反光材料的交通标志反光膜
反光膜是一种已制成薄膜可直接应用的逆反射材料，也是应用最为广泛的一种逆反射材料。1937年，世界上第一块反光膜在美国3M公司实验室诞生。这是交通标志大规模应用反光膜历史的起点。1939年，在美国明尼苏达州的公路边，第一次在露天条件下使用了一块用Scotchlite TM反光膜制作的标志牌，从此，揭开了一系列反光产品用于交通标志的新时期，开创了一个全新的交通安全行业。这一年，美国交通标志国家标准中（1939年版美国《统一交通控制设施手册》，Manual of United Traffic Control Devices, 1939）正式规定，要使用反光膜制造交通标志。
此后，随着化学工业、特别是合成树脂的发展，各个研发机构不断研究创新，利用玻璃珠技术，合成树脂技术，薄膜技术和涂敷技术，相继开发了一系列高质量逆反射产品。
20世纪40年代开始，这种最初制造的反光膜，被冠以“工程级”反光薄膜，广泛开始用于道路交通标志。此后，用于衣物等个人安全防护领域的反光膜等一系列产品，也伴随着合成树脂的问世，社会发展的需要，陆续被开发出来。此后，伴随着一系列材料科技和光学技术的研究成果，特别是微棱镜反光材料的出现，使这种最初主要用于交通标志的反光材料，开始逐步被更新、更好的反光材料所代替。
反光膜的分类方法有很多。其中比较普遍接受的分类原则，是以逆反射单元的基本结构为基础，根据反光膜正面光度性能的逆反射系数高低为主的排序方法。但考虑到反光膜的不同工艺，有些是专门为解决非正面逆反射亮度的，有些是兼顾两方面性能的，还有些是针对恶劣气候条件下的视认需求的，所以这种分类方法，也存在不足之处。因此，熟悉和掌握各种不同的反光膜的应用条件和设计功能，就显得十分必要。
在传统习惯里，根据反光膜反光单元的结构，将反光膜划分为两大类别，玻璃珠型反光膜和微棱镜型反光膜。每类反光膜都还包含很多种类，如微棱镜型反光膜，由于采用了更先进的技术工艺，其材料选择和棱镜结构上，都有了很多变化，可以应对更多的交通需求。根据棱镜的形式和技术特点，微棱镜型反光膜又可分为远距离逆反射能力好的截角型棱镜反光膜，近距离大角度逆反射性能好的截角型棱镜反光膜，以及兼顾各方面需求的全棱镜反光膜，白天和恶劣气候条件性能都好的荧光型全棱镜反光膜，符合传统工程级逆反射参数的棱镜型反光膜等等。
玻璃珠型反光膜较早出现，但其工艺变化比较少，主要有两种类型，一种为透镜埋入型反光膜，习惯上称为工程级反光膜；一种为密封胶囊型，通常称为高强级反光膜，出于应用的需要，应该关注的是，在透镜埋入型反光膜里，由于其出现历史悠久，各个不同的厂家，在漫长的生产制造过程中，利用透镜的直径、密度、耐侯涂层的厚度的不同，制作了很多种反光膜，比如超工程级反光膜，主要是在工程级反光膜的基础上，用更高质量的玻璃珠，并把玻璃珠的密度加大，以提高一些亮度；俗称经济级的反光膜，主要在中国生产，基本上是在工程级反光膜的技术基础上，通过减少透镜（玻璃珠）数量与密度的方式实现的，这两种反光膜，经济级反光膜，其反射能力无法满足交通安全的需要，更多的是用在商业领域，在国际上很少有将其列入交通安全向光的标准之中。
谈到反光膜的科学分类方法，就不能离开对应用反光膜有很大指导意义的反光膜标准。在世界各国的反光膜标准中，美国材料与测试协会标准、澳大利亚和新西兰标准、美国联邦公路管理署交通标志逆反射材料指导意见等，对世界各国的研究和应用逆反射材料制作交通标志，改善交通安全，起到了积极的指导作用。下面，我们逐一进行介绍。
美国的材料与测试协会是一家历史悠久的材料测试标准国际组织，英文全称是Association of Standard Testing of Materials，简称ASTM，它的成立，就是为了向科学界和产业界，提供一系列的材料检测标准，以实现对新生材料的定义，为全世界的科学界，提供一个能共同交流的技术平台。为逆反射材料，以及石油、天然气、化工等各种产业领域里的很多材料，提供检测标准化的技术支持。
