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舰船甲板防滑涂料技术现状及发展趋势

关键词 舰船 , 甲板涂料|2017-09-01 11:19:38|应用技术|来源 中国腐蚀与防护网
摘要 引言舰船涂料是保护舰船结构免遭腐蚀的有效措施之一,也是使用最广泛、维修维护方便的产品。舰船的不同部位使用不同性能类型的涂料,其中,用于舰船甲板部位的涂料称之为舰船甲板涂料。由于甲板...

       引言

        舰船涂料是保护舰船结构免遭腐蚀的有效措施之一,也是使用最广泛、维修维护方便的产品。舰船的不同部位使用不同性能类型的涂料,其中,用于舰船甲板部位的涂料称之为舰船甲板涂料。由于甲板部位容易集水、结露,并且露天甲板部位直接与大气接触,受风雨侵蚀、阳光暴晒以及海水干湿交替作用等,因此首先要求舰船甲板涂料具有优异的防腐蚀性、耐水性、耐候性和附着力。另外,由于人员活动和机械作业,甲板经常受到踩踏摩擦和碾压磨损,并且易受各种油性、酸碱性介质的污染,需经常擦洗等,因而要求甲板涂料具有良好的防滑性、耐磨性、耐油性和耐酸碱性,并且还要耐擦洗 。
        对于有舰载机作业的专用甲板,为满足舰载机及车辆防滑以及舰载机作业所需的高摩擦系数、强附着力、耐冲击、耐磨损、耐高温、耐燃、使用寿命长等特殊要求,需采用专用的舰载机甲板防滑涂料。这类舰载机甲板专用涂料除了要求具有通常甲板涂料应有的性能外,还需要保证舰载机作业所需的特殊性能,属于特殊的功能涂料 。
        目前,随着舰船各专业的发展和材料科学技术的进步,各类甲板涂料尤其是舰载机甲板防滑涂料的发展十分迅速。
        1 甲板防滑涂料发展概况 
        1.1舰载机甲板防滑涂料
        舰载机甲板由于要安全停放以及起降舰载飞机,因而要求甲板涂料具有高防滑性、高耐冲击性、高耐磨损性以及其他因舰载飞机作业所需的特殊性能。因此,舰载机甲板需要采用专用的甲板涂料,即舰载机甲板防滑涂料。
        1.1.1国外发展概况
        国外甲板防滑涂料最成功的应用是在航空母舰的飞行甲板和舰载直升机甲板上。为了满足舰载机使用的特殊性要求,防滑涂料的发展突飞猛进。从普通的民用涂料到专门为航母而研究的防滑涂料,已成立了专门的防滑涂料生产和研究中心。防滑涂料品种繁多、用途广泛,专用性和通用性防滑涂料也应运而生。
        经过几十年的发展,以美国为代表的舰载机甲板防滑涂料技术日趋完善,得到了世界上大多数拥有航母国家的认同。历经多次变更和修正,舰载机甲板防滑涂料的 MIL 美军标从 MIL-D-23000A(1961)到最近的 MIL-P-24667C(2008),在体现飞行甲板防滑涂料关键技术的若干典型性能,诸如耐冲击性、耐磨损性、防滑性及耐介质侵蚀性等方面有了很大提高。随着技术的发展及需求的增长,很多公司推出了满足美军标要求的飞行甲板防滑涂料产品 。
