聚碳酸酯板的特性及其在建筑领域的应用.docx

*聚碳酸酯板的特性及其在建筑领域的应用顾书英 1，许乾慰 1，张懿 21同济大学材料科学与工程学院，同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804 ；2. 拜耳材料科技 ( 北京 ) 有限公司，北京 100176摘要：介绍了一种节能环保，可持续发展的建筑材料聚碳酸酯 (PC) 板材，着重从安全性、可加工性、设计性和节能环保等方面阐述了 PC 板材的性能特点和潜在应用。关键词：聚碳酸酯板材；安全性；加工性；设计性；节能环保中图分类号：TQ322，TQ050.4文献标识码：A文章编号：1001-3539(2013)01-0105-04Characteristics of Polycarbonate Sheets and Their Applications in Construction FieldsGu Shuying1，Xu Qianwei1，Zhang Yi21. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials，Ministry of Education，School of Materials Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China ； 2. Bayer Material Science(Beijing) Company Limited，Beijing 100176，ChinaAbstract ：A kind of energy saving and environment friendly sustainable construction materials-polycarbonate sheets were introduced.Characteristics and potential applications were analyzed from the views of safety，easiness of processing and installing， strong designability，energy saving and environment friendliness.Keywords ：polycarbonate sheets ；safety ；processability ；designability ；energy saving and environment friendly当代建筑设计理念越来越关注如何营建一个空间，使它能与特定的社会和自然环境共存，材料及其构件作为建筑 的基本元素，在当前新建筑空间艺术表现中有了新的理解和 文化价值 1。随着新技术的不断涌现，新材料给现代建筑的 结构设计、安全、可持续性发展和降低维护费用等提供了越 来越多的可能性。聚碳酸酯 (PC) 板材就是其中佼佼者之一。PC 是一种独特的热塑性工程塑料，用它制成的板材集 透明、轻质、保温、抗冲击、隔音、耐候、耐久为一体，成为近年 来建筑、装饰业最理想的采光材料之一，广泛应用在大型公 共设施、屋顶采光、商业建筑、安全建筑的幕墙或高侧窗带、 屋面采光带或采光天幕、建筑配套设施、内饰、隔音等领域 2。2011 年，我国市场对 PC 板材的需求约为 11 万 t，其中多 层板约占一半，主要用于屋面和立面。并且，PC 板市场正在 快速发展，拜耳材料科技 PC 事业部半成品部全球技术和生 产部负责任人 Michael Schmidt 预测：到 2015 年，中国 PC 板 材市场的年均增长率将达到 10 % 左右，据此推算，届时中国 将需要 15.5 万 t PC 板材，其中 6.5 万 t 为多层板，9 万 t 为实 心板 3。笔者现从安全性、可加工性、设计性和节能环保等几个 方面阐述了 PC 板材的性能特点和潜在应用。1 安全性PC 是热塑性工程塑料中抗冲击性最佳的一种，6 mm厚的 PC 多层板，4 mm 厚的 PC 实心板的冲击强度分别达160 N m 和 400 N m( 测试标准为 GBT 144851993)， 分别约为普通玻璃的 80 倍和 200 倍，安全玻璃的 16 倍和 40 倍以上 4，具有打不破，敲不碎的特点。用 3 kg 落锤从 2 m 坠下冲击也无裂痕，有“不碎玻璃”和“响钢”的美称。并且， PC 板不会像钢化玻璃那样发生自爆现象，因此，PC 板使用 安全性高。此外，PC 的密度为 1.2 gcm3，为玻璃密度的一半不 到，质量轻，施工、安装方便，节省运输、搬卸、安装以及支撑 框架的成本，而且支撑龙骨小巧美观，可避免大量笨重结构 杆件产生的凌乱线条和阴影，所以 PC 多层板和实心板 ( 见 图 1) 特别适合于大型公共建筑的大跨度的屋顶、悬吊罩棚 和幕墙 56。