防冰雾汽车风窗玻璃清洗液的研制

刘晓磊

中国石油大连润滑油研究开发中心

背景简介

汽车风窗玻璃清洗液的定义、用途和执行标准

汽车风窗玻璃清洗液俗称玻璃水，通常由水、一元醇（如甲醇、乙醇）、二元醇（如乙二醇）、缓蚀剂及多种表面活性剂组成，主要用于清除汽车风窗玻璃表面的灰尘、污渍。市场上汽车风窗玻璃清洗液品牌众多，产品质量良莠不齐[1]。为规范市场产品质量，我国于2009年实施了GB/T 23436—2009《汽车风窗玻璃清洗液》标准。该标准参照日本的JIS K 2398:2001制定，主要有冰点、pH值、外观、洗净力、相容性、金属腐蚀试验，以及对橡胶、塑料、汽车漆膜及高低温稳定性等技术检测[2，3]。冰点数据的高低反映了产品的防冻能力，冰点越低防冻能力越强。汽车风窗玻璃清洗液体系中的醇有效提升了产品的防冻能力，在一定范围内冰点随醇含量的上升而降低，甲醇降低冰点的能力强于乙醇、乙二醇。-40 ℃的汽车风窗玻璃清洗液产品基本满足我国大部分地区冬季的使用需求。冬季喷刷具有良好性能的汽车风窗玻璃清洗液产品，可有效去除车窗表面污渍及已凝结的冰霜。

汽车风窗玻璃清洗液冰雾问题的由来

据烟台、大连、抚顺等地部分车主反映，在冬季，室外停放的汽车启动后直接喷刷-40 ℃的汽车风窗玻璃清洗液产品时，雨刮停止摆动后数秒，车窗外表面有冰雾产生，影响驾乘人员视野（如图1所示）。

图1 车窗外表面产生的冰雾现象

产生冰雾问题的原因分析

为研究冰雾产生的原因，开展了实地调研，并做了多次实车模拟试验，对比研究了市场常见的A、B、C、D、E、F六个品牌的-40 ℃汽车风窗玻璃清洗液产品在冰雾现象上的差异。结果表明，环境湿度较大，气温一般低于-10 ℃的条件下，启动汽车后直接喷刷汽车风窗玻璃清洗液易产生冰雾现象，且F品牌-40 ℃产品在防冰雾性能上优于其他五款产品。

产生冰雾的原因为：汽车在低温环境中停放，车窗表面温度很低，如启动车后直接喷刷清洗液，其中的一元醇会快速挥发，使残留的清洗液的冰点大幅度升高，同时醇的挥发也会降低车窗表面的温度，当环境中湿度较大时，空气中的水蒸气也会凝结在车窗外表面，从而增加了残留液中的水分含量，进一步升高了冰点，因此会形成冰雾。

针对上述冰雾问题，为确保汽车风窗玻璃清洗液的全天候使用，本文研制了一款可满足GB/T 23436—2009《汽车风窗玻璃清洗液》标准要求的防冰雾型汽车风窗玻璃清洗液产品。

汽车风窗玻璃清洗液防冰雾性能的测试方法

车窗产生冰雾现象的自然环境条件不易控制和重现，为便于防冰雾产品的研发及检测，试验室采用加湿器、低温冰箱等设备模拟低温及高湿度环境，进而建立汽车风窗玻璃清洗液防冰雾性能的测试方法。主要选取（-15±2）℃、（-30±2）℃两种有代表性的温度环境进行测试。经过多次试验对比、分析，最终确定试验过程，具体内容如下：

方法概要

将浸泡样品后的玻璃片在指定温度的低温冰箱中放置一定时间后取出，立即放入（20±2) ℃，相对湿度大于60%的有机玻璃罩内，观察玻璃片表面现象。

设备及材料

◇低温冰箱：能控温（-15±2) ℃、（-30±2) ℃，且有玻璃观察窗，能监测冰箱内的试验现象；

◇加湿器：能有效控制局部环境，保证相对湿度大于60%；

◇温湿度表：要求温度测量范围（-10～+50）℃，相对湿度范围0～100%RH；

◇烧杯：容积250 mL；

◇量筒：容积500 mL；

◇玻璃片：满足GB 4871标准要求，厚4 mm，长50 mm，宽50 mm普通硅酸盐玻璃片；

◇硅藻土：满足GB 14936标准要求；

◇水：符合GB/T 6682规定的三级水要求；

◇秒表：分度值0.2 s；

◇有机玻璃罩：采用满足GB/T 7134中3 mm厚的无色有机玻璃制成。玻璃罩的一面留有直径大于15 cm的孔洞，玻璃罩的体积能有效容纳加湿器，且加湿器的体积小于有机玻璃罩总体积的50%。

