從光譜特征分析看汽車隔熱防爆膜的光學(xué)性能

文：高繼軍、楊濤、初慶宇

從光譜特征分析看汽車隔熱防爆膜的光學(xué)性能

文：高繼軍、楊濤、初慶宇

近年來，隨著汽車經(jīng)濟(jì)在中國的快速增長，越來越多的個(gè)人與家庭擁有了自己的私家車。同時(shí)，汽車隔熱防爆膜作為改善汽車駕乘環(huán)境、增強(qiáng)行車安全以及降低汽車能耗的代表產(chǎn)品，逐漸被廣大車主所接受。如今，給自己的愛車貼膜已成為大部分車主的自主選擇。汽車隔熱防爆膜市場前景看好，發(fā)展快速，但是面對(duì)市場上種類繁多，良莠不齊的各種隔熱防爆膜產(chǎn)品，消費(fèi)者應(yīng)如何區(qū)分和選擇呢？

本文將選擇市場上幾種具有代表性的汽車隔熱防爆膜產(chǎn)品系列，通過分析其光譜特性的方式來評(píng)估其光學(xué)性能，希望對(duì)車主和貼膜技術(shù)人員具有參考價(jià)值。

1.太陽光能譜

我們知道，太陽是地球上能量的主要來源，從3種傳熱機(jī)理（傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射）的角度分析，太陽能是通過輻射的方式傳送給地球的，而這種輻射具體來講是以電磁波輻射的形式給地球帶來光和熱。電磁波的范圍很廣，但由于地球大氣層的存在，能真正穿透大氣層到達(dá)地球表面的太陽電磁波的波長范圍是250～2 500 nm。根據(jù)波長范圍和頻率，分為紫外線、可見光和紅外線。

（1）紫外線

紫外線實(shí)質(zhì)是紫外光譜，科學(xué)上定義其范圍是10～380 nm波長的電磁波。波長在10～200 nm稱為遠(yuǎn)紫外區(qū)，這種波長能夠被空氣中的N2、O2、CO2和水蒸氣所吸收，因此只能存在于真空中，與現(xiàn)實(shí)生活的相關(guān)性不大。波長在200～380 nm稱為近紫外區(qū)，一般的紫外光譜是指這一區(qū)域的吸收光譜。根據(jù)國際通用標(biāo)準(zhǔn)ISO9050-2003的說明，玻璃及貼膜的紫外線測試選擇300～380 nm的波長范圍。

紫外線的特性是其比較容易引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，有利方面是日常生產(chǎn)中有許多利用紫外線固化的應(yīng)用，生活中用紫外線驗(yàn)鈔、殺菌等；有害方面是紫外線會(huì)導(dǎo)致人皮膚過敏、曬傷，以及車內(nèi)飾件的老化、變色等缺陷的產(chǎn)生。紫外光的輻射能約占太陽光總輻射能的3%。

（2）可見光

可見光范圍的界定依據(jù)是人眼識(shí)別（感知）太陽光的范圍。當(dāng)然，以單一個(gè)體來說，每個(gè)人能看到的可見光范圍并非完全相同，因此玻璃貼膜的可見光測試范圍定義為波長380～780 nm的太陽光?？梢姽獾妮椛淠芗s占太陽光總輻射能的44%。

玻璃貼膜關(guān)于可見光部分的性能，除了關(guān)注其透過率之外，膜本身對(duì)可見光的反射率也很重要，特別是內(nèi)反射特性?？梢姽鈨?nèi)反射率高的膜，比較容易在車內(nèi)玻璃表面形成車內(nèi)環(huán)境及物品的鏡面映射，最終影響行車安全。

（3）紅外線

紅外線的定義是介于微波與可見光之間的電磁波，由于任何高于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線，所以其波長范圍很廣，一般將波長在780 ～1 000 nm定義為紅外線。但太陽光中輻射到地球的紅外線部分主要是近紅外線，也就是波長范圍在780～2 500 nm的電磁波，這個(gè)也是玻璃及貼膜的紅外線測試選擇的范圍。

紅外線顯著的特征是其熱效應(yīng)，簡單講就是相比紫外光和可見光，紅外線更容易被吸收，由光能（電磁能）轉(zhuǎn)化成熱能。紅外線的輻射能約占太陽光總輻射能的53%。因?yàn)槠錈嵝?yīng)和在太陽光里的高輻射能比重，玻璃貼膜的隔熱能力主要源于其對(duì)紅外線的隔絕能力。

