膜结构建筑是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式, 用钢性支撑、上绷膜面, 形成大跨度的空间结构。膜结构建筑被誉为现代高科技建筑和21世纪的建筑, 具有结构轻、跨度大、防火难燃、外表美观等优点。其自由灵活的大空间, 优美多变的曲线, 还有半透明膜材所形成的明亮柔和的室内环境, 富有现代化气息的构造技术等等, 使膜结构建筑提供给人们不同于传统建筑的全新视觉感受, 为建筑设计提供了前所未有的广阔空间和新的可能性[1]。

以高强纤维织物为骨架材料、表面涂覆高性能涂层材料, 并具有良好的阻燃、耐老化、抗风载雪及自洁性能, 可广泛用作展览、体育、交通、休闲等建筑物的屋顶复合材料, 人们称之为现代建筑膜结构材料[2]。目前可以将建筑膜材大体分为3类:第1类是以玻璃纤维织物为基材表面涂覆聚四氟乙烯 (PTFE) 制成, 性能最优;第2类是以玻璃纤维织物为基材表面涂覆PVC加工而成;第3类是以聚酯 (涤纶) 织物为基材涂覆PVC而成, 在3类膜材中性能最差[3]。聚氯乙烯 (PVC) 虽然柔韧性能较好, 易于加工, 但其抗紫外线能力较差, 在太阳光的长期照射下容易发生化学变化, 而且自洁性差, 所以PVC膜材一般用于临时性建筑。PTFE膜材抗紫外线能力强, 透光性和自洁性好, 难燃, 耐老化性能优良, 适用于永久性建筑。

PTFE膜材料是采用浸渍涂层法, 在超细玻璃纤维基布上涂覆PTFE树脂而制成的复合材料。经过浸渍后, 玻纤布表面涂上了薄薄一层氟树脂, 再经过干燥、烘焙、烧结等工序, 达到玻纤布与PTFE牢固结合的目的, 成为一种既具玻纤特性, 还有PTFE诸多优异性能的新型材料。制作膜材的过程中, 玻纤布需要进行多次浸渍, 而且要适当控制每次浸渍的树脂量, 过少达不到产品的性能要求, 过多则在烧结后容易出现龟裂现象[4]。

玻璃纤维具有强度高、伸长小、耐高温、化学稳定性好、使用寿命长等优点, 可弥补PTFE的不足, 保持尺寸的稳定, 符合膜材基布耐高温性和抗拉强度的要求[5]。通常情况下, 玻璃纤维直径越小, 强度越高, 所以用于建筑织物的玻璃纤维要求纤维直径小, 通常采用B级纱 (2.51~3.81μm) , 这类玻纤抗拉强度比钢还高, 并具有很高的抗撕拉强度, 尺寸稳定性好, 不燃烧[6]。一般要求玻璃纤维基布的单位面积质量在150 g/m2以上, 涂层单位面积质量在400~1100 g/m2, 膜材料厚度在0.5mm以上[7]。

聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、阻燃和良好的抗老化能力, 能在-180~250℃的温度下长期工作, 涂在织物上可提高其抗拉强度和弹性系数。另外, PTFE树脂具有斥水、斥油, 高润滑不黏的特性, 所以不容易附着脏物, 而且PTEF的表面摩擦力很小, 附着的脏物会被雨水自动冲掉, 所以PTFE膜材料具有较强的自洁性。PTFE作为建筑织物的涂覆材料, 具有其它同类材料无法比拟的优点, 成为建筑膜材中的佼佼者。

PTFE膜材具有造型轻巧自由、透光节能、阻燃、耐候性优良、使用寿命长等许多优点, 被广泛百富策略白菜网于各种建筑中, 根据不同种类PTFE膜材的性能, 主要分为外膜和内膜。作为外膜主要用作顶篷材料、屋顶材料及外用装饰等, 其中作为顶篷材料一般百富策略白菜网于广场、公园、车站等设施。作为屋顶材料一般百富策略白菜网于体育场馆、机场大厅、展览馆、娱乐中心等大型公共设施, 如英国泰晤士河畔的千年穹顶, 膜材覆盖面积超过18万m2, 堪称单体膜结构面积之最。外用装饰主要是利用膜材的艺术性及可塑造性, 例如, 上海世博园的世博轴就采用了PTFE膜材, 它的索膜结构是迄今为止世界上规模最大的连续张拉索膜结构。作为内膜主要用作吸声、隔声材料, 其力学性能等要求比外膜低, 如国家体育场鸟巢采用的PTFE+ETFE结构, 上层的ETFE膜起防护作用, 下层的PTFE膜主要起吸声吊顶作用, 通过PTFE膜结构吸声, 能保证场内的声音清晰[8]。

