船用无机防火隔热材料的开发

船用无机防火隔热材料的开发

目前，大型海上船舶的隔热材料一般可分为有机和有机。有机类包括黄软木板、黑软木板、酚醛泡沫板、聚氨酯泡沫板、聚酰亚胺泡沫板、磷腈泡沫板、聚双马来酰亚胺泡沫板等;无机类包括天然的矿棉保温板、石棉泡沫板等,以及人造的玻璃棉保温板、陶瓷纤维板等。在有机材料中,以磷腈和聚酰亚胺泡沫材料较好,美国“宙斯盾”号巡洋舰及其航空母舰已采用聚酰亚胺泡沫材料作舱室隔热材料。SOLIMIDE聚酰亚胺泡沫已被15个国家规定用于海军船舶的隔热隔声体系。然而,尽管酚醛泡沫、聚酰亚胺泡沫、磷腈泡沫等为难燃材料,但其耐燃温度最高只有800℃,且大多有低毒,不能在火势猛烈的高温火焰中使用。无机材料的耐火温度普遍较高,但有中、低毒,特别是矿棉及玻璃纤维板等,在施工过程中会产生大量粉尘,易使工人患矽肺。因此,要求寻找一种耐火度更高且无毒的防火隔热材料,即绿色的耐火隔热材料。绿色材料又称化学生态环境材料,是指在原料采集、产品制造、使用或再循环利用以及废物处理等环节中与化学生态环境相和谐或能共存的材料。对绿色材料的研究、开发和利用,是保证人类通向安全和健康的必由之路,是21世纪伟大的化学工程之一。因此,在造船界,开发和利用绿色的环保型耐火隔热材料,正如采用无毒防污涂料那样,其意义是十分重大的。1国内防火隔热材料研究与开发情况国内生产无机防火隔热材料的厂家较多,其中,仅生产耐火纤维制品并且已建立网站的就有20多家。在国内厂家中,只有摩根热陶瓷(上海)有限公司在其产品目录中有声称是绿色环保产品的背衬板607,但未见有产品出售。科研实力最雄厚的是洛阳耐火材料研究院耐火纤维研究所,他们开发的高铝纤维制品曾于1976年在某舰四号锅炉墙上试用,1983年又在某舰上进行了机械振动、打炮和提放深水炸弹的试验,效果都良好。据说他们可以开发生物相容产品。值得注意的是,宁波环宇耐火材料有限公司声称,其产品先后获得了中国ZC、CCS,欧共体EC,美国ABS,英国LR,法国BV、MMF,德国SBG、GL和挪威DNV等国内外船级社的认证或认可。根据2002年调查,国内已用于舰船的防火隔热材料及其应用部位如下:(1)PS-2矿物棉板,用作无封面板的舱室隔热材料。(2)防潮超细玻璃棉毡,用作有封面板的舱室隔热材料。(3)双面铝塑复合岩棉板,用作有封面板住室分隔的表面装饰材料。(4)不锈钢复合岩棉板,用于厨房。(5)聚乙烯泡沫塑料板,用作冷库的隔热材料。2ermalpecramity公司的纺粘设备国外已有多种近似绿色的耐火纤维产品投放市场。从事产品开发的主要有UnifraxGroupofCompanies和Morgan集团ThermalCeramics公司等。ThermalCeramics公司的主要产品有FIREMASTERBlanketX-607、SUPERWOOL607MAXBLANKET、FiremasterMarineBlanket和FiremasterStructo-Gard、FiremasterMarineLite,Unifrax公司的主要产品有Fiberfrax,Insulfrax,Isofrax等。2.1产品性能2.1.1材料的质量指标它是一种由碱土金属硅酸盐纤维制成的不可燃、有弹性、易曲的垫,可用于有机纤维及碳氢化合物的防火。制造时不使用粘接剂,从而没有产生烟雾和毒气的危险;着火期间,即使夹板(粘接剂)烧光,其强度也不怎么损失;可经受4h的碳氢化合物火源考验,1h的喷火考验;与其他矿物纤维比,防火必需的厚度和重量更低。该材料体色为白色,熔点为1275℃,最高使用温度为1100℃,最高连续使用温度为1000℃。