黃家潤 陳南梁 魏 賀

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.東華大學產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

玻纖布/PTFE建筑膜結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展*

黃家潤1，2陳南梁1，2魏 賀1，2

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.東華大學產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

介紹玻纖布/聚四氟乙烯(PTFE)建筑膜結(jié)構(gòu)材料(膜材)的國內(nèi)外發(fā)展狀況，分析膜材的生產(chǎn)工藝，并比較國內(nèi)外PTFE膜材的生產(chǎn)工藝;列舉PTFE膜材的性能特點及其應(yīng)用領(lǐng)域，指出PTFE膜材發(fā)展中存在的問題，為我國PTFE膜材的發(fā)展提供參考。

膜結(jié)構(gòu)，建筑材料，玻璃纖維，PTFE，生產(chǎn)工藝

隨著人們對建筑形式美觀、安全、節(jié)能等要求的提高，膜結(jié)構(gòu)材料(以下簡稱膜材)作為一種新型空間結(jié)構(gòu)材料，以其輕巧美觀、透光節(jié)能、安全耐用等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各項大型建筑工程中。建筑膜材被稱為是繼鋼鐵、水泥、木材和玻璃之后的第五種建筑材料，它不僅可應(yīng)用于原有建筑材料的應(yīng)用領(lǐng)域，而且在原有建筑材料應(yīng)用有困難的領(lǐng)域，如大跨度空間結(jié)構(gòu)上具有傳統(tǒng)建筑材料不可比擬的優(yōu)越性［1］。

建筑膜材是指以高強纖維織物為基布，經(jīng)過一定的后整理工藝，使表面涂覆高性能樹脂材料而形成的柔性復合材料［2］。目前最常用的建筑膜材主要有三種:①聚氯乙烯(PVC)建筑膜材，以高強滌綸織物為基布，表面涂覆PVC樹脂。為了改善其耐老化性和自潔性，對膜材進行表面物理化學改性處理或在PVC膜材表面涂覆PVDF、PVF面層等一系列各種類型的PVC膜材。②聚四氟乙烯(PTFE)膜材，以超細玻璃纖維織物為基布，表面涂覆PTFE樹脂。此膜材各方面性能較優(yōu)異，尤其是在耐老化和自潔性能上是PVC膜材無法比擬的。本文將重點討論此種膜材。③乙烯—四氟乙烯(ETFE)膜材，由乙烯—四氟乙烯共聚體直接制成，沒有織物增強基布。這是一種新型的可回收利用的綠色膜材，在環(huán)保方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢及良好的市場前景。

1 PTFE膜材的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外PTFE膜材的發(fā)展

膜材的開發(fā)與應(yīng)用起源于歐美國家，使膜材建筑風靡世界的是1970年日本大阪萬國博覽會上的美國館，它采用了PVC涂覆玻璃纖維布膜材，但其使用壽命較短。為了克服PVC建筑膜材耐老化性、自潔性較差等缺點，在福特基金會支持及蓋格公司領(lǐng)導下，美國的杜邦公司、康寧玻纖公司、貝爾德建筑公司、化纖織布公司共同開發(fā)了耐久性好、防污性強的PTFE膜材，使永久性大跨度建筑成為現(xiàn)實。1973年這種膜材應(yīng)用于美國拉維恩學院學生活動中心，20年后跟蹤檢測結(jié)果表明，這種膜材的力學性能及各項物理性能指標只下降了不到30%，這足以說明這種膜材在各項性能上的優(yōu)越性［3-4］。

PTFE膜材發(fā)展很大程度上取決于超細玻璃纖維及其織造加工等技術(shù)。玻璃纖維一般采用單絲直徑為4 μm左右的無堿玻璃纖維(E-玻纖)，由于玻璃纖維的耐磨性較差及伸長率小，在織造過程中，摩擦作用對玻璃纖維的強度等力學性能影響很大，達不到膜材基布的織造要求，因此選用了超細玻璃纖維布作為膜材基布。隨著加工及織造技術(shù)的發(fā)展，6 μm左右的玻璃纖維應(yīng)用在膜材上也較多，但在大跨度結(jié)構(gòu)方面，4 μm左右的玻璃纖維更加安全。國外的超細玻璃纖維工業(yè)及織造技術(shù)發(fā)展較早，產(chǎn)品性能較好，成本也較低，可以生產(chǎn)出滿足膜材要求的各種粗細的玻璃纖維布，織物幅寬可以超過4 m，能有效地減少膜材的拼接部分，提高膜結(jié)構(gòu)建筑的各項性能。

