（材料加工工程专业论文）光学膜保温性能的研究.pdf

光学膜保温性能的研究l 。1 。- - - - - - - - - - - - - - - 一一 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , i n c r e a s i n ga t t e n t i o nh a sb e e nd r a w nt o e n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ea b o u th o wt om a k e a p p r o p r i a t eu s eo fs u n l i g h ta n dt od e v e l o pt h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l s a tt h ep l a c e sl i k e l a r g ea r e aw i n d o w s ，t r a n s p a r e n tc e i l i n g s ，c a r s ，a n dr e f r i g e r a t e dd i s p l a yc a s e s ，t h eo r d i n a r y g l a s sc a n tp r e v e n tg r e a th e a tf r o mt h ei n f r a r e dr e g i o no fs o l a rs p e c t r u mw h i l el e t t i n gi n s u f f i c i e n tv i s i b l el i g h t t oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo ft h ei n d o o r s ，a n dt os a v e e n e r g ya sw e l l ，i t b e c o m e se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt ol e a r nh o wt oi n s u l a t et h en e a r - i n f r a r e dp a r tw h e r e t h et h e r m a l e f f e c ti ss or e m a r k a b l ei ns u n l i g h t ( t h ew a v e l e n g t hr a n g ei sa b o u t 7 6 0 2 5 0 0 n m ) t h i st h e s i sf i r s te l a b o r a t e st h er e s e a r c hs i t u a t i o n si nt h ef i e l do fi n f r a r e db a r r i e rf i l mb o t ha t h o m ea n da b r o a da n dt h el a t e s tr e s e a r c ht e n d e n c i e s ，a n di n t r o d u c e sv a r i o u sk i n d so f t e c h n o l o g ya sw e l la sp r i n c i p l e s s t u d i e sw e r ec o n c e n t r a t e do nt h em a j o ri n f l u e n c i n gf a c t o r s o f o p t i c a l i n t e r f e r e n c ef i l m s p r o p e r t i e s o ft h e r m a li n s u l a t i o n t h r o u g h r e f l e c t i o n i n c o m p a r i s o nw i t ho r d i n a r yf i l m ，t h ei n t e r f e r e n c ef i l mw i t hs p e c i f i ct h i c k n e s s ( i t so p t i c a l t h i c k n e s si sn e a rt ot h ef o r t ho fs p e c i f i cw a v e l e n g t h ) s t r o n g l yr e f l e c t st h el i g h ta tt h a ts p e c