ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奧運(yùn)建筑奇遇記

劉奕彤，杜苗，吳興隆,2,＊

1東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130024

2東北師范大學(xué)紫外光發(fā)射材料與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130024

在第24屆北京冬奧會(huì)來(lái)臨之際，為加強(qiáng)各國(guó)間的學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)奧運(yùn)事業(yè)蓬勃發(fā)展，特此在北京隆重召開(kāi)第36屆奧運(yùn)建筑材料交流分享大會(huì)。大會(huì)上，來(lái)自世界各方的奧運(yùn)代表齊聚一堂，大家相互交流心得、探討學(xué)術(shù)問(wèn)題。

1 ETFE助力百年奧運(yùn)，中華圓夢(mèng)

伴隨著暖場(chǎng)音樂(lè)的漸漸消去，主持人笑容滿(mǎn)面地拿起話筒說(shuō)道：“冬去春來(lái)，春暖花開(kāi)。在2022年北京冬奧會(huì)召開(kāi)之際，特此隆重召開(kāi)本次交流大會(huì)。首先，對(duì)各位的到來(lái)表示熱烈歡迎！今天，來(lái)自世界各地的奧運(yùn)代表齊聚一堂，彼此交流心得，致力于共同促進(jìn)世界奧運(yùn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)這也是一次提升自我的好機(jī)會(huì)，相信大家都已經(jīng)迫不及待了，那接下來(lái)讓我們有請(qǐng)2008年北京奧運(yùn)代表的兄弟倆上臺(tái)分享經(jīng)驗(yàn)，大家掌聲歡迎！”

話音剛落，掌聲雷動(dòng)，伴隨著“噔”的一聲，數(shù)盞燈光匯集在身著正裝，樣貌相似的兩位老師身上，緊接著他們起身鞠躬，向大家的熱烈歡迎表達(dá)謝意。

2012年倫敦奧運(yùn)代表率先發(fā)問(wèn)，“誒，08奧運(yùn)兄，久仰大名，當(dāng)年北京奧運(yùn)的召開(kāi)可謂是轟動(dòng)一時(shí)啊，其中那兩個(gè)標(biāo)志性建筑，叫……叫……，叫什么來(lái)著，誒媽呀，一激動(dòng)全給忘了?！庇忠蛞粫r(shí)沒(méi)能想起，右手撓著腦后，眼睛微閉思索，苦苦搜尋著腦中的記憶存儲(chǔ)器。

“哈哈，您說(shuō)的怕不是水立方和鳥(niǎo)巢？”

“嗷，對(duì)！就是水立方和鳥(niǎo)巢，那叫一個(gè)棒??！您有沒(méi)有啥經(jīng)驗(yàn)傳授傳授，也讓咱哥幾個(gè)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)?！?/p>

話音剛落，周?chē)沩懫鹨魂噾?yīng)和聲。面對(duì)突如其來(lái)的夸贊，2008年北京奧運(yùn)代表ETFE略感驚訝，又有些許的害羞，趕忙回應(yīng)道：“過(guò)獎(jiǎng)過(guò)獎(jiǎng)，這真不敢當(dāng)。傳授經(jīng)驗(yàn)倒談不上，權(quán)當(dāng)與大家交流下有無(wú)，畢竟知己知彼才能共同進(jìn)步嘛。ETFE是我的筆名，我的全名為乙烯(E)-四氟乙烯(TFE)共聚物。雖然我的分子組成與聚偏氟乙烯(PVDF)完全相同，但我們?cè)诜肿优帕薪Y(jié)構(gòu)上存在明顯的不同之處[1](圖1a和1b)。正因?yàn)榉肿优帕薪Y(jié)構(gòu)上的不同，我在許多方面都展現(xiàn)了自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，比如我具有抗老化性、自潔性、耐腐蝕和高阻燃等眾多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)也是我能夠在奧運(yùn)建筑中發(fā)光發(fā)熱的‘秘密武器’；而PVDF分子的主要特性為耐磨性、抗沖擊、熱電性和抗褪色性，不同的性質(zhì)則進(jìn)一步體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的道理。與此同時(shí)，我本身呈Z字形的分子鏈及交替單元中較大的CF基團(tuán)與相鄰鏈上較小的CH結(jié)晶形成的斜方晶格[2]，也使我具有低蠕變、高模量及優(yōu)秀機(jī)械性能等特點(diǎn)，這同樣是我在水立方膜的建造領(lǐng)域上發(fā)光發(fā)熱的關(guān)鍵?！?/p>