隨著各項技術(shù)的發(fā)展，國外PTFE膜材也逐漸走向多樣化、高性能化和智能化。目前國外較大的生產(chǎn)企業(yè)有美國的凱美(Chemfab)、泰康利(Taconic)公司，德國的米樂(Mehler)、杜肯(Duraskin)公司，法國的圣戈班(Saint-Gobain)公司，日本的太陽工業(yè)(TaiyoKogyo)公司［4］等。美國是最早開發(fā)PTFE膜材的國家，在玻璃纖維和膜材方面都有較大的優(yōu)勢，一直處于世界領(lǐng)先地位;德國的膜材開發(fā)也走在了世界前列，杜肯公司可生產(chǎn)出世界上最寬(4.7 m)的PTFE膜材，而且產(chǎn)品也多樣化;法國圣戈班公司是玻璃纖維及其制品生產(chǎn)的大型企業(yè)，在PTFE膜材開發(fā)方面有很大優(yōu)勢，是上海世博會世博軸PTFE膜材的供應(yīng)商;日本可以生產(chǎn)出世界上最細的玻璃纖維，由該纖維制成織物作為膜材的基布，可使膜材更有柔韌性，更加經(jīng)久耐用［5］。

1.2 國內(nèi)PTFE膜材的發(fā)展

膜結(jié)構(gòu)建筑在我國出現(xiàn)于1995年，真正形成規(guī)模是在1998年，比國外要晚30多年。然而，中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)模是十分鼓舞人心的，自1997年我國第一座PTFE膜材建筑——上海八萬人體育館建成以來，又興建了一系列永久性膜結(jié)構(gòu)建筑，尤其是為奧運會、世博會、亞運會興建了一批膜結(jié)構(gòu)建筑，如國家體育中心、世博軸等。我國的膜材需求量較大，使用膜材的增長速度超過6%［2］，但我國大型建筑上應(yīng)用的PTFE膜材都是進口的，工程成本很高。

國內(nèi)對膜材的研究起步較晚，進展也比較緩慢，主要是由于我國超細玻璃纖維工業(yè)的發(fā)展較慢，國內(nèi)僅有幾家公司能生產(chǎn)超細玻璃纖維，而且織造技術(shù)也相對落后。隨著電子級玻璃纖維的發(fā)展，重慶國際復合材料有限公司和南京玻璃纖維研究設(shè)計院都能生產(chǎn)出直徑為6 μm以下的玻璃纖維，使得國產(chǎn)PTFE膜材的開發(fā)有了一定進展。寧波天塔聚氟玻璃纖維有限公司和江蘇省泰興市維維高分子有限公司相繼投資PTFE膜材的開發(fā)和生產(chǎn)［4］。但國產(chǎn)膜材在各項性能方面與國外存在一定的差距，而且在寬幅膜材方面還沒有較大突破。隨著我國膜材需求的日益增長，迫切需要開發(fā)出國產(chǎn)PTFE膜材，以推動我國膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，降低國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)建筑造價。

2 PTFE膜材的生產(chǎn)工藝

2.1 PTFE膜材的工藝流程

基布織造流程及涂層流程如下:

(1)織造流程:玻璃纖維→并捻→整經(jīng)→織造→玻纖布。

(2)涂層流程:

2.2 國內(nèi)PTFE膜材生產(chǎn)工藝

膜材的發(fā)展伴隨著玻璃纖維工業(yè)和玻璃纖維織造技術(shù)的發(fā)展，而國內(nèi)超細玻纖的生產(chǎn)和織造技術(shù)發(fā)展相對比較緩慢，超細玻璃纖維的線密度和性能與國外相比都有一定的差距。因此，國內(nèi)公司根據(jù)國產(chǎn)玻璃纖維的特點采用了不同的工藝，這里以兩個專利來說明。

圖1 玻纖布浸漬示意圖

(1)為了提高膜材的抗拉強度，降低玻璃纖維織造過程中的損傷，采用改性玻璃纖維紗織造基布。先將玻璃纖維紗通過浸漬改性處理，干燥、燒結(jié)成改性玻璃纖維紗，再織成織物基布;然后用柔韌涂層劑按厚度要求進行多次反復涂覆處理，多次干燥、燒結(jié)制成建筑膜材［9］。但在生產(chǎn)寬幅織物時，經(jīng)改性后的玻璃纖維紗在織造過程中會出現(xiàn)布面不平整、卷曲穹邊等，造成織造困難。

