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建筑用膜结构材料的发展现状和趋势

发布时间:2021年3月22日 点击数:252

化学工业的发展使高分子膜材料受到广泛关注。20世纪60年代,美国、日本、德国等国家开始开发用于建筑领域的膜结构材料。与传统建筑材料不同,膜结构材料成本低、拆卸方便,且具有良好的透光率,可在白天节约大量照明能源。另外,膜材料的形态可设计性使其在建筑师手中具有极强的艺术表现潜力。总的来说,建筑膜结构的诸多优点使其逐渐受到人们的关注,且市场日益增大。加强自主研发、提升产品竞争力、开发具有独特功能和良好耐久性的建筑膜材料已成为推进我国建筑行业发展的重要方向之一。

1 膜结构的分类

膜结构由膜材料和支撑组件构成。根据构造和受力特点的不同,常见的膜结构可分为骨架式、张拉式、充气式等3类。

骨架式膜结构主要作为表皮材料使用,刚性骨架为其提供支撑,是结构的主要承力部分。这种结构的设计和施工简单,但无法体现出膜材料本身的特性,通常用于覆盖建筑表面。

张拉式膜结构使用支撑杆或索对膜材料施加预应力使其形成稳定的曲面来维持建筑的结构形态。这种形式的膜结构能够充分发挥膜材料的性能,且具有很高的可塑性,最能够体现膜结构材料的艺术创造力。

充气式膜结构包括气承式和气囊式两种。气承式膜结构利用其内部与外部空气压力差为膜材提供预应力,故受外界条件影响较大,并且难以承受恶劣的气候条件。而气囊式采用双层膜结构,因内部填充气体使其具有一定的刚度,因此气囊式膜结构比气承式结构的稳定性好。

2 建筑膜材的种类及性能

膜结构建筑中最能够体现其外在特点的就是膜材料本身,常用的材料主要分为织物膜材料和箔片两大类。织物膜材料是一种复合材料,主要由基层、涂层和面层组成。其中基层由纤维织造而成,为膜材料提供力学性能。涂层和面层为基层提供保护,赋予膜材一定的功能性和耐久性。根据基层纤维和涂层的种类可将膜材料分为以下三大类:聚四氟乙烯(PTFE)涂层玻璃纤维织物、聚氯乙烯(PVC)涂层玻璃纤维织物和PVC涂层聚酯纤维织物。箔片则为非织造类建筑材料,由聚合物直接制备而成,近年来发展迅速。在各类常见的膜材料基础上通过结构的改变和材料的改性又可开发出具有不同功能的新型膜结构材料应用于各种建筑场合。

2.1 PTFE建筑膜材料

PTFE膜材料是在超细玻璃纤维织物上涂覆PTFE树脂加工成的一种复合材料。其加工采用浸渍法,使用PTFE树脂对玻璃纤维织物进行多次浸渍直到膜材料达到一定的厚度和克重,因此玻璃纤维原料的性能和浸渍过程的参数选择是关键。普通的玻璃纤维由于其脆性和较小的伸长率难以织造成基布。一般来说,玻璃纤维的直径越小,其强度越高。因此,超细玻璃纤维既能够满足织造要求,又可为膜材料提供适当的强度。浸渍过程中的分散液浓度、烘焙温度和时间等决定了布面与PTFE树脂的结合程度。PTFE具有优良的化学稳定性、热稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、抗老化性和阻燃性,而玻璃纤维具有高强度和不燃性,故PTFE膜材料除拥有较轻的质量、良好的力学性能外,还具有良好的功能性和耐久性。

PTFE/玻纤膜材料的断裂强力由基布决定,玻璃纤维的高强度和低伸长率,使膜材料具有良好的抗拉强度和抗撕裂强度,即使在长期载荷下也不会出现明显的应力松弛和蠕变。PTFE的阻燃性和玻璃纤维的不燃性使膜材料的阻燃性优良,同时PTFE膜材料耐低温,可在-180~260℃条件下长期使用。PTFE/玻纤膜材不易与其他物质粘黏,即使表面有少量灰尘和污渍,经过雨水冲洗也可达到自清洁的效果。PTFE膜材对太阳光有良好的透射率,阳光在其内部的漫反射可使其在白天制造出优秀的视觉效果。凭借这些优异的性能,PTFE膜材料成为永久性膜材的常见选择。