        首先,作为拥有航母最多和海军力量最强大的国家,美国在舰载机甲板专用涂料的研制和应用方面最成熟也最广泛。早在 1985 年,美国就研制了一种基料为酚醛混合聚合物的防滑涂料,可涂于航空母舰甲板上,能经受数千架次飞机高速着舰时的巨大冲击及摩擦;美国的 EPOXO 300C环氧聚酰胺防滑涂料被用于其航空母舰飞行甲板和大型舰船甲板,这种涂料摩擦力大、耐久性长,采用的是具有金刚石级硬度的氧化铝型耐磨粒料,在水、油状态下摩擦系数几乎不变,耐热喷气能力和耐化学品能力强,且附着力好;美国的Am? coat DC 4667 双组分环氧型防滑涂料可用于舰船露天甲板、飞行甲板和机库甲板;美国研制的Alu? moxanes 纳米粒料可与低级聚合物形成无机/有机杂化树脂,杂化树脂具有优良的耐磨损性,能抵抗航母阻栏索及飞机尾钩引起的涂料的破损 。
        另外,英国、德国和荷兰也在进行与舰载机甲板相关的防滑涂料产品的研制及应用。英国曾研制了据称使用期可达十年的内保护普罗雷科(Proreco)高合成环氧树脂型防滑甲板涂料,可满足油船、滚装船和近海工作船的甲板与直升机甲板的特殊要求;德国 Bayer 公司的聚氨酯涂料,据悉也已用于包括航空母舰在内的舰船甲板。近年来,荷兰推出了 Intershield 6GV/6LV 低太阳能吸收高固体优异耐久性的环氧防滑甲板涂料以及 Intershield 9L 低太阳能吸收高固体可低温施工的环氧防滑甲板涂料,可满足美军标 MIL-PRF-24667C 的要求。
        1.1.2国内发展概况
        由于我国以前没有航母这种搭载作战飞机的大型舰船,因此,也就没有专用的舰载机甲板防滑涂料,也很少开展专业、系统的研究。但随着我国海军装备现代化程度的提高,到现在已有多种舰艇,如驱逐舰、护卫舰、登陆舰、油水综合补给舰及打涝救生舰等装备了直升飞机,需提供能与它们配套的、使用寿命长、综合性能好的直升机甲板防滑涂料,这便成为国内舰载机甲板防滑涂料研究的方向和重点。
        直升飞机甲板防滑涂料是用于大型舰艇舰载直升机起降甲板及机库地面而涂覆的防滑涂料。该涂料用于保护舰船甲板,保障直升飞机在舰上的起降、牵引、维护等作业正常进行,以及保证船员能在甲板上进行正常活动。直升机甲板防滑涂料必须具有耐海水性、耐海洋气候、耐腐蚀、防滑、耐磨、耐冲击、耐洗刷、耐洗涤剂及柴油等性能。
        我国早期一般采用黄砂、水泥作为防滑耐磨材料。但这种防滑涂料使用寿命较短,易磨平,在北方严寒的冬季里易冻裂,耐钢板的热胀冷缩性能较差。后来,许多厂家加以改进,采用环氧聚酰胺或聚氨酯型作为防滑涂料,并加入了耐磨的碳化硅、金刚砂等。这些防滑涂料在直升机甲板上的应用十分有限,且效果也不理想。
        上世纪 80 年代,我国直升机起降甲板防滑涂料多采用环氧树脂粘防滑粒料体系。这种涂层因基料本身的性质,决定了它经不起日晒雨淋的海洋气候,易碎裂,易脱落,耐冲击性差。此外,这种涂料摩擦系数较小,通常干态下为 0.6,水湿态和油润态下约为0.3,远远达不到实际使用要求。《舰船直升机舰面系统规范》(GJB534-88)中规定,直升飞机起降甲板的防滑摩擦系数应大于0.6。
        上世纪 90 年代,我国成功研制了 HF-05 型直升飞机甲板防滑涂料,并逐步形成了一系列产品,涂装了我军多艘舰船。该甲板防滑涂料为聚氨酯型涂料,其综合性能达到了国外同类涂料的先进水平,在国内处于领先地位。HF-05 型直升飞机甲板防滑涂料具有优异的防锈防腐蚀性能,极好的弹性和韧性,优良的耐介质、耐大气老化和耐磨性,防滑性好,摩擦系数大,涂层与底材以及涂层之间的附着力好,能适应重载冲击和环境温差引起的热胀冷缩。在实用中,有的舰船经过七、八年的风吹雨打后甲板面仍完好如初。
