聚氨酯材料在船舶中的应用现状与展望.pdf

聚氨酯材料在船舶中的应用现状与展望 1 聚氨酯材料在船舶中的应用现状与展望 聚氨酯材料在船舶中的应用现状与展望 马英华（海装沈阳局驻大连地区第三军事代表室，大连，116000）摘要：本文首先介绍了聚氨酯材料的结构及主要的性能特点，并总结了聚氨酯材料在阻尼涂料、地板材料、低表面能防污涂料、船用隔振器、水声吸声产品和水声透声产品等船舶相关细分领域的应用情况，最后对聚氨酯材料在船舶中的应用进行了展望。关键词：聚氨酯材料；船舶；应用 1 聚氨酯材料的微观结构及性能特点 聚氨酯材料是一类在分子链中含有较多重复的氨基甲酸酯基团（-NHCOO-）的聚合物材料。从分子结构看，聚氨酯材料是一种嵌段聚合物，一般由大分子多元醇柔性长链构成软段，以二异氰酸酯及扩链剂刚性结构构成硬段，硬段和软段交替排列，形成重复结构单元。除含有氨酯基团外，聚氨酯分子内及分子间可形成氢键，软段和硬段可形成微相区并产生微观相分离。聚氨酯材料的主要性能特点有1：1）硬度范围宽，具有优异的模量可调性 普通橡胶的硬度范围为邵 A20 至邵A90，普通塑料的硬度范围为邵 A95 至邵D100，而聚氨酯材料的硬度可在邵式 A10到邵式 D80 之间任意调节，而且不需要添 加填料。尤其难能可贵的是，即使在邵 A90以上的条件下聚氨酯材料仍具有良好的回弹性和拉断伸长率，而传统橡胶材料需要填充大量填料或过度交联，并以损失弹性和伸长率为代价才可以制备较高的硬度。2）力学强度高 在同等橡胶材料硬度下，聚氨酯材料的拉伸强度和撕裂强度比普通橡胶材料高；在同等塑料硬度下，聚氨酯材料的冲击强度和弯曲强度比塑料材料高很多。3）耐磨性能好 聚氨酯材料的耐磨性能非常优异，约为天然橡胶的 3-5 倍；在实际使用时，由于润滑剂等因素的影响，耐磨效果往往更好。4）耐油、耐臭氧、吸振、耐蠕变性能优良。2 聚氨酯阻尼涂料 船舶上的噪声大部分来源于机械噪声、推进器噪声和水动力噪声，噪声会影响船舶的隐蔽性和船员的舒适性。阻尼涂料可以在不改变船舶原有设计和设备的情况下作者简介：马英华（1985-），毕业于哈尔滨工程大学，本科学历，现就职于海装沈阳局驻大连地区第三军事代表室，主要从事舰船装备管理。橡塑资源利用 2进行有效降噪，同时便于常温下刮涂施工，以及在各种复杂面、拐角等处施工，因此在造船行业以框架结构为主的减振降噪处理方面广泛应用2。T54/T60 阻尼涂料是一种约束性阻尼材料3，由 T54 和 T60 两种型号组成。两者在阻尼层上是相同的，均为无溶剂双组份聚氨酯涂料，区别在于约束层。约束层均为无溶剂双组份环氧树脂涂料，其中T54 型约束层含有钢丝网，适合于地板等平整部位施工，T60 型约束层中不含钢丝网，适合于复杂曲面施工。该涂料与多种面漆和底漆有很好的配套性，具有阻尼温域宽、损耗因子高、阻燃、无毒、施工方便、可以厚涂、常温固化和不污染环境等特点。温喜梅等4从异氰酸酯种类、大分子多元醇种类及相对分子质量、扩链剂种类、硬段含量、云母粉添加量等聚氨酯材料配方方面讨论了影响阻尼涂料阻尼层损耗因子和力学性能的因素。结果表明采用甲苯二异氰酸酯制备的阻尼层具有优异的低温阻尼性能，二苯基甲烷二异氰酸酯制备的阻尼层高温阻尼性能较好；聚氧化丙烯二醇制备的阻尼层性能优于聚四氢呋喃二醇；以扩链剂 6200 制备的阻尼层损耗因子峰值较高，力学性能较好；提高硬段含量，损耗因子峰值升高，阻尼温域变窄；云母粉的加入可提高阻尼层阻尼性能和力学性能，添加量为 16%时材料性能最优。3 聚氨酯地板材料 舰船本身的框架结构具有较好的抗腐蚀性和结构性，舱内设施的材料也越来越多样化。舰船舱室的地板受到潮湿且具有腐蚀性海水的侵蚀，因此要求材料具有较强的耐磨性、耐氧化性、耐腐蚀性、优异的衔接性和环境友好性等5。唐功庆等6以组合聚醚多元醇、二苯基甲烷二异氰酸酯和扩链剂 MOCA 为原料制备了舱室用无溶剂聚氨酯弹性地板材料，研究了 R 值、扩链剂、填料等因素对其力学性能、阻燃性能等的影响规律。