新型建筑材料——膜材

1、新型建筑材料膜材1引言膜結(jié)構(gòu)是近幾十年發(fā)展起來的一種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)，它由具有優(yōu)良性 能的織物 (膜材)通過支撐構(gòu)件 (如剛性梁、柱、柔性索) ，或給膜內(nèi)空氣加壓以一 定的方式組合并施加適當(dāng)?shù)某跏碱A(yù)張力而形成具有一定剛度的空間結(jié)構(gòu)形狀， 從 而承受一定外荷載的一種空間結(jié)構(gòu)形式。 它的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期的人們利 用樹木的纖維和獸皮建造的帳篷。膜材料是這種大跨度空間結(jié)構(gòu)最重要的組成部分，被稱為“第五代建材”。 它的作用等同于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)中的混凝土、 鋼筋等材料。 早期的膜結(jié)構(gòu)由于膜 材開發(fā)的緩慢， 一直處于停滯狀態(tài)。 直到現(xiàn)代， 由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 新材料的 出現(xiàn)，特別是 20世紀(jì)七十

2、年代后，美國杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯為涂層 (PTEF) 的玻璃纖維織物作為膜材， 才引發(fā)了膜結(jié)構(gòu)在近幾十年的突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 1970 年日本大阪萬國博覽會，由美國工程師 David Geiger和H. Berger設(shè)計(jì)的美國館 采用氣承式膜結(jié)構(gòu)，首次以聚氯乙稀(PVC)為涂層的玻璃纖維織物作為覆蓋材料， 是第一個(gè)現(xiàn)代意義上的大跨度膜結(jié)構(gòu)。2膜材料的組成及性能2 1 組成膜材一般由膜材的基質(zhì)及高分子聚合物組成，即高分子聚合物涂層與基材層 按需要的厚度、 寬度，通過特定的加工工藝粘合在一起的產(chǎn)物。 基質(zhì)是高強(qiáng)度聚 酯纖維， 膜材的強(qiáng)度主要由這一層提供， 涂層主要保證膜材的密實(shí)性； 惰性材料

3、涂層保證膜材的自潔性。(1) 聚合物又稱高聚物(Polymer)，即高分子聚合物，一般分子量高達(dá)幾萬 幾百萬(104106)。合成聚合物的原料是單體，如乙烯單體，氯乙烯單體，丙烯 單體等等，它們不斷重復(fù)鏈接，聚合成聚乙烯(PE)，聚氯乙烯(PVC)，聚丙烯(PP)(2) 基材一般分為兩種： 聚酯長絲(滌綸PET):滌綸的合成原料是乙二醇和對苯二甲酸。在這里引入 苯環(huán)的目的是提高材料的熔點(diǎn)和剛度。 滌綸的特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高，在150175C以 下的機(jī)械強(qiáng)度好，耐溶劑、耐腐蝕、耐磨、耐油膩，可多次洗滌，透水透氣性適 宜。它是合成纖維中的第一大品種。若用丁二醇代替乙二醇，可制得熔點(diǎn)較低， 較柔軟的滌綸聚

4、酯。 玻璃纖維：玻璃是一種非晶體，沒有固定的熔點(diǎn)。將玻璃加熱熔融并拉成 絲，即成玻璃纖維。玻璃纖維的特點(diǎn)是：拉伸強(qiáng)度高，不僅超過各種天然纖維， 也超過一般的合成纖維和鋼材的強(qiáng)度。 但是，它的彈性模量較低， 約為鋼的 13， 屬于脆性材料；具有良好的耐熱性，一般在 300E以下可保持性能不變；具有良 好的電絕緣性。22性能221自潔性能PTFE膜材和經(jīng)過特殊表面處理的PV(膜材具有很好的自潔性能，雨水會在其表 面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。222光學(xué)性能 膜材料可濾除大部分紫外線，防止內(nèi)部物品褪色。其對自然光的透射率可達(dá) 25，透射光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生均勻的漫射光， 無陰影， 無眩光， 具

5、有良好的顯色 性，夜晚在周圍環(huán)境光和內(nèi)部照明的共同作用下， 膜結(jié)構(gòu)表面發(fā)出自然柔和的光 輝。223力學(xué)性能中等強(qiáng)度的PV（膜:其厚度僅0. 61mm但它的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材的一半。 中等強(qiáng)度的PTFE膜：其厚度僅0. 8mm但它的拉伸強(qiáng)度已達(dá)到鋼材的水平。膜材 的彈性模量較低， 這有利于膜材形成復(fù)雜的曲面造型。 其極輕的自重很好的滿足 了大跨建筑的要求，能在很大程度上降低大跨建筑的總造價(jià)。2. 2. 4聲學(xué)性能一般膜結(jié)構(gòu)對于低于60HZ勺低頻幾乎是透明的，對于有特殊吸音要求的結(jié)構(gòu) 可以采用具有FABRASO裝置的膜結(jié)構(gòu)，這種組合比玻璃具有更強(qiáng)的吸音效果。2. 2. 5防火性能目前廣泛使用的膜材

