船用阻尼材料燃燒性能研究

■ 郝彥斐 莊 磊 賴宏宇

船用阻尼材料燃燒性能研究

■ 郝彥斐 莊 磊 賴宏宇

《船上等級噪聲規則》的實施對減振降噪的阻尼材料的實船應用提出了迫切需求。基于試驗中心開展的阻尼材料耐火試驗，本文研究了此類材料在表面可燃性及煙密度試驗中的防火性能，并著重分析了不同試驗條件和因素對其對評判結果的影響。通過研究，為制定2010 FTP規則對阻尼材料的耐火要求提供試驗數據和技術支撐，推動減振降噪材料的實船應用。

阻尼材料、表面可燃性、煙密度；減振降噪；耐火要求

0 引 言

船舶振動和噪聲環境的長期影響不僅會傷害船上人員的身心健康，還會導致船舶結構設備因長期振動而疲勞損壞為有效控制振動、降低噪聲，船舶主要振源所在的船體、基座及相關艙室內將大量采用阻尼材料。而根據IMO 2012年通過的《船上等級噪聲規則》附錄3第1.4條的規定，采用噪聲控制措施時，降噪材料的使用不應引起火災、安全或健康方面的危險。因此，船用阻尼材料需要同時滿足一定的防火等級。

國際海上人命安全公約（SOLAS公約）第II — 2章將材料劃分為不燃性材料和可燃性材料。用于船舶“A”和“B”級耐火分隔的隔熱材料均需要為不燃材料；與隔熱物一起使用的防潮層和粘合劑，以及冷卻系統管系配件的隔熱物，不必為不燃材料，但應保持在實際可行的最低數量，并且它們的外露表面應具有低播焰性。外露表面使用的油漆、清漆和其他飾面涂料、甲板基層敷料應不致產生過量的煙氣及毒性物質。具體分類如圖1。

圖1 船用防火材料分類及性能要求

船用阻尼材料屬于可燃材料范疇，按照現行標準要求，需要滿足2010年國際耐火試驗程序應用規則（2010 FTP 規則）中表面可燃性以及煙密度和毒性的標準要求。

阻尼材料的減振降噪性能主要取決于所選用的樹脂基料、功能填料以及改性的方法。目前主要有涂料類和橡膠類兩種形式（見圖2、3）。

圖2 涂料類阻尼材料

圖3 橡膠類阻尼材料

遠東防火試驗中心作為第三方專業檢測機構，長期以來按照IMO FTP規則對各類船用耐火材料和耐火結構產品進行標準耐火試驗。本文統計了試驗中心自2011年起至2016年中期對減振降噪材料進行的所有有效的表面可燃性試驗和材料煙氣和毒性試驗數據。通過對試驗數據的研究，了解當前國內減振降噪材料在防火性能方面的現狀，探索不同試驗因素對其對評判結果的影響。通過本文研究，為制定2010 FTP規則對阻尼材料的耐火要求提供試驗數據和技術支撐，也可進一步推動減振降噪材料的實船應用。

2 表面可燃性試驗

2.1 實驗內容

材料表面可燃性試驗是對船舶結構表面材料的阻燃性能的一種測試。按照2010 FTP規則的規定，試驗對象包括艙壁、墻和天花板襯板，地板覆蓋物，甲板基層敷料，可燃通風導管，制冷系統隔熱層以及管道配件隔熱層一起使用的防潮層和粘合劑，“A”級、“B”級和“F”級分隔使用的粘合劑等產品。

根據2010 FTP規則附件1第5部分要求，對待測試樣進行3次試驗，如果試樣的熄滅時臨界熱流、持續燃燒熱量、熱釋放總量和熱釋放速率峰值的平均值均滿足其表面可燃性衡準要求，試驗中試樣出現的非常規狀態結果合格，則試樣可視為符合SOLAS公約第II—2章要求的具有低播焰性的表面材料。

根據目前標準和阻尼材料的使用要求，阻尼材料需要滿足艙壁、墻和天花板襯板或者地板覆蓋物相對應的試驗要求。

2.2 數據分析

經統計，從2011年至今，遠東防火試驗中心阻尼材料的表面可燃性試驗一共進行了26次，其中產品性能衡準滿足表面可燃性衡準要求的試驗有18次。在這18次試驗中，滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準要求的14次，不滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準要求但達到地板覆蓋物衡準的4次，分布情況見表1所示。

