反光材料交通标志反光膜
此后，随着化学工业，特别是合成树脂的发展，各R&D机构不断研究创新，利用玻璃珠技术、合成树脂技术、膜技术和涂层技术，开发出一系列高质量的反光产品。
从上世纪40年代开始，这种最初制造出来的反光膜就被贴上了“工程级”反光膜的标签，广泛应用于道路交通标志中。此后，随着合成树脂的出现和社会发展的需要，用于服装等人身安全防护领域的反光膜等一系列产品相继开发出来。此后，随着材料科学和光学技术的一系列研究成果，特别是微棱镜反光材料的出现，这种原本主要用于交通标志的反光材料逐渐被更新更好的反光材料所取代。
反光膜有很多种分类方法。其中，公认的分类原则是基于逆反射单元的基本结构，排名方法主要是基于逆反射膜的正面光度性能的逆反射系数。但考虑到反光膜的工艺不同，有的是为了解决非正面逆反射的亮度而专门设计的，有的是为了兼顾两方面性能而设计的，有的是为了满足恶劣天气条件下的视觉识别要求而设计的，所以这种分类方法也存在不足。因此，需要熟悉和掌握各种反光膜的应用条件和设计功能。
在传统习惯中，根据反射单元的结构，反光膜分为两类，玻璃珠反光膜和微棱镜反光膜。每一种反光膜也包含许多种类，如微棱镜反光膜。由于采用了更先进的技术，它的选材和棱镜结构都有了很大的变化，可以满足更多的流量需求。根据棱镜的形式和技术特点，微棱镜反光膜可分为具有良好长距离逆反射能力的截顶棱镜反光膜、具有良好短距离和大角度逆反射性能的截顶棱镜反光膜、兼顾各方面的全棱镜反光膜、在白天和恶劣天气条件下性能良好的荧光全棱镜反光膜、满足传统工程级逆反射参数的棱镜反光膜等等。
玻璃珠反光膜出现的比较早，但是技术变化很少。主要有两种:一种是透镜嵌入式反光膜，习惯上称为工程级反光膜；一种是密封胶囊式，通常称为高强度反光膜。对于应用的需要，需要注意的是，在镜片嵌入式反光膜中，由于历史悠久，各个厂家在漫长的生产制造过程中，利用镜片耐候涂层的直径、密度、厚度等方面的差异，做出了很多种类的反光膜，比如超级工程反光膜。俗称经济级反光膜，主要在国内生产，基本是在工程级反光膜的技术基础上，通过减少镜片(玻璃珠)的数量和密度来实现的。这两种反光膜，经济级反光膜，不能满足交通安全的需要，多用于商业领域，很少纳入交通安全的标准。
说到反光膜的科学分类方法，就离不开对反光膜的应用具有重大指导意义的反光膜标准。在世界反光膜标准中，美国材料与测试学会、澳大利亚和新西兰的标准以及美国联邦公路管理局关于交通标志用反光材料的指导意见，对反光材料制作交通标志、提高交通安全的研究和应用起到了积极的指导作用。下面，我们就一一介绍。
美国材料与测试协会是一个具有悠久历史的国际材料测试标准组织。英文全称是材料标准测试协会(ASTM)。它的建立是为了给科学界和工业界提供一系列的材料测试标准，从而实现对新材料的定义，为全世界的科学界提供一个相互交流的技术平台。为逆反射材料以及石油、天然气、化工等各种工业领域的多种材料的测试标准化提供技术支持。
鉴于这种技术可追溯性，ASTM对反光材料的测试标准也随着反光材料的发明和使用而不断积累。每出现一种新材料，只要该材料出现一段时间，并且其制造商向ASTM申请加入，其委员会就会授权对该材料进行分类，并建立检测标准。也正是因为这个原因，在ASTM4956的反光膜标准中，反光膜多达11，而且还在继续；然而，另一方面，ASTM标准更像是逆反射材料的目录，而不是有助于理解逆反射膜的应用方法和问题的标准，因为当ASTM最初对这些材料进行分类时，没有考虑驾驶员的性能和需求。
正因如此，为了给本国交通工程建设单位提供更有效的技术支持和指导，世界发达国家都制定了自己的国家技术标准，而不是直接使用ASTM对反光材料的分类。
反光膜是由多层不同性质的材料组成的层状结构。不同的反射膜具有不同的层结构。图3是最早的玻璃珠反光膜的基本结构图。从图中可以看出，反光膜一般是由表层(保护膜)、反射层(功能层)、基层(承载层)、粘合层、底层(保护层)等多层不同物质组成的膜结构物体。反光膜表层一般采用透光性和耐候性好的树脂膜。反射层根据反射膜的不同类型，采用不同的材料，如微小玻璃珠、微棱镜或金属反射涂层。基层多为树脂有机化合物，粘合层一般为环氧树脂胶，底层为厚纸做的保护层。
