建築膜材

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”。

基本介紹

• 中文名：建築膜材
• 外文名：特點
• 別稱：第五代建材
• 特點：剛性梁、柱、柔性索
• 套用範圍：大型公共設施

簡介

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併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。

膜結構是一種全新的建築結構形式，它集建築學、結構力學、精細化工與材料科學.計算機技術等為一體，具有很高技術含量。其曲面可以隨著建築師的設計需要任意變化，結合整體環境，建築出標誌性的形象工程。在陽光的照射下，由膜覆蓋的建築物內部充滿自然漫射光，無強反差的著光面與陰影的區分，室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚，建築物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空，建築物的體形顯現出夢幻般的效果。

它的作用等同於傳統的剛性結構中的混凝土、鋼筋等材料。早期的膜結構由於膜材開發的緩慢，一直處於停滯狀態。直到現代，由於科學技術的發展，新材料的出現，特別是20世紀七十年代後，美國杜邦公司開發出以聚四氟乙烯為塗層(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H．Berger設計的美國館採用氣承式膜結構，首次以聚氯乙稀(PVC)為塗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。

PTFE建築膜材的最大特點是：重量輕、強度高、防火難燃、自潔性好，不受紫外線影響、抗疲勞、 耐扭曲、耐老化、使用壽命長。具有高透光率，熱吸收量很少。正是因為這種跨時代的膜材料的發明，使膜結構建築成為現代化的永久性建築。

建築膜材廣泛套用於大型公共設施：體育場館的屋頂系統、機場大廳、展覽中心、站台、景觀亭蓬等。除此之外，因為建築膜材的的防火性好，強度高，也被作為各大品牌建築膜的基材部分，包括龍膜、量子、貝塔爾、陝西大師、3M等等。

膜材料組成

膜材一般由膜材的基質及高分子聚合物組成，即高分子聚合物塗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，塗層主要保證膜材的密實性；惰性材料塗層保證膜材的自潔性。

(1)聚合物又稱高聚物(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，它們不斷重複連結，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：

①聚酯長絲(滌綸PET)：滌綸的合成原料是乙二醇和對苯二甲酸。在這裡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150～175℃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，可製得熔點較低，較柔軟的滌綸聚酯。

②玻璃纖維：玻璃是一種非晶體，沒有固定的熔點。將玻璃加熱熔融並拉成絲，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，屬於脆性材料；具有良好的耐熱性，一般在300℃以下可保持性能不變；具有良好的電絕緣性。

產品性能

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。

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。

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於鋼材的一半。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，這有利於膜材形成複雜的曲面造型。其極輕的自重很好的滿足了大跨建築的要求，能在很大程度上降低大跨建築的總造價。

聲學性能

一般膜結構對於低於60Hz的低頻幾乎是透明的，對於有特殊吸音要求的結構可以採用具有FABRASORB裝置的膜結構，這種組合比玻璃具有更強的吸音效果。

防火性能

當前廣泛使用的膜材料防火等級為Bl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。

保溫性能

單層膜材料的保溫性能與磚牆相同，優於玻璃。同其它材料的建築物一樣，膜建築內部也可以採用其它方式調節其內部溫度。例如：內部加掛保溫層，運用空調採暖設備等。

使用壽命

當前採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。

SOLUS™膜材

SOLUS是美國TACONIC公司建材纖維織布部門(AFD)的一個建築織布品牌。他屬於PTFE膜材料，SOLUS產品是在極細的玻璃纖維（3微米）編織成的基布上塗上PTFE（聚四氟乙烯）樹脂而形成的複合材料。 SOLUS具有的強度高、耐久性好、防火難燃、自潔性好，而且不受紫外光的影響，其使用壽命在年以上。

SOLES良好的太陽光透光率和反射率，使其在膜結構建築套用越來越廣泛。

多層結構的Solus建材織布具有下列特性:

重量輕	它的重量只是傳統建築材料的一小部分
強度高	玻璃纖維是紡織布料中強度最高的，它甚至比同一直徑的鋼絲還要牢固
柔韌性	不同與大多數固體建築材料， 柔軟的Solus產品可被拉伸成各種動態的弧線形狀
透光性	通過內外表面的均勻透光，就形成了柔和的散射光線
低維護	在織布使用期限內，只需做極少量的清潔工作。因為織布表面的不粘性強，同時又是繃緊的， 所以雨水會把塵土沖洗掉
表面完全惰性化	惡劣的環境，如黴菌，酸雨等將不對織布表面起作用
可焊接性	每個織布構架將被焊接起來成為一體的大頂棚。焊縫的強度會大於織布本身
使用期限長	在其使用期內，PTFE 塗層的玻璃織布幾乎無退化。當前， Solus織布估計可使用至少25年
防火性能	Solus織布取得A級防火評估，同時它依然保持很強的透光性

外層塗層: 織布最外層塗有一FEP層。作用是增強抗滲透性能,防黴菌,和提高可焊接性

PTFE + 填充劑　每一張PTFE + 填充劑 層包括了數道PTFE分散質塗層。PTFE具有卓越的特性,譬如它能抵抗大都數強化學品,非常低的摩擦係數,不沾,不燃,極好的絕緣性能,抵禦老化,無毒,防UV, 防潮 … 這幾層PTFE塗層能使其免受周邊環境的影響而降低性能。在PTFE中添加不同的填充劑可以取得一些其他特性如增強耐磨性,透光度,和著色

