本场主讲老师为 王宏 研发总监
交通设施管理群 专业讲座第七场
2016-05-04 19:00-21:00
许卫华 整理
各位尊敬的老师、专家和同仁,大家晚上好!我今天讲座的题目是《逆反射材料及应用》。逆反射材料作为一款被现代交通安防需求所催生的光功能材料,相信大家都很熟悉,相关的文献和研究资料也都很多,今天我当一回搬运工,搬一些砖块尝试着堆砌出逆反射的前生今世与未来,权且抛砖引玉,多有疏漏之处,请大家不吝拍砖赐教。

在进行今天的讲座之前,请允许我做一简单的自我介绍。我是来自道明光学股份的王宏,在公司主要负责技术研发工作及相应的管理工作。我从1994年开始进入逆反射材料领域,基本见证了我国逆反射材料的国产化进程,在此我借助今天这个机会向一直致力于逆反射材料的自主化生产、研发和为推动中国交通安防事业的健康发展而不懈努力的人们致以崇高的敬意和感谢!经过几代人的不懈努力,我们的交通安防技术不断进步、体系不断完善,逆反射材料的国产化也不断打破封锁、突破瓶颈取得了里程牌式的进步。“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”。
今天我主要从上述几个方面进行讲解:

在讲解逆反射材料的原理之前,我觉得有些术语和定义,也别是我们日常在接触逆反射材料时,需要用到的术语有必要做一个简明的解释。

基于一个物理表面的光的反射现象,最常见的有两种,一种是漫反射,一种是镜面反射,这两种反射的反射光基本是呈发散状的,而且反射方向随机。逆反射是光的反射现象中最特殊的第三种现象:光额反射是逆向的、可控的,呈柱或锥状。

“观测角”也叫作观察角、“入射角”是和逆反射材料密切相关的“专用术语”,逆反射性能评估时,角度的大小和逆反射性能息息相关。 逆反射系数是评价逆反射材料逆反射性能的最直接、最重要的指标。

逆反射材料的颜色基本上以两种方式获得,一种是将作为逆反射材料表层的树脂染色,然后以涂布或流延的方式形成具有颜色特征的表层,以这种技术获得的颜色层透光性、透明度、光泽度都非常优异,其层厚通常为40-80um,具有非常优异的户外耐候性能;
另一种方式是通过辊印、丝印、微凹涂布等方式以油墨对本是无色的材料表层进行着色,由此获得的颜色均匀度、光泽度相对较差,其着色量也较少,颜色层厚度通常低于1.5um,因此户外耐候性能较差。
如果颜色层直接印刷在逆反射材料的最外侧表面,其抗刮擦、抗溶剂的性能都没有了。
不管以何种技术形式形成的逆反射材料颜色,各品牌、各厂家间甚至同一品牌、同一厂家、同一产品的不同批次间,总会有轻微的颜色差异。
那么什么样的颜色是合格的颜色,什么颜色是逆反射材料应有的颜色,我们不能太高估和太相信自己的眼睛,CIE以坐标图的形式为各种颜色画了个圈。

只要用测色仪测得的色品值在这个圈子里,不管肉眼所见的是桃红还是粉红,大家都是相亲相爱的一家人。



上述的下半部分,都是国标里为用于道路标识的逆反射材料度身定制的颜色坐标。
前面讲过,逆反射系数是评价逆反射材料最重要的指标,那么逆反射系数如何测定呢?
目前有两种测试逆反射材料逆反射系数(性能)的方法。
一种是基于平面共几何测试法原理而生的便携式测试仪,目前国内外研发、生产出了多款便携式的测试仪。

有单一测试角度的,也都观测角、入射角连续可调的,以上是目前市售的最常见的三种便携式测试仪。
便携式测试仪在实际使用时确实非常便捷,但其稳定性、重复性差的缺点也很明显,即使是同一仪器对同一测试点,重复测量时也会有不小于5%的误差,高的甚至到10%。
因此在多数需要对质量进行仲裁的场合,会采用基于固有系统原理的绝对测试法。

采用这种测试法的仪器如上图所示,分为光源、探测器、样架旋转台等几个部分,需安装在长度不小于30.48米的暗室中,操作稍显复杂,但测试准确度较高。
逆反射材料按光学原理和生产工艺技术,分为两大类别。

这两大类别各有优劣。
玻璃微珠型逆反射材料作为起源最早,工艺技术成熟度高的产品,在国内基本呈燎原之势。
作为我们尚有几十个县还未脱贫,还有上百万公里乡村公路连起码的指示标志都还欠缺的国度,其经济性所反映的较高性价比还是让其有较大的市场和发展空间的,另外其特有的柔韧性,也为其后续发展和深入拓展应用领域带来了想象空间。
棱镜型逆反射材料虽然发展较晚,其规模化国产也只被极少数国内企业实现,但其在某些方面的性能优势还是明显的,不过其方向性和广角性的性能缺陷也常常令用户爱恨两难,随着技术特别是超精密加工技术的进步,这两个缺陷正逐步被改善。