操作过程

清洗玻璃片

按照GB/T 23436—2009中B.5.2操作过程处理玻璃片。将10 g硅藻土和2 g水混合均匀作为抛光剂，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，可重复操作，直到玻璃表面的水膜均匀一致后（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。

环境控制

打开空调及加湿器，用有机玻璃罩罩住加湿器及温湿度表。当温湿度表的显示温度为（20±2) ℃，相对湿度大于60%时开始试验。

试样防冰雾性能的考察

取150 mL样品倒入烧杯中，将事先准备好的玻璃片放入样品中浸泡1 min后用镊子夹住玻璃片边缘取出，待玻璃片表面不再有液体滴下时放入低温冰箱，同时按下秒表开始计时。通过低温冰箱的观察窗观测玻璃片表面是否产生冰雾，记录玻璃片表面开始产生冰雾的时间，精确至±1 s。一定时间后（经过多次试验，结果如下：玻璃片在-15 ℃环境中放置1 min，或在-30 ℃环境中放置30 s，玻璃片表面的试验现象即会有效呈现)用镊子夹住玻璃片边缘取出，并立即放入有机玻璃罩内，观察玻璃片表面变化。每个样品进行3次重复测试，取3次结果的平均值为报告值。

防冰雾性能优异的产品，其浸泡后的玻璃片在-15 ℃环境中放置1 min，或在-30 ℃环境中放置30 s玻璃片表面无冰雾产生，同时要求玻璃片放入有机玻璃罩内表面仍无冰雾产生。

方法的重复性、区分性测试

为保证试验数据的有效性，首先进行方法重复性、区分性测试。经计算，样品1、2、3结冰时间数据的标准偏差均小于5%，且样品1、2的试验现象与样品3有明显差别。具体试验结果见表1。

表1 防冰雾性能测试试验方法重复性、区分性试验数据

由表1可见，方法的重复性、区分性较好，达到了汽车风窗玻璃清洗液防冰雾性能的测试要求。

不同品牌产品的防冰雾性能分析

按照前述防冰雾性能测试方法中的要求，对A、B、C、D、E、F六款-40 ℃产品进行防冰雾性能测试，结果见表2。通过试验结果可以看出，-40 ℃产品F与其余几种产品的试验现象具有明显的差异性，该产品的防冰雾能力优于其他产品，此结果与实车试验测试结果一致。

表2 不同品牌产品（-40 ℃）防冰雾性能分析

研制过程

通过气相色谱仪分析A-F 共6种产品的溶剂成分，体系中醇的种类见表3。

表3 不同品牌产品（-40 ℃）体系中醇种类信息

目前，市售汽车风窗玻璃清洗液产品溶剂以甲醇为主，同时为避免干扰因素，本文以产品E为基础，通过溶剂、添加剂等的考察提升其防冰雾性能，进而开发性能优异的防冰雾汽车风窗玻璃清洗液产品。

溶剂考察

汽车风窗玻璃清洗液冰雾问题的主要原因是体系中一元醇的挥发快。采用挥发性较低的溶剂α、β、γ代替产品E（-40 ℃）中的部分甲醇，对替换溶剂后的样品按照防冰雾试验方法进行了测试，具体操作方案及结果见表4。结果显示，采用溶剂γ取代部分甲醇的产品，随着溶剂γ含量的增高，产品在冰箱中的结冰时间明显延长。但玻璃片在冰箱中放置一段时间后取出后放置有机玻璃罩内，玻璃片表面有冰雾产生。产品的防冰雾性能与F产品（-40 ℃)仍有一定的差距，需进一步考察添加剂等成分，使产品的防冰雾性能达到理想效果。

