从光谱特征分析看汽车隔热防爆膜的光学性能

文：高继军、杨涛、初庆宇

从光谱特征分析看汽车隔热防爆膜的光学性能

文：高继军、杨涛、初庆宇

近年来，随着汽车经济在中国的快速增长，越来越多的个人与家庭拥有了自己的私家车。同时，汽车隔热防爆膜作为改善汽车驾乘环境、增强行车安全以及降低汽车能耗的代表产品，逐渐被广大车主所接受。如今，给自己的爱车贴膜已成为大部分车主的自主选择。汽车隔热防爆膜市场前景看好，发展快速，但是面对市场上种类繁多，良莠不齐的各种隔热防爆膜产品，消费者应如何区分和选择呢？

本文将选择市场上几种具有代表性的汽车隔热防爆膜产品系列，通过分析其光谱特性的方式来评估其光学性能，希望对车主和贴膜技术人员具有参考价值。

1.太阳光能谱

我们知道，太阳是地球上能量的主要来源，从3种传热机理（传导、对流和辐射）的角度分析，太阳能是通过辐射的方式传送给地球的，而这种辐射具体来讲是以电磁波辐射的形式给地球带来光和热。电磁波的范围很广，但由于地球大气层的存在，能真正穿透大气层到达地球表面的太阳电磁波的波长范围是250～2 500 nm。根据波长范围和频率，分为紫外线、可见光和红外线。

（1）紫外线

紫外线实质是紫外光谱，科学上定义其范围是10～380 nm波长的电磁波。波长在10～200 nm称为远紫外区，这种波长能够被空气中的N2、O2、CO2和水蒸气所吸收，因此只能存在于真空中，与现实生活的相关性不大。波长在200～380 nm称为近紫外区，一般的紫外光谱是指这一区域的吸收光谱。根据国际通用标准ISO9050-2003的说明，玻璃及贴膜的紫外线测试选择300～380 nm的波长范围。

紫外线的特性是其比较容易引发化学反应，有利方面是日常生产中有许多利用紫外线固化的应用，生活中用紫外线验钞、杀菌等；有害方面是紫外线会导致人皮肤过敏、晒伤，以及车内饰件的老化、变色等缺陷的产生。紫外光的辐射能约占太阳光总辐射能的3%。

（2）可见光

可见光范围的界定依据是人眼识别（感知）太阳光的范围。当然，以单一个体来说，每个人能看到的可见光范围并非完全相同，因此玻璃贴膜的可见光测试范围定义为波长380～780 nm的太阳光。可见光的辐射能约占太阳光总辐射能的44%。

玻璃贴膜关于可见光部分的性能，除了关注其透过率之外，膜本身对可见光的反射率也很重要，特别是内反射特性。可见光内反射率高的膜，比较容易在车内玻璃表面形成车内环境及物品的镜面映射，最终影响行车安全。

（3）红外线

红外线的定义是介于微波与可见光之间的电磁波，由于任何高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线，所以其波长范围很广，一般将波长在780 ～1 000 nm定义为红外线。但太阳光中辐射到地球的红外线部分主要是近红外线，也就是波长范围在780～2 500 nm的电磁波，这个也是玻璃及贴膜的红外线测试选择的范围。

红外线显著的特征是其热效应，简单讲就是相比紫外光和可见光，红外线更容易被吸收，由光能（电磁能）转化成热能。红外线的辐射能约占太阳光总辐射能的53%。因为其热效应和在太阳光里的高辐射能比重，玻璃贴膜的隔热能力主要源于其对红外线的隔绝能力。

2.汽车隔热防爆膜产品的光学性能

了解完太阳光中3种光的特性后，基于汽车本身及驾乘人员的需求分析，我们不难推测，汽车隔热防爆膜应该具备以下光学性能。

（1）隔绝紫外线（最好是100%隔绝）。

（2）隔绝红外线（最好是100%隔绝）。

（3）可供选择的、合适的可见光穿透率以及低反光率。

其实以上性能，也是一款终极汽车隔热膜的光学性能，或者说是目前汽车隔热膜光学性能的研究发展方向。

3.汽车隔热防爆膜的类型

目前市场上流通的汽车隔热防爆膜种类繁多，分类方法各异。从技术发展及应用本质两方面来归纳，实际是采用光功能材料，对太阳光中各波段的光辐射强度按照汽车本身及驾乘人员要求进行智能调节。所以本文依照与膜中的光功能材料相关的技术差异来进行分类，主要有染色膜、陶瓷膜、金属膜和多层微复制光学膜。

