Полимеры в судостроении
Полимеры в судостроении стали применять в 30-х гг. В 1936 в Германии на линкоре «Тирпиц» были впервые установлены поливинилхлоридные трубопроводы для питьевой, технической, охлаждающей и забортной воды, а несколько лет спустя армированный асбестом прессматериал стали применять для изготовления мебели и переборок кают на тральщиках и миноносцах.
Современная судостроительная промышленность — один из крупнейших потребителей синтетических полимерных материалов, причем области их применения очень разнообразны, а перспективы использования практически неограниченны. Полимеры применяют для изготовления корпусов судов и корпусных конструкций, в производстве деталей судовых механизмов, приборов и аппаратуры, для окраски судов, отделки помещений и их тепло-, звуко- и виброизоляции и др.
Благодаря использованию полимерных материалов значительно улучшаются технические и эксплуатационные характеристики судов, повышаются их надежность и долговечность, сокращается продолжительность и снижается трудоемкость постройки.
Полимерные материалы для изготовления корпусов судов и корпусных конструкций
Среди конструкционных полимерных материалов наибольшее значение в судостроении имеют стеклопластики. Это объясняется их высокими механическими свойствами, достаточно хорошей термостойкостью, устойчивостью к коррозии и к старению, сравнительной легкостью переработки в изделия самых сложных форм, простотой и удобством эксплуатации и ремонта. В США, например, в 1958 из этих материалов было построено 80 тыс., в 1963 — 214 тыс., в 1972— 700 тыс. судов. В 1969 в мировом судостроении было использовано около 100 тыс. тонн стеклопластиков.
Таблица 1: Сравнительные характеристики траулеров, построенных из различных материалов
| Материал | Грузовместимость,м3 | Масса порожнего судна,т |
| Дерево | 170 | 232 |
| Сталь | 187 | 233 |
| Стеклопластик | 195 | 170 |
Для изготовления корпусов судов и корпусных конструкций используют главным образом полиэфирные стеклопластики холодного отверждения. В тех случаях, когда требуются материалы с особо высокими прочностными характеристиками (например, для корпусов глубоководных аппаратов), применяют эпоксидные стеклопластики.
Использование в судостроении стеклопластиков на основе феноло-альдегидных, карбамидных, фурановых и кремнийорганических смол затруднено из-за необходимости формования изделий при высоких температурах (>170 °С) и давлениях [2,5 — 10 Мн/м2 (25 — 100 кгс/см2)].
Одно из наиболее важных преимуществ стеклопластиков перед традиционными судостроительными материалами (деревом, сталью, алюминиево-магниевыми сплавами) — высокая удельная прочность, благодаря чему может быть уменьшена масса судовых конструкций (табл. 1).
Корпуса и корпусные конструкции из стеклопластиков изготовляют главным образом тремя методами:
- контактное формование;
- напыление;
- прессование.
Основное достоинство метода контактного формования, наиболее распространенного в судостроении,— простота. Помимо форм (матриц), он не требует практически никакой сложной оснастки, оборудования и приспособлений. Поскольку все операции выполняются вручную, производительность этого метода невысока, а условия труда тяжелы. Однако он позволяет изготовлять корпуса сравнительно крупных судов (длиной до 50 м и водоизмещением до 300 т). Имеются также разработки для постройки судов длиной более 60 м и водоизмещением до 1000т.
Механизированный метод напыления более прогрессивен. Его применяют при изготовлении корпусов мелких судов или их отдельных деталей.
Для производства корпусов более крупных судов этот метод непригоден вследствие меньшей прочности стеклопластика, чем в случае ручного контактного формования.
Наиболее прогрессивный метод формования корпусов судов — прессование, в котором все операции, кроме укладки стеклоткани в форму и заливки связующего, механизированы. Метод более производителен, чем описанные выше, но его применение ограничивается размерами прессовой оснастки и мощностью оборудования.
Корпуса крупных судов изготовляют преимущественно из монолитного стеклопластика. Трехслойные конструкции, в которых в качестве заполнителя между двумя слоями стеклопластика применяют пенопласты и сотопласты, при изготовлении таких судов себя не оправдали. Стремление получить максимальный выигрыш в массе обусловило использование трехслойных конструкций в судах на подводных крыльях и на воздушной подушке. Такие конструкции широко применяют для изготовления переборок, секций палуб, надстроек и других деталей (они легче монолитных из стеклопластика на 20%, а металлических — в 1,5 раза). Из трехслойных конструкций, заполненных пенополиуретаном, изготовляют также спасательные шлюпки. Этот заполнитель, помимо облегчения корпуса, обеспечивает необходимую непотопляемость судна. Введение в связующее для стеклопластика антипиренов или использование самозатухающих связующих позволяет изготовлять спасательные шлюпки для танкерного флота, которые могут преодолевать водные пространства с горящими на поверхности нефтепродуктами.
