建筑外立面裝飾工程復合材料綜合性能優勢研究

路小軍，曹 凱

（1.西安醫學院 第二附屬醫院，陜西 西安 710038；2.新疆維吾爾自治區人民醫院，新疆 烏魯木齊 843000）

經濟增長速度的加快以及建筑領域的迅猛發展，推進了高層建筑與大跨度建筑不斷進步和發展，人們對于建筑藝術效果的追求以及對于建筑各方面的質量要求標準日益嚴格。傳統的設計方法已經力不從心，經濟和技術的發展為各個領域都帶來新的技術，尤其是建筑外立面裝飾材料的研究和發展所表現出的優勢越來越明顯。另外，建筑領域未來的發展趨勢必然是節能、環保，在保證建筑節能、環保的基礎上，保障建筑結構更加穩定，功能更優的外立面裝飾材料的選擇也日趨重要。同時，環境問題已經逐漸成為全球所關注的重要問題，綜合性能優異，且符合環境和用戶要求的建筑外立面裝飾材料必然會成為建筑領域材料發展的趨勢。另外，物質生活滿足之后，人們更加注重對美的追求，因此，建筑的藝術效果也在不斷提升，建筑外立面的曲面造型結構也層出不窮，應用廣泛。但是，傳統的建筑材料有一些難以彌補的缺點，尤其是在惡劣環境條件下使用壽命較短，造成資源浪費的同時也難以滿足使用要求，開發適用于建筑外立面異形造型的新型材料也成為建筑領域的熱點問題。針對上述建筑領域的發展需求，人們致力于開發、研究綜合性能優異的材料，而復合材料則因其可設計性、可整體成型、自重輕、使用壽命長、成本低等各方面性能都突出的表現成為設計首選。醫療建筑因為特殊的用途對于裝飾材料的要求和性能要求更高，本文針對這一點分析了復合材料在醫用建筑外立面裝飾工程中的性能優勢。

1 復合材料

復合材料是一種混合物，具體是指以一種材料為基體，另一種材料或多種材料為增強體，通過物理或者化學方法組合而成的材料。復合材料融合了多種材料的綜合性能，實現了各種材料在性能上的互補。復合材料的基本性能在一般情況下優于其組合中的任何一種材料，可以滿足不同的使用條件和需求，擴大了其使用范圍，隨著科研技術的不斷進步，復合材料已經開始慢慢取代傳統材料。復合材料主要可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類，結構復合材料一般用于承力結構，主要由能承受一定應力的增強體部分和能夠傳遞應力，同時又可以連接增強體的部分組成。對于結構功能復合材料的應用可以在一定程度上達到節約資源的目的。功能復合材料通常由功能體部分和基體部分組成，強調不同材料混合之后所體現的功能，功能復合材料未來的發展趨勢是多功能復合材料。化學、物理等科研技術的不斷進步，在各方面對于復合材料的研究也更加投入，因此，復合材料的發展逐漸表現出新的形勢。復合材料由兩種或兩種以上的材料構成，因此其性能中包含了其組分中各種材料的優越性能，不僅彌補了單一材料在某一方面的不足，同時也能體現單一材料的優勢。另外，復合材料的強度高、質量輕、化學腐蝕等性能突出，目前已經取代了一些金屬和木質材料，在航空航天、醫療、建筑、化工等各行各業都表現出巨大的優勢和獨特的作用。各種技術都在隨著經濟和科技水平的提升而逐漸成熟，復合材料的發展前景十分樂觀，其發展空間和應用前景也表現出良好的趨勢。

2 建筑外立面裝飾復合材料性能研究

為了研究醫用建筑外立面裝飾工程復合材料綜合性能，本文將以碳纖維/環氧樹脂復合材料為例，研究該種材料在醫院外墻的裝飾工程中的應用。

2.1 復合材料制備

碳纖維/環氧樹脂復合材料主要由碳纖維布、環氧樹脂、全氟乙烯丙烯共聚物、聚氨酯、疏水二氧化硅納米粒子、氨基硅油、硝酸、固化劑、無水乙醇等為原料進行制備。將碳纖維布清洗干凈并烘干之后置于適當濃度的硝酸中浸泡，浸泡溫度為100 ℃，15 min后用蒸餾水沖洗除去多余的硝酸，烘干之后在一定配比的氨基硅油和乙酸乙酯的混合溶液中浸泡，加熱至60 ℃，25 min之后取出烘干，得到疏水碳纖維布。將一定量的環氧樹脂、乙酸乙酯、疏水二氧化硅納米粒子和全氟乙烯丙烯共聚物等混合，超聲30 min，加入適量的乙酸乙酯、環氧樹脂和聚氨酯超聲10 min，最后將固化劑和疏水碳纖維布加入上述超聲過的混合溶液中浸泡10 min，取出常溫固化6 h，烘干即可得到碳纖維/環氧樹脂復合材料。

