新型建筑材料——膜材.doc

新型建筑材料膜材1引言膜结构是近几十年发展起来的一种新型的大跨度空间结构，它由具有优良性能的织物(膜材)通过支撑构件(如刚性梁、柱、柔性索)，或给膜内空气加压以一定的方式组合并施加适当的初始预张力而形成具有一定刚度的空间结构形状，从而承受一定外荷载的一种空间结构形式。它的历史可以追溯到远古时期的人们利用树木的纤维和兽皮建造的帐篷。膜材料是这种大跨度空间结构最重要的组成部分，被称为“第五代建材”。它的作用等同于传统的刚性结构中的混凝土、钢筋等材料。早期的膜结构由于膜材开发的缓慢，一直处于停滞状态。直到现代，由于科学技术的发展，新材料的出现，特别是20世纪七十年代后，美国杜邦公司开发出以聚四氟乙烯为涂层(PTEF)的玻璃纤维织物作为膜材，才引发了膜结构在近几十年的突飞猛进的发展。1970年日本大阪万国博览会，由美国工程师David Geiger和HBerger设计的美国馆采用气承式膜结构，首次以聚氯乙稀(PVC)为涂层的玻璃纤维织物作为覆盖材料，是第一个现代意义上的大跨度膜结构。2膜材料的组成及性能21组成膜材一般由膜材的基质及高分子聚合物组成，即高分子聚合物涂层与基材层按需要的厚度、宽度，通过特定的加工工艺粘合在一起的产物。基质是高强度聚酯纤维，膜材的强度主要由这一层提供，涂层主要保证膜材的密实性；惰性材料涂层保证膜材的自洁性。(1)聚合物又称高聚物(Polymer)，即高分子聚合物，一般分子量高达几万几百万(104106)。合成聚合物的原料是单体，如乙烯单体，氯乙烯单体，丙烯单体等等，它们不断重复链接，聚合成聚乙烯(PE)，聚氯乙烯(PVC)，聚丙烯(PP)等等。(2)基材一般分为两种：聚酯长丝(涤纶PET)：涤纶的合成原料是乙二醇和对苯二甲酸。在这里引入苯环的目的是提高材料的熔点和刚度。涤纶的特点是：熔点高，在150175以下的机械强度好，耐溶剂、耐腐蚀、耐磨、耐油腻，可多次洗涤，透水透气性适宜。它是合成纤维中的第一大品种。若用丁二醇代替乙二醇，可制得熔点较低，较柔软的涤纶聚酯。玻璃纤维：玻璃是一种非晶体，没有固定的熔点。将玻璃加热熔融并拉成丝，即成玻璃纤维。玻璃纤维的特点是：拉伸强度高，不仅超过各种天然纤维，也超过一般的合成纤维和钢材的强度。但是，它的弹性模量较低，约为钢的13，属于脆性材料；具有良好的耐热性，一般在300以下可保持性能不变；具有良好的电绝缘性。22性能221自洁性能PTFE膜材和经过特殊表面处理的PVC膜材具有很好的自洁性能，雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。222光学性能膜材料可滤除大部分紫外线，防止内部物品褪色。其对自然光的透射率可达25，透射光在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色性，夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光辉。223力学性能中等强度的PVC膜：其厚度仅061mm，但它的拉伸强度相当于钢材的一半。中等强度的PTFE膜：其厚度仅08mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平。膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。其极轻的自重很好的满足了大跨建筑的要求，能在很大程度上降低大跨建筑的总造价。224声学性能一般膜结构对于低于60Hz的低频几乎是透明的，对于有特殊吸音要求的结构可以采用具有FABRASORB装置的膜结构，这种组合比玻璃具有更强的吸音效果。225防火性能目前广泛使用的膜材料防火等级为Bl级，属难燃材料。