结果表明该弹性地板材料具有优良的弹性、强度、环保和施工工艺性能，可以满足现代舰船舱室地板的性能要求。4 聚氨酯低表面能防污涂料 舰船工作在海洋环境中，表面极容易引起海洋生物吸附。海洋生物附着在船体表面，不仅会使舰船摩擦阻力增大，增加燃油消耗，而且会加剧水下设备的腐蚀，更严重时将会影响到设备功能无法正常使用。低表面能防污涂料以其环境友好性和良好的防污性能逐渐受到人们的关注，其防污机理是采用疏水性的分子构建低表面能表面，使海生物不易附着或即使附着后在水流或者外力的作用下也很容易脱落。其中，氟聚氨酯(FPU)和有机硅聚氨酯(SPU)是最有代表性的两类低表面能涂料，该类涂料在采用含氟或有机硅基团降低材料表面能的同时，保留了聚氨酯软硬段结构微相分离形态结构和优异的粘接性能。该类材料防污是基于涂料表面的物理作用，不存在有毒物质释放，是一种绿色防污涂料，已在舰船防污方面获得了实际应用7。刘月涛等8以N-乙烯基吡咯烷酮和丙烯酸丁酯为原料，通过自由基共聚合成亲水侧链，并将其作为扩链剂引入有机硅-聚氨酯体系中，由于氨基甲酸酯键之间的氢键相互作用，所制备的有机硅-聚氨酯聚合物具有较高的机械性能和较高的基材附聚氨酯材料在船舶中的应用现状与展望 3着力。引入亲水侧链后，涂层依然具有较低的表面能，对假单胞菌的抗菌黏附率为98%。5 聚氨酯弹性体 聚氨酯弹性体在船舶中的应用主要包括聚氨酯隔振器、聚氨酯水声吸声材料和聚氨酯水声透声材料等三方面。谢华9等人以船用柴油机广泛使用的CM-(G)型隔振器为研究对象，对聚氨酯与天然橡胶隔振器的动、静态等性能进行试验对比分析。试验结果表明：聚氨酯隔振器具有较低的固有频率，承载范围更宽；随弹性体硬度提高，其承载能力可以达到远高于天然橡胶隔振器的承载能力；聚氨酯隔振器的蠕变性能和天然橡胶隔振器的蠕变性能相当。赵清白10选用了分子量相同的聚氧化丙烯二醇（PPG）和聚己二酸丁二醇酯二醇合成聚氨酯弹性体，发现在 16kHz频率的后者的水声吸声能力整体优于前者。该研究还比较了相对分子质量为 1000 和2000 的聚氧化丙烯二醇所制备聚氨酯弹性体的声学阻尼性能，发现 PPG2000 制得的PUE的损耗因子值是PPG1000的两倍，并在 500Hz 处的吸声系数达到 0.6。浇注型聚氨酯弹性体的透声性能良好，且力学性能优异。用其制作的导流罩或透声窗等部件，不仅声学、力学性能优异，而且成型工艺简单，避免或降低了因使用声学材料而带来的探测灵敏度以及指向性的损失。同时聚氨酯弹性体作为水声透声材料时，不仅能够让声信号几乎没有反射和损耗地通过，而且能降低流体湍流边界层的压力脉动所产生的流噪声。这点对于水中高速运行的设施及武器非常有利。常用的水声透声制品包括：潜艇声呐、鱼雷的透声窗或导流罩，以及各种水听器的包覆层，拖曳线列阵声呐的护套材料等11。6 结语 目前，聚氨酯材料已在船舶上得到广泛应用，但相对于国外的规模化应用，国内还处于起步阶段。随着科技人员对聚氨酯材料研究的深入和关键核心技术的突破，充分利用聚氨酯材料的性能优点进行新材料的开发和产品的设计，聚氨酯材料在水声吸声领域、水声透声领域、阻尼减振领域、防海生物污染等领域的应用日趋广泛。参考文献：1 山西省化工研究所.聚氨酯弹性体手册M.北京:化学工业出版社,2001.01 2 宋振伟,周晶.阻尼涂料的发展及其在船舶中的应用J.橡塑资源利用 2022(04):22-26 3 刘东晖,黄微波,杨宇润,等 T54/T60 阻尼涂料在舰船减振降噪工程中的应用J.船舶,1997,4:40-47 4 温喜梅,王伟,王宝柱,等.舰船用约束阻尼涂料阻尼层制备影响因素研究J.化工新型材料.2022,50(S1):364-367+373（下转第 29 页）浅谈苯乙烯产品质量提升 293 文家新.碳钢智能防腐涂层研究D.重庆大学,2022,4 祁洪胜,杨克.