Несмотря на сравнительно высокие цены на исходное сырье, стоимость судна с корпусом из стеклопластика практически равна стоимости деревянного. Это обусловлено меньшей трудоемкостью изготовления корпуса из пластмассы, а также возможностью использования малоквалифицированной рабочей силы.
Эксплуатационные расходы на содержание корпусов судов из пластмассы составляют не более 25% от расходов на содержание деревянных; они также значительно ниже расходов на содержание металлических корпусов. Низкие эксплуатационные расходы — одна из причин резкого роста применения стеклопластиков для изготовления корпусов рыбодобывающих и промысловых судов.
Помимо корпусов судов, из армированных пластмасс изготовляют также:
- переборки,
- надстройки и рулевые рубки,
- мачты,
- дейдвудные трубы,
- люковые закрытия дверей,
- оборудование помещений и др. детали.
Стеклопластик — немагнитный материал, и поэтому его с успехом применяют для постройки тральщиков и других военных кораблей. Например, в США из этого материала в 1947—65годах было построено более 3000 военноморских судов различного назначения.
Большие перспективы имеет использование стеклопластиков для изготовления корпусов глубоководных аппаратов и подводных лодок. Например, из высокопрочных легированных сталей могут быть изготовлены корпуса обитаемых глубоководных аппаратов, предназначен- ных для погружения на глубину до 3000 м, из алюминиевых сплавов — до 4500 м, из титановых сплавов —до 6000 м, из стеклопластиков — до 9000 м. Такое преимущество стеклопластиков перед другими конструкционными материалами обусловлено прежде всего их высокой удельной прочностью.
Внутренние (прочные) детали этих аппаратов из стеклопластика изготовляют методами прессования или намотки на специальных станках. Секции цилиндрических корпусов крупных аппаратов получают намоткой на специальные разборные оправки. Наружные (легкие) корпуса изготовляют из полиэфирных стеклопластиков методом контактного формования.
Весьма перспективные материалы для производства глубоководных аппаратов — пластики, армированные углеродными или борными волокнами. Широкое приме-нение этих волокон ограничивается их высокой стоимостью. Однако, по данным исследователей США, эпоксидный слоистый пластик, армированный углеродными волокнами (см. Углеродопласты), более перспективен для изготовления корпусов глубоководных аппаратов, чем стеклопластик, вследствие более высоких модуля упругости и усталостной выносливости и меньшей плотности.
Полимерные уплотнительные материалы в судостроении
Эти материалы применяют в судостроении для тепло-, звуко- и виброизоляции, для герметизации разъемов и соединении деталей и механизмов и многих других целей. Независимо от назначения все уплотнительные материалы должны обладать влаго- и огнестойкостью, устойчивостью к действию биологических факторов и к перепадам температур, отвечать требованиям пожарной безопасности, не выделять при эксплуатации токсичных веществ и иметь хорошие технологические свойства.
Теплоизоляционные материалы на основе синтетических полимеров (табл.2) превосходят по большинству показателей пробковую изоляцию: они имеют меньшие теплопроводность, влагопоглощение и объемную массу, обладают большей огнестойкостью. Помимо своей основной функции, эти материалы обеспечивают звукоизоляцию. Иногда для звукоизоляции применяют также губчатые резины на основе различных каучуков.
Таблица 2: Основные характеристики теплоизоляционных материалов, применяемых в судостроении
| Материал | Объемная масса, кг /м3 | Коэффициент теплопроводн., вт/(м-К) [Ккал/м·ч·⁰С] | Возгораемость К* | Темп.-ра эксплуатац, ⁰С | Влагопогл.-е за 24 ч, % (по массе) | Изолируемые детали |
| Маты из штапельного капронового волокна | 60 | 0,052[0,045] | 2,1 | 60 | 9,0 | Корпуса и другие поверхности малых судов, холодные трубопроводы, вентиляционные каналы (за исключением охлаждаемых камер и трюмов) |
| Плиточный пенополивинилхлорид | 85-195 | 0,058 [0,050] | 1 ,63- 1 ,75 | 60 | 2 ,5** | Борта, наружные переборки, палубы и их риббанды (только во вспомогательных помещениях) |
| Напыляемый пенополиуретан на основе полиизоцианата и фосфорсодержащего олигоэфира | 30-50 | 0,041 [0,035] | 0,83 | 80 | 3,6 | Борта наружных переборок и палуб в жилых и вентилируемых служебных помещениях (кроме пи- щеблоков и провизионных кладовых на всех судах, за исключением пассажирских) |
| Плиточный суспензионный пенополистирол | 25-40 | 0,052 [0,045] | 2,1 | 60 | 4,0 | Борта, переборки, палубы в вентилируемых помещениях, трубопроводы и вентиляционные каналы (кроме пищеблоков на всех судах, за исключением пассажирских) |
| Плиты из сплава фенолоформальдегидной и фурфурол-ацетоновой смол | 70-100 | 0,058 [0,050] | 0,58 | 40 | 2,8 | Борта, переборки, палубы и риббанды (во всех помещениях) |
| Пробка спрессованная в плитах | 240 | 0,058 [0,050] | 4,0 | 100 | 12,0 | Жилые, служебные и другие помещения |
* К = qв/qп, где qв и qп -— соответственно количество тепла, выделенное образцом и подведенное к образцу для его сжигания. ** При 120 °С.
