线性低密度聚乙烯滚塑浮标应用技术研究.docx

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1、1.技术概况线性低密度聚乙端滚塑浮标是将新材料应用于浮标的浮体、显形模块、顶标等部位，充分发挥了材料的优异性能。浮标结构经过严谨设计，整体坚固耐用且视觉效果极佳，是高性能、低维保的新材料系列浮标。该浮标由东海航海保障中心上海航标处经一年半时间研发而成，并逐步在辖区水域投入使用。产品具有设计寿命长（达15年）、安全可靠、环保无污染、标识清晰、维护周期长等优点，可广泛应用于各种航道、景观河道及水源保护区等各类水域。2.技术原理及特点2.1技术原理浮标采用线性低密度聚乙烯为主体材料，此类材料具有极高的耐磨性、耐冲击性、耐低温性，生物无毒性，具有独特的表面非附着能力等应用性能，同时本身自带颜色。原材料

2、经过滚塑工艺加工成无焊缝、受力均匀、颜色鲜艳的中空模块。浮体模块内部填充闭孔率大于95%的闭水型聚氨酯材料，浮体在受到强烈撞击发生破损时也不会沉没。浮标整体由浮体、密封舱（用于安装电池等设备）、灯架、顶标等部分组成。浮体由两个分浮体通过钢骨架拼接成筒状结构，当浮体受损时，可以现场修复或更换，维护方便。显形筒采用内、外双壳体结构，外部壳体采用内凹加强筋结构，提升整体的强度；显形筒主要用于安装电池等设备，可避免设备直接暴露在高盐、高湿、强紫外线的环境中。2.2关键技术、工艺流程及主要设备滚塑成型技术是项目的关键技术。该技术能科学有效地将线性低密度聚乙烯材料通过滚塑工艺应用到浮标上，使其具备材料的优

3、良性能且符合浮标行业的相关标准，因此滚塑又称滚塑成型、旋转成型、回转成型等，是一种热塑性塑料中空成型方法。该方法是先将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并加热，模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融粘附于模腔的整个表面上，成型为所需要的形状，再经冷却定型而成制品。滚塑成型的基本加工过程比较简单，将粉末状或液状聚合物放在模具里加热，同时模具围绕着垂直轴旋转，然后冷却成型。试验中采用的是己均匀着色的粉末材料，在加热的最初阶段，粉末先在模具表面形成多孔层，然后随循环过程渐渐熔融，最终形成壁厚均匀的模块。模块的壁厚越均匀，其各方面的受力越均匀，薄弱环节就越少，进而使浮标更

4、加坚固。要生产出壁厚均匀、成形符合设计要求、外表面光滑的滚塑模块，关键在于材料性能、滚塑模具及滚塑工艺。为更好地进行材料成型技术研究，天津天元海科技开发有限公司引入大型自动化滚塑设备，将线性低密度聚乙烯材料结合滚塑工艺应用于航标领域。该项目结合材料特性及航标相关标准要求，研制出高效环保的新型材料浮标，既具备良好的助航效果，又符合当前可持续发展的环保要求。2.2.1 滚塑材料（1）材料颜色该项目采用的滚塑材料为线性低密度聚乙烯原色材料，材料本身符合IA1.A标准的浮标颜色相关规定，材料颜色具有热稳定性,加工后能保持不变色。此外，材料本身具有良好的耐腐蚀、耐老化性能，经过加速老化试验证明，浮标模块

5、经过10年使用后，颜色仍符合IA1.A标准。（2）材料颗粒均匀度材料颗粒的大小会影响材料的熔融与成形，材料颗粒过大，则需要更高的熔融温度或需要更长的熔融时间，进而导致成本增加，且会影响成形效果；若选用颗粒较小的粉末材料，则会提升滚塑模块的综合性能，但是其成本相对较高。另外，若材料颗粒的均匀度较差，会由于颗粒熔融温度不一致，导致材料气化、无法成形或成形模块壁厚不均等现象。（3）材料熔融指数熔融指数是一种表示塑胶材料加工时的流动性的数值。它是美国量测标准协会（ASTM）根据美国杜邦公司惯用的鉴定塑料特性的方法制定而成，其测试方法是先让塑料粒在一定时间（Iomin）内、一定温度及压力（各种材料标准不

