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      建筑用膜結構材料的發展現狀和趨勢

      發布時間:2021年3月22日 點擊數:1500

      化學工業的發展使高分子膜材料受到廣泛關注。20世紀60年代,美國、日本、德國等國家開始開發用于建筑領域的膜結構材料。與傳統建筑材料不同,膜結構材料成本低、拆卸方便,且具有良好的透光率,可在白天節約大量照明能源。另外,膜材料的形態可設計性使其在建筑師手中具有極強的藝術表現潛力?偟膩碚f,建筑膜結構的諸多優點使其逐漸受到人們的關注,且市場日益增大。加強自主研發、提升產品競爭力、開發具有獨特功能和良好耐久性的建筑膜材料已成為推進我國建筑行業發展的重要方向之一。

      1 膜結構的分類

      膜結構由膜材料和支撐組件構成。根據構造和受力特點的不同,常見的膜結構可分為骨架式、張拉式、充氣式等3類。

      骨架式膜結構主要作為表皮材料使用,剛性骨架為其提供支撐,是結構的主要承力部分。這種結構的設計和施工簡單,但無法體現出膜材料本身的特性,通常用于覆蓋建筑表面。

      張拉式膜結構使用支撐桿或索對膜材料施加預應力使其形成穩定的曲面來維持建筑的結構形態。這種形式的膜結構能夠充分發揮膜材料的性能,且具有很高的可塑性,最能夠體現膜結構材料的藝術創造力。

      充氣式膜結構包括氣承式和氣囊式兩種。氣承式膜結構利用其內部與外部空氣壓力差為膜材提供預應力,故受外界條件影響較大,并且難以承受惡劣的氣候條件。而氣囊式采用雙層膜結構,因內部填充氣體使其具有一定的剛度,因此氣囊式膜結構比氣承式結構的穩定性好。

      2 建筑膜材的種類及性能

      膜結構建筑中最能夠體現其外在特點的就是膜材料本身,常用的材料主要分為織物膜材料和箔片兩大類?椢锬げ牧鲜且环N復合材料,主要由基層、涂層和面層組成。其中基層由纖維織造而成,為膜材料提供力學性能。涂層和面層為基層提供保護,賦予膜材一定的功能性和耐久性。根據基層纖維和涂層的種類可將膜材料分為以下三大類:聚四氟乙烯(PTFE)涂層玻璃纖維織物、聚氯乙烯(PVC)涂層玻璃纖維織物和PVC涂層聚酯纖維織物。箔片則為非織造類建筑材料,由聚合物直接制備而成,近年來發展迅速。在各類常見的膜材料基礎上通過結構的改變和材料的改性又可開發出具有不同功能的新型膜結構材料應用于各種建筑場合。

      2.1 PTFE建筑膜材料

      PTFE膜材料是在超細玻璃纖維織物上涂覆PTFE樹脂加工成的一種復合材料。其加工采用浸漬法,使用PTFE樹脂對玻璃纖維織物進行多次浸漬直到膜材料達到一定的厚度和克重,因此玻璃纖維原料的性能和浸漬過程的參數選擇是關鍵。普通的玻璃纖維由于其脆性和較小的伸長率難以織造成基布。一般來說,玻璃纖維的直徑越小,其強度越高。因此,超細玻璃纖維既能夠滿足織造要求,又可為膜材料提供適當的強度。浸漬過程中的分散液濃度、烘焙溫度和時間等決定了布面與PTFE樹脂的結合程度。PTFE具有優良的化學穩定性、熱穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、抗老化性和阻燃性,而玻璃纖維具有高強度和不燃性,故PTFE膜材料除擁有較輕的質量、良好的力學性能外,還具有良好的功能性和耐久性。

      PTFE/玻纖膜材料的斷裂強力由基布決定,玻璃纖維的高強度和低伸長率,使膜材料具有良好的抗拉強度和抗撕裂強度,即使在長期載荷下也不會出現明顯的應力松弛和蠕變。PTFE的阻燃性和玻璃纖維的不燃性使膜材料的阻燃性優良,同時PTFE膜材料耐低溫,可在-180~260℃條件下長期使用。PTFE/玻纖膜材不易與其他物質粘黏,即使表面有少量灰塵和污漬,經過雨水沖洗也可達到自清潔的效果。PTFE膜材對太陽光有良好的透射率,陽光在其內部的漫反射可使其在白天制造出優秀的視覺效果。憑借這些優異的性能,PTFE膜材料成為永久性膜材的常見選擇。

