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新型建材—高性能氟聚合物ETFE建筑用薄膜

发布日期:2009-09-14

黄萍

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摘要 2008北京奥运游泳馆“水立方”引进了一种新型建筑用幕墙材料——ETFE薄膜。本文通过介绍建筑用ETFE薄膜的性能特点、典型的实际应用案例、薄膜制作工艺以及用于建筑其本身需要解决的重点技术问题,使读者对这一新型建材有更全面的了解。

关键词:建筑,幕墙材料,ETFE,薄膜

 

1.         前言

请想象一下,在阳光灿烂而寒风刺骨的冬日,身处温暖的室内品尝着浓香的咖啡,却沐浴着如户外一样的暖阳;在雷电交加的雨天,耳听着雨水敲打顶棚的声音,置身植物温室内却如同亲临热带雨林;在皓月当空晴朗的夜晚,一边躺在水面上仰泳一边数着满天的繁星……这一切是多么惬意!对于热爱大自然的人们来说,为你遮风挡雨的同时令你对户外环境感同身受的建筑已成为现实并来到我们身边。

随着经济和社会的发展,公共建筑除了保证使用功能,更加追求视觉的美感、生态环保效果,因此对建筑材料及其装配技术提出了越来越高的要求。2008年北京奥运会的国家游泳中心采用了一种新型建筑材料——ETFE薄膜,其建筑造型象是一个充满了水泡沫的立方体,在光线下微泛蓝光,看起来有晶莹剔透的效果,所以人们称之为“水立方”。为了达到上述效果,幕墙材料采用ETFE薄膜和金属结构组成的、大小不一的十几种ETFE气枕组成﹙见图片1﹚。

       

 

1:国家游泳中心

膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式,至今已成为大跨度空间建筑的主要形式之一。它集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等为一体,建造出具有标志性的空间结构形式,它不仅体现出结构的力量美,还充分表现出建筑师的设想,享受大自然浪漫空间。在2008年的奥运会建筑设计上,膜结构应用就得到完美的体现。以往,膜结构建筑中最常用的膜材料主要为PTFE膜材料和PVC膜材料,结构上又分为充气式膜结构和张拉式膜结构两种。2008北京奥运会,国家游泳中心采用ETFE膜气枕充气式。ETFE膜材在国外应用范围很广,比如体育休闲﹙体育馆、体育场、健身中心、休闲中心﹚,旅游和公共设施﹙购物中心、机场候机厅、车站站台、公园、温室、汽车加油站、广告牌等﹚,艺术和文化﹙展览馆、剧场、音乐厅、城市景观雕塑等﹚。 在国内,虽然目前ETFE膜材在建筑上的应用还是空白,但是随着北京2008年奥运游泳馆作为标志性景观建筑物的落成, ETFE建筑用膜材将会引起人们的极大关注。

 

2.         ETFE建筑用膜主要性能特点

ETFE是乙烯和四氟乙烯的共聚物(a copolymer ethylene tetraflouroethylene),分子式为:-(CF2 -CF2)n-(CH2 -CH2)m-ETFE薄膜是一种轻质透明的新材料,它在有效热性能和高透光性能方面比玻璃这样的传统材料有更广泛的应用领域。ETFE具有很好的韧性和抗撕裂性能;耐紫外照射、耐侯、耐化学物质侵蚀并且具有极低的表面摩擦系数,综合起来使其成为一种优秀的建筑材料。ETFE薄膜性能具体如下:

2.1 高透光率、可印刷、可着色

    ETFE薄膜在可见光区域(380780nm)是非常透明的,透光率高达94%97%。紫外光(320380nm)透过率也非常高(8388%)。可以通过印刷使ETFE薄膜有各种不同的图案以控制光线和热辐射。可以利用ETFE良好的着色性将其均匀染色以减少阳光射入,同时使建筑看起来具有特殊视觉效果而不影响透明度。也可通过使用多层薄膜得到半透明效果。

