建筑外立面装饰工程复合材料综合性能优势研究

路小军，曹 凯

（1.西安医学院 第二附属医院，陕西 西安 710038；2.新疆维吾尔自治区人民医院，新疆 乌鲁木齐 843000）

经济增长速度的加快以及建筑领域的迅猛发展，推进了高层建筑与大跨度建筑不断进步和发展，人们对于建筑艺术效果的追求以及对于建筑各方面的质量要求标准日益严格。传统的设计方法已经力不从心，经济和技术的发展为各个领域都带来新的技术，尤其是建筑外立面装饰材料的研究和发展所表现出的优势越来越明显。另外，建筑领域未来的发展趋势必然是节能、环保，在保证建筑节能、环保的基础上，保障建筑结构更加稳定，功能更优的外立面装饰材料的选择也日趋重要。同时，环境问题已经逐渐成为全球所关注的重要问题，综合性能优异，且符合环境和用户要求的建筑外立面装饰材料必然会成为建筑领域材料发展的趋势。另外，物质生活满足之后，人们更加注重对美的追求，因此，建筑的艺术效果也在不断提升，建筑外立面的曲面造型结构也层出不穷，应用广泛。但是，传统的建筑材料有一些难以弥补的缺点，尤其是在恶劣环境条件下使用寿命较短，造成资源浪费的同时也难以满足使用要求，开发适用于建筑外立面异形造型的新型材料也成为建筑领域的热点问题。针对上述建筑领域的发展需求，人们致力于开发、研究综合性能优异的材料，而复合材料则因其可设计性、可整体成型、自重轻、使用寿命长、成本低等各方面性能都突出的表现成为设计首选。医疗建筑因为特殊的用途对于装饰材料的要求和性能要求更高，本文针对这一点分析了复合材料在医用建筑外立面装饰工程中的性能优势。

1 复合材料

复合材料是一种混合物，具体是指以一种材料为基体，另一种材料或多种材料为增强体，通过物理或者化学方法组合而成的材料。复合材料融合了多种材料的综合性能，实现了各种材料在性能上的互补。复合材料的基本性能在一般情况下优于其组合中的任何一种材料，可以满足不同的使用条件和需求，扩大了其使用范围，随着科研技术的不断进步，复合材料已经开始慢慢取代传统材料。复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类，结构复合材料一般用于承力结构，主要由能承受一定应力的增强体部分和能够传递应力，同时又可以连接增强体的部分组成。对于结构功能复合材料的应用可以在一定程度上达到节约资源的目的。功能复合材料通常由功能体部分和基体部分组成，强调不同材料混合之后所体现的功能，功能复合材料未来的发展趋势是多功能复合材料。化学、物理等科研技术的不断进步，在各方面对于复合材料的研究也更加投入，因此，复合材料的发展逐渐表现出新的形势。复合材料由两种或两种以上的材料构成，因此其性能中包含了其组分中各种材料的优越性能，不仅弥补了单一材料在某一方面的不足，同时也能体现单一材料的优势。另外，复合材料的强度高、质量轻、化学腐蚀等性能突出，目前已经取代了一些金属和木质材料，在航空航天、医疗、建筑、化工等各行各业都表现出巨大的优势和独特的作用。各种技术都在随着经济和科技水平的提升而逐渐成熟，复合材料的发展前景十分乐观，其发展空间和应用前景也表现出良好的趋势。

2 建筑外立面装饰复合材料性能研究

为了研究医用建筑外立面装饰工程复合材料综合性能，本文将以碳纤维/环氧树脂复合材料为例，研究该种材料在医院外墙的装饰工程中的应用。

2.1 复合材料制备

碳纤维/环氧树脂复合材料主要由碳纤维布、环氧树脂、全氟乙烯丙烯共聚物、聚氨酯、疏水二氧化硅纳米粒子、氨基硅油、硝酸、固化剂、无水乙醇等为原料进行制备。将碳纤维布清洗干净并烘干之后置于适当浓度的硝酸中浸泡，浸泡温度为100 ℃，15 min后用蒸馏水冲洗除去多余的硝酸，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，加热至60 ℃，25 min之后取出烘干，得到疏水碳纤维布。将一定量的环氧树脂、乙酸乙酯、疏水二氧化硅纳米粒子和全氟乙烯丙烯共聚物等混合，超声30 min，加入适量的乙酸乙酯、环氧树脂和聚氨酯超声10 min，最后将固化剂和疏水碳纤维布加入上述超声过的混合溶液中浸泡10 min，取出常温固化6 h，烘干即可得到碳纤维/环氧树脂复合材料。