基層塗層　基層塗層是合成結構的關鍵部分。它既是基層,又為接下來的玻璃織布上膠打下了基礎。基層塗層決定了塗層後產品的柔韌性。專門的配方可獲得一些特殊的性能

玻璃織布:　玻璃織布是合成材料的骨架, 它決定了塗層後產品的機械性能。玻璃織布有其特性:

抗張強度大:　玻璃纖維是紡織布料中最牢固的,它甚至比同一直徑的鋼絲有更高的抗張強度。

尺寸穩定: 　加力後纖維延伸率低,通常小於3%。其玻璃纖維在各種條件下有極好的尺寸穩定性。

耐高溫能力強: 　雖然成本相對較低,但玻璃織布有傑出的耐熱性。在700°F (371°C)條件下能維持約50%的室溫下抗張強度; 在900°F (482°C)時還有約25%的室溫下抗張強度。玻璃纖維的軟化溫度是1555°F (846°C),溶點是2075°F(1121°C)。

防火性能好: 　玻纖織布是於無機材料合成的,所以本身不燃燒。當大家關注材料燃燒性時,玻璃織布是理所當然的選擇。

抵抗其它化學品的作用: 同玻璃本身一樣,玻璃纖維具有極強的抗化學物質侵襲的能力。 　經久耐用: 因其表面完全惰性化,玻璃織布不受日照,黴菌和細菌的攻擊。

膜材分類

膜材分類

當前建築膜材廣泛認可的標準是日本JISA-93所規定的A、B、C三類，是根據其防火性能的優劣來劃分的。

A類

A類最好，以玻璃纖維織物為基材塗PTFE而成；

B類

B類次之，以玻璃纖維織物為基材塗PVC而成；

C類

C類是三類中最次的，以聚酯（滌綸）織物為基材塗PVC而成。按塗層材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、橡膠等。

PTFE建築膜材

PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上塗以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建築膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難，成本也十分驚人。在蓋格公司領導下，美國的杜邦公司、康寧玻纖公司、貝爾德建築公司、化纖織布公司共同開發永久性膜材。其加工方法是把玻纖織物多次快速放入特氟隆熔體中，使織物兩面皆有均勻的特氟隆，使永久性的PTFE膜正式誕生。此後永久性膜結構正式在美國風行，許多學者對膜結構進行了深入的研究。20年後跟蹤檢測結果表明，這種膜材的力學性能與化學穩定性指標只下降了20%~30%，顏色也幾乎沒變，膜的表層光滑，具有彈性，大氣中的灰塵、化學物質微粒極難附著與滲透，經雨水沖刷建築膜可恢復其原有的清潔面層與透光性，這足以顯示出PTFE膜材的強大生命力和廣闊的市場前景。 當前國外對這種膜材的開發和套用比較成熟，生產廠家也很多，如德國Mehler公司、Verseidag公司，日本Taiyoko-gyo公司、中興化成工業株式會社、美國Chemfab公司、沙烏地阿拉伯ObeiKan公司等。

玻纖PVC建築膜材

這種膜材開發和套用得比較早，通常規定PVC塗層在玻璃纖維織物經緯線交點上的厚度不能少於0.2mm，一般塗層不會太厚，達到使用要求即可。為提高PVC本身耐老化性能，塗層時常常加入一些光、熱穩定劑，淺色透明產品宜加一定量的紫外吸收劑，深色產品常加炭黑做穩定劑。另外對PVC的表面處理還有很多方法，可在PVC上層壓一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧，用雲母或石英來防止表面發粘和沾污。

玻纖有機矽樹脂建築膜材

有機矽樹脂具有優異的耐高低溫、拒水、抗氧化等特點，該膜材具有高的抗拉強度和彈性模量，另外還具有良好的透光性。美國歐文斯克寧公司開發的Vestar膜材就採用這種樹脂對玻璃纖維布塗覆而製成的，如今這種膜材套用的不多，生產廠家也較少。

玻纖合成橡膠建築膜材

合成橡膠（如丁腈橡膠，氯丁橡膠）韌性好，對陽光、臭氧、熱老化穩定，具有突出的耐磨損性、耐化學性和阻燃性，可達到半透明狀態，但由於容易發黃，故一般用於深色塗層。膨化PTFE建築膜材。由膨化PTFE纖維織成的基布兩面貼上氟樹脂薄膜即得膨化PTFE建築膜材。由於它的造價太高，一般的建築考慮到成本和性能兩方面，很少選用這種膜材，當前國外的生產廠家也不多。

ETFE建築膜材

由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接製成。ETFE不僅具有優良的抗衝擊性能、電性能、熱穩定性和耐化學腐蝕性，而且機械強度高，加工性能好。近幾年來，ETFE膜材的套用在很多方面可以取代其他產品而表現出強大的優勢和市場前景。這種膜材透光性特別好，號稱“軟玻璃”，質量輕，只有同等大小玻璃的1%；韌性好、抗拉強度高、不易被撕裂，延展性大於400%；耐候性和耐化學腐蝕性強，熔融溫度高達200℃；可有效的利用自然光，節約能源；良好的聲學性能。自清潔功能使表面不易沾污，且雨水沖刷即可帶走沾污的少量污物，清潔周期大約為5年。另外，ETFE膜可在現成預製成薄膜氣泡，方便施工和維修。ETFE也有不足，如外界環境容易損壞材料而造成漏氣，維護費用高等，但是隨著大型體育館、遊客場所、候機大廳等的建設，ETFE更突顯自己的優勢。當前生產這種膜材的公司很少，只有ASAHIGLASS（AGC）、日本旭硝子、德國科威爾等少數幾家公司可以提供ETFE膜材，這種膜材的研發和套用在國外已開發國家也不過十幾年的歷史。