可插接的多层板更适合于大面积有隐框要求的 幕墙铺装。PC 板材已经成功应用在很多国际大型体育场馆的建设 中，建成的看台罩棚和外墙具有透明度高，确保充足的日光 照射，最大程度减少了支撑结构，因此，轻盈而透明，为体育 场馆建造出非同寻常的屋面和面墙造型 2。例如：天津奥林* 拜耳教育基金项目 (tb20120001)联系人：顾书英，教授，主要从事高分子材料改性和纳米复合材 料的研究收稿日期：2012-10-31图 1 PC 多层板和实心板图 2 天津奥林匹克中心体育场的屋面图 3 多功能震动台实验室大门图 4 沈阳奥林匹克中心体育场图 5 上海青浦区体育馆图 6 德国驻华大使馆的 INFORM 艺术装置106工程塑料应用2013 年，第 41 卷，第 1 期奥林匹克中心体育场部分屋顶选用模克隆 防紫外线 3X25 mm 多层板材 ( 见图 4)，其拱形的屋面设计不仅充分体 现了 PC 的加工和安装灵活性，同时赋予了建筑物艺术表现 力。匹克中心体育场是 2008 年北京奥运会的比赛场馆之一，体育场建筑面积 15.8 万 m2，南北长 380 m，东西长 270 m，标 高 53 m，占地约 7.8 万 m2，可同时容纳 8 万人观看比赛。体 育场造型是椭圆形的“水滴”形。“水滴”的屋面由三种材料 组成，屋面系统由内向外类似于 3 个椭圆形的环套在一起， 内圈为模克隆 PC 实心板，中圈为金属板，外圈为高强玻璃， 俯瞰整个体育场，PC 板、金属板、高强玻璃自上而下分层铺 设形成“水滴”顶部透明、中间一圈封闭，下边一圈透明的变 换视觉效果，以此来充分表现“水滴”的时尚动感之美 78， 见图 2。PC 板安装容易，方式多样，位于青浦城区中心的上海青浦区体育馆选用质量轻、强度大的乳白色模克隆 实心 PC 板，使用编织的方法将其固定在后面的钢架上，在原建筑外 侧加一个装饰层，使原建筑物改颜换貌，城市面貌发生了巨 大的变化 910。并且 PC 板通过共挤出，将紫外线保护层和 PC 板材均匀牢固地复合在一起。这种坚固、厚实的保护层 与基材结合牢固，不剥落、不龟裂，可以为板材提供卓越的紫 外线保护，以防止 PC 板材长年使用后颜色发黄，质量变差。 因此，从 2008 年 2 月建成至 2012 年 8 月体育馆外层装饰层 保持了原有的整体效果，无开裂，无变形，见图 5。同济大学土木工程防灾国家重点实验室多功能震动台实验室大门 ( 图 3)，由两扇 8 m 宽，6 m 高，上下移动的门开 启，每扇大门是两层 5X40 mm( 即 5 层，总厚度 40 mm， 下同 ) 的 PC 多层板，由金属框架固定，选用乳白色的多层 PC 板，不仅外表美观，而且与选用岩棉彩钢板相比，每扇门 自重降低 576 kg(50%)，提高了门上下移动的安全性。3 设计性PC 板除了加工容易，能够设计成各种复杂形状外，其颜 色的选择性丰富，可以根据需要选用不同颜色、不同透明度 的产品，从而设计出具有各种艺术效果的建筑风格。德国驻 华大使馆的 INFORM 艺术装置 ( 图 6) 采用白色、红色、蓝色 防紫外实心板，利用热成型方法构造出三维立体艺术装置， 面积超过 1300 m2，每张板均由手工制成。2 可加工性PC 板加工性强，可手工切割、钻孔、铣槽，不易断裂， 施工简便，常温下无需加温，可冷弯，亦可热弯，最小弯曲半 径小，如 16 mm 厚的三层加强型 PC 板的最小弯曲半径为2800 mm。因此，可依设计图在工地现场采用冷弯方式，安 装成拱形、半圆形等曲线结构。如：容纳 6 万名观众的沈阳新加坡 PILL 城市娱乐中心幕墙 ( 图 7) 采用防紫外线PC 透明板，利用热成型方法，用四个不同的模块创造出每张 板的形状和颜色，令人联想起怪诞的水晶体和埃舍尔画中的 不规则碎片图形，赋予你一种美的享受，给人留下深刻的印图 7 新加坡 PILL 城市娱乐中心幕墙图 8 德中绿色孵化基地效果图图 9 武汉火车站 顾书英，等：聚碳酸酯板的特性及其在建筑领域的应用 107 象。量向外散发，从而保持温度并达到节能效果，与相同厚度的传统板材相比，能源可节省 50 %。因此，在不同的季节都会 使室内获得令人愉快舒适的气候环境。4 节能环保现代建筑的设计越来越重视环保、绿色和可持续性，注 重材料的生态功能。从生态原理出发，运用技术手段关注材 料的生态功能，塑造新型高技术建筑空间，在设计中贯入生 态理念和生态精神，通过技术将材料和空间结合。围护结构 不仅能起到划分空间的作用，同时也是建筑内外能量交换的 媒介，立面设计和节能概念最终体现在围护结构的采暖、降 温设计及太阳能的利用上。PC 板材料的热导率低，多层板 具有中空结构，其隔热性远远优于其它实心建材，甚至中空 玻璃，所以是一种节约能源的材料 11。