表1 阻尼材料表面可燃性試驗數據統計

從表1中可以看出，在這些阻尼材料試驗中，試樣包括兩類：一類是涂料類阻尼材料，共進行了16個試驗，成功試驗的次數為15次。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準要求的10次，滿足地板覆蓋物衡準的5次；一類是橡膠類阻尼材料，共進行了10個試驗，成功試驗的次數為5次。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準要求的有2次，滿足地板覆蓋物衡準要求的有3次。試驗分布情況見圖4所示。

圖4 阻尼材料表面可燃性試驗結果

從圖4中可以看出，涂料類阻尼材料表面可燃性試驗的成功率較高，達到87%，滿足艙壁、墻和天花板襯板標準要求的比例也較高，占56%；橡膠類阻尼材料的表面可燃性試驗成功率較低，只有50%。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板標準要求的比例更低，只占17%。

由于表面可燃性試驗中艙壁、墻和天花板襯板的標準要求更高，且大部分阻尼材料在使用過程中需要滿足該標準，因此滿足艙壁、墻和天花板襯板的標準要求成了阻尼材料表面燃燒性能評判的重要指標。下面對未滿足該標準的試驗進行統計，分析不同試驗衡準對試驗結果的影響，如表2和圖5所示。

從表2和圖5中可以看出，對于阻尼材料表面可燃性試驗，導致試驗結果評判失敗的主要影響因素是熱釋放總量Qt，占總試驗次數的80%，其次是臨界熄滅熱流CFE，占總試驗次數的40%。持續燃燒熱量Qsb指標較易滿足，沒有因Qsb產生的試驗失敗情況。

表2 未滿足標準要求的試驗統計

圖5 不同試驗指標及其引起的失敗試驗

圖6 阻尼材料試樣厚度與熱釋放總值的關系

因此，對于提高試驗成功率，滿足試驗要求，研究降低熱釋放總量是一種重要手段。除了與材料本身的成分、配比、工藝等相關外，材料厚度與熱釋放總值具有重要影響。本文統計了涂料類和橡膠類試樣厚度與熱釋放總值的關系，如圖6所示。

從圖6中可以看出，對于滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準（Qt≤0.7 MJ）的涂料類試樣，試樣的厚度大多集中在厚度較小的0 ～ 5 mm區間，試樣最大厚度達到20 mm；對于Qt≤0.7 MJ的橡膠類試樣，試樣的厚度均集中在2～3 mm間，滿足衡準的試樣最大厚度為3 mm；對于不滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準（Qt＞0.7 MJ）的兩種試樣，試樣的熱釋放總值都有隨著試樣厚度增加而增加的趨勢。

由此可以看出：對于涂料類的阻尼材料，滿足要求的試樣最大厚度能夠達到20 mm，符合減震降噪的實際需求；而對于橡膠類的阻尼材料，滿足要求的試樣最大厚度僅有3 mm，無法滿足減震降噪的實際需求。因此，建議生產商盡量研發涂料類的阻尼材料。

表3 阻尼材料煙密度和毒性試驗結果

3 煙密度和毒性試驗

3.1 試驗內容

材料煙氣和毒性試驗適用于一種材料在溫度升高時不能產生過量煙氣和有毒產物或不致造成毒性危害的情況，包括用作艙壁、襯板和天花板表面的材料，用作甲板基層敷料的材料，用作地板覆蓋物的材料及塑料管。

根據2010 FTP規則附件1第2部分要求，試樣在3種不同的試驗模式下進行試驗，在每一試驗模式下進行3次試驗，測量并記錄試樣的平均光密度值（Dm）和毒性氣體濃度。若各指標的平均值能滿足其煙密度和毒性衡準要求，試驗中試樣出現的非常規狀態結果合格，則試樣可視為符合SOLAS公約第II—2章要求的滿足煙密度和毒性的表面材料。另外，艙壁、墻和天花板襯板的煙密度和毒性衡準高于其他材料的衡準要求。

