大学化学, 2022, 37(9): 2202005-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202202005

科普

ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奥运建筑奇遇记

刘奕彤1, 杜苗1, 吴兴隆,1,2

1 东北师范大学化学学院, 长春 130024

2 东北师范大学紫外光发射材料与技术教育部重点实验室, 长春 130024

Adventures of Three Brothers, ETFE, PTFE, and PVB, in Olympic Architecture

Liu Yitong1, Du Miao1, Wu Xinglong,1,2

1 Faculty of Chemistry, Northeast Normal University, Changchun 130024, China

2 MOE Key Laboratory for UV Light-Emitting Materials and Technology, Northeast Normal University, Changchun 130024, China

通讯作者: 吴兴隆, Email: xinglong@nenu.edu.cn

收稿日期: 2022-02-5   接受日期: 2022-04-2  

基金资助: 吉林省教育厅高等教育教学改革研究课题;国家自然科学基金重大研究计划.  91963118

Received: 2022-02-5   Accepted: 2022-04-2  

Abstract

Olympic dream in the eventful years, twice Olympic city during the Chinese renaissance. Based on an anthropomorphic treatment of building materials used in the 2008 Beijing Summer Olympic Games and the 2022 Beijing Winter Olympic Games, this paper introduces three organic materials, ETFE, PTFE, and PVB, used in important Olympic venues such as "Water Cube" "Bird's Nest" and "Ice Ribbon" in the form of a symposium. Furthermore, it discusses their molecular structure, nature, and important role in Olympic architecture.

Keywords: Olympic architecture ; Organic materials ; Polymer ; Structure and property

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刘奕彤, 杜苗, 吴兴隆. ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奥运建筑奇遇记. 大学化学[J], 2022, 37(9): 2202005-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202202005

Liu Yitong. Adventures of Three Brothers, ETFE, PTFE, and PVB, in Olympic Architecture. University Chemistry[J], 2022, 37(9): 2202005-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202202005

在第24届北京冬奥会来临之际,为加强各国间的学术交流,促进奥运事业蓬勃发展,特此在北京隆重召开第36届奥运建筑材料交流分享大会。大会上,来自世界各方的奥运代表齐聚一堂,大家相互交流心得、探讨学术问题。

1 ETFE助力百年奥运,中华圆梦

伴随着暖场音乐的渐渐消去,主持人笑容满面地拿起话筒说道:“冬去春来,春暖花开。在2022年北京冬奥会召开之际,特此隆重召开本次交流大会。首先,对各位的到来表示热烈欢迎!今天,来自世界各地的奥运代表齐聚一堂,彼此交流心得,致力于共同促进世界奥运事业的蓬勃发展,同时这也是一次提升自我的好机会,相信大家都已经迫不及待了,那接下来让我们有请2008年北京奥运代表的兄弟俩上台分享经验,大家掌声欢迎!”

话音刚落,掌声雷动,伴随着“噔”的一声,数盏灯光汇集在身着正装,样貌相似的两位老师身上,紧接着他们起身鞠躬,向大家的热烈欢迎表达谢意。

2012年伦敦奥运代表率先发问,“诶,08奥运兄,久仰大名,当年北京奥运的召开可谓是轰动一时啊,其中那两个标志性建筑,叫……叫……,叫什么来着,诶妈呀,一激动全给忘了。”又因一时没能想起,右手挠着脑后,眼睛微闭思索,苦苦搜寻着脑中的记忆存储器。

“哈哈,您说的怕不是水立方和鸟巢?”