圖1 ETFE (a)和PVDF (b)的分子結(jié)構(gòu)示意圖

“啊，原來(lái)如此！兄弟我還有個(gè)問(wèn)題想要請(qǐng)教一下，這水立方確實(shí)是一個(gè)字‘美’，不僅外觀設(shè)計(jì)巧妙、晶瑩奪目，就連里面的綠植裝飾都那么的生機(jī)勃勃，居然像在森林里一樣自由，這是啥原因呢？給俺解釋解釋唄，也讓俺以后借鑒借鑒?！?004年雅典奧運(yùn)代表說(shuō)道。

“說(shuō)起這方面，可真不是我‘王婆賣(mài)瓜，自賣(mài)自夸’了。我制備的膜材透光率高達(dá)95%，且具有一定的選擇與控制性，不僅不阻擋紫外線等光的透射，還可保證建筑內(nèi)部自然光線的正常供給。憑借優(yōu)異的透光性及天然與人工采光的綜合利用，我可以為建筑設(shè)計(jì)提供更大的美學(xué)創(chuàng)造空間，保證水立方在滿(mǎn)足需求的同時(shí)追求最大的設(shè)計(jì)美感[3]。與此同時(shí)，紫外線等光線的正常通過(guò)，還保證水立方內(nèi)部的綠色植物能進(jìn)行正常的光合作用，除了可以美化會(huì)場(chǎng)環(huán)境外，還可以在緊張賽事進(jìn)行的同時(shí)通過(guò)綠色植物的點(diǎn)綴來(lái)舒緩心情，從而達(dá)到一舉兩得的效果?！?/p>

聽(tīng)完這些話后，2000年悉尼奧運(yùn)代表又緊接著說(shuō)出了自己的疑惑，緊鎖眉頭認(rèn)真的樣子還有幾分風(fēng)趣搞笑，“嘿嘿，大哥，咱都說(shuō)到這兒了，我還有一個(gè)問(wèn)題想請(qǐng)教下，我看水立方表面每天都是潔凈如新，這是有人每天負(fù)責(zé)打掃嗎？但是那么大的一個(gè)建筑，如果每天打掃的話，也太耗費(fèi)人力物力了吧，或者說(shuō)這其中是有什么秘密武器嗎，想您給咱哥幾個(gè)說(shuō)道說(shuō)道?！?/p>

“您說(shuō)的對(duì)，像這樣一個(gè)龐大的建筑，每天打掃著實(shí)麻煩的很，且不說(shuō)它占地面積大，就以它的這個(gè)高度想要面面俱到地擦洗也是萬(wàn)分困難，但我是誰(shuí)，我是‘TFE家族’的超人，打掃？不存在的。我特有的抗粘著表面具有易清洗、高抗污的性能，使水立方可以‘自我清潔’，表面幾乎不會(huì)粘有灰塵，終日潔凈如新[3,4]，這也使作為北京奧運(yùn)標(biāo)志性建筑之一的‘水立方’可以時(shí)刻保持最好的姿態(tài)迎接國(guó)內(nèi)外朋友的到來(lái)。除了‘出淤泥而不染’這一優(yōu)點(diǎn)外，我還是節(jié)能保溫、質(zhì)量輕便、使用壽命較長(zhǎng)的代言人，我在奧運(yùn)建筑中的應(yīng)用，進(jìn)一步體現(xiàn)了中國(guó)‘綠色奧運(yùn)[3]’的時(shí)代主題。當(dāng)然，由于我本身的眾多魅力，在建筑、汽車(chē)、化工等領(lǐng)域，也都能尋見(jiàn)我的身影(表1)?！?/p>

