薄膜結(jié)構(gòu)一經(jīng)問世便以其新穎的造型、巧妙的構(gòu)思、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)得到青睞,并成功地應(yīng)用于體育場館;娛樂商業(yè)中心、展覽館、候機(jī)大廳等大跨度建筑物中,被譽(yù)稱為“21世紀(jì)的建筑”。薄膜結(jié)構(gòu)以建筑織物——膜材為張拉主體,由于材料自身性能的改善,現(xiàn)代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化學(xué)和機(jī)械性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
1. 薄膜材料的材料性能
薄膜材料一般由兩部分組成:基布(編織物)和涂層。材料的強(qiáng)度和彈性性能主要取決于基布,而進(jìn)一步的性能如防火、防水、抗紫外線侵蝕以及對機(jī)械、化學(xué)等因素的不敏感性都必須依靠涂層來加強(qiáng)。
1.1 基布材料
大部分基布的編織方向呈直角,亦可有所偏移,屬于各向異性材料。在編織過程中,經(jīng)線拉得較緊,柔性較緯線差?;疾牧现饕芯埘0?、聚酯纖維、玻璃纖維、芳酰胺纖維。
1.1.1 聚酰胺
聚酰胺一般稱為尼龍,其耐磨性、強(qiáng)度較高,能耐低濃度酸,耐強(qiáng)堿,但易吸濕,其電性質(zhì)和機(jī)械性能會(huì)受到吸濕的影響而降低。如果溫度較高,可能發(fā)生氧化而變黃、變脆。此外,聚酰胺抗紫外線能力較弱,強(qiáng)烈的陽光照射會(huì)降低它的強(qiáng)度。
1.1.2 聚酯纖維
聚酯纖維一般稱為滌綸,與聚酰胺相比,其抗拉強(qiáng)度較低,抗紫外線能力稍強(qiáng),不易吸濕,因此尺度穩(wěn)定性好,價(jià)格較便宜,應(yīng)用較廣泛,可用于一般性的膜結(jié)構(gòu)建筑物中。
1.1.3 玻璃纖維
玻璃纖維由各種金屬氧化物的硅酸鹽類經(jīng)熔融后抽絲制成。玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高,耐水,耐腐蝕,化學(xué)穩(wěn)定性好。但一般玻璃纖維耐酸性好,耐堿性卻較差。依據(jù)玻璃成分的改變可以制得有各種特殊性能的玻璃纖維,如耐高溫、優(yōu)良電性能、耐酸堿、抗拉強(qiáng)度高和剛性大以及吸收有害射線耐老化等。玻璃纖維也有一些不足之處,如易脆裂,在荷載條件下伸縮性很小,裁剪精確度要求很高,其強(qiáng)度因表面缺陷而削弱,因此在加工使用過程中需采取保護(hù)性措施。由玻璃纖維制成的膜材通常用于永久性建筑中。
1.1.4 芳酰胺纖維
芳酰胺纖維是一種優(yōu)良的有機(jī)纖維,比玻璃纖維質(zhì)量更輕、剛性更大、強(qiáng)度更高,密度小,有良好的電性能和絕熱性能,更能吸收機(jī)械振動(dòng)和聲音的振動(dòng)。具有低的蠕變性和高的抗沖擊性,極低的缺口敏感性和優(yōu)良的抗蠕變斷裂性。
1.2 涂層材料
1.2.1 有機(jī)硅樹脂
有機(jī)硅樹脂是高分子量的半有機(jī)聚合物,具有優(yōu)異的耐高溫、耐低溫、憎水、防潮、電絕緣、耐輻射、氧化穩(wěn)定等特性,常用作玻璃纖維的涂層,其抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高,具有很好的透光性。
1.2.2 聚氨酯樹脂
聚氨酯樹脂是一種較新的聚合物,具有良好的粘合性,涂層光澤度高,耐磨、耐候性好。有良好的耐化學(xué)性、電絕緣性質(zhì),彈性好,透氣性低。但是由于其耐水解、蒸汽和高溫性不良且價(jià)格較貴,所以采用不多。
