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艦船甲板防滑塗料技術現狀及發展趨勢

時間:2013-07-24 21:48:13  來源:中 國 艦 船 研 究  作者:鄧 琦,徐金文,高新華,吳有力

  摘 要:從有機甲板防滑塗料和無機甲板防滑塗料兩個方麵闡述艦船甲板防滑塗料的技術發展及應用情況,並針對艦載機甲板防滑塗料的國內外發展概況進行重點介紹。結合當前甲板防滑塗料的發展情況,分析艦用新型甲板防滑塗料的發展趨勢,指出我國甲板防滑塗料研製的重點發展方向。目前,艦船甲板部位的塗料正向無溶劑、水性化、功能性等方向發展,艦載機防滑甲板塗料正向低太陽能吸收、高耐久性、快幹性、無機型等方向發展,我國應重點發展長效、環保、多功能和施工方便的艦船甲板塗料。
  關鍵詞:艦船;甲板防滑塗料;發展趨勢
  
  0 引 言
  艦船塗料是保護艦船結構免遭腐蝕的有效措施之一,也是使用最廣泛、維修維護方便的產品。艦船的不同部位使用不同性能類型的塗料,其中,用於艦船甲板部位的塗料稱之為艦船甲板塗料。由於甲板部位容易集水、結露,並且露天甲板部位直接與大氣接觸,受風雨侵蝕、陽光暴曬以及海水幹濕交替作用等,因此首先要求艦船甲板塗料具有優異的防腐蝕性、耐水性、耐候性和附著力。另外,由於人員活動和機械作業,甲板經常受到踩踏摩擦和碾壓磨損,並且易受各種油性、酸堿性介質的汙染,需經常擦洗等,因而要求甲板塗料具有良好的防滑性、耐磨性、耐油性和耐酸堿性,並且還要耐擦洗[1]。
  對於有艦載機作業的專用甲板,為滿足艦載機及車輛防滑以及艦載機作業所需的高摩擦係數、強附著力、耐衝擊、耐磨損、耐高溫、耐燃、使用壽命長等特殊要求,需采用專用的艦載機甲板防滑塗料。這類艦載機甲板專用塗料除了要求具有通常甲板塗料應有的性能外,還需要保證艦載機作業所需的特殊性能,屬於特殊的功能塗料[2]。
  目前,隨著艦船各專業的發展和材料科學技術的進步,各類甲板塗料尤其是艦載機甲板防滑塗料的發展十分迅速。
  1 甲板防滑塗料發展概況
  1.1 艦載機甲板防滑塗料
  艦載機甲板由於要安全停放以及起降艦載飛機,因而要求甲板塗料具有高防滑性、高耐衝擊性、高耐磨損性以及其他因艦載飛機作業所需的特殊性能。因此,艦載機甲板需要采用專用的甲板塗料,即艦載機甲板防滑塗料。
  1.1.1 國外發展概況
  國外甲板防滑塗料最成功的應用是在航空母艦的飛行甲板和艦載直升機甲板上。為了滿足艦載機使用的特殊性要求,防滑塗料的發展突飛猛進。從普通的民用塗料到專門為航母而研究的防滑塗料,已成立了專門的防滑塗料生產和研究中心。防滑塗料品種繁多、用途廣泛,專用性和通用性防滑塗料也應運而生。
  經過幾十年的發展,以美國為代表的艦載機甲板防滑塗料技術日趨完善,得到了世界上大多數擁有航母國家的認同。曆經多次變更和修正,艦載機甲板防滑塗料的MIL美軍標從MIL-D-23000A(1961)到最近的MIL-P-24667C(2008),在體現飛行甲板防滑塗料關鍵技術的若幹典型性能,諸如耐衝擊性、耐磨損性、防滑性及耐介質侵蝕性等方麵有了很大提高。隨著技術的發展及需求的增長,很多公司推出了滿足美軍標要求的飛行甲板防滑塗料產品[3-5]。