2.2 性能研究

通过对原始的碳纤维布和碳纤维/环氧树脂复合材料表面的观察，不难发现，在碳纤维布的纤维之间孔隙较多，整体的结构不够紧凑，而碳纤维/环氧树脂复合材料经过环氧树脂的填充，填补了纤维之间的孔隙，使其更加紧密；原始碳纤维布的纤维表面相对光滑，被硝酸浸泡过后，碳纤维的表面受到腐蚀会有很多凹坑，变得更加粗糙。碳纤维/环氧树脂复合材料中的碳纤维表面涂覆氨基硅油，形成一层保护性薄膜，不仅可以使碳纤维的疏水性能增强，还可以使碳纤维与环氧树脂2种物质的界面更加容易结合，对于压力传递和抑制裂纹扩展有重要作用。根据碳纤维/环氧树脂复合材料在医疗建筑外立面中所发挥的作用，本文中只对其表面接触性能和耐磨性能做了介绍。

表面接触性能。对于碳纤维/环氧树脂复合材料的表面接触性能的研究，通过JC2000DM 接触角测量仪对该种复合材料的3个不同的位置进行测试，取平均值作为结果。本文中研究了全氟乙烯丙烯共聚物和聚氨酯含量的不同对碳纤维/环氧树脂复合材料表面接触性能的影响，如图1所示。

图1 聚氨酯（a）和全氟乙烯丙烯共聚物（b）对碳纤维/环氧树脂复合材料的表面接触性能的影响Fig.1 The effect of polyurethane (a) and perfluoroethylene propylene copolymer (b) on the surface contact properties of carbon fiber/epoxy resin composites

从图1（a）中可以发现，随着聚氨酯含量的增加，碳纤维/环氧树脂复合材料的接触角呈先增大后减小的趋势，且在聚氨酯含量在2%～6%时，聚氨酯含量的变化对复合材料表面接触性能的影响不大，复合材料表现出疏水性能，而当聚氨酯含量增加到8%时，复合材料的表面接触角减小，疏水性能较差。从图1（b）中可以看出，随着全氟乙烯丙烯共聚物含量的增加，碳纤维/环氧树脂复合材料的接触角呈先增大后减小的趋势，滚动角呈先较小后增加的趋势。综合全氟乙烯丙烯共聚物含量对该复合材料表面接触角和滚动角的影响，可以发现，在全氟乙烯丙烯共聚物含量达到40%时，碳纤维/环氧树脂复合材料的表面接触性能较好。

耐磨性能。对于碳纤维/环氧树脂复合材料的耐磨性能的研究，通过MMG-5 滚动磨损试验机进行实验。本文中研究了聚氨酯含量（2%～6%）的不同对碳纤维/环氧树脂复合材料耐磨性能的影响，对摩擦前后的试样通过 FA2018 型分析电子天平称其质量，对其质量变化计算，并根据公式计算磨损率：

通过实验证明，随聚氨酯含量的增加，使碳纤维/环氧树脂复合材料磨损逐渐减小，聚氨酯含量为6%时，其材料的磨损率最小，此时该种复合材料的耐磨性能最好。由表1所示，从摩擦系数的测试结果来看，聚氨酯含量越高，摩擦系数越小，碳纤维/环氧树脂复合材料的磨损性能越好。

表1 不同聚氨酯含量下碳纤维/环氧树脂复合材料的摩擦系数Tab.1 Friction coefficient of carbon fiber/epoxy resin composites with different polyurethane content

3 结语

用于医疗建筑外立面的材料要想具有较长的使用寿命，必须具备较好的疏水性能和耐磨性能，本文中以碳纤维/环氧树脂复合材料为例，对复合材料的性能进行研究，通过实验证明，在适当的材料配比下，复合材料可以满足医疗建筑外立面对于材料综合性能的要求。且通过上述实验证明，复合材料的性能可以通过改变组成复合材料的其中一种组分的含量来调节，这种性能优势使其可以适应不同的场景要求，扩大其应用范围。本文的研究对复合材料在各个领域，各种场景的应用研究具有指导意义。