新型功能材料:ETFE膜和PTFE膜

good

ETFE 化学名称乙烯-四氟乙烯共聚物，是一种含氟高分子热塑型材料，是人工高强度氟聚合物，ETFE 膜材直接由材料成膜。ETFE膜材具有良好的耐久性、易洁性和稳定性，是一种典型的非织物类膜材，为目前国际上最先进的薄膜材料。国家体育场选用的是 0.25毫米厚、无色透明带印刷点的ETFE 膜材。PTFE化学名称聚四氟乙烯，是种化学惰性材料，是以玻璃纤维为基材形成PTFE膜材。PTFE也具有优良的耐久性、易洁性和稳定性。国家体育场选用的PTFE膜材根据位置的不同，为吊顶区域的吸声膜材和内环立面的防水膜材。经测试，ETFE膜材和PTFE膜材的防火性能均可达到B1级，为难燃材料。

1.PTFE 膜材的特点

（1）PTFE膜材的最大特点是强度高，中等强度的PTFE 膜厚度仅0.8mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平；而且弹性模量较低，有利于膜材形成复杂的曲面造型；

（2）使用温度范围广，能够在-70℃～230℃的温度范围内使用；

（3）具有独特的光学性能，白天入射光线成为自然温射光，防止眩目，无阴影，光线均匀分布；几乎没有紫外线透过，防止了内部装饰材料和设备的褪色；夜间高反射性能使得房间具有卓越的照明效果，减少电能消耗，而且可衬托出夜 空中建筑物的辉煌；

（4）自洁性好，雨水可冲刷掉表面的附着物；

（5）具有高透光率，透光率为13%，对热能反射率73%，热吸收量很少；

（6）使用寿命在25年以上。

2.ETFE 膜材的特点

        “ETFE”是英文Ethylene Tetra Fluoro Ethylene的缩写，中文名称为乙烯－四氟乙烯共聚物。ETFE膜材具有较高的抗拉强度、抗冲击强度及抗撕裂能力。ETFE膜材的厚度通常在 0.05～0.25mm。随着厚度的增加，膜材的硬度将增加，同时也更脆，增大了加工难度。ETFE材料的典型用法是，将两层或三层膜材“焊接”在一起，运送到工地。然后充气使它们膨胀成气枕。

（1）由氟塑料制造的，它也可和织物膜材一样施加预拉力；

（2）抗温度变化，能直接暴露于-200℃—150℃的温度中；

（3）ETFE 膜的透光率可高达95%。该材料不阻挡紫外线等光的透射，以保证建筑内部自然光线。通过表面印刷，该材料的半透明度可进一步降低到50%；

（4）特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点，通常雨水即可清除主要污垢；

（5）ETFE膜达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落。厚度通常为 0.05mm～0.25mm，且该膜质量很轻，每平方米只有0.15kg～0.35kg。这种特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势；

（6）ETFE膜完全为可再循环利用材料，可再次利用生产新的膜材料，或者分离杂质后生产其它ETFE产品；

（7）耐腐蚀特性，同时又有对金属特有的较强粘着特性，克服了聚四氟乙烯对金属的不粘合性缺陷，加之其平均线膨胀系数接近碳钢的线膨胀系数，使ETFE（F-40）成为和金属的理想复合材料，具有极优良的耐负压特性；

（8）ETFE膜使用寿命至少为25～35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料；

（9）通常以气垫的形式应用于建筑中，气垫的经济跨度一般在3~5 m。通过钢结构、铝合金结构或索网可以将多个气垫连接在一起组成大覆盖空间。就每一个气垫而言，都是一个充气结构；而就整个结构而言，每一个气垫单元又相当于围护结构。需要不断的监控和补充气压。
        相比来说，ETFE膜比PTFE膜具有更高的透光度和更好的抗化学能力，能抵抗多数的酸和碱；ETFE膜抗自然老化能力强并较好的加工性及机械性，由于ETFE膜是直接由塑料成膜，没有基材，所以其抗拉强度、抗撕裂强度不如PTFE 膜，而且一次性投资高，使用过程中维护费用高，对锐利的物体抵抗能力差。

