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(guī)則》的實(shí)施對減振降噪的阻尼材料的實(shí)船應(yīng)用提出了迫切需求?；谠囼?yàn)中心開展的阻尼材料耐火試驗(yàn)，本文研究了此類材料在表面可燃性及煙密度試驗(yàn)中的防火性能，并著重分析了不同試驗(yàn)條件和因素對其對評判結(jié)果的影響。通過研究，為制定2010 FTP規(guī)則對阻尼材料的耐火要求提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，推動(dòng)減振降噪材料的實(shí)船應(yīng)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(dòng)和噪聲環(huán)境的長期影響不僅會(huì)傷害船上人員的身心健康，還會(huì)導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)設(shè)備因長期振動(dòng)而疲勞損壞為有效控制振動(dòng)、降低噪聲，船舶主要振源所在的船體、基座及相關(guān)艙室內(nèi)將大量采用阻尼材料。而根據(jù)IMO 2012年通過的《船上等級噪聲規(guī)則》附錄3第1.4條的規(guī)定，采用噪聲控制措施時(shí)，降噪材料的使用不應(yīng)引起火災(zāi)、安全或健康方面的危險(xiǎn)。因此，船用阻尼材料需要同時(shí)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(tǒng)管系配件的隔熱物，不必為不燃材料，但應(yīng)保持在實(shí)際可行的最低數(shù)量，并且它們的外露表面應(yīng)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(yīng)不致產(chǎn)生過量的煙氣及毒性物質(zhì)。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(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，需要滿足2010年國際耐火試驗(yàn)程序應(yīng)用規(guī)則（2010 FTP 規(guī)則）中表面可燃性以及煙密度和毒性的標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心作為第三方專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)，長期以來按照IMO FTP規(guī)則對各類船用耐火材料和耐火結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)。本文統(tǒng)計(jì)了試驗(yàn)中心自2011年起至2016年中期對減振降噪材料進(jìn)行的所有有效的表面可燃性試驗(yàn)和材料煙氣和毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，了解當(dāng)前國內(nèi)減振降噪材料在防火性能方面的現(xiàn)狀，探索不同試驗(yàn)因素對其對評判結(jié)果的影響。通過本文研究，為制定2010 FTP規(guī)則對阻尼材料的耐火要求提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，也可進(jìn)一步推動(dòng)減振降噪材料的實(shí)船應(yīng)用。

2 表面可燃性試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

材料表面可燃性試驗(yàn)是對船舶結(jié)構(gòu)表面材料的阻燃性能的一種測試。按照2010 FTP規(guī)則的規(guī)定，試驗(yàn)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(fēng)導(dǎo)管，制冷系統(tǒng)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(chǎn)品。

根據(jù)2010 FTP規(guī)則附件1第5部分要求，對待測試樣進(jìn)行3次試驗(yàn)，如果試樣的熄滅時(shí)臨界熱流、持續(xù)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(zhǔn)要求，試驗(yàn)中試樣出現(xiàn)的非常規(guī)狀態(tài)結(jié)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(jù)目前標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的試驗(yàn)要求。

2.2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從2011年至今，遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心阻尼材料的表面可燃性試驗(yàn)一共進(jìn)行了26次，其中產(chǎn)品性能衡準(zhǔn)滿足表面可燃性衡準(zhǔn)要求的試驗(yàn)有18次。在這18次試驗(yàn)中，滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準(zhǔn)要求的14次，不滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準(zhǔn)要求但達(dá)到地板覆蓋物衡準(zhǔn)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(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1中可以看出，在這些阻尼材料試驗(yàn)中，試樣包括兩類：一類是涂料類阻尼材料，共進(jìn)行了16個(gè)試驗(yàn)，成功試驗(yàn)的次數(shù)為15次。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準(zhǔn)要求的10次，滿足地板覆蓋物衡準(zhǔn)的5次；一類是橡膠類阻尼材料，共進(jìn)行了10個(gè)試驗(yàn)，成功試驗(yàn)的次數(shù)為5次。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準(zhǔn)要求的有2次，滿足地板覆蓋物衡準(zhǔn)要求的有3次。試驗(yàn)分布情況見圖4所示。

圖4 阻尼材料表面可燃性試驗(yàn)結(jié)果

從圖4中可以看出，涂料類阻尼材料表面可燃性試驗(yàn)的成功率較高，達(dá)到87%，滿足艙壁、墻和天花板襯板標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)成功率較低，只有50%。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板標(biāo)準(zhǔn)要求的比例更低，只占17%。

由于表面可燃性試驗(yàn)中艙壁、墻和天花板襯板的標(biāo)準(zhǔn)要求更高，且大部分阻尼材料在使用過程中需要滿足該標(biāo)準(zhǔn)，因此滿足艙壁、墻和天花板襯板的標(biāo)準(zhǔn)要求成了阻尼材料表面燃燒性能評判的重要指標(biāo)。下面對未滿足該標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析不同試驗(yàn)衡準(zhǔn)對試驗(yàn)結(jié)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(yàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果評判失敗的主要影響因素是熱釋放總量Qt，占總試驗(yàn)次數(shù)的80%，其次是臨界熄滅熱流CFE，占總試驗(yàn)次數(shù)的40%。持續(xù)燃燒熱量Qsb指標(biāo)較易滿足，沒有因Qsb產(chǎn)生的試驗(yàn)失敗情況。

