舱室常用绝缘材料

14.2.3　舱室常用绝缘材料

14.2.3.1　三棉三板

时至今日，船舶舱室，尤其是舰船舱室的绝缘绝热保温材料和防火分隔材料仍以无机矿物棉或无机矿物板材料为主。一个重要原因就是这些无机矿物材料相对有机高分子泡沫而言，尽管密度较大、耐水性和耐腐蚀性较差，但是“三棉三板”绝缘材料的耐高温、不燃和无毒等性能大大增加了舰船的安全系数，而安全是舰船的第一要素。其次就是迄今为止，还没有十分理想的新材料取而代之，这些因素造成了当前舰船舱室绝缘材料没有发生根本变化的现状。

“三棉三板”（部分性能见表14.2－3、表14.2－4）绝缘材料在船体舱室中主要用作单一式A级防火分隔、组合式A级防火分隔、B级防火分隔、舱室隔热、冷藏系统和通风隔热系统等六个方面。

1）陶瓷棉或岩棉

陶瓷棉或岩棉可用作单一式A级防火分隔材料，如将密度为170kg/m³，厚度为40mm的陶瓷棉干法毡敷设在钢板上，可达到钢板向火A－60级舱壁要求；同样密度，厚度为30mm的陶瓷棉或岩棉干法毡可达到绝热保温材料向火A－60级舱壁要求；密度为（120～150）kg/m³，厚度为50mm的岩棉制品可达到绝热保温材料向火A－60级舱壁要求。

2）硅酸钙板或复合岩棉板

厚度为19mm的硅酸钙板、厚度为20mm的陶瓷棉干法制品和适当的空气层可形成组合式A－60级防火分隔舱壁。硅酸钙板和复合岩棉板则可以用于舱室B－15级分隔材料。

3）玻璃棉

玻璃棉用作舱室绝热保温材料时，密度分别为20、30、40、60kg/m³，厚度为50mm。

“三棉”制品除了用作舱室A、B级防火分隔材料外，主要用途在于用作舱室绝热保温材料。舱室常用陶瓷棉绝热保温材料的密度一般为90、100、120kg/m³，厚度为50mm。岩棉的密度分别为80、100kg/m³，厚度为50mm。当船舶航行于南极等寒冷地区时，上述绝热保温材料的厚度应适当增加，一般从原先的50mm增至80mm。

冷藏系统和通风系统的舱壁和天花板保冷材料大多采用玻璃棉、岩棉和陶瓷棉制品，其中，玻璃棉制品用得最多。地板保冷一般采用硬质聚氨酯板材或泡沫玻璃。管道保冷一般采用芯材厚度为10～15mm的干法陶瓷棉镀锌铁皮夹层风管，取代了原先的阻燃型聚苯乙烯泡沫绝缘材料。

舱室中热水和蒸汽管系，油柜等的绝热保温材料也由于石棉制品的毒性和禁用，基本采用“三棉”绝缘材料。

14.2.3.2　有机高分子泡沫材料

船舶冷藏系统的舱室和管道所用的绝缘材料除“三棉三板”外，主要包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫和酚醛泡沫。这些有机高分子泡沫材料它们最大的特点就是密度轻、憎水、保温性能好。它们的致命弱点就是使用温度较低、易燃和燃烧毒性。

1）聚氨酯泡沫

聚氨酯泡沫主要原料是多元醇和异氰酸酯，一般分成聚醚聚氨酯和聚酯聚氨酯两种。其中聚醚聚氨酯的耐水性比聚酯聚氨酯好。聚氨酯泡沫主要优点是导热系数小、密度低、弹性好。此外，还有透气、吸尘、吸油等性能。缺点是聚氨酯泡沫使用温度不高、氧指数较低易燃、燃烧分解有毒氰化物。开孔结构的聚氨酯泡沫有吸声作用，但同时也吸水，保温性能不如闭孔聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫主要用于管道、冷库等的绝热保温。聚氨酯泡沫主要性能见表14.2－6。