有鉴于这样的技术溯求，ASTM对逆反射材料的检测标准，也是随着逆反射材料的发明和使用，不断累加进行的，每出现一种新材料，只要这种材料出现一段时间并由其生产厂家向ASTM提出加入申请，它的委员会就会授权对这种材料进行类别界定，建立检测标准。也正是由于这样的原因，在ASTM4956的反光膜标准里，反光膜种类多达11个，而且还在不断延续；然而另一方面，ASTM标准更象是一个关于逆反射材料的产品目录，而不是一个能够帮助了解反光膜应用方法和问题的标准，因为在ASTM对这些材料进行最初的分类时，并没有考虑驾驶员的表现和需求。
由于这样的原因，世界各发达国家，为了能对自己的交通工程建设单位提供更有效的技术支持和指导，都专门设立了自己国家的技术标准，而不是直接沿用ASTM对反光材料的分类。
反光膜是由多层不同性能材料组成的层结构，不同的反光膜，其组成的层结构也是不同的。 图3是最早出现的玻璃珠反光膜的基本结构图，由图中可以看出，反光膜一般都是由表层（保护膜）、反射层（功能层）、基层（承载层）、胶粘层和底层（保护层）等多层不同物质组成的膜结构物体。反光膜的表层一般是由是透光性和耐候性能良好的树脂薄膜，反射层根据不同类型的反光膜其组成材料也各不相同，有微小玻璃珠、微棱镜或金属反光镀层等，基层多为树脂有机化合物制成的薄膜，胶粘层一般是环氧树脂胶，底层是厚纸做的保护层。
表1是各种反光膜的结构图，由此可见反光膜的种类不同，它的组成材料和结构也是各不相同。
表1 各种反光膜主要结构图解表 反光膜的首要作用，就是改善交通标志的表面性能，使之能适应全天候状态的交通需要，提高道路安全运行条件。
由于不同种类的反光膜的反光性能存在差异，所以在具体应用到交通标志的制作时，就需要根据标志的设置功能和目的，进行相应的规范。研究这种应用规范的科学，被世界各国通安全工程专业人士，看作是交通控制与安全技术的重要组成部分。
交通控制与安全技术，已经发展了上百年。从人类第一部交通标志标准在1908年问世于英国以来，世界上很多国家都持续投入了大量的科研技术资源，来分析和掌握逆反射技术在交通安全领域的作用和价值。在这方面，走在最前列的，是欧美等发达国家，他们的研究成果，在很多方面，帮助中国在短短的10多年时间里，走过了从无到有的过程——中国的交通标志反光技术研究起步于20世纪80年代末，以交通标志国家标准GB5768和交通标志用反光材料国家标准GB18833为主要技术规范。在很多方面，这些标准还处在大量完善和发展的阶段，相关的科学应用方法和效果研究结论等，需要大量的时间和实践。 俗称“工程级”的透镜埋入式反光膜，是玻璃珠型反光膜的最初一类产品，业内习惯称为“工程级”系列反光膜，1937年发明。“工程级”的称呼，来自曾经注册过的英文产品名称“Engineering Grade”，是该产品发明公司的命名。后来，很多科研机构直接使用这个产品名称来代表实验材料用名，所以该名称得以在全世界交通工程界成为习惯用法，其正面亮度(0.2º/-4 º)一般在100cd/lx/m以下。直到2008年11月，根据工程级反光膜反光亮度特点研制的新的棱镜型工程级反光膜（也有称之为超工程级，英文 EGP，Engineering Grade Prismatic）问世，才又一次用科技的创新，突破和丰富了工程级反光膜的含义。
传统意义的工程级反光膜在20世纪80年代引进到中国，20世纪90年代，中国境内开始陆续出现了一批生产厂家，制造这种反光膜。
