膜結(jié)構(gòu)建筑和膜材料

文 / 徐樸  李桂梅

膜結(jié)構(gòu)建筑和膜結(jié)構(gòu)紡織品

膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展和紡織工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。20世紀(jì)由于化纖工業(yè)和玻纖工業(yè)的發(fā)展，大大拓展了紡織工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域。由于玻纖和一些合成纖維具有強(qiáng)度高、疏水性好、耐腐蝕、防霉等特性，用其織成的織物再經(jīng)適當(dāng)?shù)木酆衔锿繉雍秃筇幚砗�，可進(jìn)一步提高其性能和功能，可以廣泛地應(yīng)用于一些大型建筑的屋頂。這種經(jīng)過特殊處理的紡織材料，一般稱之為膜結(jié)構(gòu)紡織材料或膜材料。圖1為世界上最大的膜結(jié)構(gòu)建筑——沙特吉大機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳，其建筑面積達(dá)42萬平方米。

建筑物采用膜結(jié)構(gòu)紡織材料做屋頂有很多優(yōu)點(diǎn)。涂層織物與磚、瓦、水泥、鋼材等傳統(tǒng)建筑材料相比，重量要輕得多。用膜結(jié)構(gòu)材料制作的屋頂，重量?jī)H及傳統(tǒng)建筑材料制作的1/30。因此，膜結(jié)構(gòu)建筑可大大節(jié)約支撐結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)材料，降低造價(jià)。另外，可以適用于建造大跨度建筑，世界上最大膜結(jié)構(gòu)建筑的跨度可以達(dá)到200米，這是磚瓦、水泥等傳統(tǒng)建筑無法達(dá)到的。因此，膜結(jié)構(gòu)建筑對(duì)于建造大型公共場(chǎng)所、設(shè)備庫(kù)房、材料倉(cāng)庫(kù)、展覽廳、體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)候車室等特別適用，已成為這些建筑的首選目標(biāo)之一。除此以外，膜結(jié)構(gòu)建筑可以利用膜材料所具有的透明度，在白天節(jié)約照明用電；膜結(jié)構(gòu)材料的建筑物還能較好地承受地震等破壞力。與常規(guī)結(jié)構(gòu)材料相比，織物建造的屋頂比較輕巧，很容易取下移置別處；當(dāng)織物有磨損、損壞時(shí)，修復(fù)也很方便。采用膜結(jié)構(gòu)材料制作屋頂，可以為建筑師們實(shí)現(xiàn)奇思妙想提供條件，達(dá)到美化城市的目的。

國(guó)際上大約在20世紀(jì)60年代后期～70年代初期開始出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)建筑群，至今已使用30多年，目前仍保持完好。這說明織物膜結(jié)構(gòu)建筑的使用壽命，可以超過三十年，即可以達(dá)到永久性建筑的要求。對(duì)于那些要求較低的建筑，可以使用質(zhì)量稍差的膜結(jié)構(gòu)材料，其使用壽命也可以達(dá)到15年～20年，即附合半永久性建筑的要求。目前世界上膜結(jié)構(gòu)建筑已成為時(shí)尚，特別是歷屆奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)、世博會(huì)展館等大型建筑，都大量采用膜結(jié)構(gòu)建筑，其實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性都得到了充分的體現(xiàn)。這些年來，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，發(fā)展的速度也越來越快。

中國(guó)的膜結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展相對(duì)較晚，1997年前國(guó)內(nèi)只有少量小型和中型的膜結(jié)構(gòu)建筑。1997年上海舉辦第八屆全運(yùn)會(huì)，其主體育場(chǎng)的看臺(tái)挑篷采用膜結(jié)構(gòu)，挑篷面積達(dá)到36100平方米（圖4）可同時(shí)容納8萬名觀眾。這是我國(guó)第一次在大型體育場(chǎng)館采用膜結(jié)構(gòu)建筑的屋頂，為我國(guó)采用膜結(jié)構(gòu)建筑掀開了新的一頁，對(duì)我國(guó)膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展具有重大的影響。上海采用的膜材料為玻纖織物，外表進(jìn)行聚四氟乙烯樹脂涂層（PTFE），全部系進(jìn)口產(chǎn)品。我國(guó)第二個(gè)大型膜結(jié)構(gòu)建筑是青島頤中體育場(chǎng)（圖5），總面積為3萬m2，采用的膜材料為以滌綸工業(yè)絲織造的織物，以PVC進(jìn)行涂層，其頂面層再覆以聚偏 氟乙烯層（PVDF），可容納6萬觀眾。從此以后，膜結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)得到了迅速發(fā)展，例如浙江義烏體育場(chǎng)（圖6）、上海虹口足球場(chǎng)，武漢、鄭州、廣州以及中小城市（如煙臺(tái)、威海、秦皇島等），亦相繼建造了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館（圖7）。除了體育場(chǎng)館外，如水上樂園、劇場(chǎng)、展覽館、會(huì)展中心、加油站、飛機(jī)場(chǎng)等亦紛紛出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)建筑（圖8、9）。