      沙特阿拉伯的標志性建筑——阿卜杜拉國王石油研究中心(KAPSARC),整體就大量采用了PTFE/玻纖膜結構材料。六邊形棱柱蜂窩結構呈連續的有機晶體狀布局,既為建筑內部提供了適當的光線,又賦予其充滿藝術氣息的外觀。對于PTFE/玻纖膜材料來說,在設計過程中最重要的是考量其強度和透光性。為了避免對織物進行補強或引入表面電纜,所用織物需達到高于標準要求的斷裂強度。KAPSARC采用雙層膜結構以確保膜材料的強度,但影響了其透光性。這是因為膜材內的纖維數量不僅與斷裂強度有關,還影響太陽能的傳輸。改善的方法是增強紗線內纖維的扭曲和抱合,使紗線線密度降低,紗線之間的孔隙在織造時變大。因此,即使使用了相同數量的玻璃纖維,由于有效減少了材料的固體部分,間隙變大,更多的光可以通過。

      2.2 PVC類建筑膜材料

      PVC膜材料采用的基層材料通常為聚酯纖維織物或玻璃纖維織物。PVC膜材料在原料及加工成本上均比PTFE膜材低,且具有柔性好、易于施工的優點。但在強度、耐久性等方面,后者比前者具有明顯優勢。PVC膜材的制造工藝包括貼合法、壓延法、涂層法等3種。貼合法是將兩層PVC膜置于基層織物上下兩側,利用熱輥使PVC膜在一定溫度和壓力下與基層織物貼合;壓延法是將PVC粉與增塑劑等原料混合后,使用熱輥與基層織物黏合;涂層法使用刮刀將液態PVC涂抹在基層織物兩面后,烘干固化成為整體。PVC膜材料的缺點之一是表面容易沾污,因為PVC中增塑劑等小分子向表面遷移,膜表面性能變差的同時,透光性下降。由于膜材的涂層PVC和聚酯纖維都是高分子聚合物,在使用過程中長期暴露在大氣環境下,受到風、雨、熱、紫外線等的作用后發生“老化”現象,引起材料斷裂強力和斷裂伸長的降低、顏色加深等,最終使材料喪失原有的功能。因此,PVC類膜材料的使用年限較短,一般無法直接作為永久性建筑材料使用。

      巴塞羅那的名為“Cloud 9”的建筑使用了一種以PVC/聚酯纖維膜材料制造的可收縮、可變形結構。在夏天,PVC薄膜可過濾85%的紫外線起到防曬作用,而且充氣式膜結構內部填充氮氣混合物可阻擋太陽光線。在冬季,膜結構由于氣溫的降低而產生體積收縮,能夠更好地吸收太陽光,最大限度地將光和熱傳輸到建筑物中。

      為了提高PVC膜材料的耐候性,通常在其表面涂覆一層聚偏二氟乙烯(PVDF),對其進行保護。PVDF是一種高分子量半結晶氟聚合物,具有優異的抗紫外線和耐老化性能,常溫下可溶解在有機溶劑中,故需要使用增塑劑和偶聯劑增強涂層與織物間的結合。該膜材料的使用年限比普通PVC膜材高,且擁有良好的自清潔能力和日光反射能力。美國橋梁國家實驗室(ORNL)的研究發現,涂覆PVDF涂層的屋頂測試樣板經過幾十年的暴曬仍能保持高于90%的日光反射率;含70%PVDF樹脂的涂料在經10年老化測試后,光澤度仍保持在原來的85%以上,經22年曝曬后,光澤保留率大于55%。

      聚氟乙烯(PVF)也是常用的處理PVC表面的材料,PVF膜材料具有優良的耐老化性和機械強度,且表面疏水、不粘性強,擁有良好的自清潔性。雖然PVF屬于熱塑性樹脂,但其熔融溫度接近于分解溫度,成形加工困難。與此同時,較低的表面能也使其與織物表面復合較困難,所以PVF膜材的加工難度較大,在建筑膜結構中的應用受到一定限制。

