防冰霧汽車風(fēng)窗玻璃清洗液的研制

劉曉磊

中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心

背景簡(jiǎn)介

汽車風(fēng)窗玻璃清洗液的定義、用途和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

汽車風(fēng)窗玻璃清洗液俗稱玻璃水，通常由水、一元醇（如甲醇、乙醇）、二元醇（如乙二醇）、緩蝕劑及多種表面活性劑組成，主要用于清除汽車風(fēng)窗玻璃表面的灰塵、污漬。市場(chǎng)上汽車風(fēng)窗玻璃清洗液品牌眾多，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊[1]。為規(guī)范市場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量，我國(guó)于2009年實(shí)施了GB/T 23436—2009《汽車風(fēng)窗玻璃清洗液》標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)參照日本的JIS K 2398:2001制定，主要有冰點(diǎn)、pH值、外觀、洗凈力、相容性、金屬腐蝕試驗(yàn)，以及對(duì)橡膠、塑料、汽車漆膜及高低溫穩(wěn)定性等技術(shù)檢測(cè)[2，3]。冰點(diǎn)數(shù)據(jù)的高低反映了產(chǎn)品的防凍能力，冰點(diǎn)越低防凍能力越強(qiáng)。汽車風(fēng)窗玻璃清洗液體系中的醇有效提升了產(chǎn)品的防凍能力，在一定范圍內(nèi)冰點(diǎn)隨醇含量的上升而降低，甲醇降低冰點(diǎn)的能力強(qiáng)于乙醇、乙二醇。-40 ℃的汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品基本滿足我國(guó)大部分地區(qū)冬季的使用需求。冬季噴刷具有良好性能的汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品，可有效去除車窗表面污漬及已凝結(jié)的冰霜。

汽車風(fēng)窗玻璃清洗液冰霧問(wèn)題的由來(lái)

據(jù)煙臺(tái)、大連、撫順等地部分車主反映，在冬季，室外停放的汽車啟動(dòng)后直接噴刷-40 ℃的汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品時(shí)，雨刮停止擺動(dòng)后數(shù)秒，車窗外表面有冰霧產(chǎn)生，影響駕乘人員視野（如圖1所示）。

圖1 車窗外表面產(chǎn)生的冰霧現(xiàn)象

產(chǎn)生冰霧問(wèn)題的原因分析

為研究冰霧產(chǎn)生的原因，開展了實(shí)地調(diào)研，并做了多次實(shí)車模擬試驗(yàn)，對(duì)比研究了市場(chǎng)常見的A、B、C、D、E、F六個(gè)品牌的-40 ℃汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品在冰霧現(xiàn)象上的差異。結(jié)果表明，環(huán)境濕度較大，氣溫一般低于-10 ℃的條件下，啟動(dòng)汽車后直接噴刷汽車風(fēng)窗玻璃清洗液易產(chǎn)生冰霧現(xiàn)象，且F品牌-40 ℃產(chǎn)品在防冰霧性能上優(yōu)于其他五款產(chǎn)品。

產(chǎn)生冰霧的原因?yàn)椋浩囋诘蜏丨h(huán)境中停放，車窗表面溫度很低，如啟動(dòng)車后直接噴刷清洗液，其中的一元醇會(huì)快速揮發(fā)，使殘留的清洗液的冰點(diǎn)大幅度升高，同時(shí)醇的揮發(fā)也會(huì)降低車窗表面的溫度，當(dāng)環(huán)境中濕度較大時(shí)，空氣中的水蒸氣也會(huì)凝結(jié)在車窗外表面，從而增加了殘留液中的水分含量，進(jìn)一步升高了冰點(diǎn)，因此會(huì)形成冰霧。

針對(duì)上述冰霧問(wèn)題，為確保汽車風(fēng)窗玻璃清洗液的全天候使用，本文研制了一款可滿足GB/T 23436—2009《汽車風(fēng)窗玻璃清洗液》標(biāo)準(zhǔn)要求的防冰霧型汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品。

