ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奧運建筑奇遇記

劉奕彤，杜苗，吳興隆,2,＊

1東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長春 130024

2東北師范大學(xué)紫外光發(fā)射材料與技術(shù)教育部重點實驗室，長春 130024

在第24屆北京冬奧會來臨之際，為加強各國間的學(xué)術(shù)交流，促進奧運事業(yè)蓬勃發(fā)展，特此在北京隆重召開第36屆奧運建筑材料交流分享大會。大會上，來自世界各方的奧運代表齊聚一堂，大家相互交流心得、探討學(xué)術(shù)問題。

1 ETFE助力百年奧運，中華圓夢

伴隨著暖場音樂的漸漸消去，主持人笑容滿面地拿起話筒說道：“冬去春來，春暖花開。在2022年北京冬奧會召開之際，特此隆重召開本次交流大會。首先，對各位的到來表示熱烈歡迎！今天，來自世界各地的奧運代表齊聚一堂，彼此交流心得，致力于共同促進世界奧運事業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時這也是一次提升自我的好機會，相信大家都已經(jīng)迫不及待了，那接下來讓我們有請2008年北京奧運代表的兄弟倆上臺分享經(jīng)驗，大家掌聲歡迎！”

話音剛落，掌聲雷動，伴隨著“噔”的一聲，數(shù)盞燈光匯集在身著正裝，樣貌相似的兩位老師身上，緊接著他們起身鞠躬，向大家的熱烈歡迎表達(dá)謝意。

2012年倫敦奧運代表率先發(fā)問，“誒，08奧運兄，久仰大名，當(dāng)年北京奧運的召開可謂是轟動一時啊，其中那兩個標(biāo)志性建筑，叫……叫……，叫什么來著，誒媽呀，一激動全給忘了。”又因一時沒能想起，右手撓著腦后，眼睛微閉思索，苦苦搜尋著腦中的記憶存儲器。

“哈哈，您說的怕不是水立方和鳥巢？”

“嗷，對！就是水立方和鳥巢，那叫一個棒??！您有沒有啥經(jīng)驗傳授傳授，也讓咱哥幾個學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)?！?/p>

話音剛落，周圍便響起一陣應(yīng)和聲。面對突如其來的夸贊，2008年北京奧運代表ETFE略感驚訝，又有些許的害羞，趕忙回應(yīng)道：“過獎過獎，這真不敢當(dāng)。傳授經(jīng)驗倒談不上，權(quán)當(dāng)與大家交流下有無，畢竟知己知彼才能共同進步嘛。ETFE是我的筆名，我的全名為乙烯(E)-四氟乙烯(TFE)共聚物。雖然我的分子組成與聚偏氟乙烯(PVDF)完全相同，但我們在分子排列結(jié)構(gòu)上存在明顯的不同之處[1](圖1a和1b)。正因為分子排列結(jié)構(gòu)上的不同，我在許多方面都展現(xiàn)了自己的獨特優(yōu)勢，比如我具有抗老化性、自潔性、耐腐蝕和高阻燃等眾多優(yōu)點，這些優(yōu)點也是我能夠在奧運建筑中發(fā)光發(fā)熱的‘秘密武器’；而PVDF分子的主要特性為耐磨性、抗沖擊、熱電性和抗褪色性，不同的性質(zhì)則進一步體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的道理。與此同時，我本身呈Z字形的分子鏈及交替單元中較大的CF基團與相鄰鏈上較小的CH結(jié)晶形成的斜方晶格[2]，也使我具有低蠕變、高模量及優(yōu)秀機械性能等特點，這同樣是我在水立方膜的建造領(lǐng)域上發(fā)光發(fā)熱的關(guān)鍵?！?/p>

圖1 ETFE (a)和PVDF (b)的分子結(jié)構(gòu)示意圖

“啊，原來如此！兄弟我還有個問題想要請教一下，這水立方確實是一個字‘美’，不僅外觀設(shè)計巧妙、晶瑩奪目，就連里面的綠植裝飾都那么的生機勃勃，居然像在森林里一樣自由，這是啥原因呢？給俺解釋解釋唄，也讓俺以后借鑒借鑒。”2004年雅典奧運代表說道。

