ETFE(ethylene-tetrafluoroethylene)是乙烯-四氟乙烯共聚物,于20世纪70年代在美国开始被研究,1974年、1976年分别在美国、日本投产。膜结构建筑是近几十年发展起来的一种新型的结构形式,它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学和计算机技术等为一体,借鉴现代造型艺术与技术美学的成就,以灵活多变的建筑造型、优异的受力特性受到了建筑师和结构师们的青睐[1]。

ETFE膜材是继PVC(聚氯乙烯)膜材、PTFE(聚四氟乙烯)膜材之后用于建筑结构的第三大类产品,因其自身所具有的特点,很快成为建筑行业的一枝独秀。

ETFE在保持了PTFE 良好的耐热、耐化学性能和电绝缘性能的同时,耐辐射和力学性能有很大程度的改善,各种力学性能达到了较好的平衡——抗撕拉极强、抗张强度高、中等硬度、出色的抗冲击能力、伸缩寿命长[2]。

ETFE的拉伸强度可达到50 MPa,接近聚四氟乙烯的2倍。ETFE在常温下张拉应力在20 MPa以下时,呈完全弹性介质,张拉模量达800～1 000 MPa;当张拉应力在25 MPa附近会出现屈服点,此后进入塑性强化阶段,直至断裂;ETFE的断裂伸长率达300%以上。ETFE与其他氟塑料性能对比如表1所示。

ETFE膜材的厚度通常小于0.20 mm, 随着厚度的增加,膜材将更硬更脆,难以加工。ETFE膜材具有极佳的抗老化能力,使用寿命至少为25～35年。通常是一种透明膜材,也可以做成白色,根据需要在透明或白色膜材上印制各种图案,可调节进入建筑物内的光线。

ETFE是阻燃材料,达到B1、DIN4102防火等级标准,燃烧时也不会滴落。且该膜质量很轻,每平方米只有0.15～0.35 kg,该特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势。ETFE还通过了几项严格的抗燃测试,如IEEE 383,并获得UL 94 V-0等级,对大多数化学物质的物理属性影响小,对普通气体和水气的渗透性低。

ETFE膜材具有极佳的自洁性能,其特有的抗粘着表面使其具有高抗污、易清洗的特点,通常雨水即可清除主要污垢,几乎不需要日常保养,清洁周期大约为5年。

ETFE膜作为结晶性高聚物,熔点为256～280 ℃,工作温度范围为-200～150 ℃,在超低温时仍坚硬非凡,其脆化温度低至-100 ℃。同时具有极好的稳定性和气候适应性,在恶劣气候条件下15年以上的力学和光学性能没有改变。在多冰雹地区,即使玻璃屋面被砸碎,ETFE膜材屋面也仅留下一些小小的凹痕。

ETFE绝缘强度高,介电常数为2.6,电阻率高,耗散因数低,仅为0.003,其低介电常数在频率和温度变化的情况下基本恒定。

ETFE膜的透光率可高达95%,号称“软玻璃”,且质量轻,只有同等大小玻璃的1%。该材料不阻挡紫外线等光的透射,以保证建筑内部自然光线。通过表面印刷,该材料的半透明度可进一步降低到50%。根据几何条件及膜的层数,其K值(传热系数)可高达2.0 W/(m2·K),以一个3层印刷的膜为例,耗能指数可达到0.77。

ETFE膜材具有良好的抗撕裂性能、柔韧性和可加工性,可以热熔成颗粒状并重新整合,ETFE膜为可再循环利用材料,再次利用生产新的膜材料,或分离杂质后生产其他ETFE产品。建筑用透明材料的性能比较如表2所示。

目前世界上有能力生产与加工ETFE膜材的厂家较少,仅德国、美国、日本等少数几家公司可生产ETFE膜材,而具有ETFE膜材加工制作、安装能力的厂家则更少。ETFE膜材在国外有30多年的百富策略白菜网历史,由于其极好的透光性能,特别适合建造需人工模拟自然环境的建筑,如植物园以及运动场馆等[3]。荷兰的Arnhiem动物园、英国的Hampshire网球与健身俱乐部、英国的伊甸园、德国的“Moby Dick”游泳池、瑞士苏黎世的Masoala雨林等建筑均采用ETFE膜。

在过去10年中,中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点,膜结构往往被采用[4]。建筑结构使用的膜材料首选要求是具有较高强重比的材料,能有效提高建筑本身的效率,降低建筑的自重荷载和地震载荷等与建筑自重关联的载荷效应,一般以气枕或张拉膜的形式用于建筑中。ETFE薄膜气枕有相对较大的跨度,可以在支撑结构之间填充较大的空间,从而为整个建筑结构节约质量。由于气枕可以向支撑结构单向传递荷载,所以方形气枕的长度甚至可以更长。通过使用多层膜系统或张拉单层系统,在一个构件上同时获得几种建筑功能(例如,传递载荷、隔热、吸收噪声、保湿、照明等)。ETFE薄膜气枕中的气压和气枕的形状能随着外部载荷的改变而改变,所以本身是一种自适用结构。

