汽车车灯防雾漆流挂形成机理研究及对策

李祥兵

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉 430050）

当今汽车灯具制造业中，设计、制造、工艺都日趋成熟，车灯品质日益完善。但是到目前为止，车灯起雾仍然是影响车灯品质的一个重要原因。灯具中的水蒸气遇冷凝结在灯罩内表面，不仅影响灯具外观，而且严重影响灯具的照明效果，影响行车安全。起雾形成的雾珠是灯具内积水的主要来源之一，并且由于起雾现象的存在，二者造成灯具内积水，再次成为起雾的原因，严重影响灯具灯泡的使用寿命。为解决灯具起雾问题，通常的方式是采用防雾漆来改善，而且防雾效果非常好，但防雾漆存在副作用，主要是在极端条件下容易形成流挂现象，引起客户抱怨［1］。本文将从流挂形成的机理的角度，来分析流挂的应对措施，为车灯的感官品质提升打下基础。

1 防雾漆的防雾机理研究

防雾漆流挂现象与防雾漆防雾原理密不可分。下面先从防雾漆的防雾机理来引入防雾漆流挂现象。

1.1 雾气产生的条件

从雾气产生的原因来看，雾气产生的条件可以简单分为以下两方面。

1）水汽和温差的存在 只有当基材表面的温度低于一定湿度的水汽温度时，空气中的水蒸气才能冷凝成水滴。环境温差变化使得透明材料在使用过程中容易结雾，如眼镜镜片起雾，从而影响人们的生活与工作，在透明基材表面涂敷一层防雾材料是解决结雾的一种比较简单和有效的方法。通常而言，车灯起雾的原因是空气中的水在透明材料表面凝结，根据表面湿润情况，形成不同的接触角［2］。

2）基材表面的湿润性能 从力学角度分析，水雾产生与否，取决于液体与固体之间的表面张力。通过分析液固之间的接触角θ，可以判断基材表面的基材性能。

防雾材料一般有2种：亲水性防雾材料和疏水性防雾材料。亲水性防雾材料通过改善基材表面的润湿性，降低材料表面的接触角，达到防雾效果；疏水性防雾材料通过使材料表面能化，增加材料表面对水的接触角，达到疏水防雾效果；而亲水-疏水型防雾材料则同时含有亲水和疏水基因，使得材料具有亲水和疏水特性。雾化现象作为影响人们生活、工作的因素，越来越受到了人们的重视，防雾材料在工农业生产和日常生活中得到广泛的应用。

1.2 杨氏方程

防雾形成机理，可以用杨氏方程来解释［3］

式中：γ1——表面张力；γs——固体表面张力；γls——固液界面张力；θ——接触角。

当基材表面高度清水化时，水与基材表面的接触角θ很小或接近于0， 水界面润湿或铺层很完全，形成透明的水膜，光线透过率很高；当基材表面高度疏水时，水与基材表面的接触角θ接近于180°，界面只能沾湿，形成水珠。当θ为0时，此时液体在固体表面铺展，如果在液体中加入适量的表面活性物质，则液体将完全平铺于活性表面上，称为铺展。

根据防雾机理的不同，防雾材料分为亲水-疏水型防雾材料、亲水型防雾材料和疏水型防雾材料。其中，疏水型防雾材料为沾湿机理，而亲水-疏水性防雾材料介于二者之间。亲水与疏水材料接触角的差异如图1所示。

一般而言，对于PC材料的透镜，接触角为80°左右，极易形成水珠，产生漫反射。透镜表面喷涂防雾漆（目前神龙公司主要采用亲水性材料）后，水在涂层表面的接触角度为15°左右，在透镜内表面形成一层接近均匀的水膜，不会对光产生漫反射。

