超高分子量聚乙烯材料在航標中的研究與應用

葉應明，施洪標，毛睿，陳先海

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

航道主要依靠配布的航標，標示航道的方向、界限及礙航物，向航行船舶揭示有關航道信息要素。因此航標又稱為船舶的守護神，是船舶航行的眼睛。船舶航行時，白天根據航標的形狀、顏色，夜間根據航標燈的燈質來辨別航行方向。因此，航標的形狀、顏色對白天航行的船舶很重要。航標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系。目前國內航標主要是采用鋼質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（FRP/GRP）模鑄航標、鋁合金烤漆工藝航標和低密度線性高分子聚乙烯（LLPE）滾塑工藝航標的，但市場份額很小。本文通過對國內各種航標材料、工藝現狀優(yōu)缺點的分析，并根據超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料的特點及在國內航道上的應用情況，提出新型UHMWPE 材質航標將是今后助航標志制造和研究的方向。

1 國內傳統(tǒng)航標的現狀分析

內河航道航標配布和設置，一般按側面系統(tǒng)標志設置，根據航道邊界條件配布浮標或岸標，浮標（水上航標）按形狀分為桿形、圓柱形浮體加頂標標志、船型浮體加錐體和罐體或桅桿裝球形頂標，其顏色分左岸為白色或黑色、右岸為紅色，專用標為黃色。岸標（岸上航標）分桿形標加頂標、圓柱形標加頂標，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，頂標左岸為白色或黑色、右岸為紅色。這些顏色由《內河航標技術規(guī)范》規(guī)定。不同的顏色確定航標的不同功效，指引船舶正常航行。傳統(tǒng)的航標的顏色根據使用材料不同，制作工藝各異。目前，傳統(tǒng)航標的制作材料與工藝可分普通鋼質或不銹鋼材質、鋁質材質、玻璃鋼材質（FRP/GRP）和低密度線性高分子量聚乙烯（LLPE）材料四種；其制作航標的工藝是鋼質一般采用噴漆或表面貼反光膜工藝、鋁質采用烤漆工藝、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，鋼質航標市場占有率高達90%以上，鋁質與LLPE 航標等非金屬航標市場占有率不大于10%。而玻璃鋼材質的航標因其是早期產品，加之問題較多，目前在我國內河已逐步淘汰，海區(qū)航標因防腐要求更高而很少使用。其他材質的航標因其數量很少，不具有代表性。因此，就上述幾種航標的現狀分析如下：

1.1 鋼質航標

鋼質航標（含船型浮標與圓柱形浮標）因其鋼性能好、成本低、生產工藝簡單、制作容易等特點，多年來被廣泛應用。但由于鋼質航標大多由普通鋼板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，制作安裝質量難以保證，在運輸安裝過程中，也難免出現標體外表反光膜破損，且使用3年左右，大多數標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，鋼質航標除銹、油漆將逐步被淘汰。此外，鋼質航標自身重量大，一般6.7 米鋼制船型浮標達1.5 噸，D2.4 米圓柱形浮標達4 噸，10 米鋼制船型浮標達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，鋼質航標逐步被新的材料取而代之將成為一種趨勢。

1.2 鋁合金材質航標

鋁合金材質航標主要制作柱形岸標，與鋼質航標相比，重量輕，但加工工藝復雜，加工成本高。其顏色是由氟碳漆通過烤漆工藝而成，需專門的烤漆房設備，且烤漆前的酸洗、堿洗、鉻化等工藝對環(huán)境產生很大影響，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航標外帖反光膜自身缺點帶來的應用問題，因此，鋁合金材質主要應用在內河岸標上，沿海及水上航標很少使用。

1.3 玻璃鋼材質航標

玻璃鋼（FRP/GRP）航標采用玻纖布及環(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、風沙雨雪、化學介質、機械應力等作用下容易導致性能下降。因此，一般玻璃鋼材質航標易出現老化、變色、變形等現象，目前已退出國內航標制造市場。