  首先,作為擁有航母最多和海軍力量最強大的國家,美國在艦載機甲板專用塗料的研製和應用方麵最成熟也最廣泛。早在1985年,美國就研製了一種基料為酚醛混合聚合物的防滑塗料,可塗於航空母艦甲板上,能經受數千架次飛機高速著艦時的巨大衝擊及摩擦;美國的EPOXO 300C環氧聚酰胺防滑塗料被用於其航空母艦飛行甲板和大型艦船甲板,這種塗料摩擦力大、耐久性長,采用的是具有金剛石級硬度的氧化鋁型耐磨粒料,在水、油狀態下摩擦係數幾乎不變,耐熱噴氣能力和耐化學品能力強,且附著力好;美國的Am⁃coat DC 4667雙組分環氧型防滑塗料可用於艦船露天甲板、飛行甲板和機庫甲板;美國研製的Alu⁃moxanes納米粒料可與低級聚合物形成無機/有機雜化樹脂,雜化樹脂具有優良的耐磨損性,能抵抗航母阻欄索及飛機尾鉤引起的塗料的破損[3]。
  另外,英國、德國和荷蘭也在進行與艦載機甲板相關的防滑塗料產品的研製及應用。英國曾研製了據稱使用期可達十年的內保護普羅雷科(Proreco)高合成環氧樹脂型防滑甲板塗料,可滿足油船、滾裝船和近海工作船的甲板與直升機甲板的特殊要求;德國Bayer公司的聚氨酯塗料,據悉也已用於包括航空母艦在內的艦船甲板。近年來,荷蘭推出了Intershield 6GV/6LV低太陽能吸收高固體優異耐久性的環氧防滑甲板塗料以及Intershield 9L低太陽能吸收高固體可低溫施工的環氧防滑甲板塗料,可滿足美軍標MIL-PRF-24667C的要求。
  1.1.2 國內發展概況
  由於我國以前沒有航母這種搭載作戰飛機的大型艦船,因此,也就沒有專用的艦載機甲板防滑塗料,也很少開展專業、係統的研究。但隨著我國海軍裝備現代化程度的提高,到現在已有多種艦艇,如驅逐艦、護衛艦、登陸艦、油水綜合補給艦及打澇救生艦等裝備了直升飛機,需提供能與它們配套的、使用壽命長、綜合性能好的直升機甲板防滑塗料,這便成為國內艦載機甲板防滑塗料研究的方向和重點。
  直升飛機甲板防滑塗料是用於大型艦艇艦載直升機起降甲板及機庫地麵而塗覆的防滑塗料。該塗料用於保護艦船甲板,保障直升飛機在艦上的起降、牽引、維護等作業正常進行,以及保證船員能在甲板上進行正常活動。直升機甲板防滑塗料必須具有耐海水性、耐海洋氣候、耐腐蝕、防滑、耐磨、耐衝擊、耐洗刷、耐洗滌劑及柴油等性能。我國早期一般采用黃砂、水泥作為防滑耐磨材料。但這種防滑塗料使用壽命較短,易磨平,在北方嚴寒的冬季裏易凍裂,耐鋼板的熱脹冷縮性能較差。後來,許多廠家加以改進,采用環氧聚酰胺或聚氨酯型作為防滑塗料,並加入了耐磨的碳化矽、金剛砂等。這些防滑塗料在直升機甲板上的應用十分有限,且效果也不理想。
  上世紀80年代,我國直升機起降甲板防滑塗料多采用環氧樹脂粘防滑粒料體係。這種塗層因基料本身的性質,決定了它經不起日曬雨淋的海洋氣候,易碎裂,易脫落,耐衝擊性差。此外,這種塗料摩擦係數較小,通常幹態下為0.6,水濕態和油潤態下約為0.3,遠遠達不到實際使用要求。《艦船直升機艦麵係統規範》(GJB534-88)中規定,直升飛機起降甲板的防滑摩擦係數應大於0.6。上世紀90年代,我國成功研製了HF-05型直升飛機甲板防滑塗料,並逐步形成了一係列產品,塗裝了我軍多艘艦船。該甲板防滑塗料為聚氨酯型塗料,其綜合性能達到了國外同類塗料的先進水平,在國內處於領先地位。
