不同汽车隔热膜阻隔紫外线的原理及效果

◆文/广东 高继军 马思边 谢小平

不同汽车隔热膜阻隔紫外线的原理及效果

◆文/广东 高继军 马思边 谢小平

人们都说太阳是地球的万物之源，但是，太阳光并不一定百分百对人类有益，通过在汽车玻璃粘贴隔热膜实现对太阳光的光控选择是合理利用太阳光的重要方式，汽车隔热膜也成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，给自己的爱车贴膜成为大部分车主的自主选择。

本文将从隔热膜对太阳光中紫外线部分的光控性能进行分析，进而阐述汽车隔热膜对紫外线实现光控的现实意义，希望对车主和贴膜技术人员具有参考价值。

一、什么是紫外线

太阳电磁波的范围很广，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 500nm，根据波长范围和频率，分为紫外线、可见光和红外线。在这里要特别说明，太阳紫外线受到地球上很多因素的影响，例如地理纬度、海拔高度、一天内的时间、空气湿度、季节、云层、污染物等，因此与紫外线的科学定义的全波长范围不同的是，能辐射到地球表面的太阳紫外线波段主要范围是250～380nm，属于近紫外区，这也是对汽车及驾乘人员影响最大的紫外线波段范围。

二、紫外线对汽车及驾乘人员的影响

紫外线的特性是其光量子能量较高，比较容易引发化学反应，具体表现可以分为引发光化学反应和相应的生物学效应两个方面，当然这些特性也有利弊。紫外线的有利应用很常见，比如日常生产中有许多利用紫外线固化技术的应用，还有生活中紫外线验钞技术、杀菌应用等；有害方面主要表现是紫外线对人产生的生物学效应会导致人皮肤过敏、晒伤，光化学反应导致有机聚合物(如塑料、涂料)及皮革类产品的老化、变色等缺陷的产生。从这个角度来看，太阳紫外线对于汽车驾乘来说，有害影响比较大，不管是对人(驾乘者)还是对车(内饰件)。

1.紫外线对驾乘者的影响

紫外线对驾乘者的健康有着双方面的影响，一方面适度的紫外线照射可以起到杀死和抑制身上细菌的作用，并且能促进维生素D的合成等；另一方面，过量的紫外线辐射可能引起各种有害的生物学效应。

根据紫外线定义中关于长、中、短波的进一步区分，太阳紫外线中包含了全部的长波紫外线(UVA，315～380nm)，全部的中波紫外线(UVB，280～315nm)和部分的短波紫外线(UVC，250～280nm)。

UVA的影响主要是导致皮肤老化。由于UVA属于在紫外线穿透能力最强的波段，所以可以直接影响到真皮组织，使皮肤中的弹性纤维蛋白变性，胶原蛋白纤维明显减少，角质细胞层增厚，毛细血管扩张等，最终导致皮肤老化。

UVB相比之下穿透力较差，所以主要影响的是皮肤表皮层及真皮浅层，但是比较严重的是它能引起DNA损伤和蛋白变性，短期急性反应是皮肤晒伤、紫外线过敏等，长期辐射则有致癌风险；特别需要注意的是，相同剂量的UVB对皮肤的损伤比UVA约大800倍。

UVC对人体的伤害最大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射更易致癌，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对于驾乘人员和车内饰并不形成威胁。

另外，过多的紫外线辐射也会对人的眼睛产生伤害，引起角膜炎、结膜炎以及白内障等眼疾。

2.紫外线对汽车内饰的影响

乘用车内饰件一般包括仪表板总成、座椅及扶手、车门内板、地毯和顶棚等部件，而乘用车内饰件所用的材料包括乘用车工程材料和乘用车装饰材料两方面，基材的品种繁多，分类复杂，功能形式多样。但是与太阳紫外线影响相关的内饰材料，可以归纳为三类：织物类、天然皮革类以及高分子合成类。

⑴织物类车内饰材料目前最常用的是涤纶纤维材料，主要原因是涤纶纤维在耐磨擦性能、耐霉变、易清洗及抗皱性方面有突出优势，但是紫外线辐射不仅仅会大大降低涤纶纤维以上的优势，还会影响织物本身的色牢度性能，使内饰在短期内即出现褪色、变硬、脆化甚至是破损等缺陷。

⑵天然皮革类车内饰材料也称真皮，是以是动物(牛、羊等)的生皮(原皮)为材料，通过进行一系列化学和机械处理, 鞣制成一种不易腐烂、不易变质, 柔软、坚韧且具有良好卫生性能的材料。紫外线辐射对真皮的影响主要有以下方面：①加速皮革内部纤维表面油脂的降解，破坏纤维之间的油膜结构，使材料的柔软性能降低，手感变差；②真皮内的染色物在光的照射下，染料吸收光能，能级提高，分子处于激化状态，染料分子的发色体系发生变化或遭到破坏，最终导致染料分解而使真皮发生变色或褪色现象；③加快真皮纤维的降解速度，降低纤维的抗拉伸性能、耐曲挠性能，最终导致真皮的物理性能的下降，使材料易磨损。

⑶高分子合成类包括塑料件和人工合成皮革。尽管汽车内饰中的高分子材料种类繁杂，但是紫外线对它们的影响机理却是类似的。①材料的物理性能老化：通过紫外光波携带的能量使材料内部的大分子化学键受激发产生化学裂解，随着分子链的断裂，进一步引发分子的自动氧化反应，使材料交联变脆，失去韧性和耐冲击性；②材料的装饰性能老化：随着光老化进一步发展，不饱和键，尤其是芳香环氧化，使材料快速变色。

