反光膜是近50年發(fā)展起來的新型功能性復合材料。微棱鏡型反光膜是80年代后期才發(fā)展起來的,由于其亮度高,耐久性好,材料成本低,同時又克服了以往棱鏡型反光材料的有效入射角小,觀察角小,反射光束不對稱的缺點,因而在需要高亮度的公路交通方面的使用越來越廣泛。

　　1　反光原理和結構組成

　　1.1　原理

　　微棱鏡型反光膜的反光原理是依據光線在三維空間中,從一定的角度入射,在相互垂直的3個平面上發(fā)生3次反射,然后沿著原來的入射方向反射回去,見圖1。

根據制造工藝的不同,在棱鏡面上發(fā)生的反射有兩類:一類是空氣-樹脂界面的(全)反射,另一類是鋁-樹脂界面的反射。

　　1.2　按結構不同分類

　　根據反射種類的不同,微棱鏡型反光膜的結構可以分為兩種(見圖2,圖3):有鍍層型反光膜(ASTM4956中稱為Type V Sheeting)和無鍍層型反光膜(ASTM4956中稱為TypeⅣSheeting)。由于有鍍層型反光膜顏色灰暗,市場前景暗淡。

　　這兩種反光膜的構造不同之處有:

　　(1)無鍍層型反光膜棱錐后面是空氣,因而反射主要是全內反射,這就要求棱錐后必須有穩(wěn)定的空氣層,所以在無鍍層型反光膜中有一層封閉層(Sealingfilm) (見圖2),以防止?jié)駳?、塵埃等雜質進入空氣層,造成逆反射系數(shù)下降。

(2)有鍍層型反光膜棱錐后鍍有一層金屬,一般是鋁。反射主要在樹脂-鋁界面上進行。有鍍層型反光膜沒有封閉層。

　　(3)由于無鍍層型反光膜需要封閉,所以有支撐壁,從正面看,是一個個菱形或六邊形的格子。而有鍍層型反光膜則沒有。

　　2　微棱鏡型反光膜的性能

　　2.1　光學性能

　　無論在反光強度、廣角性等方面,微棱鏡型反光膜都比透鏡型反光膜有很大的提高。圖4是3M公司3類產品的反光強度初始值的比較(0.2°觀察角)。

　以前的微棱鏡型反光膜的反射光錐不對稱,有效入射角小,但是經過對反射單元及其陣列的設計,這些問題基本得到了解決。

　　2.2　耐候性

　　盡管微棱鏡型反光膜在達到使用壽命后,逆反射系數(shù)下降50%,但是其逆反射系數(shù)仍能保持在400cd·lx-1·m-2,遠高于其它兩類反光膜,見圖5 (0.2°觀察角, -4°入射角)。

3　微棱鏡型反光膜的制造技術關鍵和最新進展

　　3.1　關鍵技術

　　微棱鏡型反光膜的反光基本原理雖然簡單,但制造技術卻涉及材料學、光學、精密機械制造等多學科、高技術領域。歸結起來,制造微棱鏡型反光膜的關鍵技術有以下4種。

　　3.1.1　單元結構和其陣列設計

　　傳統(tǒng)的棱鏡型逆反光材料主要存在以下缺點:

　　(1)有效入射角小,當入射角大于20°時,由于全內反射現(xiàn)象消失,反光亮度幾乎喪失殆盡。

　　(2)觀察角小,即人在遠處可以看到逆反射光,近處反而不行。

　　(3)由于反射單元的三側面性質使逆向反射光錐有不合要求的不對稱形狀,結果從不同的掃描角來觀察時,有不同的逆反射亮度。

　　解決這些問題的方法主要是依靠逆反射單元結構和陣列的設計,如變換3個平面的夾角大小,使其有一定分布,或將單元陣列按一定的規(guī)律排布。但是由于結構和陣列設計復雜,給母板的制作、復型、成型后的脫模等都造成很大的困難,因而實施不易。

　　3.1.2　母板的制作及復型

　　由于微棱鏡型反射單元的高度為0.003~0.015in(即0.078 2~0.381mm),而且形狀不規(guī)則,在平面上的排列也有一定規(guī)律,并對成型面光潔程度要求很高,因而母板需精密機械加工。板本身并不直接參與成型,加工價格昂貴,面積有限,而且模具使用周次并不高?？衫媚赴鍙托蜕a出復制模具,并將其拼接成任意大小,以便于工業(yè)化生產。

　　3.1.3　基材的確定

　　作為微棱鏡型反光膜,其主體材料是工程塑料,根據其使用性能的不同要求,選擇不同的塑料片基。主要考慮的指標和解決的問題有:材料的耐候性能、塑料片基的預熱性能及其流變性能等。3M公司使用的是聚碳酸酯。

　　3.1.4　壓紋技術

　　由于微棱鏡型反光膜對光學性能要求極高,因此它的壓紋精度要求也相當高,在壓紋過程中,不允許出現(xiàn)流動不良、氣泡、刮痕等缺陷,對工藝條件,如溫度、壓力等的要求也很苛刻。

　　3.2　最新進展

　　現(xiàn)在能生產微棱鏡型反光膜的供應商主要有:美國3M公司、斯蒂姆公司(Stimsonite)、瑞飛公司(Reflexite)、日本電石株式會社。其產品都是非鍍層型微棱鏡反光膜,逆反射系數(shù)可達900cd·lx-1·m-2,而且反射結構單元的形狀和陣列都有獨特之處,基本上解決了反射光分布不勻、廣角性差的缺點?，F(xiàn)在關于微棱鏡型反光膜的報道,主要集中在反射單元及其陣列的設計上。

　　4　應用前景

　　由于微棱鏡型反光膜的極高反光強度和良好的廣角性能,隨著機動車速的不斷提高,高等級公路的不斷增長,道路情況的不斷復雜,微棱鏡型反光膜的應用市場將越來越廣闊。在美國加州的高速路上,標志的邊框和圖案已經換為鉆石級產品。但是,高強度引起的其它問題,如炫光,以及實際應用中對圖案與背景的反差要求,決定了微棱鏡型反光膜不能完全替代玻璃微珠型反光膜。