不同汽車隔熱膜阻隔紫外線的原理及效果

◆文/廣東 高繼軍 馬思邊 謝小平

不同汽車隔熱膜阻隔紫外線的原理及效果

◆文/廣東 高繼軍 馬思邊 謝小平

人們都說太陽是地球的萬物之源，但是，太陽光并不一定百分百對人類有益，通過在汽車玻璃粘貼隔熱膜實(shí)現(xiàn)對太陽光的光控選擇是合理利用太陽光的重要方式，汽車隔熱膜也成為改善汽車駕乘環(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，給自己的愛車貼膜成為大部分車主的自主選擇。

本文將從隔熱膜對太陽光中紫外線部分的光控性能進(jìn)行分析，進(jìn)而闡述汽車隔熱膜對紫外線實(shí)現(xiàn)光控的現(xiàn)實(shí)意義，希望對車主和貼膜技術(shù)人員具有參考價值。

一、什么是紫外線

太陽電磁波的范圍很廣，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 500nm，根據(jù)波長范圍和頻率，分為紫外線、可見光和紅外線。在這里要特別說明，太陽紫外線受到地球上很多因素的影響，例如地理緯度、海拔高度、一天內(nèi)的時間、空氣濕度、季節(jié)、云層、污染物等，因此與紫外線的科學(xué)定義的全波長范圍不同的是，能輻射到地球表面的太陽紫外線波段主要范圍是250～380nm，屬于近紫外區(qū)，這也是對汽車及駕乘人員影響最大的紫外線波段范圍。

二、紫外線對汽車及駕乘人員的影響

紫外線的特性是其光量子能量較高，比較容易引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，具體表現(xiàn)可以分為引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)和相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)兩個方面，當(dāng)然這些特性也有利弊。紫外線的有利應(yīng)用很常見，比如日常生產(chǎn)中有許多利用紫外線固化技術(shù)的應(yīng)用，還有生活中紫外線驗鈔技術(shù)、殺菌應(yīng)用等；有害方面主要表現(xiàn)是紫外線對人產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)會導(dǎo)致人皮膚過敏、曬傷，光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致有機(jī)聚合物(如塑料、涂料)及皮革類產(chǎn)品的老化、變色等缺陷的產(chǎn)生。從這個角度來看，太陽紫外線對于汽車駕乘來說，有害影響比較大，不管是對人(駕乘者)還是對車(內(nèi)飾件)。

1.紫外線對駕乘者的影響

紫外線對駕乘者的健康有著雙方面的影響，一方面適度的紫外線照射可以起到殺死和抑制身上細(xì)菌的作用，并且能促進(jìn)維生素D的合成等；另一方面，過量的紫外線輻射可能引起各種有害的生物學(xué)效應(yīng)。

根據(jù)紫外線定義中關(guān)于長、中、短波的進(jìn)一步區(qū)分，太陽紫外線中包含了全部的長波紫外線(UVA，315～380nm)，全部的中波紫外線(UVB，280～315nm)和部分的短波紫外線(UVC，250～280nm)。

UVA的影響主要是導(dǎo)致皮膚老化。由于UVA屬于在紫外線穿透能力最強(qiáng)的波段，所以可以直接影響到真皮組織，使皮膚中的彈性纖維蛋白變性，膠原蛋白纖維明顯減少，角質(zhì)細(xì)胞層增厚，毛細(xì)血管擴(kuò)張等，最終導(dǎo)致皮膚老化。

UVB相比之下穿透力較差，所以主要影響的是皮膚表皮層及真皮淺層，但是比較嚴(yán)重的是它能引起DNA損傷和蛋白變性，短期急性反應(yīng)是皮膚曬傷、紫外線過敏等，長期輻射則有致癌風(fēng)險；特別需要注意的是，相同劑量的UVB對皮膚的損傷比UVA約大800倍。

UVC對人體的傷害最大，短時間照射即可灼傷皮膚，長期或高強(qiáng)度照射更易致癌，但是UVC的穿透率最弱，透明的玻璃和塑料就可以有效阻隔，因此UVC對于駕乘人員和車內(nèi)飾并不形成威脅。

另外，過多的紫外線輻射也會對人的眼睛產(chǎn)生傷害，引起角膜炎、結(jié)膜炎以及白內(nèi)障等眼疾。

2.紫外線對汽車內(nèi)飾的影響

乘用車內(nèi)飾件一般包括儀表板總成、座椅及扶手、車門內(nèi)板、地毯和頂棚等部件，而乘用車內(nèi)飾件所用的材料包括乘用車工程材料和乘用車裝飾材料兩方面，基材的品種繁多，分類復(fù)雜，功能形式多樣。但是與太陽紫外線影響相關(guān)的內(nèi)飾材料，可以歸納為三類：織物類、天然皮革類以及高分子合成類。

