1、新型建筑材料膜材1引言膜結構是近幾十年發展起來的一種新型的大跨度空間結構，它由具有優良性 能的織物(膜材)通過支撐構件(如剛性梁、柱、柔性索)，或給膜內空氣加壓以一 定的方式組合并施加適當的初始預張力而形成具有一定剛度的空間結構形狀，從 而承受一定外荷載的一種空間結構形式。它的歷史可以追溯到遠古時期的人們利 用樹木的纖維和獸皮建造的帳篷。膜材料是這種大跨度空間結構最重要的組成部分，被稱為“第五代建材”。 它的作用等同于傳統的剛性結構中的混凝土、鋼筋等材料。早期的膜結構由于膜 材開發的緩慢，一直處于停滯狀態。直到現代，由于科學技術的發展，新材料的 出現,特別是20世紀七十年代后，美國杜邦公司開發
2、出以聚四氟乙烯為涂層(PTEF) 的玻璃纖維織物作為膜材，才引發了膜結構在近幾十年的突飛猛進的發展。1970 年日本大阪萬國博覽會，由美國工程師David Geiger和HBerger設計的美國館 采用氣承式膜結構，首次以聚氯乙稀(PVC)為涂層的玻璃纖維織物作為覆蓋材料， 是第一個現代意義上的大跨度膜結構。2膜材料的組成及性能2. 1組成膜材一般由膜材的基質及高分子聚合物組成，即高分子聚合物涂層與基材層 按需要的厚度、寬度，通過特定的加工工藝粘合在一起的產物。基質是高強度聚 酯纖維，膜材的強度主要由這一層提供，涂層主要保證膜材的密實性；惰性材料 涂層保證膜材的自潔性。(1) 聚合物又稱高聚物
3、(Polymer),即高分子聚合物，一般分子量高達幾萬 幾百萬(104-106).合成聚合物的原料是單體，如乙烯單體，氯乙烯單體，丙烯 單體等等，它們不斷重復鏈接，聚合成聚乙烯(PE),聚氯乙烯(PVC),聚丙烯(PP) 等等。(2) 基材一般分為兩種： 聚酯長絲(滌綸PET)：滌綸的合成原料是乙二醇和對苯二甲酸。在這里引入 苯環的目的是提高材料的熔點和剛度。滌綸的特點是：熔點高，在150 - 175C以 下的機械強度好，耐溶劑、耐腐蝕、耐磨、耐油膩，可多次洗滌，透水透氣性適 宜。它是合成纖維中的第一大品種。若用丁二醇代替乙二醇，可制得熔點較低， 較柔軟的滌綸聚酯。 玻璃纖維：玻璃是一種非晶體
4、，沒有固定的熔點。將玻璃加熱熔融并拉成 絲，即成玻璃纖維。玻璃纖維的特點是：拉伸強度高，不僅超過各種天然纖維， 也超過一般的合成纖維和鋼材的強度。但是，它的彈性模量較低，約為鋼的1/3, 屬于脆性材料；具有良好的耐熱性，一般在30(TC以下可保持性能不變；具有良 好的電絕緣性。2. 2性能2. 2. 1自潔性能PTFE膜材和經過特殊表面處理的PVC膜材具有很好的自潔性能，雨水會在其表 面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。2. 2. 2光學性能膜材料可濾除大部分紫外線，防止內部物品褪色。其對自然光的透射率可達 25%,透射光在結構內部產生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，具有良好的顯色 性，夜晚
5、在周圍環境光和內部照明的共同作用下，膜結構表面發出自然柔和的光 輝。2. 2. 3力學性能中等強度的PVC膜：其厚度僅0. 61mm,但它的拉伸強度相當于鋼材的一半。 中等強度的PTFE膜：其厚度僅0. 8mm,但它的拉伸強度已達到鋼材的水平。膜材 的彈性模量較低，這有利于膜材形成復雜的曲面造型。其極輕的自重很好的滿足 了大跨建筑的要求，能在很大程度上降低大跨建筑的總造價。2. 2. 4聲學性能一般膜結構對于低于60Hz的低頻幾乎是透明的，對于有特殊吸音要求的結構 可以采用具有FABRASORB裝置的膜結構，這種組合比玻璃具有更強的吸音效果。2. 2. 5防火性能目前廣泛使用的膜材料防火等級為
6、B1級，屬難燃材料。防火性能指標達到法 國、德國、美國、日本等多國防火標準。2. 2. 6保溫性能單層膜材料的保溫性能與磚墻相同，優于玻璃。同其它材料的建筑物一樣， 膜建筑內部也可以采用其它方式調節其內部溫度。例如：內部加掛保溫層，運用 空調采暖設備等。2. 2. 7使用壽命目前采用最多的法拉利膜材有近60年的使用歷史，通過了 IS09002國際質量體 系認證。在正常使用情況下，該種膜材使用壽命可達15年。3膜材的成型膜材加工的方法很多，建筑膜結構所用的膜材大都是以壓延和涂刮成型。（1）壓延成型。將選定的軟PVC經塑煉后投入壓延機，按所需厚度、寬度壓延 成膜后立即與布基貼合，再經軋花、冷卻即可
