ETFE膜材在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

任慧芳 陳偉峰 余考明 蔣杰峰

（1.浙江巨化股份有限公司氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州324004；2.浙江巨化漢正新材料有限公司，浙江 衢州324004）

0 前言

ETFE（ethylene-tetrafluoroethylene）是乙烯-四氟乙烯共聚物，于20世紀(jì)70年代在美國開始被研究，1974年、1976年分別在美國、日本投產(chǎn)。膜結(jié)構(gòu)建筑是近幾十年發(fā)展起來的一種新型的結(jié)構(gòu)形式，它集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、精細(xì)化工與材料科學(xué)和計算機(jī)技術(shù)等為一體，借鑒現(xiàn)代造型藝術(shù)與技術(shù)美學(xué)的成就，以靈活多變的建筑造型、優(yōu)異的受力特性受到了建筑師和結(jié)構(gòu)師們的青睞［1］。

ETFE膜材是繼PVC（聚氯乙烯）膜材、PTFE（聚四氟乙烯）膜材之后用于建筑結(jié)構(gòu)的第三大類產(chǎn)品，因其自身所具有的特點(diǎn)，很快成為建筑行業(yè)的一枝獨(dú)秀。

1 ETFE主要性能

1.1 ETFE樹脂的基本性能

ETFE在保持了PTFE良好的耐熱、耐化學(xué)性能和電絕緣性能的同時，耐輻射和力學(xué)性能有很大程度的改善，各種力學(xué)性能達(dá)到了較好的平衡——抗撕拉極強(qiáng)、抗張強(qiáng)度高、中等硬度、出色的抗沖擊能力、伸縮壽命長［2］。

ETFE的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到50 MPa，接近聚四氟乙烯的2倍。ETFE在常溫下張拉應(yīng)力在20 MPa以下時，呈完全彈性介質(zhì)，張拉模量達(dá)800～1 000 MPa；當(dāng)張拉應(yīng)力在25 MPa附近會出現(xiàn)屈服點(diǎn)，此后進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段，直至斷裂；ETFE的斷裂伸長率達(dá)300%以上。ETFE與其他氟塑料性能對比如表1所示。

表1 ETFE與其他氟塑料性能對比

表1 （續(xù)）

1.2 ETFE膜材的性能

ETFE膜材的厚度通常小于0.20 mm，隨著厚度的增加，膜材將更硬更脆，難以加工。ETFE膜材具有極佳的抗老化能力，使用壽命至少為25～35年。通常是一種透明膜材，也可以做成白色，根據(jù)需要在透明或白色膜材上印制各種圖案，可調(diào)節(jié)進(jìn)入建筑物內(nèi)的光線。

ETFE是阻燃材料，達(dá)到B1、DIN4102防火等級標(biāo)準(zhǔn)，燃燒時也不會滴落。且該膜質(zhì)量很輕，每平方米只有0.15～0.35 kg，該特點(diǎn)使其即使在由于煙、火引起的膜融化情況下也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。ETFE還通過了幾項嚴(yán)格的抗燃測試，如IEEE 383，并獲得UL 94 V-0等級，對大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的物理屬性影響小，對普通氣體和水氣的滲透性低。

ETFE膜材具有極佳的自潔性能，其特有的抗粘著表面使其具有高抗污、易清洗的特點(diǎn)，通常雨水即可清除主要污垢，幾乎不需要日常保養(yǎng)，清潔周期大約為5年。

ETFE膜作為結(jié)晶性高聚物，熔點(diǎn)為256～280℃，工作溫度范圍為-200～150℃，在超低溫時仍堅硬非凡，其脆化溫度低至-100℃。同時具有極好的穩(wěn)定性和氣候適應(yīng)性，在惡劣氣候條件下15年以上的力學(xué)和光學(xué)性能沒有改變。在多冰雹地區(qū)，即使玻璃屋面被砸碎，ETFE膜材屋面也僅留下一些小小的凹痕。

ETFE絕緣強(qiáng)度高，介電常數(shù)為2.6，電阻率高，耗散因數(shù)低，僅為0.003，其低介電常數(shù)在頻率和溫度變化的情況下基本恒定。

