汽車車燈防霧漆流掛形成機理研究及對策

李祥兵

（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢 430050）

當今汽車燈具制造業(yè)中，設計、制造、工藝都日趨成熟，車燈品質日益完善。但是到目前為止，車燈起霧仍然是影響車燈品質的一個重要原因。燈具中的水蒸氣遇冷凝結在燈罩內表面，不僅影響燈具外觀，而且嚴重影響燈具的照明效果，影響行車安全。起霧形成的霧珠是燈具內積水的主要來源之一，并且由于起霧現(xiàn)象的存在，二者造成燈具內積水，再次成為起霧的原因，嚴重影響燈具燈泡的使用壽命。為解決燈具起霧問題，通常的方式是采用防霧漆來改善，而且防霧效果非常好，但防霧漆存在副作用，主要是在極端條件下容易形成流掛現(xiàn)象，引起客戶抱怨［1］。本文將從流掛形成的機理的角度，來分析流掛的應對措施，為車燈的感官品質提升打下基礎。

1 防霧漆的防霧機理研究

防霧漆流掛現(xiàn)象與防霧漆防霧原理密不可分。下面先從防霧漆的防霧機理來引入防霧漆流掛現(xiàn)象。

1.1 霧氣產(chǎn)生的條件

從霧氣產(chǎn)生的原因來看，霧氣產(chǎn)生的條件可以簡單分為以下兩方面。

1）水汽和溫差的存在 只有當基材表面的溫度低于一定濕度的水汽溫度時，空氣中的水蒸氣才能冷凝成水滴。環(huán)境溫差變化使得透明材料在使用過程中容易結霧，如眼鏡鏡片起霧，從而影響人們的生活與工作，在透明基材表面涂敷一層防霧材料是解決結霧的一種比較簡單和有效的方法。通常而言，車燈起霧的原因是空氣中的水在透明材料表面凝結，根據(jù)表面濕潤情況，形成不同的接觸角［2］。

2）基材表面的濕潤性能 從力學角度分析，水霧產(chǎn)生與否，取決于液體與固體之間的表面張力。通過分析液固之間的接觸角θ，可以判斷基材表面的基材性能。

防霧材料一般有2種：親水性防霧材料和疏水性防霧材料。親水性防霧材料通過改善基材表面的潤濕性，降低材料表面的接觸角，達到防霧效果；疏水性防霧材料通過使材料表面能化，增加材料表面對水的接觸角，達到疏水防霧效果；而親水-疏水型防霧材料則同時含有親水和疏水基因，使得材料具有親水和疏水特性。霧化現(xiàn)象作為影響人們生活、工作的因素，越來越受到了人們的重視，防霧材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛的應用。

1.2 楊氏方程

防霧形成機理，可以用楊氏方程來解釋［3］

式中：γ1——表面張力；γs——固體表面張力；γls——固液界面張力；θ——接觸角。

當基材表面高度清水化時，水與基材表面的接觸角θ很小或接近于0， 水界面潤濕或鋪層很完全，形成透明的水膜，光線透過率很高；當基材表面高度疏水時，水與基材表面的接觸角θ接近于180°，界面只能沾濕，形成水珠。當θ為0時，此時液體在固體表面鋪展，如果在液體中加入適量的表面活性物質，則液體將完全平鋪于活性表面上，稱為鋪展。

根據(jù)防霧機理的不同，防霧材料分為親水-疏水型防霧材料、親水型防霧材料和疏水型防霧材料。其中，疏水型防霧材料為沾濕機理，而親水-疏水性防霧材料介于二者之間。親水與疏水材料接觸角的差異如圖1所示。

一般而言，對于PC材料的透鏡，接觸角為80°左右，極易形成水珠，產(chǎn)生漫反射。透鏡表面噴涂防霧漆（目前神龍公司主要采用親水性材料）后，水在涂層表面的接觸角度為15°左右，在透鏡內表面形成一層接近均勻的水膜，不會對光產(chǎn)生漫反射。

2 防霧漆流掛產(chǎn)生的機理分析

由于目前行業(yè)內所使用的防霧漆本身是一種親水化合物，它與水之間通過一定的飽和度達到平衡。當車燈透鏡的內表面局部區(qū)域的水量過厚時，就會超過其飽和度，從而將防霧漆中的物質析出，干燥后就會形成一種白色的物質（主要成分為硫磺和鈉），附著在透鏡的內表面，即通常所說的流掛。如果局部區(qū)域水膜過厚，水膜就會由于自身重力的原因沿著透鏡內表面流動，所析出的物質也會隨著水膜一起流動，干燥后，就會在透鏡內表面形成具有一定尺寸長度的白色“淚痕”，這種白色物質是可溶于水的，當用水沖刷時，是可以清洗掉的。但由于這種白色淚痕位于車燈透鏡內表面，客戶可以看到，但不能借助一些手段來清除，因而引起客戶的抱怨。流掛形成過程如圖2所示。