表1 ETFE的用途及對(duì)性能的要求

2 PTFE推動(dòng)奧運(yùn)發(fā)展，振興中華

“Wow! It’s really great!”一席話過(guò)后，眾人連連稱(chēng)贊，皆投去了敬佩的目光，而此時(shí)2000年悉尼奧運(yùn)代表注意到坐在一旁的PTFE老師，連聲問(wèn)道：“誒，這位兄弟，我看您和ETFE老師的樣貌如此的相似，您該不會(huì)就是PTFE老師吧？早就聽(tīng)聞，ETFE和PTFE兩兄弟是建造水立方和鳥(niǎo)巢的領(lǐng)軍人物，更是2008年北京奧運(yùn)會(huì)成功的重要功臣，有勞二哥再給俺們分享點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)唄，小弟洗耳恭聽(tīng)?！?/p>

“各位過(guò)獎(jiǎng)了，既然如此，那就煩請(qǐng)大家再聽(tīng)小弟說(shuō)幾句。正如這位兄弟猜的那樣，我的確是ETFE的弟弟，我叫PTFE，全名是聚四氟乙烯(圖2a)，有這樣優(yōu)秀的哥哥在前面給我做榜樣，我當(dāng)然也要努力追趕、不能落后。我哥主要貢獻(xiàn)的領(lǐng)域是水立方的建造，而我主要參與的是鳥(niǎo)巢的建設(shè)。雖然我們是兄弟倆，但我們都有自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，這主要是由于氟原子體積比氫原子體積大，氟原子可在外層將整個(gè)碳鏈包圍住。由于F-C鍵長(zhǎng)較短，相鄰大分子的氟原子因帶負(fù)電荷而相互排斥，且未成鍵的原子間存在較大的范德華斥力，所以整個(gè)大分子鏈無(wú)法像碳?xì)浞肿渔溡粯映输忼X形排列，而是以拉長(zhǎng)的螺旋形排列[5](圖2b)，這樣使較大的氟原子緊密地堆砌在碳-碳鏈骨架周?chē)?，形成一個(gè)緊密的‘保護(hù)層’。與此同時(shí)，氟原子與骨架碳原子的連接和緊密堆砌使分子鏈產(chǎn)生很大剛性[5-7]，這也是我本身具有高強(qiáng)度的原因，同時(shí)這一優(yōu)勢(shì)恰好滿(mǎn)足了鳥(niǎo)巢本身對(duì)于材料剛性特點(diǎn)的嚴(yán)格需求?！?/p>

圖2 PTFE的分子結(jié)構(gòu)(a)及螺旋結(jié)構(gòu)(b)示意圖[5]

2022年北京冬奧代表緊接著說(shuō)道：“原來(lái)是這樣啊，沒(méi)想到這里面有這么大的學(xué)問(wèn)吶。哎，這一提起鳥(niǎo)巢來(lái)，又想起我的一樁傷心事，前段時(shí)間我最喜歡的一位中國(guó)明星——成龍，說(shuō)是在鳥(niǎo)巢開(kāi)演唱會(huì)，我本想來(lái)現(xiàn)場(chǎng)支持一下，再年輕一回追一把星，可誰(shuí)成想，連票都沒(méi)搶到，真是遺憾吶。但真令我沒(méi)想到的是這鳥(niǎo)巢不僅可以作為體育場(chǎng)館進(jìn)行競(jìng)技比賽，還可以成為休閑娛樂(lè)的絕佳場(chǎng)所，真是妙啊！”