“說起這方面，可真不是我‘王婆賣瓜，自賣自夸’了。我制備的膜材透光率高達(dá)95%，且具有一定的選擇與控制性，不僅不阻擋紫外線等光的透射，還可保證建筑內(nèi)部自然光線的正常供給。憑借優(yōu)異的透光性及天然與人工采光的綜合利用，我可以為建筑設(shè)計提供更大的美學(xué)創(chuàng)造空間，保證水立方在滿足需求的同時追求最大的設(shè)計美感[3]。與此同時，紫外線等光線的正常通過，還保證水立方內(nèi)部的綠色植物能進行正常的光合作用，除了可以美化會場環(huán)境外，還可以在緊張賽事進行的同時通過綠色植物的點綴來舒緩心情，從而達(dá)到一舉兩得的效果?！?/p>

聽完這些話后，2000年悉尼奧運代表又緊接著說出了自己的疑惑，緊鎖眉頭認(rèn)真的樣子還有幾分風(fēng)趣搞笑，“嘿嘿，大哥，咱都說到這兒了，我還有一個問題想請教下，我看水立方表面每天都是潔凈如新，這是有人每天負(fù)責(zé)打掃嗎？但是那么大的一個建筑，如果每天打掃的話，也太耗費人力物力了吧，或者說這其中是有什么秘密武器嗎，想您給咱哥幾個說道說道?！?/p>

“您說的對，像這樣一個龐大的建筑，每天打掃著實麻煩的很，且不說它占地面積大，就以它的這個高度想要面面俱到地擦洗也是萬分困難，但我是誰，我是‘TFE家族’的超人，打掃？不存在的。我特有的抗粘著表面具有易清洗、高抗污的性能，使水立方可以‘自我清潔’，表面幾乎不會粘有灰塵，終日潔凈如新[3,4]，這也使作為北京奧運標(biāo)志性建筑之一的‘水立方’可以時刻保持最好的姿態(tài)迎接國內(nèi)外朋友的到來。除了‘出淤泥而不染’這一優(yōu)點外，我還是節(jié)能保溫、質(zhì)量輕便、使用壽命較長的代言人，我在奧運建筑中的應(yīng)用，進一步體現(xiàn)了中國‘綠色奧運[3]’的時代主題。當(dāng)然，由于我本身的眾多魅力，在建筑、汽車、化工等領(lǐng)域，也都能尋見我的身影(表1)。”

表1 ETFE的用途及對性能的要求

2 PTFE推動奧運發(fā)展，振興中華

“Wow! It’s really great!”一席話過后，眾人連連稱贊，皆投去了敬佩的目光，而此時2000年悉尼奧運代表注意到坐在一旁的PTFE老師，連聲問道：“誒，這位兄弟，我看您和ETFE老師的樣貌如此的相似，您該不會就是PTFE老師吧？早就聽聞，ETFE和PTFE兩兄弟是建造水立方和鳥巢的領(lǐng)軍人物，更是2008年北京奧運會成功的重要功臣，有勞二哥再給俺們分享點經(jīng)驗唄，小弟洗耳恭聽?！?/p>

“各位過獎了，既然如此，那就煩請大家再聽小弟說幾句。正如這位兄弟猜的那樣，我的確是ETFE的弟弟，我叫PTFE，全名是聚四氟乙烯(圖2a)，有這樣優(yōu)秀的哥哥在前面給我做榜樣，我當(dāng)然也要努力追趕、不能落后。我哥主要貢獻(xiàn)的領(lǐng)域是水立方的建造，而我主要參與的是鳥巢的建設(shè)。雖然我們是兄弟倆，但我們都有自己獨特的結(jié)構(gòu)，這主要是由于氟原子體積比氫原子體積大，氟原子可在外層將整個碳鏈包圍住。由于F-C鍵長較短，相鄰大分子的氟原子因帶負(fù)電荷而相互排斥，且未成鍵的原子間存在較大的范德華斥力，所以整個大分子鏈無法像碳?xì)浞肿渔溡粯映输忼X形排列，而是以拉長的螺旋形排列[5](圖2b)，這樣使較大的氟原子緊密地堆砌在碳-碳鏈骨架周圍，形成一個緊密的‘保護層’。與此同時，氟原子與骨架碳原子的連接和緊密堆砌使分子鏈產(chǎn)生很大剛性[5-7]，這也是我本身具有高強度的原因，同時這一優(yōu)勢恰好滿足了鳥巢本身對于材料剛性特點的嚴(yán)格需求?！?/p>

