1、1小型应急复合材料弹性体浮鼓应用研究摘 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
2、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：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2.4 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2400 总吨以上的中型航标船才能完成航标作业。易生锈、
3、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
4、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：强度高、重量轻。举例参考：木材和塑料3的强度为 40100MPa，钢材的强度为 250350 MPa，玻璃钢的强度为150450 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
5、的 7.8 倍；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；绝电性能好。玻璃钢是优良的绝缘材料；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；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：重量轻：密度：0.0368g/cm3，具有优良的防水性能，无氟发泡，适应环境宽，不吸水，憎水率 96%以上，耐腐
6、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：优异的综合力学性能，拉伸强度最高达 27.5 MPa，硬度 A30D65（shore） ，伸长率最高达 1000%，撕裂强度43.9105.4（KN/ m） ；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；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，4涂层不会产生开裂和脱落现象；户外耐老化性能强；附着力强；施工性能优异。 3.小型
7、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：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。增强材料：选用的增强材料有：表面毡、短切毡、玻璃纤维布。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
8、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5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
9、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
10、，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、6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 1.2 米的小型应急复合材料弹性体浮鼓。 4
11、. 1 产品特点 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。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。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。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：1.2 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。 7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。