⑴織物類車內(nèi)飾材料目前最常用的是滌綸纖維材料，主要原因是滌綸纖維在耐磨擦性能、耐霉變、易清洗及抗皺性方面有突出優(yōu)勢，但是紫外線輻射不僅僅會大大降低滌綸纖維以上的優(yōu)勢，還會影響織物本身的色牢度性能，使內(nèi)飾在短期內(nèi)即出現(xiàn)褪色、變硬、脆化甚至是破損等缺陷。

⑵天然皮革類車內(nèi)飾材料也稱真皮，是以是動物(牛、羊等)的生皮(原皮)為材料，通過進(jìn)行一系列化學(xué)和機(jī)械處理, 鞣制成一種不易腐爛、不易變質(zhì), 柔軟、堅韌且具有良好衛(wèi)生性能的材料。紫外線輻射對真皮的影響主要有以下方面：①加速皮革內(nèi)部纖維表面油脂的降解，破壞纖維之間的油膜結(jié)構(gòu)，使材料的柔軟性能降低，手感變差；②真皮內(nèi)的染色物在光的照射下，染料吸收光能，能級提高，分子處于激化狀態(tài)，染料分子的發(fā)色體系發(fā)生變化或遭到破壞，最終導(dǎo)致染料分解而使真皮發(fā)生變色或褪色現(xiàn)象；③加快真皮纖維的降解速度，降低纖維的抗拉伸性能、耐曲撓性能，最終導(dǎo)致真皮的物理性能的下降，使材料易磨損。

⑶高分子合成類包括塑料件和人工合成皮革。盡管汽車內(nèi)飾中的高分子材料種類繁雜，但是紫外線對它們的影響機(jī)理卻是類似的。①材料的物理性能老化：通過紫外光波攜帶的能量使材料內(nèi)部的大分子化學(xué)鍵受激發(fā)產(chǎn)生化學(xué)裂解，隨著分子鏈的斷裂，進(jìn)一步引發(fā)分子的自動氧化反應(yīng)，使材料交聯(lián)變脆，失去韌性和耐沖擊性；②材料的裝飾性能老化：隨著光老化進(jìn)一步發(fā)展，不飽和鍵，尤其是芳香環(huán)氧化，使材料快速變色。

3.隔熱膜對紫外線的光控現(xiàn)實(shí)意義

基于以上太陽紫外線各波段的特點(diǎn)，汽車隔熱膜對紫外線的光控現(xiàn)實(shí)意義是有效阻隔UVA和UVB波段，實(shí)際上，相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也是遵照類似邏輯來進(jìn)行紫外線阻隔定義，例如根據(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300～380nm的范圍。

三、汽車隔熱膜阻隔紫外線原理

為了實(shí)現(xiàn)對太陽紫外線的有效隔絕，應(yīng)用于汽車隔熱膜產(chǎn)品的紫外線光控材料主要有以下兩類—紫外線屏蔽類及紫外線吸收類。

1.紫外線屏蔽類

用屏蔽的方法阻隔紫外線，其主要原理是通過對紫外線的反射、折射的方法來達(dá)到阻止其穿透隔熱膜的目的。由于在對紫外光的反射及折射性能方面表現(xiàn)優(yōu)越，無機(jī)類的紫外線屏蔽劑比較常見，比如金屬類的鋁、鎳、金、銀等，陶瓷類的氧化銦錫(ITO)、氧化錫銻(ATO)和氮化鈦(TiNx)等都是優(yōu)良的紫外線屏蔽材料，可以有效阻隔太陽紫外光的同時又具備可見光的高透過率，在汽車隔熱膜上被廣泛應(yīng)用。實(shí)際生產(chǎn)過程中，金屬膜大多采用真空蒸發(fā)鍍膜和磁控濺射的工藝將金屬粒子均勻沉積和濺射在高張力的PET基材膜上；陶瓷粒子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，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。

目前最新的屏蔽類光選擇技術(shù)是微復(fù)制多層膜技術(shù)，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)的材料交替合成，膜厚控制為要反射的入射光波長的四分之一(λ0/4)。由于不同波段的光在不同透射率的介質(zhì)界面上會發(fā)生折射或反射，理論上講，在膜厚控制精準(zhǔn)的條件下，全介質(zhì)膜的膜層數(shù)足夠多時，可以對選擇波段范圍內(nèi)的入射光(比如紫外線)實(shí)現(xiàn)接近100%反射率。多層微復(fù)制光學(xué)膜就是利用這個原理實(shí)現(xiàn)光控目的，隔絕太陽紫外線的方式主要是反射。微復(fù)制多層膜技術(shù)并不需要額外添加金屬或陶瓷粒子，因此在耐腐蝕老化、可見光高透光率等方面更具優(yōu)勢。

