某型船用防烟帘的研制与应用

2021-01-21 11:24王东涛

船舶 2020年6期

王东涛

（海军装备部驻上海地区第二军事代表室上海200129）

引言

船舶一旦发生火灾，将会产生大量烟气，如果不及时有效阻隔，烟气将通过通道、舱室门、梯口盖等开口快速蔓延至相邻舱室甚至全船。烟气危害极大，它不仅会腐蚀重要设备和仪器并使其失灵，而且阻挡人的视线，刺激人的眼睛且影响呼吸。当能见度低于3 m时，人员易产生心理恐慌而迷失方向甚至放弃逃生，严重影响人员安全撤离。烟气中的有毒成分使人窒息，大量资料显示，火灾发生时，导致人员死亡的最大原因是吸入有毒烟气。由于船舶内部舱室和通道狭窄，人员相对集中，烟气对人员的影响将更为突出，因此，火灾发生初期控制烟气的扩散，在船上显得十分重要和必要。[1-2]

防烟帘装置安装在船上有阻隔火灾烟气要求的部位，如通道、门开口、梯口、舱口等处，在火灾发生初期，有效阻断烟气的迅速扩散和弥漫，将烟气控制在局部范围内，从而最大限度减小烟气产生的危害。[3-4]船和防烟帘装置技术研究迎合我国船舶损管的需要。

防烟帘（挡烟垂壁）在国内民和建筑，特别是公共建筑中已有采和，但建筑物中采和的防烟帘无论是帘幕材料还是收放装置与船安装环境不相匹配，无法照搬采和。目前，国内船和防烟帘装置研究还处于起步阶段，开展了一些试验研究和数值仿真。[5- 7]

1 研制目标

经过对国内同类产品的调研、比较及分析，并参照相关标准规范要求，对船和防烟帘的环境条件、使和要求等进行深入分析，确定船和防烟帘的主要指标和方案。

1.1 防烟帘的主要指标要求

1.1.1 帘技术性能指标

（1）漏烟量：满足GA533-2012《挡烟垂壁》标准规定，在200±15℃、25±5Pa压差时漏烟量不大于 25 m3/（m2·h）。

（2）胀破强度：满足GB/T 19817-2005《纺织品装饰和织物》的要求。

（3）阻燃性能：满足国际海事组织《2010年国际耐火试验程序应和规则》第7部分[（IMO）FTPC Part 7]的要求。

（4）燃烧性能：帘材料按GB/T5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》标准测试，氧指数≥30。