Для виброизоляции, особенно необходимой в судах на подводных крыльях и на воздушной подушке, отдельные судовые конструкции покрывают вибропоглощающими пластмассами на основе полибутилметакрилата или поливинилхлорида. Главные и вспомогательные двигатели, приборы и судовую аппаратуру устанавливают на виброизолирующих резиновых амортизаторах.
Герметики на основе синтетических полимеров, способные отверждаться при обычных температуpax с образованием прочных и эластичных соединений, устойчивых к действию агрессивных сред, применяют для уплотнения разъемов и стыков различных судостроительных деталей. Наиболее широко для этих целей используют составы на основе жидких полисульфидных каучуков (тиоколов), а также обладающие повышенной водостойкостью составы на основе композиций тиокола с фенольными смолами (см. также Герметизирующие составы).
В 50-х гг. в судостроительной промышленности многих стран получили распространение одноупаковочные составы на основе полиэфирных смол, отверждающиеся в малых зазорах без доступа воздуха и предназначенные для уплотнения деталей механизмов, приборов и аппаратов, а также для стопорения деталей, имеющих резьбовые соединения. В последнем случае составы используют вместо установки стопоров, шайб, контргаек, шплинтов; их применяют также для склеивания деталей из различных металлов, пластмасс, дерева, стекла, резины.
Для получения разнообразных прокладочных материалов применяют главным образом резины на основе различных синтетических каучуков. Так, уплотнительные прокладки для дверей, иллюминаторов, крышек люков, конусов гребных валов в местах насадки гребных винтов и др. аналогичных деталей изготовляют из кислото- и щелочестойких резин (например, на основехлоропреновых каучуков). Для уплотнительных деталей (манжет, колец, воротников, прокладок) масляных и топливных систем применяют масло- и бензостойкие резины на основе бутадиен-нитрильных каучуков и полисульфидных каучуков, для деталей механизмов, приборов и устройств, эксплуатируемых при низких температуpax (например, на открытых палубах или в рефрижераторных камерах) — морозостойкие резины из бутадиеновых каучуков и бутадиен-стирольных каучуков.
Теплостойкие резины из кремнийорганических каучуков и фторсодержащих каучуков, а также из бутилкаучука используют для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (прокладки теплых ящиков, трубки для подачи горячей воды и газов, уплотнения осветительной и сигнальной аппаратуры, эжекторы, теплообменные аппараты, эластичные муфты и др.).
Клеи в судостроении
Для склеивания деталей из пластмасс, приклеивания различных материалов к металлам и склеивания металлов друг с другом широко используют эпоксидные клеи, а также эпоксиднополиамидные клеи, которые обладают большой жизнеспособностью и отверждаются с помощью нетоксичного низкомолекулярного полиамида; при этом получают эластичные клеевые соединения. Для клеесварных соединений применяют полибутилметакрилатныи клей холодного отверждения, позволяющий производить точечную сварку сразу после нанесения и образующий вибро- и ударопрочный, а также химстойкий эластичный шов.
Для приклеивания теплоизоляционных материалов используют латексные клеи, а также полиамидные клеи (например, дифенилолкапролактамовые), не вызывающие коррозии металлов. Последние наиболее удобны в применении, так как не содержат растворителей и отверждаются в короткие сроки. Нетоксичные и не вызывающие коррозии металлов поливинилацетатные клеи используют вместо декстринового и казеинового для приклеивания отделочных материалов. Для этой же цели пригодны клеи на основе композиции хлорированного полихлоропрена (хлорнаирит) и феноло-формальдегидной смолы. В судостроении широко применяют также клеи на основе мочевино-формальдегидной смолы и модифицированного фенольной смолой поливинилбутираля. В некоторых случаях клеи выполняют одновременно функции герметиков.