如：3X16 mm 多层 板 K 值为 2.2 W(m2 )，遮蔽系数 (SC)=0.71，而 6+9+6 中空白玻璃 K 值为 2.87 W(m2 )，SC=0.81。因此，PC 板可以减少取暖和制冷成本，提高了能源利用率。位于昆山德国工业园区内的德中绿色孵化基地 ( 图 8)， 根据当地气候条件对项目进行节能模拟，采用防紫外线乳白 色多层板作外墙外保温系统，是按照德国节能标准建设的绿 色厂房项目 12。此外，每生产 1 kg PC 多层板能量需求共计为 116 MJ，14总共释放出 6.3 kg 的 CO2 。根据 GBT 2589200综15合能耗计算通则 、GB 48711995普通平板玻璃标准16，以 500 td 的熔窑计算，平板玻璃产品的综合能耗为20.5 kg 标准煤质量箱，1 kg 玻璃综合能耗约合 0.41 kg 标准煤，相当于 12.015 MJ 能量。另外，根据 IPCC 数据库， 典型煤种如褐煤、焦煤的碳含量为 25.8 kgGJ，相应 CO2 排 放量为 94.6 kg CO2GJ，因此，标准煤的 CO2 排放因子为2.772 5 t CO2t 煤，即燃烧 1 t 标准煤释放 2.772 5 t CO2，那么生产 1 kg 玻璃要释放 CO2 1.137 kg。虽然，生产 1 kg 的 PC 的综合能耗及 CO2 的排放量比生产 1 kg 玻璃要高，但是 PC 的密度小，并且多层板具有中空结构，每平方米的质量只2有 2.5 kg ( 以 3X16 mm 为例，面密度为 2.5 kgm )，使得生产每平方米 PC 多层板生产综合能耗及 CO2 排放量降低。 如：每平方米 16 mm 的 PC 板综合能耗 290 MJ，CO2 排放 量为 15.75 kg ；而每平方米 6 mm 厚的双层中空玻璃的质 量为 30 kg( 玻璃的密度以 2.5 gcm3 计算 )，生产综合能耗 为 360 MJ，生产过程中 CO2 排放量为 34.11 kg，所以，生产 每平方米的 3X16 mm PC 多层板与生产每平方米 6 mm 厚的双层玻璃相比，综合能耗节约 20 %，CO2 的排放量降低54 %。PC 多层板生产过程中能耗、CO2 排放量低，如果再考 虑使用过程中的能源消耗，PC 板将具有更大的优势。因此， 从环保和生态的角度更体现出 PC 板材的可持续性和环境 友好性，为气候的保护做出了积极的贡献。5 结语PC 板质量轻，冲击强度高，安全性高，安装简便，赋予了 现代建筑物更大的设计空间。多层 PC 板的中空结构和智 能化设计，使光线选择性透过，可以获得更多的可见光，同时 减少热量进入；在气温较低的季节，能够减少热量向外散发， 从而保持温度并达到节能效果，使工业和住宅建筑实现智能 化和节能化解决方案成为可能。此外，PC 板材是完全可再 回收利用的材料，可重复加工成型，废品和边角余料也能回 收利用，不会造成环境污染，可以达到环保要求。因此，PC武汉火车站 ( 图 9) 的屋面选用透光率为 20%25 %，K 值为 1.83 W(m2 )，SC 0.32，850 mm 宽，16 mm和 25 mm 厚，有 UV 防护层的乳白色多层 PC 板采光带与2 700 mm 宽的铝合金形成交替的结构设计。尽管屋面采光 带面积超过 24 %，但整体围护结构的综合能耗计算结果仍 符合公共建筑节能标准13 要求，PC 多层板的节能保温 特性在其中起了重要的贡献。新型的模克隆 Low-E PC 多层板，通过特殊的工艺处 理能够使板材有效阻隔红外线照射带来的热能，实现隔热效 果，与市场同类产品相比，性能更稳定，表现更出色。在气温 较低的季节，Low-E PC 多层板通过其中空结构，能够减少热108工程塑料应用2013 年，第 41 卷，第 1 期板材及其构件应用在建筑的屋顶和外墙等领域，能充分发挥其时尚、透光、温馨怡人的特点，不仅能满足人们对现代建筑 物艺术表现力的需求，而且大幅降低 CO2 气体排放量，降低 能源消耗，是一个可持续发展的解决方案。参 考 文 献Bayer Materials Science.Interior Architecture of China ，2006(5):172173.9 佚名 . 城市环境设计，2010(7):144147.Anon.Urban Environment Design，2010(7):144147.10邰方晴 . 建筑创作，2008(5):4891.Tai Fangqing.Archicreation，2008(5):4891.佚名 . 中华建设，2005(6):57. 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