圖2 流掛形成過程圖

3 防霧漆流掛產(chǎn)生的原因分析

根據(jù)上述防霧漆流掛的機理分析可以看出，流掛產(chǎn)生的根本原因如下。

1）車燈內局部區(qū)域空氣濕度過高，導致水珠在透鏡內表面大量聚集。這些大量聚集的水珠在很短的時間內破壞了正常情況下水與防霧漆之間的平衡，即超過其飽和度，從而將防霧漆中的物質析出。

燈具內水蒸氣的來源主要有兩種途徑：流入車燈的周圍環(huán)境空氣中所含的水蒸氣和燈具內積水受熱蒸發(fā)所形成的水蒸氣。

在大多數(shù)情況下，車燈內積水蒸發(fā)形成的濕氣是造成水汽凝結的主要原因。當車燈點亮時，燈泡周圍空氣的溫度會急劇升高，通過輻射和自然對流換熱，使車燈內的積水受熱蒸發(fā)，從而使得空氣溫度較高的區(qū)域形成較大的濕度，然后水蒸氣通過對流和擴散作用將水蒸氣傳遞到燈具內部的各個角落。由于燈具內部溫度分布不均勻，當濕度較高、溫度較高的空氣擴散到溫度較低的區(qū)域時，空氣中所包含的水蒸氣就有可能凝結成水霧或水珠。目前車燈內積水來源主要有4個：①由于車燈結合部的縫隙較大，周圍環(huán)境中的水分會通過縫隙進入燈體內；②燈體工況的變化（照明方式的不斷切換），從而在燈具內外形成壓力差，水分就會通過縫隙進入車燈；③通過換氣孔與外界環(huán)境形成循環(huán)；④車燈內部結霧形成的小水珠不斷發(fā)展成為積水。這種結霧與積水之間互為因果關系，從而使結霧更為嚴重。

2）燈體內空氣流通不暢。車燈本身是一個形狀不規(guī)則的密閉腔，雖然燈殼上有開孔區(qū)域來盡可能保證燈體內外氣壓平衡，但由于燈體內形狀不規(guī)則，受熱不均勻，造成局部區(qū)域空氣流通不暢，形成了結構性死區(qū)。這些結構性死區(qū)，一般都是水霧容易形成的區(qū)域。在噴涂防霧漆的情況下，這個區(qū)域的水霧情況會有很大改善，但不能完全消除，一旦水霧過于嚴重，也會形成流掛。前照燈內溫度模擬如圖3所示。

圖3 前照燈內溫度模擬

從圖3模擬可以看出，車燈的水霧形成區(qū)域主要集中在外透鏡周圍的內壁，這些區(qū)域就是燈體內空氣流通不暢的地方，也是低溫區(qū)域。這些區(qū)域因為水霧風險很大，即使在存在防霧漆的情況下，仍然會形成比較厚的水層，從而增加防霧漆流掛的風險。

3）防霧漆與水之間的飽和度。防霧漆本身是一種親水性物質，它與水之間存在飽和度。如果這個飽和度過小，即在實際中很容易超過其飽和度，則更容易形成流掛。防霧漆與水之間的飽和度取決于防霧漆的種類和基材表面的潤濕性，也就是說，使基材表面高度親水化（θ→0°）或使基材表面高度疏水化（θ→180°）。當θ→0°時，水汽在基材表面不是冷凝成一個個小水珠，而是高度鋪展，形成一層均勻的水膜；當θ→180°時，水汽冷凝生成的小水珠不能吸附在基材上，而是直接滾落下來，同樣可以達到防霧而消除流掛的目的。

4 東風標致某款車型前照燈防霧漆流掛的應對措施

東風標致某款車型前照燈在工業(yè)化階段，曾出現(xiàn)較為嚴重的防霧漆流掛問題。其表現(xiàn)的主要現(xiàn)象是：在前照燈透鏡內表面，近遠光上部區(qū)域出現(xiàn)水流痕跡，且無法清除，導致客戶抱怨。根據(jù)防霧漆的流掛形成原理，得出如下分析故障樹（圖4），以便對所有原因進行全面排查。該故障樹主要從濕度、空氣流通（結構等）、防霧漆本身3個根本要素來進行分析，以便從根本上找到原因。下面結合這三方面原因來分別分析相關的措施。

