船用無機防火隔熱材料的開發

目前，大型海上船舶的隔熱材料一般可分為有機和有機。有機類包括黃軟木板、黑軟木板、酚醛泡沫板、聚氨酯泡沫板、聚酰亞胺泡沫板、磷腈泡沫板、聚雙馬來酰亞胺泡沫板等;無機類包括天然的礦棉保溫板、石棉泡沫板等,以及人造的玻璃棉保溫板、陶瓷纖維板等。在有機材料中,以磷腈和聚酰亞胺泡沫材料較好,美國“宙斯盾”號巡洋艦及其航空母艦已采用聚酰亞胺泡沫材料作艙室隔熱材料。SOLIMIDE聚酰亞胺泡沫已被15個國家規定用于海軍船舶的隔熱隔聲體系。然而,盡管酚醛泡沫、聚酰亞胺泡沫、磷腈泡沫等為難燃材料,但其耐燃溫度最高只有800℃,且大多有低毒,不能在火勢猛烈的高溫火焰中使用。無機材料的耐火溫度普遍較高,但有中、低毒,特別是礦棉及玻璃纖維板等,在施工過程中會產生大量粉塵,易使工人患矽肺。因此,要求尋找一種耐火度更高且無毒的防火隔熱材料,即綠色的耐火隔熱材料。綠色材料又稱化學生態環境材料,是指在原料采集、產品制造、使用或再循環利用以及廢物處理等環節中與化學生態環境相和諧或能共存的材料。對綠色材料的研究、開發和利用,是保證人類通向安全和健康的必由之路,是21世紀偉大的化學工程之一。因此,在造船界,開發和利用綠色的環保型耐火隔熱材料,正如采用無毒防污涂料那樣,其意義是十分重大的。1國內防火隔熱材料研究與開發情況國內生產無機防火隔熱材料的廠家較多,其中,僅生產耐火纖維制品并且已建立網站的就有20多家。在國內廠家中,只有摩根熱陶瓷(上海)有限公司在其產品目錄中有聲稱是綠色環保產品的背襯板607,但未見有產品出售。科研實力最雄厚的是洛陽耐火材料研究院耐火纖維研究所,他們開發的高鋁纖維制品曾于1976年在某艦四號鍋爐墻上試用,1983年又在某艦上進行了機械振動、打炮和提放深水炸彈的試驗,效果都良好。據說他們可以開發生物相容產品。值得注意的是,寧波環宇耐火材料有限公司聲稱,其產品先后獲得了中國ZC、CCS,歐共體EC,美國ABS,英國LR,法國BV、MMF,德國SBG、GL和挪威DNV等國內外船級社的認證或認可。根據2002年調查,國內已用于艦船的防火隔熱材料及其應用部位如下:(1)PS-2礦物棉板,用作無封面板的艙室隔熱材料。(2)防潮超細玻璃棉氈,用作有封面板的艙室隔熱材料。(3)雙面鋁塑復合巖棉板,用作有封面板住室分隔的表面裝飾材料。(4)不銹鋼復合巖棉板,用于廚房。(5)聚乙烯泡沫塑料板,用作冷庫的隔熱材料。2ermalpecramity公司的紡粘設備國外已有多種近似綠色的耐火纖維產品投放市場。從事產品開發的主要有UnifraxGroupofCompanies和Morgan集團ThermalCeramics公司等。ThermalCeramics公司的主要產品有FIREMASTERBlanketX-607、SUPERWOOL607MAXBLANKET、FiremasterMarineBlanket和FiremasterStructo-Gard、FiremasterMarineLite,Unifrax公司的主要產品有Fiberfrax,Insulfrax,Isofrax等。2.1產品性能2.1.1材料的質量指標它是一種由堿土金屬硅酸鹽纖維制成的不可燃、有彈性、易曲的墊,可用于有機纖維及碳氫化合物的防火。制造時不使用粘接劑,從而沒有產生煙霧和毒氣的危險;著火期間,即使夾板(粘接劑)燒光,其強度也不怎么損失;可經受4h的碳氫化合物火源考驗,1h的噴火考驗;與其他礦物纖維比,防火必需的厚度和重量更低。該材料體色為白色,熔點為1275℃,最高使用溫度為1100℃,最高連續使用溫度為1000℃。