人體輻射紅外波穿透膜片的開發與評價

林勇強 王新雷

1.清遠職業技術學院 廣東清遠 511500；

2.廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

智能、舒適、健康、節能是當前空調發展的主要趨勢。傳統空調通過搭載各種傳感器，實現對環境狀態及人體狀態的感知，并結合智能風溫精準控制技術，使空調從單純的溫度調節到溫度、濕度、風量風速、空氣潔凈度和空氣新鮮度多維度的調節，使空氣質量和舒適度極大提升[1]，以智能手段達到舒適、健康、節能的效果。當前在日本市場上銷售的高端空調都安裝有傳感器，以監控所有能效參數和個人舒適度，實現智能化控制[2]。其中熱釋電紅外傳感器（下文簡述為紅外傳感器）在智能空調中的應用最為廣泛，它通過對人體發射紅外波的探測，來實施空調的開關機、送風溫度等方面的控制，達到舒適、節能與安全的目的。

為了提高紅外傳感器的探測靈敏度以增大探測距離，在其前面通常需要增加一個半球形的塑料菲涅爾透鏡，其主要有以下兩個作用：一是聚焦作用，菲涅爾透鏡將目標物的紅外輻射聚焦到熱釋電紅外傳感器的熱敏元件上；二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在熱敏元件上產生變化的熱釋紅外信號。其利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，以提高它的探測接收靈敏度[3][4]。

半球形的塑料菲涅爾透鏡對空調的外觀有一定的影響，通常都將傳感器組件嵌入安裝于機身內部，并在外側貼有一張與空調面板外觀相近的膜片進行遮蓋，實現外觀的協調一致。圖1是某型帶紅外傳感功能的空調照片，傳感器組件隱藏在遮蓋膜片里面。紅外傳感器工作時，人體的紅外輻射首先穿過遮蓋膜片，紅外波會被膜片吸收和反射一部分，造成信號強度的衰減，因此這個遮蓋膜片的紅外穿透性能對傳感器的靈敏度有著至關重要的影響。穿透膜片部分的紅外波經過塑料菲涅爾透鏡聚焦到紅外傳感器上，實現探測功能。

圖1 某型帶紅外傳感器空調

目前紅外傳感器使用的紅外遮蓋膜片基本由日本廠商提供，主要材質為聚乙烯，透紅外性能較好，但其價格較高，且供貨周期較長。國內廠商也開始進行開發紅外遮蓋膜片，但透紅外性能波動較大，并且依賴于通過整機的紅外檢測距離測試來評價膜片性能，缺乏針對性的材料評價指標，因此有必要研究一種合適的材料評價方法和指標，以指導紅外穿透材料的開發。

1 技術分析

自然界中的絕大多數物質均能產生電磁波輻射，只是不同物質的輻射大小和模式不同，根據黑體熱輻射的維恩位移定律：λmax=b/T，其中：λmax為輻射的峰值波長，T為黑體的決定溫度，b為維恩位移常數（b=2.8977685*10-3mK）。物體輻射的峰值波長與物體的絕對溫度成反比, 人體幾乎接近黑體輻射，人體各部分熱輻射波長峰值在8～12 μm之間，代入人體皮膚的溫度為32℃（T=305.15 K），計算可得λmax=9.5 μm[5][6]。紅外傳感器對波長在8～14 μm范圍內的紅外輻射很敏感, 并且會把熱能轉換成電信號[7][8]，因此紅外傳感器能很好地檢測到人體輻射的紅外波。

在有機物分子中，組成化學鍵或官能團的原子處于不斷振動的狀態，其振動頻率與紅外波的振動頻率相當。所以，用紅外光照射有機物分子時，分子中的化學鍵或官能團可發生振動吸收，不同的化學鍵或官能團的吸收頻率不同。聚乙烯（PE）結構簡單，分子結構中的C-C鍵與C-H鍵內部的振動模式較少，在人體輻射的8～12 μm紅外波段內沒有較強的吸收基團，吸收峰與8～12 μm紅外重疊范圍較少，因此PE材料在人體輻射的紅外波段內具有優良的透過率性能[9][10]。常見的PE有高密度PE（HDPE）、低密度PE（LDPE）和線性低密度PE（LLDPE）三種，其中HDPE的強度和模量最高，由于紅外傳感器遮蓋膜片需要有一定的強度和剛度，因此選擇HDPE為基材進行開發。