圖2 PTFE的分子結(jié)構(gòu)(a)及螺旋結(jié)構(gòu)(b)示意圖[5]

2022年北京冬奧代表緊接著說道：“原來是這樣啊，沒想到這里面有這么大的學(xué)問吶。哎，這一提起鳥巢來，又想起我的一樁傷心事，前段時間我最喜歡的一位中國明星——成龍，說是在鳥巢開演唱會，我本想來現(xiàn)場支持一下，再年輕一回追一把星，可誰成想，連票都沒搶到，真是遺憾吶。但真令我沒想到的是這鳥巢不僅可以作為體育場館進行競技比賽，還可以成為休閑娛樂的絕佳場所，真是妙啊！”

“的確如此，鳥巢在這方面做到了資源的最大化利用，鳥巢屋頂鋼建造為雙層膜結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)環(huán)側(cè)壁是半透明的PTFE聲學(xué)吊頂，主要起到吸聲和吊頂裝飾的作用，保證整個鳥巢看臺空間的音響和裝飾效果，這也是后來眾多歌手選擇將演唱會地點設(shè)在鳥巢的重要原因，除此之外，由我所制成的膜材質(zhì)地較為輕薄，厚度大約為350 μm，等價于三張A4紙疊加在一起的厚度，吸聲率70%以上，防火等級B1級，同時使用壽命較長，一般均在25年以上，具有高透光性、高強度、耐久性、防火性、耐腐蝕性、抗紫外線、自潔性等眾多優(yōu)點[8,9]，這些都是鳥巢取得最后成功的重要因素?！?008年北京奧運代表PTFE認(rèn)真回答道。

“這可真是青出于藍(lán)而勝于藍(lán)啊，哥哥懂美學(xué)，弟弟兼?zhèn)湟魳芳?xì)胞與美學(xué)天賦，不愧是‘TFE’家族的人，各個都是不一般的‘超人’??！”2012年倫敦奧運代表連連點頭稱贊道。

3 PVB相約北京冬奧，未來可期

聽完ETFE和PTFE兩兄弟精彩絕倫的分享后，在場的各位代表仍沉浸其中，意猶未盡。

主持人：“感謝ETFE和PTFE兩位老師的精彩分享，其實今天到場的中國奧運代表中還有一位，大家能猜出他是誰嗎？沒錯，他就是即將在‘雙奧之城’北京召開冬季奧運會的2022年北京冬奧代表，那咱們話不多說，下面有請2022年北京冬奧代表做經(jīng)驗交流，大家掌聲有請！”伴隨著一陣?yán)讋拥恼坡?，大家一起將期待的目光投向來自中國?022年北京冬奧代表。

聽到這句話，2022年冬奧代表立馬直起身來，稍作整理自己的著裝后，站起鞠躬向大家表示敬意，隨即說道：“技術(shù)經(jīng)驗倒也談不上，只能說是互相取長補短吧，在場的各位都稱得上是我的前輩，我還要向諸位多多學(xué)習(xí)。我叫PVB，全名是聚乙烯醇縮丁醛(圖3)，是由聚乙烯醇與丁醛在酸催化下縮合的產(chǎn)物，是作為曲面安全玻璃的理想材料。其中醇羥基結(jié)構(gòu)提供了很強的抗撕裂強度及與玻璃的良好粘結(jié)性，縮丁醛的六元環(huán)結(jié)構(gòu)提高了分子鏈的強度及非結(jié)晶性[10]，這些性質(zhì)使得‘冰絲帶’具備優(yōu)異的透光性及與玻璃粘性。雖然咱不如PTFE善歌，但是咱能跳舞呀。由于我的分子本身含有較長支鏈，因此我具有良好的柔順性、高的抗沖擊性和拉伸強度?！z帶’建筑之所以外形優(yōu)美，靈動飄逸，都得益于我‘身體柔軟’，可以彎曲成不同弧度獲得曲面玻璃，進而滿足冰絲帶外形獨具匠心的設(shè)計理念?！?/p>