图1为英国新千年应典工程之一的“伊甸园”,有“世界第八大奇观”之美誉。它于2001年3月对公众开放,由4座穹顶状建筑连接组成的全球最大温室,上弦为六边形网格,下弦为三角形加六边形网格,温室覆盖着由ETFE薄膜材料制成的透明盖板,其质量只有相同面积玻璃质量的1%,透明薄片可以回收利用,并具有良好的保温性。

图2为2008年北京奥运会国家游泳中心“水立方”,它就采用了ETFE膜。整个建筑由3 000多个ETFE气枕构成,气枕大小形状不一,面积超过10万m2,水立方除了地表之外,整个结构表面都是由膜覆盖,其安装是先搭建钢架构,然后安装气枕,最后通过钢架上预留的充气线对气枕进行充气,气枕就变成了气泡,充气过程都是由电脑自动控制的,而且会根据气压、光照等条件进行实时的调整,保证整个气泡单元都处于最佳状态[5]。

图3为杭州西湖附近的“烨兴-杭州银泰广场ETFE膜结构景观雨棚”,它的面积为2 585 m2。该项目是国内首个单层ETFE加双层气枕膜完美嵌合的景观雨棚建筑,采用德国进口ETFE膜材,利用ETFE膜材的高透光、高自洁性以及双层气枕的隔热能力,雨棚在具有遮阳挡雨功能的同时还可以实现自然采光,行人没有传统密封建筑的束缚感;另一方面,ETFE膜结构建筑是当代最新的建筑百富策略白菜网形式之一,工程高度定制,颜值高,具有唯一性,天生自带聚集人气光环。

图4为广西贵港“烨兴-贵港高铁站广场ETFE膜结构雨棚”,它的面积为5 030 m2,使用德国进口蓝色ETFE膜材, 采用前卫的ETFE充气膜结构建筑形式,搭配酷炫的LED炫彩灯光效果,目的是给广大旅客打造一个具有视觉冲击力的车站景观,同时又有实用的遮阳挡雨功能。贵港高铁站雨棚是广西首个仿“水立方”的ETFE气泡屋面雨棚连廊,全国范围内高铁站广场雨棚采用这种建筑形式的不超过10个。ETFE膜结构天生高颜值,看起来通透柔弱,但是其物理性能一点不比传统的玻璃屋面差,相比玻璃,它的自洁性更好,耐候性强,不会爆裂伤人,尤为可贵的是,作为室外屋面建筑,它的使用寿命在20年以上,每个气枕单元都是独立的,中途意外损坏,可以随时进行补充更换。

开封开元名都商业广场工程采用了日本平冈二氧化钛膜和圣戈班ETFE透明膜材相结合的方式,总面积为11 395 m2,是典型的张拉式膜结构。常州花博会特色馆与创意馆的外屋面,结合了德国EASY软件和犀牛软件做膜结构的设计和造型,采用日本旭硝子ETFE透明原点膜材,总面积为14 241 m2。

随着经济的高速增长,各种建筑场馆平地而起,对建筑材料的要求也越来越高,这给了ETFE薄膜材料用武之地,其作为幕墙或屋面材料已经在全世界100多项工程中得到了百富策略白菜网[6]。

从多年来国内外的实践经验来看,由于新材料、新形式的不断出现,膜结构具有强大的生命力,必将是21世纪建筑结构发展的主流。而ETFE建筑膜材以其优良的材料特性,必将成为市场的主流膜材,其发展前景可观,市场潜力巨大,面临着良好的发展契机[7]。

我国从20世纪70年代开始研发该技术,但只能生产少量ETFE模压和挤出料及少量的粉末涂料,国内所需的ETFE树脂产品依赖进口。随着我国经济的快速发展,各领域对材料的综合性能不断提出更高要求,市场对氟塑料产品的需求领域不断增加,ETFE树脂以其特有的性能,需求日益增大。鸟巢、水立方的成功建造,也让国人看到了膜结构发展的前景,因其做到了艺术、科技、环保的完美结合,同时也给中国膜结构发展带来了机遇与挑战。

虽然现阶段ETFE膜材还是从国外引进,但国内的研发从未间断,2019年东岳集团的乙烯-四氟乙烯共聚树脂(ETFE)开发项目通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定,项目开发的ETFE树脂实现国产化百富策略白菜网。随着我国膜结构理论研究的进一步深化,在借鉴发达国家生产经验的同时,需加快自主研发膜材料生产工艺的进度,相信在不久的将来,ETFE膜可以实现国产化。