表1是各种反光膜的结构图，可见不同类型的反光膜有不同的组成材料和结构。
表1各种反光膜主要结构示意图反光膜的首要作用是改善交通标志的表面性能，使其满足全天候交通的需要，改善道路的安全运行条件。
由于不同种类反光膜的反光性能存在差异，因此在应用于交通标志的制作时，需要根据标志的设置功能和用途做出相应的规范。研究这一应用标准的科学被世界各地的安全工程专业人士视为交通控制和安全技术的重要组成部分。
交通控制和安全技术已经发展了数百年。自1908第一个人工交通标志标准在英国问世以来，世界上许多国家不断投入大量的科研和技术资源来分析和掌握反光技术在交通安全领域的作用和价值。在这方面，欧美等发达国家走在了前列，他们的研究成果帮助中国在短短10多年的时间里经历了一个从无到有的过程。我国交通标志反光技术的研究始于20世纪80年代末，主要技术规范为交通标志国家标准GB5768和交通标志反光材料国家标准GB18833。这些标准在很多方面还处于完善和发展阶段，相关的科学应用方法和效果研究结论还需要大量的时间和实践。镜片嵌入式反光膜，俗称“工程级”，是玻璃珠反光膜的原创产品。业内习惯称之为“工程级”反光膜，发明于1937。“工程级”的名称来源于注册的英文产品名称“工程级”，是产品发明公司的名称。后来很多科研机构直接用这个产品名称来代表实验材料的名称，于是这个名称成了交通工程界的一个成语，它的正面亮度(0.2？/-4 ?)一般在100 CD/LX/m以下，直到2008年6月，165438+10月，根据工程级反光膜的反射亮度特性，研制出新型棱镜型工程级反光膜(英文也叫超工程级，EGP)，以科技创新再次突破和丰富了工程级反光膜的含义。
传统的工程级反光膜于20世纪80年代引入中国。在20世纪90年代，中国开始出现一些制造商来生产这种反光膜。
工程级反光膜的胶粘剂一般分为压敏型和热敏型两种，可以粘贴。使用同种油墨和丝网印刷技术，还可以在上面印刷各种图案。适用于工程级反光膜的底板为铝板，施工操作温度一般要求在18摄氏度以上。如果温度过低，会影响粘合剂的性能，导致标志使用寿命的损坏。图4是嵌有透镜的反射膜的结构示意图。工程级反光膜寿命一般为3 ~ 7年，白膜正面为两倍(0.2？/-4 ?)一般在100cd/lx/m左右，具体看厂家。有的厂家只提供7年的反光膜，7年后的亮度保持值至少是初始亮度值的50%。一些制造商只提供3年和5年的质量保证。这主要是反光膜的耐候性不同造成的。同样的原料制成的反光膜，在不同的地域气候条件下使用，寿命长短是不一样的。
需要注意的是，工程级反光膜的亮度稳定性、亮度强度和耐候性是考察此类反光膜生产质量的一些重要依据。在这些环节中，任何一个环节偷工减料都可以降低产品成本，但其质量也会大打折扣，尤其是耐候性和光度参数的差异，可以明显体现出工程级反光膜的优劣。透镜密封反光膜是一种耐用的玻璃珠反光膜，业内习惯称之为“高强度”反光膜，1972研发成功。“高强度等级”来源于英文High Intensive Beads(简称HIB)，最初是产品研发公司的专用名称。直到1985，从日本开始，一些国家和地区的企业开始陆续做这种反光膜，于是“高强度等级”这个词开始陆续被其他工厂使用，逐渐成为这种特殊结构反光膜的统一名称。考虑到本书的读者多为业内人士，高强班的名称已经成为业内通用名称，所以从方便读者的角度出发，在以下章节中，也以“高强班”为主标题。
通过合格的工艺和材料制造的高强度反光膜的反光系数比工程反光膜至少高一倍，内部真空支架结构也解决了招牌因温度变化而结露的问题，进一步提高了材料的反光能力。这种材料在上世纪70年代问世时，顺应了提高车速、改善路况的技术进步的需要，被成功用于制作交通标志，挽救了很多生命。与工程级反光膜相比，高强度反光膜使标志即使在大角度、亮区的情况下也更加清晰可见，有效预测驾驶员前方的道路危险。