ETFE膜的透光率可高達(dá)95%，號稱“軟玻璃”，且質(zhì)量輕，只有同等大小玻璃的1%。該材料不阻擋紫外線等光的透射，以保證建筑內(nèi)部自然光線。通過表面印刷，該材料的半透明度可進(jìn)一步降低到50%。根據(jù)幾何條件及膜的層數(shù)，其K值（傳熱系數(shù)）可高達(dá)2.0 W/（m2·K），以一個3層印刷的膜為例，耗能指數(shù)可達(dá)到0.77。

ETFE膜材具有良好的抗撕裂性能、柔韌性和可加工性，可以熱熔成顆粒狀并重新整合，ETFE膜為可再循環(huán)利用材料，再次利用生產(chǎn)新的膜材料，或分離雜質(zhì)后生產(chǎn)其他ETFE產(chǎn)品。建筑用透明材料的性能比較如表2所示。

表2 建筑用透明材料的性能比較

2 應(yīng)用情況

目前世界上有能力生產(chǎn)與加工ETFE膜材的廠家較少，僅德國、美國、日本等少數(shù)幾家公司可生產(chǎn)ETFE膜材，而具有ETFE膜材加工制作、安裝能力的廠家則更少。ETFE膜材在國外有30多年的應(yīng)用歷史，由于其極好的透光性能，特別適合建造需人工模擬自然環(huán)境的建筑，如植物園以及運(yùn)動場館等［3］。荷蘭的Arnhiem動物園、英國的Hampshire網(wǎng)球與健身俱樂部、英國的伊甸園、德國的“Moby Dick”游泳池、瑞士蘇黎世的Masoala雨林等建筑均采用ETFE膜。

在過去10年中，中國的許多城市都在籌劃建設(shè)新的體育設(shè)施。由于其重量很輕的優(yōu)點(diǎn)，膜結(jié)構(gòu)往往被采用［4］。建筑結(jié)構(gòu)使用的膜材料首選要求是具有較高強(qiáng)重比的材料，能有效提高建筑本身的效率，降低建筑的自重荷載和地震載荷等與建筑自重關(guān)聯(lián)的載荷效應(yīng)，一般以氣枕或張拉膜的形式用于建筑中。ETFE薄膜氣枕有相對較大的跨度，可以在支撐結(jié)構(gòu)之間填充較大的空間，從而為整個建筑結(jié)構(gòu)節(jié)約質(zhì)量。由于氣枕可以向支撐結(jié)構(gòu)單向傳遞荷載，所以方形氣枕的長度甚至可以更長。通過使用多層膜系統(tǒng)或張拉單層系統(tǒng)，在一個構(gòu)件上同時獲得幾種建筑功能（例如，傳遞載荷、隔熱、吸收噪聲、保濕、照明等）。ETFE薄膜氣枕中的氣壓和氣枕的形狀能隨著外部載荷的改變而改變，所以本身是一種自適用結(jié)構(gòu)。

圖1為英國新千年應(yīng)典工程之一的“伊甸園”，有“世界第八大奇觀”之美譽(yù)。它于2001年3月對公眾開放，由4座穹頂狀建筑連接組成的全球最大溫室，上弦為六邊形網(wǎng)格，下弦為三角形加六邊形網(wǎng)格，溫室覆蓋著由ETFE薄膜材料制成的透明蓋板，其質(zhì)量只有相同面積玻璃質(zhì)量的1%，透明薄片可以回收利用，并具有良好的保溫性。

圖2為2008年北京奧運(yùn)會國家游泳中心“水立方”，它就采用了ETFE膜。整個建筑由3 000多個ETFE氣枕構(gòu)成，氣枕大小形狀不一，面積超過10萬m2，水立方除了地表之外，整個結(jié)構(gòu)表面都是由膜覆蓋，其安裝是先搭建鋼架構(gòu)，然后安裝氣枕，最后通過鋼架上預(yù)留的充氣線對氣枕進(jìn)行充氣，氣枕就變成了氣泡，充氣過程都是由電腦自動控制的，而且會根據(jù)氣壓、光照等條件進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整，保證整個氣泡單元都處于最佳狀態(tài)［5］。