由于2008年北京將舉辦奧運(yùn)會(huì)，已有一批運(yùn)動(dòng)館計(jì)劃采用膜結(jié)構(gòu)建筑。而2010上海舉辦世博會(huì)，將有100多個(gè)國(guó)家來參展，也需要建設(shè)一批永久性、半永久性建筑。2010年廣州將舉辦亞運(yùn)會(huì)，同樣需要建設(shè)一定規(guī)模的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館�？梢灶A(yù)見：中國(guó)將面臨建設(shè)膜結(jié)構(gòu)建筑的高峰期，這將為我國(guó)膜結(jié)構(gòu)紡織材料的發(fā)展提供極好的機(jī)遇。

膜結(jié)構(gòu)紡織材料的質(zhì)量要求

＼目前應(yīng)用最多的幾種膜結(jié)構(gòu)紡織材料

▲ 以玻璃纖維織物為基材，表面涂以聚四氟乙烯樹脂或硅樹脂；

▲ 以聚酯纖維織物為基材進(jìn)行PVC涂層，頂層再涂以PVDF（聚 偏氟乙烯）或貼PVF膜（聚氟乙烯膜）。在涂層之前，織物需經(jīng)過預(yù)拉伸；

▲ 將膨化聚四氟乙烯膜（ePTFE）割裂成眾多的扁絲，將扁絲加以捻度紡成紗，并織成布，然后再雙面貼上氟聚合物薄膜。還有將乙烯—四氟乙烯共聚物（ETFE）作為膜材料。這兩種膜對(duì)比前兩種相對(duì)較少，屬于后發(fā)展起來的。

對(duì)膜材料的質(zhì)量要求

要有很好的物理機(jī)械性能：包括抗拉強(qiáng)度、模量、抗撕裂強(qiáng)度、耐屈曲性能、基布和涂層之間的剝離強(qiáng)度等，都要求達(dá)到很高的要求，以保證膜材料有很好的力學(xué)性能，堅(jiān)牢、耐用。

要有好的耐老化性能：因膜結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)期暴露在空氣中，受到紫外線幅射的照射。膜材料必須具有抗紫外幅射、抗老化的性能，并且不能因紫外線照射而迅速降解。這就要求不但纖維材料要耐老化，涂層材料也要耐老化。這方面，玻纖織物+聚四氟乙烯涂層的產(chǎn)品有極佳的耐老化性能，目前使用三十年以上而仍能保持較多的剩余強(qiáng)力的，就屬于這類產(chǎn)品；而滌綸織物+PVC涂層的產(chǎn)品就要稍差一些。圖10為亞麻帆布、聚酯、尼龍織物在陽光曝曬下，剩余強(qiáng)度的變化情況。圖11為滌綸織物PVC受載荷8年后機(jī)械物理性能的變化情況。由此可知，滌綸織物涂覆PVC材料應(yīng)用8年后，斷裂強(qiáng)度減少10%以上，而撕裂強(qiáng)度損失20%～30%，因此，涂層織物的壽命取決于涂層材料阻隔紫外線的性能，為此，涂層時(shí)要把整個(gè)織物所有交織點(diǎn)都要覆蓋住。

要有好的自潔性能：膜面材料整年暴露在空氣中，極易被沾灰和受到其它污染，影響建筑物的美觀。玻纖織物經(jīng)PTFE涂層、或ePTFE扁絲加捻后織成的織物，兩面再貼上氟聚合物膜，這兩種織物都具有極佳的自潔性，表面沾上灰塵或其它污染后可以依靠雨水沖刷而自我清潔。即使有些污染不能完全沖刷干凈，也可利用一般清潔劑很容易地去除。而聚酯織物+PVC涂層則很容易沾污，由于PVC涂層中含有的增塑劑極易向表層遷移，可以把灰塵及其它污染物粘在一起，很難用一般清潔劑除去。因此，聚酯織物+PVC涂層的膜材料，其表層（在PVC的外層）一般都需再涂上聚偏氟乙烯（或其它涂層材料）層即PVDF層，或貼上聚氟乙烯（PVF）膜以達(dá)到自潔的要求。正是在聚酯織物的表層涂層上，各公司各有自己的專利，以顯示其特有的自潔性能。