Материалы для палубных мастичных покрытий
Покрытия из мастичных материалов должны устранять скользкость открытых металлич. палуб в любую погоду, предохранять палубы от коррозии, обладать хорошей адгезией к защищаемой поверхности, атмосферостойкостью (в том числе в тропических условиях), стойкостью к действию морской воды, а также нефтестойкостью. Эти свойства мастик должны сохраняться в интервале температур от — 40 до 80 °С. Мастичные материалы наносят обычно в местах интенсивного хождения; иногда их используют для выравнивания палуб перед наклейкой линолеума. Нанесение мастичных материалов на железобетонные палубы предотвращает образование трещин в железобетоне. В отдельных случаях мастики выполняют роль теплоизоляционных или огнезащитных материалов.
Для покрытий, устраняющих скользкость палуб, применяют мастики на основе эпоксидной смолы, пластифицированной низкомолекулярным бутадиен-нитрильным каучуком, на основе алкидной (глифталевой) грунтовки, пластифицированной хлорированным поливинилхлоридом, а также полимерцементные составы (например, на основе бутадиенстирольного латекса; см. Полимер цемент). Последние могут использованы и для выравнивания палуб. Необходимые свойства мастик достигаются введением в них наполнителей, абразивов и других ингредиентов.
Защитные и декоративные покрытия, отделочные материалы
Особое место в судостроении занимает проблема защиты конструкций (главным образом металлических) от воздействия морской воды, влажного воздуха, насыщенного частицами морской воды, солнечной радиации. Защитные материалы должны выдерживать резкие колебания температуры, связанные с плаванием судов в различных широтах и в разное время года, противостоять действию живых организмов, обитающих в морской воде и в атмосфере, а также агрессивных продуктов, перевозимых на судне.
Для указанных целей в судостроении широко применяют лакокрасочные материалы на основе синтетических продуктов. Используемые в судостроении грунтовки служат не только для получения нижних слоев лакокрасочных покрытий, но и как самостоятельный материал для защиты изделий от внешних воздействий в период межоперационного хранения (например, стальные изделия защищают грунтовками на основе алкидно-стирольного лака или эпоксидных смол).
Нижними слоями покрытий по стали и алюминиево-магниевым сплавам служат фосфатирующие грунтовки на основе поливинилбутираля. На внутренние поверхности цистерн для питьевой воды, резервуаров для винных продуктов, изготовляемых из стали и алюминиевых сплавов, наносят нетоксичные химически и водостойкие грунтовки на основе сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом. Из алкидных лаков готовят грунтовки для стальных и деревянных поверхностей, эксплуатируемых в сухих помещениях.
Для окраски наружной обшивки корпусов судов, подводных металлических поверхностей, деревянных изделий, цистерн для хранения воды используют краски на основе лака этиноль. Эти же краски, а также краски на основе эпоксидных смол применяют при получении антикоррозионных и нефтестойких покрытий цистерн для хранения нефтепродуктов и для окраски аккумуляторных помещений, подводной части корпуса, грузовых трюмов и другого.
Особенно жесткие требования предъявляются к покрытиям, защищающим район переменной ватерлинии судна. В наибольшей степени этим требованиям отвечают покрытия на основе поливинилхлорида, сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом, алкидных, феноло-формальдегидных и перхлорвиниловых смол.
Для защиты подводной части судов применяют краски, которые образуют водо- и коррозионностойкие покрытия, устойчивые, кроме того, к обрастанию животными и растительными морскими организмами. Антикоррозионные покрытия корпусов судов из алюминиевых сплавов получают с применением эпоксидных красок; стальные корпуса защищают дивинилацетиленовыми красками пли красками на основе сополимера винилхлорида с винилацетатом.
Наибольшее распространение для окрашивания наружных судовых поверхностей (надводного борта, надстроек, рубок и др. открытых конструкций) получили эмали на основе пентафталевого лака, краски на основе поливинилхлорида, смесей перхлорвиниловой и алкидной смол, а также сополимеров винилхлорида с винилацетатом.
Внутренние поверхности судовых помещений окрашивают материалами, которые обеспечивают пожарную безопасность и отвечают требованиям эстетики и гигиены. Этому комплексу требований в наибольшей степени отвечают эмульсионные краски на основе бутадиен-стирольного латекса и пластифицированной поливинилацетатной дисперсии, а также пентафталевые эмали.