工程级反光膜的背胶，一般分为压敏型和热敏型两种，都可以完成粘贴。采用同类别的油墨使用丝网印刷技术，也可以在上面印制各类图案。工程级反光膜适用的底板为铝板, 施工操作温度一般要求在18摄氏度以上。温度过低，会影响粘胶性能，导致标志寿命受损。图4是透镜埋入式反光膜的结构示意图。 工程级反光膜的寿命一般为3～7年，白色膜正面两度(0.2º/-4 º)一般在100cd/lx/m左右，根据生产厂家的不同。有些厂家只提供7年的反光膜，7年后的亮度保留值至少为初始亮度值的50%。有些厂家则只提供3年和5年的质量担保。这主要是反光膜的耐侯性不同造成的，同样的原材料制成的反光膜，在不同地域气候条件下使用时，其寿命长度是不同的。
需要多注意的一点是，工程级反光膜的亮度稳定性、亮度强度和耐侯性，都是一些考察这类反光膜生产质量的一些重要依据。在这些环节上，任何一个环节上的偷工减料，虽然都能减少产品成本，但是其质量，也会大打折扣的，特别是耐侯性和光度参数上的差距，能明显体现工程级反光膜的优劣。 透镜密封式反光膜是一种耐久的玻璃珠型反光膜，业内习惯称为“高强级”反光膜，于1972年研发成功。“高强级”来自英文的High Intensive Beads（简称HIB），最初是该产品研发公司的专用名称，直到1985年，从日本开始，一些国家和地区的企业，也陆续开始制作这种反光膜，于是“高强级”一词开始陆续被其他厂使用，并逐渐变成了对这种特殊结构的反光膜的统一称谓。考虑到本书的读者大多是业内人士，高强级的名称已经成为业内的通用名称，所以本书从读者方便理解的角度出发，在后面的章节，也以“高强级”为主要称谓。
经过合格工艺和材料制造的这种高强级反光膜，至少比工程级反光膜的反光系数高两倍，其内部真空支架结构还解决了由于温度变化导致标志牌上凝结露水的问题，从而进一步提高了材料的反光能力。该材料问世的20世纪70年代，顺应了当时车速提高，道路条件变好的技术进步的需要，被成功地用来制作交通标志，拯救了大量生命。与工程级反光膜相比，即使标志在较大角度情况以及光亮地区，高强级反光膜都使标志更加清晰可见，有效地预告驾驶员前方道路危险情况。
高强级反光膜采用的是玻璃珠反光技术，由于它在产品结构上的创新，拥有了比工程级反光膜无可比拟的反光亮度和角度性能，但同时，也是由于高强级自身结构导致了一些难以克服的产品缺陷，如产品脆而易撕裂，起皱、气泡、表面蜂窝突起、生产能耗高、排放大等。玻璃珠技术的局限，也阻碍了高强级向更高亮度和更好的角度性的改进。
高强级反光膜也是带有背胶的材料，一般分为压敏型和热敏型两种。采用同类别的油墨使用丝网印刷技术可以制作各类图案。高强级反光膜一般是由透光性和耐候性能良好的树脂薄膜作为表层，第二层是真空层，第三层是嵌入式微小玻璃珠，第四层为金属反光镀层，第五层为树脂承载层，第六层是胶粘剂，第七层背纸保护层。图5是高强级反光膜的结构示意图，图6是高强级反光膜的典型外观。 高强级反光膜主要用来制作指路标志、禁止标志、警告标志和指示标志等交通主要标志。高强级反光膜问世后，驾驶员识别交通标志的时间缩短，发现前方标牌和障碍的距离显著提前，大大地增加了采取安全防范措施的时间，降低了夜间公路交通事故发生率，提高了交通安全性。根据实证研究，高强级逆反射材料的亮度，比工程级逆反射材料的亮度，大幅度提高。从20世纪90年代开始，在中国高速公路上就已经大量使用了这种高强级逆反射材料。
此后，随着机动车性能和道路建设技术的提升，城市环境的巨大变化，高速公路和高速车辆大幅度增加，城市光源纷繁复杂，宽路急弯层出不穷，对驾驶员的预见识认视距，有了新的要求。高强级反光材料的一些缺点，特别是在大角度反光性能和加工工艺与成本上，已经无法和新出现的棱镜技术想比拟，逐渐开始被取代。