i f i c w a v e l e n g t h r e s e a r c hs h o w st h a tt h er e f l e c t e dw a v e l e n g t hr a n g eo fi n t e r f e r e n c ef i l m si s m a i n l yd e t e r m i n e db yi t st h i c k n e s s t h et h i c k n e s so fi n t e r f e r e n c ef i l m st h a tr e f l e c t i n gl i g h t w a v e l e n g t hl i e s i nt h ei n f r a r e da r e ai sa b o u t3 5um - 9 0um t oi m p r o v et h er e f l e c t i v ea n d t h e r m a li n s u l a t i o na b i l i t i e so fi n t e r f e r e n c ef i l m ，f i l m sa r ep r o c e s s e dw i t hd i f f e r e n tm e t h o d ， a n dp r o d u c e da r eas e r i e so fg r a d i e n ti n t e r f e r e n c ef i l m sw i t hd i f f e r e n tg r a d i e n t s b a s e do n t h i s ，t h ep a p e rs t u d i e st h es p e c t r a ls e l e c t i v i t yo ft h et h i c k n e s so fi n t e r f e r e n c ef i l ma n dg r a d i e n t i n t e r f e r e n c ef i l m ，c a r r i e so u tad e t a i l e da n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo ft h et h i c k n e s s o ft h ei n t e r f e r e n c ef i l mo nt h eu t m o s tr e f l e c t i o n p e a k a n dr e f l e c t i o nb a n da n dl i g h t t r a n s m i t t a n c e ，a n dp r e l i m i n a r ys t u d i e st h ef i l l i n go nt h ei n f r a r e dp r o p e r t i e so ff i l m r e s e a r c hw i t hl o t so fe x p e r i m e n t ss h o w st h a tt h er e f l e c t i o nb a n do fg r a d i e n ti n t e r f e r e n c e f i l mh a ss o m e t h i n gt od ow i t ht h et h i c k n e s so fe a c hi n t e r f e r e n c ef i l mo fi t i ft h et h i c k n e s so f e a c hf i l mi sc l o s e ，t h ep e a ko fp o s i t i o ni sc l o s ea n dt h er e f l e c t i o nb a n di s e a s yt of o l da n d s h o w saw i d et a p e o nt h ec o n t r a r y ，t h er e f l e c t i n gt a p ei sn o te a s yt of o l da n ds h o w sm a n y p e a k s t h ew h o l et h i c k n e s so fg r a d i e n ti n t e r f e r e n c e f i l mi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f g r a d i e n t s ，t h et r a n s m i s s i o no fl i