6、同）下，熔化成塑料流体，然后通过直径为2.095mm的圆管所流出的克（g）数。其值越大，表示该塑胶材料的加工流动性越佳，反之则越差。材料的熔融指数直接影响到材料的成形。熔融指数越高，材料流动性越高，则模块成形的条件将会很苛刻；而熔融指数越低，材料在模具内流动性越低，要生产出壁厚均匀的模块则需要更长的时间和更严苛的条件。因此，天元海根据浮标模块大、壁厚均匀及经济性等条件，选择了合适的原材料，并在进厂检验合格后才投入生产使用。（4）材料的耐老化性浮标长期应用在高盐、高湿、紫外线强的恶劣环境下，为了能起到有效的助航作用，浮标本身应该具有良好的耐腐蚀、耐老化等性能。天元海采用的线性低密度聚乙烯材料具备

7、此良好性能，滚塑模具经过加速老化试验，计算出其表面颜色经过10年使用后仍符合IA1.A标准。此外，滚塑模块经过盐雾试验后，未发生老化、腐蚀等现象，将此类模块实际应用于航道上，也未曾出现腐蚀现象，同时其表面具有良好的自润滑性，附着在浮体表面的海生物、海鸟粪便等污渍用高压水枪即可轻松去除。（5）材料的抗拉伸性能随着航运的不断繁荣，每日进出港的船舶逐渐增多，再加上部分小渔船航行较随意，浮标受撞击的概率不断增加。传统的钢质浮标在受到撞击后，受到钢质材料性能的影响，一是可能会造成浮舱破损而导致浮标沉没，二是钢质材料难以瞬间释放撞击产生的巨大能量，可能会对浮标携带的其他助航设备及撞击的船舶造成危害。而新型

8、的低密度聚乙烯材料浮标浮体具有较强的抗拉伸性能，并且重量相对较轻，在受到撞击后能够有效释放撞击能量，浮体韧性较强，使浮舱破裂的概率下降，即使破裂,浮体内部填充的闭水型聚氨酯材料也能使浮标保持平衡,继续发挥助航作用。项目组曾对材料的抗拉伸性能进行试验，试验过程及结果如下：线性低密度聚乙烯材料的弹性模量测试目的在于了解材料在常温和低温条件下的力学性能，为强度计算服务，也为了了解在不同温度下的材料性能。实验按照国家标准制备了15个试件，试验温度分别设计为20oC-10.-20oC-40和-80,其中-10和-20。C采用常规冰箱与冰柜实现，-80。（:采用超低温冰箱实现。材料的试件采用国家高分子材料

9、试验标准GB/T1040-92制备，结构和尺寸见符号名称尺寸公差符号名称尺寸公差1.总长（最小）150端部宽度200.2H夹具间距离1155.0d厚度见正文43C中间平行部分K度600.5b中间平行部分宽度IO0.2G0标距（或有效部分）500.5R半径（最小）60一图1高分子材料试件标准2.2.2试验设备试验设备采用电子万能试验机WDW-10（100OON）,见图2。外壳材料弹性模量测试条件：(1)试件制备。常温(20oC-100C-20oC-40,-80)每组3个试件，共15个试件。(2)万能试验机测试方法。将试件装卡在试验机上，拉伸速度2mmmin,采用计算机采集数据。2.2.3试验结果

10、根据试验，得出线性低密度聚乙烯材料的弹性模量。由材料力学轴向拉伸计算方法可得：EA弹性模量:A1.=FN1.A1.4式中：F为拉力；1.为标距，长度60；A为试件截面面积；A1.为伸长量；E为弹性模量。图3拉断后的试件/低温条件导致试件出现中空现象材料试验结果显示，即使在-80。（:的低温条件下，线性低密度聚乙烯材料仍然具有非常好的延伸率，在破坏前会经历较大的变形。因此，得出结论为线性低密度聚乙烯材料随温度降低弹性模量增加。总之，材料是滚塑技术的基础，合适的滚塑材料是生产出符合设计要求的滚塑模块的基础，进而才能生产出性能优良的浮标。图420。C常温条件下载荷位移曲线试验力一位移曲线图5-80。

