玻纤布/PTFE建筑膜结构材料的发展*

黄家润 陈南梁 魏 贺

(1.东华大学纺织学院，上海，201620;2.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620)

玻纤布/PTFE建筑膜结构材料的发展*

黄家润1，2陈南梁1，2魏 贺1，2

(1.东华大学纺织学院，上海，201620;2.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620)

介绍玻纤布/聚四氟乙烯(PTFE)建筑膜结构材料(膜材)的国内外发展状况，分析膜材的生产工艺，并比较国内外PTFE膜材的生产工艺;列举PTFE膜材的性能特点及其应用领域，指出PTFE膜材发展中存在的问题，为我国PTFE膜材的发展提供参考。

膜结构，建筑材料，玻璃纤维，PTFE，生产工艺

随着人们对建筑形式美观、安全、节能等要求的提高，膜结构材料(以下简称膜材)作为一种新型空间结构材料，以其轻巧美观、透光节能、安全耐用等优点，被广泛应用于各项大型建筑工程中。建筑膜材被称为是继钢铁、水泥、木材和玻璃之后的第五种建筑材料，它不仅可应用于原有建筑材料的应用领域，而且在原有建筑材料应用有困难的领域，如大跨度空间结构上具有传统建筑材料不可比拟的优越性［1］。

建筑膜材是指以高强纤维织物为基布，经过一定的后整理工艺，使表面涂覆高性能树脂材料而形成的柔性复合材料［2］。目前最常用的建筑膜材主要有三种:①聚氯乙烯(PVC)建筑膜材，以高强涤纶织物为基布，表面涂覆PVC树脂。为了改善其耐老化性和自洁性，对膜材进行表面物理化学改性处理或在PVC膜材表面涂覆PVDF、PVF面层等一系列各种类型的PVC膜材。②聚四氟乙烯(PTFE)膜材，以超细玻璃纤维织物为基布，表面涂覆PTFE树脂。此膜材各方面性能较优异，尤其是在耐老化和自洁性能上是PVC膜材无法比拟的。本文将重点讨论此种膜材。③乙烯—四氟乙烯(ETFE)膜材，由乙烯—四氟乙烯共聚体直接制成，没有织物增强基布。这是一种新型的可回收利用的绿色膜材，在环保方面表现出较大的优势及良好的市场前景。

1 PTFE膜材的发展现状

1.1 国外PTFE膜材的发展

膜材的开发与应用起源于欧美国家，使膜材建筑风靡世界的是1970年日本大阪万国博览会上的美国馆，它采用了PVC涂覆玻璃纤维布膜材，但其使用寿命较短。为了克服PVC建筑膜材耐老化性、自洁性较差等缺点，在福特基金会支持及盖格公司领导下，美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同开发了耐久性好、防污性强的PTFE膜材，使永久性大跨度建筑成为现实。1973年这种膜材应用于美国拉维恩学院学生活动中心，20年后跟踪检测结果表明，这种膜材的力学性能及各项物理性能指标只下降了不到30%，这足以说明这种膜材在各项性能上的优越性［3-4］。

PTFE膜材发展很大程度上取决于超细玻璃纤维及其织造加工等技术。玻璃纤维一般采用单丝直径为4 μm左右的无碱玻璃纤维(E-玻纤)，由于玻璃纤维的耐磨性较差及伸长率小，在织造过程中，摩擦作用对玻璃纤维的强度等力学性能影响很大，达不到膜材基布的织造要求，因此选用了超细玻璃纤维布作为膜材基布。随着加工及织造技术的发展，6 μm左右的玻璃纤维应用在膜材上也较多，但在大跨度结构方面，4 μm左右的玻璃纤维更加安全。国外的超细玻璃纤维工业及织造技术发展较早，产品性能较好，成本也较低，可以生产出满足膜材要求的各种粗细的玻璃纤维布，织物幅宽可以超过4 m，能有效地减少膜材的拼接部分，提高膜结构建筑的各项性能。

随着各项技术的发展，国外PTFE膜材也逐渐走向多样化、高性能化和智能化。目前国外较大的生产企业有美国的凯美(Chemfab)、泰康利(Taconic)公司，德国的米乐(Mehler)、杜肯(Duraskin)公司，法国的圣戈班(Saint-Gobain)公司，日本的太阳工业(TaiyoKogyo)公司［4］等。美国是最早开发PTFE膜材的国家，在玻璃纤维和膜材方面都有较大的优势，一直处于世界领先地位;德国的膜材开发也走在了世界前列，杜肯公司可生产出世界上最宽(4.7 m)的PTFE膜材，而且产品也多样化;法国圣戈班公司是玻璃纤维及其制品生产的大型企业，在PTFE膜材开发方面有很大优势，是上海世博会世博轴PTFE膜材的供应商;日本可以生产出世界上最细的玻璃纤维，由该纤维制成织物作为膜材的基布，可使膜材更有柔韧性，更加经久耐用［5］。