(2)采用多次涂覆低溫處理及一次高溫快速燒結(jié)的方法，可減小高溫燒結(jié)處理引起的抗拉強度降低。但一次燒結(jié)不利于膜材涂層間的整體成型，內(nèi)外層樹脂有一定的差異［10］。

目前國內(nèi)生產(chǎn)PTFE膜材的企業(yè)很少，國內(nèi)大型膜結(jié)構(gòu)建筑尚未使用國產(chǎn)PTFE膜材。國產(chǎn)膜材與國外同類產(chǎn)品質(zhì)量還存在一定的差距，因此國產(chǎn)PTFE膜材生產(chǎn)技術(shù)尚需要進一步加強研究。

2.3 PTFE膜材生產(chǎn)關(guān)鍵因素

2.3.1 玻璃纖維原料

由于玻璃纖維的伸長率小且具有脆性，織造過程中很難達到基布的要求，所以應(yīng)選用超細玻璃纖維(4 μm)來織造基布，既能滿足布面要求，又能達到膜材的力學性能要求。以日本的B級紗(3.8 μm左右)及DE級紗(6 μm左右)為例，來說明超細玻璃纖維的優(yōu)勢。纖維的強度與直徑成反比，B級紗的拉伸強度為3.1 GPa，而DE級紗的拉伸強度為1.5 GPa，比B級紗下降了50%以上，而且彎曲強度也下降了30%［11］。因此，采用B級紗制成的膜材力學性能更好，使用更安全。

基于靈敏度分析的參數(shù)模型修正基本思路是通過構(gòu)造理論模型與實際結(jié)構(gòu)之間在相同條件下動態(tài)特性的誤差，然后選擇修正參數(shù)進行修正，以盡量縮小理論模型與實際結(jié)構(gòu)之間的誤差為目的，最終獲得一個較為精確的有限元模型。要實現(xiàn)此目標，首先初始模型需要建立得盡量準確，避免結(jié)構(gòu)上的誤差；其次要設(shè)法提高試驗數(shù)據(jù)的精度；同時要開發(fā)穩(wěn)定高效的修正算法。目前，使用較多的算法是二次規(guī)劃優(yōu)化算法，其在仿真算例的應(yīng)用中，收斂速度快、修正效率高、修正結(jié)果準確可信。但在解決工程實際問題時，由于目標函數(shù)的構(gòu)建問題，無法得到一個較為準確的有限元模型。

2.3.2 玻璃纖維基布及其織造

在膜材的浸漬和燒結(jié)工藝中，對玻纖基布的要求較高，尤其是基布的平整度和表面張力均勻性對膜材的平整和性能影響較大。一般基布要求表面平整、張力均勻，無紗線接頭和斷紗、無油污等缺陷［6］?；家话悴捎脵C織平紋或巴拿馬結(jié)構(gòu)，經(jīng)緯紗密度一般控制在13根/cm以內(nèi)。

整經(jīng)工藝是關(guān)鍵技術(shù)，一般采用分批整經(jīng)再并軸或者一次整經(jīng)。在寬幅織物織造時，一般采用分批整經(jīng)再并軸工藝，這種工藝在電子級玻纖布廠家應(yīng)用較廣泛;在窄幅織物織造時，采用一次整經(jīng)能更好地保證織物的平整度，但存在換品種不方便、生產(chǎn)效率較低等問題。織造一般采用劍桿織機，剛性伸縮劍桿織機更好，對經(jīng)紗無磨損，有利于玻纖基布的織造［12］。

2.3.3 浸漬涂層過程

浸漬涂層過程中的關(guān)鍵因素包括PTFE分散液的濃度，干燥、烘焙、燒結(jié)溫度和速度。分散液的濃度直接影響膜材厚度、樹脂含量和平整度等。濃度越高，浸漬后樹脂的厚度越大，但每次浸漬厚度不能過大，一般多次浸漬過程中，分散液濃度逐漸增加。此外，分散液中柔軟劑、表面活性劑等助劑的應(yīng)用也很重要［6］。一般在三區(qū)垂直烘箱內(nèi)對樹脂進行干燥、烘焙和燒結(jié)處理，烘箱內(nèi)溫度是連續(xù)漸變的，分為三個主要溫度區(qū):干燥區(qū)干燥浸漬后的玻纖布，除去分散液中的水分，一般在80～100℃，溫度過高可能會產(chǎn)生氣泡或流痕;烘焙區(qū)除去布面上殘留的水分及表面活性劑等，一般在260～290℃，溫度過低可能使布面發(fā)黏等;燒結(jié)區(qū)高溫使樹脂熔融，消除界面，使其與玻纖布具有更好的黏結(jié)力，從而使膜材塑化，溫度一般在380～400℃。浸漬槽溫度一般為室溫(20～25℃)［7］。速度直接影響產(chǎn)品的干燥燒結(jié)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，速度過快，影響浸漬樹脂量以及干燥、燒結(jié)的效果等;速度過慢，則影響生產(chǎn)效益，不利于降低成本。