g h td e c r e a s e s ，a n di n f r a r e db a r r i e rp r o p e r t i e so f f i l ma r e e n h a n c e d t h et h e r m a li n s u l a t i o ne f f e c to ff i l m si sd e t e r m i n e du n d e rs e l f - m a d ee q u i p m e n t r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et h r e e g r a d i e n ti n t e r f e r e n c ef i l mh a so b v i o u st h e r m a li n s u l a t i o ne f f e c t ， w h i c hh a sa t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e o f8 。c a tm o s tw i t ht h eo r d i n a r yg l a s su n d e ri n f r a r e d l a m pr a d i a t i o n 北京：i ：商人学硕士学位论文 k e yw o r d s ：i n t e r f e r e n c ef i l m ；n e a r - i n f r a r e d ；g r a d i e n t ；o p t i c a lt h i c k n e s s 光学膜保温性能的研究 目录 第1 章绪论1 1 1 引言一1 1 2 阻隔膜的简介1 1 2 1 反射隔热2 1 2 2 辐射隔热2 1 2 3 透明隔热3 1 3 阻隔膜国内外研究及发展现状3 1 3 1 红外热反射涂料的国内外研究现状3 1 3 2 填充改性阻隔膜的国内外研究现状5 1 3 3 红外干涉膜的国内外研究现状5 1 4 干涉膜的隔热机理7 1 4 1 单层膜的干涉8 1 4 2 多层膜的干涉1 0 1 4 3 干涉膜的光学原理1 5 1 5 本课题研究的目的和意义1 6 第2 章实验部分1 8 2 1 实验设备1 8 2 2 实验原料1 8 2 3 干涉膜的制备1 9 2 3 1 干涉膜基材的选择1 9 2 3 2 干涉膜的层数的确定2 0 2 3 3 干涉膜的挤出工艺路线2 1 2 3 4 工艺条件的确定2 1 2 4 梯度干涉膜的制备2 1 2 4 1 胶粘法工艺一2 l 2 4 2 热压法工艺一2 3 2 5 性能测试2 3 2 5 1 干涉膜透明性能的测定一2 3 2 5 2 卜涉膜近红外性能的测定一2 3 l v 北京工商人学硕十学位论文 2 5 3 干涉膜隔热性能的测定一2 3 第3 章干涉膜隔热性能的讨论一2 5 3 1 干涉膜对光的选择性的研究2 5 3 1 1 干涉膜厚度对光透过的选择性。2 5 3 1 2 普通薄膜与干涉膜光学性能的比较2 6 3 1 3 干涉膜光学厚度对干涉效果的影响2 7 3 2 干涉膜厚度与最大反射峰及反射带关系的研究2 7 3 2 1 干涉膜厚度与反射峰波长及反射带的理论研究2 7 3 2 2 干涉膜厚度与反射峰波长的实际研究2 8 3 3 干涉膜厚度对透光率的影响一2 9 3 3 1 干涉膜厚度与透光率及雾度的关系2 9 3 3 2 普通膜的透明度与厚度的关系3 0 3 3 3 干涉膜厚度与红外线透过率关系的研究3 1 3 3 4 干涉膜与其它薄膜透明度的比较3 2 3 4 干涉膜隔热效果表征3 2 第4 章梯度干涉膜隔热性能的讨论3 4 4 1 梯度干涉膜对光的选择性3 4 4 2 梯度干涉膜隔热效果的表征4 0 4 2 1 胶粘梯度干涉膜隔热效果的表征4 0 4 2 2 热压梯度干涉膜隔热效果的表征4 1 4 3 梯度干涉膜的隔热效果的讨论4 1 第5 章红外阻隔剂的研究一4 4 5 1 红外阻隔剂的选择4 4 5 1 1 高岭土4 4 5 1 2 纳米二氧化硅4 4 5 2 实验步骤及工艺流程4 5 5 2 1l ：艺流干鼙4 5 5 2 2 配方设计4 5 5 2 3 偶联剂表面处理4 6 5 3 。艾验宝古果“寸沦4 6 光学膜保温性能的研究 第6 章实验总结和展望一4 8 参考文献5 0 v l 北京工商大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 太阳光是地球照明的主要光源，而太阳光中热效应最显著的近红外部分 ( 7 6 0 2 5 0 0 n m ) 在很多场所需要隔绝。