其化学性质不活泼,抗霉菌生长和寄生虫侵蚀。难燃性符合国际海洋组织IMOA472(12)1984标准。火灾危险性评价按照ASTME-84方法进行,其火焰速度、可燃物含量和烟雾产生量均为零。隔热性按照BS874标准测定,对于密度为96kg·m-3的该材料,室温(20℃)下的热导率为0.0342W·(m·K)-1。由此推出,当其厚度分别为25mm、38mm、50mm、75mm和100mm时,在室温下的最大热阻则分别为0.73、1.11、1.46、2.19和2.92m2·K·W-1。吸声系数按照BS3638测定,随频率、厚度、密度而变。厚25mm、密度96kg·m-3的该材料,其噪声衰减系数(NRC)为0.72;厚25mm、密度128kg·m-3的该材料,其NRC为0.82。卫生保健性能:Firemaster607为玻璃态纤维,设计时增强了其在肺部组织中的溶解性。它可溶于人体体液中。动物实验表明,该纤维在试验动物肺中的存留性非常低。试验老鼠在平均浓度为每毫升200根纤维(比生产车间的浓度高出200～300倍)的环境中,每星期停留5d,每天停留6h,经过为期2年的吸入实验,未发现试验老鼠产生纤维症或增加肺的肿瘤级别。2.1.2重压炉的使用熔点1300℃,最高使用温度1260℃,最高连续使用温度1200℃。最高连续使用温度取决于应用场合。此处,最高连续使用温度不同于分类温度(Classification),分类温度定义中要求的温度施加时间短。两面均可针刺且在加热前后都具有较高的强度,不含粘接剂或滑润剂,因此,第一次经受火焰时不产生烟味。热稳定性好,吸声性好,抗撕裂,抗热震,在97/69ECnotaQ分类中,未进入致癌物之列。按照德国危险物管理条例附件5中7.1节的规定,其使用不受任何限制。卫生保健性能:吸入后生物存留性非常低。化学组成:SiO260%～70%,Al2O3<0.3%,CaO+MgO25%～40%。在温度23℃,相对湿度50%的条件下,其颜色为白色,密度为64～160kg·m-3。1090℃时的比热容为1.13kJ·(kg·K)-1。1250℃下等温加热24h后的永久线性收缩率(ENV1094-7)为1.5%～2.0%该材料在不同密度下的抗拉强度和热导率见表1。2.1.3增湿快干材料pahsc该材料的化学组成为:SiO265%,CaO29%,MgO5%,其他1%。该材料体色为白色,熔点1275℃,工作温度1000℃,密度109(marine)、116(Structo)kg·m-3;燃烧失重、火焰扩展速度、烟气量和可燃成分量均为零,980℃时的热导率为0.25W·(m·K)-1,540℃时的热导率为0.12W·(m·K)-1。该材料抗霉菌生长和寄生虫侵蚀;不含有机结合剂,因此燃烧时不产生烟气和火焰,并能保持表面完整和强度;具有人体体液可溶性。FiremasterStructo-Gard符合美国海军海上系统指挥部(NAVSEA)的一系列规范,经美国海军9年试验,性能优异。符合美国海军UL1709标准规定的防火性能:1093℃,符合美国海岸防卫队(USCoastGuard)规范A-30,A-60。吸声性能符合NAVSEA标准。MarineBlanket得到美国海岸防卫队及DNV认证,适用于高速艇,也得到SOLAS认证,适用于商业艇。2.1.4温度和线性收缩率是一种多孔的隔热材料和海洋环境用材料,但性能不高且非绿色材料。密度为200～350kg·m-3;连续工作温度:带高温布的可达1000℃;耐压强度较高:产生10%变形所需应力为0.17MPa,产生50%变形所需应力为2.58MPa;954℃线性收缩率(ASTMC356)为1.3%;816℃热导率(ASTMC201)为0.054W·(m·K)-1。