3.2 數據分析

圖7 阻尼材料煙密度和毒性試驗結果

經統計，從2011年至今，遠東防火試驗中心阻尼材料的煙密度和毒性試驗一共進行了22次，其中產品性能衡準滿足煙密度和毒性衡準要求的試驗有17次。在這17次試驗中，滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準要求的共11次，不滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準要求但是達到地板覆蓋物衡準的共6次，分布情況見表4。

從表4可以看出，對涂料類阻尼材料共進行了9個試驗，試驗全部成功，其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準要求的有8次，滿足地板覆蓋物衡準的有1次；橡膠類阻尼材料，共進行了13個試驗，成功試驗的次數為8次。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準要求的有3次，滿足地板覆蓋物衡準要求的有5次。試驗分布情況見圖7所示。

從圖7中可以看出，涂料類阻尼材料煙密度試驗的成功率達到100%，滿足艙壁、墻和天花板襯板標準要求的比例也較高，占67%，僅有一次未滿足要求；橡膠類阻尼材料的煙密度試驗成功率相對較低，只有61%，其中滿足艙壁、墻和天花板襯板標準要求的比例更低，只占23%。

在所有阻尼材料煙密度試驗中，出現失敗的次數為5次，且均出現在橡膠類阻尼材料試驗中。針對橡膠類阻尼材料失敗的5次試驗（對應表3橡膠類編號1、5、7、9、10），本文對3種模式下的煙密度進行了統計分析，如表4所示。

表4 橡膠類阻尼材料失敗試驗煙密度結果統計

從表4中可以看出，所有失敗試驗的煙密度均在模式3（即熱輻射為50 kW/m2，無點火火焰）的情況下超過標準值，且此時煙密度值最大。因此在煙氣和毒性試驗中，阻尼材料的煙密度更容易在模式3時超出標準值。

為了研究材料厚度是否對煙密度有直接影響，本文統計了涂料類和橡膠類試樣厚度在不同模式下煙密度的關系，如圖8、9所示。

圖8 涂料類阻尼材料試樣厚度和煙密度

圖9 橡膠類阻尼材料試樣厚度和煙密度

從圖8、9中可以看出，圖中對應厚度和煙密度的點分布散亂，未發現試樣厚度對煙密度有明顯的影響。因此，阻尼材料的煙密度更多取決于材料本身的性質，與材料厚度無明顯關系。

由表3可以看出，對于毒性氣體濃度，只有3個試驗氣體濃度超標，且均出現在煙密度試驗失敗的試驗中，絕大多數試樣的毒性氣體濃度能符合性能衡準的要求。

4 總 結

本文統計了試驗中心自2011年至今的所有阻尼材料試驗，試驗結果的統計分析表明：

1）在表面可燃性試驗及煙氣和毒性試驗中，涂料類阻尼材料的成功率相對較高，滿足艙壁、墻和天花板襯板標準要求的比例也較高；橡膠類阻尼材料試驗成功率相對較低，其中滿足艙壁、墻和天花板襯板標準要求的比例也較低。

2）在表面可燃性試驗中，導致阻尼材料試驗評判失敗的主要因素是熱釋放總量Qt，其次是臨界熄滅熱流CFE。

3）在表面可燃性試驗中，對于滿足Qt≤0.7 MJ的阻尼材料試樣，試樣的厚度大多集中在厚度較小的0～5 mm區間，對于Qt＞0.7 MJ的試樣，試樣的熱釋放總值都有隨著試樣厚度增加而增加的趨勢。

4）在煙氣和毒性試驗中，阻尼材料的煙密度更容易在模式3時超出標準值。

5）在煙氣和毒性試驗中，不同阻尼材料的煙密度更多取決于材料本身的性質，與材料厚度無明顯關系。

［1］姚熊亮, 張阿漫. 船體振動與噪聲［M］.北京：國防工業出版社, 2010.

［2］國際海上人命安全公約（SOLAS公約）第II—2 章構造—防火、探火和滅火［S］.

［3］胡津津. 船用防火材料燃燒性能及其評判［C］. 第十二屆全國內河船舶與航運學術會議論文集，2013.

［4］國際海事組織海上安全委員會．2010年國際耐火試驗程序應用規則［S］．MSC.307（88）決議（2010年12月3日通過）.

［5］國際標準化組織．燃燒廢物的毒性試驗.用FTIR氣體分析對燃燒產物中的氣體和蒸汽進行分析指南（ISO 19702—2006）［S］.2006-01.