文：高繼軍、楊濤、盧佳

汽車隔熱膜光控性能的現(xiàn)實意義
——紅外線篇

文：高繼軍、楊濤、盧佳

合理利用太陽能是當(dāng)今節(jié)能環(huán)保技術(shù)的重要發(fā)展方向。太陽光由紫外線、可見光和紅外線三部分組成，但對于汽車駕乘來說，并不是太陽光的所有組成部分都是有益的。比如我們比較熟悉的太陽光危害有：紫外線導(dǎo)致的皮膚曬傷和內(nèi)飾老化、強(qiáng)可見光導(dǎo)致的眩光以及紅外線導(dǎo)致的熱效應(yīng)等。因此阻隔太陽光中的有害成分成了廣大車主的重要需求，而阻隔太陽光的實質(zhì)是對進(jìn)入到車內(nèi)的太陽光實現(xiàn)光控選擇。目前在汽車后市場中主要通過在汽車玻璃粘貼隔熱膜來實現(xiàn)，以達(dá)到改善汽車駕乘環(huán)境、增強(qiáng)行車安全以及降低汽車能耗的目的。

本文將從隔熱膜對太陽光中紅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紅外線實現(xiàn)光控的現(xiàn)實意義，希望對車主和貼膜技術(shù)人員具有參考價值。

1.紅外線

（1）紅外線的定義

廣義紅外線在科學(xué)上定義其范圍是760～1x106nm的電磁波。它還可以細(xì)分為近紅外（760～2 500 nm）、中紅外（2 500～2.5x104nm）和遠(yuǎn)紅外（2 500～1x106nm）3個波段。但這里我們需要注意區(qū)分廣義紅外線與太陽紅外線的區(qū)別。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主要是250～2 500 nm的范圍。根據(jù)紅外線科學(xué)定義的波長和頻率范圍，能輻射到地球表面的太陽光中紅外線的波段范圍是780～2 500 nm，屬于近紅外`的范疇，這也是對汽車及駕乘人員影響最大的紅外線波段范圍。為方便論述，本文后續(xù)提到的紅外線均限于輻射到地球表面的太陽紅外線（780～2 500 nm），即近紅外線。

（2）紅外線的特性

紅外線的重要特性是具有顯著的熱效應(yīng)（加熱效應(yīng)），也正是這個特性讓人類肉眼無法感應(yīng)的紅外線最終被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。1800年，英國天文學(xué)家赫歇耳為了研究光和熱的關(guān)系，把溫度計置于太陽光譜的不同顏色區(qū)域，觀察到在可見光譜的紅光端，溫度計的讀數(shù)比在可見光譜區(qū)域高得多，從而發(fā)現(xiàn)了紅外輻射（紅外線）的存在及其熱效應(yīng)。

相比于紫外線和可見光，紅外線具有顯著熱效應(yīng)的原因主要有2個方面。一方面是因為紅外線的能量占比大：在輻射到地球表面的太陽能中，紅外線部分的比例最大，約占總太陽能輻射量的53%，而可見光部分占44%，紫外線部分僅占3%。這也就是說，如果把太陽的全部光能轉(zhuǎn)換成熱能，將有53%的熱能來自紅外線。另一方面是因為紅外線更容易從光能轉(zhuǎn)換成熱能：熱能和輻射能（光能）之間的相互轉(zhuǎn)化，是由于無規(guī)則運(yùn)動引起粒子的相互碰撞，使粒子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化的結(jié)果。而紅外線由于其振動頻率相對更接近物質(zhì)的頻率，因此更容易引起物質(zhì)的共振，讓光能轉(zhuǎn)換成熱能。

紅外線還有其他一些特性，比如穿透云霧的能力強(qiáng)等，但與汽車駕乘關(guān)系不大，因此本文將重點(diǎn)介紹紅外線的熱效應(yīng)。

2.太陽紅外線對汽車駕乘人員的影響

與太陽光中其他射線相比，人們對紅外線的影響認(rèn)識并不充分，很多觀念僅僅停留在夏季致熱導(dǎo)致駕乘舒適度降低和油耗增加的水平。其實紅外線對駕乘者的主要影響還包括行車安全和健康等方面。

（1）舒適度及行車安全方面的影響

在炎熱的夏季，如果人體皮膚暴露在太陽直射下15～20 min，溫度可升高至40～43℃，而這些熱量主要是來自紅外線輻射能轉(zhuǎn)換成的熱能。駕乘舒適度不僅僅影響駕乘者的感覺，而且也影響行車安全。根據(jù)VOLVO汽車公司的研究，車內(nèi)溫度由21℃提高到27℃時，駕駛者高溫下犯錯誤的幾率提高50%，反映時間減緩22%，車內(nèi)溫度對駕駛者的精神狀態(tài)有極大的影響，由此可見駕乘舒適度對于安全行車的重要性。

