ETFE膜材在建筑领域的应用

任慧芳 陈伟峰 余考明 蒋杰峰

（1.浙江巨化股份有限公司氟聚合物事业部，浙江 衢州324004；2.浙江巨化汉正新材料有限公司，浙江 衢州324004）

0 前言

ETFE（ethylene-tetrafluoroethylene）是乙烯-四氟乙烯共聚物，于20世纪70年代在美国开始被研究，1974年、1976年分别在美国、日本投产。膜结构建筑是近几十年发展起来的一种新型的结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学和计算机技术等为一体，借鉴现代造型艺术与技术美学的成就，以灵活多变的建筑造型、优异的受力特性受到了建筑师和结构师们的青睐［1］。

ETFE膜材是继PVC（聚氯乙烯）膜材、PTFE（聚四氟乙烯）膜材之后用于建筑结构的第三大类产品，因其自身所具有的特点，很快成为建筑行业的一枝独秀。

1 ETFE主要性能

1.1 ETFE树脂的基本性能

ETFE在保持了PTFE良好的耐热、耐化学性能和电绝缘性能的同时，耐辐射和力学性能有很大程度的改善，各种力学性能达到了较好的平衡——抗撕拉极强、抗张强度高、中等硬度、出色的抗冲击能力、伸缩寿命长［2］。

ETFE的拉伸强度可达到50 MPa，接近聚四氟乙烯的2倍。ETFE在常温下张拉应力在20 MPa以下时，呈完全弹性介质，张拉模量达800～1 000 MPa；当张拉应力在25 MPa附近会出现屈服点，此后进入塑性强化阶段，直至断裂；ETFE的断裂伸长率达300%以上。ETFE与其他氟塑料性能对比如表1所示。

表1 ETFE与其他氟塑料性能对比

表1 （续）

1.2 ETFE膜材的性能

ETFE膜材的厚度通常小于0.20 mm，随着厚度的增加，膜材将更硬更脆，难以加工。ETFE膜材具有极佳的抗老化能力，使用寿命至少为25～35年。通常是一种透明膜材，也可以做成白色，根据需要在透明或白色膜材上印制各种图案，可调节进入建筑物内的光线。

ETFE是阻燃材料，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 kg，该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。ETFE还通过了几项严格的抗燃测试，如IEEE 383，并获得UL 94 V-0等级，对大多数化学物质的物理属性影响小，对普通气体和水气的渗透性低。

ETFE膜材具有极佳的自洁性能，其特有的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，几乎不需要日常保养，清洁周期大约为5年。

ETFE膜作为结晶性高聚物，熔点为256～280℃，工作温度范围为-200～150℃，在超低温时仍坚硬非凡，其脆化温度低至-100℃。同时具有极好的稳定性和气候适应性，在恶劣气候条件下15年以上的力学和光学性能没有改变。在多冰雹地区，即使玻璃屋面被砸碎，ETFE膜材屋面也仅留下一些小小的凹痕。

ETFE绝缘强度高，介电常数为2.6，电阻率高，耗散因数低，仅为0.003，其低介电常数在频率和温度变化的情况下基本恒定。

ETFE膜的透光率可高达95%，号称“软玻璃”，且质量轻，只有同等大小玻璃的1%。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%。根据几何条件及膜的层数，其K值（传热系数）可高达2.0 W/（m2·K），以一个3层印刷的膜为例，耗能指数可达到0.77。

ETFE膜材具有良好的抗撕裂性能、柔韧性和可加工性，可以热熔成颗粒状并重新整合，ETFE膜为可再循环利用材料，再次利用生产新的膜材料，或分离杂质后生产其他ETFE产品。建筑用透明材料的性能比较如表2所示。

表2 建筑用透明材料的性能比较

2 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、日本等少数几家公司可生产ETFE膜材，而具有ETFE膜材加工制作、安装能力的厂家则更少。ETFE膜材在国外有30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［3］。荷兰的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。

在过去10年中，中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点，膜结构往往被采用［4］。建筑结构使用的膜材料首选要求是具有较高强重比的材料，能有效提高建筑本身的效率，降低建筑的自重荷载和地震载荷等与建筑自重关联的载荷效应，一般以气枕或张拉膜的形式用于建筑中。ETFE薄膜气枕有相对较大的跨度，可以在支撑结构之间填充较大的空间，从而为整个建筑结构节约质量。由于气枕可以向支撑结构单向传递荷载，所以方形气枕的长度甚至可以更长。通过使用多层膜系统或张拉单层系统，在一个构件上同时获得几种建筑功能（例如，传递载荷、隔热、吸收噪声、保湿、照明等）。ETFE薄膜气枕中的气压和气枕的形状能随着外部载荷的改变而改变，所以本身是一种自适用结构。