“的確如此，鳥(niǎo)巢在這方面做到了資源的最大化利用，鳥(niǎo)巢屋頂鋼建造為雙層膜結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)環(huán)側(cè)壁是半透明的PTFE聲學(xué)吊頂，主要起到吸聲和吊頂裝飾的作用，保證整個(gè)鳥(niǎo)巢看臺(tái)空間的音響和裝飾效果，這也是后來(lái)眾多歌手選擇將演唱會(huì)地點(diǎn)設(shè)在鳥(niǎo)巢的重要原因，除此之外，由我所制成的膜材質(zhì)地較為輕薄，厚度大約為350 μm，等價(jià)于三張A4紙疊加在一起的厚度，吸聲率70%以上，防火等級(jí)B1級(jí)，同時(shí)使用壽命較長(zhǎng)，一般均在25年以上，具有高透光性、高強(qiáng)度、耐久性、防火性、耐腐蝕性、抗紫外線、自潔性等眾多優(yōu)點(diǎn)[8,9]，這些都是鳥(niǎo)巢取得最后成功的重要因素?！?008年北京奧運(yùn)代表PTFE認(rèn)真回答道。

“這可真是青出于藍(lán)而勝于藍(lán)啊，哥哥懂美學(xué)，弟弟兼?zhèn)湟魳?lè)細(xì)胞與美學(xué)天賦，不愧是‘TFE’家族的人，各個(gè)都是不一般的‘超人’?。　?012年倫敦奧運(yùn)代表連連點(diǎn)頭稱(chēng)贊道。

3 PVB相約北京冬奧，未來(lái)可期

聽(tīng)完ETFE和PTFE兩兄弟精彩絕倫的分享后，在場(chǎng)的各位代表仍沉浸其中，意猶未盡。

主持人：“感謝ETFE和PTFE兩位老師的精彩分享，其實(shí)今天到場(chǎng)的中國(guó)奧運(yùn)代表中還有一位，大家能猜出他是誰(shuí)嗎？沒(méi)錯(cuò)，他就是即將在‘雙奧之城’北京召開(kāi)冬季奧運(yùn)會(huì)的2022年北京冬奧代表，那咱們?cè)挷欢嗾f(shuō)，下面有請(qǐng)2022年北京冬奧代表做經(jīng)驗(yàn)交流，大家掌聲有請(qǐng)！”伴隨著一陣?yán)讋?dòng)的掌聲，大家一起將期待的目光投向來(lái)自中國(guó)的2022年北京冬奧代表。

聽(tīng)到這句話，2022年冬奧代表立馬直起身來(lái)，稍作整理自己的著裝后，站起鞠躬向大家表示敬意，隨即說(shuō)道：“技術(shù)經(jīng)驗(yàn)倒也談不上，只能說(shuō)是互相取長(zhǎng)補(bǔ)短吧，在場(chǎng)的各位都稱(chēng)得上是我的前輩，我還要向諸位多多學(xué)習(xí)。我叫PVB，全名是聚乙烯醇縮丁醛(圖3)，是由聚乙烯醇與丁醛在酸催化下縮合的產(chǎn)物，是作為曲面安全玻璃的理想材料。其中醇羥基結(jié)構(gòu)提供了很強(qiáng)的抗撕裂強(qiáng)度及與玻璃的良好粘結(jié)性，縮丁醛的六元環(huán)結(jié)構(gòu)提高了分子鏈的強(qiáng)度及非結(jié)晶性[10]，這些性質(zhì)使得‘冰絲帶’具備優(yōu)異的透光性及與玻璃粘性。雖然咱不如PTFE善歌，但是咱能跳舞呀。由于我的分子本身含有較長(zhǎng)支鏈，因此我具有良好的柔順性、高的抗沖擊性和拉伸強(qiáng)度。‘冰絲帶’建筑之所以外形優(yōu)美，靈動(dòng)飄逸，都得益于我‘身體柔軟’，可以彎曲成不同弧度獲得曲面玻璃，進(jìn)而滿(mǎn)足冰絲帶外形獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)理念?！?/p>

圖3 PVB的分子結(jié)構(gòu)示意圖[11]

“早有聽(tīng)聞這‘冰絲帶’建筑外形別出心裁，真想一睹真容?。∫贿€真是人生一大憾事吶，對(duì)了兄弟，咱這還有一個(gè)疑問(wèn)，不是兄弟我不相信你哈，你這做那么多高難度的動(dòng)作，彎曲成不同弧度的曲面玻璃，想必這安全性不大容易保證吧？”2012年倫敦奧運(yùn)代表以幽默的語(yǔ)氣問(wèn)道。