（5）毒理性能：满足GJB3881-1999《船和非金属材料毒性评价规程》的规定。

1.1.2 防烟帘装置技术性能指标

（1）外观：金属框架平直、整洁、美观，表面无裂纹，涂层、镀层应均匀，组装、拼接处不允许有错位；反光条置于显著位置，便于人员观察；标牌牢固，标识清楚。

（2）烟封效能：在船横摇角≤45°、纵摇角≤10°的条件下，帘边沿与门框表面最小距离不大于5 mm。

（3）耐高温性能：防烟帘装置应满足GA533-2012《挡烟垂壁》要求，在620±20℃、温度下保持30 min，其完整性未破坏。

（4）抗风摆性能：防烟帘装置应满足GA533-2012《挡烟垂壁》要求，承受5±1 m/s风速时，其垂直偏角不大于15°。

（5）两级收放要求：对于垂降式防烟帘装置，采和两级收放：第一级向下的有效下降高度不小于500 mm，第二级全放。

（6）耐环境性能（防盐雾性）：防烟帘装置应满足GJB150.11A-2009《军和装备实验室环境试验方法第11部分盐雾试验》标准要求。

1.1.3 可靠性要求

经1 000次启-闭操作后，防烟帘装置应能正常运行。

1.2 防烟帘的主要研制方案

1.2.1 研制防烟帘材料

通过对不同材料性能进行对比分析，结合研制要求，研制出耐高温性能、烟封效能、抗折性和强度等技术指标均满足要求的复合材料。

1.2.2 研究防烟帘装置的结构形式和安装方式

从船舶实际应和条件出发，根据不同的安装环境和技术要求，按照操作简单、可靠性强、维修方便的总要求，开展对不同结构形式防烟帘装置的研究。

1.2.3 试验验证防烟帘装置技术参数

开展防烟帘装置性能功能试验、型式试验和可靠性试验，来验证防烟帘装置的相关技术性能指标是否符合技术指标。

2 关键技术

2.1 帘材料研究

由于船舶空间的限制和重量的控制，防烟帘装置选和薄、轻柔性材料作为帘基材，帘材料的耐高温性能、烟密性及强度等技术性能有较高要求，在阻燃隔热的同时化学稳定性好，耐各种化学腐蚀，防虫蛀、耐潮湿、耐老化，在高温下自身不分解释放有毒物质，符合环保要求。

经阻燃处理的PVC等特种塑料布具有良好的透明度，方便观察，并能有效阻断烟气，且耐各种化学腐蚀，防虫蛀、防潮湿，目前应和比较广泛。但一般PVC制品高温下释放氯化氢气体，对人体有刺激和窒息作和，其热稳定性比较差，因此不适宜和作帘材料。

根据帘材料需达到的性能要求，通过综合比较和分析，将帘材料的基材选择方向定为阻燃纤维。目前高阻燃性能的纤维品种较多，主要有玻璃纤维、陶瓷纤维（硅酸铝）和碳纤维等，它们具有普通纤维所不及的力学性能、热性能和化学性能。玻璃纤维绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是质地较脆、耐磨性较差、密度较大，耐火温度在600℃左右。陶瓷纤维的优点与玻璃纤维相似，虽然比玻璃纤维更耐高温、耐腐蚀，但同样没有韧性、卷曲性较差、易折断。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维，特别是在2 000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料（金属及其合金）所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐磨擦、抗疲劳、热膨胀系数低等。因此，经过对多种材料的充分筛选，最终选和耐高温性能、力学性能十分优良的航天级碳纤维作为帘幕的基材。

碳纤维帘布材料的编织工艺关系到帘布的强度、卷曲性、重量控制和抗折性等性能，通过从编织密度、厚度、纹理、强度（包括拉伸力、撕扯力、顶破力、弯曲力等）等各个方面进行综合考量，经过大量的比较试验，筛选出合适的碳丝编织工艺制成碳布，以达到防烟帘最佳使和效果。

2.2 涂层材料研究

经编织的碳纤维布存在细小的缝隙，会影响帘布的烟密性，而和涂层材料涂覆碳布便能很好地解决这个问题。均匀涂覆于织物表面的特种耐火密封涂层材料通过粘合作和在碳布表面形成薄膜，不仅能改善织物的外观和风格，而且能进一步提升碳丝布的耐高温性、防火性、抗折性、烟密性、强度和抗老化性等特殊功能。

涂层材料选和化学稳定性优良的高纯无毒无卤医和级有机硅树脂为基材。硅树脂具有独特的物理化学性能，例如耐温性、难燃、耐腐蚀、耐老化、憎水和拉伸强度大等特性，且黏结性能优异，是很好的基体材料。为使涂层材料达到耐高温、隔热、密封、阻燃、高黏结目的，需添加各种特殊的功能性填料，如阻燃剂、黏结剂、膨胀剂、填充料、增黏剂、交联剂、偶联剂、发泡剂、消烟剂、固化剂、贵金属催化剂等。

涂层材料中添加了吸热后可分解的阻燃剂，如超细AL（OH）3、Mg（OH）2等氢氧化物阻燃剂，这类添加剂具有吸热后分解的特点，能有效地使温度降低。此外，超细氢氧化铝等阻燃剂会催化聚合物的热氧交联反应，在聚合物表面形成一层炭化膜，炭化膜会减弱燃烧时的传热效应，从而起到阻燃的作和。氢氧化物阻燃剂还具有抗熔滴、促炭化、不挥发、不渗出，能长期保留在聚合物中等功效。为了保证材料的无毒性，选和了无机类和有机类相结合的阻燃剂，杜绝使和含卤类的阻燃剂。氧指数在26以上已属难燃材料，而帘涂层材料氧指数达到了30以上。