6、料防火等級為Bl級，屬難燃材料。防火性能指標(biāo)達(dá)到法 國、德國、美國、日本等多國防火標(biāo)準(zhǔn)。2. 2. 6保溫性能單層膜材料的保溫性能與磚墻相同，優(yōu)于玻璃。同其它材料的建筑物一樣， 膜建筑內(nèi)部也可以采用其它方式調(diào)節(jié)其內(nèi)部溫度。 例如：內(nèi)部加掛保溫層， 運(yùn)用 空調(diào)采暖設(shè)備等。2. 2. 7使用壽命目前采用最多的法拉利膜材有近60年的使用歷史，通過了 IS09002國際質(zhì)量體 系認(rèn)證。在正常使用情況下，該種膜材使用壽命可達(dá) 15年。3膜材的成型膜材加工的方法很多，建筑膜結(jié)構(gòu)所用的膜材大都是以壓延和涂刮成型。（1）壓延成型。將選定的軟PV（經(jīng)塑煉后投入壓延機(jī)，按所需厚度、寬度壓延 成膜后立即與布基貼合，

7、 再經(jīng)軋花、 冷卻即可制得壓延膜材。 壓延法生產(chǎn)膜材可 分貼膠法和擦膠法兩種。（2）涂刮成型。 將聚氯乙烯糊均勻地涂 （或刮） 在布基上， 再經(jīng)過烘熔， 也就是 加熱溫度高到使糊層完全熔融塑化，并均勻地緊貼于布基上，冷卻后即成膜材。4膜材的分類及選用膜材是一種復(fù)合材料，目前最常用的有 PTFffn PV（膜材兩大類。PTFE膜材：它是在極細(xì)的玻璃纖維編織成的基布 （織物）上涂敷PTFE聚四 氟乙烯 ） 樹脂而形成的復(fù)合材料。 其主要特點(diǎn)是具有高透光性、 高強(qiáng)度、 耐久性、 防火性、耐腐蝕、抗紫外線、自潔性等特點(diǎn)。因而價(jià)格也較高。（2）PVC膜材：它是在聚酯纖維編織成的基布上涂敷 PVC聚氯乙烯

8、）樹脂而形成 的復(fù)合材料。相比PTFE膜材，PV（膜材的強(qiáng)度和防火性較差，而且它的最大缺點(diǎn)是自潔性差。 隨著使用期問，PV樹脂中的塑性劑會遷移到膜材表面，粘著空氣和雨水中的臟 物使表面變臟，一般的PV（膜材使用35年就會臟，為了改善它的自潔性，可以 在PV（表面涂敷丙烯酸樹脂或含氟樹脂（如PVDF）或者在PV（表面粘貼含氟薄膜 （如 PVF）。對膜結(jié)構(gòu)建筑來說，膜材的選用很重要，需要根據(jù)用途、環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及 建筑造型等具體隋況決定。 對于永久性建筑、 大空間結(jié)構(gòu)、 城市景觀和標(biāo)志性建 筑等，建議采用PTFE膜材；而展覽會、博覽會等臨時(shí)性建筑，或可更換膜面的建 筑，可以采用PV（膜材。5發(fā)展前

9、景及挑戰(zhàn)膜結(jié)構(gòu)由于造型新穎輕巧、具有強(qiáng)烈的時(shí)代感及藝術(shù)美感，且施工期短，綜 合造價(jià)低， 將成為未來建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流。 據(jù)國外資料報(bào)道， 全世界建筑膜材 的銷售量在1990年僅為21億美元，2000年已達(dá)34億美元，10年內(nèi)以近6%的增長 速率在增長。至今為止，在世界各地特別是歐洲、日本、美國建成的優(yōu)秀的、有 代表性的膜結(jié)構(gòu)舉不勝舉。 如美國的丹佛新國際機(jī)場候機(jī)大廳、 沙特阿拉伯吉達(dá) 機(jī)場候機(jī)大廳的懸掛膜結(jié)構(gòu)、 德國的慕尼黑機(jī)場、 2000年悉尼奧運(yùn)會的超級穹頂 洪姆布什灣多功能體育館等。 2002年的日韓世界杯足球賽場館中， 20個(gè)足球 賽場中有 11個(gè)采用膜結(jié)構(gòu)。日本的新瀉體育場、 鹿島的

10、茨城足球場、琦玉體育場、 橫濱國際體育場和靜崗體育場及韓國的漢城世界杯體育場、仁川 I 體育場、大邱 綜合體育場、釜山綜合體育場、 濟(jì)洲世界杯體育場都都充分展示了膜結(jié)構(gòu)這一新 型大跨度空間結(jié)構(gòu)的魅力。我國膜結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用較晚，80年代才建成第一座充氣式膜結(jié)構(gòu)上海工業(yè)展覽館。 2000年才建成我國第一座自行設(shè)計(jì)、 施工完成的大型膜結(jié)構(gòu)工程 青島頤中體育場。 但近年來發(fā)展迅猛。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 我國1998年建筑膜材進(jìn)口量為 10萬川2 左右，1999年為15萬mz左右，2001年為20萬 m2上，可見其增長速度很 快。下表給出了部分大型體育場館使用的建筑膜材量。 另據(jù)了解， 北京2008年奧 運(yùn)會主場館“鳥巢”及游泳中心“水立方”也已確定采用膜結(jié)構(gòu)材料。目前我國膜材的生產(chǎn)還處于初級階段。國內(nèi)現(xiàn)有的建筑用膜材，絕大多數(shù)依 賴進(jìn)口。在膜材自主開發(fā)中還面臨著巨大的挑戰(zhàn)： 如建筑膜材基布的織造、 雙向 拉伸涂層工藝的開發(fā)、表面防污自潔處理工藝中處理劑的開發(fā)等。但我們相信， 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及 2008年奧運(yùn)會、2010年亞運(yùn)會在我國的舉辦， 將為我 國膜材料進(jìn)一步的研發(fā)、應(yīng)