对运行空调系统的建筑物或运输工具而言，仅仅需 要让太阳光中的可见光部分透过，以保证照明，而隔绝掉太阳光中能产生热效应的红外 光部分，尤其是在太阳光中热效应最显著的近红外部分( 波长范围在7 6 0 2 5 0 0 n m ) ，显得 尤为重要。有很多公司使用金属化或染色的聚合物膜和多层聚合物堆叠来制备阻隔红外 线的透明膜，它能反射或吸收不希望有的红外辐射。理想的情况是这些膜能透射可见光 波长3 8 0 - - - 7 6 0 n m 范围内的所有光线，同时阻隔光谱中可见光部分以外的太阳辐射【。 随着红外隔热膜在农业、汽车工业、建筑业的应用，许多国家对其进行了多方面的 研究。多层复合红外线阻隔膜，以其较低的原料价格，较长的使用寿命及良好的加工性 能、施工性能，将成为今后玻璃贴膜市场中的佼佼者。目前美国、日本等国已经具备相 当规模的研究、开发与生产能力。我国也有很多学者进行隔热膜这方面的研究。但对于 多层红外线组隔膜的研究才刚刚起步，技术十分不成熟。目前只有美国的3 m 公司和日 本的帝人株式会社的技术投入生产，而国内的研究还在探索当中。 1 2 阻隔膜的简介 最早的阻隔膜是染色隔热膜，制作原理是利用染料阻隔光线，隔热效果不佳又很容 易褪色，现已基本淘汰。后来出现了金属隔热膜，是利用一层含金属原料的薄膜与胶 膜压制而成的，在隔热效果上比染料膜好很多，也不易褪色，但其主要缺点是可见光透 光率不好，而且会出现氧化现象，使用年限在五年左右。最近几年出现隔热膜，不含 任何金属成分，不仅具有高隔热率和优越的安全防爆性能，且透明性好。目前隔热膜呈 多元化发展，如混炼纳米材料复合薄膜、多层反射干涉薄膜、溶胶一凝胶薄膜以及有机 无机共聚共混薄膜在近年来都取得了一定的进展。 太阳光包括紫外线、可见光及红外线三种，太阳光经过大气层后照射到地球，山于 大气层的过滤作用，使到达地球的表面的光线组合变为：紫外线占7 ( 会改变物质结 构具有破坏性) 、可见光占7 1 ( 会提供照明、光合作用) 、红外线占2 2 ( 会产生热 能、杀菌作用) 。红外线又可分为近红外线和远红外线。近红外线( 波长7 6 0 3 0 0 0 n m ) 会产7 卜热能。 光学膜保温性能的研究 簧 i s 融 、一 嘲 糌 蔷 渭 耀 匿 一 谭冤党医避怒辨隧中远级孵区 i 、 煮阳笼熙体5 0 i i 扩k 人2 7 zq f i 憨? 嫩 l h o k 0 ，0 0 8 董 o 0 0 6 飞 醅 o 0 0 4 璧 豫 滚 0 0 0 2 羹 o 10 。4 0 7 2l z ，l o 0 0 泼故( 赫i n ) 图l 一1 赢湖光艘黑钵辎黝熊爨分布 f i g 。1 1 d i s t r i b u t i n go fr a d i o n e t i v cc n c r 黔 o f s o l a ra n db | n e k b o d y 太阳光线辐射光谱分布情况如图i - i 所剥2 1 ，辐射能量分布为：紫外区( 2 0 0 - - - - 4 0 0 n m ) 占总能量的5 ；可见光区( 4 0 0 - - - 7 6 0 n m ) 占总能量的4 5 ；近红外区( 7 6 0 2 5 0 0 n m ) 占 总能量的5 0 。太阳光线的能量主要集中于可见光区和近红外区。目前常用的隔热膜均 是以阻隔近红外线及屏蔽辐射的方式来提高薄膜保温性能的，以下是几种常见的隔热方 式。 1 2 1 反射隔热 任何物质都具有反射光或吸收光的性能，通过反射光的形式把太阳光能量隔绝称为 反射隔热。由太阳光谱能量分布曲线可知，太阳能绝大部分处于可见光和近红外区，即 4 0 0 - - - 2 5 0 0 n m 范围，在该波长范围内，反射率越高，膜的隔热效果就越好。因此通过选 择合适的树脂、金属或金属氧化物填料及生产工艺，可制得高反射率的膜，反射可见及 红外光，以达到隔热的目的。反射隔热膜可应用于原油、成品油储罐、保冷设备及管线、 建筑墙体及屋面，具有较高的节能经济效益【3 】o 1 2 2 辐射隔热 通过辐射的形式把物体吸收的同照光线和热量以一定的波长发射到空气中，从而达 到良好隔热降温效果称为辐射隔热l4 i 。由于辐射隔热是通过使抵达物体表面的辐射转化 为热反射电磁波辐射到大气中而达到隔热的目的，冈此，此类膜的关键技术是制备具有 高热发射率的组分。影响膜红外发射率的因素很多，不同材料的不同晶体结构对应着不 同红外辐射特性。由于电子跃迁或品格振动，辐射波长不同，发射率也不同。温度也是 重要的冈素，齐种材料都有独特的温度一发射率f ”i 线。材料表面状念对发射率影响也较 大，一般是表面愈粗糙，发射率愈人。另外，膜的厚度、填料的粒径和含最等因素也对 2 一- - - - - - - - - - - - - - - - 一 北京工商大学硕士学位论文 发射率有较大的影响。 