  HF-05型直升飛機甲板防滑塗料具有優異的防鏽防腐蝕性能,極好的彈性和韌性,優良的耐介質、耐大氣老化和耐磨性,防滑性好,摩擦係數大,塗層與底材以及塗層之間的附著力好,能適應重載衝擊和環境溫差引起的熱脹冷縮。在實用中,有的艦船經過七、八年的風吹雨打後甲板麵仍完好如初。
  近年來,國內已有單位在開展艦載機甲板防滑塗料的先期研究,由於國外的技術封鎖,目前隻能以國內塗料技術水平為基礎,結合美軍標的相關指標要求進行探索研究。
  1.2 普通甲板防滑塗料
  在國外,甲板防滑塗料的開發利用已有很多年的曆史,防滑塗料的應用也由普通甲板發展到了軍艦、飛機起降甲板。1985年,美國研製了一種膠含量僅7%的酚醛混合聚合物防滑塗料,其中加入了填料和防滑顆粒,柔韌性和耐磨性極高,塗於航空母艦甲板上能經受數千架次飛機高速著艦時的巨大衝擊及摩擦。另外,美國的雙組分環氧型防滑塗料Amcoat DC 4667也已用於艦船露天甲板、飛行甲板和機庫甲板;日本曾使用一種高填充橡膠粉作硬性環氧樹脂的防滑填充劑,以減小防滑塗料的擦傷性;德國曾用乙烯共聚物製作空心球作防滑劑,以增強防滑塗料的附著性[4]。
  國內最早開發、生產防滑塗料的是上海開林造漆廠,以後各大油漆廠也有批量生產。主要品種有單組分醇酸甲板防滑塗料、單組分氯化橡膠甲板防滑塗料、雙組分環氧甲板防滑塗料。但因有大量砂粒存在,使得塗層性能下降,如質脆,易開裂或脫砂,不耐油、不耐化學腐蝕,易老化,壽命短等。
  20世紀80年代,我國開始研究改性環氧甲板防滑塗料,20世紀90年代,開始研究改性或高性能聚氨酯甲板防滑塗料。近年來,已有大量甲板防滑塗料應用於民用和軍用船舶,如高聚物環氧甲板防滑塗料、聚氨酯彈性甲板防滑塗料等。
  2 甲板防滑塗料的分類及其應用
  甲板塗料種類較多,根據不同的功能要求,可以分為不同的種類。按原料材質,可以分為有機甲板防滑塗料和無機甲板防滑塗料。
  2.1 有機甲板防滑塗料
  有機甲板防滑塗料主要由基料、助劑和防滑粒料3部分組成。基料通常選用耐候性和機械性能較好的醇酸樹脂、氯化橡膠、酚醛樹脂、環氧樹脂或聚氨酯樹脂等。選擇基料時,首先要考慮選用本身摩擦係數較高、耐磨性較好的成膜聚合物作基料,現今對防滑性能要求較高的場合,如航空母艦甲板塗料、直升飛機起降甲板防滑塗料、海上采油平台防滑塗料、軍艦露天防滑甲板塗料,以及停車場防滑塗料等,一般都采用環氧或聚氨酯樹脂作基料。
  防滑粒料能顯著增大防滑塗料的摩擦性能,提高其耐磨性,延長塗料使用壽命。防滑粒料大致分軟、硬兩類。橡膠粒、橡膠粉,包括天然橡膠、廢舊輪胎和聚氨酯彈性體顆粒,是最常用的彈性防滑粒,彈性粒料不僅能增加塗料的防滑性能,而且還能提高踏踩和觸摸的舒適感。硬質防滑粒料主要有金剛砂(碳化矽、剛玉)、氧化鋁顆粒、陶瓷粒(粉)、石英砂、實心和空心玻璃珠、塑料粒子,甚至是河砂。其中,碳化矽和剛玉增加摩擦力的效果最好。
  防滑塗料中也必須添加各種助劑,如消泡劑、流平劑、濕潤劑、觸變劑、防老化劑、光穩定劑、阻燃劑、增韌劑以及各種顏填料。對粒料的表麵處理能增加粒料與基料的附著力,降低磨損率。一個典型的例子是,用矽烷偶聯劑處理金剛砂可以提高防滑塗料的使用壽命[5]。