1.2.3 合成橡膠涂層。
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(wěn)定,且具有突出的耐磨損性、耐化學(xué)性和阻燃性,可達(dá)到半透明狀態(tài),但由于容易發(fā)黃,故一般用于深色涂層。
1.2.4 聚氯乙烯(PVC)
由于原料豐富、價(jià)格便宜,機(jī)械性能和耐腐蝕性好,加工方便,顏色多樣化且透明度高,所以在歐洲90%以上的合成織物(聚酰胺、聚酯纖維)均采用聚氯乙烯(PVC)作涂層。
1.2.5 聚四氟乙烯(Teflon)
聚四氟乙烯觸摸起來像蠟一樣光滑,一般采用粉末冶金的加工技術(shù),依據(jù)加工條件通常呈白色或帶藍(lán)灰花紋璉點(diǎn)。由于其使用溫度范圍很寬(-100~300OC)而且耐老化、耐化學(xué)侵蝕性能優(yōu)于現(xiàn)在的任何其他有機(jī)聚合物,再加上優(yōu)良的電絕緣性能以及低的摩擦系數(shù),使其成為各工業(yè)部門都十分感興趣的材料。
1.3 常用建筑膜材
1.3.1 涂聚氯乙烯(PVC)的織物
尼龍織物、聚酯織物通常以聚氯乙烯(PVC)為涂層,這種PVC涂層織物的造價(jià)相對較低,抗折性能好,運(yùn)輸方便,顏色多樣化,但抗腐蝕能力較差,易老化,使用壽命短,自潔能力差,可用于一次性投資不高的建筑,當(dāng)薄膜污染破壞后可修補(bǔ)或重新更換。也有以PVC為涂層的玻璃纖維織物,1970年日本大阪國際博覽會(huì)美國館首次采用該膜材,取得了很好的效果。通常規(guī)定PVC涂層在織物經(jīng)緯線交點(diǎn)上的厚度不能少于0.2mm,但若涂層太厚,在價(jià)格及膜材重量上都是不經(jīng)濟(jì)的。若PVC色淡透明,則宜加0.5%紫外線吸收劑(如Tinuvin或Uvinul晶牌的紫外線吸收劑);若涂層的顏色較深(可加碳黑),那么可提高膜材的抗老化能力和耐久性。如果需要,還可在涂層上面加一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧,用云母或石英來防止表面發(fā)粘和污染,防止PVC涂層褪色,這種表面平滑有光澤,可減少污染,有利于排水。
1. 薄膜材料的材料性能
薄膜材料一般由兩部分組成:基布(編織物)和涂層。材料的強(qiáng)度和彈性性能主要取決于基布,而進(jìn)一步的性能如防火、防水、抗紫外線侵蝕以及對機(jī)械、化學(xué)等因素的不敏感性都必須依靠涂層來加強(qiáng)。
1.1 基布材料
大部分基布的編織方向呈直角,亦可有所偏移,屬于各向異性材料。在編織過程中,經(jīng)線拉得較緊,柔性較緯線差?;疾牧现饕芯埘0?、聚酯纖維、玻璃纖維、芳酰胺纖維。
1.1.1 聚酰胺
聚酰胺一般稱為尼龍,其耐磨性、強(qiáng)度較高,能耐低濃度酸,耐強(qiáng)堿,但易吸濕,其電性質(zhì)和機(jī)械性能會(huì)受到吸濕的影響而降低。如果溫度較高,可能發(fā)生氧化而變黃、變脆。此外,聚酰胺抗紫外線能力較弱,強(qiáng)烈的陽光照射會(huì)降低它的強(qiáng)度。
1.1.2 聚酯纖維
聚酯纖維一般稱為滌綸,與聚酰胺相比,其抗拉強(qiáng)度較低,抗紫外線能力稍強(qiáng),不易吸濕,因此尺度穩(wěn)定性好,價(jià)格較便宜,應(yīng)用較廣泛,可用于一般性的膜結(jié)構(gòu)建筑物中。
1.1.3 玻璃纖維