2 防雾漆流挂产生的机理分析

由于目前行业内所使用的防雾漆本身是一种亲水化合物，它与水之间通过一定的饱和度达到平衡。当车灯透镜的内表面局部区域的水量过厚时，就会超过其饱和度，从而将防雾漆中的物质析出，干燥后就会形成一种白色的物质（主要成分为硫磺和钠），附着在透镜的内表面，即通常所说的流挂。如果局部区域水膜过厚，水膜就会由于自身重力的原因沿着透镜内表面流动，所析出的物质也会随着水膜一起流动，干燥后，就会在透镜内表面形成具有一定尺寸长度的白色“泪痕”，这种白色物质是可溶于水的，当用水冲刷时，是可以清洗掉的。但由于这种白色泪痕位于车灯透镜内表面，客户可以看到，但不能借助一些手段来清除，因而引起客户的抱怨。流挂形成过程如图2所示。

图2 流挂形成过程图

3 防雾漆流挂产生的原因分析

根据上述防雾漆流挂的机理分析可以看出，流挂产生的根本原因如下。

1）车灯内局部区域空气湿度过高，导致水珠在透镜内表面大量聚集。这些大量聚集的水珠在很短的时间内破坏了正常情况下水与防雾漆之间的平衡，即超过其饱和度，从而将防雾漆中的物质析出。

灯具内水蒸气的来源主要有两种途径：流入车灯的周围环境空气中所含的水蒸气和灯具内积水受热蒸发所形成的水蒸气。

在大多数情况下，车灯内积水蒸发形成的湿气是造成水汽凝结的主要原因。当车灯点亮时，灯泡周围空气的温度会急剧升高，通过辐射和自然对流换热，使车灯内的积水受热蒸发，从而使得空气温度较高的区域形成较大的湿度，然后水蒸气通过对流和扩散作用将水蒸气传递到灯具内部的各个角落。由于灯具内部温度分布不均匀，当湿度较高、温度较高的空气扩散到温度较低的区域时，空气中所包含的水蒸气就有可能凝结成水雾或水珠。目前车灯内积水来源主要有4个：①由于车灯结合部的缝隙较大，周围环境中的水分会通过缝隙进入灯体内；②灯体工况的变化（照明方式的不断切换），从而在灯具内外形成压力差，水分就会通过缝隙进入车灯；③通过换气孔与外界环境形成循环；④车灯内部结雾形成的小水珠不断发展成为积水。这种结雾与积水之间互为因果关系，从而使结雾更为严重。

2）灯体内空气流通不畅。车灯本身是一个形状不规则的密闭腔，虽然灯壳上有开孔区域来尽可能保证灯体内外气压平衡，但由于灯体内形状不规则，受热不均匀，造成局部区域空气流通不畅，形成了结构性死区。这些结构性死区，一般都是水雾容易形成的区域。在喷涂防雾漆的情况下，这个区域的水雾情况会有很大改善，但不能完全消除，一旦水雾过于严重，也会形成流挂。前照灯内温度模拟如图3所示。

图3 前照灯内温度模拟

从图3模拟可以看出，车灯的水雾形成区域主要集中在外透镜周围的内壁，这些区域就是灯体内空气流通不畅的地方，也是低温区域。这些区域因为水雾风险很大，即使在存在防雾漆的情况下，仍然会形成比较厚的水层，从而增加防雾漆流挂的风险。

3）防雾漆与水之间的饱和度。防雾漆本身是一种亲水性物质，它与水之间存在饱和度。如果这个饱和度过小，即在实际中很容易超过其饱和度，则更容易形成流挂。防雾漆与水之间的饱和度取决于防雾漆的种类和基材表面的润湿性，也就是说，使基材表面高度亲水化（θ→0°）或使基材表面高度疏水化（θ→180°）。当θ→0°时，水汽在基材表面不是冷凝成一个个小水珠，而是高度铺展，形成一层均匀的水膜；当θ→180°时，水汽冷凝生成的小水珠不能吸附在基材上，而是直接滚落下来，同样可以达到防雾而消除流挂的目的。

4 东风标致某款车型前照灯防雾漆流挂的应对措施

东风标致某款车型前照灯在工业化阶段，曾出现较为严重的防雾漆流挂问题。其表现的主要现象是：在前照灯透镜内表面，近远光上部区域出现水流痕迹，且无法清除，导致客户抱怨。根据防雾漆的流挂形成原理，得出如下分析故障树（图4），以便对所有原因进行全面排查。该故障树主要从湿度、空气流通（结构等）、防雾漆本身3个根本要素来进行分析，以便从根本上找到原因。下面结合这三方面原因来分别分析相关的措施。

