舰船用液体舱快速固化涂料性能和施工研究

　　乐艺1，范名琦2，陈酒姜3，卢敏3
　　
　　（1.渤海船舶重工有限责任公司，辽宁葫芦岛125004；2.海军驻431厂军事代表室，辽宁葫芦岛，125004；3.海洋化工研究院，山东青岛266071）
　　
　　摘要：介绍了舰船用液体舱快速固化涂料的施工工艺和材料组成，评价了舰船防腐用聚氨酯和聚脲材料的性能,对施工设备做了介绍。
　　
　　关键词：舰船；快速固化；聚氨酯；聚脲；施工设备
　　
　　1引言
　　
　　2001年，美国海军着手于一项雄心勃勃的计划来降低舰船维护和腐蚀控制的成本。由海军研究部（ONR）发起，并在海军水面系统指挥中心（NAVAEA）技术转化部的领导下，海军研究实验室（NRL）开发了快速固化涂料以完成这个目标。这个项目成功的关键在于：确认一种新的快速固化涂料技术，对这项技术进行了验证，并且转化应用到舰艇上。在这个项目中，由海军研究部和海军水面系统指挥中心联手成功地确认了这项新的技术，并且开发了新的材料。在海军研究部的指导下，海军研究实验室负责命名候选的材料和开发新的技术产品。在技术转化中，海军水面系统指挥中心评价了候选的材料及最新开发的产品，发布进行实验室资格测试的命令。快速固化涂料技术已经存在多年，但直到最近材料和施工技术才完全开发出来。多年以来快速固化涂料只是作为实验室研究，停留在为未来市场领域作准备的阶段上。这个项目中涂料技术研究的关键在于两个方面：施工工艺和组成材料。
　　
　　2对快速固化涂料的需要
　　
　　船舶的内部区域经常受到腐蚀成分的侵扰。液体舱的内部必须进行严格的防腐处理，一般通过涂装特定的涂料来完成腐蚀防护。对于一艘轮船的检修来说，至少一半的时间用来等待维修区或者维修区附近的涂料固化。例如，在检修时期的任一天中，将有超过10～15处大范围的区域（大于3000ft2）需要进行表面处理和涂装。安排这些工作时需要考虑周围区域的施工以及允许不同工种同时作业来减少时间上的冲突。足足四分之三的涂装和维护工作直接影响着邻近区域，因此需要制定详细的时间表来减少这些冲突。在整个过程中，整体协调工作特别花费时间。并且经常因结构维修、材料库存、人员安排等进行调整，造成维护过程是花费时间的最大原因。例如天气是影响涂装的重要因素，虽然施工设备和施工过程都能有效地减少周围环境造成的影响，天气情况仍然对涂料（特别是固化干燥时间）有显著的影响。无论进行涂装、结构维修还是设备安装，不合适的天气会造成一系列的工作延期。对于船厂的涂装来说，最大的困难之一就是刚涂好的涂料形成早期破坏：在刚涂好涂料的液体舱进行设备的再安装，设备很快掉落；舱内涂装好以后，接下来的维修工作造成的灰尘、粉末、金属碎片等嵌在了未固化好的涂层中；由于不小心或者别的原因，水从内部甲板和过道中流进了刚涂装好的舱内；海水管线的阀门偶尔会因打循环而打开，直接导致了海水喷洒在舱内。大多数涂层早期破坏产生的原因是由于大多数涂料需要很长的固化时间。海军所采用的典型的无溶剂、高固含量的涂料在25℃下固化时间是8～12h。这就意味着在8～12h内，涂料体系会受到环境的影响，因此必须严格保护不被污染。为了确保质量，就需要专人看护未固化的涂层。当然，他们需要事先的培训，需要许可证，当然还有工资。付钱雇佣人手仅仅是为了站在那里看着涂料固化，这在现代工业中并不可取。
　　
　　3快速固化技术
　　
　　一个简单的解决办法就是采取一种能够迅速固化的涂料体系，这样就不再受到固化慢的涂料所造成的长时间固化过程中所产生的风险的影响。目前快速固化涂料还没有正式的定义，可以简单地归纳为能够快速或者在20min以内固化的涂料体系（25℃）。很快固化是一个更宽的条件，并已沿用了几年，一般指能在3～4h内固化的涂料体系。本文中所涉及的快速固化涂料基于2种材料：聚氨酯和聚脲。所有的快速固化涂料仍然需要像传统涂料一样做底材处理。