        近年来,国内已有单位在开展舰载机甲板防滑涂料的先期研究,由于国外的技术封锁,目前只能以国内涂料技术水平为基础,结合美军标的相关指标要求进行探索研究。
        1.2 普通甲板防滑涂料
        在国外,甲板防滑涂料的开发利用已有很多年的历史,防滑涂料的应用也由普通甲板发展到了军舰、飞机起降甲板。1985 年,美国研制了一种胶含量仅7%的酚醛混合聚合物防滑涂料,其中加入了填料和防滑颗粒,柔韧性和耐磨性极高,涂于航空母舰甲板上能经受数千架次飞机高速着舰时的巨大冲击及摩擦。另外,美国的双组分环氧型防滑涂料Amcoat DC 4667 也已用于舰船露天甲板、飞行甲板和机库甲板;日本曾使用一种高填充橡胶粉作硬性环氧树脂的防滑填充剂,以减小防滑涂料的擦伤性;德国曾用乙烯共聚物制作空心球作防滑剂,以增强防滑涂料的附着性 。
        国内最早开发、生产防滑涂料的是上海开林造漆厂,以后各大油漆厂也有批量生产。主要品种有单组分醇酸甲板防滑涂料、单组分氯化橡胶甲板防滑涂料、双组分环氧甲板防滑涂料。但因有大量砂粒存在,使得涂层性能下降,如质脆,易开裂或脱砂,不耐油、不耐化学腐蚀,易老化,寿命短等。20 世纪80 年代,我国开始研究改性环氧甲板防滑涂料,20 世纪 90 年代,开始研究改性或高性能聚氨酯甲板防滑涂料。近年来,已有大量甲板防滑涂料应用于民用和军用船舶,如高聚物环氧甲板防滑涂料、聚氨酯弹性甲板防滑涂料等。
        2 甲板防滑涂料的分类及其应用 
        甲板涂料种类较多,根据不同的功能要求,可以分为不同的种类。按原料材质,可以分为有机甲板防滑涂料和无机甲板防滑涂料。
        2.1有机甲板防滑涂料
        有机甲板防滑涂料主要由基料、助剂和防滑粒料3 部分组成。
        基料通常选用耐候性和机械性能较好的醇酸树脂、氯化橡胶、酚醛树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂等。选择基料时,首先要考虑选用本身摩擦系数较高、耐磨性较好的成膜聚合物作基料,现今对防滑性能要求较高的场合,如航空母舰甲板涂料、直升飞机起降甲板防滑涂料、海上采油平台防滑涂料、军舰露天防滑甲板涂料,以及停车场防滑涂料等,一般都采用环氧或聚氨酯树脂作基料。
        防滑粒料能显著增大防滑涂料的摩擦性能,提高其耐磨性,延长涂料使用寿命。防滑粒料大致分软、硬两类。橡胶粒、橡胶粉,包括天然橡胶、废旧轮胎和聚氨酯弹性体颗粒,是最常用的弹性防滑粒,弹性粒料不仅能增加涂料的防滑性能,而且还能提高踏踩和触摸的舒适感。硬质防滑粒料主要有金刚砂(碳化硅、刚玉)、氧化铝颗粒、陶瓷粒(粉)、石英砂、实心和空心玻璃珠、塑料粒子,甚至是河砂。其中,碳化硅和刚玉增加摩擦力的效果最好。
        防滑涂料中也必须添加各种助剂,如消泡剂、流平剂、湿润剂、触变剂、防老化剂、光稳定剂、阻燃剂、增韧剂以及各种颜填料。对粒料的表面处理能增加粒料与基料的附着力,降低磨损率。一个典型的例子是,用硅烷偶联剂处理金刚砂可以提高防滑涂料的使用寿命 。
