超高分子量聚乙烯材料在航標(biāo)中的研究與應(yīng)用

葉應(yīng)明，施洪標(biāo)，毛睿，陳先海

（1 湖南省益陽航道事務(wù)中心，湖南 益陽 413001；2 廣東省東莞航道事務(wù)中心東莞航標(biāo)與測繪所，廣東 東莞 523000 ；3 黑龍江省航務(wù)局，黑龍江 哈爾濱 15000 ；4 湖北藍(lán)宇航標(biāo)股份有限公司，湖北 荊州 434000）

航道主要依靠配布的航標(biāo)，標(biāo)示航道的方向、界限及礙航物，向航行船舶揭示有關(guān)航道信息要素。因此航標(biāo)又稱為船舶的守護神，是船舶航行的眼睛。船舶航行時，白天根據(jù)航標(biāo)的形狀、顏色，夜間根據(jù)航標(biāo)燈的燈質(zhì)來辨別航行方向。因此，航標(biāo)的形狀、顏色對白天航行的船舶很重要。航標(biāo)顏色的鮮艷程度與使用的材料和顏色的退化程度有很大關(guān)系。目前國內(nèi)航標(biāo)主要是采用鋼質(zhì)或不銹鋼按照一定工藝流程噴上油漆或表面貼反光膜加工而成，也有采用玻璃鋼材質(zhì)（FRP/GRP）模鑄航標(biāo)、鋁合金烤漆工藝航標(biāo)和低密度線性高分子聚乙烯（LLPE）滾塑工藝航標(biāo)的，但市場份額很小。本文通過對國內(nèi)各種航標(biāo)材料、工藝現(xiàn)狀優(yōu)缺點的分析，并根據(jù)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料的特點及在國內(nèi)航道上的應(yīng)用情況，提出新型UHMWPE 材質(zhì)航標(biāo)將是今后助航標(biāo)志制造和研究的方向。

1 國內(nèi)傳統(tǒng)航標(biāo)的現(xiàn)狀分析

內(nèi)河航道航標(biāo)配布和設(shè)置，一般按側(cè)面系統(tǒng)標(biāo)志設(shè)置，根據(jù)航道邊界條件配布浮標(biāo)或岸標(biāo)，浮標(biāo)（水上航標(biāo)）按形狀分為桿形、圓柱形浮體加頂標(biāo)標(biāo)志、船型浮體加錐體和罐體或桅桿裝球形頂標(biāo)，其顏色分左岸為白色或黑色、右岸為紅色，專用標(biāo)為黃色。岸標(biāo)（岸上航標(biāo)）分桿形標(biāo)加頂標(biāo)、圓柱形標(biāo)加頂標(biāo)，其立桿顏色左岸為黑白相間的橫紋、右岸為紅白相間的橫紋，頂標(biāo)左岸為白色或黑色、右岸為紅色。這些顏色由《內(nèi)河航標(biāo)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定。不同的顏色確定航標(biāo)的不同功效，指引船舶正常航行。傳統(tǒng)的航標(biāo)的顏色根據(jù)使用材料不同，制作工藝各異。目前，傳統(tǒng)航標(biāo)的制作材料與工藝可分普通鋼質(zhì)或不銹鋼材質(zhì)、鋁質(zhì)材質(zhì)、玻璃鋼材質(zhì)（FRP/GRP）和低密度線性高分子量聚乙烯（LLPE）材料四種；其制作航標(biāo)的工藝是鋼質(zhì)一般采用噴漆或表面貼反光膜工藝、鋁質(zhì)采用烤漆工藝、玻璃鋼采用模鑄工藝、高分子量聚乙烯材料采用滾塑工藝。其中，鋼質(zhì)航標(biāo)市場占有率高達(dá)90%以上，鋁質(zhì)與LLPE 航標(biāo)等非金屬航標(biāo)市場占有率不大于10%。而玻璃鋼材質(zhì)的航標(biāo)因其是早期產(chǎn)品，加之問題較多，目前在我國內(nèi)河已逐步淘汰，海區(qū)航標(biāo)因防腐要求更高而很少使用。其他材質(zhì)的航標(biāo)因其數(shù)量很少，不具有代表性。因此，就上述幾種航標(biāo)的現(xiàn)狀分析如下：