其化學性質不活潑,抗霉菌生長和寄生蟲侵蝕。難燃性符合國際海洋組織IMOA472(12)1984標準。火災危險性評價按照ASTME-84方法進行,其火焰速度、可燃物含量和煙霧產生量均為零。隔熱性按照BS874標準測定,對于密度為96kg·m-3的該材料,室溫(20℃)下的熱導率為0.0342W·(m·K)-1。由此推出,當其厚度分別為25mm、38mm、50mm、75mm和100mm時,在室溫下的最大熱阻則分別為0.73、1.11、1.46、2.19和2.92m2·K·W-1。吸聲系數按照BS3638測定,隨頻率、厚度、密度而變。厚25mm、密度96kg·m-3的該材料,其噪聲衰減系數(NRC)為0.72;厚25mm、密度128kg·m-3的該材料,其NRC為0.82。衛生保健性能:Firemaster607為玻璃態纖維,設計時增強了其在肺部組織中的溶解性。它可溶于人體體液中。動物實驗表明,該纖維在試驗動物肺中的存留性非常低。試驗老鼠在平均濃度為每毫升200根纖維(比生產車間的濃度高出200～300倍)的環境中,每星期停留5d,每天停留6h,經過為期2年的吸入實驗,未發現試驗老鼠產生纖維癥或增加肺的腫瘤級別。2.1.2重壓爐的使用熔點1300℃,最高使用溫度1260℃,最高連續使用溫度1200℃。最高連續使用溫度取決于應用場合。此處,最高連續使用溫度不同于分類溫度(Classification),分類溫度定義中要求的溫度施加時間短。兩面均可針刺且在加熱前后都具有較高的強度,不含粘接劑或滑潤劑,因此,第一次經受火焰時不產生煙味。熱穩定性好,吸聲性好,抗撕裂,抗熱震,在97/69ECnotaQ分類中,未進入致癌物之列。按照德國危險物管理條例附件5中7.1節的規定,其使用不受任何限制。衛生保健性能:吸入后生物存留性非常低。化學組成:SiO260%～70%,Al2O3<0.3%,CaO+MgO25%～40%。在溫度23℃,相對濕度50%的條件下,其顏色為白色,密度為64～160kg·m-3。1090℃時的比熱容為1.13kJ·(kg·K)-1。1250℃下等溫加熱24h后的永久線性收縮率(ENV1094-7)為1.5%～2.0%該材料在不同密度下的抗拉強度和熱導率見表1。2.1.3增濕快干材料pahsc該材料的化學組成為:SiO265%,CaO29%,MgO5%,其他1%。該材料體色為白色,熔點1275℃,工作溫度1000℃,密度109(marine)、116(Structo)kg·m-3;燃燒失重、火焰擴展速度、煙氣量和可燃成分量均為零,980℃時的熱導率為0.25W·(m·K)-1,540℃時的熱導率為0.12W·(m·K)-1。該材料抗霉菌生長和寄生蟲侵蝕;不含有機結合劑,因此燃燒時不產生煙氣和火焰,并能保持表面完整和強度;具有人體體液可溶性。FiremasterStructo-Gard符合美國海軍海上系統指揮部(NAVSEA)的一系列規范,經美國海軍9年試驗,性能優異。符合美國海軍UL1709標準規定的防火性能:1093℃,符合美國海岸防衛隊(USCoastGuard)規范A-30,A-60。吸聲性能符合NAVSEA標準。MarineBlanket得到美國海岸防衛隊及DNV認證,適用于高速艇,也得到SOLAS認證,適用于商業艇。2.1.4溫度和線性收縮率是一種多孔的隔熱材料和海洋環境用材料,但性能不高且非綠色材料。密度為200～350kg·m-3;連續工作溫度:帶高溫布的可達1000℃;耐壓強度較高:產生10%變形所需應力為0.17MPa,產生50%變形所需應力為2.58MPa;954℃線性收縮率(ASTMC356)為1.3%;816℃熱導率(ASTMC201)為0.054W·(m·K)-1。