进入90年代后半期，特别是21世纪，美国和欧洲地区，已经全面启动了用棱镜级级材料取代高强级材料的进程。特别是2004年问世的“超强级”逆反射材料，使用了棱镜技术，不仅从反光性能、加工方式、节能减排上，都比高强级有了质的提升，价格成本上，也不输于高强级材料，从此，作为高强级材料的发源地美国，已经不再出产这种材料，使中国成为高强级反光材料唯一生产地。
优质的高强级反光膜寿命一般为10年，白色膜正面亮度（0.2º/-4 º)一般在250cd/lx/m以上，在正常使用状况下，10年后的亮度保留值至少为初始亮度值的80%，高强级反光膜适用的基材为铝板，操作温度通常要求在18摄氏度以上。 微棱镜反光膜的逆反射原理与工程级（透镜埋入式）和高强级（透镜密封型）反光膜不同，工程级和高强级反光膜均采用玻璃珠反射原理，而微棱镜反光膜的反射原理是运用微棱镜的折射与反射。微棱镜反光膜的主要代表性产品，从逆反射特点和结构上，主要可以分为四类：注重远距离识别性的截角棱镜、注重近距离大角度识读性的截角棱镜、兼顾远距离识别性能和近距离识读性能的全棱镜，和这些棱镜技术与新型材料技术相结合的新型棱镜型反光膜。他们是顺应应用层次的多元化，而在近些年涌现出来的应对不同层次需求的新型反光材料。
远距离型截角微棱镜反光膜是第一代的微棱镜反光膜，问世于20世纪80年代早期，英文名称是Long Distance Prismatic（LDP），市场能见到的第一代钻石级、水晶级、星光级，都是这类产品。这类反光膜的正面亮度非常高，白色膜正面亮度（0.2º/-4º)一般在800cd/lx/m一般在800以上，而且逆反射光的分布没有方向性，反光膜无论是水平或者垂直贴膜，在反光效果上的差别不大。但在大的入射角和观测角下，反光亮度会有很大的衰减。如图7所示是该类反光膜的显微镜下结构图。这种突出正面逆反射光度的反光膜，更多的适合用来做轮廓标，警示柱等，不适合用来做在识读距离内需要更多视认亮度的交通标志。这种早期的棱镜反光膜，是当时设计和研发的一个阶段性的成果，那时候的棱镜结构，还没有能解决大观测角的逆反射亮度问题。
在第一代微棱镜反光膜问世后，人们发现了一个问题，当机动车真正驶入标志的识读距离时，也就是在大观测角度情况下，标志的亮度衰减太大了，以至于在识读距离内，无法阅读标志内容，或是要花更长的时间来阅读。由此，人们又利用大角度截角微棱镜结构，制造了大角度截角微棱镜反光膜，以解决在识读距离内，保持标志两度的问题。所以，这种大角度反光膜，同样是从反光性能方面来描述的一种特殊的棱镜型反光膜。
相对于远距离截角微棱镜反光膜，大角度截角微棱镜反光膜的正面亮度比较低，但在大的入射角和观测角时，它的反光亮度不会有很大的衰减。而大角度对应的是多车道和弯道多的地点，以及标志内容复杂，需要较长阅读时间的标志，所以这种反光膜适合于城市道路和宽阔道路的交通标志。虽然它在远距离的正面反光亮度一般（仅相对于远距离棱镜级，与高强级的正面亮度相比，仍然能高出一倍多），但在近距离时（需要进行标志内容识读的距离），其反光亮度比远距离反光膜要高很多。其方向性要比远距离反光膜要强，可以根据标志设置的位置和方向，进行调整，来适应识读的需要。图8所示是VIP大角度截角微棱镜在显微镜下的结构图。VIP（Visual Impact Prismatic），翻译为视觉影响型棱镜，20世纪80年代晚期问世，曾经一度广泛使用，全棱镜技术出现后停产。
全棱镜反光膜是使用全棱镜结构完成的棱镜型逆反射材料，就是去除了传统微棱镜结构中不能反光的部分，使反光膜全部由可以实现全反光的棱镜结构组合而成。它结合了远距离和大角度微棱镜反光膜的两种特点，在保持正面亮度大、远距离容易发现的同时，提高了在50-250米距离时的大入射角和观测角下的反光亮度。