2.1.5热压温度产品规格有25mm×610mm×7620mm、38mm×610mm×3810mm和50mm×610mm×3810mm。密度96～128kg·m-3;熔点1260℃;温度等级1000℃;燃烧损失、火焰速度和烟雾产生量均为零;人体存留性低。该材料由于采用针刺毯的形式,不需粘接剂,强度高,隔热性和隔声性好,化学性能稳定,不受湿气甚至水中浸泡的影响。它符合SOLAS安全要求及国际海洋组织的防火试验程序(IMORes.A.754(18))的防火要求,已被美国海岸防卫队认可用于铝、钢结构。该材料的热导率指标见文献,测试方法见ASTMC177、C201、C518和C1113等4个标准。高温收缩率为0.5%～1%。几种舱室隔热材料的主要性能的对比情况见表2。2.2材料上的混凝土施工Firemaster隔板及甲板体系符合纤维质和碳氢化合物类材料的被动防火要求。它在海洋环境中使用3年后仍然保持着良好的状态,获得了英国LR、法国BV、德国GL、挪威DNV和日本NKK等多国船级社的认证或认可。Firemaster607用于快艇上的A类及海洋环境高强结构钢(IMOHSCsteel)、铝及聚氯乙烯复合材料做的隔板和甲板隔热;也用于船及海洋平台上的H类及A类钢质隔板和甲板防火。FiremasterMarineLite用于快艇上的A60类轻质防火板、海洋环境中的防火门、墙、地板及天花板系统等。Unifrax用于海洋与近海环境的被动放火,用于巡航舰、家用锅炉等。UnifraxFyreWarpSystem可特别用于狭长船的抽风管道的油脂火灾,设计指标为2h,防火物与其周围物体的间隙为0。Fiberfrax、Insulfrax、Isofrax可用于柴油机抽风系统的热工管道隔热、人员防护和节能;也可用于涡轮机、燃气轮机及复合动力装置的管道。例如InsulfraxSFA#0、A60级毯已用于AlstomNGV825快艇。Unifrax和FiberfraxDura毯用于涡轮机的降噪。Insulfrax船用毯已用于快艇、巡洋舰、商船、军舰以及近海石油平台等。其中涉及铝和钢的甲板和隔板,车辆装载区,发动机间,储藏间等。3碱土金属硅材料据调查,国内舰船用舱室隔热防火材料曾用过或试用过酚醛泡沫、岩棉、玻璃纤维和普通硅酸铝纤维等材料。酚醛泡沫尽管低毒、无烟、难燃,但毕竟还有毒性,且耐火温度低;岩棉和玻璃纤维无烟,耐火温度高,但其粉尘易造成环境污染,易使操作工人得矽肺。这些材料中用户评价较好的是普通硅酸铝纤维材料,但该材料是否无毒,由于没有相应的材料安全数据表,用户心中仍然无数。国外舱室隔热防火材料大都通过认证,且具有相应的材料安全数据表。国外除使用普通硅酸铝纤维材料外,近年来又开发出一种新型的碱土金属硅酸盐纤维材料,并投入使用。新材料的连续使用温度达1000～1200℃,密度低且具有良好的卫生保健性能,可溶于体液中,吸入后生物存留性非常低,不会引起肿瘤和矽肺。然而,根据有关的材料安全数据表,这些材料对人的眼睛、皮肤和肠胃等仍会引起某种炎症或不适,因此还不能称为真正的绿色材料。欧联体(EU)根据人造陶瓷纤维中碱土金属氧化物的含量(是否大于18%),把Fiberfrax归类到二类致癌物质中,把Isofrax和Insulfrax归类到三类致癌物质中。但根据97/69/EC,NoteQ和德国危险物质条例,Isofrax和Insulfrax通过了有关气管吸入测试(长度大于20μm的纤维的半寿命<40d)或其他测试,认为是合格的。鉴于以上原因,只