要有好的阻燃和防火性能。

要有一定的透光性能：膜結(jié)構(gòu)材料在陽光照射下，將大量的熱和光反射出去，但也希望將一部分光透過膜，直射到室內(nèi)。在這方面，以膨化聚四氟乙烯（ePTFE）扁絲織成的布外涂氟聚合物的膜材料，透光率很高，見表1。據(jù)了解ETFE（乙烯—四氟乙烯共聚物）膜，其透光率還要高于ePTFE膜。

從表中可以看出，由Gore公司獨(dú)家開發(fā)的ePTFE/氟聚合物膜材料和同樣新近出現(xiàn)的ETFE膜具有很高的透光率，室內(nèi)白天可以不開燈，可大大節(jié)約用電。

綜合以上，國(guó)外對(duì)應(yīng)用最為廣泛的PTFE/玻纖織物及PVC/PET織物兩種膜結(jié)構(gòu)作綜合對(duì)比，如圖12。

表1  幾種膜材料透光率的對(duì)比

織物品種       PVC涂滌綸織物   PTFE/玻纖織物     Gore Tenara ePTFE/氟聚合物

透光率    13%以下        25%以下        可達(dá)40%

圖12 玻纖織物涂聚四氟乙烯和聚酯織物涂PVC對(duì)比情況

                     玻纖Teflon 涂層   聚酯PVC涂層

  織物外觀                         →→→→

  撕裂強(qiáng)度                         →→→→

  尺寸穩(wěn)定性              ←←               

  阻燃性能                    ←←

  透明度                     ←←

  縫紉強(qiáng)度                  ←←

  清潔性能                  ←←

  加工性能                         →→→→      

  柔軟性                            →→→→      

  撓曲壽命                         →→

  抗化學(xué)性               ←←←←

  耐熱性                  ←←←←

  耐低溫性                  ←←

→→  稍好

→→→→  明顯好 

不同膜材料

不同生產(chǎn)廠家的性能對(duì)比

玻纖織物涂聚四氟乙烯膜材料

生產(chǎn)這種膜材料廠家很多，如美國(guó)的chemfab公司，這是最早進(jìn)入我國(guó)的膜材料市場(chǎng)的廠商，除此之外，德國(guó)Verseidag公司,沙特阿拉伯的OBeiKaN公司。日本中興化成工業(yè)株式會(huì)社亦生產(chǎn)這種高品質(zhì)膜材料。

前面已經(jīng)述及玻纖織物涂聚四氟乙烯膜材料，不但強(qiáng)度高，而且由于玻纖和聚四氟乙烯耐候性都十分優(yōu)良�？棺贤饩�性能好，使用壽命長(zhǎng)，而且它還具有很高的自潔性，這種膜面受空氣中灰塵沾污后，可以依賴雨水的沖刷去除，即使一些積圬雨水沖不掉，也可以用普通的清潔劑很容易地清除。因此這種膜材料可以保持膜面長(zhǎng)期的光亮、清潔。除此以外，玻纖織物+PTFE涂層材料作為首選材料，國(guó)際上最早選用的這類膜建筑，經(jīng)歷的時(shí)間已有超過三十年的，但據(jù)稱目前仍很完好，圖13為韓國(guó)釜山穹頂建筑采用玻纖織物涂PTFE材料的情況。

表2為各公司生產(chǎn)該種膜材的性能指標(biāo)情況，由于各公司采用的標(biāo)準(zhǔn)不完全相同，提供的性能指標(biāo)又不完全可比，以下數(shù)據(jù)僅供參改。

另外,日本中興化成工業(yè)株式會(huì)社亦生產(chǎn)玻纖織物涂PTFE建筑膜材。

日本中興化成工業(yè)株式會(huì)社采用的玻纖織物，其玻纖的細(xì)度是目前最細(xì)的，為3■，即稱之為玻璃纖維B絲；而有的企業(yè)采用的為6■的DE絲。日本中興化工指出：采用細(xì)的玻纖絲，其單位面積的抗拉強(qiáng)度高，耐屈曲牢度好，在受反復(fù)應(yīng)力時(shí)不易疲勞，因此用這種纖維加工成的膜結(jié)構(gòu)材料更經(jīng)久耐用，圖15為纖維直徑（■m）與單位面積抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，圖15為采用3■及6■直徑玻纖紗對(duì)膜材料各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的影響情況。

當(dāng)然其著重說明的：該種產(chǎn)品的質(zhì)量比一般玻纖涂層產(chǎn)品更為優(yōu)越。

滌綸工業(yè)絲織物,涂以PVC,表層再涂上自潔層

滌綸長(zhǎng)絲織物涂以PVC后,可以大大提高強(qiáng)度,但如果PVC直接暴露在紫外線輻射下,其中的增塑劑容易向表層遷移,容易粘附灰塵,而且不易被一般的清潔劑除去,根本談不上自潔性,因此僅使用很短時(shí)間后,外觀就十分難看。表面再涂以PVDF就是為了把PVC層覆蓋住,由于PVDF具有較好的抗紫外線性能,可以改善自潔性,增加使用壽命。