3.隔热膜对紫外线的光控现实意义

基于以上太阳紫外线各波段的特点，汽车隔热膜对紫外线的光控现实意义是有效阻隔UVA和UVB波段，实际上，相应的行业标准中也是遵照类似逻辑来进行紫外线阻隔定义，例如根据国际通用标准ISO9050-2003的说明，玻璃及贴膜的紫外线测试选择300～380nm的范围。

三、汽车隔热膜阻隔紫外线原理

为了实现对太阳紫外线的有效隔绝，应用于汽车隔热膜产品的紫外线光控材料主要有以下两类—紫外线屏蔽类及紫外线吸收类。

1.紫外线屏蔽类

用屏蔽的方法阻隔紫外线，其主要原理是通过对紫外线的反射、折射的方法来达到阻止其穿透隔热膜的目的。由于在对紫外光的反射及折射性能方面表现优越，无机类的紫外线屏蔽剂比较常见，比如金属类的铝、镍、金、银等，陶瓷类的氧化铟锡(ITO)、氧化锡锑(ATO)和氮化钛(TiNx)等都是优良的紫外线屏蔽材料，可以有效阻隔太阳紫外光的同时又具备可见光的高透过率，在汽车隔热膜上被广泛应用。实际生产过程中，金属膜大多采用真空蒸发镀膜和磁控溅射的工艺将金属粒子均匀沉积和溅射在高张力的PET基材膜上；陶瓷粒子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，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。

目前最新的屏蔽类光选择技术是微复制多层膜技术，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)的材料交替合成，膜厚控制为要反射的入射光波长的四分之一(λ0/4)。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，在膜厚控制精准的条件下，全介质膜的膜层数足够多时，可以对选择波段范围内的入射光(比如紫外线)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，隔绝太阳紫外线的方式主要是反射。微复制多层膜技术并不需要额外添加金属或陶瓷粒子，因此在耐腐蚀老化、可见光高透光率等方面更具优势。

2.紫外线吸收类

紫外线吸收剂是一类能有效吸收太阳紫外线而自身具有高度耐光性的物质。其原理是通过强烈吸收紫外线并将其能量转换成无害的能量(如热能、可见光)形式并释放出去，最终达到消除和阻隔紫外线的目的。具有这种功能的材料分为无机类和有机类。无机类紫外线吸收剂主要是隔热膜内的填料和颜料，如炭黑填料，可以通过浸染涂布到PET膜表面(浸染染色)或直接填充到PET膜本体内(本体染色)的方法加到隔热膜中，可以大大增加紫外线吸收性能；有机类紫外线吸收剂主要是有机染料，它们通常是高度共扼的有机或有机金属分子，隔热膜上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，生产中主要通过浸染染色的方式涂布到PET膜表面。

还有一种紫外线吸收剂本身不是为了防止紫外线穿透隔热膜的，而是用来防止隔热膜产品本身受紫外线照射老化的，一般称为光稳定剂，例如为了防止隔热膜的粘胶层老化，在胶粘剂里面添加紫外线光稳定剂，其原理与上述的紫外线吸收剂类似，都是有效地吸收紫外线，并立即将其转化成无害的其他能量形式释放出去，但是其成分与有机染料不一样，比较常见的是是二苯甲酮、苯并三哇等类型的邻经基芳香化合物。在隔热膜生产时，这类产品一般添加到粘胶剂里或均匀涂布在膜层与粘胶层之间的界面上。膜产品中的光稳定剂虽然目的与紫外线吸收剂不一样，但是结果都是有效的降低了紫外线在汽车隔热膜上的穿透率。

四、不同类型隔热膜对紫外线的阻隔性能

前文已经提过，汽车热膜产品的紫外线光控材料有不同种类，那么这些材料对太阳紫外线的光控性能有何差异呢？基于此疑问，选取可见光透光率接近40%，并且能够代表光功能材料相关技术差异的五款典型汽车隔热膜样产品作为测试样品，测试其光谱特性来分析其紫外线光控性能。

1.测试样品。

测试样品说明列于表1。

表1 测试样品说明表

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300～380nm，检测精度5nm。

3.紫外线光谱特征分析

图1是选定的五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：⑴在300～355nm光谱区，五款膜的紫外线透射率都很低，小于0.5%。⑵在355～380nm光谱区，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355nm附近开始逐渐增加到380nm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375nm附近开始增加到380nm附近的2.5%～0.5%。⑶E膜(多层微复制光学膜)对全测试波段300～380nm范围内的紫外线保持几乎100%的隔绝率。

图1 所选五款隔热防爆膜产品紫外线透射率光谱特征曲线图

4.结论

使用吸收类紫外线光控材料的隔热膜产品中，浸染工艺生产的A膜的紫外线隔绝性能与其他四款膜相比而言最差，仅为90%左右；但同为染色膜的B膜，由于制造工艺(本体染色)及颜料(无机染料)的区别，其紫外线隔绝性能却表现出色，达到99%以上。使用屏蔽类紫外线光控材料的隔热膜产品，C膜(陶瓷膜)和D膜(金属膜)的紫外线隔绝率都接近99%，而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%。表2中用不同等级表述了五种材料对紫外线的隔绝性能。

五、结语

随着先进的光控材料和制造工艺更多的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，在产品选择和应用时都有很多疑惑，相对于汽车隔热膜透光率和隔热率等性能的关注，普通车主对隔热膜的紫外线阻隔率的认识不深，而紫外线阻隔也是市场上劣质汽车隔热膜最容易缺失的性能。为了让大家更多的了解车膜技术以及功用背景，避免对汽车隔热膜本身性能的误解，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，忽略对紫外线隔绝性能的评价等偏见，促使车主和技师在选择车膜时有更多的针对性，并使汽车隔热膜能更好的服务于广大车主和汽车行业。

表2 实验结论