线性低密度聚乙烯滚塑浮标应用技术研究 - 副本

1.技术概况线性低密度聚乙烯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。试验中采用的是已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IALA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，浮标模块经过10年使用后，颜色仍符合IALA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（10min）内、一定温度及压力（各种材料标准不同）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IALA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20℃、-10℃、-20℃、-40℃和-80℃，其中-10℃和-20℃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试验标准GB/T1040-92制备，结构和尺寸见图1。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（10000N），见图2。图2万能材料试验机外壳材料弹性模量测试条件：（1）试件制备。常温（20℃、-10℃、-20℃、-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2mm/min，采用计算机采集数据。2.2.3试验结果根据试验，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：弹性模量：

式中：F为拉力；L为标距，长度60；A为试件截面面积；ΔL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℃常温条件下载荷位移曲线图5-80℃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2.2.4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316L不锈钢作为骨架材料，具有良好的耐腐蚀性能，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、AIS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。在维护保养过程中，由于采用的喷丸除锈和油漆涂装方式，属于高污染加工生产工艺，会对环境产生不良影响。采用线性低密度聚乙烯材料滚塑成型工艺的浮标颜色艳丽、色泽饱满、显形效果明显，能起到很好的助航作用，即使在海上恶劣环境长时间使用仍然不褪色，标识清晰。从材质角度出发，线性低密度聚乙烯无疑是标身材质的理想选择。浮标浮体颜色需要满足IALA条件，如何保证紫外线照射情况下，浮标不褪色也是需要解决的问题。因此，为了防止或减慢光氧老化，在聚乙烯中添加具有遮蔽光作用的稳定剂，如炭黑或紫外吸收剂，可提高LLDPE受外因影响的稳定性。经过试验和调整，添加紫外吸收剂的线性低密度聚乙烯可在紫外线照射十年情况下，依然保留其原有颜色，保证了浮标的可靠性。图8传统钢制浮标与线性低密度聚乙烯滚塑浮标3.4人体工程学结构设计，快速模块拼装，便利现场维护传统钢制浮标通常在浮标部分部件损坏后，要将更换下来的浮标运回岸上进行新一轮的标体清洗、喷丸除锈、油漆涂装等作业，作业工序时间长，劳动强度大，即使在海上航标作业维护时，也由于老式钢制浮标的安全设计不充分，在现场维护保养中存在一定的安全隐患。本项目中的滚塑浮标增强了浮体上的凸块防滑层，当浮体表面被海水打湿后，海水沿凸块间的流水通道流走，避免了工作人员在进行信号灯检修时存在易滑倒的安全隐患，浮体、显形筒和灯架采用模块化安装，一旦浮标遭到破坏，针对浮标被破坏的部位进行单个模块的更换，在爬梯的外侧安装扶手，便于操作人员现场施工。浮体上部设置显形筒，显形筒分上下两层，两层显形筒前后均设计爬梯，以便于航标灯、AIS等设备的安装、维护，顶部设置有护身圈，对进行设备维护的航标作业人员起到安全防护作用。图9显形筒爬梯图10浮标防滑层设计3.5浮体材料具备可修复性，大幅降低使用成本新材料浮标在受到撞击后，其模块本身具有良好的抗穿刺性和抗撕裂强度，浮体基本上不易产生开裂，即使浮体表面受到严重撞击出现裂纹，浮体内部填充的闭水型聚氨酯也能够保持浮标正常运行。另外浮体的裂纹可以采用相同材料进行海上现场修补，不需要进行浮标更换作业。修补后的模块强度依然能够保证浮标正常运行，既能降低浮标的使用成本，还能一定程度地减少备用浮标的数量，提高航标管理效率。图11破损处易修复经试验验证，该产品具有安全可靠、环保无污染、标识清晰、维护周期长等优点，且得到了多家使用单位的广泛好评和应用推荐，可应用于航道、景观河道及水源保护区等各类水域。4.技术应用情况线性低密度聚乙烯滚塑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。