“嗷,对!就是水立方和鸟巢,那叫一个棒啊!您有没有啥经验传授传授,也让咱哥几个学习学习。”

话音刚落,周围便响起一阵应和声。面对突如其来的夸赞,2008年北京奥运代表ETFE略感惊讶,又有些许的害羞,赶忙回应道:“过奖过奖,这真不敢当。传授经验倒谈不上,权当与大家交流下有无,毕竟知己知彼才能共同进步嘛。ETFE是我的笔名,我的全名为乙烯(E)-四氟乙烯(TFE)共聚物。虽然我的分子组成与聚偏氟乙烯(PVDF)完全相同,但我们在分子排列结构上存在明显的不同之处[1] (图 1a和1b)。正因为分子排列结构上的不同,我在许多方面都展现了自己的独特优势,比如我具有抗老化性、自洁性、耐腐蚀和高阻燃等众多优点,这些优点也是我能够在奥运建筑中发光发热的‘秘密武器’;而PVDF分子的主要特性为耐磨性、抗冲击、热电性和抗褪色性,不同的性质则进一步体现了结构决定性质的道理。与此同时,我本身呈Z字形的分子链及交替单元中较大的CF基团与相邻链上较小的CH结晶形成的斜方晶格[2],也使我具有低蠕变、高模量及优秀机械性能等特点,这同样是我在水立方膜的建造领域上发光发热的关键。”

图1

图1   ETFE (a)和PVDF (b)的分子结构示意图

ETFE性质:抗老化、自洁性、耐腐蚀和高阻燃;PVDF性质:耐磨性、抗冲击、热电性和抗褪色性


“啊,原来如此!兄弟我还有个问题想要请教一下,这水立方确实是一个字‘美’,不仅外观设计巧妙、晶莹夺目,就连里面的绿植装饰都那么的生机勃勃,居然像在森林里一样自由,这是啥原因呢?给俺解释解释呗,也让俺以后借鉴借鉴。”2004年雅典奥运代表说道。

“说起这方面,可真不是我‘王婆卖瓜,自卖自夸’了。我制备的膜材透光率高达95%,且具有一定的选择与控制性,不仅不阻挡紫外线等光的透射,还可保证建筑内部自然光线的正常供给。凭借优异的透光性及天然与人工采光的综合利用,我可以为建筑设计提供更大的美学创造空间,保证水立方在满足需求的同时追求最大的设计美感[3]。与此同时,紫外线等光线的正常通过,还保证水立方内部的绿色植物能进行正常的光合作用,除了可以美化会场环境外,还可以在紧张赛事进行的同时通过绿色植物的点缀来舒缓心情,从而达到一举两得的效果。”

听完这些话后,2000年悉尼奥运代表又紧接着说出了自己的疑惑,紧锁眉头认真的样子还有几分风趣搞笑,“嘿嘿,大哥,咱都说到这儿了,我还有一个问题想请教下,我看水立方表面每天都是洁净如新,这是有人每天负责打扫吗?但是那么大的一个建筑,如果每天打扫的话,也太耗费人力物力了吧,或者说这其中是有什么秘密武器吗,想您给咱哥几个说道说道。”

“您说的对,像这样一个庞大的建筑,每天打扫着实麻烦的很,且不说它占地面积大,就以它的这个高度想要面面俱到地擦洗也是万分困难,但我是谁,我是‘TFE家族’的超人,打扫?不存在的。我特有的抗粘着表面具有易清洗、高抗污的性能,使水立方可以‘自我清洁’,表面几乎不会粘有灰尘,终日洁净如新[3, 4],这也使作为北京奥运标志性建筑之一的‘水立方’可以时刻保持最好的姿态迎接国内外朋友的到来。除了‘出淤泥而不染’这一优点外,我还是节能保温、质量轻便、使用寿命较长的代言人,我在奥运建筑中的应用,进一步体现了中国‘绿色奥运[3]’的时代主题。当然,由于我本身的众多魅力,在建筑、汽车、化工等领域,也都能寻见我的身影(表 1)。”

表1   ETFE的用途及对性能的要求

序号用途要求
1建筑高力学强度,韧性
2汽车耐高温,耐燃油及添加剂
3化工绝缘性,耐热,耐切割
4电子绝缘,耐切割,耐磨损
5核工业耐辐射,绝缘,耐热,高强度

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2 PTFE推动奥运发展,振兴中华

“Wow! It’s really great!”一席话过后,众人连连称赞,皆投去了敬佩的目光,而此时2000年悉尼奥运代表注意到坐在一旁的PTFE老师,连声问道:“诶,这位兄弟,我看您和ETFE老师的样貌如此的相似,您该不会就是PTFE老师吧?早就听闻,ETFE和PTFE两兄弟是建造水立方和鸟巢的领军人物,更是2008年北京奥运会成功的重要功臣,有劳二哥再给俺们分享点经验呗,小弟洗耳恭听。”