3 PTFE膜材的性能與特點

一般涂層織物中，內(nèi)層的增強基布決定膜材的力學性能，外層的涂層材料決定膜材的物理特性［1］。PTFE膜材既能充分發(fā)揮玻璃纖維高強等力學性能方面的優(yōu)勢，又能發(fā)揮聚四氟乙烯耐老化、自潔性等物理特性的優(yōu)勢。表1為PTFE膜材與PVC膜材各種性能的比較。

表1 PTFE膜材與PVC膜材性能比較［8］

3.1 良好的力學性能

玻璃纖維具有抗拉強度高、伸長率小等特性，使膜材具有良好的抗拉強度和抗撕裂強度，而且在長期載荷下也不會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛或蠕變。一般中等強度的PTFE膜材，其厚度不到1 mm，面密度1 kg/m2左右，其抗拉強度已達到鋼材的水平［13-14］。燒結(jié)工藝使玻纖布和PTFE樹脂結(jié)合良好，剝離強度很高，幾乎無法剝離開來。

3.2 良好的耐候性

耐候性主要表現(xiàn)在耐老化性和自潔性方面。由于聚四氟乙烯具有惰性、低摩擦不黏性等特性，幾乎不受任何化學物質(zhì)侵蝕，所以PTFE膜材在抗紫外線輻射、酸雨侵蝕、微生物破壞等方面具有明顯的優(yōu)勢，其耐老化性能是PVC膜材不可比擬的［15］。在自潔性方面，膜材幾乎不與任何物質(zhì)黏合，即使有少量灰塵等污染，經(jīng)過雨水沖洗，即可達到自然清洗干凈。因此，PTFE膜材適合做永久性膜材，其壽命可達30 a以上。

3.3 良好的阻燃防火性能

PTFE具有優(yōu)良的耐高溫性，在240～260℃之間可連續(xù)使用，具有顯著的熱穩(wěn)定性，玻璃纖維也不易燃，因此膜材具有的阻燃防火性能均能達到各國建筑材料防火要求。同時PTFE膜材還能耐低溫，可在－180～260℃條件下長期使用［13］。

3.4 透光節(jié)能性

PTFE膜材對太陽光的透射率為12% ～21%，一般與膜材的厚度和重量有關(guān)，因此膜材具有良好的透光性。透射光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生均勻的漫射光，自然柔和，白天不用照明，可以節(jié)約能源，夜間在逆光照射和內(nèi)部照明下外表發(fā)光，使建筑物的外形顯現(xiàn)出夢幻般的效果［13-14］。

3.5 吸聲隔聲性能

由于玻璃纖維織物具有吸聲隔聲性能，PTFE膜材一般對500～2 000 Hz音頻有良好的反射性，能吸收一些低頻音律;而對于中高頻音律吸收有限，但配合其他吸聲材料，具有良好的吸聲隔聲效果。

4 PTFE膜材的應(yīng)用

PTFE膜材作為永久性膜材，具有造型輕巧自由、透光節(jié)能、安全性好、使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種大型建筑中。主要分為外膜用和內(nèi)膜用，其在性能上有較大差別。

4.1 外膜用PTFE膜材

外膜用PTFE膜材一般主要作為屋頂材料、頂篷材料及外用裝飾等。作為屋頂材料一般應(yīng)用于體育場館、展覽館、機場大廳、購物中心、娛樂中心等大型公共設(shè)施。如英國泰晤士河畔的千年穹頂，膜材覆蓋面積超過18萬m2，堪稱單體膜結(jié)構(gòu)面積之最;沙特阿拉伯吉達機場候機大廳的懸掛膜結(jié)構(gòu)，占地42萬m2;我國上海八萬人體育館，覆蓋面積為3.6萬m2，是我國首次將膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大型建筑，影響深遠。作為頂篷材料一般應(yīng)用于廣場、公園綠地小品、游樂園、車站等設(shè)施。作為外用裝飾主要是利用膜材的藝術(shù)性及可塑造性，如上海世博園世博軸，世博軸的索膜結(jié)構(gòu)是迄今為止世界上規(guī)模最大的連續(xù)張拉索膜結(jié)構(gòu)，每片膜單片面積為1 800 m2，總展開面積達7萬m2，錯落有致分布的6個極為吸引眼球的倒錐形體，是世博園一道亮麗的風景線。