2.1.5熱壓溫度產品規格有25mm×610mm×7620mm、38mm×610mm×3810mm和50mm×610mm×3810mm。密度96～128kg·m-3;熔點1260℃;溫度等級1000℃;燃燒損失、火焰速度和煙霧產生量均為零;人體存留性低。該材料由于采用針刺毯的形式,不需粘接劑,強度高,隔熱性和隔聲性好,化學性能穩定,不受濕氣甚至水中浸泡的影響。它符合SOLAS安全要求及國際海洋組織的防火試驗程序(IMORes.A.754(18))的防火要求,已被美國海岸防衛隊認可用于鋁、鋼結構。該材料的熱導率指標見文獻,測試方法見ASTMC177、C201、C518和C1113等4個標準。高溫收縮率為0.5%～1%。幾種艙室隔熱材料的主要性能的對比情況見表2。2.2材料上的混凝土施工Firemaster隔板及甲板體系符合纖維質和碳氫化合物類材料的被動防火要求。它在海洋環境中使用3年后仍然保持著良好的狀態,獲得了英國LR、法國BV、德國GL、挪威DNV和日本NKK等多國船級社的認證或認可。Firemaster607用于快艇上的A類及海洋環境高強結構鋼(IMOHSCsteel)、鋁及聚氯乙烯復合材料做的隔板和甲板隔熱;也用于船及海洋平臺上的H類及A類鋼質隔板和甲板防火。FiremasterMarineLite用于快艇上的A60類輕質防火板、海洋環境中的防火門、墻、地板及天花板系統等。Unifrax用于海洋與近海環境的被動放火,用于巡航艦、家用鍋爐等。UnifraxFyreWarpSystem可特別用于狹長船的抽風管道的油脂火災,設計指標為2h,防火物與其周圍物體的間隙為0。Fiberfrax、Insulfrax、Isofrax可用于柴油機抽風系統的熱工管道隔熱、人員防護和節能;也可用于渦輪機、燃氣輪機及復合動力裝置的管道。例如InsulfraxSFA#0、A60級毯已用于AlstomNGV825快艇。Unifrax和FiberfraxDura毯用于渦輪機的降噪。Insulfrax船用毯已用于快艇、巡洋艦、商船、軍艦以及近海石油平臺等。其中涉及鋁和鋼的甲板和隔板,車輛裝載區,發動機間,儲藏間等。3堿土金屬硅材料據調查,國內艦船用艙室隔熱防火材料曾用過或試用過酚醛泡沫、巖棉、玻璃纖維和普通硅酸鋁纖維等材料。酚醛泡沫盡管低毒、無煙、難燃,但畢竟還有毒性,且耐火溫度低;巖棉和玻璃纖維無煙,耐火溫度高,但其粉塵易造成環境污染,易使操作工人得矽肺。這些材料中用戶評價較好的是普通硅酸鋁纖維材料,但該材料是否無毒,由于沒有相應的材料安全數據表,用戶心中仍然無數。國外艙室隔熱防火材料大都通過認證,且具有相應的材料安全數據表。國外除使用普通硅酸鋁纖維材料外,近年來又開發出一種新型的堿土金屬硅酸鹽纖維材料,并投入使用。新材料的連續使用溫度達1000～1200℃,密度低且具有良好的衛生保健性能,可溶于體液中,吸入后生物存留性非常低,不會引起腫瘤和矽肺。然而,根據有關的材料安全數據表,這些材料對人的眼睛、皮膚和腸胃等仍會引起某種炎癥或不適,因此還不能稱為真正的綠色材料。歐聯體(EU)根據人造陶瓷纖維中堿土金屬氧化物的含量(是否大于18%),把Fiberfrax歸類到二類致癌物質中,把Isofrax和Insulfrax歸類到三類致癌物質中。但根據97/69/EC,NoteQ和德國危險物質條例,Isofrax和Insulfrax通過了有關氣管吸入測試(長度大于20μm的纖維的半壽命<40d)或其他測試,認為是合格的。鑒于以上原因,只