2.汽車隔熱防爆膜產(chǎn)品的光學(xué)性能

了解完太陽光中3種光的特性后，基于汽車本身及駕乘人員的需求分析，我們不難推測，汽車隔熱防爆膜應(yīng)該具備以下光學(xué)性能。

（1）隔絕紫外線（最好是100%隔絕）。

（2）隔絕紅外線（最好是100%隔絕）。

（3）可供選擇的、合適的可見光穿透率以及低反光率。

其實(shí)以上性能，也是一款終極汽車隔熱膜的光學(xué)性能，或者說是目前汽車隔熱膜光學(xué)性能的研究發(fā)展方向。

3.汽車隔熱防爆膜的類型

目前市場上流通的汽車隔熱防爆膜種類繁多，分類方法各異。從技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用本質(zhì)兩方面來歸納，實(shí)際是采用光功能材料，對(duì)太陽光中各波段的光輻射強(qiáng)度按照汽車本身及駕乘人員要求進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。所以本文依照與膜中的光功能材料相關(guān)的技術(shù)差異來進(jìn)行分類，主要有染色膜、陶瓷膜、金屬膜和多層微復(fù)制光學(xué)膜。

（1）染色膜

染色膜是將有機(jī)顏料或無機(jī)顏料通過浸染或本體加注的方法對(duì)聚酯膜材料上色，依靠顏料本身的光學(xué)性能來達(dá)到調(diào)整和控制光輻射強(qiáng)度的目的。常見的有機(jī)染料包括菁類、硫代雙烯類、芳甲烷類、偶氮類以及醌型等。無機(jī)染料包括金屬微粒和無機(jī)化合物等。染色膜主要通過吸收的方式來隔絕太陽光。

（2）陶瓷膜

陶瓷膜中的光功能材料主要是金屬氧化物，應(yīng)用于隔熱防爆膜領(lǐng)域比較典型的是納米級(jí)的氧化銦錫（ITO）、氧化錫銻（ATO）等材料，新興材料主要有氮化鈦（TiNx）等。由于ITO與ATO是一種自由電子氣模材料，表現(xiàn)出類金屬性，其實(shí)質(zhì)是半導(dǎo)體材料，因此其光控性能與金屬相比有其特殊的地方。例如，ITO薄膜對(duì)紫外光區(qū)以及近紅外區(qū)的光線反射率很高，但在可見光區(qū)的透過率卻非常好。陶瓷膜可以歸類為半導(dǎo)體膜，其生產(chǎn)可以通過涂布法、物理氣相沉淀法以及化學(xué)氣相沉淀法等工藝進(jìn)行。陶瓷膜主要通過反射的方式來隔絕太陽光。

（3）金屬膜

金屬膜中的光功能材料主要是金屬，一般具有很高電導(dǎo)率的金屬都對(duì)電磁波有良好的反射特性。因此，鋁、鎳甚至是昂貴的金、銀等金屬作為汽車隔熱防爆膜的鍍膜材料被廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)主要是采用真空蒸發(fā)鍍膜和磁控濺射的工藝。金屬膜隔絕太陽光的方式主要是反射。

（4）多層微復(fù)制光學(xué)膜

多層微復(fù)制光學(xué)膜本質(zhì)是全介質(zhì)高反射膜的一種，基本結(jié)構(gòu)是由光疏介質(zhì)（高透射率）和光密介質(zhì)（低透射率）的材料交替的合成，膜厚控制為要反射的入射光波長的四分之一。由于不同波段的光在不同透射率的介質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生折射或反射，理論上講，全介質(zhì)膜堆場的膜層數(shù)足夠多時(shí)，可以對(duì)入射光實(shí)現(xiàn)接近100%反射率。多層微復(fù)制光學(xué)膜就是利用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)光控目的，隔絕太陽光的方式主要是反射。