4.2 內(nèi)膜用PTFE膜材

內(nèi)膜用PTFE膜材主要作為吸聲隔聲材料，其在力學性能等方面的要求比外膜低。最典型的工程是國家體育場奧運會主會場鳥巢，采用的PTFE+ETFE結(jié)構(gòu)，上層為ETFE膜結(jié)構(gòu)，起防雨雪作用;下層為53 000 m2的PTFE膜結(jié)構(gòu)，主要起吸聲吊頂作用，通過PTFE膜結(jié)構(gòu)吸聲，能保證體育場內(nèi)的聲音清晰。

5 問題與展望

建筑膜材作為一個新興產(chǎn)業(yè)，有著強大的優(yōu)勢和廣闊的市場前景，但其發(fā)展中也存在一些問題:①PTFE膜材的柔韌性有待提高，由于玻璃纖維的脆性及彎曲性能較差，使PTFE膜材在彎折過程中產(chǎn)品的強度及其他力學性能降低較多，在加工、運輸、施工等過程中帶來不便，因此PTFE膜材一般采用卷裝形式。應(yīng)加強玻璃纖維原絲、加工技術(shù)及涂層技術(shù)的深入研究，改善PTFE膜材的柔韌性，使其便于加工及安裝。②PTFE膜材的成本較高，包括原材料生產(chǎn)、運輸、施工及維護成本等。超細玻璃纖維原料及其加工成本較高，由于膜材的柔韌性較差，其運輸、施工比較困難，也導致成本升高。加強PTFE膜材原材料及生產(chǎn)方面的研究，加強技術(shù)創(chuàng)新，在不斷提高膜材各項性能的同時降低成本，使其在性能、造價方面有強大的市場競爭力。③PTFE膜材的回用與環(huán)保問題。新型ETFE膜材由于沒有織物增強，將其熱熔成顆粒后可以回收再利用，是一種環(huán)保材料;而PTFE膜材具有玻纖布增強，如何將基體與增強體分離或者一起回收利用，是個亟待解決的環(huán)保問題。

我國對PTFE膜材的研究起步較晚，研究也較少，只有少數(shù)幾家公司做相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。而在寬幅PTFE膜材方面進展較小，做出的產(chǎn)品與國外產(chǎn)品相比也有一定的差距。此外，國內(nèi)在膜材技術(shù)、測試標準和規(guī)范方面尤為欠缺，PTFE膜材在國內(nèi)雖然使用較多，但都是參考國外相關(guān)標準或借用相似行業(yè)標準，這嚴重影響了我國PTFE膜材的開發(fā)與發(fā)展。因此，迫切需要我國相關(guān)部門組織人員對膜材進行深入研究，制定出我國的行業(yè)或國家標準，這對我國的膜材發(fā)展具有重要意義。

隨著我國對PTFE膜材需求量的日益增加，國家已經(jīng)將PTFE膜材的生產(chǎn)納入國家科研開發(fā)項目，希望通過自主開發(fā)與國外引進設(shè)備相結(jié)合的方法，研制出性能優(yōu)異的國產(chǎn)PTFE膜材，以滿足國內(nèi)需要。相信通過幾年的開發(fā)研究，我們一定能打破國外的技術(shù)封鎖，使國產(chǎn)PTFE膜材趕上甚至超過國際先進水平，既能滿足國內(nèi)的需求，也為世界膜材發(fā)展添光彩。

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The fiberglass fabric/PTFE architectural membrane structure materials

Huang Jiarun1，2，Chen Nanliang1，2，Wei He1，2
(1.College of Textiles，Donghua University;2.Engineering Research Center of Textile Technical of Education Ministry，Donghua University)

The development at home and abroad of the fiberglass fabric/PTFE architectural membrane structure materials was introduced.Meanwhile，the foreign production process of the membrane structure materials was analyzed and compared with the domestic one.The properties，characteristics and widely application of PTFE membrane materials were also enumerated.Some key problems，affecting the development of PTFE membrane materials，were pointed out，which would be helpful to domestic development of PTFE membrane material.

membrane structure，architectural material，fiberglass，PTFE，production process

TU532.2

A

1004－7093(2011)08－0006－05

*國家科技支撐計劃項目(2011BAE10B02)

2011－03－07

黃家潤，男，1986年生，在讀碩士研究生。主要從事玻璃纖維膜材料開發(fā)及性能研究。

陳南梁，E-mail:nlch@dhu.edu.cn