圖4 防霧漆流掛故障模式分析

4.1 增加干燥包

增加干燥包的目的是為了降低燈體內的相對濕度，從而破壞流掛產(chǎn)生的條件。

相對濕度與含濕量之間的關系如下

式中：d——濕空氣的含濕量；Pb——濕空氣壓力；Ps——水蒸氣的飽和壓力；——飽和壓力。

通常所說的空氣干濕程度，是指水蒸氣在其中的蒸發(fā)速率。蒸發(fā)越迅速，則燈體內的空氣越干燥；蒸發(fā)越慢，則空氣越濕潤。相對濕度與蒸發(fā)速率直接相關，越大，則蒸發(fā)速率越小。在車燈內增加干燥包，就是為了提高燈體內空氣的蒸發(fā)速率，改善燈體內的相對濕度。

圖5是采用干燥包后連續(xù)進行5次防霧漆流掛重現(xiàn)試驗后的濕度和溫度分布曲線。

圖5 增加干燥包后燈體內的溫度分布曲線

從圖5曲線可以看出，在增加干燥包后，燈體內的濕度和溫度都有不同程度的改善，而且效果顯著。當濕度改善后，透鏡內壁的流掛也隨之減輕甚至消除。

4.2 優(yōu)化透氣孔

布置燈殼上的通氣結構的時候，要分析燈體內的耐熱情況，這樣才能控制溫度場的溫度梯度，防止低溫區(qū)域溫度梯度過高而結霧，這也是平衡內部溫度場的有效措施。換句話說，通氣結構布置于車燈溫度的低溫區(qū)域，是控制車燈霧氣形成的重要舉措，但要綜合考慮車燈的具體形狀和周圍的溫度環(huán)境等，這樣才能提高車燈通氣結構的環(huán)境適應能力。另外，還需要合理設置車燈的通氣孔，包括數(shù)量、大小和位置，以便更合理地控制車燈內部的氣體對流，控制車燈內部溫度上升、溫度場分布和濕度場分布。因此，至少應該設置2個通氣孔，以達到穩(wěn)定換氣和循環(huán)換氣的目的，控制燈內溫度持續(xù)上升。另外，通氣孔的大小也是影響燈內換氣的主要因素。

除了在燈殼上開孔之外，優(yōu)化內部的結構也可以很好地改善燈體內部的空氣流通，如增加過度盤與燈殼之間的間隙（在不改變感官品質和造型的前提下），保證更多的氣流能夠更好地在透鏡內表面交匯，破壞水霧和流掛形成的條件。

在上述方案仍然不能很好地解決空氣流通的情況下，可以嘗試采用在過度盤開孔方案，更加高效地實現(xiàn)空氣流通質量。這種方式一般對改善車燈水霧效果比較顯著，對于防霧漆流掛而言，在沒有水霧/積水的情況下，也就不會有流掛產(chǎn)生。由于這種方式基本更改了造型，因此是否采用需要造型或品牌部門確認。

4.3 更新防霧漆

對于不同品牌的防霧漆，其性能是有差異的。表1列出了防霧漆在驗證階段關于霧氣方面的驗證。對防霧漆的防霧性能而言，其密著性能、防霧性能、耐久性能、耐熱性能、耐濕性能等均要滿足相關等級的要求。

表1 防霧漆的厚度與性能的關系

在保證良好防霧性能的前提下，防霧漆流掛性能隨著防霧漆本身的差異而有差異，因此，為保證所使用的防霧漆狀態(tài)良好，還需要對防霧漆的工藝進行良好控制，如烘烤固化后的燈罩如附著灰塵或揮發(fā)性有機化合物（VOC：Volatile Organic Compound）會影響防霧性能。推薦在烘烤固化后，在燈罩上覆蓋一層防靜電塑料膜進行保管，但為防止塑料膜的可塑劑滲入到涂膜內，應使涂膜層不與塑料薄膜直接接觸。

5 結論與展望

通過分析防霧漆流掛產(chǎn)生的原因，提出了優(yōu)化燈體內部結構、增加干燥包降低濕度和更新防霧漆3種技術方案。由于增加干燥包后在車燈長期使用后會失效（一般1年左右），而更換防霧漆又可能產(chǎn)生其他的風險，比如外觀品質有可能下降，因此，在設計階段對車燈進行充分模擬非常重要。而關于防霧漆流掛對造型的約束條件，比如前照燈透鏡曲率對防霧漆流掛的影響，這些將是下一階段需要完成的研究內容。