1.4 低密度線性高分子聚乙烯航標

低密度線性高分子聚乙烯（LLPE）航標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，還會出現明顯的彎曲。用該材質制造的柱形航標，因夏天太陽照射一側溫度較高，線膨脹較大，背離太陽一側因溫度較低，線膨脹較小，標體就出現明顯彎曲，該材質柱形航標被稱為“向日葵”航標。因此，該材料如果不做特殊處理直接用于制造航標并安裝使用，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，導致使用不安全。因此，LLPE 很難滿足航標使用要求。

2 超高分子量聚乙烯航標的改性及加工工藝

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構，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，在助航標志上的應用前景將非常廣闊。

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構，化學穩(wěn)定性極高，耐各種腐蝕介質（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構，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域的應用提供基本保證。由于航標使用環(huán)境的特殊性，助航領域的產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用于助航產品也不妥當，必須根據助航標志的應用特性要求，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，這些都是航標所需要的特殊要求。

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

抗拉伸性能：

?

抗沖擊性能：

?

耐磨損性能：

?

無潤滑介質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最小。航標受到船舶碰撞很容易滑過，航標不易被撞壞；

（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的錐體和罐體，如受到船舶碰撞，錐體和罐體變形后能恢復原狀；

（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，即使有少量粘結物也很容易清理，解決了原航標長青苔需處理的難題。

2.3 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料生產航標的工藝

（1）材料的配方。根據航標的使用區(qū)域及用途不同，配置不同的UHMWPE 原料，對于生產用于內河的錐、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出型材與板材，供加工制作用。對于生產海上浮標時，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)內的技術難題，加工技術是一個系統(tǒng)性工程，涉及到設備、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，研發(fā)出直徑為1400 毫米的超高分子量聚乙烯航標管材設備；研發(fā)了無縫焊接專利工藝技術，解決了超高分子量聚乙烯材料不易加工的技術難題。對于型材采用了阻力擠出成型工藝，即邊加壓邊擠出，生產的型材用于制作航標錐體、罐體；對于板材采用壓力成型用于制作柱形浮標、船型浮標。

（3）焊接工藝。超高分子量聚乙烯材料難加工問題嚴重制約系列航標的成型，筆者與廠家針對該問題進行了多學科、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，并融合高壓鏈段伸直及冷卻纏結手段，成功開發(fā)出超高分子量聚乙烯材料焊接工藝技術，解決了超高分子量聚乙烯材料不易加工的技術難題。

（4）結構研究。船舶碰撞造成的航標失常占所有浮標故障原因首位。因此，如何提高浮標的抗撞擊性能，將是提高浮標工作可靠性的關鍵。根據航標用戶實際需求出發(fā)，對UHMWPE 浮標的結構進行了優(yōu)化設計，首次采用增強型鋼塑復合結構的航標設計，提高浮標的抗撞擊性以及燈樁的抗風穩(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在航道上的實際應用

采用壓制板材，研究開發(fā)超高分子量聚乙烯浮體，其內部設計采取獨特的力學結構，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合結構設計，提高浮體的抗撞擊性，經船舶多次撞擊試驗，產品完好無損。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、B1#浮標、25#浮標。該地區(qū)同時有雷雨、臺風等惡劣天氣，且紫外線照射很強，是廣東省有代表性的復雜航段。通過近一年的試用，浮標雖經過多次船舶碰撞及臺風影響，3座航標均實現完好無損，無藻類附著，未退色，使用效果較好。

采用阻力擠塑工藝生產的型材，根據國標研究制造出UHMWPE 錐體、罐體，并于2017年在湖南省益陽航道事務中心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材料與鋼質復合設計制作的柱形航標，經7年使用，標志顏色仍然鮮艷，結構穩(wěn)固，減少了油漆的工作量。

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

4 結論

通過對超高分子量聚乙烯材料的改性及對圓柱形浮標、錐形罐形標及柱形岸標的生產研究，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等方面獲得重大技術突破，該研究成果為后期UHMWPE 航標研究及推廣應用奠定了良好的基礎。由于超高分子量聚乙烯材料難成形特點，目前對船型浮標的研究還有待技術攻關。