1.1 鋼質(zhì)航標(biāo)

鋼質(zhì)航標(biāo)（含船型浮標(biāo)與圓柱形浮標(biāo)）因其鋼性能好、成本低、生產(chǎn)工藝簡單、制作容易等特點，多年來被廣泛應(yīng)用。但由于鋼質(zhì)航標(biāo)大多由普通鋼板A3 制成，其最大缺點是固有的重量大、易腐蝕（銹蝕）等問題，一直困擾著用戶的使用。為了防止生銹，廠家往往采用熱鍍鋅防腐處理，外貼反光膜、噴涂油漆等方法著色。由于熱鍍鋅和外貼反光膜需要分開制作，工藝要求很高，一般為手工操作，制作安裝質(zhì)量難以保證，在運輸安裝過程中，也難免出現(xiàn)標(biāo)體外表反光膜破損，且使用3年左右，大多數(shù)標(biāo)體外表反光膜都會暗淡變色、脫落。若在空氣環(huán)境較差地方，或沿海和島礁上使用，此問題更加嚴(yán)重；若噴涂油漆，則1～2年就會變色或銹蝕，每年至少需對航標(biāo)進行一次鏟銹、油漆保養(yǎng)。國家提出生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展理念，推進生態(tài)文明建設(shè)，鋼質(zhì)航標(biāo)除銹、油漆將逐步被淘汰。此外，鋼質(zhì)航標(biāo)自身重量大，一般6.7 米鋼制船型浮標(biāo)達(dá)1.5 噸，D2.4 米圓柱形浮標(biāo)達(dá)4 噸，10 米鋼制船型浮標(biāo)達(dá)5 噸。由于受環(huán)境影響，運輸、安裝、移動保養(yǎng)等都需要動用大型專用設(shè)備和施工安裝人員，施工困難、安全隱患多、費用很高。鑒于上述原因，鋼質(zhì)航標(biāo)逐步被新的材料取而代之將成為一種趨勢。

1.2 鋁合金材質(zhì)航標(biāo)

鋁合金材質(zhì)航標(biāo)主要制作柱形岸標(biāo)，與鋼質(zhì)航標(biāo)相比，重量輕，但加工工藝復(fù)雜，加工成本高。其顏色是由氟碳漆通過烤漆工藝而成，需專門的烤漆房設(shè)備，且烤漆前的酸洗、堿洗、鉻化等工藝對環(huán)境產(chǎn)生很大影響，不符合國家環(huán)保政策。同時，材料利用率低，而且鋁與空氣的氧氣結(jié)合易生成三氧化鋁，使其附著的油漆發(fā)生氧化而變色、脫落。若外帖反光膜著色，則難以改變上述鋼質(zhì)航標(biāo)外帖反光膜自身缺點帶來的應(yīng)用問題，因此，鋁合金材質(zhì)主要應(yīng)用在內(nèi)河岸標(biāo)上，沿海及水上航標(biāo)很少使用。

1.3 玻璃鋼材質(zhì)航標(biāo)

玻璃鋼（FRP/GRP）航標(biāo)采用玻纖布及環(huán)氧樹脂采用模鑄工藝而成，其顏色是由樹脂調(diào)配而成。玻璃鋼材料雖然具有較好的耐腐蝕特性，但由于玻璃鋼的彈性模量比鋼小10 倍之多，在50℃以上高溫下使用，通用聚酯FRP 強度會快速下降，所以，其剛性不足，易變形，安全性能低；在紫外線、風(fēng)沙雨雪、化學(xué)介質(zhì)、機械應(yīng)力等作用下容易導(dǎo)致性能下降。因此，一般玻璃鋼材質(zhì)航標(biāo)易出現(xiàn)老化、變色、變形等現(xiàn)象，目前已退出國內(nèi)航標(biāo)制造市場。

1.4 低密度線性高分子聚乙烯航標(biāo)