2.2 性能研究

通過對原始的碳纖維布和碳纖維/環氧樹脂復合材料表面的觀察，不難發現，在碳纖維布的纖維之間孔隙較多，整體的結構不夠緊湊，而碳纖維/環氧樹脂復合材料經過環氧樹脂的填充，填補了纖維之間的孔隙，使其更加緊密；原始碳纖維布的纖維表面相對光滑，被硝酸浸泡過后，碳纖維的表面受到腐蝕會有很多凹坑，變得更加粗糙。碳纖維/環氧樹脂復合材料中的碳纖維表面涂覆氨基硅油，形成一層保護性薄膜，不僅可以使碳纖維的疏水性能增強，還可以使碳纖維與環氧樹脂2種物質的界面更加容易結合，對于壓力傳遞和抑制裂紋擴展有重要作用。根據碳纖維/環氧樹脂復合材料在醫療建筑外立面中所發揮的作用，本文中只對其表面接觸性能和耐磨性能做了介紹。

表面接觸性能。對于碳纖維/環氧樹脂復合材料的表面接觸性能的研究，通過JC2000DM 接觸角測量儀對該種復合材料的3個不同的位置進行測試，取平均值作為結果。本文中研究了全氟乙烯丙烯共聚物和聚氨酯含量的不同對碳纖維/環氧樹脂復合材料表面接觸性能的影響，如圖1所示。

圖1 聚氨酯（a）和全氟乙烯丙烯共聚物（b）對碳纖維/環氧樹脂復合材料的表面接觸性能的影響Fig.1 The effect of polyurethane (a) and perfluoroethylene propylene copolymer (b) on the surface contact properties of carbon fiber/epoxy resin composites

從圖1（a）中可以發現，隨著聚氨酯含量的增加，碳纖維/環氧樹脂復合材料的接觸角呈先增大后減小的趨勢，且在聚氨酯含量在2%～6%時，聚氨酯含量的變化對復合材料表面接觸性能的影響不大，復合材料表現出疏水性能，而當聚氨酯含量增加到8%時，復合材料的表面接觸角減小，疏水性能較差。從圖1（b）中可以看出，隨著全氟乙烯丙烯共聚物含量的增加，碳纖維/環氧樹脂復合材料的接觸角呈先增大后減小的趨勢，滾動角呈先較小后增加的趨勢。綜合全氟乙烯丙烯共聚物含量對該復合材料表面接觸角和滾動角的影響，可以發現，在全氟乙烯丙烯共聚物含量達到40%時，碳纖維/環氧樹脂復合材料的表面接觸性能較好。

耐磨性能。對于碳纖維/環氧樹脂復合材料的耐磨性能的研究，通過MMG-5 滾動磨損試驗機進行實驗。本文中研究了聚氨酯含量（2%～6%）的不同對碳纖維/環氧樹脂復合材料耐磨性能的影響，對摩擦前后的試樣通過 FA2018 型分析電子天平稱其質量，對其質量變化計算，并根據公式計算磨損率：

通過實驗證明，隨聚氨酯含量的增加，使碳纖維/環氧樹脂復合材料磨損逐漸減小，聚氨酯含量為6%時，其材料的磨損率最小，此時該種復合材料的耐磨性能最好。由表1所示，從摩擦系數的測試結果來看，聚氨酯含量越高，摩擦系數越小，碳纖維/環氧樹脂復合材料的磨損性能越好。

表1 不同聚氨酯含量下碳纖維/環氧樹脂復合材料的摩擦系數Tab.1 Friction coefficient of carbon fiber/epoxy resin composites with different polyurethane content

3 結語

用于醫療建筑外立面的材料要想具有較長的使用壽命，必須具備較好的疏水性能和耐磨性能，本文中以碳纖維/環氧樹脂復合材料為例，對復合材料的性能進行研究，通過實驗證明，在適當的材料配比下，復合材料可以滿足醫療建筑外立面對于材料綜合性能的要求。且通過上述實驗證明，復合材料的性能可以通過改變組成復合材料的其中一種組分的含量來調節，這種性能優勢使其可以適應不同的場景要求，擴大其應用范圍。本文的研究對復合材料在各個領域，各種場景的應用研究具有指導意義。