        有机甲板防滑涂料按采用树脂的种类又可以分为酚醛甲板涂料、醇酸甲板涂料、氯化橡胶甲板涂料、环氧甲板涂料和聚氨酯甲板涂料等。酚醛甲板涂料漆膜的硬度高,附着力和耐水性好,但固化慢,耐磨性欠佳;醇酸甲板涂料的附着力和耐候性佳,但固化慢,耐磨性欠佳;氯化橡胶甲板涂料的固化快,漆膜坚韧,耐磨性好,但耐油性较差;环氧甲板涂料除耐候性外,各项性能皆佳;聚氨酯甲板涂料的耐候性好,且具有良好的柔韧性、耐冲击性和耐磨性。随着造船业以及涂料行业的技术发展,目前,环氧甲板涂料和聚氨酯甲板涂料的应用最为广泛。
        2.1.1环氧甲板涂料
        环氧涂料是以环氧树脂为主要成膜物的涂料,环氧树脂可以用许多树脂进行改性,亦可与许多树脂进行交联固化,获得各种性能的环氧树脂类涂料。国内外对环氧防腐涂料和改性环氧涂料进行了大量研究,并进行了多年的实船涂装,目前,市场上的环氧甲板涂料主要为改性环氧类甲板涂料和水性环氧甲板涂料。
        早期的改性环氧涂料主要有酚醛改性环氧涂料、聚酰胺改性环氧涂料及丙烯酸改性环氧涂料等,作为甲板涂料的应用已十分成熟。
        目前,有机硅改性环氧涂料发展很快,所采用的有机硅改性环氧树脂综合了有机硅树脂的高耐候性及环氧树脂优异的附着力和防腐特性,同时,还克服了环氧树脂易粉化失光的缺陷。有机硅改性环氧涂料具有优异的耐候保光性,高固体份(>80%),具有优异的防腐性能,底面合一,不需要底漆,施工工序少。美国海军已开始涂装PSX700、Interfine979 等有机硅改性环氧涂料,以作为船壳和露天甲板涂料。
        另外,随着水性涂料技术的发展,舰船内部舱室甲板也开始大量采用水性环氧涂料。水性环氧涂料由于不含有机挥发性溶剂,在内部舱室使用安全环保。由于欧美等发达国家对环境保护比较重视,因而 IP,JOTUN,HEMPLE,SIGMA,中远关西,KCC 及ICI 等跨国公司大多有水性环氧涂料产品,但国外的水性环氧涂料产品在我国的应用很少。国内仅有少数厂家有批量在用的水性环氧涂料产品,主要用于耐腐蚀要求不太苛刻的舰船内舱,如生活舱、机舱等部位的甲板和围壁涂装。
        2.1.2聚氨酯甲板涂料
        聚氨酯涂料是以聚氨酯树脂为主要成膜物的涂料总称,由多异氰酸酯和大分子多元醇聚合而成。聚氨酯涂料对各种施工环境和对象的适应性较强,施工温度范围广,耐温性能好,涂膜坚硬、柔韧,有很高的附着力、耐擦伤性、耐磨损性和耐冲击性,防腐性能优良,耐介质性好。目前,国内外采用聚氨酯涂料作为舰船露天甲板及船壳涂料的应用十分广泛,如脂肪族聚氨酯涂料、丙烯酸聚氨酯涂料和聚醚型聚氨酯甲板涂料等。特别是聚醚型聚氨酯甲板漆,不仅固化快,使用寿命长,还可制成不同厚度,不同颜色,富于弹性,类似橡胶的制品,其可刷涂、滚涂、喷涂,涂层能与各色面漆配套,施工及维修很方便。
        从 20 世纪 90 年代起,为了解决高耐候性聚氨酯面漆的重涂问题,世界各主要船舶涂料厂商先后推出了可复涂聚氨酯面漆(如 IP 的 Inter? than990,JOTUN 的 FUTUAR AS 等),不仅保留了羟基丙烯酸聚氨酯涂料的优良耐候性,同时还突出了涂装间隔的无限制性,主要用于船壳及露天甲板部位。国内研发的725-BS42-28 可复涂聚氨酯甲板涂料,不仅具有优良的耐候性及良好的重涂性,还具有优良的耐磨性和优异的防滑性 。