1.2 国内PTFE膜材的发展

膜结构建筑在我国出现于1995年，真正形成规模是在1998年，比国外要晚30多年。然而，中国膜结构的发展规模是十分鼓舞人心的，自1997年我国第一座PTFE膜材建筑——上海八万人体育馆建成以来，又兴建了一系列永久性膜结构建筑，尤其是为奥运会、世博会、亚运会兴建了一批膜结构建筑，如国家体育中心、世博轴等。我国的膜材需求量较大，使用膜材的增长速度超过6%［2］，但我国大型建筑上应用的PTFE膜材都是进口的，工程成本很高。

国内对膜材的研究起步较晚，进展也比较缓慢，主要是由于我国超细玻璃纤维工业的发展较慢，国内仅有几家公司能生产超细玻璃纤维，而且织造技术也相对落后。随着电子级玻璃纤维的发展，重庆国际复合材料有限公司和南京玻璃纤维研究设计院都能生产出直径为6 μm以下的玻璃纤维，使得国产PTFE膜材的开发有了一定进展。宁波天塔聚氟玻璃纤维有限公司和江苏省泰兴市维维高分子有限公司相继投资PTFE膜材的开发和生产［4］。但国产膜材在各项性能方面与国外存在一定的差距，而且在宽幅膜材方面还没有较大突破。随着我国膜材需求的日益增长，迫切需要开发出国产PTFE膜材，以推动我国膜结构建筑的发展，降低国内膜结构建筑造价。

2 PTFE膜材的生产工艺

2.1 PTFE膜材的工艺流程

基布织造流程及涂层流程如下:

(1)织造流程:玻璃纤维→并捻→整经→织造→玻纤布。

(2)涂层流程:

2.2 国内PTFE膜材生产工艺

膜材的发展伴随着玻璃纤维工业和玻璃纤维织造技术的发展，而国内超细玻纤的生产和织造技术发展相对比较缓慢，超细玻璃纤维的线密度和性能与国外相比都有一定的差距。因此，国内公司根据国产玻璃纤维的特点采用了不同的工艺，这里以两个专利来说明。

图1 玻纤布浸渍示意图

(1)为了提高膜材的抗拉强度，降低玻璃纤维织造过程中的损伤，采用改性玻璃纤维纱织造基布。先将玻璃纤维纱通过浸渍改性处理，干燥、烧结成改性玻璃纤维纱，再织成织物基布;然后用柔韧涂层剂按厚度要求进行多次反复涂覆处理，多次干燥、烧结制成建筑膜材［9］。但在生产宽幅织物时，经改性后的玻璃纤维纱在织造过程中会出现布面不平整、卷曲穹边等，造成织造困难。

(2)采用多次涂覆低温处理及一次高温快速烧结的方法，可减小高温烧结处理引起的抗拉强度降低。但一次烧结不利于膜材涂层间的整体成型，内外层树脂有一定的差异［10］。

目前国内生产PTFE膜材的企业很少，国内大型膜结构建筑尚未使用国产PTFE膜材。国产膜材与国外同类产品质量还存在一定的差距，因此国产PTFE膜材生产技术尚需要进一步加强研究。

2.3 PTFE膜材生产关键因素

2.3.1 玻璃纤维原料

由于玻璃纤维的伸长率小且具有脆性，织造过程中很难达到基布的要求，所以应选用超细玻璃纤维(4 μm)来织造基布，既能满足布面要求，又能达到膜材的力学性能要求。以日本的B级纱(3.8 μm左右)及DE级纱(6 μm左右)为例，来说明超细玻璃纤维的优势。纤维的强度与直径成反比，B级纱的拉伸强度为3.1 GPa，而DE级纱的拉伸强度为1.5 GPa，比B级纱下降了50%以上，而且弯曲强度也下降了30%［11］。因此，采用B级纱制成的膜材力学性能更好，使用更安全。

基于灵敏度分析的参数模型修正基本思路是通过构造理论模型与实际结构之间在相同条件下动态特性的误差，然后选择修正参数进行修正，以尽量缩小理论模型与实际结构之间的误差为目的，最终获得一个较为精确的有限元模型。要实现此目标，首先初始模型需要建立得尽量准确，避免结构上的误差；其次要设法提高试验数据的精度；同时要开发稳定高效的修正算法。目前，使用较多的算法是二次规划优化算法，其在仿真算例的应用中，收敛速度快、修正效率高、修正结果准确可信。但在解决工程实际问题时，由于目标函数的构建问题，无法得到一个较为准确的有限元模型。