圖3 PVB的分子結(jié)構(gòu)示意圖[11]

“早有聽聞這‘冰絲帶’建筑外形別出心裁，真想一睹真容?。∫贿€真是人生一大憾事吶，對了兄弟，咱這還有一個疑問，不是兄弟我不相信你哈，你這做那么多高難度的動作，彎曲成不同弧度的曲面玻璃，想必這安全性不大容易保證吧？”2012年倫敦奧運代表以幽默的語氣問道。

2022年北京冬奧代表聽后，笑著搖了搖頭，緊接著回答道：“老兄您這回可真猜錯嘍，咱可不是那種為了美奮不顧身的人，考慮到‘冰絲帶’建筑表面是由各種弧度不一的曲面玻璃拼接而成，操作難度高，自然是要著重考慮安全性問題，畢竟做任何事情都得把安全放在第一位嘛。我所具備的高抗沖擊性可保證就算受到碰撞等外界因素的影響[12,13]，也不會產(chǎn)生安全隱患，進一步確保了‘冰絲帶’在釋放魅力的時候，安全系數(shù)仍達(dá)到滿分，保證質(zhì)量杠杠滴!”

2012年倫敦奧運代表一副豁然開朗的樣子，連忙說道：“原來是這樣啊，看來是小弟我目光短淺了，還請兄弟別見怪。我還聽說這冰絲帶不僅在白天看形狀飄逸，一到晚上更是美輪美奐，不會是兄弟還有自身發(fā)光的超能力吧？給哥幾個指點一二唄?！?/p>

2022年冬奧代表聽到這句話，大笑了起來，隨后說道：“哈哈哈，這可就是兄弟你抬舉我了，自身發(fā)光的超能力兄弟我確實是想有，但這個真沒有。冰絲帶在夜晚光彩照人，并不是因為我本身材料發(fā)光的特性，而是因為我有‘秘密武器’，冰絲帶在兩片玻璃膠合處的交縫上安裝了燈光照明的裝置，每隔一段距離就會排列上若干個小燈泡，通過彩釉膜的導(dǎo)光效果，把光導(dǎo)進玻璃，使燈光呈現(xiàn)出特殊的柔和效果，整個‘冰絲帶’將成為一個發(fā)光的玻璃體，從而使冰絲帶在夜晚也能產(chǎn)生美輪美奐的視覺效果?！?/p>

一席話過后，眾人皆對2022年北京冬奧代表豎起大拇指，表示稱贊和佩服。

“‘紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！瘜W(xué)術(shù)問題我尚可能用蒼白的語言描述一番，但建筑本身的魅力是我難以用一言半語所描述的。2022年北京冬奧會將在不久后開幕，歡迎大家到時候來到中國，參觀中國、游玩中國、品鑒中國，‘水立方’‘鳥巢’和‘冰絲帶’等一起看個夠！我請大家玩?zhèn)€夠！”

2022年北京冬奧代表的話音剛落，頃刻間，屋子里一改學(xué)術(shù)討論時的嚴(yán)肅作風(fēng)，氣氛頓時生動活躍起來(圖4)。

圖4 ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奧運奇遇記

“那咱可說好嘍，到了中國，你可不許反悔耍賴！”

“對對對，我一定得找你去，想吃北京烤鴨，求安排。”

“一定一定，大丈夫一言既出，駟馬難追！禮儀之邦，待客之道一定安排得明明白白！”

“哈哈哈哈哈……”

在一片歡聲笑語過后，大家又開始了新一輪的學(xué)術(shù)交流……