2 試驗驗證

2.1 試驗方案

選用茂名石化TR144牌號的HDPE作為基材，研究不同色粉種類、含量及膜片厚度對遮蓋膜片的紅外透過率及檢測距離的影響。在實際使用中通常需要將遮蓋膜片配成與空調機身接近的顏色，實現外觀協調，因此選擇常見的白色、黑色，以及紅色、黃色、藍色進行研究，因為根據配色原理，使用紅、黃、藍復配可以調出各種所需的顏色。

在HDPE里添加1.0%鈦白粉時，白度與空調白色面板接近，所以白色膜片中鈦白粉的添加比例選擇為0.5%、1.0%和1.5%，添加量越高，白度越高。炭黑的遮蓋性極好，只需0.05%的添加量即可基本滿足外觀要求，所以黑色膜片中的炭黑添加比例選擇為0.01%、0.05%和0.09%。紅、黃、藍有機色粉添加0.5%比例時膜片的顏色基本滿足要求，所以紅、黃、藍色膜片分別使用對應的色粉，添加比例均為0.1%、0.5%和0.9%，色粉添加量越高，顏色越深。將HDPE與不同比例色粉共混擠出、造粒，然后用壓片機制備0.1 mm～0.5 mm厚度的膜片，根據空調視窗尺寸裁切成所需規格大小的片材，并在背面周邊貼上一圈3M 9448A雙面膠帶，制備出不同顏色、厚度的遮蓋膜片。膜片通過雙面膠貼合到空調面板上。同時測試某日本廠商提供的0.3 mm厚白色紅外遮蓋膜片產品，其性能作為對比參考。

2.2 紅外透過率測試

膜片的紅外透過率使用德國BRUKE TENSOR 27紅外光譜儀測試。將紅外穿透膜片樣品放置在紅外光譜儀的透射測試支架內，在透射模式下進行測試。由于人體輻射的紅外最大峰值波長為9.5 μm，因此選擇此波長下的紅外透過率進行評價材料的紅外透過性能。在紅外吸收光譜圖中使用波數為橫坐標，波數等于波長的倒數，單位為cm-1，9.5 μm對應的波數為1053 cm-1，利用設備自動讀取該波數的透過率數據，測試3個樣品，結果取平均值。

2.3 紅外檢測距離測試

帶紅外傳感器的空調紅外檢測距離參考企業標準進行測試：將帶紅外檢測功能的測試樣機掛起離地面2.2 m，膜片水平貼在某型號數字式熱釋電紅外傳感器正前方。如圖2所示，測試者站在樣機的前方，在與空調夾角為90°的位置及左右分別30°扇形移動，以0.1 m為間隔向外逐步增加與空調的距離。假設在距離N（m）時，測試者在90°及左右30°位置均能被檢測到，而在N+0.1 m時，3個角度中至少有一個位置不能被檢測到，則樣機的紅外檢測距離為N（m）。根據企業標準要求，樣機的紅外檢測距離應不小于6 m。

圖2 紅外檢測距離測試示意圖

3 結果與分析

3.1 純HDPE膜片分析

不同厚度的純HDPE膜片的9.5 μm紅外透過率和紅外檢測距離關系見圖3，可以看到隨著厚度增加，紅外透過率逐漸下降，檢測距離也隨著降低。

圖3 純HDPE膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關系曲線

對紅外透過率T（%）、檢測距離D（m）與厚度d（mm）進行線性擬合，關系式如下：

紅外透過率、檢測距離與膜片厚度均具有較好的線性相關性。貼有0.1 mm的HDPE膜片時，檢測距離為10.1 m，而膜片厚度為0.5 mm時檢測距離下降到了7.8 m。