表2 未滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

圖5 不同試驗(yàn)指標(biāo)及其引起的失敗試驗(yàn)

圖6 阻尼材料試樣厚度與熱釋放總值的關(guān)系

因此，對于提高試驗(yàn)成功率，滿足試驗(yàn)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(guān)外，材料厚度與熱釋放總值具有重要影響。本文統(tǒng)計(jì)了涂料類和橡膠類試樣厚度與熱釋放總值的關(guān)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(zhǔn)（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(qū)間，試樣最大厚度達(dá)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(zhǔn)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(zhǔn)（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(dá)到20 mm，符合減震降噪的實(shí)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(shí)際需求。因此，建議生產(chǎn)商盡量研發(fā)涂料類的阻尼材料。

表3 阻尼材料煙密度和毒性試驗(yàn)結(jié)果

3 煙密度和毒性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

材料煙氣和毒性試驗(yàn)適用于一種材料在溫度升高時(shí)不能產(chǎn)生過量煙氣和有毒產(chǎn)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(jù)2010 FTP規(guī)則附件1第2部分要求，試樣在3種不同的試驗(yàn)?zāi)Ｊ较逻M(jìn)行試驗(yàn)，在每一試驗(yàn)?zāi)Ｊ较逻M(jìn)行3次試驗(yàn)，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(biāo)的平均值能滿足其煙密度和毒性衡準(zhǔn)要求，試驗(yàn)中試樣出現(xiàn)的非常規(guī)狀態(tài)結(jié)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(zhǔn)高于其他材料的衡準(zhǔn)要求。

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖7 阻尼材料煙密度和毒性試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從2011年至今，遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心阻尼材料的煙密度和毒性試驗(yàn)一共進(jìn)行了22次，其中產(chǎn)品性能衡準(zhǔn)滿足煙密度和毒性衡準(zhǔn)要求的試驗(yàn)有17次。在這17次試驗(yàn)中，滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準(zhǔn)要求的共11次，不滿足艙壁、墻和天花板襯板表面材料衡準(zhǔn)要求但是達(dá)到地板覆蓋物衡準(zhǔn)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(jìn)行了9個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)全部成功，其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準(zhǔn)要求的有8次，滿足地板覆蓋物衡準(zhǔn)的有1次；橡膠類阻尼材料，共進(jìn)行了13個(gè)試驗(yàn)，成功試驗(yàn)的次數(shù)為8次。其中滿足艙壁、墻和天花板襯板衡準(zhǔn)要求的有3次，滿足地板覆蓋物衡準(zhǔn)要求的有5次。試驗(yàn)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(yàn)的成功率達(dá)到100%，滿足艙壁、墻和天花板襯板標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)成功率相對較低，只有61%，其中滿足艙壁、墻和天花板襯板標(biāo)準(zhǔn)要求的比例更低，只占23%。

在所有阻尼材料煙密度試驗(yàn)中，出現(xiàn)失敗的次數(shù)為5次，且均出現(xiàn)在橡膠類阻尼材料試驗(yàn)中。針對橡膠類阻尼材料失敗的5次試驗(yàn)（對應(yīng)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如表4所示。

表4 橡膠類阻尼材料失敗試驗(yàn)煙密度結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表4中可以看出，所有失敗試驗(yàn)的煙密度均在模式3（即熱輻射為50 kW/m2，無點(diǎn)火火焰）的情況下超過標(biāo)準(zhǔn)值，且此時(shí)煙密度值最大。因此在煙氣和毒性試驗(yàn)中，阻尼材料的煙密度更容易在模式3時(shí)超出標(biāo)準(zhǔn)值。

為了研究材料厚度是否對煙密度有直接影響，本文統(tǒng)計(jì)了涂料類和橡膠類試樣厚度在不同模式下煙密度的關(guān)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(yīng)厚度和煙密度的點(diǎn)分布散亂，未發(fā)現(xiàn)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(zhì)，與材料厚度無明顯關(guān)系。

由表3可以看出，對于毒性氣體濃度，只有3個(gè)試驗(yàn)氣體濃度超標(biāo)，且均出現(xiàn)在煙密度試驗(yàn)失敗的試驗(yàn)中，絕大多數(shù)試樣的毒性氣體濃度能符合性能衡準(zhǔn)的要求。

4 總 結(jié)

本文統(tǒng)計(jì)了試驗(yàn)中心自2011年至今的所有阻尼材料試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明：

1）在表面可燃性試驗(yàn)及煙氣和毒性試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求的比例也較高；橡膠類阻尼材料試驗(yàn)成功率相對較低，其中滿足艙壁、墻和天花板襯板標(biāo)準(zhǔn)要求的比例也較低。

2）在表面可燃性試驗(yàn)中，導(dǎo)致阻尼材料試驗(yàn)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(yàn)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(qū)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(yàn)中，阻尼材料的煙密度更容易在模式3時(shí)超出標(biāo)準(zhǔn)值。

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

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

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