  有機甲板防滑塗料按采用樹脂的種類又可以分為酚醛甲板塗料、醇酸甲板塗料、氯化橡膠甲板塗料、環氧甲板塗料和聚氨酯甲板塗料等。酚醛甲板塗料漆膜的硬度高,附著力和耐水性好,但固化慢,耐磨性欠佳;醇酸甲板塗料的附著力和耐候性佳,但固化慢,耐磨性欠佳;氯化橡膠甲板塗料的固化快,漆膜堅韌,耐磨性好,但耐油性較差;環氧甲板塗料除耐候性外,各項性能皆佳;聚氨酯甲板塗料的耐候性好,且具有良好的柔韌性、耐衝擊性和耐磨性[6]。隨著造船業以及塗料行業的技術發展,目前,環氧甲板塗料和聚氨酯甲板塗料的應用最為廣泛。
  2.1.1 環氧甲板塗料
  環氧塗料是以環氧樹脂為主要成膜物的塗料,環氧樹脂可以用許多樹脂進行改性,亦可與許多樹脂進行交聯固化,獲得各種性能的環氧樹脂類塗料。國內外對環氧防腐塗料和改性環氧塗料進行了大量研究,並進行了多年的實船塗裝,目前,市場上的環氧甲板塗料主要為改性環氧類甲板塗料和水性環氧甲板塗料。
  早期的改性環氧塗料主要有酚醛改性環氧塗料、聚酰胺改性環氧塗料及丙烯酸改性環氧塗料等,作為甲板塗料的應用已十分成熟。目前,有機矽改性環氧塗料發展很快,所采用的有機矽改性環氧樹脂綜合了有機矽樹脂的高耐候性及環氧樹脂優異的附著力和防腐特性,同時,還克服了環氧樹脂易粉化失光的缺陷。有機矽改性環氧塗料具有優異的耐候保光性,高固體份(>80%),具有優異的防腐性能,底麵合一,不需要 底 漆 ,施 工 工 序 少 。 美 國 海 軍 已 開 始 塗 裝PSX700、Interfine979等有機矽改性環氧塗料,以作為船殼和露天甲板塗料。另外,隨著水性塗料技術的發展,艦船內部艙室甲板也開始大量采用水性環氧塗料。水性環氧塗料由於不含有機揮發性溶劑,在內部艙室使用安全環保。由於歐美等發達國家對環境保護比較重視,因而IP,JOTUN,HEMPLE,SIGMA,中遠關西,KCC及ICI等跨國公司大多有水性環氧塗料產品,但國外的水性環氧塗料產品在我國的應用很少。國內僅有少數廠家有批量在用的水性環氧塗料產品,主要用於耐腐蝕要求不太苛刻的艦船內艙,如生活艙、機艙等部位的甲板和圍壁塗裝。
  2.1.2 聚氨酯甲板塗料
  聚氨酯塗料是以聚氨酯樹脂為主要成膜物的塗料總稱,由多異氰酸酯和大分子多元醇聚合而成。聚氨酯塗料對各種施工環境和對象的適應性較強,施工溫度範圍廣,耐溫性能好,塗膜堅硬、柔韌,有很高的附著力、耐擦傷性、耐磨損性和耐衝擊性,防腐性能優良,耐介質性好。目前,國內外采用聚氨酯塗料作為艦船露天甲板及船殼塗料的應用十分廣泛,如脂肪族聚氨酯塗料、丙烯酸聚氨酯塗料和聚醚型聚氨酯甲板塗料等。特別是聚醚型聚氨酯甲板漆,不僅固化快,使用壽命長,還可製成不同厚度,不同顏色,富於彈性,類似橡膠的製品,其可刷塗、滾塗、噴塗,塗層能與各色麵漆配套,施工及維修很方便。