4.2 配色HDPE膜片分析

各顏色不同厚度膜片的9.5 μm紅外透過率和檢測距離關系見圖4～圖8。各種顏色膜片的紅外透過率和檢測距離均隨著厚度增加而下降，兩者變化趨勢基本相同。

圖4 白色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關系曲線

圖8 藍色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關系曲線

選取1%鈦白粉、0.05%炭黑和0.5%紅、黃、藍色粉的紅外透過率T（%）、檢測距離D（m）與膜片厚度d（mm）關系進行線性擬合，T=kd+b；D=Kd+B，其中各曲線的擬合函數及擬合系數R2分別見表1和表2?？梢钥吹綌M合系數均接近1，說明紅外透過率、檢測距離和厚度的線性相關性好，且各擬合直線的斜率差別不大，可知各顏色膜片的厚度對紅外穿透性能的影響趨勢基本一致。

表1 不同顏色膜片的紅外透過率（%）與膜厚（mm）的擬合函數

表2 不同顏色膜片的檢測距離（m）與膜厚（mm）的擬合函數

圖5 黑色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關系曲線

圖6 紅色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關系曲線

圖7 黃色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關系曲線

各種色粉的添加量與紅外透過率、檢測距離的關系見圖9～圖10。對紅外透過率T（%）、檢測距離D（m）與色粉濃度c（%）關系曲線進行線性擬合，T=kc+b；D=Kc+B，其中各擬合直線的擬合函數及擬合系數R2分別見表3和表4?？梢钥吹胶谏蹟M合直線的斜率絕對值遠高于其它色粉，黑色粉濃度對紅外透過性能影響遠遠高于其它色粉，這表明炭黑具有很高的紅外遮蔽能力。其他顏色色粉濃度對紅外檢測距離的影響差別不大。紅色色粉濃度與紅外透過率及紅外檢測距離及藍色色粉濃度與紅外檢測距離擬合函數的擬合系數R2均較低，線性相關性較差，尤其是檢測距離，紅色和藍色色粉濃度從0.5%增加到1.0%時，紅外檢測距離基本不變，有可能是這兩種色粉對9.5 μm的紅外波不敏感，在HDPE樹脂中分散濃度達到一定閾值后即對紅外穿透影響趨于穩定。白色色粉濃度與紅外檢測距離擬合函數的擬合系數R2=1，呈理想的線性關系，這是因為白色粉為無機的鈦白粉，其對紅外穿透的影響為單純的遮蔽作用，色粉濃度越高，遮蔽性也越強，對應的紅外檢測距離也越小。

圖9 不同色粉添加比例與紅外透過率關系

圖10 不同色粉添加比例與檢測距離關系

表3 不同類別色粉的添加比例（%）與紅外透過率（%）擬合函數

表4 不同類別色粉添加比例（%）與檢測距離（m）的擬合函數

日本廠商提供的0.3 mm厚的白色膜片紅外透過率為46.413%，檢測距離為8 m，而自制的添加1%鈦白粉，0.3 mm厚的白色膜片紅外透過率為46.486%，檢測距離為8 m，紅外穿透性能與進口產品基本一致。此外本文開發制備的紅外穿透膜片的紅外檢測距離均超過6 m的企業標準要求。

4 結論

選擇人體輻射最大峰值波長9.5 μm處的紅外透過率可以很好表征熱釋電紅外傳感器用HDPE紅外穿透膜片材料的紅外穿透性能，膜片材料的紅外透過率越低，對應的紅外檢測距離也越短，兩者具有較好的對應關系。炭黑對紅外光具有很強的遮蔽能力，在紅外穿透材料中的添加量要盡量少。膜片的厚度增加，紅外穿透性能也會降低，因此在滿足強度要求的前提下，選擇較薄的膜片有利于獲得較高的紅外穿透性能。

本文研制的0.3～0.4 mm厚度的HDPE膜片具有較好的紅外穿透性能，能夠滿足家用空調熱釋電紅外傳感器用遮蓋膜片的裝飾與功能要求，可為紅外穿透材料的開發提供參考借鑒。