沙特阿拉伯的标志性建筑——阿卜杜拉国王石油研究中心(KAPSARC),整体就大量采用了PTFE/玻纤膜结构材料。六边形棱柱蜂窝结构呈连续的有机晶体状布局,既为建筑内部提供了适当的光线,又赋予其充满艺术气息的外观。对于PTFE/玻纤膜材料来说,在设计过程中最重要的是考量其强度和透光性。为了避免对织物进行补强或引入表面电缆,所用织物需达到高于标准要求的断裂强度。KAPSARC采用双层膜结构以确保膜材料的强度,但影响了其透光性。这是因为膜材内的纤维数量不仅与断裂强度有关,还影响太阳能的传输。改善的方法是增强纱线内纤维的扭曲和抱合,使纱线线密度降低,纱线之间的孔隙在织造时变大。因此,即使使用了相同数量的玻璃纤维,由于有效减少了材料的固体部分,间隙变大,更多的光可以通过。

2.2 PVC类建筑膜材料

PVC膜材料采用的基层材料通常为聚酯纤维织物或玻璃纤维织物。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、易于施工的优点。但在强度、耐久性等方面,后者比前者具有明显优势。PVC膜材的制造工艺包括贴合法、压延法、涂层法等3种。贴合法是将两层PVC膜置于基层织物上下两侧,利用热辊使PVC膜在一定温度和压力下与基层织物贴合;压延法是将PVC粉与增塑剂等原料混合后,使用热辊与基层织物黏合;涂层法使用刮刀将液态PVC涂抹在基层织物两面后,烘干固化成为整体。PVC膜材料的缺点之一是表面容易沾污,因为PVC中增塑剂等小分子向表面迁移,膜表面性能变差的同时,透光性下降。由于膜材的涂层PVC和聚酯纤维都是高分子聚合物,在使用过程中长期暴露在大气环境下,受到风、雨、热、紫外线等的作用后发生“老化”现象,引起材料断裂强力和断裂伸长的降低、颜色加深等,最终使材料丧失原有的功能。因此,PVC类膜材料的使用年限较短,一般无法直接作为永久性建筑材料使用。

巴塞罗那的名为“Cloud 9”的建筑使用了一种以PVC/聚酯纤维膜材料制造的可收缩、可变形结构。在夏天,PVC薄膜可过滤85%的紫外线起到防晒作用,而且充气式膜结构内部填充氮气混合物可阻挡太阳光线。在冬季,膜结构由于气温的降低而产生体积收缩,能够更好地吸收太阳光,最大限度地将光和热传输到建筑物中。

为了提高PVC膜材料的耐候性,通常在其表面涂覆一层聚偏二氟乙烯(PVDF),对其进行保护。PVDF是一种高分子量半结晶氟聚合物,具有优异的抗紫外线和耐老化性能,常温下可溶解在有机溶剂中,故需要使用增塑剂和偶联剂增强涂层与织物间的结合。该膜材料的使用年限比普通PVC膜材高,且拥有良好的自清洁能力和日光反射能力。美国桥梁国家实验室(ORNL)的研究发现,涂覆PVDF涂层的屋顶测试样板经过几十年的暴晒仍能保持高于90%的日光反射率;含70%PVDF树脂的涂料在经10年老化测试后,光泽度仍保持在原来的85%以上,经22年曝晒后,光泽保留率大于55%。