表14.2－6　聚氨酯泡沫主要性能

2）聚苯乙烯泡沫

聚苯乙烯泡沫的主要原料是热塑性苯乙烯树脂。热塑性树脂与热固性树脂不同，它在溶剂中可溶，在高温时可融。聚苯乙烯泡沫的最大优点就是密度小、不吸潮、导热系数低。聚苯乙烯泡沫的最大缺点是使用温度低、燃烧时烟密度大，燃烧时浓烟滚滚，极易造成人员窒息。该泡沫材料目前主要用于冷库、管道等制冷设备的低温保温。其主要性能见表14.2－7。

表14.2－7　聚苯乙烯泡沫的主要性能

3）聚氯乙烯泡沫

聚氯乙烯泡沫的主要原材料是热塑性聚氯乙烯树脂。由于聚氯乙烯分子链上含有大量氯原子，聚氯乙烯泡沫的阻燃性能要好于聚苯乙烯泡沫，它的氧指数较高，有自熄特点。除此之外，它还有导热系数低、不吸水、耐油、耐酸碱腐蚀等优点。它的主要缺点同样是因为有氯原子的缘故，燃烧时它会释放氯化氢等有毒有害气体。该材料部分用于冷库管道等制冷设备的低温保温。其主要性能见表14.2－8。

表14.2－8　聚氯乙烯泡沫的主要性能

聚氯乙烯泡沫尽管氧指数在热塑性高分子泡沫中是很高的，有阻燃、自熄性能。但是燃烧产生的熔滴很容易点燃其他易燃物品，也不符合美国UL94V－0、V－1阻燃标准，且烟密度也大，具有潜在危险性。再则，高温时释放氯化氢、氯代烃等有毒气体。

4）酚醛泡沫

酚醛泡沫的主要原料是酚醛树脂，酚醛泡沫是热固性材料，不溶不融。由于结构中存在大量的密实的苯环结构，刚性、高低温下不变形，不燃烧、无熔滴、炭化、无有毒气体释放。酚醛泡沫目前主要用于舰艇、航母等的机库、弹药库等舱壁的绝热保温。酚醛泡沫的主要性能特点见表14.2－9。

表14.2－9　酚醛泡沫的主要性能

酚醛泡沫是保温、阻燃等性能优良的有机高分子绝缘材料。导热系数低，阻燃、低烟、无熔滴、离火自熄和燃烧无毒性等一系列性能特点，满足国际海事有关海上人命安全公约“SOLAS”有关规定，至今还在水面舰船、潜艇和航空母舰上使用。但是，酚醛泡沫性脆、易碎，给运输和安装带来困难。另外，酚醛泡沫切割时产生的大量粉尘有害于环保和操作人员的身体健康。鉴于这方面的问题，酚醛泡沫至今未能在船舶舱室大规模推广应用。

14.2.3.3　船舶舱室新型绝缘材料

近年来，随着船舶工业及材料工业的发展，人们针对船舶舱室上述这两类常用绝缘材料存在的问题进行深入研究，开发了许多有价值的新型船用绝缘材料。其中，值得关注的：有解决无机矿物棉绝缘材料重量大、导热系数高的无机硅质纳米孔绝缘材料；有解决有机高分子泡沫不耐高温、易燃、燃烧有毒的轻质柔性耐高温阻燃型热塑性聚酰亚胺泡沫；有解决酚醛泡沫脆性的IPN（高分子互穿网络）增韧酚醛泡沫以及具有节能减排的保温又吸声的三聚氰胺泡沫材料等，将船舶舱室绝缘材料的发展推向前所未有的高度，进入具有全新概念的发展阶段。

