文：高继军、杨涛、卢佳

汽车隔热膜光控性能的现实意义
——红外线篇

文：高继军、杨涛、卢佳

合理利用太阳能是当今节能环保技术的重要发展方向。太阳光由紫外线、可见光和红外线三部分组成，但对于汽车驾乘来说，并不是太阳光的所有组成部分都是有益的。比如我们比较熟悉的太阳光危害有：紫外线导致的皮肤晒伤和内饰老化、强可见光导致的眩光以及红外线导致的热效应等。因此阻隔太阳光中的有害成分成了广大车主的重要需求，而阻隔太阳光的实质是对进入到车内的太阳光实现光控选择。目前在汽车后市场中主要通过在汽车玻璃粘贴隔热膜来实现，以达到改善汽车驾乘环境、增强行车安全以及降低汽车能耗的目的。

本文将从隔热膜对太阳光中红外线部分的光控性能进行分析，进而阐述汽车隔热膜对红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。

1.红外线

（1）红外线的定义

广义红外线在科学上定义其范围是760～1x106nm的电磁波。它还可以细分为近红外（760～2 500 nm）、中红外（2 500～2.5x104nm）和远红外（2 500～1x106nm）3个波段。但这里我们需要注意区分广义红外线与太阳红外线的区别。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主要是250～2 500 nm的范围。根据红外线科学定义的波长和频率范围，能辐射到地球表面的太阳光中红外线的波段范围是780～2 500 nm，属于近红外`的范畴，这也是对汽车及驾乘人员影响最大的红外线波段范围。为方便论述，本文后续提到的红外线均限于辐射到地球表面的太阳红外线（780～2 500 nm），即近红外线。

（2）红外线的特性

红外线的重要特性是具有显著的热效应（加热效应），也正是这个特性让人类肉眼无法感应的红外线最终被科学家发现。1800年，英国天文学家赫歇耳为了研究光和热的关系，把温度计置于太阳光谱的不同颜色区域，观察到在可见光谱的红光端，温度计的读数比在可见光谱区域高得多，从而发现了红外辐射（红外线）的存在及其热效应。

相比于紫外线和可见光，红外线具有显著热效应的原因主要有2个方面。一方面是因为红外线的能量占比大：在辐射到地球表面的太阳能中，红外线部分的比例最大，约占总太阳能辐射量的53%，而可见光部分占44%，紫外线部分仅占3%。这也就是说，如果把太阳的全部光能转换成热能，将有53%的热能来自红外线。另一方面是因为红外线更容易从光能转换成热能：热能和辐射能（光能）之间的相互转化，是由于无规则运动引起粒子的相互碰撞，使粒子的运动状态发生变化的结果。而红外线由于其振动频率相对更接近物质的频率，因此更容易引起物质的共振，让光能转换成热能。

红外线还有其他一些特性，比如穿透云雾的能力强等，但与汽车驾乘关系不大，因此本文将重点介绍红外线的热效应。

2.太阳红外线对汽车驾乘人员的影响

与太阳光中其他射线相比，人们对红外线的影响认识并不充分，很多观念仅仅停留在夏季致热导致驾乘舒适度降低和油耗增加的水平。其实红外线对驾乘者的主要影响还包括行车安全和健康等方面。

（1）舒适度及行车安全方面的影响

在炎热的夏季，如果人体皮肤暴露在太阳直射下15～20 min，温度可升高至40～43℃，而这些热量主要是来自红外线辐射能转换成的热能。驾乘舒适度不仅仅影响驾乘者的感觉，而且也影响行车安全。根据VOLVO汽车公司的研究，车内温度由21℃提高到27℃时，驾驶者高温下犯错误的几率提高50%，反映时间减缓22%，车内温度对驾驶者的精神状态有极大的影响，由此可见驾乘舒适度对于安全行车的重要性。

（2）对驾乘人员的健康影响

太阳红外线对驾乘者的健康有着双方面的影响。红外线光辐射和热作为皮肤日常主要的环境因素，可诱导皮肤多个组分发生变化。直接影响主要体现在以下2方面：一方面是在皮肤老化方面对弹性蛋白和胶原蛋白的影响，另一方面是在人体关节方面对纤黏蛋白、硫酸软骨素等也具有显著调节作用。还有间接影响，例如对保湿抗衰老作用强大的透明质酸，和以抗炎效能著称的硫酸皮肤素等这类氨基葡聚糖也有所影响。这些效应使得皮肤真皮层结构发生明显改变：一方面其危害性是能加速光老化进程，另一方面又有触发潜在保护机制延迟皮肤老化，故其在皮肤老化方面具有双面性。但是，研究也表明，过多的太阳红外线辐射会大大增加皮肤损伤和老化的发生几率，这对于长时间驾乘者来说，其危害性无疑是主要影响。

（3）隔热膜对红外线的光控现实意义

基于以上太阳红外线特点，汽车隔热膜对红外线的光控现实意义是有效阻隔太阳辐射的热量，从而达到提高驾乘舒适度和行车安全性、保护驾乘人员健康并降低汽车能耗的目的。

3.汽车隔热膜阻隔红外线原理

为实现对太阳红外线有效隔绝的目的，汽车隔热膜产品实际上是在薄膜基材上通过一定的涂布和镀膜工艺制备一层或多层对红外线有光控作用的薄膜，依据隔绝原理进行区分，目前主要有反射型和吸收型两类（表1）。