汽車風(fēng)窗玻璃清洗液防冰霧性能的測(cè)試方法

車窗產(chǎn)生冰霧現(xiàn)象的自然環(huán)境條件不易控制和重現(xiàn)，為便于防冰霧產(chǎn)品的研發(fā)及檢測(cè)，試驗(yàn)室采用加濕器、低溫冰箱等設(shè)備模擬低溫及高濕度環(huán)境，進(jìn)而建立汽車風(fēng)窗玻璃清洗液防冰霧性能的測(cè)試方法。主要選?。?15±2）℃、（-30±2）℃兩種有代表性的溫度環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比、分析，最終確定試驗(yàn)過(guò)程，具體內(nèi)容如下：

方法概要

將浸泡樣品后的玻璃片在指定溫度的低溫冰箱中放置一定時(shí)間后取出，立即放入（20±2) ℃，相對(duì)濕度大于60%的有機(jī)玻璃罩內(nèi)，觀察玻璃片表面現(xiàn)象。

設(shè)備及材料

◇低溫冰箱：能控溫（-15±2) ℃、（-30±2) ℃，且有玻璃觀察窗，能監(jiān)測(cè)冰箱內(nèi)的試驗(yàn)現(xiàn)象；

◇加濕器：能有效控制局部環(huán)境，保證相對(duì)濕度大于60%；

◇溫濕度表：要求溫度測(cè)量范圍（-10～+50）℃，相對(duì)濕度范圍0～100%RH；

◇燒杯：容積250 mL；

◇量筒：容積500 mL；

◇玻璃片：滿足GB 4871標(biāo)準(zhǔn)要求，厚4 mm，長(zhǎng)50 mm，寬50 mm普通硅酸鹽玻璃片；

◇硅藻土：滿足GB 14936標(biāo)準(zhǔn)要求；

◇水：符合GB/T 6682規(guī)定的三級(jí)水要求；

◇秒表：分度值0.2 s；

◇有機(jī)玻璃罩：采用滿足GB/T 7134中3 mm厚的無(wú)色有機(jī)玻璃制成。玻璃罩的一面留有直徑大于15 cm的孔洞，玻璃罩的體積能有效容納加濕器，且加濕器的體積小于有機(jī)玻璃罩總體積的50%。

操作過(guò)程

清洗玻璃片

按照GB/T 23436—2009中B.5.2操作過(guò)程處理玻璃片。將10 g硅藻土和2 g水混合均勻作為拋光劑，用它清除玻璃片表面的污物，然后再用水清洗玻璃片表面。若一次操作不能完全清除污物，可重復(fù)操作，直到玻璃表面的水膜均勻一致后（玻璃片表面上的水既不聚成水滴，也不成股流下)，自然晾干玻璃片。

環(huán)境控制

打開空調(diào)及加濕器，用有機(jī)玻璃罩罩住加濕器及溫濕度表。當(dāng)溫濕度表的顯示溫度為（20±2) ℃，相對(duì)濕度大于60%時(shí)開始試驗(yàn)。

試樣防冰霧性能的考察

取150 mL樣品倒入燒杯中，將事先準(zhǔn)備好的玻璃片放入樣品中浸泡1 min后用鑷子夾住玻璃片邊緣取出，待玻璃片表面不再有液體滴下時(shí)放入低溫冰箱，同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)。通過(guò)低溫冰箱的觀察窗觀測(cè)玻璃片表面是否產(chǎn)生冰霧，記錄玻璃片表面開始產(chǎn)生冰霧的時(shí)間，精確至±1 s。一定時(shí)間后（經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，結(jié)果如下：玻璃片在-15 ℃環(huán)境中放置1 min，或在-30 ℃環(huán)境中放置30 s，玻璃片表面的試驗(yàn)現(xiàn)象即會(huì)有效呈現(xiàn))用鑷子夾住玻璃片邊緣取出，并立即放入有機(jī)玻璃罩內(nèi)，觀察玻璃片表面變化。每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)試，取3次結(jié)果的平均值為報(bào)告值。

防冰霧性能優(yōu)異的產(chǎn)品，其浸泡后的玻璃片在-15 ℃環(huán)境中放置1 min，或在-30 ℃環(huán)境中放置30 s玻璃片表面無(wú)冰霧產(chǎn)生，同時(shí)要求玻璃片放入有機(jī)玻璃罩內(nèi)表面仍無(wú)冰霧產(chǎn)生。