        国外聚氨酯甲板涂料的技术及应用已十分成熟,除上述各种类型的聚氨酯涂料外,还有德国以 Desmophen 650 和 651 及 HMD 缩二脲配合制成的聚氨酯涂料,据悉,也已用于包括航空母舰在内的舰船甲板。英国也已将聚氨酯做成厚度达数毫米、富有弹性的防滑涂料层,其防滑耐磨性大大优于传统涂料。
        2.2无机甲板防滑涂料
        与有机涂层相比,无机(含金属基)甲板防滑涂层的摩擦系数更稳定,不含有害的有机溶剂及致癌结晶硅石,使用寿命更长。尤其是在抗老化性能方面,更具明显优势,如在海洋或水体环境中使用的具有防腐性能的热喷涂铝涂层,曾一度作为舰船甲板面防滑涂层使用,只因铝涂层硬度有限,难以满足重载高摩擦表面的使用要求而未能推广使用。美国采用电弧喷涂实芯 Al/Al2O3 丝材制备铝基复合防滑耐磨涂层,有效解决了这一问题。在美国海军舰艇的主甲板、人员活动走廊及直升机起落防滑甲板等部位,采用电弧喷涂实芯 Al/Al2O3 丝材制备的铝基复合防滑涂层,不仅满足了这些部位对防滑性能的要求,而且还解决了腐蚀和磨损问题。
        由于实芯 Al/Al2O3 丝材制备的工艺难度较大,所以我国科技工作者于近年研究开发了新型的电弧喷涂 Al 基 Al2O3 喷涂材料及相应的电弧喷涂铝基氧化铝陶瓷复合防滑涂层技术。涂层组织结构为金属 Al 涂层中弥散分布着高硬度 Al2O3 陶瓷颗粒。摩擦过程中,防滑耐磨涂层中的Al2O3 粒子与对磨材料接触,能有效保护较软的 Al 基体。
        这类涂层韧性好,硬度高,防腐耐磨,并且涂层摩擦系数可达 0.7~0.9,是理想的防滑耐磨涂层,并且电弧喷涂的工艺操作简便,造价低廉,用于舰船甲板面防滑有着良好的应用前景。
        另外,目前国外以美军为首开始了新一代高性能非晶合金防滑涂层研究。非晶合金是一种无晶界、无缺陷,原子结构长程无序,但短程有序的新型金属材料。这类材料拥有高强度、高硬度和极其优异的耐蚀、耐磨性能。美国 NAAC 计划的研究表明,采用无磁铁基非晶合金防滑涂层,预计使用寿命可达 10 年以上,大大超过了树脂基涂层 2~3 年的使用寿命。现国内已有相关科研单位在对非晶合金防滑涂层技术进行跟踪和先期研究,并提出了冷喷涂铁基非晶涂层技术的概念。
        3 甲板防滑涂料发展趋势 
        3.1有机甲板涂料向环保、功能化方向发展
        1)无溶剂型、水性化甲板涂料。
        随着涂料工业的发展,目前,无溶剂型 100% 固含量的涂料已经问世。由于涂料中不含挥发性有机溶剂,因此即使在狭小的内舱,也不会对空气造成污染,施工过程更安全。舰船内舱采用无溶剂型涂料作为甲板涂料具有良好的前景。
        水性涂料是涂料工业发展的热门方向,国内外均有研究。水性涂料具有气味低、环保、不燃、不爆以及施工安全、方便等优点。由于欧美等发达国家对环境保护较重视,因而水性涂料的发展迅速,作为内舱甲板涂料的应用也已十分成熟和广泛。但国内在水性涂料方面起步晚,发展还较落后,尤其是用作甲板涂料方面,应用还很少,需要紧跟国外步伐开展研制,形成产业化。采用水性涂料作为内舱甲板涂料的意义十分重大 。
        2)低太阳能吸收防滑甲板涂料。