　　 　　3.1聚氨酯
　　
　　聚氨酯是一种多功能的材料，因此可以用来做涂料、内衬、结构树脂、密封胶和泡沫材料。自从聚氨酯产生以来，组成成分发生了很大变化。一般来说，聚氨酯涂料包括1种多元醇和下面的1种或者几种固化剂：二异氰酸酯单体、聚合异氰酸酯或者异氰酸酯预聚物。异氰酸酯也包括2个方面：芳香族和脂肪族。在聚氨酯涂料领域，实际采用的配方由施工对象和使用情况所决定。芳香族异氰酸酯一般应用于结构、耐化学介质衬里、涂料、泡沫材料等方面，反应速率快但户外耐候性不理想。脂肪族的异氰酸酯恰恰相反，能够抵抗紫外线辐射，因此可应用于户外，但它的缺点是耐化学介质性较差，而且反应速率要慢得多。从传统意义上来说，聚氨酯涂料在建筑领域使用是因为考虑到美观。因此，关注的焦点不是在涂料而是局限在小范围的建筑应用，也就是所谓的密封材料、泡沫材料和复合材料。双组分施工设备（用来处理快速发泡和密封）的发展也大大促进了快速固化聚氨酯涂料的发展（双组分喷涂设备是一种能够计量和混合多种成分并且施工的机器）。PU泡沫和密封胶耐化学介质的优点也缓慢但稳定地促进了耐化学稳定性聚氨酯涂料的发展。舰船防腐用快速固化聚氨酯这个工程的关键在于，在液体舱内部用芳香族异氰酸酯类快速固化聚氨酯涂料作为防腐内衬的确定、开发和使用。内在的高度化学交联使涂膜变得坚硬、高弹性和具有化学稳定性，这些性能可应用于舰船液体舱和内舱。迄今为止，由芳香族聚异氰酸酯高聚物制成的涂料都具有很低的蒸汽压。这减少了对施工人员的伤害，图1展示的是使用快速固化聚氨酯涂料前后的效果对比。

　　图1施工快速固化涂料前后效果对比

　　3．2聚脲
　　
　　聚氨酯技术的发展导致了聚脲的发现。聚脲是异氰酸酯和胺发生非常快速反应的产物。反应非常剧烈，混合纯低分子异氰酸酯和低分子胺后几乎产生爆炸的效果。聚脲的发现因聚氨酯的成功而少为人知，同时对聚脲的认识仍然是聚氨酯技术的冰山一角而已。初期对聚脲缺少足够的兴趣主要是因为其固化时间短，成膜性能差以及缺少合适的施工技术。聚氨酯成功的历史证明其已经发展到了一个相对成熟的阶段，但聚脲没有得到同样的发展。尽管如此，由于双组分喷涂设备的发展，聚脲开始渐渐地引起人们的兴趣。舰船防腐控制用快速固化聚脲方案的关键在于对芳香族异氰酸酯和不含聚醚的氨基快速固化聚脲涂料的确定、开发和使用。完善的化学稳定性和内在的高度化学交联使聚脲涂层具备坚硬、高弹性和化学稳定性等性能，而这些性能应用于舰船液体舱和内舱是很理想的。
　　
　　4材料性能评估
　　
　　这个步骤成功的关键：对所选择的快速固化产品进行实验室评估和舰船实际应用。现在，这2种快速固化聚氨酯涂料在海军研究实验室的西部海洋腐蚀鉴定中心进行了完全评估（评估的性能编号是MIL-PRF-23236）。需要进行测试的一部分性能如下：
　　
　　⑴模拟压载舱环境进行循环海水/燃油/空气暴露试验；
　　
　　⑵1000h的饱和湿度试验；
　　
　　⑶阴极剥离试验；
　　
　　⑷航空煤油浸泡试验。
　　
　　性能测试程序用来对刚施工或施工不久的涂料进行初始加速测试。由于要模拟涂层在压载水舱的长期应用，因此这些测试是首要的。时间表上安排的是当模拟压载水舱测试试验进行了6个月的时候，所有的加速试验必须完成。海军海洋系统指挥中心通报测试结果，然后选择合适的涂料来进行海洋试验安排。海洋试验中，在现行的活动平台上采用一种新的涂料体系需要很长的研制周期（6～8个月），因此，在涂装之前，所选的涂料可以在实验室中完成全部的MIL-PRF-23236性能测试。特殊情况下，所选的涂料在全部性能测试完成之前可以立刻应用。除此之外，必须等到6个月的性能测试完成之后，所选涂料才能应用到舰船上。