图1为英国新千年应典工程之一的“伊甸园”，有“世界第八大奇观”之美誉。它于2001年3月对公众开放，由4座穹顶状建筑连接组成的全球最大温室，上弦为六边形网格，下弦为三角形加六边形网格，温室覆盖着由ETFE薄膜材料制成的透明盖板，其质量只有相同面积玻璃质量的1%，透明薄片可以回收利用，并具有良好的保温性。

图2为2008年北京奥运会国家游泳中心“水立方”，它就采用了ETFE膜。整个建筑由3 000多个ETFE气枕构成，气枕大小形状不一，面积超过10万m2，水立方除了地表之外，整个结构表面都是由膜覆盖，其安装是先搭建钢架构，然后安装气枕，最后通过钢架上预留的充气线对气枕进行充气，气枕就变成了气泡，充气过程都是由电脑自动控制的，而且会根据气压、光照等条件进行实时的调整，保证整个气泡单元都处于最佳状态［5］。

图1 英国伊甸园

图2 水立方国家游泳中心

图3 为杭州西湖附近的“烨兴-杭州银泰广场ETFE膜结构景观雨棚”，它的面积为2 585 m2。该项目是国内首个单层ETFE加双层气枕膜完美嵌合的景观雨棚建筑，采用德国进口ETFE膜材，利用ETFE膜材的高透光、高自洁性以及双层气枕的隔热能力，雨棚在具有遮阳挡雨功能的同时还可以实现自然采光，行人没有传统密封建筑的束缚感；另一方面，ETFE膜结构建筑是当代最新的建筑应用形式之一，工程高度定制，颜值高，具有唯一性，天生自带聚集人气光环。

图4为广西贵港“烨兴-贵港高铁站广场ETFE膜结构雨棚”，它的面积为5 030 m2，使用德国进口蓝色ETFE膜材，采用前卫的ETFE充气膜结构建筑形式，搭配酷炫的LED炫彩灯光效果，目的是给广大旅客打造一个具有视觉冲击力的车站景观，同时又有实用的遮阳挡雨功能。贵港高铁站雨棚是广西首个仿“水立方”的ETFE气泡屋面雨棚连廊，全国范围内高铁站广场雨棚采用这种建筑形式的不超过10个。ETFE膜结构天生高颜值，看起来通透柔弱，但是其物理性能一点不比传统的玻璃屋面差，相比玻璃，它的自洁性更好，耐候性强，不会爆裂伤人，尤为可贵的是，作为室外屋面建筑，它的使用寿命在20年以上，每个气枕单元都是独立的，中途意外损坏，可以随时进行补充更换。

图3 烨兴-杭州银泰广场景观雨棚

图4 烨兴-贵港高铁站广场雨棚

开封开元名都商业广场工程采用了日本平冈二氧化钛膜和圣戈班ETFE透明膜材相结合的方式，总面积为11 395 m2，是典型的张拉式膜结构。常州花博会特色馆与创意馆的外屋面，结合了德国EASY软件和犀牛软件做膜结构的设计和造型，采用日本旭硝子ETFE透明原点膜材，总面积为14 241 m2。

随着经济的高速增长，各种建筑场馆平地而起，对建筑材料的要求也越来越高，这给了ETFE薄膜材料用武之地，其作为幕墙或屋面材料已经在全世界100多项工程中得到了应用［6］。

3 结语

从多年来国内外的实践经验来看，由于新材料、新形式的不断出现，膜结构具有强大的生命力，必将是21世纪建筑结构发展的主流。而ETFE建筑膜材以其优良的材料特性，必将成为市场的主流膜材，其发展前景可观，市场潜力巨大，面临着良好的发展契机［7］。

我国从20世纪70年代开始研发该技术，但只能生产少量ETFE模压和挤出料及少量的粉末涂料，国内所需的ETFE树脂产品依赖进口。随着我国经济的快速发展，各领域对材料的综合性能不断提出更高要求，市场对氟塑料产品的需求领域不断增加，ETFE树脂以其特有的性能，需求日益增大。鸟巢、水立方的成功建造，也让国人看到了膜结构发展的前景，因其做到了艺术、科技、环保的完美结合，同时也给中国膜结构发展带来了机遇与挑战。

虽然现阶段ETFE膜材还是从国外引进，但国内的研发从未间断，2019年东岳集团的乙烯-四氟乙烯共聚树脂（ETFE）开发项目通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，项目开发的ETFE树脂实现国产化应用。随着我国膜结构理论研究的进一步深化，在借鉴发达国家生产经验的同时，需加快自主研发膜材料生产工艺的进度，相信在不久的将来，ETFE膜可以实现国产化。