4. 汽車隔熱防爆膜性能測試

前文已經(jīng)提過，衡量汽車防爆隔熱膜光學(xué)性能的4個(gè)方面包括：透光率、內(nèi)反射率、紫外線隔絕率和總隔熱率。其中，透光率和內(nèi)反射率是反映可見光部分的性能，主要涉及行車安全性；紫外線隔絕率則針對(duì)紫外線，通常與防曬，內(nèi)飾老化等方面相關(guān)；總隔熱率與紫外線、可見光和紅外線都有關(guān)，但紅外線由于具有熱效應(yīng)和在太陽光中的高輻射能比重的特性，我們?cè)趯?duì)比相同透光率產(chǎn)品時(shí)，可從其紅外線隔絕能力上判斷膜的總隔熱性能趨勢。

（1）測試樣品

我們選取透光率接近40%，并且能夠代表光功能材料相關(guān)技術(shù)差異的5款典型汽車隔熱膜產(chǎn)品作為測試樣品，通過測試其光譜特性來分析其光學(xué)性能。

①染色膜系列：A樣品（浸染工藝，有機(jī)顏料）；B樣品（本體染色，無機(jī)顏料）。

②陶瓷膜系列：C樣品（鈦化合物）。

③金屬膜系列：D樣品（鎳）。

④多層微復(fù)制光學(xué)膜系列：E樣品。

（2）測試儀器

測試光譜特征的儀器是紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)，品牌及型號(hào)是Lambda 1050，檢測波段范圍300～2 500 nm，檢測精度5 nm。

（3）光譜特征分析

①紫外線光譜特征分析

圖1是5款隔熱防爆膜產(chǎn)品的紫外線透射率光譜特征曲線圖，分析如下。

a.在紫外線光譜區(qū)300～355 nm，5款膜的紫外線透射率都很低，小于0.5%。

b.在紫外線光譜區(qū)355～380 nm，各款膜的紫外線透射曲線開始分化：A膜（浸染染色膜）的紫外線透射比從355 nm附近開始逐漸增加到380 nm附近的10%；D膜（金屬膜）、C膜（陶瓷膜）以及B膜（本體染色膜）的紫外線透射比從375 nm附近開始增加到380 nm附近的2.5%～0.5%。

c. E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）對(duì)全測試波段300～380 nm范圍內(nèi)的紫外線保持幾乎100%的隔絕率。

②可見光透射率光譜特征分析

圖2是5款隔熱防爆膜產(chǎn)品的可見光透射率光譜特征曲線圖，由于測試樣品在選擇之初就希望對(duì)比透光率（可見光透射率）接近的產(chǎn)品，因此選擇的這5款膜的平均透光率均在40%左右。分析如下。

a.在可見光譜區(qū)380～780 nm，A膜（浸染染色膜）透射率曲線波動(dòng)最大，出現(xiàn)4個(gè)明顯波峰和3個(gè)波谷，最高波峰（780 nm附近峰值約為90%）與最低波谷（690 nm附近谷值約為20%）的透射率相差為70%。

b.在可見光譜區(qū)380～630 nm，B膜（本體染色膜）透射率變化不大，約為40%；在630～780 nm的范圍，其透射率數(shù)值逐漸升高至約60%。

c.在可見光譜區(qū)380～780 nm，D膜（金屬膜）、C膜（陶瓷膜）以及E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）透射率變化不大。

③可見光反射率光譜特征分析

圖3是5款隔熱防爆膜產(chǎn)品的可見光內(nèi)反射率光譜特征曲線圖，分析如下。

a.在可見光譜區(qū)380～780 nm，C膜（陶瓷膜）和D膜（金屬膜）的可見光內(nèi)反射率較高，平均數(shù)值約18%。

b.在可見光譜區(qū)380～780 nm，A膜（浸染染色膜）、B膜（本體染色膜）以及E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）的可見光內(nèi)反射率較低，平均數(shù)值約6%。

④紅外線光譜特征分析

圖4是5款隔熱防爆膜產(chǎn)品的紅外線透射率光譜特征曲線圖，分析如下。

a.在紅外線光譜區(qū)780～2 500 nm，A膜（浸染染色膜）、B膜（本體染色膜）、D膜（金屬膜）、C膜（陶瓷膜）的透射曲線波動(dòng)不大，數(shù)值分別約為90%、70%、30%、20%。

b.在紅外線光譜區(qū)780～2 500 nm，E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）僅在光譜區(qū)1 180 nm附近出現(xiàn)一個(gè)波峰，數(shù)值約為20%，其余大部分的紅外線透射率趨向于0%，紅外線全測試波段的平均透射率低于3%。