表4 产品E（-40 ℃)体系中溶剂的考察

添加剂考察

表面活性剂是汽车风窗玻璃清洗液常见的添加成分之一，可分为非离子型、阴离子型、阳离子型和两性离子表面活性剂[4,5]。其中，非离子型、阴离子型和两性离子表面活性剂在清洗剂领域中得到了广泛应用[6]。表面活性剂种类的合理选择与添加，给产品提供良好的湿润性及铺展性，清洗过程中可在挡风玻璃表面形成一层薄薄的保护层，提升汽车风窗玻璃清洗液产品的防冰雾效果。

在E（-40 ℃）产品中，分别添加1%的不同种类的1#～6#添加剂，并对其防冰雾性能进行考察。1#、2#；3#、4#；5#、6#分 别 为非离子型、阴离子型及两性离子表面活性剂结果显示，添加了2#添加剂的样品，玻璃片表面的结冰时间显著延长，且试验现象与F（-40 ℃）产品的防冰雾试验现象相似，产品的防冰雾性能提升。具体信息见表5。

表5 添加剂的考察

溶剂与添加剂互配

以甲醇、γ（a+)、水为溶剂，1%的2#添加剂为溶质，调配冰点为-40 ℃试验样品I，对其进行防冰雾性能测试，结果见表6。结果显示，样品在-15 ℃、-30 ℃条件下均具有优异的防冰雾能力。

表6 溶剂与添加剂的互配

防冰雾产品性能考察

金属腐蚀性考察

金属防腐蚀性是汽车风窗玻璃清洗液的重要指标之一，反映了产品的防金属腐蚀能力的大小。对所调配的样品I进行了金属腐蚀性测试。结果表明，产品对铝腐蚀严重，且镀锌钢片表面变花。为使产品具有优异的防金属腐蚀性能及洗净力，在I样品体系中加入一定的汽车风窗玻璃清洗液复合剂调配Ⅱ样品，Ⅱ样品防金属腐蚀性能优异，满足GB/T 23436—2009标准要求。两种样品的金属腐蚀性能试验数据见表7。

表7 金属腐蚀性能试验数据

pH值、洗净力、稳定性考察

pH值即氢离子浓度指数，其高低取决于产品的配方体系。GB/T 23436—2009标准要求汽车风窗玻璃清洗液产品pH 6.5～10。同时，为确保产品能有效清除车窗表面污渍，为司机提供清晰的视野；防止产品在保质期内出现变质，产生沉淀等问题，进而对产品进行了pH值、洗净力、稳定性考察，结果见表8。结果显示，各项指标满足标准要求。

表8 pH值、洗净力、稳定性试验数据

对橡胶、塑料、汽车有机涂膜影响的考察

汽车风窗玻璃清洗液存储在汽车的塑料喷壶内，通过管路经由喷嘴将其喷到车窗表面（部分还会喷溅到车身上），经雨刮胶条摆动，去除车窗表面的污物，因此清洗液会长期接触塑料、胶条及汽车漆膜等部件。产品与塑料、橡胶、汽车涂膜兼容性优异可有效防止相关部件的老化速度，降低车主保养费用。参照GB/T 23436—2009附录E、F、G要求，考察了样品Ⅱ对橡胶、塑料试片及汽车有机涂膜的影响，结果见表9。结果显示，各项指标均能满足标准要求。

表9 对橡胶、塑料、汽车有机涂膜的影响试验数据

使用试验

在相同的自然条件下（同一天的平行试验，试验时环境温度：-13 ℃，相对湿度：55%；汽车在室外放置12 h，窗外表面挂有大量冰霜，见图2、图3中的图片A），分别在两辆汽车上进行使用试验，对比-40 ℃样品E和试验室开发的样品Ⅱ的防冰雾性能，结果如图2和图3所示。结果表明，样品Ⅱ的防冰雾性能更优异。

图2 喷刷汽车风窗玻璃清洗液前后车窗表面现象（-40 ℃E样品）-洗净后有明显冰雾

图3 喷刷汽车风窗玻璃清洗液前后车窗表面现象（样品Ⅱ）-洗净后无明显冰雾

结论

随着汽车保有量的逐年增长和车主对汽车保养需求意识的提升，研发具有细分功能的产品将是未来的发展趋势。本文通过采用挥发性相对较低的醇取代部分甲醇，同时结合添加剂的合理互配，大幅度提升了产品的防冰雾性能，可有效解决冬季寒冷高湿条件下喷刷汽车风窗玻璃清洗液后车窗外表面产生冰雾的问题，满足客户对防冰雾类产品特殊性能的使用需求。