图4 防雾漆流挂故障模式分析

4.1 增加干燥包

增加干燥包的目的是为了降低灯体内的相对湿度，从而破坏流挂产生的条件。

相对湿度与含湿量之间的关系如下

式中：d——湿空气的含湿量；Pb——湿空气压力；Ps——水蒸气的饱和压力；——饱和压力。

通常所说的空气干湿程度，是指水蒸气在其中的蒸发速率。蒸发越迅速，则灯体内的空气越干燥；蒸发越慢，则空气越湿润。相对湿度与蒸发速率直接相关，越大，则蒸发速率越小。在车灯内增加干燥包，就是为了提高灯体内空气的蒸发速率，改善灯体内的相对湿度。

图5是采用干燥包后连续进行5次防雾漆流挂重现试验后的湿度和温度分布曲线。

图5 增加干燥包后灯体内的温度分布曲线

从图5曲线可以看出，在增加干燥包后，灯体内的湿度和温度都有不同程度的改善，而且效果显著。当湿度改善后，透镜内壁的流挂也随之减轻甚至消除。

4.2 优化透气孔

布置灯壳上的通气结构的时候，要分析灯体内的耐热情况，这样才能控制温度场的温度梯度，防止低温区域温度梯度过高而结雾，这也是平衡内部温度场的有效措施。换句话说，通气结构布置于车灯温度的低温区域，是控制车灯雾气形成的重要举措，但要综合考虑车灯的具体形状和周围的温度环境等，这样才能提高车灯通气结构的环境适应能力。另外，还需要合理设置车灯的通气孔，包括数量、大小和位置，以便更合理地控制车灯内部的气体对流，控制车灯内部温度上升、温度场分布和湿度场分布。因此，至少应该设置2个通气孔，以达到稳定换气和循环换气的目的，控制灯内温度持续上升。另外，通气孔的大小也是影响灯内换气的主要因素。

除了在灯壳上开孔之外，优化内部的结构也可以很好地改善灯体内部的空气流通，如增加过度盘与灯壳之间的间隙（在不改变感官品质和造型的前提下），保证更多的气流能够更好地在透镜内表面交汇，破坏水雾和流挂形成的条件。

在上述方案仍然不能很好地解决空气流通的情况下，可以尝试采用在过度盘开孔方案，更加高效地实现空气流通质量。这种方式一般对改善车灯水雾效果比较显著，对于防雾漆流挂而言，在没有水雾/积水的情况下，也就不会有流挂产生。由于这种方式基本更改了造型，因此是否采用需要造型或品牌部门确认。

4.3 更新防雾漆

对于不同品牌的防雾漆，其性能是有差异的。表1列出了防雾漆在验证阶段关于雾气方面的验证。对防雾漆的防雾性能而言，其密着性能、防雾性能、耐久性能、耐热性能、耐湿性能等均要满足相关等级的要求。

表1 防雾漆的厚度与性能的关系

在保证良好防雾性能的前提下，防雾漆流挂性能随着防雾漆本身的差异而有差异，因此，为保证所使用的防雾漆状态良好，还需要对防雾漆的工艺进行良好控制，如烘烤固化后的灯罩如附着灰尘或挥发性有机化合物（VOC：Volatile Organic Compound）会影响防雾性能。推荐在烘烤固化后，在灯罩上覆盖一层防静电塑料膜进行保管，但为防止塑料膜的可塑剂渗入到涂膜内，应使涂膜层不与塑料薄膜直接接触。

5 结论与展望

通过分析防雾漆流挂产生的原因，提出了优化灯体内部结构、增加干燥包降低湿度和更新防雾漆3种技术方案。由于增加干燥包后在车灯长期使用后会失效（一般1年左右），而更换防雾漆又可能产生其他的风险，比如外观品质有可能下降，因此，在设计阶段对车灯进行充分模拟非常重要。而关于防雾漆流挂对造型的约束条件，比如前照灯透镜曲率对防雾漆流挂的影响，这些将是下一阶段需要完成的研究内容。