11、C低温条件的载荷位移曲线表1线性低密度聚乙烯材料参数试验结果ffliincFNAfmm2IJuim.mm/MPntmmfMPa，1.Jfnrn7Mpa平均值日Mpa比值I209001006031916921225472122547226标戒20900l602212443203266206262257I13320900100602442213208346II730332央I304-4090010060146369814$3724I77305I349I545-801000l60161376I87369I6037683791672.2.4滚塑模具滚塑工艺通常由加料、加热、冷却、脱模和后处理等几个基本

12、工序组成。针对不同的模块，每一个工序都有不同的要求。为了保证生产出的滚塑模块具有良好的性能，针对不同模块都要进行试制评估、模具设计、流程设计等。天元海大型自动化滚塑设备可建立并存储多项滚塑程序，确保同类型模块的一致性。在采用良好、合适的材料，自主开发各类高精度模具的基础上，结合航标行业实际情况，使用大型自动化滚塑设备生产出适用于浮标的滚塑模块是该项目的关键。3 .主要创新点3.1浮标材质采用新型滚塑材料，高耐磨、耐冲击浮标布置于航道上,船舶、海上漂浮物等都有可能对浮标造成物理性的破坏。因此，制作浮标的原材料需要具有良好的抗穿刺、抗撕裂、抗张强度等性能。经过层层筛选，选定第三代聚乙烯的线性低密度

13、聚乙烯树脂，其除包含了一般聚乙烯树脂的性能外，其抗张强度、抗撕裂强度、耐环境应力开裂性、耐低温性、耐热性、耐穿性都极为优越。结合浮标使用条件，浮标会经历夏季高温和冬季低温，由线性低密度聚乙烯制成的浮标，不会因为温度差异产生脆性，达到了冬夏季极端温度条件的使用要求。同时，其优秀的抗穿刺性和抗撕裂强度，保证了浮标在受到外来撞击时，不会产生开裂和孔洞，造成进水等问题。图6线型低密度聚乙烯原色材料线性低密度聚乙烯材料具有良好的耐磨特性、耐冲击性、化学稳定性、自润滑性、对生物无毒性、耐低温性、表面非附着性，还有吸能、吸噪音、抗静电、不吸水、比重轻等优点。3.2浮体结构加强设计、防撞性佳部分航保单位也曾尝

14、试采用非钢质浮标，如超高分子量聚乙烯浮标等，此类浮标主要由高分子聚乙烯板材进行焊接而成，焊接处强度低，长时间使用或受到外力撞击时易损坏，并且此类浮标韧性较差，受到撞击后浮体易碎裂，进而导致浮标沉没，甚至产生航行安全隐患。该项目浮标通过设置带有凹槽加强结构的显形筒，增加了双层底座和加强筋单层壳体的灯架，改善了浮标的耐用性，通过在浮体钢骨架上设置圆钢吊环以及在固定底盘下设置预留吊环，有效减小了浮标在投放和回收操作中的难度，进而节约了浮标的投放和回收成本。此外，通过海水冲洗进行浮体表面的清理，无需定期对浮体进行清理维护。图7浮体填充材料与浮体骨架示意图该项目浮标采用3161.不锈钢作为骨架材料，具有

15、良好的耐腐蚀性能，能耐海洋环境及侵蚀性工业大气的侵蚀,大大提升了浮标结构的强度。在填充物方面,该项目浮标的填充材料环保无污染。填充材料的闭孔率大于95%,海水不会从孔间渗透，充分保证浮体即使在被破坏的情况下，依然能在海水中稳定站立。填充材料的耐老化程度高达30年，从而极大提高了滚塑浮标的防撞性能，使其经久耐用，在受到外界撞击时，能够瞬间释放能量，对搭载的航标灯、AlS等设备起到保护作用，即使被撞破损也能起到助航功能。3.3浮体外壳材质环保性佳、色彩标识清晰目前常用的浮标标体采用钢材，外部涂防腐涂层，但是由于海上环境恶劣，经过长时间日光暴晒、盐雾腐蚀，浮标外部防腐涂层会发生脱落、褪色等现象，标体也会产生锈蚀；另外，浮筒表面附着性强，会黏附大量的海生物，清理十分困难，因此浮标需要定期更换。在维护保养过程