防火性能指标达到法国、德国、美国、日本等多国防火标准。226保温性能单层膜材料的保温性能与砖墙相同，优于玻璃。同其它材料的建筑物一样，膜建筑内部也可以采用其它方式调节其内部温度。例如：内部加挂保温层，运用空调采暖设备等。227使用寿命目前采用最多的法拉利膜材有近60年的使用历史，通过了IS09002国际质量体系认证。在正常使用情况下，该种膜材使用寿命可达15年。3膜材的成型膜材加工的方法很多，建筑膜结构所用的膜材大都是以压延和涂刮成型。(1)压延成型。将选定的软PVC经塑炼后投入压延机，按所需厚度、宽度压延成膜后立即与布基贴合，再经轧花、冷却即可制得压延膜材。压延法生产膜材可分贴胶法和擦胶法两种。(2)涂刮成型。将聚氯乙烯糊均匀地涂(或刮)在布基上，再经过烘熔，也就是加热温度高到使糊层完全熔融塑化，并均匀地紧贴于布基上，冷却后即成膜材。4膜材的分类及选用膜材是一种复合材料，目前最常用的有PTFE和PVC膜材两大类。(1)PTFE膜材：它是在极细的玻璃纤维编织成的基布(织物)上涂敷PTFE(聚四氟乙烯)树脂而形成的复合材料。其主要特点是具有高透光性、高强度、耐久性、防火性、耐腐蚀、抗紫外线、自洁性等特点。因而价格也较高。(2)PVC膜材：它是在聚酯纤维编织成的基布上涂敷PVC(聚氯乙烯)树脂而形成的复合材料。相比PTFE膜材，PVC膜材的强度和防火性较差，而且它的最大缺点是自洁性差。随着使用期问，PVC树脂中的塑性剂会迁移到膜材表面，粘着空气和雨水中的脏物使表面变脏，一般的PVC膜材使用35年就会脏，为了改善它的自洁性，可以在PVC表面涂敷丙烯酸树脂或含氟树脂(如PVDF)，或者在PVC表面粘贴含氟薄膜(如PVF)。对膜结构建筑来说，膜材的选用很重要，需要根据用途、环境、结构特点及建筑造型等具体隋况决定。对于永久性建筑、大空间结构、城市景观和标志性建筑等，建议采用PTFE膜材；而展览会、博览会等临时性建筑，或可更换膜面的建筑，可以采用PVC膜材。5发展前景及挑战膜结构由于造型新颖轻巧、具有强烈的时代感及艺术美感，且施工期短，综合造价低，将成为未来建筑结构发展的主流。据国外资料报道，全世界建筑膜材的销售量在1990年仅为2l亿美元，2000年已达34亿美元，10年内以近6的增长速率在增长。至今为止，在世界各地特别是欧洲、日本、美国建成的优秀的、有代表性的膜结构举不胜举。如美国的丹佛新国际机场候机大厅、沙特阿拉伯吉达机场候机大厅的悬挂膜结构、德国的慕尼黑机场、2000年悉尼奥运会的超级穹顶洪姆布什湾多功能体育馆等。2002年的日韩世界杯足球赛场馆中，20个足球赛场中有11个采用膜结构。日本的新泻体育场、鹿岛的茨城足球场、琦玉体育场、横滨国际体育场和静岗体育场及韩国的汉城世界杯体育场、仁川I体育场、大邱综合体育场、釜山综合体育场、济洲世界杯体育场都都充分展示了膜结构这一新型大跨度空间结构的魅力。我国膜结构的研究和应用较晚，80年代才建成第一座充气式膜结构上海工业展览馆。2000年才建成我国第一座自行设计、施工完成的大型膜结构工程青岛颐中体育场。但近年来发展迅猛。据统计，我国1998年建筑膜材进口量为10万Ill2左右，1999年为15万mz左右，2001年为20万m2以上，可见其增长速度很快。下表给出了部分大型体育场馆使用的建筑膜材量。另据了解，北京2008年奥运会主场馆“鸟巢”及游泳中心“水立方”也已确定采用膜结构材料。目前我国膜材的生产还处于初级阶段。国内现有的建筑用膜材，绝大多数依赖进口。在膜材自主开发中还面临着巨大的挑战：如建筑膜材基布的织造、双向拉伸涂层工艺的开发、表面防污自洁处理工艺中处理剂的开发等。但我们相信，随着我国国民经济的发展及2008年奥运会、2010年亚运会在我国的举办，将为我国膜材料进一