PTFE膜材结合了玻璃纤维和聚四氟乙烯的优点, 其优异特性有: (1) 强度高、质量轻, 因而易于运输和安装; (2) 自洁性及耐老化性能好, PTFE膜材的涂层具有很高的防腐及耐候性能, 自洁性优异, 能减弱紫外线的照射, 并能承受大范围的温差波幅; (3) 柔曲性好, 结构跨度大, 这种膜材可张拉成动态曲线形状而不破裂, 可创造传统结构无法实现的大面积无柱覆盖空间; (4) 具有半透明性, 膜结构材料自身的透光性较好, 透光率在15%左右, 可以充分利用自然光, 减少能源消耗;另外, 还具有隔声、阻燃防火、良好的抗震性、施工速度快等优点[9,10,11]。

膜材的开发与百富策略白菜网起源于欧美国家, 1970年日本大阪万国博览会上的美国馆采用了玻纤布涂覆PVC膜材, 之后建筑膜材得到广泛百富策略白菜网, 但其使用寿命较短。为了克服PVC建筑膜材耐老化性、自洁性差等缺点, 盖格公司联合杜邦、康宁玻纤等4家公司共同开发了耐老化性好、防污性强的PTFE膜材, 使永久性大跨度建筑成为现实。1973年, 美国拉维恩学院的学生活动中心使用了这种PTFE膜材, 20年后其各项物理性能指标只下降了不到30%, 膜的表层光滑且具有弹性, 空气中的灰尘等微粒极难附着与渗透, 膜材经雨水冲刷可恢复其原有的清洁面层与透光性, 颜色也几乎没变, 这些足以说明PTFE膜材在各项性能上的优越性[8]。随着科学技术的发展, 国外PTFE膜材的生产百富策略白菜网已趋向成熟, 目前国外较大的生产企业有美国的凯美 (Chemfab) 、泰康利 (Taconic) 公司, 德国的杜肯 (Duraskin) 公司, 法国的圣戈班 (Saint-Gobain) 公司, 日本的太阳工业 (Taiyo Kogyo) 公司等。

随着建筑膜结构材料的普及百富策略白菜网, 许多学者对膜材做了大量的实验研究。Abdul Razaka H等[12]对热带环境下屋顶涂层织物的耐候性能进行了研究, 将PVC和PTFE涂层织物暴露于室外2年后研究其性能变化情况。结果表明, PTFE膜材的自洁性较优越, 不过对PVC膜材进行表面处理后也可获得较好的自洁性。利用扫描电子显微镜观察发现, PVC膜材表面的涂层剥落更明显。与以往的室外实验相比, 在热带气候中膜材的表面降解程度更厉害。Ansell M P等[13]认为PTFE膜材与传统膜材相比具有优良的化学稳定性、机械性能和耐久性, 并且具有高的剪切刚度, 但是玻璃纤维具有脆性, 比较难加工。他们通过电子扫描显微镜、力学性能测试以及在自然条件和人工环境中的风化作用来研究几种PTFE膜材的结构和性能。另外, 声发射分析表明, 这些柔性膜材对压力的反应和刚性复合材料类似。

我国直到1995年才开始出现膜结构建筑, 真正形成规模是在1998年。不过近些年来, 国内膜结构建筑的发展速度很快, 规模也在不断壮大, 自1997年我国第1座PTFE膜材建筑——上海8万人体育馆建成以来, 一些大型体育馆、候机大厅等的建设以及2008年奥运会、2010年上海世博会和广州亚运会等国际盛会的举办, 为我国膜结构的发展带来了机遇和挑战。我国对膜材的需求量较大, 但我国大型建筑中百富策略白菜网的PTFE膜材大都为进口, 工程成本很高。国内也有生产厂家, 如宁波天塔聚氟玻璃纤维有限公司和江苏省泰兴市维维高分子有限公司相继投资开发生产PTFE膜材, 但国产膜材在各项性能方面与国外存在一定的差距, 而且在宽幅膜材方面还没有较大突破[14,15]。目前, 国内研究建筑膜材料的学者比较多, 主要集中于百富策略白菜网方面, 以期通过研究来改善其力学、防污自洁或抗老化等性能。