方法的重復(fù)性、區(qū)分性測(cè)試

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，首先進(jìn)行方法重復(fù)性、區(qū)分性測(cè)試。經(jīng)計(jì)算，樣品1、2、3結(jié)冰時(shí)間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，且樣品1、2的試驗(yàn)現(xiàn)象與樣品3有明顯差別。具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 防冰霧性能測(cè)試試驗(yàn)方法重復(fù)性、區(qū)分性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可見，方法的重復(fù)性、區(qū)分性較好，達(dá)到了汽車風(fēng)窗玻璃清洗液防冰霧性能的測(cè)試要求。

不同品牌產(chǎn)品的防冰霧性能分析

按照前述防冰霧性能測(cè)試方法中的要求，對(duì)A、B、C、D、E、F六款-40 ℃產(chǎn)品進(jìn)行防冰霧性能測(cè)試，結(jié)果見表2。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，-40 ℃產(chǎn)品F與其余幾種產(chǎn)品的試驗(yàn)現(xiàn)象具有明顯的差異性，該產(chǎn)品的防冰霧能力優(yōu)于其他產(chǎn)品，此結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。

表2 不同品牌產(chǎn)品（-40 ℃）防冰霧性能分析

研制過(guò)程

通過(guò)氣相色譜儀分析A-F 共6種產(chǎn)品的溶劑成分，體系中醇的種類見表3。

表3 不同品牌產(chǎn)品（-40 ℃）體系中醇種類信息

目前，市售汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品溶劑以甲醇為主，同時(shí)為避免干擾因素，本文以產(chǎn)品E為基礎(chǔ)，通過(guò)溶劑、添加劑等的考察提升其防冰霧性能，進(jìn)而開發(fā)性能優(yōu)異的防冰霧汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品。

溶劑考察

汽車風(fēng)窗玻璃清洗液冰霧問(wèn)題的主要原因是體系中一元醇的揮發(fā)快。采用揮發(fā)性較低的溶劑α、β、γ代替產(chǎn)品E（-40 ℃）中的部分甲醇，對(duì)替換溶劑后的樣品按照防冰霧試驗(yàn)方法進(jìn)行了測(cè)試，具體操作方案及結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，采用溶劑γ取代部分甲醇的產(chǎn)品，隨著溶劑γ含量的增高，產(chǎn)品在冰箱中的結(jié)冰時(shí)間明顯延長(zhǎng)。但玻璃片在冰箱中放置一段時(shí)間后取出后放置有機(jī)玻璃罩內(nèi)，玻璃片表面有冰霧產(chǎn)生。產(chǎn)品的防冰霧性能與F產(chǎn)品（-40 ℃)仍有一定的差距，需進(jìn)一步考察添加劑等成分，使產(chǎn)品的防冰霧性能達(dá)到理想效果。

表4 產(chǎn)品E（-40 ℃)體系中溶劑的考察

添加劑考察

表面活性劑是汽車風(fēng)窗玻璃清洗液常見的添加成分之一，可分為非離子型、陰離子型、陽(yáng)離子型和兩性離子表面活性劑[4,5]。其中，非離子型、陰離子型和兩性離子表面活性劑在清洗劑領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[6]。表面活性劑種類的合理選擇與添加，給產(chǎn)品提供良好的濕潤(rùn)性及鋪展性，清洗過(guò)程中可在擋風(fēng)玻璃表面形成一層薄薄的保護(hù)層，提升汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品的防冰霧效果。

在E（-40 ℃）產(chǎn)品中，分別添加1%的不同種類的1#～6#添加劑，并對(duì)其防冰霧性能進(jìn)行考察。1#、2#；3#、4#；5#、6#分 別 為非離子型、陰離子型及兩性離子表面活性劑結(jié)果顯示，添加了2#添加劑的樣品，玻璃片表面的結(jié)冰時(shí)間顯著延長(zhǎng)，且試驗(yàn)現(xiàn)象與F（-40 ℃）產(chǎn)品的防冰霧試驗(yàn)現(xiàn)象相似，產(chǎn)品的防冰霧性能提升。具體信息見表5。

表5 添加劑的考察

溶劑與添加劑互配

以甲醇、γ（a+)、水為溶劑，1%的2#添加劑為溶質(zhì)，調(diào)配冰點(diǎn)為-40 ℃試驗(yàn)樣品I，對(duì)其進(jìn)行防冰霧性能測(cè)試，結(jié)果見表6。結(jié)果顯示，樣品在-15 ℃、-30 ℃條件下均具有優(yōu)異的防冰霧能力。