3.膜材应用情况

        目前世界上有能力生产与加工ETFE膜材的厂家较少，仅德国、美国、日本等国少数几个公司可生产ETFE膜材，而具有ETFE膜材加工制作、安装能力的公司更少。ETFE膜材在国外已有20多年的应用历史。由于其极好的透光性能，特别适合建造需人工模拟自然环境的建筑如植物园以及运动场馆等。如荷兰Arnhiem动物园、英国的Hampshire网球与健身俱乐部、英国的伊甸园、德国的“Moby Dick”游泳池、瑞士苏黎世的Masoala雨林等建筑均采用ETFE膜。

        纤织物涂层PTFE建筑膜材是在20世纪70年代初期以美国杜邦、康宁玻纤公司为主的几家公司和设计单位联合开发研制的。1973年首次将这种建筑膜材应用于美国加利福尼亚大学拉维恩学院的学生活动中心的屋顶上。该建筑在使用了20多年后。经跟踪检测其PTFE建筑膜材质基本如初。

        目前，PTFE膜材应用范围已比较广泛，包括各类体育建筑、展览建筑、机场建筑及设施、海滨娱乐休闲建筑及设施等。国际顶级场馆有日本的东京穹顶、亚特兰大的佐治亚穹顶、英国的千年穹顶、韩国的汉城体育场等等。国内也在大量兴起：如上海八万人体育馆、上海F1赛车馆等。生产这种建筑膜材的国外厂家很多，如德国Mehler公司日本TaiyoKogyo公司、中兴化成工业株式会社、美国Chemfab公司，他们都有比较成熟的制备技术。目前国内公司也投入研制生产，但目前国内膜结构公司大多数都是高价从国外购买此种建筑膜材进行膜结构的建设。

        在我国，1997年之前，只建造了少量的小型与中型的膜结构，同年在上海举行的第七届全国运动会，PTFE膜结构被用在主体育场的看台挑篷，总面积达36100m2。这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上，具有深远的影响。自此以后，PTFE膜材在我国陆续有应用，如上海新国际展览中心、广州花都新国际机场候机厅，以及各地方大量新建的中小建筑中也在广泛的应用。鸟巢工程采用了53000m2的PTFE膜结构。由于受到技术水平的限制，ETFE膜材在我国的应用相对滞后很多，国家游泳中心“水立方”和国家体育场“鸟巢”使用ETFE膜结构建筑材料还是ETFE膜材在我国的首次大面积应用。

        总的来讲，膜结构及材料具有强大的生命力和市场，它将成为21世纪新型建筑工程材料、纺织服装面料和环保材料等新的经济增长点。目前，我国膜材的生产和应用还处于初级阶段。由于受到化工技术和机械、电子制造水平的限制，我们生产的品种还很少，产量也不大。国外许多国家生产的膜材品种多、技术含量高。国内现有的膜结构建筑用膜材绝大多数依赖进口。“水立方”所使用的建筑膜材料和技术则全部是引进国外的产品和施工设计。

        概括起来，我国与国外发达国家在新型膜材料的应用上的差距体现在：

1）缺少性能优异的膜材的生产技术

        膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用，因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。目前，我国只有少数厂家可以生产建筑用PTFE和ETFE膜材，而且其性能较国外产品还有较大差距。随着 PTFE和ETFE膜材在鸟巢和“水立方”工程中的应用，我国的膜材市场需求会不断扩大，这会激励我国的膜材生产企业加大投入，革新技术，促进膜材生产技术的快速发展。

2）缺少膜材加工及施工技术

        膜材加工及施工技术是制约我国膜材应用的又一瓶颈。现在，大面积应用膜材的工程中，基本都是采用国外的技术，我国还缺乏独立完成膜材设计和施工的经验。
        不过，ETFE膜材在“水立方”、和“鸟巢”工程中的应用促进了《国家游泳中心膜结构技术及施工质量验收标准》、《国家体育场ETFE膜结构施工质量验收标准》和《国家体育场PTFE膜结构施工质量验收标准》有关ETFE膜技术及施工的项目标准的出台，为今后我国提高膜材加工及施工技术打下了很好的基础。