这种全棱镜反光膜的问世，突破了棱镜型反光膜不能同时兼顾远距离反光能力和近距离反光能力的学术屏障。它根据车灯光传播的路径和方式，找到了在理想距离内的标志视认需要的角度（入射角和观测角），再确定了传统截角微棱镜上的不反光区域，然后将这些不反光区域去掉，从而实现了单位面积反光膜上的反光结构面积100%，也就是所谓的“全反光”。
当然，这只是理论反光效率100%。在实际制作中，由于材料等条件的限制，反射车灯亮度的100%还不能实现，目前，最好的反射效率是58%，这已经大大高于其他类型的反光膜，比如高强级的反射效率，只有23%。而且从观测角0.2º开始一直到2º，w其逆反射效率可以始终保持在50%以上。图9是全棱镜反光膜的电子显微照片。
现在的全棱镜反光膜上，通过每一微晶立方体联结并按一定规律排列后，在一个平方厘米的材料面积上会有930个以上的单元，以控制光线射入和反射出的路径。微晶立方角体下层经密封后形成一空气层，利用光的衍射现象，使入射光线形成内部全反射，从而不需借助金属反射层即可达到最优越的反光效果。使用耐磨高硬度的聚碳酸脂材料和微晶立方体技术制成的这种反光膜与传统的工程级和高强度级反光膜比较，其反光性能不仅成倍增加，而且大角度反光性能亦有很大提高。这种全棱镜反光膜的正面亮度为工程级的六倍以上，白色膜正面亮度（0.2º/-4º）一般在600 cd/lx/m以上，是高强级的两倍以上，而大观测角下（0.5º和2º时）的逆反射性能，则要高出大约二到四倍以上。
全棱镜反光膜是一种适用于所有等级公路和城市道路的交通标志材料。在西方的应用，开始逐渐替代了标志照明的投资和消耗。在制作道路标志时，如果从长期的投资效益和安全效益出发，全棱镜反光膜可以代替任何等级的反光膜。在正常使用状况下，使用十年后的全棱镜反光亮度保留值，至少为初始亮度值的80%，也就是十年后，它仍然能大大超过全新的高强级和工程级反光膜的逆反射性能，是一种从科学发展的角度考察，更节约的选择。同时，如果采用同类别的油墨，结合丝网印刷技术，可以制作各类带有图案的交通标志。
全棱镜反光膜主要用在指路标志，禁止标志，警告标志和指示标志等，特别是需要较长时间阅读的标志，视觉环境复杂的标志，以及宽阔路面和高等级公路上，其性能表现尤为突出。钻石级反光膜适用的底板是铝板，加工操作温度一般要求在18摄氏度以上进行。
图10是工程级反光膜、高强级、截角棱镜和全棱镜在各个角度的逆反射亮度值比较。随着科技的进步，全棱镜反光膜各个角度的光度性能有显著的提升。
近年来，棱镜型反光膜，在结构没有大的变化的情况下，将创新的重点，更多地转向了通过不同的材料处理技术，实现更丰富的光控制效果和丰富的材料特性上来，以完成不同的逆反射能力，不同的柔韧性，以便适应不同层面的需要。在市场上俗称为“超强级”、“特强级”、棱镜型工程级（新超工程级）的反光膜，都是棱镜型反光膜的新形式。这些反光膜的截角棱镜结构基本一样，但是材料加工工艺有所区别，形成了不同的反光效果、优越的耐候能力和加工适应性，以应对不同的应用需求。
其中，尤其是超强级反光膜，由于顺应了市场的需求，在21世纪初问世后，迅速普及开来。其设计初衷，就是发挥棱镜结构的优势，在确保能够超越高强级反光膜所有功能的基础之上，又能在多角度条件下，具有更好的逆反射性能，更优越的性价比。
这些新型棱镜反光膜具有非常高的强度和厚度，消除了反光膜在标志加工中易撕裂，起皱、气泡、表面蜂窝突起等缺陷，大大简化了施工时的难度，使标志加工过程更加容易控制，减少了加工不良带来的损失。同时，由于反光膜的表面亮度因子大，逆反射性能大大改善。它不仅具备了长距离下的优越逆反射系数，在一般的视认需求下，近距离的大观测角度依然能使标志保持较好的亮度，使驾驶者能更早的发现标志牌，并在近距离更加清楚的阅读标志牌的内容。图11是这些棱镜结构反光膜的结构示意图。通过树脂层、立方晶体表面的材料加工差异，就能形成不同的逆反射效果。
