水立方神奇充气膜--ETFT.docx

“水立方”神奇充气膜—ETFE

系（院）名称：土木与建筑工程学院
专业班级： 10 工程管理 1班
学生姓名：孙杨
学生学号：201004020072
课程名称： 土木工程材料
指导教师姓名： 阎 利
指导教师职称： 副教授

2011年9月20日

摘要 : “水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构———ETFE材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。据介绍,整个"水立方"外层采用了一种叫四氟乙烯的膜材料,整个结构数量达到了1437块。这种膜材料质地轻巧,但强度却超乎想象。ETFE充气膜结构是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式，具有重量轻、热工性能优异、采光性能好、综合性价比高等突出优势。这种建筑形式被广泛应用于公共建筑的屋面及墙的围护结构，尤其成为大跨度空间建筑的主要形式之一。
关键词：ETFE 膜材料 乙烯-四氟乙烯共聚物 透光率 材料性能

“水立方”神奇充气膜—ETFE

1 ETFE的物理性质
ETFE的中文名为乙烯-四氟乙烯共聚物，英文名称:Ethylene-terafluoroethlene，比重:1.7克/立方厘米 成型收缩率:3.1-7.7% 成型温度：300-330℃ 干燥条件：--。
1.1ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm，是一种透明膜材。ETFE膜材常做成气垫应用于膜结构中。最早的ETFE工程已有20余年的历史，而最著名的要数英国的伊甸园了。
1.2ETFE膜是透明建筑结构中品质优越的替代材料，多年来在许多工程中以其众多优点被证明为可信赖且经济实用的屋顶材料。该膜是由人工高强度氟聚合物（ETFE）制成，其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。
1.3ETFE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。该膜材料多用于跨距为4米的两层或三层充气支撑结构，也可根据特殊工程的几何和气候条件，增大膜跨距。膜长度以易安装为标准，一般为15-30米。小跨度的单层结构也可用较小规格。
1.4ETFE膜达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落。且该膜质量很轻，每平方米只有0.15-0.35公斤。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。
2 透光率及可回收性
根据位置和表面印刷的情况，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。
2.1通过表面印刷，该材料的半透明度可进一步降低到50%。根据几何条件及膜的层数，其K值可高达2.0W/m2K。耗能指数以一个三层印刷的膜为例可达到0.77。
2.2由于其优秀品质，ETFE膜几乎不需日常保养。可对其由于机械损坏的屋顶进行简单检查（一年一次为宜），并根据需要就地维修。同时也可检查通风系统，更换过滤装置。
2.3 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。ETFE与PVC，PTFE完全不同，就像大家了解的汽车一样，欧1到欧2比较容易，而欧2到欧3就完全不同了。这种膜材料制成的屋面和墙体质量轻，只有同等大小的玻璃质量的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200℃，并且不会自燃。
3 ETFE的性能
3.1力学性能
　它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯的1／5，这是全氟碳表面的重要特征
　3.2化学性能
耐化学腐蚀和耐候性 除熔融的碱金属外，几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g／100g）。聚四氟乙烯不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，所以具有优异的耐候性。
3.3电性能
在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。
3.4物料性能
3.4.1 长期使用温度-80--220度，有卓越的耐化学腐蚀性，对所有化学品都耐腐蚀，摩擦系数在塑料中最低，还有很好的电性能，其电绝缘性不受温度影响，有“塑料王”之称。　
3.4.2 其耐化学药品性与聚四氟乙烯相似，比偏氟乙烯好。　　3、其抗蠕变性和压缩强度均比聚四氟乙烯好，拉伸强度高，伸长率可达100-300％。介电性好，耐辐射性能优异。 1、适于制作耐腐蚀件，减磨耐磨件、密封件、绝缘件和医疗器械零件。　　2、电线、电缆绝缘层，防腐设备、密封材料、泵阀衬套，和化学容器。
3.5成型性能
3.5.1 结晶料,吸湿小。可采用通常得热塑性塑料得加工方法加工成制品。　　
3.5.2 流动性差，极易分解，分解时产生腐蚀气体。宜严格控制成型温度不要超过350度，模具应加热至100-150度，浇注系统对料流阻力应小。 可成型0.7-0.8毫米厚的薄壁简单制品。　　
3.5.3透明粒料，注塑、挤出成型。成型温度300-330度，350度以上容易引起变色或发生气泡。宜高速低压成型，并注意脱模会较困难。　　
3.6耐辐射性能
耐辐射性能较差（104拉德），受高能辐射后引起降解，高分子的电性能和力学性能均明显下降。
3.7聚合
工业上的聚合反应是在大量水存在下搅拌进行的，用以分散反应热，并便于控制温度。聚合一般在40～80℃，3～26千克力／厘米2压力下进行，可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂，也可以用氧化还原引发体系。每摩尔四氟乙烯聚合时放热171.38kJ。分散聚合须添加全氟型的表面活性剂，例如全氟辛酸或其盐类。
4 ETFE应用
　 采用压缩或挤出加工成型；也可制成水分散液，用于涂层、浸渍或制成纤维。聚四氟乙烯在原子能、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、食品等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料，绝缘材料，防粘涂层等。
5 ETFE膜材
5.1ETFE膜的出现为现代建筑提供了一个创新解决方案。由这种膜材料制成的屋面和墙体质量轻，只有同等大小的玻璃质量的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200℃，并且不会自燃。 
 5.2作为大型比赛场馆的建筑材料用ETFE膜，更大的优势还在于它们可以加工成任何尺寸和形状，满足大跨度的需求，节省了中间支承结构。作为一种充气后使用的材料，它可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源，同时起到保温隔热作用。 
5.3 ETFE膜是透明建筑结构中品质优越的替代材料，多年来在许多工程中以其众多优点被证明为可信赖且经济实用的屋顶材料。该膜是由人工高强度氟聚合物（ETFE）制成，其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。
5.4 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。该膜材料多用于跨距为4米的两层或三层充气支撑结构，也可根据特殊工程的几何和气候条件，增大膜跨距。膜长度以易安装为标准，一般为15-30米。小跨度的单层结构也可用较小规格。

结 论

ETFE充气膜结构的建筑设计综合考虑外观效果、热工性能、声学性能、采光性能等多方面因素，在“水立方”中这些因素被有机结合、紧密联系起来。ETFE膜材在世界上的应用已有二十几年的历史,但国内ETFE膜材的研究与工程应用至今仍属空白。
目前国内对ETFE这种新型薄膜材料的了解仅限于国外生产商提供的有关资料以及来自国外典型工程的直观感觉。
未来使用ETFE膜的建筑还包括运动场、休闲公园和巨大的室内亚马逊雨林，后者正在美国爱荷华州建造。但私人住宅使用ETFE膜的可能性不大。在未来，我们应当通过系统的理论分析、试验研究与应用研究,建立具有自主知识产权的ETFE薄膜材料成套应用技术,推动ETFE薄膜在国内的应用与发展。

参考文献
【1】 王双军.“水立方”ETFE充气膜结构技术[M].北京：化学工业出版社，2010,3.
【2】 苏达根.土木工程材料[M]北京：高等教育出版社，2008，1.