低密度線性高分子聚乙烯（LLPE）航標(biāo)一般采用滾塑工藝制成，由于其分子量低（分子量一般小于80萬以下），不用外力加壓，只需要加熱到一定溫度就能融化成型，其顏色由粉料調(diào)制而成，因此，其制作工藝簡單，易加工。但LLPE 抗老化差、退色快、易粉化、壽命短，特別是剛性不夠，溫度越高，剛性越差，如果其表面溫度不平衡，還會出現(xiàn)明顯的彎曲。用該材質(zhì)制造的柱形航標(biāo)，因夏天太陽照射一側(cè)溫度較高，線膨脹較大，背離太陽一側(cè)因溫度較低，線膨脹較小，標(biāo)體就出現(xiàn)明顯彎曲，該材質(zhì)柱形航標(biāo)被稱為“向日葵”航標(biāo)。因此，該材料如果不做特殊處理直接用于制造航標(biāo)并安裝使用，則不可避免的因其材料剛性不足，熱敏感性太強等致命缺陷，導(dǎo)致使用不安全。因此，LLPE 很難滿足航標(biāo)使用要求。

2 超高分子量聚乙烯航標(biāo)的改性及加工工藝

超高分子量聚乙烯簡稱UHMWPE，是分子量150萬以上的聚乙烯。密度：0.936～0.964g/cm；熱變形溫度85℃，熔點130～136℃。UHMWPE 是一種線型分子鏈結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料。UHMWPE 具有突出的抗沖擊性、耐應(yīng)力開裂性、耐高溫蠕變性、自潤滑性、高環(huán)保、無毒害，卓越的耐化學(xué)腐蝕性、抗疲勞性、噪音阻尼性、耐核輻射性等特性，是代替碳鋼、不銹鋼的最佳材料。目前已用到警察的防彈服，國外已用到橋梁上的汽車防撞護欄等。如果對該材料作一些研究，充分利用其優(yōu)點，避開其缺點，做到綜合利用，在助航標(biāo)志上的應(yīng)用前景將非常廣闊。

2.1 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料性能

（1）耐磨性好：磨耗量(MPC 法)20mm，耐磨性比鋼高4-7 倍，比LLPE 高10 倍，在工程塑料行列中其摩擦系數(shù)最小。

（2）抗沖擊性強：懸臂梁缺口沖擊沖不斷，具有較好的抗沖擊性和吸收沖擊能的特性（含外強沖擊力，內(nèi)壓力波動）。其沖擊強度是尼龍的2 倍，聚氯乙烯的20 倍；低密度線性聚乙烯（LLPE）的4 倍。

（3）柔韌性好：斷裂伸長率達(dá)到350%（一般鋼筋為30%左右），其斷裂拉伸強度28MPa，彎曲彈性模量600MPa。

（4）耐腐蝕性強：超高分子量聚乙烯為飽和分子團結(jié)構(gòu)，化學(xué)穩(wěn)定性極高，耐各種腐蝕介質(zhì)（酸、堿、鹽）及有機溶劑，適合海上使用。

（5）耐候性好：超高分子量聚乙烯板材是分子量在150 萬以上的飽和分子團結(jié)構(gòu)，在紫外線照射下，即使無抗紫外線添加劑，也不會老化，抗老化極強，使用溫度-40℃～85℃，在-30℃時仍保持70%以上的機械性能。

（6）自潤滑性好：超高分子量聚乙烯材料富含石墨，其表面光滑，在沒有任何潤滑脂的情況下摩擦系數(shù)極低，不易與其他各種物資粘連，水中微生物不易攀附。

2.2 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料改性后的性能

UHMWPE 具有良好的綜合理化性能為其在助航領(lǐng)域的應(yīng)用提供基本保證。由于航標(biāo)使用環(huán)境的特殊性，助航領(lǐng)域的產(chǎn)品普遍的要求就是耐腐蝕、抗老化以及具有優(yōu)良的抗沖擊、耐磨損性能。如果將普通超高分子量聚乙烯材料直接應(yīng)用于助航產(chǎn)品也不妥當(dāng)，必須根據(jù)助航標(biāo)志的應(yīng)用特性要求，對其進行改性。改性的主要目的：進一步提高表面硬度、改善其對環(huán)境溫度變化過于敏感、提高板材的耐候性、抗沖擊性、特殊的柔韌性、耐腐蝕性、自潤滑性，這些都是航標(biāo)所需要的特殊要求。