（2）對駕乘人員的健康影響

太陽紅外線對駕乘者的健康有著雙方面的影響。紅外線光輻射和熱作為皮膚日常主要的環(huán)境因素，可誘導(dǎo)皮膚多個組分發(fā)生變化。直接影響主要體現(xiàn)在以下2方面：一方面是在皮膚老化方面對彈性蛋白和膠原蛋白的影響，另一方面是在人體關(guān)節(jié)方面對纖黏蛋白、硫酸軟骨素等也具有顯著調(diào)節(jié)作用。還有間接影響，例如對保濕抗衰老作用強(qiáng)大的透明質(zhì)酸，和以抗炎效能著稱的硫酸皮膚素等這類氨基葡聚糖也有所影響。這些效應(yīng)使得皮膚真皮層結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變：一方面其危害性是能加速光老化進(jìn)程，另一方面又有觸發(fā)潛在保護(hù)機(jī)制延遲皮膚老化，故其在皮膚老化方面具有雙面性。但是，研究也表明，過多的太陽紅外線輻射會大大增加皮膚損傷和老化的發(fā)生幾率，這對于長時間駕乘者來說，其危害性無疑是主要影響。

（3）隔熱膜對紅外線的光控現(xiàn)實意義

基于以上太陽紅外線特點(diǎn)，汽車隔熱膜對紅外線的光控現(xiàn)實意義是有效阻隔太陽輻射的熱量，從而達(dá)到提高駕乘舒適度和行車安全性、保護(hù)駕乘人員健康并降低汽車能耗的目的。

3.汽車隔熱膜阻隔紅外線原理

為實現(xiàn)對太陽紅外線有效隔絕的目的，汽車隔熱膜產(chǎn)品實際上是在薄膜基材上通過一定的涂布和鍍膜工藝制備一層或多層對紅外線有光控作用的薄膜，依據(jù)隔絕原理進(jìn)行區(qū)分，目前主要有反射型和吸收型兩類（表1）。

（1）紅外線反射型汽車隔熱膜技術(shù)

表1 汽車隔熱膜類型

用反射的方法阻隔紅外線，目前應(yīng)用在汽車隔熱膜上的技術(shù)主要有陶瓷膜、金屬膜（或金屬復(fù)合膜）以及全介質(zhì)多層膜。

陶瓷膜用膜材料主要是具有可見光高透過率、紅外線高反射率的陶瓷粒子，特別是納米級別的陶瓷粒子是1種自由電子氣模材料。由于納米固體中的原子排列既不同于長程有序的晶體，也不同于長程無序、短程有序的“氣體狀”固體結(jié)構(gòu)，是1種介于固體和分子間的亞穩(wěn)中間態(tài)物質(zhì)。因此有人把納米材料稱之為晶態(tài)、非晶態(tài)之外的“第三態(tài)晶體材料”，其物理及化學(xué)特性與傳統(tǒng)物資呈現(xiàn)出特殊性，例如納米級別的陶瓷粒子卻又呈現(xiàn)出部分的金屬性，對部分太陽光的反射率甚至超過金屬粒子。目前研究最多的陶瓷膜有氧化銦錫（ITO）、氧化錫銻（ATO）和氮化鈦（TiNx）等。這些都是優(yōu)良的紅外線屏蔽材料，某些薄膜的性能在滿足可見光透過率超過80%的條件下，在近紅外區(qū)的反射率超過60%。

金屬膜也是一種比較常見的紅外線反射膜，金屬粒子通常有鋁、鎳、銀和金等。汽車隔熱膜選用金屬薄膜的原因是其可以在非常低的襯底溫度下沉積，生產(chǎn)工藝相對簡單。金屬膜對近紅外線的反射率很高，但同時其對可見光也有較強(qiáng)阻隔，因此金屬鍍層厚度必須很薄，一般不大于20 nm。金屬膜的另一缺點(diǎn)是金屬顆粒的化學(xué)穩(wěn)定性差，在空氣中容易氧化變色。正因為金屬膜的這些缺陷，特別是為了提高其耐久度，目前金屬復(fù)合膜也是紅外線反射膜的重點(diǎn)發(fā)展方向。金屬復(fù)合膜是在金屬層兩側(cè)增加金屬氧化物（如氧化鈦、氧化錫等）或類似的絕緣層（如氮化硅等），這些復(fù)合層可以防止可見光的反射（增加可見光透光率），同時也可以防止金屬層的氧化變色。另外，由于單層金屬在太陽光較寬波段范圍內(nèi)具有反射特性，金屬復(fù)合膜還通過在基材上沉淀多層金屬膜和多層復(fù)合膜來實現(xiàn)其選擇性光學(xué)性能。目前市場的中高端金屬膜主流是應(yīng)用金屬復(fù)合膜技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