2.2 自清洁性

与另外一种膜结构建筑用材料——PTFE膜材料﹙玻璃纤维基布浸渍聚四氟乙烯﹚相比,由于ETFE薄膜是熔融挤出成型,因此表面更加平滑,再加之其极低的摩擦系数,使得任何灰尘、污染物(比如鸟粪)非常容易被雨水冲洗干净。

2.3 耐侯、长寿

ETFE薄膜工作温度为-200~+150,具有极好的温度和气候适应性。ETFE薄膜抗紫外光、大气污染并且化学稳定性很好。无论是在实验室还是户外测试中,该材料没有强度的降低和损失,户外实际应用15年以上的膜材,没有发黄和变脆的现象;目前已经能够证实,该材料寿命高达25年以上。

2.4 阻燃、无毒

依据GB 86241997《建筑材料燃烧性能分级方法》对ETFE薄膜进行防火性能检测,其燃烧性能属于难燃B1级,并且没有融滴。依据GA 1321996《材料产烟毒性分级》对ETFE薄膜进行烟气毒性检验,该材料烟气毒性达到准安全一级。

2.5 力学性能优异、可回收

如果成型工艺控制得当,ETFE薄膜纵横向力学性能均衡,拉伸强度高于50Mpa,撕裂强度达到590N/mm以上。

ETFE薄膜可通过加热熔融、重新造粒而被回收。

2.6可焊接

ETFE 材料必须经过焊接才能用于建筑。在焊接工艺中,控制焊接温度是非常重要的,也就是说在焊接这种材料时需要特殊设计的焊接机和对材料的深入了解。

由此可看出ETFE薄膜是一种性能非常优秀的材料,使用得当,会成为建筑领域一种革命性的新材料。

 

3.         ETFE薄膜在建筑中应用的典型形式

ETFE薄膜常被制作成双层或多层气枕的形式而应用于膜结构建筑中﹙见图2﹚,即将ETFE薄膜按照建筑师设计的形状﹙可以是圆形、椭圆形、三角形、矩形、多边形或其它任意形状﹚剪裁、焊接,通过铝合金或轻质钢材的边框构件将各独立气枕连接在一起形成一个大覆盖空间。每个独立气枕带有供气系统与充气设备相连,气枕内部维持一定的气体压力起到保持气枕形状、承载及传递外部载荷、隔热、隔音、调节建筑内部光线等等功能以满足建筑物里学的需要。[1]

3.1 ETFE气枕的技术要求大致包括:

Ø  结构特性——通过计算机结构设计并分析各部位气枕的形状、风载、雪载、内压、积水等问题;

Ø  光学特性——控制可见光的反射和透射,从而控制室内光线和热量传递;

Ø  热学特性——内热外冷会导致结露,引入U值作为热学评价指标;

Ø  声学特性——因为雨噪声和薄膜本身产生的回响,对于要求比较高的封闭建筑,通常要引入吸音及隔音材料;

Ø  寿命与耐久性——25年以上的寿命、低维护、抗紫外与特殊气候;自清洁、长时间使用无声、光、机械失效。

3.2  气枕制作流程如下:

Ø  使用3D软件进行结构设计;

Ø  通过计算机控制,使用专用设备剪裁薄膜成为各种需要的形状;

Ø  使用专用焊接机进行薄膜焊接;

Ø  与框架装配成独立的气枕单元。

       

2:气枕样件

2008年北京奥运游泳馆立面与屋顶总体面积10万平方米,由3000多个气枕组成,这些气枕最大约9平方米,最小不足一平方米,根据载荷要求,气枕最多用膜达到5层;使用ETFE膜材近30万平方米。根据载荷要求,气枕最多用膜达到5层;使用专门定制的焊接设备,焊缝长度可达10(见图3)。

       

3:建设中的水立方

 