逆反射材料按用途基本可以分为这4大类别,在液晶显示领域其追求的光学性能和安防领域有所不同。

玻璃微珠的逆反射原理技术透镜的折射和反射原理,玻璃微珠的折射率通常超过1.9,用于道路标线的微珠的折射率较低,只有1.5左右,和普通玻璃相当,这也是标线不够亮,或者在漫水状态下不亮的原因。
不同的产品结构,会选用不同折射率的微珠。其粒径通常为28-110um,中间径差不多是人头发丝的1/2。
图中黑线是人的头发丝。

各种基于硅酸盐玻璃的原料经烧结形成玻璃砂料,玻璃砂料经超过1200度的高温再熔融后瞬间冷却,在表面张力作用下玻璃浆料冷凝成高折射率的微球,将玻璃微球水平密集均布于载体中,经多次精密涂覆、复合和气相蒸镀,各种玻璃粉料就完成微珠型逆反射材料的华丽转身。

透镜裸露型是最早出现的逆反射材料,早先的裸露型,微珠的下表面是没有金属碗状反射层的,因此反光性能很差。有了金属反射层的裸露型虽然反光性能有了跃级式的提升,但由于微珠裸露在外,积灰、淋雨等外界环境对其性能的影响较大,因此在道路安防领域,很少采用裸露型。在个人安防用品领域,裸露型发展得如火如荼。

透镜埋入型改善了裸露型的耐环境影响的不足,但逆反射性能受到局限。

密封胶囊型堪称前二者的完美结合,具有光学性能和抗环境影响的很好平衡。

商业级在12版的GB18833中没有体现,02版中是有的,而且在国内和国外市场大量存在,主要用于标识、广告领域,有这个产品,又没有标准去规范、约束,个人认为新国标将其拿下,还是有待商榷的。

这是国标对微珠型逆反射膜的分类。

微棱镜生产、加工技术是正真的超精密微纳加工技术,根据光学需求的不同,有些产品的阵列密度甚至高达每平方厘米20000个,每个棱镜的表面光洁度达到5nm。
微棱镜国产化生产的滞后,有大部分原因是国内超精密加工技术被封锁所导致的滞后。

微棱镜逆反射材料的生产涉及光学设计、超精密加工、超精密复制等光学、机械、电化学及材料学等众多领域。光学原理大家都明白,但超精密切削的设备被限制和制约,因此国内很长一段时间无法真正开展微棱镜型逆反射材料的研发、试制工作。不过现在这些瓶颈和制约都已不复存在。

下面是我根据产品外观及结构的个人分发。

多面角锥体型基本上是业内所说的全棱镜型,而混合型也是一种反射效率接近100%的全反射结构。


大家知道,传统棱镜由于其三角底部区域的光损失,其反射效率从理论上讲最多有67%,如何去除其不反光部分,将反光部分加以重新组合和排列就成就了全棱镜型(多面角锥体型)。
全棱镜型从理论上讲有100%的反射效率,经后道加工及各级复制后,其综合反射效率大于60%,全棱镜的加工更多的牵涉到模具的超精密切削工艺。

国标中没有微棱镜工程级反光膜的位置,但市场上实际大量存在,EGP基本参照二类膜标准,但实际更高。

这些标志都是刷漆的。

不是缺少美。而是缺少发现美的眼睛,反光材料的起源就是这样。



国内企业特别是一些民企没有闲着,以高度的危机意识,奋起直追。

逆反射材料的应用和道路交通安全息息相关。










从结构层级可以看出,上述两结构的表层是直接暴露于空气中的,其表层的性能在很大程度上决定了产品的性能,如市面上常见的PET、PC等材质的表层就很难满足户外长期使用的要求。

这是目前市售的主流微棱镜型反光膜的材质结构,不论其棱镜是何形状。

这是主流材质之二:



以上这些材质结构基本不能用于具有长期质保要求的道路标识的制作,更多的是用于个人防护用品上,这些耐温性较差的热塑性材质在夏天60度左右的板面上,很容易形变导致棱镜的反射效率大打折扣。

棱镜的结构及形状直接影响反光效能和反光量能的分布,因此在不同的观测方向会体现出截然不同的光学性能。

而且光学性能会随着角度的变化快速衰减。

针对上述不足,目前有两种常规解决之道:

但也有企业从微棱镜阵列单元中微棱镜的不同分布、排列着手进行改善,而且取得了非常不错的效果。

另外就是从棱镜的形状着手加以改善,在提升反光效率的同时,改善广角性。


标识内容和标识背景的区别来自于标识字膜和底膜逆反射性能的区别,或者说对比度的区别,这样的去别在10左右被试验证明是合适的。


光的投射和反射都是一个光锥,离光锥越近,反射光越强,反之则比较小,将反射光分布在适合各型车辆驾驶人员主要视界中就成为一款好的逆反射材料需要平衡和解决的问题。

越亮的逆反射材料,在做字膜时因为光渗现象其反射光会成为一个光团而影响视认,特别是遇到复杂的汉资时,更会如此,而国外的英文字符相对简洁,光渗现象的影响不大。
同时由于反光亮度过高,和在周围环境的反差过大,也会产生眩光,影响辨识,并可能成为交通安全的不安全因素。