Трюмы машинно-котельных отделений, внутренние поверхности балластных и топливных цистерн, грузовые танки нефтеналивных судов окрашивают красками на основе сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом, эпоксидной смолы, сополимера частично омыленного винилацетата с винилхлоридом, которые образуют нефтестойкие покрытия. Для окраски внутренних поверхностей цистерн, в которых хранят горячее масло (до 200 °С), используют краски на основе феноло-формальдегидного (бакелитового) лака. Поверхности, которые подвергаются воздействию агрессивных растворов, защищают главным образом красками для химстойких покрытий на основе эпоксидных смол и сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом. Последние, обладающие наименьшей токсичностью, используют для защиты цистерн, в которых хранят пресную воду и перевозят химически активные пищевые продукты, например, поваренную соль.
Для внутренней отделки судов все более широко применяют разнообразные пленочные и другие отделочные материалы на синтетической основе, вытесняющие такие дефицитные природные продукты, как древесина, кожа, хлопчатобумажные, шелковые и шерстяные ткани, растительные масла. При этом улучшается качество отделки и сокращается трудоемкость работ.
Для покрытия металлических палуб внутри судовых помещений используют рулонные материалы (линолеум) на основе алкидных (глифталевых) смол, а также поливинилхлоридные на тканевой основе и трудновоспламеняющиеся безосновные (см. Покрытия для полов).
При облицовке щитов из фанеры или негорючего материала на основе минеральных волокон (нептунит, маринит, асбосилит и др.), используемых для отделки кают, изготовления переборок и зашивки подволоков кают, широко применяют декоративный бумажно-слоистый пластик. Из этого же материала получают трехслойные щиты с легким заполнителем, применяемые для изготовления судовой мебели и каютных переборок.
Детали судовых помещений, облицованные бумажнослоистым пластиком, не требуют последующей трудоемкой окраски. Переборки жилых судовых помещений отделывают мягким рулонным отделочным материалом павинол, представляющим собой поливинилхлоридную пленку на тканевой основе. Для сокращения трудоемкости отделочных работ выпускают павинол с заранее нанесенным клеевым слоем. Мягкую судовую мебель отделывают кожей искусственной и эластичным пенополиуретаном. Жесткие пенополиуретан и пенополистирол, а также пенополивинилхлорид используют в качестве легкого заполнителя в трехслойных щитах, применяемых при изготовлении щитовой судовой мебели и конструкций переборок. Из пластмасс на основе полиметилметакрилата, перхлорвиниловой смолы и поливинилхлорида изготовляют детали судовой мебели. Такая мебель проста в изготовлении, дешевле деревянной и щитовой и, кроме того, трудновоспламеняема.
Из поливинилхлорида получают профили, которые используют для декоративной заделки стыков щитовых материалов, изготовления поручней и ступеней трапов, облицовки кромок щитовой мебели, плинтусов и других отделочных деталей. Способность этого полимера хорошо окрашиваться позволяет создавать изделия, гармонирующие но цветовым оттенкам с интерьером.
Полимерные материалы в судовом машиностроении
Полимерные материалы нашли применение и при изготовлении ответственных судостроительных деталей, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред, больших колебаний температур, тропической влажности и др. Например, взамен дорогостоящего тропического дерева бакаута, служившего единственным материалом для изготовления вкладышей дейдвудных подшипников, с успехом применяют резину, текстолит, капролон и другие полимерные материалы. Наиболее полно требованиям судостроения отвечает капролон, из которого изготовляют разнообразные машиностроительные детали — дейдвудные втулки, вкладыши подшипников рулевых устройств и насосов, детали опорных подшипников валопроводов и сальниковых уплотнений, шестерни, обтекатели и др.
С применением стеклотекстолитов на основе эпоксидных и феноло-формальдегидных смол, обладающих высокой прочностью и коррозионной стойкостью, изготовляют гребные винты диаметром до 3 м (как цельные, так и со съемными лопастями из этого прессматериала), которые легче и дешевле латунных, а также менее трудоемки в изготовлении. Из стекловолокнитов на основе феноло-формальдегидных смол, модифицированных др. полимерами, методами прямого или литьевого прессования изготовляют маховики арматуры, (включая паровую), блоки и коуши для пеньковых канатов, ненагруженные шестерни ручных приводов, переборочные стаканы, детали иллюминаторов, изолирующие звенья такелажа и многие другие судостроительные детали.
Чтобы получить дополнительную информацию и (или) узнать последние новости по данной теме посетите тематическую закладку: Полимеры в судостроении. Кроме того вы можете воспользоваться и другими тематическими метками (см. ниже).
Автор: Каргин В.А., академик АН СССР
Источник: Энциклопедия полимеров, под редакцией В.А. Каргина
Дата в источнике: 1972 год