4.         ETFE典型工程

4.1 ETFE薄膜在膜结构建筑上的应用

23年前ETFE薄膜在建筑上开始应用。80年代末期被采用为永久性生命建筑,在欧洲尤其是英国,已经作为玻璃的替代品用于建筑。ETFE薄膜用于建筑大致发展历史如下:

Ø  1982年:第一座ETFE建筑;

Ø  1984年:获得德国标准认可;

Ø  1988年:发明彩色ETFE膜;

Ø  1993年:发明膜上印刷图案。

4.2 ETFE薄膜在建筑上的典型应用

4.2.1 伊甸园项目

伊甸园(Eden Project)位于英格兰西南部康沃尔郡圣奥斯特尔附近一座废弃的粘土矿区,耗资8700万英镑(约人民币11.31亿元),于20013月正式对公众开。该全球最大温室由4座穹顶状建筑连接组成,穹隆架是钢管构成的一个个六角型,上面覆盖着轻型材料ETFE透明薄膜。伊甸园容纳了来自世界各地不同气候条件下的数万种植物,其宗旨是展示植物与人类的关系以及人类如何依靠植物进行可持续发展。该建筑用膜30000㎡,充分利用了ETFE薄膜高透光率以及ETFE气枕的保暖隔热性能。ETFE薄膜的重量只有同等厚度玻璃的1%,因此起支撑作用的钢结构用量大大减少,建造时的能耗也大大降低(见图4)。

          

4:通透的伊甸园

4.2.2 慕尼黑安联足球场

为迎接2006年的世界杯赛,在德国20028月开工建设的Allianz Arena将应用1000多个双层0.2mm厚的ETFE薄膜组成的气枕,并采用不同颜色的灯光,红白或是蓝白的菱形让整个建筑看上去是一个LED大屏幕。该新球场坐落在慕尼黑城北,可容纳66000名观众(世界杯赛时为59416名)。它是拜仁慕尼黑队和慕尼黑1860队的主场。每当拜仁慕尼黑队比赛时,球场外壳用红灯照明,慕尼黑1860队比赛时则用蓝灯。当然也可以亮起中性的白灯。该建筑物充分利用ETFE薄膜的透明性,结合运用不同色彩的灯光,将以会变色的透明场馆成为慕尼黑的又一标志性建筑(见图5)。

        

5:会变色的安联足球场

4.2.3 ETFE膜材打造时尚足球

为了迎接2006年世界杯赛,德国Covertex 公司设计并建造了一个巨型足球展厅,球内设有足球百年史博物馆和360°环幕电影的多媒体展示厅。外观上足球一共由20个六角形和12个五角形气枕组成,采用3层透明膜结构形式,内外层为全透光的ETFE膜,中间层则运用黑色和白色的PVC膜营造出足球的外观效果。另在外层膜的内侧搭配LED灯管,利用ETFE的平面特性,可以在膜材表面以投影仪投射出各式图案,使整个展馆在夜晚呈现出地球仪般的效果(见图6)。[2]

         

6ETFE足球的白天和夜晚

4.2.4 Expo 2000 Pavilion

在德国2000汉诺威世界博览会期间,德国Foiltec公司采用ETFE气枕系统修建了一座被称为Expo 2000 Pavilion的建筑。该建筑幕墙和屋顶统统采用ETFE气枕系统。幕墙系统的双层ETFE薄膜上用正负对应方式分别印刷树叶形图案,其中有3%的图案是相重叠的,从而可以调节幕墙系统从透明、半透明到不透明,为内部演出的内容营造更戏剧性的效果。在每次演出之后,建筑物幕墙重新被调节回到45%透光率的状态。该建筑的屋顶是世界上最大的ETFE气枕,直径82英尺,内部有一系列结构管道,通过不同的气压使气枕膨胀或收缩从而调节演出所需要的透光率。该建筑是充分利用ETFE薄膜的可印刷性达到控制建筑内部光线的经典之作(见图7)。[3]

           