湖北藍(lán)宇航標(biāo)股份有限公司采用ASTM 測驗法,對超高分子量聚乙烯板材以及其他材質(zhì)的工程塑料進行多次的理化實驗，結(jié)果表明，該材料改性后比改性前其物理性能有很大提高。檢測結(jié)果如下：

抗拉伸性能：

?

抗沖擊性能：

?

耐磨損性能：

?

無潤滑介質(zhì)情況下的自潤滑性能:

?

憎水特性：

?

低密度特性:

?

上表可以看出，通過對UHMWPE 材料的改性，其綜合理化性能明顯提高：

（1）耐磨性增強。磨耗量(MPC 法)30mm，耐磨性比改性前有明顯提高，在工程塑料行列中其摩擦系數(shù)最小。航標(biāo)受到船舶碰撞很容易滑過，航標(biāo)不易被撞壞；

（2）抗沖性能提高。改性后，其沖擊強度有明顯提高，由改性前的110 KJ/cm提高到190 KJ/cm，懸臂梁缺口沖擊沖不斷，沖擊性能和吸收沖擊能的特性增強;

（3）柔韌性增加。改性后，斷裂伸長率由350%增加到380%（一般鋼筋為30%左右），其斷裂拉伸強度由28MPa 增強到38MPa，彎曲彈性模量大于600MPa。這種性能適合制造航標(biāo)的錐體和罐體，如受到船舶碰撞，錐體和罐體變形后能恢復(fù)原狀；

（4）自潤滑性提高。UHMWPE 自潤滑性進一步提高，表面極其光滑，水中微生物極難攀附，即使有少量粘結(jié)物也很容易清理，解決了原航標(biāo)長青苔需處理的難題。

2.3 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料生產(chǎn)航標(biāo)的工藝

（1）材料的配方。根據(jù)航標(biāo)的使用區(qū)域及用途不同，配置不同的UHMWPE 原料，對于生產(chǎn)用于內(nèi)河的錐、罐體時，主要考慮其耐碰撞的柔韌性、耐候性、抗沖擊性等，選用分子量稍小的超高分子量聚乙烯材料，一般取分子量大于250 萬以上、粉料的目數(shù)稍小一些，原料中增加抗紫外線、抗氧化、抗老化添加劑等，采用加熱攪拌，然后供專用擠出機，采用阻力擠出的原理生產(chǎn)出型材與板材，供加工制作用。對于生產(chǎn)海上浮標(biāo)時，主要考慮其耐鹽霧、耐碰撞的柔韌性、耐候性、抗沖擊性及自潤滑性等，選用分子量稍大的超高分子量聚乙烯材料，一般取分子量大于350 萬以上、粉料的目數(shù)稍大一些，原料中增加納米鈣、抗紫外線、抗氧化、抗老化添加劑等，采用加熱攪拌，然后供專用壓板機，采用壓力加熱成型工藝。

（2）工藝研究。超高分子量聚乙烯板材半成品的二次加工是行業(yè)內(nèi)的技術(shù)難題，加工技術(shù)是一個系統(tǒng)性工程，涉及到設(shè)備、工藝、模具、材料等系列問題，針對超高分子量聚乙烯半成品的加工，研發(fā)了低溫近熔點擠出工藝技術(shù)，研發(fā)出直徑為1400 毫米的超高分子量聚乙烯航標(biāo)管材設(shè)備；研發(fā)了無縫焊接專利工藝技術(shù)，解決了超高分子量聚乙烯材料不易加工的技術(shù)難題。對于型材采用了阻力擠出成型工藝，即邊加壓邊擠出，生產(chǎn)的型材用于制作航標(biāo)錐體、罐體；對于板材采用壓力成型用于制作柱形浮標(biāo)、船型浮標(biāo)。