高强度反光膜采用玻璃珠反光技术。由于其在产品结构上的创新，具有工程反光膜无法比拟的反光亮度和角度性能，但同时也因其自身结构导致了一些难以克服的产品缺陷，如易碎易撕、起皱、气泡、表面蜂窝突起、生产能耗高、排放量大等。玻璃珠技术的限制也阻碍了高强度向更高亮度和更好棱角性的提高。
高强度反光膜也是带胶的材料，一般分为压敏型和热敏型。使用同一种油墨和丝网印刷技术可以制作各种图案。高强度反光膜一般采用透光性和耐候性好的树脂膜作为表层，第二层是真空层，第三层是内嵌的微小玻璃珠，第四层是金属反光涂层，第五层是树脂承载层，第六层是胶粘剂，第七层是衬纸保护层。图5是高强度反射膜的结构示意图，图6是高强度反射膜的典型外观。高强度反光膜主要用于制作指路标志、禁止标志、警告标志、指示标志等交通标志。高强度反光膜问世后，驾驶员识别交通标志的时间缩短，前方标志与障碍物的距离显著提前，大大增加了采取安全防范措施的时间，降低了夜间道路交通事故的发生率，提高了交通安全性。根据实证研究，高强度反光材料的亮度远远高于工程级反光材料。自20世纪90年代以来，这种高强度反光材料在我国高速公路上得到广泛应用。
此后，随着机动车性能和道路建设技术的提高，城市环境发生了很大变化，高速公路和高速车辆大量增加，城市光源复杂，宽路和急弯层出不穷，对驾驶员的视认视距有了新的要求。高强度反光材料的一些缺点，尤其是在大角度反光性能、加工工艺和成本上，已经无法与新兴的棱镜技术相比，逐渐开始被取代。
90年代后半期，尤其是21世纪，美国和欧洲已经开始了用棱镜级材料替代高强度材料的进程。尤其是2004年“超一流”的逆反射材料使用了棱镜技术，不仅提高了反射性能、加工方法、节能减排，而且在价格和成本上也不逊于高强度材料。此后，作为高强度材料的发源地，美国已经停止生产这种材料，使中国成为高强度反光材料的唯一生产国。
优质高强度反光膜寿命一般为10年，白膜正面亮度(0.2？/-4 ?)一般在250 CD/LX/m以上，正常使用下，10年后的亮度保持值至少为初始亮度值的80%。高强度反光膜适合的基板是铝板，通常要求工作温度在18摄氏度以上。微棱镜反光膜的逆反射原理不同于工程级(透镜嵌入)和高强度(透镜密封)反光膜。工程级和高强度反光膜都采用玻璃珠反射原理，而微棱镜反光膜的反射原理是利用微棱镜的折射和反射。微棱镜反光膜的主要代表产品根据逆反射的特点和结构可分为四类:注重远距离识别的截顶棱镜、注重短距离大角度识别的截顶棱镜、兼顾远距离识别和短距离识别的全棱镜以及将这些棱镜技术与新材料技术相结合的新型棱镜反光膜。它们是近年来随着应用层次的多样化，为满足不同层次的需求而出现的新型反光材料。
长距离截顶微棱镜反光膜是80年代初问世的第一代微棱镜反光膜。它的英文名是Long Distance Prismatic)，市面上能看到的第一代钻石、水晶、星光产品都是这种。这种反光膜的正面亮度很高，白膜的正面亮度(0.2？/-4?)一般在800cd/lx/m，一般在800以上，回射光的分布没有方向性。反光膜无论是水平贴还是垂直贴，反光效果差别不大。但在大入射角和大观察角时，反射亮度会大大衰减。如图7所示，这种反射膜的结构显示在显微镜下。这种反光膜突出了正的逆反射光度，更适用于路标、警示柱等。不适合阅读距离内需要更多视觉亮度的交通标志。这种早期的棱镜反光膜是当时设计和研究的阶段性成果。当时的棱镜结构无法解决大观中角度测量的回射亮度问题。
第一代微棱镜反光膜出来后，人们发现了一个问题。当机动车真正进入标志的阅读距离时，也就是在观察角度较大的情况下，标志的亮度衰减到无法在阅读距离内阅读标志的内容，或者阅读的时间会更长。因此，人们利用大角度截顶微棱镜结构来制作大角度截顶微棱镜反光膜，以解决在阅读距离内两次保持标记的问题。所以这种大角度反光膜也是从反射性能方面描述的特殊棱镜反光膜。