      2.3 ETFE建筑膜材料

      ETFE膜材料由乙烯和四氟乙烯共聚物制成,較之上述涂層織物的復合膜材,其最大特點是具有極佳的延展性和透光率。ETFE膜材料具有超薄的厚度和極小的重量,再加上優異的延展性和斷裂強度,使其具有很強的可塑性。除此之外,ETFE膜材料的自清潔性優異,表面較低的摩擦系數使風沙灰塵難以附著,在雨水的沖刷下就能恢復清潔。ETFE膜材料在使用后,可直接回收利用,綠色環保。ETFE膜的結構一般為張拉式或氣枕式。單層張拉式ETFE膜結構擁有十分優良的透光率,但單層結構的隔音、隔熱性能較差,且在封閉建筑中使用時要注意內外氣壓的平衡,因此在建筑中的應用受到限制。氣枕式ETFE膜結構源于氣囊式膜結構,在封閉的膜材內填充氣體,使膜面形成預張力,為氣枕提供強度。氣枕式膜材擁有更好的隔音隔熱效果,但其跨度小于張拉式結構。同時,陽光照射引起的膜表面溫度變化以及環境中其他因素施加的載荷,使膜結構內部氣壓的大小和分布產生變化,易使薄膜破損。因此,使用過程中,需配有相應的溫度監控和充放氣設備,導致ETFE膜結構材料的維護成本較高。

      我國的“鳥巢”和“水立方”都采用了ETFE膜結構。2015年竣工并開通運營的天津于家堡鐵路樞紐也使用了3層ETFE氣枕式膜結構。為控制ETFE膜過高的透光率,在其表面印刷了不同比例的銀色圓點。同時,該工程采用4臺供氣機調節氣枕內部氣壓,每臺供氣系統配有3個壓力傳感器。膜材邊界還設置有電熱絲,火災發生時,電熱絲熔斷ETFE膜,達到排煙的目的。

      3 國內膜結構材料的研究和發展現狀

      我國的建筑用膜結構材料發展較晚,至20世紀90年代才開始逐漸興起。近年來,我國超細玻璃纖維加工和制造技術的突破使PTFE膜材快速發展。然而,與國外相關企業相比,國內生產的玻璃纖維織物的性能和基布涂層技術仍有較大差距,且產量較低,無法滿足快速增長的市場需求。我國生產的PVC膜材在強度上與國外產品持平,但需進一步提高其耐久性、自清潔能力等指標。目前,國內對于ETFE膜材的研究還處于初級階段,相關產品主要依靠進口。美國、日本、德國等較早開發建筑用膜結構材料的國家早在20世紀80年代就對膜材料的力學性能進行了大量研究。膜材料的常見破壞形式包括拉伸、撕裂、剝離以及老化。國內相關性能的研究最早是由高校和科研機構內的學者進行的,近年來,隨著膜結構材料的迅速發展,越來越多的企業開始加入到膜材的研究和設計中,但相關材料的質量檢測標準和有關性能的評價體系仍處于空缺狀態。另外,發達國家如美國、日本等都已擁有各自的測試評價標準,如日本的JIS標準、美國的ASTM標準等,而我國的評價標準尚不成體系,因此需要在研究膜材性能的同時,建立一個統一的、成體系的評價標準。

      4 結語

      我國基礎建設的快速發展和大量應用使得建筑材料的需求增多,且愈加多樣化。作為一種區別于傳統鋼筋水泥建材的輕薄結構材料,膜結構材料具有多變的形態和外觀、較低的成本和獨特的功能。在各種現代建筑的設計建造中,膜結構材料的使用正變得越來越廣泛。目前,國內建筑用膜材料的開發與國外相比還有較大差距,在材料的加工和使用性能上還有很大的提升空間。因此,在擴大市場需求的同時加強自主研發、提高創新性是當務之急。缺乏質量檢測體系也限制了我國膜材料的發展,因此同時也需集中解決生產加工過程中性能評價問題。

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