“各位过奖了,既然如此,那就烦请大家再听小弟说几句。正如这位兄弟猜的那样,我的确是ETFE的弟弟,我叫PTFE,全名是聚四氟乙烯(图 2a),有这样优秀的哥哥在前面给我做榜样,我当然也要努力追赶、不能落后。我哥主要贡献的领域是水立方的建造,而我主要参与的是鸟巢的建设。虽然我们是兄弟俩,但我们都有自己独特的结构,这主要是由于氟原子体积比氢原子体积大,氟原子可在外层将整个碳链包围住。由于F―C键长较短,相邻大分子的氟原子因带负电荷而相互排斥,且未成键的原子间存在较大的范德华斥力,所以整个大分子链无法像碳氢分子链一样呈锯齿形排列,而是以拉长的螺旋形排列[5] (图 2b),这样使较大的氟原子紧密地堆砌在碳-碳链骨架周围,形成一个紧密的‘保护层’。与此同时,氟原子与骨架碳原子的连接和紧密堆砌使分子链产生很大刚性[5–7],这也是我本身具有高强度的原因,同时这一优势恰好满足了鸟巢本身对于材料刚性特点的严格需求。”

图2

图2   PTFE的分子结构(a)及螺旋结构(b)示意图[5]

PTFE性质:低摩擦系数、刚性强、高透光性和耐候性


2022年北京冬奥代表紧接着说道:“原来是这样啊,没想到这里面有这么大的学问呐。哎,这一提起鸟巢来,又想起我的一桩伤心事,前段时间我最喜欢的一位中国明星——成龙,说是在鸟巢开演唱会,我本想来现场支持一下,再年轻一回追一把星,可谁成想,连票都没抢到,真是遗憾呐。但真令我没想到的是这鸟巢不仅可以作为体育场馆进行竞技比赛,还可以成为休闲娱乐的绝佳场所,真是妙啊!”

“的确如此,鸟巢在这方面做到了资源的最大化利用,鸟巢屋顶钢建造为双层膜结构,其中内环侧壁是半透明的PTFE声学吊顶,主要起到吸声和吊顶装饰的作用,保证整个鸟巢看台空间的音响和装饰效果,这也是后来众多歌手选择将演唱会地点设在鸟巢的重要原因,除此之外,由我所制成的膜材质地较为轻薄,厚度大约为350 μm,等价于三张A4纸叠加在一起的厚度,吸声率70%以上,防火等级B1级,同时使用寿命较长,一般均在25年以上,具有高透光性、高强度、耐久性、防火性、耐腐蚀性、抗紫外线、自洁性等众多优点[8, 9],这些都是鸟巢取得最后成功的重要因素。”2008年北京奥运代表PTFE认真回答道。

“这可真是青出于蓝而胜于蓝啊,哥哥懂美学,弟弟兼备音乐细胞与美学天赋,不愧是‘TFE’家族的人,各个都是不一般的‘超人’啊!”2012年伦敦奥运代表连连点头称赞道。

3 PVB相约北京冬奥,未来可期

听完ETFE和PTFE两兄弟精彩绝伦的分享后,在场的各位代表仍沉浸其中,意犹未尽。

主持人:“感谢ETFE和PTFE两位老师的精彩分享,其实今天到场的中国奥运代表中还有一位,大家能猜出他是谁吗?没错,他就是即将在‘双奥之城’北京召开冬季奥运会的2022年北京冬奥代表,那咱们话不多说,下面有请2022年北京冬奥代表做经验交流,大家掌声有请!”伴随着一阵雷动的掌声,大家一起将期待的目光投向来自中国的2022年北京冬奥代表。