  從20世紀90年代起,為了解決高耐候性聚氨酯麵漆的重塗問題,世界各主要船舶塗料廠商先後推出了可複塗聚氨酯麵漆(如IP的Inter⁃than990,JOTUN的FUTUAR AS等),不僅保留了羥基丙烯酸聚氨酯塗料的優良耐候性,同時還突出了塗裝間隔的無限製性,主要用於船殼及露天甲板部位。國內研發的725-BS42-28可複塗聚氨酯甲板塗料,不僅具有優良的耐候性及良好的重塗性,還具有優良的耐磨性和優異的防滑性[7]。國外聚氨酯甲板塗料的技術及應用已十分成熟,除上述各種類型的聚氨酯塗料外,還有德國以Desmophen 650和651及HMD縮二脲配合製成的聚氨酯塗料,據悉,也已用於包括航空母艦在內的艦船甲板。英國也已將聚氨酯做成厚度達數毫米、富有彈性的防滑塗料層,其防滑耐磨性大大優於傳統塗料。
  2.2 無機甲板防滑塗料
  與有機塗層相比,無機(含金屬基)甲板防滑塗層的摩擦係數更穩定,不含有害的有機溶劑及致癌結晶矽石,使用壽命更長。尤其是在抗老化性能方麵,更具明顯優勢,如在海洋或水體環境中使用的具有防腐性能的熱噴塗鋁塗層,曾一度作為艦船甲板麵防滑塗層使用,隻因鋁塗層硬度有限,難以滿足重載高摩擦表麵的使用要求而未能推廣使用。美國采用電弧噴塗實芯Al/Al2O3絲材製備鋁基複合防滑耐磨塗層,有效解決了這一問題。在美國海軍艦艇的主甲板、人員活動走廊及直升機起落防滑甲板等部位,采用電弧噴塗實芯Al/Al2O3絲材製備的鋁基複合防滑塗層,不僅滿足了這些部位對防滑性能的要求,而且還解決了腐蝕和磨損問題。
  由於實芯Al/Al2O3絲材製備的工藝難度較大,所以我國科技工作者於近年研究開發了新型的電弧噴塗Al基Al2O3噴塗材料及相應的電弧噴塗鋁基氧化鋁陶瓷複合防滑塗層技術。塗層組織結構為金屬Al塗層中彌散分布著高硬度Al2O3陶瓷顆粒。摩擦過程中,防滑耐磨塗層中的Al2O3粒子與對磨材料接觸,能有效保護較軟的Al基體。這類塗層韌性好,硬度高,防腐耐磨,並且塗層摩擦係數可達0.7~0.9,是理想的防滑耐磨塗層,並且電弧噴塗的工藝操作簡便,造價低廉,用於艦船甲板麵防滑有著良好的應用前景[8-11]。
  另外,目前國外以美軍為首開始了新一代高性能非晶合金防滑塗層研究。非晶合金是一種無晶界、無缺陷,原子結構長程無序,但短程有序的新型金屬材料。這類材料擁有高強度、高硬度和極其優異的耐蝕、耐磨性能。美國NAAC計劃的研究表明,采用無磁鐵基非晶合金防滑塗層,預計使用壽命可達10年以上,大大超過了樹脂基塗層2~3年的使用壽命。現國內已有相關科研單位在對非晶合金防滑塗層技術進行跟蹤和先期研究,並提出了冷噴塗鐵基非晶塗層技術的概念。
  3 甲板防滑塗料發展趨勢
  3.1 有機甲板塗料向環保、功能化方向發展
  1)無溶劑型、水性化甲板塗料。隨著塗料工業的發展,目前,無溶劑型100%固含量的塗料已經問世。由於塗料中不含揮發性有機溶劑,因此即使在狹小的內艙,也不會對空氣造成汙染,施工過程更安全。艦船內艙采用無溶劑型塗料作為甲板塗料具有良好的前景。
  水性塗料是塗料工業發展的熱門方向,國內外均有研究。水性塗料具有氣味低、環保、不燃、不爆以及施工安全、方便等優點。由於歐美等發達國家對環境保護較重視,因而水性塗料的發展迅速,作為內艙甲板塗料的應用也已十分成熟和廣泛。但國內在水性塗料方麵起步晚,發展還較落後,尤其是用作甲板塗料方麵,應用還很少,需要緊跟國外步伐開展研製,形成產業化。采用水性塗料作為內艙甲板塗料的意義十分重大[12]。