（3）焊接工藝。超高分子量聚乙烯材料難加工問題嚴(yán)重制約系列航標(biāo)的成型，筆者與廠家針對該問題進行了多學(xué)科、多角度、多層次的深化研發(fā)。通過研究固態(tài)滲透、熔態(tài)滲透、原位熔融滲透等技術(shù)，并融合高壓鏈段伸直及冷卻纏結(jié)手段，成功開發(fā)出超高分子量聚乙烯材料焊接工藝技術(shù)，解決了超高分子量聚乙烯材料不易加工的技術(shù)難題。

（4）結(jié)構(gòu)研究。船舶碰撞造成的航標(biāo)失常占所有浮標(biāo)故障原因首位。因此，如何提高浮標(biāo)的抗撞擊性能，將是提高浮標(biāo)工作可靠性的關(guān)鍵。根據(jù)航標(biāo)用戶實際需求出發(fā)，對UHMWPE 浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，首次采用增強型鋼塑復(fù)合結(jié)構(gòu)的航標(biāo)設(shè)計，提高浮標(biāo)的抗撞擊性以及燈樁的抗風(fēng)穩(wěn)定性，這些特性在實際的使用過程中得到了驗證。

3 超高分子量聚乙烯航標(biāo)在航道上的實際應(yīng)用

采用壓制板材，研究開發(fā)超高分子量聚乙烯浮體，其內(nèi)部設(shè)計采取獨特的力學(xué)結(jié)構(gòu)，建立船舶撞擊模型，分析受力大小、方向及部位，針對模型受力情況，對薄弱點采用增強型鋼塑復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高浮體的抗撞擊性，經(jīng)船舶多次撞擊試驗，產(chǎn)品完好無損。2021年在廣東省東莞水道選取3 處不同水情、環(huán)境的航段（船舶通航繁忙航標(biāo)易被碰航段、咸淡水交匯航段、水源保護區(qū)航段）分別投放了UHMWPE 材料2#浮標(biāo)、B1#浮標(biāo)、25#浮標(biāo)。該地區(qū)同時有雷雨、臺風(fēng)等惡劣天氣，且紫外線照射很強，是廣東省有代表性的復(fù)雜航段。通過近一年的試用，浮標(biāo)雖經(jīng)過多次船舶碰撞及臺風(fēng)影響，3座航標(biāo)均實現(xiàn)完好無損，無藻類附著，未退色，使用效果較好。

采用阻力擠塑工藝生產(chǎn)的型材，根據(jù)國標(biāo)研究制造出UHMWPE 錐體、罐體，并于2017年在湖南省益陽航道事務(wù)中心236 公里航道上投入使用，5年多來，顏色鮮艷不變色，船舶碰撞損壞少，不僅減輕了員工勞動強度，而且降低了航道維護成本。

2014年，在江蘇省蘇北運河安裝了采用UHMWPE材料與鋼質(zhì)復(fù)合設(shè)計制作的柱形航標(biāo)，經(jīng)7年使用，標(biāo)志顏色仍然鮮艷，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，減少了油漆的工作量。

通過多年來的應(yīng)用效果證明，超高分子量聚乙烯抗沖擊性強、表面光滑、色質(zhì)鮮明、經(jīng)久耐用、壽命長、高環(huán)保，是制造助航標(biāo)志的理想材料，也是將來航標(biāo)制造研究的方向。

4 結(jié)論

通過對超高分子量聚乙烯材料的改性及對圓柱形浮標(biāo)、錐形罐形標(biāo)及柱形岸標(biāo)的生產(chǎn)研究，在提高UHMWPE 剛性和彎曲強度、改變熱變形溫度低和抗蠕變性能差、難成形及模塊化自動生產(chǎn)等方面獲得重大技術(shù)突破，該研究成果為后期UHMWPE 航標(biāo)研究及推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。由于超高分子量聚乙烯材料難成形特點，目前對船型浮標(biāo)的研究還有待技術(shù)攻關(guān)。