酯、聚脲等组成。

2.1玻璃钢（FRP）

即玻璃纤维增强塑料，它是以玻璃钢纤维及其制品（玻纤布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。

主要有以下几个特点：①强度高、重量轻。举例参考：木材和塑料的强度为40—100MPa，钢材的强度为250—350 MPa，玻璃钢的强度为150—450 MPa。玻璃钢的密度大约是水的1.8倍，而铝为水的2.7倍，钢铁为水的7.8倍；②耐腐蚀。玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸碱盐以及各种油类和溶剂都有较好的抵抗能力；③绝电性能好。玻璃钢是优良的绝缘材料；④可设计性好。可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品来满足使用要求；⑤工艺性能优良。可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活选择成型工艺。工艺简单，可以一次成型。

2.2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，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。主要有以下特点：①重量轻：密度：0.0368g/cm3，②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。

2.3聚脲弹性体（SPUA）

聚脲弹性体技术是一种新型“万能”涂装技术，是目前世界上最先进的一种涂装技术。

主要特性有：①优异的综合力学性能，拉伸强度最高达27.5 MPa，硬度A30—D65（shore），伸长率最高达1000%，撕裂强度43.9—105.4（KN/ m）；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；同时由于其优异的柔韧性，完全能够抵御昼夜、四季环境温度变化给被保护物体造成的热胀冷缩，涂层不会产生开裂和脱落现象；④户外耐老化性能强；⑤附着力强；⑥施工性能优异。

3.小型应急复合材料弹性体浮鼓制造技术

3.1浮鼓的制造工艺技术

首先制做浮鼓母模，加工成型后达到制模的要求，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，需具耐腐蚀性能。我们选择乙烯基酯树脂。②增强材料：选用的增强材料有：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。

3.2制造成型方法

小型应急复合材料弹性体浮鼓系采用手糊成型工艺方法制作。但在铺设增强材料时，注意在受力集中及吊装受力点处，进行局部增强。依据浮鼓外形及其受力情况，计算其产品的厚度，确定产品铺层的数量。采用经纬的密度为1：1的中碱玻璃纤维布和400g/m2的短切毡均铺设，其中内外表面均使用0.18mm的细布，中间使用0.4mm的粗布。

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、其他添加剂等原料一步加入，通过专用设备混合，经高压浇铸现场发泡而成。通过计算，我们采用的密度为50kg/m3。

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。

3.3 创造性的关键技术内容

3.3.1研制开发重点

小型应急复合材料弹性体浮鼓主要围绕耐腐蚀性、重量轻、抗冲击性强、强度大、吸水率低、环境友好型、免维护等要点来研究开发。

3.3.2创造性地选择多种非金属材料

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，制作浮鼓的整体外形结构，完全能满足浮鼓的结构强度要求，完全能代替钢质结构。因浮鼓可整体一次性模具成型，可根据受力情况局部增强，大大降低了浮鼓的重量，是钢质的三分之一。

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。

利用SPUA的拉伸强度高、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，在完成浮鼓制作所有工艺后，最后在浮鼓表面进行喷涂SPUA材料，根据使用情况需要，喷涂厚度不一致的SPUA涂层，从而形成一个本体着色、色彩鲜艳、绿色环保、高抗冲击性、高耐腐蚀性（没有任何外露的金属件）。易修复、重量轻、浮力大、吸水率低，永不沉没的浮鼓。

4.小型应急复合材料弹性体浮鼓成型产品

目前，北海航标处已经根据以上生产工艺制作完成φ1.2米的小型应急复合材料弹性体浮鼓。

4.1产品特点

①无传统尾管。对水深无要求，水深水浅都可以设置。可投放在浅滩等水深较浅的水域。海水潮水退去后，该浮鼓可搁浅在海滩上，海水涨潮后，可自动浮起。②重量轻。浮鼓重量仅有100KG，对作业船舶吃水、起吊能力无要求；投放、起吊作业时无需借助机械力量，单凭几个成年人力气即可完成投放、起吊。租用快艇或者木筏、木板船就可完成投放、回收。③安装使用简单。浮鼓顶部安装一体化灯器就可完成投放使用。④免维护。不生锈，碰撞缓冲性能好，使用寿命长。投放一年来，色泽保持鲜艳，无需每年油漆保养、起吊除锈，节省了人力、物力、财力。

4.2产品性能参数

重量：100KG，；直径：φ1.2米；吸水率：1%以下；拉伸强度：大于18 （MPa）；抗冲击强度：大于45（kg. cm）；撕裂强度：大于35（kN/m）；抗风强度：12级以上。

4.3产品使用效果

北海航标处自2015年在北海港投放使用以来，浮标各项性能参数稳定。投放、回收简单，现场作业最多需要3人即可完成投放；鼓体表面无锈蚀、外观色泽鲜艳；抗风能力强，经受住了2015年第22号台风“彩虹”的考验。

西、南沙航标处于2016年4月在西沙群岛七连屿水域投放使用了2座。经了解，目前使用情况良好。