聚氟乙烯(PVF)也是常用的处理PVC表面的材料,PVF膜材料具有优良的耐老化性和机械强度,且表面疏水、不粘性强,拥有良好的自清洁性。虽然PVF属于热塑性树脂,但其熔融温度接近于分解温度,成形加工困难。与此同时,较低的表面能也使其与织物表面复合较困难,所以PVF膜材的加工难度较大,在建筑膜结构中的应用受到一定限制。

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,较之上述涂层织物的复合膜材,其最大特点是具有极佳的延展性和透光率。ETFE膜材料具有超薄的厚度和极小的重量,再加上优异的延展性和断裂强度,使其具有很强的可塑性。除此之外,ETFE膜材料的自清洁性优异,表面较低的摩擦系数使风沙灰尘难以附着,在雨水的冲刷下就能恢复清洁。ETFE膜材料在使用后,可直接回收利用,绿色环保。ETFE膜的结构一般为张拉式或气枕式。单层张拉式ETFE膜结构拥有十分优良的透光率,但单层结构的隔音、隔热性能较差,且在封闭建筑中使用时要注意内外气压的平衡,因此在建筑中的应用受到限制。气枕式ETFE膜结构源于气囊式膜结构,在封闭的膜材内填充气体,使膜面形成预张力,为气枕提供强度。气枕式膜材拥有更好的隔音隔热效果,但其跨度小于张拉式结构。同时,阳光照射引起的膜表面温度变化以及环境中其他因素施加的载荷,使膜结构内部气压的大小和分布产生变化,易使薄膜破损。因此,使用过程中,需配有相应的温度监控和充放气设备,导致ETFE膜结构材料的维护成本较高。

我国的“鸟巢”和“水立方”都采用了ETFE膜结构。2015年竣工并开通运营的天津于家堡铁路枢纽也使用了3层ETFE气枕式膜结构。为控制ETFE膜过高的透光率,在其表面印刷了不同比例的银色圆点。同时,该工程采用4台供气机调节气枕内部气压,每台供气系统配有3个压力传感器。膜材边界还设置有电热丝,火灾发生时,电热丝熔断ETFE膜,达到排烟的目的。

3 国内膜结构材料的研究和发展现状

我国的建筑用膜结构材料发展较晚,至20世纪90年代才开始逐渐兴起。近年来,我国超细玻璃纤维加工和制造技术的突破使PTFE膜材快速发展。然而,与国外相关企业相比,国内生产的玻璃纤维织物的性能和基布涂层技术仍有较大差距,且产量较低,无法满足快速增长的市场需求。我国生产的PVC膜材在强度上与国外产品持平,但需进一步提高其耐久性、自清洁能力等指标。目前,国内对于ETFE膜材的研究还处于初级阶段,相关产品主要依靠进口。美国、日本、德国等较早开发建筑用膜结构材料的国家早在20世纪80年代就对膜材料的力学性能进行了大量研究。膜材料的常见破坏形式包括拉伸、撕裂、剥离以及老化。国内相关性能的研究最早是由高校和科研机构内的学者进行的,近年来,随着膜结构材料的迅速发展,越来越多的企业开始加入到膜材的研究和设计中,但相关材料的质量检测标准和有关性能的评价体系仍处于空缺状态。另外,发达国家如美国、日本等都已拥有各自的测试评价标准,如日本的JIS标准、美国的ASTM标准等,而我国的评价标准尚不成体系,因此需要在研究膜材性能的同时,建立一个统一的、成体系的评价标准。

4 结语

我国基础建设的快速发展和大量应用使得建筑材料的需求增多,且愈加多样化。作为一种区别于传统钢筋水泥建材的轻薄结构材料,膜结构材料具有多变的形态和外观、较低的成本和独特的功能。在各种现代建筑的设计建造中,膜结构材料的使用正变得越来越广泛。目前,国内建筑用膜材料的开发与国外相比还有较大差距,在材料的加工和使用性能上还有很大的提升空间。因此,在扩大市场需求的同时加强自主研发、提高创新性是当务之急。缺乏质量检测体系也限制了我国膜材料的发展,因此同时也需集中解决生产加工过程中性能评价问题。

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