研究表明，多种金属氧化物，如f e 2 0 3 ，m n 0 2 ，c 0 0 2 ，c u o 等掺杂形成的具有反型尖 晶石结构的物质具有热发射率高的特点，而广泛用作隔热节能膜的填料。红外气象学的 研究表明，在波长8 0 0 0 1 3 5 0 0 n m 的区域内，地面上的红外辐射可以直接辐射到外层空 间。在此波段内，太阳辐射和大气辐射能远低于地面向外层空间的辐射能，因此如果在 此波段内使膜的发射率尽可能高，那么在辐射体表面，热量就能以红外辐射的方式高效 地发射到大气外层，达到隔热目的。 1 2 3 填充隔热 填充隔热指在可见光区具有透明性的隔热。主要是利用纳米氧化锡锑( a t o ) 系列半 导体粉体对可见光良好的透过率及对红外光区极高的发射率来达到透明隔热的目的。所 谓物体的发射率【5 】是指该物体在指定温度时的辐射量与同温度黑体的相应辐射量的比值， 发射率越高，该物体重新辐射所吸收太阳光能量的程度就越大，对太阳光能量的阻隔程 度就越大。对于建筑物的大面积窗口及透明顶棚、汽车车窗等场合，太阳光的热辐射会 增加空调的使用率，浪费能源，传统的解决方案是使用金属镀膜热反射玻璃和各种热反 射贴膜等产品达到隔热降温的目的。但是这些产品也存在一些问题，其在可见光区的不 透明性和高反射率限制了它的应用范围【6 1 。纳米材料的出现为透明隔热问题的解决提供 了新的途径。掺锑二氧化锡( a t o ) 是一种n 型半导体氧化物，经研究证实纳米a t o 制 成的涂层有很高的红外屏蔽效果和可见光区良好的透过率【7 1 ，太阳光的主要热量来自红 外区，纳米级的半导体材料，如氧化锢锡( i t o ) 、氧化锡锑( a t o ) 、氧化铝锌( a z o ) 等 对红外光的吸收和反射性很强，这是目前大多数隔热膜的主要成分。锡、锢、锑、镐、 锌元素氧化物之间的掺杂产物具有在可见光区很高的透过率，及红外光区极高的反射率 而被广泛应用于电学和光学器件中，如显示器的透明电极、气敏传感器、汽车的除雾窗 等等【8 1 。 1 3 阻隔膜国内外研究及发展现状 阻隔膜其成膜方法和加工方式有很多种，没有严格的种类划分，国内外的研究主要 集q j 存红外反射涂料、填充改巾牛阻隔膜和红外干涉膜几方而。 1 3 1 红外热反射涂料的国内外研究现状 红外热反射涂料( i rh e a tr e f l e c t i n gc o a t i n g s ) 是指涂覆于物体表面，对太阳辐射中 的近乡j ：外波段( 7 6 0 2 5 0 0 n m ) 具有高反射比( 丰要热鼓来源) ，并将吸收的热能以长波 ( 2 5 0 0 n m 1 5 0 0 0 n m ) 的形式辐射到外部窄问，从而在小消耗能量的情况f 抑制涂层表 光学膜保温性能的研究 面温度的上升( 被动降温) 和降低涂覆物内部和周围温度的节能型功能性涂层材料【9 l 。红 外反射涂料和普通涂料一样，主要由树脂、颜料、填料和溶剂组成。 美国、意大利、日本对此进行了较系统的研究，并且红外热反射涂料已经有少部分 在若干领域取得应用。美国专利【1 0 u s6 0 1 7 9 8 1 介绍了一种红外反射涂料，是以水稀释 型丙烯酸树脂为基料，与钛白粉、铬黑、铁红等颜料，滑石粉、云母粉等填料组成，涂 于白色底漆上形成千膜厚4 5 u m 的涂层，对1 2 0 0 2 0 0 0n m 的红外线的反射率大于5 0 。 国内对此还处于研究阶段，主要是针对石油储罐和船舶用的红外热反射涂料研究， 天津大学侧重于石油储罐反射涂料反射比测试装置的研究【1 1 , 1 2 】；孙明华等人对储罐用防 腐反射涂料进行了研究【1 3 】；中科院广州能源所侧重于海灰色热反射涂料的研究初探，给 出了海灰色甲板热反射涂料传热层的传热分析及其降温极刚1 4 d 5 】；化工部青岛海洋研究 所【1 6 。2 0 1 ，对红外热反射涂料机理进行了初探，讨论深灰色船壳反射涂料的研究方法：中 国专利【2 1 1 1 2 0 4 6 7 2 公开了一种热反射涂料，主要应用于太阳辐照下的石油储罐降温处理。 王金台【2 2 】采用正交试验法研究了反射隔热涂料的工作原理，确定了涂料的各种功能性填 料应用，使涂层具有太阳热高反射和高辐射性能，提高了涂料的隔热性能。在相同配方 下，比较添加普通填料、氧化锌、玻璃微珠、陶瓷微珠等不同功能性填料时涂膜的反射 比和稳定性能，发现添加玻璃微珠的涂膜反射比和稳定性能较好。目前，热反射涂料的 研究主要侧重于其所用的树脂、检测手段、热反射比的计算方法、涂敷后能量节约以及 涂料的耐久性问题。 红外反射涂料最主要的缺点是透明度低。近年来，随着纳米材料的发展，涂料的透 明性得到一定的改善。世界专利w o9 9 1 9 2 6 7 采用能反射红外线的胆甾醇类作隔热层， 虽具有透明性，但其隔热效果有限。