（1）红外线反射型汽车隔热膜技术

表1 汽车隔热膜类型

用反射的方法阻隔红外线，目前应用在汽车隔热膜上的技术主要有陶瓷膜、金属膜（或金属复合膜）以及全介质多层膜。

陶瓷膜用膜材料主要是具有可见光高透过率、红外线高反射率的陶瓷粒子，特别是纳米级别的陶瓷粒子是1种自由电子气模材料。由于纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、短程有序的“气体状”固体结构，是1种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此有人把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态晶体材料”，其物理及化学特性与传统物资呈现出特殊性，例如纳米级别的陶瓷粒子却又呈现出部分的金属性，对部分太阳光的反射率甚至超过金属粒子。目前研究最多的陶瓷膜有氧化铟锡（ITO）、氧化锡锑（ATO）和氮化钛（TiNx）等。这些都是优良的红外线屏蔽材料，某些薄膜的性能在满足可见光透过率超过80%的条件下，在近红外区的反射率超过60%。

金属膜也是一种比较常见的红外线反射膜，金属粒子通常有铝、镍、银和金等。汽车隔热膜选用金属薄膜的原因是其可以在非常低的衬底温度下沉积，生产工艺相对简单。金属膜对近红外线的反射率很高，但同时其对可见光也有较强阻隔，因此金属镀层厚度必须很薄，一般不大于20 nm。金属膜的另一缺点是金属颗粒的化学稳定性差，在空气中容易氧化变色。正因为金属膜的这些缺陷，特别是为了提高其耐久度，目前金属复合膜也是红外线反射膜的重点发展方向。金属复合膜是在金属层两侧增加金属氧化物（如氧化钛、氧化锡等）或类似的绝缘层（如氮化硅等），这些复合层可以防止可见光的反射（增加可见光透光率），同时也可以防止金属层的氧化变色。另外，由于单层金属在太阳光较宽波段范围内具有反射特性，金属复合膜还通过在基材上沉淀多层金属膜和多层复合膜来实现其选择性光学性能。目前市场的中高端金属膜主流是应用金属复合膜技术进行生产。

目前最新的光选择技术是微复制多层膜技术，是全介质高反射膜的1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（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（比如红外线）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，隔绝太阳红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）红外线吸收型汽车隔热膜技术

汽车隔热膜中对于红外线吸收技术主要依靠红外线吸收剂发挥作用。红外线吸收剂按化学成分来分可以分成有机类和无机类。

有机类红外线吸收剂主要是以有机染料的方式存在，品种较多，常见的有菁类、硫代双烯类、芳甲烷类、偶氮类以及醌型等。生产时主要通过浸染的方法将有机染料涂布到隔热膜本体表面（浸染染色工艺），部分低端工艺将染料与隔热膜的压敏胶进行混合后涂布。有机染料的优点是具有较高的摩尔消光系数，同时对吸收波长的可调范围大，成本相对较低，生产工艺成熟。但缺点也很明显，有机染料相对无机类吸收剂，其对光、氧、热的稳定性差，容易发生光降解和褪色等缺陷。

正是由于有机染料的一些不足，目前一些高端的汽车隔热膜引入了无机类的红外线吸收剂，常见的有炭黑调料（纳米碳技术），纳米级的陶瓷粒子和金属粒子等。与有机染料相比，无机红外吸收剂吸收能力稍差，成本较高，但是耐光性能和耐热性能非常优异，是目前市场中高端隔热膜产品普遍采用的技术。

4.不同类型隔热膜对红外线的阻隔性能

红外线光控技术和材料的种类很多，那么这些不同的技术和材料具体应用到汽车隔热膜上会呈现出什么样的差异呢？基于此疑问，我们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5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红外线光控性能。

（1）测试样品说明（表2）

表2 测试样品说明

①吸收型：A样品（浸染工艺，有机颜料）；B样品（本体染色，无机颜料）。

②反射型：陶瓷膜C样品（钛化合物）；金属膜D样品（镍）；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380～2 500 nm，检测精度5 nm。

（3）红外线光谱特征分析（红外线穿透率）

图1是选定的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。

①在300～355 nm光谱区，5款膜的紫外线透射率都很低，小于0.5%。

②在355～380 nm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%。

图1 测试样品紫外线透射率光谱特征曲线图

③E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。

（4）结论（表3）

表3 测试结果说明

①主要使用吸收型红外线光控材料的隔热膜产品中，浸染工艺生产的A膜的红外线穿透率最高，换言之其红外隔绝性能与其他4款膜相比而言最差，仅为10%左右；使用了本体染色工艺和无机染料的染色膜B膜，其红外线隔绝性能却表现更好，达到30%以上。

②主要使用反射型红外线光控材料的隔热膜产品，使用了氧化铟锡（ITO）粒子的C膜（陶瓷膜）的红外隔绝率达到了80%以上，其表现比使用了金属镍粒子的D膜（金属膜）的红外线隔绝率（60%）更好；而E膜（多层微复制光学膜）的红外线隔绝性能最好，数值超过90%。

5.结语

目前市场上的汽车隔热膜产品，无论种类和品牌都非常繁杂，很多商家为了配合营销的需求而标称的技术名称也很多花样，这给包括车主和汽车美容技师在内的广大消费者，在进行产品选择和应用过程中带来诸多疑惑。俗话说万变不离其宗，本文从隔热膜的红外线光控性能的技术发展和现实意义角度进行分析和综述，让大家详细了解汽车隔热膜的红外线隔绝技术和功用背景，消除消费者的疑虑，为正确选用和使用汽车隔热膜产品提供判别依据。