        舰载机甲板由于面积大、直接正对太阳暴晒,成为舰上巨大的热接收源,因而其下表面要求敷设较厚的隔热材料,同时影响空调的能量要求。而舰载机甲板防滑涂料普遍采用灰色,其比浅色涂料更易吸收太阳辐射热,因此,舰载机甲板防滑涂料不仅需要具有满足舰载机使用的功能,而且还需要具有低太阳能吸收的性能,以减少甲板下生活区和工作区的热负荷。
        根据上述情况分析,可见低太阳能吸收防滑甲板涂料的普遍应用十分必要。目前,国外已有相关产品问世,如荷兰的 Intershield 6GV/6LV,国内在进行相关研究时应予以借鉴。
        3)高耐久性甲板防滑涂料。
        美军标要求航母飞行甲板涂料可承受飞机起落10 000 架次,但实际上,有时仅 3 000 架次涂料就损坏了。美军在 1990~1991 年的“沙漠风暴”战役中,有的甚至使阻拦索区的飞行甲板露出了光秃秃的金属,这就给飞机起落带来了危险。
        美国航母计划办公室仍在投资开展有关研究,他们将新的防滑耐磨涂料的寿命目标设定为着舰区涂料能够经历 15 000 次阻拦着舰,通用型涂料(航母上其他区域使用此类涂料)寿命达3年。
        4)单层快干防滑涂料。
        美国正在研发的单层快干防滑涂料主要用于航母着舰区,其以一种具有强粘接性的新型树脂为基体,无铬酸盐防锈剂,无挥发性溶剂,单层涂覆,涂层可在 12 h 内干燥使用。该涂料具有底层涂料所具备的黏性和抗腐蚀性能,同时,还具有常规防滑外层所具有的更好的耐久性、抗风化能力和高摩擦系数。
        综上所述,有机防滑涂料的开发与应用除了考虑环保要求外,更为重要的是,有机防滑涂层向功能化方向发展已成为当今发展的一种趋势。
        3.2金属复合涂层成为无机甲板防滑涂层的选择
        激光诱导改善表面(Laser Induced Surface Improvement,LISI)是防滑涂料使用方面的一种新方法,它采用激光熔化金属粉末,一部分形成长期防腐的底层,一部分形成耐磨面层。比如,用钛金属或其它重金属与陶瓷复合在一起形成一层无毒的金属粉末。目前,激光法还未大量应用,激光束的宽度仅 4 mm,应增加宽度(30~40 mm)和扫描速度。预期用LISI 方法施工和修补的航母甲板防滑涂层不仅能超过当前有机防滑涂料体系的性能,而且还能减少维修费用。
        另外,目前国外已开始了新一代高性能非晶合金防滑涂层的研究,该涂层的全寿命价格相对于传统树脂基防滑涂层可降低约50%。美国海军已将铁基非晶合金作为新一代航空母舰甲板防滑涂层进行重点研发。
        基于金属涂层的特殊优异性能,金属复合涂层成为无机甲板防滑涂层的首要选择,值得国内研究人员重视。
        4 结 语 
        目前,国内外的甲板涂料技术发展很快,相比之下,我国的高性能甲板涂料、环保型甲板涂料以及舰载机专用甲板涂料的发展还较落后。
        随着我国海军装备的快速发展,舰船对甲板防滑涂料的长效、环保、多功能、施工方便等性能提出了更高的要求,这给我国的甲板涂料行业也带来了机遇和挑战。国内甲板防滑涂料行业,包括普通甲板防腐涂料,都可以借鉴国外甲板防滑涂料研究、发展的思路,充分利用先进材料科学技术,研究、开发具有自主知识产权的各类新型甲板防滑涂料。

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