（1）染色膜

染色膜是将有机颜料或无机颜料通过浸染或本体加注的方法对聚酯膜材料上色，依靠颜料本身的光学性能来达到调整和控制光辐射强度的目的。常见的有机染料包括菁类、硫代双烯类、芳甲烷类、偶氮类以及醌型等。无机染料包括金属微粒和无机化合物等。染色膜主要通过吸收的方式来隔绝太阳光。

（2）陶瓷膜

陶瓷膜中的光功能材料主要是金属氧化物，应用于隔热防爆膜领域比较典型的是纳米级的氧化铟锡（ITO）、氧化锡锑（ATO）等材料，新兴材料主要有氮化钛（TiNx）等。由于ITO与ATO是一种自由电子气模材料，表现出类金属性，其实质是半导体材料，因此其光控性能与金属相比有其特殊的地方。例如，ITO薄膜对紫外光区以及近红外区的光线反射率很高，但在可见光区的透过率却非常好。陶瓷膜可以归类为半导体膜，其生产可以通过涂布法、物理气相沉淀法以及化学气相沉淀法等工艺进行。陶瓷膜主要通过反射的方式来隔绝太阳光。

（3）金属膜

金属膜中的光功能材料主要是金属，一般具有很高电导率的金属都对电磁波有良好的反射特性。因此，铝、镍甚至是昂贵的金、银等金属作为汽车隔热防爆膜的镀膜材料被广泛应用，生产主要是采用真空蒸发镀膜和磁控溅射的工艺。金属膜隔绝太阳光的方式主要是反射。

（4）多层微复制光学膜

多层微复制光学膜本质是全介质高反射膜的一种，基本结构是由光疏介质（高透射率）和光密介质（低透射率）的材料交替的合成，膜厚控制为要反射的入射光波长的四分之一。由于不同波段的光在不同透射率的介质界面上会发生折射或反射，理论上讲，全介质膜堆场的膜层数足够多时，可以对入射光实现接近100%反射率。多层微复制光学膜就是利用这个原理实现光控目的，隔绝太阳光的方式主要是反射。

4. 汽车隔热防爆膜性能测试

前文已经提过，衡量汽车防爆隔热膜光学性能的4个方面包括：透光率、内反射率、紫外线隔绝率和总隔热率。其中，透光率和内反射率是反映可见光部分的性能，主要涉及行车安全性；紫外线隔绝率则针对紫外线，通常与防晒，内饰老化等方面相关；总隔热率与紫外线、可见光和红外线都有关，但红外线由于具有热效应和在太阳光中的高辐射能比重的特性，我们在对比相同透光率产品时，可从其红外线隔绝能力上判断膜的总隔热性能趋势。

（1）测试样品

我们选取透光率接近40%，并且能够代表光功能材料相关技术差异的5款典型汽车隔热膜产品作为测试样品，通过测试其光谱特性来分析其光学性能。

①染色膜系列：A样品（浸染工艺，有机颜料）；B样品（本体染色，无机颜料）。

②陶瓷膜系列：C样品（钛化合物）。

③金属膜系列：D样品（镍）。

④多层微复制光学膜系列：E样品。

（2）测试仪器

测试光谱特征的仪器是紫外/可见/近红外分光光度计，品牌及型号是Lambda 1050，检测波段范围300～2 500 nm，检测精度5 nm。

（3）光谱特征分析

①紫外线光谱特征分析

图1是5款隔热防爆膜产品的紫外线透射率光谱特征曲线图，分析如下。

a.在紫外线光谱区300～355 nm，5款膜的紫外线透射率都很低，小于0.5%。

b.在紫外线光谱区355～380 nm，各款膜的紫外线透射曲线开始分化：A膜（浸染染色膜）的紫外线透射比从355 nm附近开始逐渐增加到380 nm附近的10%；D膜（金属膜）、C膜（陶瓷膜）以及B膜（本体染色膜）的紫外线透射比从375 nm附近开始增加到380 nm附近的2.5%～0.5%。

c. E膜（多层微复制光学膜）对全测试波段300～380 nm范围内的紫外线保持几乎100%的隔绝率。

②可见光透射率光谱特征分析

图2是5款隔热防爆膜产品的可见光透射率光谱特征曲线图，由于测试样品在选择之初就希望对比透光率（可见光透射率）接近的产品，因此选择的这5款膜的平均透光率均在40%左右。分析如下。

a.在可见光谱区380～780 nm，A膜（浸染染色膜）透射率曲线波动最大，出现4个明显波峰和3个波谷，最高波峰（780 nm附近峰值约为90%）与最低波谷（690 nm附近谷值约为20%）的透射率相差为70%。