生產(chǎn)這類產(chǎn)品的企業(yè)眾多，如法國(guó)的Ferrari公司,美國(guó)的Seaman公司，德國(guó)的Verseidag公司，沙特阿拉伯的OBEIKEN公司，德國(guó)的 Mehler HAKU公司，我國(guó)北京的佳泰蓬蓋材料公司等諸多公司。這類膜材料的有關(guān)指標(biāo)為表3。

除了表3所列外,德國(guó)Mehler Haku公司的滌綸建筑膜材料有其特色。

采用聚酯織物PVC涂層的膜材，一般表層都要再涂上PVDF或聚丙烯酸酯，以防止PVC涂層的增塑劑遷移至表層，造成膜材的表面沾污。但聚丙烯酸酯在紫外線照射下很快就會(huì)銷蝕。而PVDF的涂層有的是將100%PVDF直接涂敷在PVC上，因PVDF硬度較高，與PVC之間的粘合不牢固（PVC硬度較低），容易剝離。一旦剝離，則PVC直接暴露在紫外線輻射下，增塑劑遷移必然會(huì)產(chǎn)生，造成表層粘附灰塵，自潔性大大下降，同時(shí)剝離處容易滋生微生物，產(chǎn)生霉變，影響使用壽命。

為了解決這一問題，有些制造商在外層涂層的PVDF中加入一定量的聚丙烯酸酯，從而使與PVC接觸的外層PVDF涂層軟化，這種制作方法實(shí)際上表層是混有聚丙烯酸酯的PVDF膜材。這樣做雖然解決了剝離的問題，但混合型表層在耐污性和耐久性方面卻比100%的PVDF下降了許多。

為此，德國(guó)Mehler公司的聚酯織物涂PVC膜材采用了新的表層涂敷工藝——即所謂MEHATOP F-primer 涂敷工藝。與其它膜材涂敷工藝不同，它是在PVC涂層上先采用聚丙烯酸酯涂敷作為過渡層（Primer），這樣就解決了容易剝離的問題。因表層仍是100% 的PVDF，自潔性能仍十分優(yōu)越。Mehler公司稱之為第二代PVDF涂層。Mehler公司是在膜材的雙面都采用PVDF的表層保護(hù)，其情況如圖16所示。

圖16 Mehler的膜材料的表層涂敷工藝

W.L GoreTMTenara & Associates 生產(chǎn)的以高強(qiáng)膨化聚四氟乙烯（ePTFE）紗為骨架，表層再覆以氟聚合物做成的膜，形成100%的氟聚合物膜結(jié)構(gòu)材料，因此具有世界上最好的耐紫外線幅射的性能，以及十分優(yōu)異的自潔性能，可以耐嚴(yán)酷的溫度條件，使用壽命長(zhǎng)。

其骨架材料的制作是將ePTFE膜先切割成條，再加捻成紗，然后織成布，雙面再層合氟聚合膜材。這樣的工藝過程，保證了這種膜材可以達(dá)到一定的拉伸強(qiáng)度，特別是撕裂強(qiáng)度可以大大超過玻纖或滌綸為骨架的材料。這種材料的另一個(gè)特點(diǎn)是色澤永遠(yuǎn)可以保持潔白，容易清潔，透光率好。照明可以少用電源，白天主要采用日光透射的光亮便已足夠。目前這種膜材料只有Ⅰ型、Ⅱ型二大類，Ⅰ型的克重為630g/m2, 厚度為0.38mm；Ⅱ型的克重為830 g/m2，厚度為0.43 mm。根據(jù)透光率的不同，又各分為二種：Ⅰ型分為3T20及3T40，Ⅱ型分為4T20及4T40。其中，Ⅱ型的克重較重，這就決定了它可以耐受更大的拉伸強(qiáng)度和撕破強(qiáng)度，適應(yīng)制作更為大型的膜。

此類膜材各種規(guī)格的光學(xué)特性列于表5。不同膜材透光率的對(duì)比如表6。GoreTMTenara 膜材，各項(xiàng)其它性能如表7所示。

其它性能：

抗紫外線：強(qiáng)度和柔軟性不受日光影響;

抗化學(xué)性：具有化學(xué)惰性，不受污染而影響，可使用各種清潔劑;

連接方式：焊結(jié)或縫合均可;

燃燒性：屬惰性材料，不可燃;

保證使用期：15年以上。

乙烯—四氟乙烯共聚物ETFE膜材

乙烯—四氟乙烯共聚物ETFE