表6 溶劑與添加劑的互配

防冰霧產(chǎn)品性能考察

金屬腐蝕性考察

金屬防腐蝕性是汽車風(fēng)窗玻璃清洗液的重要指標(biāo)之一，反映了產(chǎn)品的防金屬腐蝕能力的大小。對(duì)所調(diào)配的樣品I進(jìn)行了金屬腐蝕性測(cè)試。結(jié)果表明，產(chǎn)品對(duì)鋁腐蝕嚴(yán)重，且鍍鋅鋼片表面變花。為使產(chǎn)品具有優(yōu)異的防金屬腐蝕性能及洗凈力，在I樣品體系中加入一定的汽車風(fēng)窗玻璃清洗液復(fù)合劑調(diào)配Ⅱ樣品，Ⅱ樣品防金屬腐蝕性能優(yōu)異，滿足GB/T 23436—2009標(biāo)準(zhǔn)要求。兩種樣品的金屬腐蝕性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 金屬腐蝕性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

pH值、洗凈力、穩(wěn)定性考察

pH值即氫離子濃度指數(shù)，其高低取決于產(chǎn)品的配方體系。GB/T 23436—2009標(biāo)準(zhǔn)要求汽車風(fēng)窗玻璃清洗液產(chǎn)品pH 6.5～10。同時(shí)，為確保產(chǎn)品能有效清除車窗表面污漬，為司機(jī)提供清晰的視野；防止產(chǎn)品在保質(zhì)期內(nèi)出現(xiàn)變質(zhì)，產(chǎn)生沉淀等問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了pH值、洗凈力、穩(wěn)定性考察，結(jié)果見表8。結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 pH值、洗凈力、穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)橡膠、塑料、汽車有機(jī)涂膜影響的考察

汽車風(fēng)窗玻璃清洗液存儲(chǔ)在汽車的塑料噴壺內(nèi)，通過(guò)管路經(jīng)由噴嘴將其噴到車窗表面（部分還會(huì)噴濺到車身上），經(jīng)雨刮膠條擺動(dòng)，去除車窗表面的污物，因此清洗液會(huì)長(zhǎng)期接觸塑料、膠條及汽車漆膜等部件。產(chǎn)品與塑料、橡膠、汽車涂膜兼容性優(yōu)異可有效防止相關(guān)部件的老化速度，降低車主保養(yǎng)費(fèi)用。參照GB/T 23436—2009附錄E、F、G要求，考察了樣品Ⅱ?qū)ο鹉z、塑料試片及汽車有機(jī)涂膜的影響，結(jié)果見表9。結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表9 對(duì)橡膠、塑料、汽車有機(jī)涂膜的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用試驗(yàn)

在相同的自然條件下（同一天的平行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度：-13 ℃，相對(duì)濕度：55%；汽車在室外放置12 h，窗外表面掛有大量冰霜，見圖2、圖3中的圖片A），分別在兩輛汽車上進(jìn)行使用試驗(yàn)，對(duì)比-40 ℃樣品E和試驗(yàn)室開發(fā)的樣品Ⅱ的防冰霧性能，結(jié)果如圖2和圖3所示。結(jié)果表明，樣品Ⅱ的防冰霧性能更優(yōu)異。

圖2 噴刷汽車風(fēng)窗玻璃清洗液前后車窗表面現(xiàn)象（-40 ℃E樣品）-洗凈后有明顯冰霧

圖3 噴刷汽車風(fēng)窗玻璃清洗液前后車窗表面現(xiàn)象（樣品Ⅱ）-洗凈后無(wú)明顯冰霧

結(jié)論

隨著汽車保有量的逐年增長(zhǎng)和車主對(duì)汽車保養(yǎng)需求意識(shí)的提升，研發(fā)具有細(xì)分功能的產(chǎn)品將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。本文通過(guò)采用揮發(fā)性相對(duì)較低的醇取代部分甲醇，同時(shí)結(jié)合添加劑的合理互配，大幅度提升了產(chǎn)品的防冰霧性能，可有效解決冬季寒冷高濕條件下噴刷汽車風(fēng)窗玻璃清洗液后車窗外表面產(chǎn)生冰霧的問(wèn)題，滿足客戶對(duì)防冰霧類產(chǎn)品特殊性能的使用需求。