7Hannover Expo 2000

5.         ETFE薄膜的加工制作

建筑用ETFE薄膜是采用挤出流延方法加工成膜,因为挤出流延薄膜的厚度均匀性和表面平滑性均好于挤出吹塑薄膜。ETFE加工方法与普通热塑性塑料一样,熔点为275,加工温度范围为260350。与其它可熔融加工氟塑料一样,在加工ETFE树脂时,设备上所有与熔融物料接触的部位,例如螺杆、螺筒等要用耐腐蚀性能好的合金材料制作。

加工生产线主要包括挤出机、模头、流延冷却系统以及牵引、切边、收卷等辅机。挤出流延模头为狭缝式,通常宽度为1800㎜。通过调整口模间隙可以得到不同厚度的薄膜。通常建筑用ETFE薄膜厚度在0.10.25㎜之间。

1800㎜模头配合,冷却辊宽度大约在17001800㎜,卷取速度可高达300/分钟,自动切边后,最终产品宽度大约在15001600㎜。(见图8、图9

    

8:国外ETFE薄膜生产                    9ETFE薄膜国内试制

6.         ETFE薄膜用于建筑需要解决的技术问题

6.1印刷技术

ETFE薄膜用于建筑经常需要印刷图案以控制光线透过率,最常见的方式是印刷直径15㎜的反光银点,反光点处光线透过率30%,平均光线透过率60%。根据不同的光线控制要求可以有不同的印刷风格。在薄膜印刷技术中需要重点解决的是耐晒、耐紫外性能好且与ETFE结合牢固的印刷油墨。

6.2表面处理技术

谈到印刷就必然涉及ETFE薄膜的表面处理技术。含氟塑料的表面张力大都在1830dynes/2的范围之内,通过表面处理,可将薄膜表面能提高到70 dynes/2之上,与水的浸润性大大改善,与其它材料的结合性能提高。含氟材料传统的表面处理技术是采用萘钠处理剂进行化学处理,效果虽然好但是薄膜本身颜色会变成棕褐色,这显然不适于建筑用要求。新的表面处理技术的关键是不改变被处理材料本身的颜色而达到同样的效果。

6.3焊接技术

ETFE薄膜可通过热熔焊接在一起,高频焊接或超声波焊接不适用于该材料。ETFE膜应用于建筑必须要以大型工业焊接技术的开发为前提。该技术由德国FOILTEC公司的Dr. Stefan lehnert19801982年发明,称为“密封滑板焊接工艺”。20世纪90年代行走式焊接技术的商业化应用使其更具市场竞争力。据FOILTEC公司工程技术人员介绍,ETFE薄膜焊接技术发展历程大致如下:

1975年:出现第一台步进ETFE焊接机﹙step by step welding machine

1985年:第一台连续ETFE焊接机﹙continuous ETFE welding machine

1992年:第一台自驱动连续ETFE焊接机﹙self-driving continuous ETFE welding machine

2003年:世界上最大的自驱动连续ETFE焊机问世。

由于薄膜厚度较薄,焊接时必须精确控制加热温度、加热时间以及压力等工艺参数。先加热熔化,再加压,然后迅速冷却,冷却温度非常重要。控制由于加热产生的收缩是得到高质量焊缝的关键之一。

 

7.         ETFE建筑用膜国内市场展望

ETFE气枕制作过程不仅能耗极低而且整个系统重量比其他具有可比特性材料系统低50%90%,从而大大节约了结构系统;再加之ETFE薄膜可回收,这类建筑不仅具有“绿色”概念而且造价更低。国内由于一直没有此领域的需求,所以关于ETFE薄膜的相关研究基础薄弱,只有北京市塑料研究所等少数研究单位进行过初步的薄膜试制。2008年北京奥运会的游泳馆已确定选用ETFE薄膜作为屋面和墙体材料, 奥运会场馆优美的建筑风格将很好地向人们展示ETFE建筑用膜材料的无穷魅力,这种新型的膜结构材料也将借奥运东风进军中国建筑市场。