b.在可见光谱区380～630 nm，B膜（本体染色膜）透射率变化不大，约为40%；在630～780 nm的范围，其透射率数值逐渐升高至约60%。

c.在可见光谱区380～780 nm，D膜（金属膜）、C膜（陶瓷膜）以及E膜（多层微复制光学膜）透射率变化不大。

③可见光反射率光谱特征分析

图3是5款隔热防爆膜产品的可见光内反射率光谱特征曲线图，分析如下。

a.在可见光谱区380～780 nm，C膜（陶瓷膜）和D膜（金属膜）的可见光内反射率较高，平均数值约18%。

b.在可见光谱区380～780 nm，A膜（浸染染色膜）、B膜（本体染色膜）以及E膜（多层微复制光学膜）的可见光内反射率较低，平均数值约6%。

④红外线光谱特征分析

图4是5款隔热防爆膜产品的红外线透射率光谱特征曲线图，分析如下。

a.在红外线光谱区780～2 500 nm，A膜（浸染染色膜）、B膜（本体染色膜）、D膜（金属膜）、C膜（陶瓷膜）的透射曲线波动不大，数值分别约为90%、70%、30%、20%。

b.在红外线光谱区780～2 500 nm，E膜（多层微复制光学膜）仅在光谱区1 180 nm附近出现一个波峰，数值约为20%，其余大部分的红外线透射率趋向于0%，红外线全测试波段的平均透射率低于3%。

（4）结论

①紫外线隔绝性能

使用浸染工艺的A膜的紫外线隔绝性能与其他4款膜相比而言最差，仅为90%左右；而同为染色膜的B膜，由于制造工艺（本体染色）及颜料（无机染料）的区别，其紫外线隔绝性能甚至优于C膜（陶瓷膜）和D膜（金属膜），达到98%以上；E膜（多层微复制光学膜）的紫外线隔绝性能最好，数值接近100%。

②可见光相关性能

a.可见光透射率（透光率）

A膜（浸染染色膜）透射率曲线波动最大，依照肉眼分辨颜色的原理，A膜外观会呈现出一定的彩虹纹色差缺陷。导致该问题产生的原因主要有2个方面，一方面可能是浸染工艺中颜料的分布不均匀，另一方面是有机颜料老化程度的差异所致。而同为染色膜的B膜，由于制造工艺与颜料的差别，其可见光透射率曲线波动不大，与其他3款膜一样，外观表现颜色均匀无色差。

b.可见光内反射率（内反光率）

由于可见光内反射率与行车安全相关，因此，汽车隔热防爆膜行业标准（GA/T 744-2013）中明确要求车膜的内反光率要低于20%。汽车车窗玻璃在未贴膜时的内反光率范围是7%～12%。C膜（陶瓷膜）和D膜（金属膜）的内反光率较高，平均数值接近18%；A膜（浸染染色膜）、B膜（本体染色膜）以及E膜（多层微复制光学膜）的内反光率较低，平均数值约6%，甚至低于玻璃本身的内反光率，这3款膜的内反光性能优异。

③红外线隔绝性能

由于测试的5款产品可见光透射率水平接近，因此可以从其红外线隔绝能力上判断膜的总隔热性能趋势。

a.A膜（浸染染色膜）的红外线隔绝性能最差，数值仅为10%左右；B膜（本体染色膜）红外隔绝性能虽然优于A膜，但数值也仅为30%；在红外线隔绝性能上，染色膜整体表现较差。

b.C膜（陶瓷膜）和D膜（金属膜）的红外隔绝性能较高，平均数值接近80%，与染色膜相比，陶瓷膜和金属膜在隔热性能上的优势明显。

c.E膜（多层微复制光学膜）的红外隔绝性能最好，平均数值超过97%，这同时也反映了其总隔热性能上的优异性。从其红外线透射曲线上还可以看出多层微复制光学膜对不同波段的太阳光反射具有很强的选项性控制性能。

图5中列举了采用不同光控材料及工艺的膜与其光学性能的对应关系，我们在了解车膜产品的技术背景和光学特性的同时，还应结合自身需求以及车况选择产品，这样才能真正达到物尽其用、物有所值的最终目的。

随着先进的光控材料和制造工艺更多地应用于汽车隔热防爆膜领域，高质量车膜的光学性能得到持续提升。但是面对市场上种类和品牌繁多的车膜产品，不管是车主还是汽车美容技师，在产品选择和应用前都应该更多地了解车膜技术以及功用背景，这样不仅能避免对车膜本身性能的误解（例如认为所有染色膜的光学性能都不好，金属膜一定是高端膜等偏见），还能促使车主和技师在选择车膜时有更多的针对性，并使车膜最终更好地服务于广大车主和汽车行业。