相比现有钢质浮标，其节能降碳效果明显，产品具有设计寿命长（达15年）、色彩标识清晰、清洁维护便捷、环保无污染、抗撞击性佳等特点。每一座塑料浮标9.0万元，上海港共有700座浮标，按照5年完成50%目标，每年需要投入推广应用110座。每年项目投资额990万元，连续两年投资，先期完成220座新型塑料浮标推广应用任务，共需投资1980万元。按照塑料浮标产品生命周期，15年可以收回全部投资。该项目滚塑浮标在我国内河雄安新区白洋淀水域、渤海、黄海、东海、南海各海域，以及菲律宾、新加坡等一带一路地区已逐步推广应用。经使用反馈，该滚塑浮标结构牢固、耐用性好、体积轻巧便于抛设、浮标标识清晰，材料环保无污染，各项技术性能指标完全符合使用要求。产品的诸多优点得到了各部门、单位的高度认可。5.节能降碳效益测算评价5.1节能低碳效益项目采用滚塑浮标替代传统钢质浮标后，其节能降碳效益主要体现在以下三个方面：（1）采用滚塑浮标替代钢质浮标后，因为起吊保养周期的延长，船舶使用量大为减少。经过测算平均每年在每座浮标起吊保养上船舶柴油消耗节能量相当于269.32kg（W1）标准煤，计算过程如下：式中：N1为钢质浮标15年周期内年均起吊次数；N2为滚塑浮标15年周期内年均起吊次数（根据浮标维护作业规程，钢质浮标3年起吊回基地保养一次，滚塑浮标6年起吊回基地保养一次。在15年周期内，钢质浮标N1=5/15次，滚塑浮标N2=2.5/15次）；L=1.109t=1109kg（根据历史经验，每座浮标起吊回基地保养一次作业船舶需消耗柴油1.109吨）；柴油的折标煤系数值Q1=1.4571kgce/kg（根据《综合能耗计算通则》(GB/T2589）柴油的折标煤系数值）。把相应数据代入公式可得：（2）采用滚塑浮标替代钢质浮标后，因滚塑浮标不需要喷丸，省去了钢质浮标在岸上的喷砂除锈过程。通过测算，钢质浮标平均每座每年在浮标基地保养上进行喷砂除锈耗电量W2（60.6kg标准煤）：式中：T为钢质浮标平均每次保养耗时，平均每座钢质浮标浮筒及灯架保养需喷丸6小时；P为喷丸设备功率，100kW；N1钢质浮标15年周期内年均保养次数5/15；Q2为电力（等价）折标煤系数0.303kgce/kg。相关数据代入公式可得：（3）采用滚塑浮标替代钢质浮标后，因为保养周期的延长，浮标在岸上进行转场运输时车辆燃油消耗将大幅减少，钢质浮标平均每年在每座浮标保养运输燃油消耗量W3（38.93kg标准煤）：式中：S为平均每座浮筒陆地运输里程（钢质浮筒保养过程中需要在码头、维修车间、保养场地之间循环运输。目前因保养场地和码头较远单次运输需160km）；L1为运输车辆油耗（运输浮筒载重型卡车百公里油耗20L）；ρ为柴油密度0.835kg/L；柴油的折标煤系数值Q1=1.4571kgce/kg。相关数据代入公式可得：（4）采用134座滚塑浮标替代钢质浮标后年平均总节能量：（5）采用134座滚塑浮标替代钢质浮标后，年平均总项目降碳量：5.2经济效益（1）浮标维护管理模式逐步发生改变浮标是我国航标管理机构提供助航服务的主要形式之一，为维持浮标的良好效能，需要大型航标作业船舶、保养场地、喷丸及维修设施、油漆设备等大量的固定资产投入，围绕浮标维修保养需要大量的作业人员和管理人员。滚塑浮标采用模块化拼装结构，后期维护简便。可以预见滚塑浮标推广应用后，浮标可以实现“只换不修”，将大量的航标经费、人力资源投入到提高和改善航标助航效能上，给航标用户提供更好的助航服务。（2）环保性不断增强一般钢质浮标需要每3年进行一次喷丸除锈和喷漆大保养，每次大保养需要清洗标体、喷砂除锈、喷涂油漆，作业工序时间长，航标工人劳动强度大。特别是使用高污染作业方式对人员及环境危害极大。近年来随着国家及地方政府环境保护整治力度增强，已经很难就近找到合适的钢质浮标维修保养工场。我们要未雨绸缪，开发和推广应用新型材料浮标，争做交通行业响应国家环保发展战略的践行者。（3）全生命周期与传统钢质浮标相比有显著的经济性目前线性低密度聚乙烯滚塑型浮标在国内还是新兴产业和新型产品，采购成本普遍偏高，初期一次性使用成本大于钢质浮标，随着新塑料浮标生产工艺不断改进及产量的不断增加，其采购价格将会不断下降。在全生命周期上使用及维护成本优势将进一步凸显。根据大量历史经验数据，钢质浮标需要每3年起吊运回陆上修理，滚塑浮标每6年需要起吊更换系链。在15年生命周期内，设定钢质浮标需要维修4次，滚塑浮标需要维修2次。“绿色环保”要求其生产原料为无毒无污染材料同时可回收再利用，线性低密度聚乙烯由于其简单的线性分子结构，保证了其制成品的回收再利用率可达95%。从报废处理（残值利用）上而言，按照线性低密度聚乙烯滚塑浮标的实际情况，一般按照合同原价10%到30%进行回收，再降级运用到其他产品生产中去，具有可观的回收利用价值。其全生命周期内产生费用如表2所示。表2线性低密度聚乙烯滚塑浮标全生命周期费用表（单位：元）（4）减少船舶碰撞损失由于钢质浮标材质特性，航行船舶与之发生碰撞时，会对船舶和钢质浮标都造成较严重的结构性破坏。线性低密度聚乙烯滚塑浮标漂浮水中本体较轻，发生碰撞时会弹开，不易直接撞到浮体。即使发生碰撞，对航行船舶的损坏程度也会大为减轻。5.3社会效益（1）共筑蓝色海洋该项目采用新型滚塑材