1）硅质纳米孔绝缘材料

纳米孔绝热保温材料和真空绝热保温材料被公认为导热系数低于“无对流空气”导热系数的超级绝热保温材料。超级绝热保温材料概念是由美国学者Hunt等人在1992年的国际材料工程大会上提出的。从结构上分析，它属于硅质发泡材料或无机泡沫。但是，与通常的绝热保温泡沫相比，无论在物理结构还是物理性能上两者都大相径庭，无可比拟。纳米孔硅质材料的泡孔孔径在100nm之内，其中85%的孔径在50nm之内，是通常绝热保温泡沫孔径的万分之一或更小。硅质纳米孔材料的密度之所以如此小、导热系数如此低、绝热保温性能如此优异，这一切都与它的纳米级孔径及纳米孔分布有关。并可从材料在常温或高温下热传导途径与热传导机理得到解释。从三种热传递方式分析：

首先，硅质纳米孔材料的热传导微乎其微。在硅质纳米孔绝缘材料中，95%的体积由孔隙组成，硅质基材的体积仅占材料表观体积的5%。微球状气孔壁的厚度约在2nm左右，材质热传导在相邻微球状气孔壁的触点之间进行。根据理论计算，此时的硅质气凝胶基材的导热系数仅为0.007W/（m·K）。

其次，主要由氮气和氧气组成的空气的流动自由程为70nm左右，而硅质纳米孔材料中80%孔隙的孔径小于50nm，这时的二氧化硅链状结构，围成了无数个不大于空气自由程的纳米空间，空气分子失去了流动能力而附于气孔壁上，热对流基本不存在，材料处于近似真空状态。

再次，热辐射传导也由于纳米级孔径趋于零。热辐射传导无需通过介质完成，但是，硅质纳米孔绝缘材料中无数的孔隙形成的无数多个界面，使红外线经过无数次的反射、散射和衰减，致使热辐射传导趋于零。由于硅质纳米孔绝缘材料中的泡孔绝大多数是纳米级泡孔，极低的体积密度，无数多的反射界面和散射微粒，使材料不论在常温还是在高温下，均有很低的导热系数。

近年来，美国、西班牙等西方国家为了便于工业化生产和大面积推广应用，对硅质纳米孔绝缘材料的制备工艺进行了改进，避开高温高压的超临界制作工艺，采用常压复合工艺，使硅质纳米孔绝缘绝热保温材料走出最初的航空航天领域，在船舶舱室绝缘领域得到应用。如美国Conqueror号潜艇、Superseacat号高速艇、航母以及大型驱逐舰等军船上都已采用该绝缘材料。美国的Therdyne公司、Thermalceramic公司，英国的Microtherm公司，以及德国的Wacker公司，都有系列产品应用于船舶制造业。其中英国的Microtherm公司产品最成熟，应用的数量和经船级社认可的结构型式最多。资料显示，船舶使用十几毫米厚的硅质纳米孔超级绝热保温材料就可满足A－60级防火分隔要求，而相同情况下达到同样效果，则需采用3倍以上重量的其他无机绝热保温材料，因此，大大减轻了船体的总重量并节约了空间。

硅质纳米孔超级绝热保温材料主要用于船舶机舱舱壁、天花板、防火门、过道、油舱等火灾敏感部位的绝热保温和防火分隔。国内造船目前采用的A－60级陶瓷棉防火分隔材料，厚度达40mm，密度为170kg/m³。若采用硅质纳米孔绝缘材料，厚度将减至16mm，而单位面积重量也由6.8kg/m²降至2.04kg/m²。常压工艺生产的硅质纳米孔绝缘材料的主要性能指标见表14.2－10。

表14.2－10　常压工艺生产的硅质纳米孔绝缘材料的主要性能指标

与用高温高压超临界工艺生产的硅质纳米孔绝缘材料不同，常压工艺生产的硅质纳米孔绝缘材料的密度仍然比较高，但是它的导热系数尤其是高温导热系数仅为矿棉材料的1/3至1/4。也就是说，同样用作舱室A级防火分隔材料，纳米孔绝缘材料的厚度可以减至矿物棉材料的1/3至1/4，所用A级防火分隔材料的总重量可以大大减轻。这无疑可以减轻船舶的重量，增加有效载荷。对于舰船来说，则可增加兵力，提高舰船的作战能力。分部设在美国、比利时和日本的英国微热公司（Microtherm）生产的纳米孔级的船用绝缘材料不仅耐温达到1 000℃以上，具有低于静止空气的高温导热系数，而且防水性好，属环境友好型材料。微热公司（Microtherm）生产的纳米孔级的船用绝缘材料已被国际上许多国家采纳，用于各类船舶的舱室A级防火门、舱壁等的防火分隔材料。该材料用无碱玻璃布缝制，根据使用要求，该公司可提供不同规格的刚性板材和可卷曲的柔性材料，适用于舱室和不同形状、不同部位的管道绝缘。