2.3.2 玻璃纤维基布及其织造

在膜材的浸渍和烧结工艺中，对玻纤基布的要求较高，尤其是基布的平整度和表面张力均匀性对膜材的平整和性能影响较大。一般基布要求表面平整、张力均匀，无纱线接头和断纱、无油污等缺陷［6］。基布一般采用机织平纹或巴拿马结构，经纬纱密度一般控制在13根/cm以内。

整经工艺是关键技术，一般采用分批整经再并轴或者一次整经。在宽幅织物织造时，一般采用分批整经再并轴工艺，这种工艺在电子级玻纤布厂家应用较广泛;在窄幅织物织造时，采用一次整经能更好地保证织物的平整度，但存在换品种不方便、生产效率较低等问题。织造一般采用剑杆织机，刚性伸缩剑杆织机更好，对经纱无磨损，有利于玻纤基布的织造［12］。

2.3.3 浸渍涂层过程

浸渍涂层过程中的关键因素包括PTFE分散液的浓度，干燥、烘焙、烧结温度和速度。分散液的浓度直接影响膜材厚度、树脂含量和平整度等。浓度越高，浸渍后树脂的厚度越大，但每次浸渍厚度不能过大，一般多次浸渍过程中，分散液浓度逐渐增加。此外，分散液中柔软剂、表面活性剂等助剂的应用也很重要［6］。一般在三区垂直烘箱内对树脂进行干燥、烘焙和烧结处理，烘箱内温度是连续渐变的，分为三个主要温度区:干燥区干燥浸渍后的玻纤布，除去分散液中的水分，一般在80～100℃，温度过高可能会产生气泡或流痕;烘焙区除去布面上残留的水分及表面活性剂等，一般在260～290℃，温度过低可能使布面发黏等;烧结区高温使树脂熔融，消除界面，使其与玻纤布具有更好的黏结力，从而使膜材塑化，温度一般在380～400℃。浸渍槽温度一般为室温(20～25℃)［7］。速度直接影响产品的干燥烧结质量和生产效率，速度过快，影响浸渍树脂量以及干燥、烧结的效果等;速度过慢，则影响生产效益，不利于降低成本。

3 PTFE膜材的性能与特点

一般涂层织物中，内层的增强基布决定膜材的力学性能，外层的涂层材料决定膜材的物理特性［1］。PTFE膜材既能充分发挥玻璃纤维高强等力学性能方面的优势，又能发挥聚四氟乙烯耐老化、自洁性等物理特性的优势。表1为PTFE膜材与PVC膜材各种性能的比较。

表1 PTFE膜材与PVC膜材性能比较［8］

3.1 良好的力学性能

玻璃纤维具有抗拉强度高、伸长率小等特性，使膜材具有良好的抗拉强度和抗撕裂强度，而且在长期载荷下也不会出现明显的应力松弛或蠕变。一般中等强度的PTFE膜材，其厚度不到1 mm，面密度1 kg/m2左右，其抗拉强度已达到钢材的水平［13-14］。烧结工艺使玻纤布和PTFE树脂结合良好，剥离强度很高，几乎无法剥离开来。

3.2 良好的耐候性

耐候性主要表现在耐老化性和自洁性方面。由于聚四氟乙烯具有惰性、低摩擦不黏性等特性，几乎不受任何化学物质侵蚀，所以PTFE膜材在抗紫外线辐射、酸雨侵蚀、微生物破坏等方面具有明显的优势，其耐老化性能是PVC膜材不可比拟的［15］。在自洁性方面，膜材几乎不与任何物质黏合，即使有少量灰尘等污染，经过雨水冲洗，即可达到自然清洗干净。因此，PTFE膜材适合做永久性膜材，其寿命可达30 a以上。

3.3 良好的阻燃防火性能

PTFE具有优良的耐高温性，在240～260℃之间可连续使用，具有显著的热稳定性，玻璃纤维也不易燃，因此膜材具有的阻燃防火性能均能达到各国建筑材料防火要求。同时PTFE膜材还能耐低温，可在－180～260℃条件下长期使用［13］。

3.4 透光节能性

PTFE膜材对太阳光的透射率为12% ～21%，一般与膜材的厚度和重量有关，因此膜材具有良好的透光性。透射光在结构内部产生均匀的漫射光，自然柔和，白天不用照明，可以节约能源，夜间在逆光照射和内部照明下外表发光，使建筑物的外形显现出梦幻般的效果［13-14］。