苯乙烯产品储罐聚合物含量超标原因分析与对策J.炼油技术与工程,2023,053(006):45-49.5 陈强.电化学与水处理剂在冷却水系统中的协同作用研究J.华东理工大学,2019,6 本刊主办院校研究生学位论文题录J.高校化学工程学报,2001,015(001):93-99.7 Yuan Y,Kaneti V Y,Liu M,et al.Seed-mediated synthesis of dendritic platinum nanostructures with high catalytic activity for aqueous-phase hydrogenation of acetophenoneJ.Journal of Energy Chemistry,2015,24(05):660-668.8 范 阳 亮.苯 乙 烯 装 置 油 水 分 离 器 界 面 乳 化 和 聚 合 问 题 分 析 与 对 策 J.炼 油 技 术 与 工程,2021,051(006):28-39.9 杨玲,匡传富,徐金荣,赵浩,吴忠云,郑俊荣.液体饱和蒸气压测定实验改进探索J.实验技术与管理,2023,040(002):183-186.10 崔涛,王天宇,赵赫.工业乳化废液破乳剂研究趋势与进展J.现代化工,2023,043(001):51-56.11 唐亚芳.N,N-双取代羟胺对苯乙烯阻聚性能的研究D.河北工业大学,2021.（上接第 3 页）5 马建斌.无溶剂聚氨酯地板材料在舰船舱室中的应用J.舰船科学技术.2017,39(12):190-191 6 唐功庆,张梅,罗玉媛,等.无溶剂聚氨酯弹性舰船地板材料的制备及性能研究J.化工新型材料.2011,39(06):130-132 7 鲍海阁,王宇飞,郇彦,等.新型聚氨酯材料及其在舰船中的应用J.应用化学,2013,30(10):1109-1116 8 刘月涛，赵素素，张德金,等.两亲性有机硅-聚氨酯防污聚合物的研制J.有机硅材料，2023,37(2):1-7 9 谢华,张小华,殷长春.聚氨酯与橡胶隔振器性能对比分析J.柴油机.2015,37(6):33-35 10 赵清白.聚氨酯链段化学结构对其弹性体的水声吸声性能的影响研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2019 11 张欣钊,申英俊,赵国满.聚氨酯弹性体在水声透声材料中的应用J.橡塑资源利用,2008,(1):30-32 （上接第 21 页）9Yatim H.,Moszkowicz P.,Otterbein M.,Lang P.Dynamic simulation of a batch extractive distillation processJ.Comput.Chem.Eng.,1993,17(Supple):S57-S62.10张志刚，徐世民，李鑫刚，张卫江.间歇萃取精馏技术的研究进展J.化工进展，2004,23(9):933-937.11Pretel E J，Lopea P A，Bottini S B，et al.Computer-aided molecular design of solvents for separation processesJ.AIChE Journal,1994,40(8):1349-1360.12Lee F.M.,Gentry J.C.Dont overlook extractive distillationJ.Chem EngProg,1997,93(10):56-64.13Hampe M.J.Selection of Solvents in Liquid/Liquid Extraction According to Physico-chemical AspectsJ.Ger Chem Eng,1986,9:251-263.