2）热塑性聚酰亚胺泡沫

聚酰亚胺是一种耐热性极好的杂环有机高分子聚合物。20世纪70年代，聚酰亚胺泡沫最早由美国NASA Langley研究中心和Unitlka America合作开发，用于航天飞机舱壁的隔热保温。之后，美国的赛洛公司、乙基有限公司和孟山都等公司又将聚酰亚胺开发用于美国舰船舱室隔热隔声的泡沫。与其他有机高分子泡沫相比，聚酰亚胺泡沫的性能优势表现在：良好的隔热、隔声效果；良好的阻燃性，抗明火、不发烟、不产生有毒有害气体；质量轻；柔弹性好；耐高低温；环境友好，不含卤素或消耗臭氧物质；易于安装维护，使用寿命长等7个方面。其中INSPEC FOAM公司生产的Solimid聚酰亚胺泡沫产品已被15个国家制定为海军舰船的专用隔热隔声材料。聚酰亚胺泡沫作为舰船绝缘材料主要应用于舰船有隔热隔声要求的船侧壳体、舱壁和舱顶；高温蒸汽管线；潜艇壳体中热和蒸汽处理时的防结露和低温容器的保冷等。根据聚酰亚胺分子结构，聚酰亚胺泡沫又分为热塑性和热固性两种泡沫。我国武汉工业大学研发的聚双马来酰亚胺泡沫属于热固性泡沫，其分子结构成交联网状结构，现也已在舰船上使用。但是，与热塑性聚酰亚胺泡沫相比，聚双马来酰亚胺泡沫的密度较大、韧性也较差。具体对比数据见表14.2－11。

表14.2－11　热塑性聚酰亚胺泡沫与聚双马来酰亚胺泡沫的性能指标对比

从表14.2－11对比数据知道，热塑性聚酰亚胺泡沫的密度仅为5.8～8.0kg/m³，不仅是热固性聚双马来酰亚胺泡沫密度的1/8至1/10，而且也远远低于其他舱室绝缘材料。在氧指数、烟密度、燃烧毒性、抗冲强度等方面，热塑性聚酰亚胺泡沫也远远优于热固性聚双马来酰亚胺泡沫。

聚酰亚胺泡沫在美国以及西方国家的巡洋舰、登陆舰、护卫舰等一系列水面舰船、潜艇甚至航空母舰上都得到广泛应用。如美国“宙斯盾”号驱逐舰及后续舰采用聚酰亚胺泡沫后，不仅有效地减轻了装备的重量，还大大地提高了装备的安全性。

3）新型无机生物降解型A－60级舱室防火分隔材料

成立于1891年的，最早发明陶瓷棉及其隔热绝热保温材料的美国Unifrax公司于近两年开发出用于船舶舱室A－60级肺液可溶性Insolfrax和Insulfrax无机防火分隔材料。该材料具有导热系数低、隔热性能好、耐高温、质轻和生物降解等性能。Insulfrax无机防火分隔材料最高使用温度高达1 200℃，收缩率则小于0.5%。2005年到2008年该材料用于德国建造的5艘护卫舰。此外，该材料还应用于法国核潜艇，针对高发热汽油火灾而制造的A－60防火材料。

Insolfrax和Insulfrax无机防火分隔材料碱土氧化物含量＞18%比普通陶瓷纤维高。另外，纤维呼吸进入人体的短期生物持久性半衰期＜10天。这些数据表明Insolfrax和Insulfrax无机防火分隔材料无毒、不致癌是绿色环保型材料。