听到这句话,2022年冬奥代表立马直起身来,稍作整理自己的着装后,站起鞠躬向大家表示敬意,随即说道:“技术经验倒也谈不上,只能说是互相取长补短吧,在场的各位都称得上是我的前辈,我还要向诸位多多学习。我叫PVB,全名是聚乙烯醇缩丁醛(图 3),是由聚乙烯醇与丁醛在酸催化下缩合的产物,是作为曲面安全玻璃的理想材料。其中醇羟基结构提供了很强的抗撕裂强度及与玻璃的良好粘结性,缩丁醛的六元环结构提高了分子链的强度及非结晶性[10],这些性质使得‘冰丝带’具备优异的透光性及与玻璃粘性。虽然咱不如PTFE善歌,但是咱能跳舞呀。由于我的分子本身含有较长支链,因此我具有良好的柔顺性、高的抗冲击性和拉伸强度。‘冰丝带’建筑之所以外形优美,灵动飘逸,都得益于我‘身体柔软’,可以弯曲成不同弧度获得曲面玻璃,进而满足冰丝带外形独具匠心的设计理念。”

图3

图3   PVB的分子结构示意图[11]

PVB性质:粘接性强、绝缘性、热塑性和阻抗性


“早有听闻这‘冰丝带’建筑外形别出心裁,真想一睹真容啊!要不还真是人生一大憾事呐,对了兄弟,咱这还有一个疑问,不是兄弟我不相信你哈,你这做那么多高难度的动作,弯曲成不同弧度的曲面玻璃,想必这安全性不大容易保证吧?”2012年伦敦奥运代表以幽默的语气问道。

2022年北京冬奥代表听后,笑着摇了摇头,紧接着回答道:“老兄您这回可真猜错喽,咱可不是那种为了美奋不顾身的人,考虑到‘冰丝带’建筑表面是由各种弧度不一的曲面玻璃拼接而成,操作难度高,自然是要着重考虑安全性问题,毕竟做任何事情都得把安全放在第一位嘛。我所具备的高抗冲击性可保证就算受到碰撞等外界因素的影响[12, 13],也不会产生安全隐患,进一步确保了‘冰丝带’在释放魅力的时候,安全系数仍达到满分,保证质量杠杠滴!”

2012年伦敦奥运代表一副豁然开朗的样子,连忙说道:“原来是这样啊,看来是小弟我目光短浅了,还请兄弟别见怪。我还听说这冰丝带不仅在白天看形状飘逸,一到晚上更是美轮美奂,不会是兄弟还有自身发光的超能力吧?给哥几个指点一二呗。”

2022年冬奥代表听到这句话,大笑了起来,随后说道:“哈哈哈,这可就是兄弟你抬举我了,自身发光的超能力兄弟我确实是想有,但这个真没有。冰丝带在夜晚光彩照人,并不是因为我本身材料发光的特性,而是因为我有‘秘密武器’,冰丝带在两片玻璃胶合处的交缝上安装了灯光照明的装置,每隔一段距离就会排列上若干个小灯泡,通过彩釉膜的导光效果,把光导进玻璃,使灯光呈现出特殊的柔和效果,整个‘冰丝带’将成为一个发光的玻璃体,从而使冰丝带在夜晚也能产生美轮美奂的视觉效果。”

一席话过后,众人皆对2022年北京冬奥代表竖起大拇指,表示称赞和佩服。

“‘纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。’学术问题我尚可能用苍白的语言描述一番,但建筑本身的魅力是我难以用一言半语所描述的。2022年北京冬奥会将在不久后开幕,欢迎大家到时候来到中国,参观中国、游玩中国、品鉴中国,‘水立方’‘鸟巢’和‘冰丝带’等一起看个够!我请大家玩个够!”

2022年北京冬奥代表的话音刚落,顷刻间,屋子里一改学术讨论时的严肃作风,气氛顿时生动活跃起来(图 4)。

图4

图4   ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奥运奇遇记


“那咱可说好喽,到了中国,你可不许反悔耍赖!”

“对对对,我一定得找你去,想吃北京烤鸭,求安排。”

“一定一定,大丈夫一言既出,驷马难追!礼仪之邦,待客之道一定安排得明明白白!”

“哈哈哈哈哈……”

在一片欢声笑语过后,大家又开始了新一轮的学术交流……

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