微棱镜型反光膜及应用

　　1　反光原理和结构组成

　　1.1　原理

　　微棱镜型反光膜的反光原理是依据光线在三维空间中,从一定的角度入射,在相互垂直的3个平面上发生3次反射,然后沿着原来的入射方向反射回去,见图1。

　　根据制造工艺的不同,在棱镜面上发生的反射有两类:一类是空气-树脂界面的(全)反射,另一类是铝-树脂界面的反射。

　　1.2　按结构不同分类

　　根据反射种类的不同,微棱镜型反光膜的结构可以分为两种(见图2,图3):有镀层型反光膜(ASTM4956中称为Type V Sheeting)和无镀层型反光膜(ASTM4956中称为TypeⅣSheeting)。由于有镀层型反光膜颜色灰暗,市场前景暗淡。

　　这两种反光膜的构造不同之处有:

　　(1)无镀层型反光膜棱锥后面是空气,因而反射主要是全内反射,这就要求棱锥后必须有稳定的空气层,所以在无镀层型反光膜中有一层封闭层(Sealingfilm) (见图2),以防止湿气、尘埃等杂质进入空气层,造成逆反射系数下降。

　　(2)有镀层型反光膜棱锥后镀有一层金属,一般是铝。反射主要在树脂-铝界面上进行。有镀层型反光膜没有封闭层。

　　(3)由于无镀层型反光膜需要封闭,所以有支撑壁,从正面看,是一个个菱形或六边形的格子。而有镀层型反光膜则没有。

　　2　微棱镜型反光膜的性能

　　2.1　光学性能

　　无论在反光强度、广角性等方面,微棱镜型反光膜都比透镜型反光膜有很大的提高。图4是3M公司3类产品的反光强度初始值的比较(0.2°观察角)。

　　以前的微棱镜型反光膜的反射光锥不对称,有效入射角小,但是经过对反射单元及其阵列的设计,这些问题基本得到了解决。

　　2.2　耐候性

　　尽管微棱镜型反光膜在达到使用寿命后,逆反射系数下降50%,但是其逆反射系数仍能保持在400cd·lx^-1·m^-2,远高于其它两类反光膜,见图5 (0.2°观察角, -4°入射角)。

　　3　微棱镜型反光膜的制造技术关键和最新进展

　　3.1　关键技术

　　微棱镜型反光膜的反光基本原理虽然简单,但制造技术却涉及材料学、光学、精密机械制造等多学科、高技术领域。归结起来,制造微棱镜型反光膜的关键技术有以下4种。

　　3.1.1　单元结构和其阵列设计

　　传统的棱镜型逆反光材料主要存在以下缺点:

　　(1)有效入射角小,当入射角大于20°时,由于全内反射现象消失,反光亮度几乎丧失殆尽。

　　(2)观察角小,即人在远处可以看到逆反射光,近处反而不行。

　　(3)由于反射单元的三侧面性质使逆向反射光锥有不合要求的不对称形状,结果从不同的扫描角来观察时,有不同的逆反射亮度。

　　解决这些问题的方法主要是依靠逆反射单元结构和阵列的设计,如变换3个平面的夹角大小,使其有一定分布,或将单元阵列按一定的规律排布。但是由于结构和阵列设计复杂,给母板的制作、复型、成型后的脱模等都造成很大的困难,因而实施不易。

　　3.1.2　母板的制作及复型

　　由于微棱镜型反射单元的高度为0.003~0.015in(即0.078 2~0.381mm),而且形状不规则,在平面上的排列也有一定规律,并对成型面光洁程度要求很高,因而母板需精密机械加工。板本身并不直接参与成型,加工价格昂贵,面积有限,而且模具使用周次并不高。可利用母板复型生产出复制模具,并将其拼接成任意大小,以便于工业化生产。

　　3.1.3　基材的确定

　　作为微棱镜型反光膜,其主体材料是工程塑料,根据其使用性能的不同要求,选择不同的塑料片基。主要考虑的指标和解决的问题有:材料的耐候性能、塑料片基的预热性能及其流变性能等。3M公司使用的是聚碳酸酯。

　　3.1.4　压纹技术

　　由于微棱镜型反光膜对光学性能要求极高,因此它的压纹精度要求也相当高,在压纹过程中,不允许出现流动不良、气泡、刮痕等缺陷,对工艺条件,如温度、压力等的要求也很苛刻。

　　3.2　最新进展

　　现在能生产微棱镜型反光膜的供应商主要有:美国3M公司、斯蒂姆公司(Stimsonite)、瑞飞公司(Reflexite)、日本电石株式会社。其产品都是非镀层型微棱镜反光膜,逆反射系数可达900cd·lx-1·m-2,而且反射结构单元的形状和阵列都有独特之处,基本上解决了反射光分布不匀、广角性差的缺点。现在关于微棱镜型反光膜的报道,主要集中在反射单元及其阵列的设计上。

　　4　应用前景

　　由于微棱镜型反光膜的极高反光强度和良好的广角性能,随着机动车速的不断提高,高等级公路的不断增长,道路情况的不断复杂,微棱镜型反光膜的应用市场将越来越广阔。在美国加州的高速路上,标志的边框和图案已经换为钻石级产品。但是,高强度引起的其它问题,如炫光,以及实际应用中对图案与背景的反差要求,决定了微棱镜型反光膜不能完全替代玻璃微珠型反光膜。