玻璃纖維由各種金屬氧化物的硅酸鹽類經(jīng)熔融后抽絲制成。玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高,耐水,耐腐蝕,化學(xué)穩(wěn)定性好。但一般玻璃纖維耐酸性好,耐堿性卻較差。依據(jù)玻璃成分的改變可以制得有各種特殊性能的玻璃纖維,如耐高溫、優(yōu)良電性能、耐酸堿、抗拉強(qiáng)度高和剛性大以及吸收有害射線耐老化等。玻璃纖維也有一些不足之處,如易脆裂,在荷載條件下伸縮性很小,裁剪精確度要求很高,其強(qiáng)度因表面缺陷而削弱,因此在加工使用過程中需采取保護(hù)性措施。由玻璃纖維制成的膜材通常用于永久性建筑中。
1.1.4 芳酰胺纖維
芳酰胺纖維是一種優(yōu)良的有機(jī)纖維,比玻璃纖維質(zhì)量更輕、剛性更大、強(qiáng)度更高,密度小,有良好的電性能和絕熱性能,更能吸收機(jī)械振動(dòng)和聲音的振動(dòng)。具有低的蠕變性和高的抗沖擊性,極低的缺口敏感性和優(yōu)良的抗蠕變斷裂性。
1.2 涂層材料
1.2.1 有機(jī)硅樹脂
有機(jī)硅樹脂是高分子量的半有機(jī)聚合物,具有優(yōu)異的耐高溫、耐低溫、憎水、防潮、電絕緣、耐輻射、氧化穩(wěn)定等特性,常用作玻璃纖維的涂層,其抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高,具有很好的透光性。
1.2.2 聚氨酯樹脂
聚氨酯樹脂是一種較新的聚合物,具有良好的粘合性,涂層光澤度高,耐磨、耐候性好。有良好的耐化學(xué)性、電絕緣性質(zhì),彈性好,透氣性低。但是由于其耐水解、蒸汽和高溫性不良且價(jià)格較貴,所以采用不多。
1.2.3 合成橡膠涂層。
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(wěn)定,且具有突出的耐磨損性、耐化學(xué)性和阻燃性,可達(dá)到半透明狀態(tài),但由于容易發(fā)黃,故一般用于深色涂層。
1.2.4 聚氯乙烯(PVC)
由于原料豐富、價(jià)格便宜,機(jī)械性能和耐腐蝕性好,加工方便,顏色多樣化且透明度高,所以在歐洲90%以上的合成織物(聚酰胺、聚酯纖維)均采用聚氯乙烯(PVC)作涂層。
1.2.5 聚四氟乙烯(Teflon)
聚四氟乙烯觸摸起來像蠟一樣光滑,一般采用粉末冶金的加工技術(shù),依據(jù)加工條件通常呈白色或帶藍(lán)灰花紋璉點(diǎn)。由于其使用溫度范圍很寬(-100~300OC)而且耐老化、耐化學(xué)侵蝕性能優(yōu)于現(xiàn)在的任何其他有機(jī)聚合物,再加上優(yōu)良的電絕緣性能以及低的摩擦系數(shù),使其成為各工業(yè)部門都十分感興趣的材料。
1.3 常用建筑膜材
1.3.1 涂聚氯乙烯(PVC)的織物
尼龍織物、聚酯織物通常以聚氯乙烯(PVC)為涂層,這種PVC涂層織物的造價(jià)相對較低,抗折性能好,運(yùn)輸方便,顏色多樣化,但抗腐蝕能力較差,易老化,使用壽命短,自潔能力差,可用于一次性投資不高的建筑,當(dāng)薄膜污染破壞后可修補(bǔ)或重新更換。也有以PVC為涂層的玻璃纖維織物,1970年日本大阪國際博覽會(huì)美國館首次采用該膜材,取得了很好的效果。通常規(guī)定PVC涂層在織物經(jīng)緯線交點(diǎn)上的厚度不能少于0.2mm,但若涂層太厚,在價(jià)格及膜材重量上都是不經(jīng)濟(jì)的。若PVC色淡透明,則宜加0.5%紫外線吸收劑(如Tinuvin或Uvinul晶牌的紫外線吸收劑);若涂層的顏色較深(可加碳黑),那么可提高膜材的抗老化能力和耐久性。如果需要,還可在涂層上面加一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧,用云母或石英來防止表面發(fā)粘和污染,防止PVC涂層褪色,這種表面平滑有光澤,可減少污染,有利于排水。