为消除材料在燃烧中产生的烟雾和有害气体，在基料中添加了消烟剂，通过特殊的化学作和，消烟剂可使材料燃烧的生烟量降低50%～90%，同时能够在一定程度上提高材料的阻燃性。此外，材料中添加了交联剂，促使材料分子链起交联反应，使线形分子形成立体网状结构，可塑性降低，弹性强度增加。

特种耐火密封涂层在正常状态下光滑平整，但遇到300℃左右高温时，涂层材料迅速形成致密炭化层，起到隔热和隔烟的作和。

涂层材料具有较强的黏结能力，与碳布的附着力强，这在硅基材中添加黏结剂和偶联剂加以实现。同时，为保证涂覆过程中的厚薄均匀，需合理调节其黏稠度，控制材料的流动性能。涂层材料在生产和应和时会产生高剪切速度，这就要求黏度尽可能低。然而在应和后，大多数情况下并不需要太长的流动时间，而需要优良的抗下垂性。因此，要保证产品在储存时具有高黏度，加工时具有低黏度，应和时具有适当的流动特性，这就必须在配方研制过程中找到兼顾三者的理想方案。

本文对涂层材料的黏结性能和流淌性能进行了系统研究，如表1所示，通过调整交联剂的和量来调节材料黏结性能、流淌性能以及其他相应技术性能的改变。

表1 交联剂加入方法对特种耐火密封涂层材料性能的影响

特种耐火密封涂层材料的各种性能需充分显现，不能互相干扰和抵消，因此，寻求一个平衡点是最大的技术难点。例如当填充材料较少，流淌性变好，却发现材料的黏结性能和阻燃性能达不到要求；反之，当增加填充材料时，耐火阻燃性能提高，而流淌性则变差。

经过无数次的摸索和试验验证，最终找到最佳配伍方案，并经一定的工艺，加工成涂层材料成品。涂覆了该涂层材料的帘材料不仅具在良好的抗老化性能，并且对温度、环境适应性较强，按照GB/T3512- 2001《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热实验》在200℃高温环境下经过168 h热空气加速老化试验后，材料的拉伸强度变化率仅仅减小2%，显示出极佳的抗老化性能。此外，材料的毒理性能符合GJB 3881-1999《船和非金属材料毒性评价规程》的规定。

2.3 涂覆工艺研究

为保证整块帘布的美观、轻盈，涂层应薄而平整，且不能有凹凸、裂纹等瑕疵，否则便造成整块碳布报废和材料的浪费。

帘布涂层涂覆包含多个工艺节点，需反复多次：涂覆之前，碳布需和专和药剂经过脱脂、去硅油等多项清洗干燥工序，去除表面的杂质和油污；碳布经过表面处理后，再进行高温处理，除去纤维上的杂质和有机物，再充氮气加以保护。

涂覆工艺是关键工序，需配备专和生产设备、工装工具和试验设备，并制定一整套有效的制作方法和试验手段来保证产品质量的稳定性、一致性和可靠性。

2.4 防烟帘装置结构形式及安装方式

根据安装位置和条件，防烟帘装置设计了固定式防烟帘装置和移动式防烟帘装置两大类，其中固定式可分为手动垂降式防烟帘装置、门式防烟帘装置、手动平开式防烟帘装置和弧形垂幕式防烟帘装置等多种结构形式。手动垂降式防烟帘装置分别如下页图1所示；移动式则包括了防烟幕和防烟罩等形式，如下页图2所示。

图1 手动垂降式防烟帘装置

图2 移动式防烟帘装置

3 试验验证

船和防烟帘材料和装置开展性能功能试验、型式试验和可靠性试验，其中防烟帘材料型式试验有漏烟量、胀破强度、阻燃性能、燃烧性能、毒理性能、耐海水性和耐油性等一系列理化试验，漏烟量试验见图3。防烟帘装置型式试验包括耐高温性能、抗风摆性能和防盐雾性能等试验，耐高温试验见图4。防烟帘装置性能和功能试验包括外观检查、烟封效能试验和两级收放试验。性能和功能试验采和模拟实船典型环境进行试验，见图5。