一般在涂覆PTFE乳液时采用多次浸渍工艺, 直至达到膜材厚度及克重的要求。工艺流程如图1所示。

对玻纤基布进行热处理, 是为了去除玻纤表面的浸润剂。涂覆浸润剂是为了改善玻璃纤维的耐磨性以及可加工性, 目前一般用纺织型浸润剂, 其含有成膜集束剂、润滑剂、抗静电剂和表面活性剂等, 会影响玻璃纤维和树脂的粘结性, 为了提高玻璃纤维与树脂的界面粘结性, 在与树脂结合前, 必须尽可能多地去除玻璃纤维表面的浸润剂。目前, 一般采用热处理法, 分为高温热处理 (500~650℃) 和中低温热处理 (300~450℃) 。热处理温度越高、时间越长, 浸润剂去除率越高, 但玻璃纤维的强度下降越大。PTFE膜材对强度要求较高, 要求热处理后强度损失小, 故一般采用中低温热处理。

分散液的浓度直接影响膜材厚度、表面光洁度、树脂含量和平整度等。浓度越高, 每次涂覆量就越大, 树脂的厚度也越大, 但每次浸渍厚度不能过大, 过大则在烧结后容易出现龟裂现象, 影响产品质量;过小则达不到树脂的厚度及含量要求, 进而影响产品的外观和力学性能。一般在多次浸渍过程中, PTFE分散液的浓度逐渐增大。

PTFE分散液的固体质量分数 (固含量) 一般为60%。在进行第1道浸渍时, 应使PTFE乳液尽量渗透进玻璃纤维布中, 因此, 头道浸渍的乳液固含量应稍低一些, 一般取35%~40%, 之后几次浸渍可以提高到45%~55%, 尽量使膜材既达到厚度的要求, 也不因超过临界量影响产品质量。

在PTFE膜材工业化生产中, 干燥温度、烘焙温度和烧结温度是连续渐变的, 从低温逐渐升至高温。

(1) 干燥温度

干燥的目的是去除分散液中的水分和低沸点挥发物。温度过低, 水分去除不完全, 影响下道烘焙效果;温度过高, 不利于水分均匀逸出, 还可能产生流痕或气泡, 影响产品外观。参考相关资料和实验, 干燥温度一般选在100~150℃。

(2) 烘焙温度

烘焙是为了去除布面残留水分、表面活性剂及树脂中的低分子物质。温度过低, 可能会因树脂干燥不完全而使布面发粘, 另外, 在下道高温烧结时, 过多残留的有机物质碳化变黄影响产品外观, 而且会影响下道浸渍;温度过高, 可能造成局部树脂塑化, 导致涂层厚度不匀、膜材不够柔软等。综合考虑有机物的沸点及树脂的熔点 (327℃) , 烘焙温度一般选在280~290℃。

(3) 烧结温度

烧结区高温使树脂熔融, 消除界面, 使其与玻纤布更好地粘结, 从而使膜材塑化。制品烧结的好坏直接影响膜材的力学性能和外观。温度过低, 达不到树脂的塑化温度, 制品难于成形, 树脂与基布不能充分结合;温度过高, PTFE的聚合度会大幅度降低, 还会使膜材表面颜色加深、质地过硬。综合各方面因素, 一般烧结温度选在360~390℃。

一般在工业化连续生产中, 主要通过控制烧结时间来调整机器运转速度。烧结时间过短, 会使前面浸渍、干燥、烘焙等工艺达不到处理要求, 也不利于基布与树脂的粘结, 进而影响制品的外观和质量;烧结时间过长, 一方面会使膜材变脆变硬, 表面颜色可能变黑, 性能下降, 另一方面也降低了生产效率。所以烧结时间一般控制在30~90 s。

由于欧美等国发展较早, 在建筑膜材方面发展比较成熟, 而我国工程界对纺织膜材料及其建筑还比较陌生, 在生产和百富策略白菜网中存在很多问题:一是技术规范和技术标准问题, 我国与世界先进水平相比, 在设计理论和百富策略白菜网方面都存在较大差距。二是纺织膜结构材料的试验、评价问题。建筑用膜结构材料对机械力学性能、光热性能、阻燃性能、自洁性能以及抗老化性能要求都比较高, 而相应的试验方法和评价标准却相对滞后。三是对PTFE膜材的机械性能研究较多, 但对基布的原料、织物的结构、组织、生产工艺参数等对膜材性能的影响研究较少, 而且目前玻璃纤维的织造仍然存在一些问题。四是膜材料弃后的降解和再生利用的问题。

虽然PTFE膜材料具有十分卓越的特性, 但也不是十全十美的材料, 其经济性、柔软性、耐弯曲性有待进一步改善。目前国内用PTFE膜材基本上靠进口, 随着膜材料的大量百富策略白菜网, 急需这方面的研究。