　　 　　如果所选的涂料通过了6个月的质量验证，而且已经成功地涂装在了活动平台上，通过了1年的性能测试，又在接下来1年的舰船应用中得到了满意的结果。这时涂料就会被列入质量产品清单（QPL）。这就证明所有的性能、生产、环境、健康和安全都已经达标。
　　
　　5施工和过程演示
　　
　　5.1需要的设备
　　
　　对于快速固化涂料，需要一种能够传送多组分来产生特定配比的双组分喷涂设备。这套系统的基本组成是：1个计量或者比例泵，1个混合室和1把喷枪。当然也有其它的一些设备，例如加热、供料、物料处理记录系统。但这些设备不是每一个系统都必须具有的。
　　
　　5.2比例泵
　　
　　双组分设备的比例泵一般有2种：固定配比和可调配比。一般来讲，固定配比设备的配比在出厂前已按标准设定好了，比较精确。对于可调配比设备，配比可以迅速地进行调整，因此精度就没有那么精确。这就需要使用者多进行检查并且进行微调来确定和验证配比是否精确。双组分泵一般使用气动、液压和电动驱动。空气驱动的双组分泵控制着无溶剂环氧重工业市场，而液压驱动泵只是占据了少量的市场像原位发泡、小比例以及特殊涂料应用。选择空气驱动还是液压驱动并没有什么工业标准，根据实际需要进行确定。
　　
　　5.3混合室或混合站
　　
　　混合室也分为2种基本类型：远程混合和撞击混合。对远程混合来说，涂料的A、B组分在远程泵里面就按照一定的比例混合好，然后通过单一供料管线将混合料传送到喷枪。这种混合方式对固化时间超过20min的无溶剂涂料是理想的，对那些在混合的最初时间内组分有轻微不相容，需要在涂装前有短暂的熟化时间的涂料来说，也有不错的效果。撞击混合与远程混合的不同之处在于涂料组分是各自通过单独的供料管线进入到枪体内的。扣动喷枪的扳机后，单独的组分在喷枪的混合室里面进行快速混合。这样涂料在离开喷枪之前经历了瞬间的混合，然后被喷涂到底材上。对于撞击混合来说，涂料的2种成分必须是相容的。对于快速反应涂料体系，撞击混合是惟一合适的混合模式。
　　
　　5.4实船演示
　　
　　在2002年和2003年，快速固化、耐化学介质的聚氨酯涂料在现役舰船上进行了4处成功地应用。这4处演示发生在：
　　
　　⑴美国军舰港斯顿·霍尔号（USSGunstonHall，LSD44）1个海水舱；
　　
　　⑵惠德贝岛号（WhidbeyIsland）2个海水液压舱；
　　
　　⑶美国军舰乔治·华盛顿号（CVN73）1个应急舱；
　　
　　⑷美国军舰海盗猎手号（Tortuga，LSD46）4个压载舱和2个饮水舱。

　　图2展示的是在惠德贝岛号的海水液压舱里应用快速固化聚氨酯涂料后的效果。

　　 　　图2压载水舱施工过快速固化聚氨酯后的效果
　　
　　施工快速固化聚氨酯涂料，采用设备商改进过的空气动力双组分比例泵，泵上安装撞击混合喷枪，物料传输速率达到约3gal/min。这种设备的施工效果是令人满意的，施工人员可进行漆膜厚度控制，喷涂速率可达15～20ft2/min。虽然由于物理尺寸限制了枪的灵活性（与单组分进料枪相比大得多），但由于物料压力低，传输管线显得更加灵活，保证可以在压载舱内部狭小区域和形状复杂的部位进行施工。喷枪制造商介绍了一种更小的喷枪，这种喷枪出料速率是1.0～1.5gal/min，使用起来更加灵活、方便。
　　
　　6成本节约
　　
　　与传统的涂装工作相比，施工快速固化涂料时人力成本和维护成本要高一些，然而增加的成本多数用于质量保证以及控制、设备、材料、表面处理和环境控制。从实际应用来说，与传统的溶剂型涂料相比，虽然在设备准备、涂装在内的成本要高一些，但是表面处理仍然保持不变，最大的成本降低在于施工人员等待固化的时间缩短，包括临近区域的工作被等待涂料固化所打断、除湿、加热，以及由于涂层不干或者未完全固化形成破坏而造成的返工。