2.紫外線吸收類

紫外線吸收劑是一類能有效吸收太陽紫外線而自身具有高度耐光性的物質(zhì)。其原理是通過強(qiáng)烈吸收紫外線并將其能量轉(zhuǎn)換成無害的能量(如熱能、可見光)形式并釋放出去，最終達(dá)到消除和阻隔紫外線的目的。具有這種功能的材料分為無機(jī)類和有機(jī)類。無機(jī)類紫外線吸收劑主要是隔熱膜內(nèi)的填料和顏料，如炭黑填料，可以通過浸染涂布到PET膜表面(浸染染色)或直接填充到PET膜本體內(nèi)(本體染色)的方法加到隔熱膜中，可以大大增加紫外線吸收性能；有機(jī)類紫外線吸收劑主要是有機(jī)染料，它們通常是高度共扼的有機(jī)或有機(jī)金屬分子，隔熱膜上常見的有機(jī)染料包括菁類、硫代雙烯類、芳甲烷類、偶氮類以及醌型等，生產(chǎn)中主要通過浸染染色的方式涂布到PET膜表面。

還有一種紫外線吸收劑本身不是為了防止紫外線穿透隔熱膜的，而是用來防止隔熱膜產(chǎn)品本身受紫外線照射老化的，一般稱為光穩(wěn)定劑，例如為了防止隔熱膜的粘膠層老化，在膠粘劑里面添加紫外線光穩(wěn)定劑，其原理與上述的紫外線吸收劑類似，都是有效地吸收紫外線，并立即將其轉(zhuǎn)化成無害的其他能量形式釋放出去，但是其成分與有機(jī)染料不一樣，比較常見的是是二苯甲酮、苯并三哇等類型的鄰經(jīng)基芳香化合物。在隔熱膜生產(chǎn)時，這類產(chǎn)品一般添加到粘膠劑里或均勻涂布在膜層與粘膠層之間的界面上。膜產(chǎn)品中的光穩(wěn)定劑雖然目的與紫外線吸收劑不一樣，但是結(jié)果都是有效的降低了紫外線在汽車隔熱膜上的穿透率。

四、不同類型隔熱膜對紫外線的阻隔性能

前文已經(jīng)提過，汽車熱膜產(chǎn)品的紫外線光控材料有不同種類，那么這些材料對太陽紫外線的光控性能有何差異呢？基于此疑問，選取可見光透光率接近40%，并且能夠代表光功能材料相關(guān)技術(shù)差異的五款典型汽車隔熱膜樣產(chǎn)品作為測試樣品，測試其光譜特性來分析其紫外線光控性能。

1.測試樣品。

測試樣品說明列于表1。

表1 測試樣品說明表

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，品牌及型號是Lambda 1050，檢測波段范圍300～380nm，檢測精度5nm。

3.紫外線光譜特征分析

圖1是選定的五款隔熱防爆膜產(chǎn)品的紫外線透射率光譜特征曲線圖，分析如下：⑴在300～355nm光譜區(qū)，五款膜的紫外線透射率都很低，小于0.5%。⑵在355～380nm光譜區(qū)，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355nm附近開始逐漸增加到380nm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375nm附近開始增加到380nm附近的2.5%～0.5%。⑶E膜(多層微復(fù)制光學(xué)膜)對全測試波段300～380nm范圍內(nèi)的紫外線保持幾乎100%的隔絕率。

圖1 所選五款隔熱防爆膜產(chǎn)品紫外線透射率光譜特征曲線圖

4.結(jié)論

使用吸收類紫外線光控材料的隔熱膜產(chǎn)品中，浸染工藝生產(chǎn)的A膜的紫外線隔絕性能與其他四款膜相比而言最差，僅為90%左右；但同為染色膜的B膜，由于制造工藝(本體染色)及顏料(無機(jī)染料)的區(qū)別，其紫外線隔絕性能卻表現(xiàn)出色，達(dá)到99%以上。使用屏蔽類紫外線光控材料的隔熱膜產(chǎn)品，C膜(陶瓷膜)和D膜(金屬膜)的紫外線隔絕率都接近99%，而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%。表2中用不同等級表述了五種材料對紫外線的隔絕性能。

五、結(jié)語

隨著先進(jìn)的光控材料和制造工藝更多的應(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)用時都有很多疑惑，相對于汽車隔熱膜透光率和隔熱率等性能的關(guān)注，普通車主對隔熱膜的紫外線阻隔率的認(rèn)識不深，而紫外線阻隔也是市場上劣質(zhì)汽車隔熱膜最容易缺失的性能。為了讓大家更多的了解車膜技術(shù)以及功用背景，避免對汽車隔熱膜本身性能的誤解，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，忽略對紫外線隔絕性能的評價等偏見，促使車主和技師在選擇車膜時有更多的針對性，并使汽車隔熱膜能更好的服務(wù)于廣大車主和汽車行業(yè)。

表2 實(shí)驗結(jié)論