3.5 吸声隔声性能

由于玻璃纤维织物具有吸声隔声性能，PTFE膜材一般对500～2 000 Hz音频有良好的反射性，能吸收一些低频音律;而对于中高频音律吸收有限，但配合其他吸声材料，具有良好的吸声隔声效果。

4 PTFE膜材的应用

PTFE膜材作为永久性膜材，具有造型轻巧自由、透光节能、安全性好、使用寿命长等优点，被广泛应用于各种大型建筑中。主要分为外膜用和内膜用，其在性能上有较大差别。

4.1 外膜用PTFE膜材

外膜用PTFE膜材一般主要作为屋顶材料、顶篷材料及外用装饰等。作为屋顶材料一般应用于体育场馆、展览馆、机场大厅、购物中心、娱乐中心等大型公共设施。如英国泰晤士河畔的千年穹顶，膜材覆盖面积超过18万m2，堪称单体膜结构面积之最;沙特阿拉伯吉达机场候机大厅的悬挂膜结构，占地42万m2;我国上海八万人体育馆，覆盖面积为3.6万m2，是我国首次将膜结构应用于大型建筑，影响深远。作为顶篷材料一般应用于广场、公园绿地小品、游乐园、车站等设施。作为外用装饰主要是利用膜材的艺术性及可塑造性，如上海世博园世博轴，世博轴的索膜结构是迄今为止世界上规模最大的连续张拉索膜结构，每片膜单片面积为1 800 m2，总展开面积达7万m2，错落有致分布的6个极为吸引眼球的倒锥形体，是世博园一道亮丽的风景线。

4.2 内膜用PTFE膜材

内膜用PTFE膜材主要作为吸声隔声材料，其在力学性能等方面的要求比外膜低。最典型的工程是国家体育场奥运会主会场鸟巢，采用的PTFE+ETFE结构，上层为ETFE膜结构，起防雨雪作用;下层为53 000 m2的PTFE膜结构，主要起吸声吊顶作用，通过PTFE膜结构吸声，能保证体育场内的声音清晰。

5 问题与展望

建筑膜材作为一个新兴产业，有着强大的优势和广阔的市场前景，但其发展中也存在一些问题:①PTFE膜材的柔韧性有待提高，由于玻璃纤维的脆性及弯曲性能较差，使PTFE膜材在弯折过程中产品的强度及其他力学性能降低较多，在加工、运输、施工等过程中带来不便，因此PTFE膜材一般采用卷装形式。应加强玻璃纤维原丝、加工技术及涂层技术的深入研究，改善PTFE膜材的柔韧性，使其便于加工及安装。②PTFE膜材的成本较高，包括原材料生产、运输、施工及维护成本等。超细玻璃纤维原料及其加工成本较高，由于膜材的柔韧性较差，其运输、施工比较困难，也导致成本升高。加强PTFE膜材原材料及生产方面的研究，加强技术创新，在不断提高膜材各项性能的同时降低成本，使其在性能、造价方面有强大的市场竞争力。③PTFE膜材的回用与环保问题。新型ETFE膜材由于没有织物增强，将其热熔成颗粒后可以回收再利用，是一种环保材料;而PTFE膜材具有玻纤布增强，如何将基体与增强体分离或者一起回收利用，是个亟待解决的环保问题。

我国对PTFE膜材的研究起步较晚，研究也较少，只有少数几家公司做相关产品的研发。而在宽幅PTFE膜材方面进展较小，做出的产品与国外产品相比也有一定的差距。此外，国内在膜材技术、测试标准和规范方面尤为欠缺，PTFE膜材在国内虽然使用较多，但都是参考国外相关标准或借用相似行业标准，这严重影响了我国PTFE膜材的开发与发展。因此，迫切需要我国相关部门组织人员对膜材进行深入研究，制定出我国的行业或国家标准，这对我国的膜材发展具有重要意义。

随着我国对PTFE膜材需求量的日益增加，国家已经将PTFE膜材的生产纳入国家科研开发项目，希望通过自主开发与国外引进设备相结合的方法，研制出性能优异的国产PTFE膜材，以满足国内需要。相信通过几年的开发研究，我们一定能打破国外的技术封锁，使国产PTFE膜材赶上甚至超过国际先进水平，既能满足国内的需求，也为世界膜材发展添光彩。

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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

*国家科技支撑计划项目(2011BAE10B02)

2011－03－07

黄家润，男，1986年生，在读硕士研究生。主要从事玻璃纤维膜材料开发及性能研究。

陈南梁，E-mail:nlch@dhu.edu.cn