美国专利【2 3 u s5 5 1 8 8 1 0 讲述了一种红外阻隔材料 锡掺杂氧化铜( i t 0 ) 粉体分散在无机或者有机聚合物中形成涂料、薄膜及其它形状，其 在可见光区透明，并能阻隔波长在1 0 0 0n m 以上的所有近红外光，从而达到隔热的目的。 欧洲专利1 2 4 e p1 0 4 0 9 1 3 讲述的红外阻隔隔热涂层为多层结构，分为基膜层、红外阻隔层、 保护层、粕附层和分离层。采用i t o 作为红外阻隔填料，且i t o 和树脂的用量之比在 9 0 1 0 到6 0 4 0 之问。i t o 的粒径至少应在1 0 0n m 以下，5 0n m 或者2 5a m 更好，且采 用非离子表面活性剂作为i t o 的分散剂。为了降低i t o 粉体使用过多带来的高成本， 其考虑了添加z n o 、s n 0 2 、t i 0 2 粉体，减少i t o 的用量，发现所得涂层的红外阻隔性 能并没有降低。反辐射树脂选择适当的含彳i 饱和键的单体共聚而成，包括丙烯酸、甲基 丙烯酸、苯乙烯、l 。；l 烯唆哺、 | | 1 j l ；片j 1 烯峻酯等聚合物。为了增加涂层的隔热、咐 4 北京工商大学硕士学位论文 磨、耐溶剂性能，粘附层采用丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯作为成膜物，金属鳌合物类作为 固化剂。该涂层能阻隔波长为1 0 0 0 2 5 0 0 n m 的近红外光的能量。 1 3 2 填充改性阻隔膜的国内外研究现状 填充改性阻隔膜指在薄膜中加入一些能反射红外线的无机矿物质微粒，以增强薄膜 整体对红外线的屏蔽作用，从而提高薄膜的保温性能。但是这类无机物没有光能的转化 作用，只是利用陶瓷或金属氧化物等细粉与纤维或织物结合，增加薄膜对红外线反射和 散射作用，以阻隔红外线透过而引起车内或者屋内的温度提升。这些填充粒子包括高岭 土、碳酸钙、滑石粉、蒙脱土、纳米二氧化硅、云母粉等。 目前国内的填充改性膜主要应用在农用大棚膜方面。在大棚膜中加入适量的这种 矿物粉末可以提高塑料薄膜对红外线的阻隔性，从而减少棚内热量在夜间以红外线辐射 形式向棚外散失，提高大棚的保温性。刘英俊【2 5 】以高岭土做为红外光阻隔剂，在保持塑 料大棚膜良好力学性能的同时，5 1 0 的煅烧煤系高岭土可将棚膜的红外光阻隔率 提高一倍以上。王士忠【2 6 】用傅立叶红外光分光光度计研究了玻璃粉和白云母粉改性的 l d p e 薄膜的红外吸收特性，通过对6 8 1 3 7 u m 范围红外线平均透过率的比较得出：玻璃 粉、云母粉都能有效地降低l d p e 薄膜的红外线透过率。 目前美国、日本等国已经具备相当规模的研究、开发与生产能力。日本一家化学 公司以聚丙烯、聚乙烯和聚酯等为主要原料，再添加6 种无机物粉末，生产出一种能阻 隔紫外线和红外线的塑料薄膜【2 7 】。用这种薄膜包装储存大米，能防止大米陈化；将其衬 附在包装蔬菜、水果或鲜花的纸箱板的表面，能防止果蔬腐烂和鲜花枯萎。 德国c o n s t a b 聚合物化学公司，是一家专门从事在农用塑料薄膜中使用的功能 性助剂与母料研究和生产的企业。他们以中国出产的粘土为原料，制成商品牌号为 c o n s t a b l r 0 4 0 4 i d 的红外光阻隔功能性母料【捌，在聚乙烯塑料薄膜中添加7 这种母料，可 使7 1 铋m 范围内的红外光透过率减少至2 5 以下。 1 3 3 红外干涉膜的国内外研究现状 红外干涉膜是利用光干涉的方法【2 9 】来提高薄膜对红外线的反射效果，进而达到隔热 的效果。干涉阻隔膜是利用两种或两种以上具有不同折光指数的材料经交替组合后，形 成总层数为f j l 十层或者几百层，总厚度在一定范围内的、各层均匀平行的薄膜，如图 1 2 。对于许多应用，最好是红外反射膜尽可能多地反射位于光谱红外区域内的太阳辐 射，而在光谱的可见光区域保持很高的透光率。 光学膜保温性能的研究 图1 - 2 多层膜结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo fm u l t i l a y e rf i l m 随着干涉阻隔膜在农业、汽车工业、建筑业的应用，许多国家和公司对其进行了多 方面的研究。我国也有很多学者和公司进行隔热膜这方面的研究，但对于光干涉阻隔膜 的研究国内还没见其他人报导。 目前只有美国的3 m 公司和日本的帝人株式会社将较为成熟的技术投入生产。美国 专利r e3 4 6 0 5 说明了由共挤出技术形成的全聚合物的三组分光学干涉膜，它反射红外 线同时抑制光谱的可见光区域内的二阶、三阶和四阶反射。该膜中的聚合物被要求具有 严密限定的折射率，这就限制了可用聚合物的选择，并且制备膜时，三种聚合物组分的 每一种需要单独的挤出机。