圖1 英國伊甸園

圖2 水立方國家游泳中心

圖3 為杭州西湖附近的“燁興-杭州銀泰廣場ETFE膜結(jié)構(gòu)景觀雨棚”，它的面積為2 585 m2。該項目是國內(nèi)首個單層ETFE加雙層氣枕膜完美嵌合的景觀雨棚建筑，采用德國進(jìn)口ETFE膜材，利用ETFE膜材的高透光、高自潔性以及雙層氣枕的隔熱能力，雨棚在具有遮陽擋雨功能的同時還可以實(shí)現(xiàn)自然采光，行人沒有傳統(tǒng)密封建筑的束縛感；另一方面，ETFE膜結(jié)構(gòu)建筑是當(dāng)代最新的建筑應(yīng)用形式之一，工程高度定制，顏值高，具有唯一性，天生自帶聚集人氣光環(huán)。

圖4為廣西貴港“燁興-貴港高鐵站廣場ETFE膜結(jié)構(gòu)雨棚”，它的面積為5 030 m2，使用德國進(jìn)口藍(lán)色ETFE膜材，采用前衛(wèi)的ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)建筑形式，搭配酷炫的LED炫彩燈光效果，目的是給廣大旅客打造一個具有視覺沖擊力的車站景觀，同時又有實(shí)用的遮陽擋雨功能。貴港高鐵站雨棚是廣西首個仿“水立方”的ETFE氣泡屋面雨棚連廊，全國范圍內(nèi)高鐵站廣場雨棚采用這種建筑形式的不超過10個。ETFE膜結(jié)構(gòu)天生高顏值，看起來通透柔弱，但是其物理性能一點(diǎn)不比傳統(tǒng)的玻璃屋面差，相比玻璃，它的自潔性更好，耐候性強(qiáng)，不會爆裂傷人，尤為可貴的是，作為室外屋面建筑，它的使用壽命在20年以上，每個氣枕單元都是獨(dú)立的，中途意外損壞，可以隨時進(jìn)行補(bǔ)充更換。

圖3 燁興-杭州銀泰廣場景觀雨棚

圖4 燁興-貴港高鐵站廣場雨棚

開封開元名都商業(yè)廣場工程采用了日本平岡二氧化鈦膜和圣戈班ETFE透明膜材相結(jié)合的方式，總面積為11 395 m2，是典型的張拉式膜結(jié)構(gòu)。常州花博會特色館與創(chuàng)意館的外屋面，結(jié)合了德國EASY軟件和犀牛軟件做膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和造型，采用日本旭硝子ETFE透明原點(diǎn)膜材，總面積為14 241 m2。

隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長，各種建筑場館平地而起，對建筑材料的要求也越來越高，這給了ETFE薄膜材料用武之地，其作為幕墻或屋面材料已經(jīng)在全世界100多項工程中得到了應(yīng)用［6］。

3 結(jié)語

從多年來國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，由于新材料、新形式的不斷出現(xiàn)，膜結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的生命力，必將是21世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流。而ETFE建筑膜材以其優(yōu)良的材料特性，必將成為市場的主流膜材，其發(fā)展前景可觀，市場潛力巨大，面臨著良好的發(fā)展契機(jī)［7］。

我國從20世紀(jì)70年代開始研發(fā)該技術(shù)，但只能生產(chǎn)少量ETFE模壓和擠出料及少量的粉末涂料，國內(nèi)所需的ETFE樹脂產(chǎn)品依賴進(jìn)口。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Σ牧系木C合性能不斷提出更高要求，市場對氟塑料產(chǎn)品的需求領(lǐng)域不斷增加，ETFE樹脂以其特有的性能，需求日益增大。鳥巢、水立方的成功建造，也讓國人看到了膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的前景，因其做到了藝術(shù)、科技、環(huán)保的完美結(jié)合，同時也給中國膜結(jié)構(gòu)發(fā)展帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

雖然現(xiàn)階段ETFE膜材還是從國外引進(jìn)，但國內(nèi)的研發(fā)從未間斷，2019年東岳集團(tuán)的乙烯-四氟乙烯共聚樹脂（ETFE）開發(fā)項目通過了由中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定，項目開發(fā)的ETFE樹脂實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化應(yīng)用。隨著我國膜結(jié)構(gòu)理論研究的進(jìn)一步深化，在借鑒發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的同時，需加快自主研發(fā)膜材料生產(chǎn)工藝的進(jìn)度，相信在不久的將來，ETFE膜可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。