  2)低太陽能吸收防滑甲板塗料。艦載機甲板由於麵積大、直接正對太陽暴曬,成為艦上巨大的熱接收源,因而其下表麵要求敷設較厚的隔熱材料,同時影響空調的能量要求。而艦載機甲板防滑塗料普遍采用灰色,其比淺色塗料更易吸收太陽輻射熱,因此,艦載機甲板防滑塗料不僅需要具有滿足艦載機使用的功能,而且還需要具有低太陽能吸收的性能,以減少甲板下生活區和工作區的熱負荷。
  根據上述情況分析,可見低太陽能吸收防滑甲板塗料的普遍應用十分必要。目前,國外已有相關產品問世,如荷蘭的Intershield 6GV/6LV,國內在進行相關研究時應予以借鑒。
  3)高耐久性甲板防滑塗料。美軍標要求航母飛行甲板塗料可承受飛機起落10 000架次,但實際上,有時僅3 000架次塗料就損壞了。美軍在1990~1991年的“沙漠風暴”戰役中,有的甚至使阻攔索區的飛行甲板露出了光禿禿的金屬,這就給飛機起落帶來了危險。
  美國航母計劃辦公室仍在投資開展有關研究,他們將新的防滑耐磨塗料的壽命目標設定為著艦區塗料能夠經曆15 000次阻攔著艦,通用型塗料(航母上其他區域使用此類塗料)壽命達3年。
  4)單層快幹防滑塗料。美國正在研發的單層快幹防滑塗料主要用於航母著艦區,其以一種具有強粘接性的新型樹脂為基體,無鉻酸鹽防鏽劑,無揮發性溶劑,單層塗覆,塗層可在12 h內幹燥使用。該塗料具有底層塗料所具備的黏性和抗腐蝕性能,同時,還具有常規防滑外層所具有的更好的耐久性、抗風化能力和高摩擦係數。
  綜上所述,有機防滑塗料的開發與應用除了考慮環保要求外,更為重要的是,有機防滑塗層向功能化方向發展已成為當今發展的一種趨勢。
  3.2 金屬複合塗層成為無機甲板防滑塗層的選擇
  激光誘導改善表麵(Laser Induced Surface Im⁃provement,LISI)是防滑塗料使用方麵的一種新方法,它采用激光熔化金屬粉末,一部分形成長期防腐的底層,一部分形成耐磨麵層。比如,用鈦金屬或其它重金屬與陶瓷複合在一起形成一層無毒的金屬粉末。目前,激光法還未大量應用,激光束的寬度僅4 mm,應增加寬度(30~40 mm)和掃描速度。預期用LISI方法施工和修補的航母甲板防滑塗層不僅能超過當前有機防滑塗料體係的性能,而且還能減少維修費用。
  另外,目前國外已開始了新一代高性能非晶合金防滑塗層的研究,該塗層的全壽命價格相對於傳統樹脂基防滑塗層可降低約50%。美國海軍已將鐵基非晶合金作為新一代航空母艦甲板防滑塗層進行重點研發。基於金屬塗層的特殊優異性能,金屬複合塗層成為無機甲板防滑塗層的首要選擇,值得國內研究人員重視。
  4 結 語
  目前,國內外的甲板塗料技術發展很快,相比之下,我國的高性能甲板塗料、環保型甲板塗料以及艦載機專用甲板塗料的發展還較落後。隨著我國海軍裝備的快速發展,艦船對甲板防滑塗料的長效、環保、多功能、施工方便等性能提出了更高的要求,這給我國的甲板塗料行業也帶來了機遇和挑戰。國內甲板防滑塗料行業,包括普通甲板防腐塗料,都可以借鑒國外甲板防滑塗料研究、發展的思路,充分利用先進材料科學技術,研究、開發具有自主知識產權的各類新型甲板防滑塗料。
  參考文獻略


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