美国专利5 3 6 0 6 5 9 说明了一种也可共挤出的全聚合物的双组 分膜，它能反射红外线同时抑制在光谱可见光部分出现的二阶、三阶和四阶波长。该膜 包含第一( a ) 和第二( b ) 的不同聚合物材料的交替层，具有六层交替重复单元，a ：b ： a ：b ：a ：b 各层的相对光学厚度分别约为7 ：1 ：1 ：7 ：1 ：1 。在该发明的另一个实施方案中， 提出了一种双组分膜，它包含第一部分交替层和第二部分交替层，所述第一部分交替层 包含六层交替重复单元，a ：b ：a ：b ：a ：b 各层的相对光学厚度分别约为7 ：1 ：1 ：7 ：1 ：1 ， 所述第二部分交替层具有相等光学厚度的重复单元a b 。 美国专利4 7 0 5 3 5 6 揭示了薄膜光可变的制品【3 1 】，它随光线入射角和观察角的变化 有明显的颜色变化，所述制品包含一光密、基本上透明的结构元件，它具有着色剂和多 层干涉涂层，由此着色剂用丁以大致相减的模式改进由光线透过制品看到的多层干扰涂 层在垂商入射角的颜色和随角度变化而发牛的颜色变化。美国专利5 4 8 6 9 4 9 和美国专利 4 7 0 5 3 5 6 都揭示这样一种光学体，它包含一种膜和一种元件的组合，所述膜的反射带的 位罟是能反射入射角垂直于膜时至少一个偏振的红外辐射，所述元件设计成能至少部分 吸收或反射胃f 合适位置的反射带所得区域内垂商入射角时的乡i ：外辐射。 荚圈3 m 公司 3 2 1 用共挤制备了多层光学膜。该膜具有按j 排列的两种或多种材料 北京丁：商大学硕士学位论文 层，在整个多层光学叠堆中具有特定的层厚和规定的层厚梯度。能反射太阳红外范围内 宽带宽波长。且能够在所有所需的入射角提供对光谱红外区域的良好反射性和改进的垂 直角度时的遮阳系数，同时仍然透射可见光。 日本帝人株式会社通过将折射率低的层和折射率高的层交替规则地配置，且控制各 层厚度的最大值和最小值的比，从而选择性地反射任意波长波段的光的多层膜和使用它 的近红外线反射膜，开发出将8 0 0 n m 到1 0 0 0 n m 附近的波长平均分割的等离子显示器前 面板用的近红外线遮断膜 北京工商大学的王佩璋【3 3 】副教授采用两种或两种以上具有不同折光指数的透明热 塑性树脂交替组合，形成总层数为1 2 1 层均匀平行的交替层总厚度达1 5 5 0 u m 的多层 反射干步膜。结果发现，当薄膜厚度一定时，其时1 0 0 0 - 1 4 0 0 n m 的红外线有明显的阻 隔效果，从而可提高薄膜的保温效果。 1 4 干涉膜的隔热机理 光是一种电磁波。可以设想光源中的分子或原子由于某种原因而振动，这种振动导 致分子或原子中的电磁场发生电磁振动。可以证明，电场强度与磁场强度两者有单一的 对应关系，同时在大多光学现象中电场强度起主导作用，所以我们通常将电场振动称为 光振动，这种振动沿空间方向传播出去就形成了电磁波。 电磁波的波长九、频率f 、传播速度v 三者之间的关系为： v = 九f 各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样的，即3 0 e + 8 m s ，常用c 表示。但是在 不同介质中，传播速率是不一样的。假设某种频率的电磁波在某一介质中的传播速度为 v ，则c 与v 的比值称为这种介质对这种频率电磁波的折射率。频率不同的电磁波，它们 的波长也不同。波长在4 0 0 - 7 6 0 n m 这样一段电磁波能引起人们的视觉，称为可见光。普 通光源如太阳、白炽灯等内部大量振动中的分子或原子彼此独立，各自有自己的振动方 向、振幅及发光的起始时间。每个原子每一次振动所发出的光波只有短短的一列，持续 时削约为1 0 e 8 秒。我们通常观察到的光都是光源内大量分子或原子振动辐射出来的结 果，而观察不到其作为一种波动在传播过程中所能表现出来的特征一干涉、衍射和偏振 等现象。这是因为实现光的下涉是需要条件的，即只有频率相同、相位差恒定、振动力 向一致的两列光波刊是相干光波，这样的两列波辐射到同一点上，彼此叠加，产生稳定的 于涉抵消( 产生暗影) 或者二f 涉加强( 产生比两束光能简单相加更强的光斑) 图像，j 是我 们观察剑的光n ，j _ h 步现琢。 光学膜保温性能的研究 1 4 1 单层膜的干涉 薄膜干涉在日常生活中很常见，如日光下的肥皂泡、油膜及其它薄膜，在这些薄膜 上可以看到非常美丽的彩色条纹。这是光被薄膜的上下表面反射所形成的两束相干光的 干涉条纹，这一现象属于薄膜干涉。在大多数薄膜产生干涉的情况下，反射和透射的干 涉图样常同时出现，下面分别讨论薄膜在反射光和透射光两种情况下所发生干涉的规 律。 如图1 - 3 所示，一块折射率为n ，厚度为t 的薄膜，它处在折射率为n 2 的媒质中。 