与长距离截顶微棱镜反光膜相比，大角度截顶微棱镜反光膜的正面亮度相对较低，但其反射亮度在大入射角和大观察角时不会大幅衰减。大角度对应的是车道多、弯道多的地方，以及内容复杂、阅读时间长的标志，所以这种反光膜适用于城市道路和宽阔道路上的交通标志。虽然它的正面反光亮度在远距离下一般(仅在远距离下与棱镜级别相比，仍可达到高强度级别的两倍以上)，但在近距离(需要阅读logo内容的距离)下，它的反光亮度却远高于远距离反光膜。其指向性比远距离反光膜强，可以根据标志的位置和方向进行调整，满足阅读的需要。图8是显微镜下VIP大角度截断微棱镜的结构图。VIP(视觉冲击棱镜)，翻译过来就是视觉冲击棱镜，80年代末问世，一度被广泛使用。全棱镜技术出现后，就停产了。
全棱镜反光膜是由全棱镜结构制成的棱镜型逆反射材料，即去掉传统微棱镜结构中不能反射光线的部分，使反光膜全部由可以实现全反射的棱镜结构组成。它结合了长距离和大角度微棱镜反光膜的两大特点，在保持正面亮度高、远距离易发现的同时，提高了大入射角和50-250米距离观察角时的反射亮度。
这种全棱镜反光膜的问世，突破了棱镜反光膜无法同时兼顾远距离反射能力和近距离反射能力的学术壁垒。它根据车辆光线传播的路径和模式，在理想距离内找到标志识别所需的角度(入射角和观察角)，然后在传统的截顶微棱镜上确定非反射区域，再去除这些非反射区域，从而在反光膜上实现单位面积100%的反射结构面积，称为“全反射”。
当然，这只是理论上的反射效率100%。在实际生产中，由于材料等条件的限制，反射式车灯无法达到100%的亮度。目前最好的反射效率是58%，远高于其他类型的反光膜，比如高强度反光膜，只有23%。而从0.2的观察角度？从开始到2点？其逆反射效率始终保持在50%以上。图9是全棱镜反射膜的电子显微照片。
目前，每个微晶立方体按照一定的规则连接排列后，一平方厘米的材料面积上会有930多个单元，以此来控制光线进入和反射的路径。微晶立方角的下层密封形成空气层，利用光的衍射现象将入射光在内部全反射，不需要借助金属反射层就能达到最佳的反射效果。与传统的工程级高强度反光膜相比，采用耐磨高硬度聚碳酸酯材料和微晶立方技术制成的反光膜不仅反射性能提高了一倍，而且大角度反射性能也有了大幅提升。这种全棱镜反光膜的正面亮度是工程级的6倍以上，白膜的正面亮度(0.2？/-4?)一般在600 cd/lx/m以上，是高强度等级的两倍以上，而在大观角度测量下(0.5？第二呢。当)，回射性能大约高两到四倍。
全棱镜反光膜是一种适用于各等级公路和城市道路的交通标志材料。在西方的应用已经逐渐取代了标志照明的投资和消费。制作路标时，如果从长期投资效益和安全效益考虑，全棱镜反光膜可以替代任何等级的反光膜。在正常使用条件下，使用十年后，全棱镜的保留亮度至少为初始亮度的80%，即十年后仍能大大超过全新的高强度、工程级反光膜的逆反射性能，从科学发展的角度来看，这是一种更为经济的选择。同时，如果使用同一种油墨，结合丝网印刷技术，可以制作出各种带有图案的交通标志。
全棱镜反光膜主要用于指路标志、禁止标志、警示标志、指示标志，特别是需要长时间阅读的标志、视觉环境复杂的标志、宽阔的道路和高等级公路，性能尤为突出。金刚石级反光膜合适的底板是铝板，加工操作温度一般要求在18摄氏度以上。
图10为工程级反光膜、高强度棱镜、截顶棱镜、全棱镜在各种角度下的回射亮度值对比。随着科技的进步，全棱镜反光膜在各个角度的光度性能都有了显著的提高。
近年来，在棱镜型反光膜的结构没有大的变化的情况下，创新的重点更多地转移到通过不同的材料加工工艺来实现更丰富的光控效果和丰富的材料特性，从而实现不同的反光能力和不同的柔韧性，以满足不同层次的需求。市场上俗称“超级”、“超级”、棱镜工程级(新超工程级)的反光膜，都是棱镜反光膜的新形态。这些反光膜的截顶棱镜结构基本相同，只是材料的加工工艺不同，形成不同的反射效果，优越的耐候性和加工适应性，满足不同的应用需求。
其中，尤其是超强反光膜，因为顺应了市场需求，在21世纪初问世后迅速普及。其设计初衷是充分发挥棱镜结构的优势，在保证能超越高强度反光膜所有功能的基础上，还能在多角度条件下拥有更好的逆反射性能和优越的性价比。