在都市背景光害越来越严重,雾霾越来越频繁的当下,提如何升标识的视认性,成为反光材料应用和研发时需要解决的首要问题。
而具有荧光性能的新材料的引入,有着较好的效果。

在机场、港口、车站等人群密集的场合,具有反光和发光效果的标识有着广阔而快速的需求,这也就要求反光膜不仅具有反光的性能,而且要求其空气胶囊的密封底膜具有透光和导光的效果。

前面所述是背光源带反光的需求,而从施工便捷和能源的角度考量,集反光与自反光一体的星星反光材料也会成为今后的发展方向。

在特种车身装饰、标识领域对反光材料的性能也提出了新的要求。

反光材料有向服装面料及家装面料发展得趋势,其舒适、环保、透气透湿将成为未来一段时间业内需要解决的问题。
眩光的产生和视野中亮度对比度过大或者亮度分布不均匀有关系,反光面积的影响不大。
一般反光膜的亮度分布不均现象不至于产生眩光,但过高的反光亮度就会产生眩光,而且眩光和观测距离和角度也有关系,通常标识用反光膜亮度不宜超过600。
多谢大家,占用了你们的宝贵时间。

问题解答
1)逆反射材料多大面积/多高反光率能避免产生眩光现象。
对逆反射材料而言,眩光的产生主要是因为在视野空间内发出强烈反射光的逆反射材料和周围的昏暗环境有着太大的对比度,眩光的强弱和观测角度、距离及前车大灯照度都有很大关系,理论上和光源的面积也有关系,观测角越小、距离越近、大灯照度越高、光源的面积越大,眩光越强。对设立在路面的标志而言,从面积改善的角度去改善眩光,个人认为是不适宜的或者说不应该作为首选,这会对视认效果产生较大影响。更多的应该从逆反射材料反光性能的选择和搭配上进行验证和优化,通常逆反射系数超过400cd/lxm2的逆反射材料就有可被人眼接受或快速适应的眩光产生,而超过600cd/lxm2后,其产生的眩光强度就会让人眼觉得非常不舒服了。
2)隧道突起路标/道钉利弊如何,车道分界线、车道边线有无安装必要。
隧道的突起路标/道钉这方面的产品和应用我接触很少,其利弊我不敢妄做分析,个人认为突起路标/道钉的材质及和路面的附着方式及附着强度比其自身的反光性能更重要,在车辆轮胎高速冲击、挤压时其脱落、碎裂所带来的安全隐患着实不小。车道分界线及车道边线可以在车辆轨迹漂移时为驾乘人员提供很好的警示作用,其存在的必要性是显而易见的。
3)对于农村公路逆反射材料实用性及经济性分析(标志及标线)。
在我国广阔的乡村间分布着的几百万公里长的农村公路,其中很多公路是还没有标识、标线等基础安防设施的,其标志采用什么性能的逆反射材料,我觉得是一个需要综合各方因素的大课题,经济、适用是一根本原则。事实上这些年我国道路交通标识在逆反射材料的选择上一直存在着追求高大上的误区,很多道路标识逆反射材料的选择没有本着适用的原则而建成了定制路、钻石路、钻石牌,这和国内相关生产企业缺乏相应的引导、劝服、攻关能力和意识有关,更和国内缺乏独立性强、专业水准高的评价、论证机构有关,在此我不做过多的展开。
从逆反射材料应用的角度讲,农村公路的特点是背景杂光少、车流量小、车速慢、车道窄,地理环境相对复杂,因此采用逆反射性能相对较低但性价比非常高的玻璃微珠型工程级反光膜作为标识的主体材料,在复杂路段搭配以具有荧光性能的微珠型工程级反光膜来提升显著性,我觉得是非常适宜和经济的。微珠型工程级反光膜既可以保证5年以上的户外使用寿命,其柔和的逆反射光又可以为视认性提供很好的保障。
4)逆反射应用方向的未来展望。
如我PPT的最后部分所讲,当各种逆反射材料的原理、工艺、材料、光学设计等等都被公知并被国内外企业所掌握后,逆反射材料更多的提升空间将表现在应用领域,应用领域的开拓、创新将是逆反射材料发展得重要主题。不同的应用场合、不同的应用客户和应用方式都对逆反射材料的相关性能提出了不同的要求,以前的逆反射材料某种意义上是一种规格化、制式化的产品,今后将更多的是个性化、定制化的产品,甚至在国防、航天领域也有定制化的逆反射材料需求。
————————————
分享最新交通资讯
交流互动热点话题
关注啸谈阡陌
关注交通·科技·人·生活