当入射光s a 入射到薄膜时，由于光线在膜内的多次反射，将分裂为1 ，2 ，3 等各 条反射线和i ，i i ，i i i ，i v 等各条透射光。设薄膜的前后两面是相互平行的，则反 射光和透射光将分别构成二平行光线组，这时的1 ，2 两条光线在p 点相遇时是加强还 是削弱，取决于它们之间的相位差，而相位差的产生是因为1 ，2 两条光线所走 p 牛 n 。a 蜀弋八i x t _ | l i l 图1 - 3 单层薄膜干涉 f i g 1 3t h ei n t e r f e r e n c eo fs i n g l ef i l m 的路线不同。由于膜的折射率和周围媒质的折射率不同，所以决定它们相位差的并不同 于几何路程差。这种情况与光波在真空( 或空气) 中传播的情况是不同的。光由真空( 或 空气) 进入各向同性的透明媒质时，光的频率不变，波长变短，如果按波长来计算相位 差，就没有统一的标准，给我们计算光的周相差带来不便，所以我们定义一种标准光 程，来计算光的相位差。光程是光所行走过的距离( 几何长度) 乘以光通过的媒质的折 射率( 式1 1 ) 。 f = k ，l m ( 1 1 ) 卜_ ) i 已槲 a 光花媒质r ，的波长 ，? ，。媒质的折射率 北京f ：商大学硕士学位论文 在图1 3 所示，一块折射率为n ，厚度为t 的薄膜，它处在折射率为r l ：的媒质中。 当入射光s a 入射到薄膜时，由于光线在膜内的多次反射，将分裂为1 ，2 ，3 等各 条反射线和i ，i i ，i i i ，等各条透射光。设薄膜的前后两面是相互平行的，则反 射光和透射光将分别构成二平行光线组，这时的1 ，2 两条光线在p 点相遇时是加强还 是削弱，取决于它们之间的相位差，而相位差的产生是因为1 ，2 两条光线所走的路线 不同。由于膜的折射率和周围媒质的折射率不同，所以决定它们相位差的并中，延长 c d 致b ，取a d = d b ，连接a b ，则a b 必和薄膜的表面垂直且长度为2 t 。这样可以把 本来在a 点分开的光线1 和2 中的光线2 看成是从b 点出发的，并令d b 表示光线2 在膜内行的路程。作c f 垂直于a e ，f e p 和c h p 是等光程的，于是得到光线1 和2 的 光程差为： a = n l b c n 2 a f ( 1 - 2 ) 一光程差 设i 入射角，0 为折射角，作a g 垂直于d c ，则有： 主堕；n _ l ；一a f ( 1 3 ) 一= = 一 、_ 一) ， s i n 0 n 2 c g 把式1 2 代入式1 3 并化简得 a = n l b g = 2 n l d c o s o ( 1 - 4 ) 式1 4 是薄膜产生干涉得最基本的关系式，它表明光线1 和光线2 的光程差等于薄 膜的厚度d 、薄膜的折射率n ，和折射角0 的余弦三者乘积的二倍。即光程差由薄膜的厚 度、构成薄膜的物质和入射光线的方向三者来决定的。 理论和实践都证明，当光波射至两种媒质的交界面，被光密媒质反射时，反射光波 的相位发生万的变化；若光波被光疏媒质反射，反射光是不发生相位变化的。对于透射 ( 或折射) 光波来说，在任何情况下都没有相位变化。 当薄膜的折射率大于周围媒质的折射率时，因为光线1 和2 总有一条在a 或d 反射 时相位发生万的变化，所以光线1 ，2 之问要出现附加的相位差万。当光线1 和2 的光 程差等于半波长的偶数倍，则光线1 和2 在点p 相会合时，相互减弱；反之，当它们 的光程差等于半波k 的奇数倍，则它们在点p 杆i 会时，相互增强。 反射光线除了1 ，2 两条外，还有3 ，4 ，5 等，这些反射光线中的每一条在膜 内所经过的路程，都比它的前面的一条光线多通过薄膜两次，所以的结果也适用于任何 棚邻的两条光线。但光线2 和3 的光程差为为、卜波k 的偶数f 者| f 、，它们是相! f 7 强的， 而刁i 是相互减弱的。这是因为光线3 反射时，言的相位要么4 i 发牛变化要么连续两次变 光学膜保温性能的研究 化石的缘故。光线3 和4 ，4 和5 都与2 和3 所遵守的关系一致。 综上所述，可以得出以下结论：当反射光线组被透镜l 芟聚到点p 时，如果由于薄 膜引起的光程差恰好等于半波长的偶数倍，那么除光线1 外，其他所有的光线都是同相 位的，它们相互增强，但它们和光线1 的相位相差石的奇数倍，所以点p 的合成光的强 度是最小的，在另一种情况下，如果由于薄膜引起的光程差恰好等于半波长的奇数倍， 那么所有的反射光线可以分成二同相组，如光线1 ，2 ，4 和光线3 ，5 ，7 同相。虽 然这两组光线在点p 相互减弱，但由于多次反射功率密度依次递减的缘故，最强的光线 1 和2 同相，所以点p 光的强度最大。 对于透射光线i ，i i ，很容易的求出它们的光程差也满足式1 4 。在透射光线的情 况下，无论薄膜的折