7、制得壓延膜材。壓延法生產膜材可 分貼膠法和擦膠法兩種。（2）涂刮成型。將聚氯乙烯糊均勻地涂（或刮）在布基上，再經過烘熔，也就是 加熱溫度高到使糊層完全熔融塑化，并均勻地緊貼于布基上，冷卻后即成膜材。4膜材的分類及選用膜材是一種復合材料，目前最常用的有PTFE和PVC膜材兩大類。（1）PTFE膜材：它是在極細的玻璃纖維編織成的基布（織物）上涂敷PTFE （聚四 氟乙烯）樹脂而形成的復合材料。其主要特點是具有高透光性、高強度、耐久性、 防火性、耐腐蝕、抗紫外線、自潔性等特點。因而價格也較高。（2）PVC膜材：它是在聚酯纖維編織成的基布上涂敷PVC （聚氯乙烯）樹脂而形成 的復合材料。相比PTFE膜
8、材，PVC膜材的強度和防火性較差，而且它的最大缺點是自潔性差。 隨著使用期問，PVC樹脂中的塑性劑會遷移到膜材表面，粘著空氣和雨水中的臟 物使表面變臟，一般的PVC膜材使用35年就會臟，為了改善它的自潔性，可以 在PVC表面涂敷丙烯酸樹脂或含氟樹脂（如PVDF）,或者在PVC表面粘貼含氟薄膜 （如PVF）。對膜結構建筑來說，膜材的選用很重要，需要根據用途、環境、結構特點及 建筑造型等具體隋況決定。對于永久性建筑、大空間結構、城市景觀和標志性建 筑等，建議采用PTFE膜材；而展覽會、博覽會等臨時性建筑，或可更換膜面的建 筑，可以采用PVC膜材。5發展前景及挑戰膜結構由于造型新穎輕巧、具有強烈的時
9、代感及藝術美感，且施工期短，綜 合造價低，將成為未來建筑結構發展的主流。據國外資料報道，全世界建筑膜材 的銷售量在1990年僅為21億美元，2000年已達34億美元，10年內以近6%的增長 速率在增長。至今為止，在世界各地特別是歐洲、日本、美國建成的優秀的、有 代表性的膜結構舉不勝舉。如美國的丹佛新國際機場候機大廳、沙特阿拉伯吉達 機場候機大廳的懸掛膜結構、德國的慕尼黑機場、2000年悉尼奧運會的超級穹頂 洪姆布什灣多功能體育館等。2002年的日韓世界杯足球賽場館中，20個足球 賽場中有11個采用膜結構。日本的新瀉體育場、鹿島的茨城足球場、琦玉體育場、 橫濱國際體育場和靜崗體育場及韓國的漢城世
10、界杯體育場、仁川I體育場、大邱 綜合體育場、釜山綜合體育場、濟洲世界杯體育場都都充分展示了膜結構這一新 型大跨度空間結構的魅力。我國膜結構的研究和應用較晚，80年代才建成第一座充氣式膜結構一一上海 工業展覽館。2000年才建成我國第一座自行設計、施工完成的大型膜結構工程一 一青島頤中體育場。但近年來發展迅猛。據統計，我國1998年建筑膜材進口量為 10萬1112左右, 1999年為15萬mz左右,2001年為20萬m2以上，可見其增長速度很 快。下表給出了部分大型體育場館使用的建筑膜材量。另據了解，北京2008年奧 運會主場館“鳥巢”及游泳中心“水立方”也已確定采用膜結構材料。目前我國膜材的生
11、產還處于初級階段。國內現有的建筑用膜材，絕大多數依 賴進口。在膜材自主開發中還面臨著巨大的挑戰：如建筑膜材基布的織造、雙向 拉伸涂層工藝的開發、表面防污自潔處理工藝中處理劑的開發等。但我們相信， 隨著我國國民經濟的發展及2008年奧運會、2010年亞運會在我國的舉辦，將為我 國膜材料進一步的研發、應用提供機遇?！緟⒖嘉墨I】(1) 藍天.當代膜結構發展概述J 2000, (9): 17-20(2) 鐘莉莉.膜結構的靈魂膜材料.Industrial Construct ion 1999, Vol 9, No 1 1.(3) 唐澤靖子.膜結構建筑與足球場.鋼結構與建筑業.2002. 3(4) 權宅鎮.2002年世界杯體育場館.世界建筑，2000. 9
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