2022年北京冬奧代表聽(tīng)后，笑著搖了搖頭，緊接著回答道：“老兄您這回可真猜錯(cuò)嘍，咱可不是那種為了美奮不顧身的人，考慮到‘冰絲帶’建筑表面是由各種弧度不一的曲面玻璃拼接而成，操作難度高，自然是要著重考慮安全性問(wèn)題，畢竟做任何事情都得把安全放在第一位嘛。我所具備的高抗沖擊性可保證就算受到碰撞等外界因素的影響[12,13]，也不會(huì)產(chǎn)生安全隱患，進(jìn)一步確保了‘冰絲帶’在釋放魅力的時(shí)候，安全系數(shù)仍達(dá)到滿(mǎn)分，保證質(zhì)量杠杠滴!”

2012年倫敦奧運(yùn)代表一副豁然開(kāi)朗的樣子，連忙說(shuō)道：“原來(lái)是這樣啊，看來(lái)是小弟我目光短淺了，還請(qǐng)兄弟別見(jiàn)怪。我還聽(tīng)說(shuō)這冰絲帶不僅在白天看形狀飄逸，一到晚上更是美輪美奐，不會(huì)是兄弟還有自身發(fā)光的超能力吧？給哥幾個(gè)指點(diǎn)一二唄。”

2022年冬奧代表聽(tīng)到這句話，大笑了起來(lái)，隨后說(shuō)道：“哈哈哈，這可就是兄弟你抬舉我了，自身發(fā)光的超能力兄弟我確實(shí)是想有，但這個(gè)真沒(méi)有。冰絲帶在夜晚光彩照人，并不是因?yàn)槲冶旧聿牧习l(fā)光的特性，而是因?yàn)槲矣小孛芪淦鳌z帶在兩片玻璃膠合處的交縫上安裝了燈光照明的裝置，每隔一段距離就會(huì)排列上若干個(gè)小燈泡，通過(guò)彩釉膜的導(dǎo)光效果，把光導(dǎo)進(jìn)玻璃，使燈光呈現(xiàn)出特殊的柔和效果，整個(gè)‘冰絲帶’將成為一個(gè)發(fā)光的玻璃體，從而使冰絲帶在夜晚也能產(chǎn)生美輪美奐的視覺(jué)效果?！?/p>

一席話過(guò)后，眾人皆對(duì)2022年北京冬奧代表豎起大拇指，表示稱(chēng)贊和佩服。

“‘紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。’學(xué)術(shù)問(wèn)題我尚可能用蒼白的語(yǔ)言描述一番，但建筑本身的魅力是我難以用一言半語(yǔ)所描述的。2022年北京冬奧會(huì)將在不久后開(kāi)幕，歡迎大家到時(shí)候來(lái)到中國(guó)，參觀中國(guó)、游玩中國(guó)、品鑒中國(guó)，‘水立方’‘鳥(niǎo)巢’和‘冰絲帶’等一起看個(gè)夠！我請(qǐng)大家玩?zhèn)€夠！”

2022年北京冬奧代表的話音剛落，頃刻間，屋子里一改學(xué)術(shù)討論時(shí)的嚴(yán)肅作風(fēng)，氣氛頓時(shí)生動(dòng)活躍起來(lái)(圖4)。

圖4 ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奧運(yùn)奇遇記

“那咱可說(shuō)好嘍，到了中國(guó)，你可不許反悔耍賴(lài)！”

“對(duì)對(duì)對(duì)，我一定得找你去，想吃北京烤鴨，求安排?！?/p>

“一定一定，大丈夫一言既出，駟馬難追！禮儀之邦，待客之道一定安排得明明白白！”

“哈哈哈哈哈……”

在一片歡聲笑語(yǔ)過(guò)后，大家又開(kāi)始了新一輪的學(xué)術(shù)交流……