这些新型棱镜反光膜具有非常高的强度和厚度，消除了logo加工中容易撕裂、起皱、气泡、表面蜂窝突起等缺陷，大大简化了施工难度，使logo加工过程更容易控制，减少了加工不良造成的损失。同时，由于反射膜的表面亮度因子大，大大提高了逆反射性能。它不仅在远距离具有优越的逆反射系数，而且在一般视觉需求下，近距离大观察角度下也能保持标志明亮，使驾驶员更早发现标志，近距离更清晰地阅读标志内容。图11是这些棱镜结构反光膜的结构示意图。通过树脂层和立方晶体表面之间的材料处理差异可以形成不同的逆反射效果。
这种反光膜的表层多为聚碳酸酯材质，不仅更耐磨耐刮，还可以搭配丝印油墨，还可以应用于热转印制作彩色交通标志。同时，由于表面亮度系数的提高，使得招牌在白天更加醒目明亮，也具有更好的耐候性。
值得一提的是，在对交通标志各方面都有严格要求的2008年北京奥运会上，北京市交通管理机关使用这种反光膜高质量、高速度地完成了赛事的准备任务，使中国成为奥运会历史上第一个使用这种反光膜制作专用车道警示牌的国家。这也从一个侧面说明，我国交通标志的生产技术已经迅速接近国际先进水平。参见图12。图12(a)是正在安装的超高反光膜标牌，上面的彩色部分是打印机打印的。图(b)显示了正在印刷的超反射膜。特级反光膜表面最大的区别就是独特的条纹图案，如图(c)所示。这是其他反光膜不具备的特性。
2008年问世的棱镜工程级反光膜，也是一个全新的产品概念。在保证传统工程级反光膜正面亮度性能的同时，在大角度反光性能上有了很大的进步，其逆反射能力甚至超过了高强度反光膜的参数。同时，由于聚碳酸酯材料的使用，这种反光膜具有硬度和高耐候性的能力，可以大大提高施工效率，为逆反射材料的应用和推广提供更多的技术选择。
全棱镜结构后，反光膜在结构上没有任何突破。但是反光膜在成本、材料、化学镀膜方面还有很大的发展空间。荧光反光膜是一个典型的案例，其中涂层技术得到改进，以进一步优化反光膜的功能。荧光全棱镜反光膜是一种具有特殊光学效果的反光膜，是将耐候性优异的特殊荧光材料(一般荧光材料耐候性较差)与全棱镜技术相结合。荧光反光膜中有一种独特的耐候性荧光因子，可以在吸收光谱中可见光和部分不可见光的能量后增加活性，从而将不可见光的能量转化为可见光的能量，使反光膜在白天的色度和光度更加强大，从而增加标志的显著性。
因为荧光反光膜可以吸收光谱中不可见光的能量并转换，所以可以有更好的色度和光度，称为更鲜艳。这种荧光反光膜，在恶劣的天气条件下，以及阳光不那么强烈的时候，比普通颜色要亮很多，更容易吸引人的注意力。在交通安全设施中使用这种荧光反光膜，对于保证黎明、黄昏或雨、雪、雾等恶劣天气下的行车安全具有重要意义。目前，荧光全棱镜反光膜在国外的应用已经非常普遍，如荧光警示牌、荧光线性轮廓标、道路施工区域的荧光标志等。黄绿色荧光全棱镜反光膜已被联邦公路局批准用作行人、非机动车和学校区域的交通标志。橙色荧光全棱镜反光膜多用于建筑区域标志。世界各国也对荧光反光膜颁布了相应的标准规范和技术条件。图13是荧光和非荧光反光膜的对比。
我国从2006年开始应用荧光黄色反光膜和荧光黄绿色反光膜。在四川至峨眉山高速公路的雨雾路段、北京八达岭高速公路的事故多发路段、北京五环上的奥运车道，都可以看到我国交通工程界对这项新技术的精细接受和应用。参见图14和图15。图14北京奥运会水上竞技场附近人行道警示牌采用荧光黄绿全棱镜反光材料，提高警示牌的视觉识别效果。注意旁边使用普通反光膜的警示牌在光度和色度上的差异。为了保证奥运交通，五环上正在安装荧光黄绿全棱镜反光膜的速度警示装置(图15)。值得注意的是，其他交通标志在背光状态下色度和光度都不好，但荧光黄绿全棱镜反光膜的面积非常抢眼。
需要注意的是，荧光反光膜是耐候荧光因子和棱镜反光膜的组合。用柠檬黄印刷的广告材料不属于这一技术范畴。虽然表面在色谱上看起来相似，但它不具备荧光反光膜的所有技术特征。