这类反光膜的表层大多采用聚碳酸酯材料，不仅更加耐磨损，耐刮擦，而且可以配套丝印油墨，还可以应用到热转印打印，制作彩色的交通标志。同时，由于表面亮度因子的提高，使标志牌在白天更加醒目，鲜艳，也具备了更好的耐候性。
值得一提的是，在各方面都对交通标志有着严格要求的2008年北京奥运会上，北京市交通管理机关就使用了这种反光膜高质高速地完成了赛事准备任务，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提示标志的国家。这也从一个侧面，展现了中国交通标志制作工艺，已经迅速地和国际先进水平接近。见图12。 图12(a)是正在安装的超强级反光膜标志，上面的彩色部分，是由打印机打印完成的。图(b)为正在打印的超强级反光膜。超强级反光膜表面最大的与众不同点，是图(c)这种独特的条纹图案。这是其他反光膜所不具备的特征。
2008年才问世的棱镜型工程级反光膜，也是一个全新的产品概念。它在保证了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，有了长足的进步，逆反射能力甚至超越了高强级反光膜的参数，同时，由于聚碳酸脂材料的使用，使这种反光膜具备了坚硬和高耐侯的能力，可以大大提高施工效率，为逆反射材料的应用和推广，提供了更多技术选择空间。
在全棱镜结构以后的反光膜，还没有在结构上再有所突破。但在反光膜的成本、材质和化学涂层上，还有很多发展的空间。荧光反光膜就是其中改善涂层技术，以进一步优化反光膜功能的一个典型案例。荧光全棱镜反光膜，是把耐侯性优异的特殊荧光材料（一般荧光材料耐候性很差），和全棱镜技术结合以后的具有特殊光学效果的反光膜。荧光反光膜里有一种独特的耐候性荧光因子，能够在吸收光谱内的可见光和部分不可见光的能量后，增加活跃程度，从而将不可见光的能量转化为可见光的能量，使反光膜的色度和光度在白天发挥得更加强大，从而增加标志的显著性。
由于荧光反光膜能够吸收光谱内的不可见光的能量并加以转化，这就使其能具有更加好的色度和光度，也就是所谓的更加鲜艳。这种荧光反光膜，在恶劣天气条件下，和当太阳光不那么强烈时，要比普通颜色鲜艳得多，更容易引起人们的注意。将这种荧光反光膜用于交通安全设施产品中，对确保黎明、黄昏或雨、雪、雾等恶劣天气的行车安全具有重大意义。目前荧光全棱镜反光膜在国外的应用已经很普遍，如荧光警示标志、荧光线形轮廓标、道路施工区荧光标志等。黄绿色荧光全棱镜反光膜已经被美国联邦公路局批准用于行人、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应用于施工区域标志。世界各国针对荧光反光膜也出台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。
在中国，从2006年开始，荧光黄反光膜和荧光黄绿反光膜等都已经开始有了一些应用。在四川通往峨眉山的高速公路的多雨雾路段，北京八达岭高速公路上的事故多发路段，以及北京五环路上的奥运专用车道上，都能看到中国交通工程界对这种新型技术的细纳和应用发挥。见图14和图15。图14北京奥运水上赛场附近的人行道提示标志，使用了荧光黄绿全棱镜型反光材料提高警告标志的视认效果。注意观察旁边使用普通反光膜的警告标志的光度和色度差距。为确保奥运交通，五环路上正在安装带有荧光黄绿全棱镜型反光膜的车速提示设备（图15），值得注意的是，逆光状态下，其他的交通标志色度和光度都不好，但荧光黄绿全棱镜反光膜区域，非常醒目 。
需要注意的是，荧光反光膜是耐侯型荧光因子和棱镜型反光膜结合产物，那种使用柠檬黄印刷的广告材料，不属于这个技术范畴，尽管表面看起来色谱接近，但并没有荧光反光膜的所有技术特性。
