ETFE、PTFE和PVB三兄弟的奥运建筑奇遇记

2022-10-20刘奕彤杜苗吴兴隆

大学化学 2022年9期

关键词：水立方丝带鸟巢

刘奕彤，杜苗，吴兴隆,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

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 ETFE (a)和PVDF (b)的分子结构示意图

“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

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 PTFE的分子结构(a)及螺旋结构(b)示意图[5]

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 PVB的分子结构示意图[11]

“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)。