目前最新的光選擇技術(shù)是微復(fù)制多層膜技術(shù)，是全介質(zhì)高反射膜的1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（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（比如紅外線）實現(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現(xiàn)光控目的，隔絕太陽紅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）紅外線吸收型汽車隔熱膜技術(shù)

汽車隔熱膜中對于紅外線吸收技術(shù)主要依靠紅外線吸收劑發(fā)揮作用。紅外線吸收劑按化學(xué)成分來分可以分成有機(jī)類和無機(jī)類。

有機(jī)類紅外線吸收劑主要是以有機(jī)染料的方式存在，品種較多，常見的有菁類、硫代雙烯類、芳甲烷類、偶氮類以及醌型等。生產(chǎn)時主要通過浸染的方法將有機(jī)染料涂布到隔熱膜本體表面（浸染染色工藝），部分低端工藝將染料與隔熱膜的壓敏膠進(jìn)行混合后涂布。有機(jī)染料的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的摩爾消光系數(shù)，同時對吸收波長的可調(diào)范圍大，成本相對較低，生產(chǎn)工藝成熟。但缺點(diǎn)也很明顯，有機(jī)染料相對無機(jī)類吸收劑，其對光、氧、熱的穩(wěn)定性差，容易發(fā)生光降解和褪色等缺陷。

正是由于有機(jī)染料的一些不足，目前一些高端的汽車隔熱膜引入了無機(jī)類的紅外線吸收劑，常見的有炭黑調(diào)料（納米碳技術(shù)），納米級的陶瓷粒子和金屬粒子等。與有機(jī)染料相比，無機(jī)紅外吸收劑吸收能力稍差，成本較高，但是耐光性能和耐熱性能非常優(yōu)異，是目前市場中高端隔熱膜產(chǎn)品普遍采用的技術(shù)。

4.不同類型隔熱膜對紅外線的阻隔性能

紅外線光控技術(shù)和材料的種類很多，那么這些不同的技術(shù)和材料具體應(yīng)用到汽車隔熱膜上會呈現(xiàn)出什么樣的差異呢？基于此疑問，我們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5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紅外線光控性能。

（1）測試樣品說明（表2）

表2 測試樣品說明

①吸收型：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反射型：陶瓷膜C樣品（鈦化合物）；金屬膜D樣品（鎳）；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，品牌及型號是Lambda 1050，檢測波段范圍380～2 500 nm，檢測精度5 nm。

（3）紅外線光譜特征分析（紅外線穿透率）

圖1是選定的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。

①在300～355 nm光譜區(qū)，5款膜的紫外線透射率都很低，小于0.5%。

②在355～380 nm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%。

圖1 測試樣品紫外線透射率光譜特征曲線圖

③E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）對全測試波段300～380 nm范圍內(nèi)的紫外線保持幾乎100%的隔絕率。

（4）結(jié)論（表3）

表3 測試結(jié)果說明

①主要使用吸收型紅外線光控材料的隔熱膜產(chǎn)品中，浸染工藝生產(chǎn)的A膜的紅外線穿透率最高，換言之其紅外隔絕性能與其他4款膜相比而言最差，僅為10%左右；使用了本體染色工藝和無機(jī)染料的染色膜B膜，其紅外線隔絕性能卻表現(xiàn)更好，達(dá)到30%以上。

②主要使用反射型紅外線光控材料的隔熱膜產(chǎn)品，使用了氧化銦錫（ITO）粒子的C膜（陶瓷膜）的紅外隔絕率達(dá)到了80%以上，其表現(xiàn)比使用了金屬鎳粒子的D膜（金屬膜）的紅外線隔絕率（60%）更好；而E膜（多層微復(fù)制光學(xué)膜）的紅外線隔絕性能最好，數(shù)值超過90%。

5.結(jié)語

目前市場上的汽車隔熱膜產(chǎn)品，無論種類和品牌都非常繁雜，很多商家為了配合營銷的需求而標(biāo)稱的技術(shù)名稱也很多花樣，這給包括車主和汽車美容技師在內(nèi)的廣大消費(fèi)者，在進(jìn)行產(chǎn)品選擇和應(yīng)用過程中帶來諸多疑惑。俗話說萬變不離其宗，本文從隔熱膜的紅外線光控性能的技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)實意義角度進(jìn)行分析和綜述，讓大家詳細(xì)了解汽車隔熱膜的紅外線隔絕技術(shù)和功用背景，消除消費(fèi)者的疑慮，為正確選用和使用汽車隔熱膜產(chǎn)品提供判別依據(jù)。