（4）結(jié)論

①紫外線隔絕性能

使用浸染工藝的A膜的紫外線隔絕性能與其他4款膜相比而言最差，僅為90%左右；而同為染色膜的B膜，由于制造工藝（本體染色）及顏料（無機(jī)染料）的區(qū)別，其紫外線隔絕性能甚至優(yōu)于C膜（陶瓷膜）和D膜（金屬膜），達(dá)到98%以上；E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）的紫外線隔絕性能最好，數(shù)值接近100%。

②可見光相關(guān)性能

a.可見光透射率（透光率）

A膜（浸染染色膜）透射率曲線波動(dòng)最大，依照肉眼分辨顏色的原理，A膜外觀會(huì)呈現(xiàn)出一定的彩虹紋色差缺陷。導(dǎo)致該問題產(chǎn)生的原因主要有2個(gè)方面，一方面可能是浸染工藝中顏料的分布不均勻，另一方面是有機(jī)顏料老化程度的差異所致。而同為染色膜的B膜，由于制造工藝與顏料的差別，其可見光透射率曲線波動(dòng)不大，與其他3款膜一樣，外觀表現(xiàn)顏色均勻無色差。

b.可見光內(nèi)反射率（內(nèi)反光率）

由于可見光內(nèi)反射率與行車安全相關(guān)，因此，汽車隔熱防爆膜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GA/T 744-2013）中明確要求車膜的內(nèi)反光率要低于20%。汽車車窗玻璃在未貼膜時(shí)的內(nèi)反光率范圍是7%～12%。C膜（陶瓷膜）和D膜（金屬膜）的內(nèi)反光率較高，平均數(shù)值接近18%；A膜（浸染染色膜）、B膜（本體染色膜）以及E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）的內(nèi)反光率較低，平均數(shù)值約6%，甚至低于玻璃本身的內(nèi)反光率，這3款膜的內(nèi)反光性能優(yōu)異。

③紅外線隔絕性能

由于測試的5款產(chǎn)品可見光透射率水平接近，因此可以從其紅外線隔絕能力上判斷膜的總隔熱性能趨勢。

a.A膜（浸染染色膜）的紅外線隔絕性能最差，數(shù)值僅為10%左右；B膜（本體染色膜）紅外隔絕性能雖然優(yōu)于A膜，但數(shù)值也僅為30%；在紅外線隔絕性能上，染色膜整體表現(xiàn)較差。

b.C膜（陶瓷膜）和D膜（金屬膜）的紅外隔絕性能較高，平均數(shù)值接近80%，與染色膜相比，陶瓷膜和金屬膜在隔熱性能上的優(yōu)勢明顯。

c.E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）的紅外隔絕性能最好，平均數(shù)值超過97%，這同時(shí)也反映了其總隔熱性能上的優(yōu)異性。從其紅外線透射曲線上還可以看出多層微復(fù)制光學(xué)膜對(duì)不同波段的太陽光反射具有很強(qiáng)的選項(xiàng)性控制性能。

圖5中列舉了采用不同光控材料及工藝的膜與其光學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們?cè)诹私廛嚹ぎa(chǎn)品的技術(shù)背景和光學(xué)特性的同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合自身需求以及車況選擇產(chǎn)品，這樣才能真正達(dá)到物盡其用、物有所值的最終目的。

隨著先進(jìn)的光控材料和制造工藝更多地應(yīng)用于汽車隔熱防爆膜領(lǐng)域，高質(zhì)量車膜的光學(xué)性能得到持續(xù)提升。但是面對(duì)市場上種類和品牌繁多的車膜產(chǎn)品，不管是車主還是汽車美容技師，在產(chǎn)品選擇和應(yīng)用前都應(yīng)該更多地了解車膜技術(shù)以及功用背景，這樣不僅能避免對(duì)車膜本身性能的誤解（例如認(rèn)為所有染色膜的光學(xué)性能都不好，金屬膜一定是高端膜等偏見），還能促使車主和技師在選擇車膜時(shí)有更多的針對(duì)性，并使車膜最終更好地服務(wù)于廣大車主和汽車行業(yè)。