李祥兵

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430050）

當(dāng)今汽車燈具制造業(yè)中，設(shè)計(jì)、制造、工藝都日趨成熟，車燈品質(zhì)日益完善。但是到目前為止，車燈起霧仍然是影響車燈品質(zhì)的一個(gè)重要原因。燈具中的水蒸氣遇冷凝結(jié)在燈罩內(nèi)表面，不僅影響燈具外觀，而且嚴(yán)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(nèi)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(nèi)積水，再次成為起霧的原因，嚴(yán)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(jī)理的角度，來分析流掛的應(yīng)對(duì)措施，為車燈的感官品質(zhì)提升打下基礎(chǔ)。

1 防霧漆的防霧機(jī)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(jī)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(jiǎn)單分為以下兩方面。

1）水汽和溫差的存在 只有當(dāng)基材表面的溫度低于一定濕度的水汽溫度時(shí)，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(jié)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(jié)霧的一種比較簡(jiǎn)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(jié)，根據(jù)表面濕潤(rùn)情況，形成不同的接觸角［2］。

2）基材表面的濕潤(rùn)性能 從力學(xué)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(rùn)濕性，降低材料表面的接觸角，達(dá)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(duì)水的接觸角，達(dá)到疏水防霧效果；而親水-疏水型防霧材料則同時(shí)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(yīng)用。

1.2 楊氏方程

防霧形成機(jī)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(dāng)基材表面高度清水化時(shí)，水與基材表面的接觸角θ很小或接近于0， 水界面潤(rùn)濕或鋪層很完全，形成透明的水膜，光線透過率很高；當(dāng)基材表面高度疏水時(shí)，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(dāng)θ為0時(shí)，此時(shí)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(zhì)，則液體將完全平鋪于活性表面上，稱為鋪展。

根據(jù)防霧機(jī)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(jī)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(duì)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(nèi)表面形成一層接近均勻的水膜，不會(huì)對(duì)光產(chǎn)生漫反射。

2 防霧漆流掛產(chǎn)生的機(jī)理分析

由于目前行業(yè)內(nèi)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(dá)到平衡。當(dāng)車燈透鏡的內(nèi)表面局部區(qū)域的水量過厚時(shí)，就會(huì)超過其飽和度，從而將防霧漆中的物質(zhì)析出，干燥后就會(huì)形成一種白色的物質(zhì)（主要成分為硫磺和鈉），附著在透鏡的內(nèi)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(huì)由于自身重力的原因沿著透鏡內(nèi)表面流動(dòng)，所析出的物質(zhì)也會(huì)隨著水膜一起流動(dòng)，干燥后，就會(huì)在透鏡內(nèi)表面形成具有一定尺寸長(zhǎng)度的白色“淚痕”，這種白色物質(zhì)是可溶于水的，當(dāng)用水沖刷時(shí)，是可以清洗掉的。但由于這種白色淚痕位于車燈透鏡內(nèi)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(jī)理分析可以看出，流掛產(chǎn)生的根本原因如下。

1）車燈內(nèi)局部區(qū)域空氣濕度過高，導(dǎo)致水珠在透鏡內(nèi)表面大量聚集。這些大量聚集的水珠在很短的時(shí)間內(nèi)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(zhì)析出。

燈具內(nèi)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(nèi)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(nèi)積水蒸發(fā)形成的濕氣是造成水汽凝結(jié)的主要原因。當(dāng)車燈點(diǎn)亮?xí)r，燈泡周圍空氣的溫度會(huì)急劇升高，通過輻射和自然對(duì)流換熱，使車燈內(nèi)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(duì)流和擴(kuò)散作用將水蒸氣傳遞到燈具內(nèi)部的各個(gè)角落。由于燈具內(nèi)部溫度分布不均勻，當(dāng)濕度較高、溫度較高的空氣擴(kuò)散到溫度較低的區(qū)域時(shí)，空氣中所包含的水蒸氣就有可能凝結(jié)成水霧或水珠。目前車燈內(nèi)積水來源主要有4個(gè)：①由于車燈結(jié)合部的縫隙較大，周圍環(huán)境中的水分會(huì)通過縫隙進(jìn)入燈體內(nèi)；②燈體工況的變化（照明方式的不斷切換），從而在燈具內(nèi)外形成壓力差，水分就會(huì)通過縫隙進(jìn)入車燈；③通過換氣孔與外界環(huán)境形成循環(huán)；④車燈內(nèi)部結(jié)霧形成的小水珠不斷發(fā)展成為積水。這種結(jié)霧與積水之間互為因果關(guān)系，從而使結(jié)霧更為嚴(yán)重。

2）燈體內(nèi)空氣流通不暢。車燈本身是一個(gè)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(nèi)外氣壓平衡，但由于燈體內(nèi)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(jié)構(gòu)性死區(qū)。這些結(jié)構(gòu)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(gè)區(qū)域的水霧情況會(huì)有很大改善，但不能完全消除，一旦水霧過于嚴(yán)重，也會(huì)形成流掛。前照燈內(nèi)溫度模擬如圖3所示。

圖3 前照燈內(nèi)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(nèi)壁，這些區(qū)域就是燈體內(nèi)空氣流通不暢的地方，也是低溫區(qū)域。這些區(qū)域因?yàn)樗F風(fēng)險(xiǎn)很大，即使在存在防霧漆的情況下，仍然會(huì)形成比較厚的水層，從而增加防霧漆流掛的風(fēng)險(xiǎn)。

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(zhì)，它與水之間存在飽和度。如果這個(gè)飽和度過小，即在實(shí)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(rùn)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(dāng)θ→0°時(shí)，水汽在基材表面不是冷凝成一個(gè)個(gè)小水珠，而是高度鋪展，形成一層均勻的水膜；當(dāng)θ→180°時(shí)，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(dá)到防霧而消除流掛的目的。

4 東風(fēng)標(biāo)致某款車型前照燈防霧漆流掛的應(yīng)對(duì)措施

東風(fēng)標(biāo)致某款車型前照燈在工業(yè)化階段，曾出現(xiàn)較為嚴(yán)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(nèi)表面，近遠(yuǎn)光上部區(qū)域出現(xiàn)水流痕跡，且無法清除，導(dǎo)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(duì)所有原因進(jìn)行全面排查。該故障樹主要從濕度、空氣流通（結(jié)構(gòu)等）、防霧漆本身3個(gè)根本要素來進(jìn)行分析，以便從根本上找到原因。下面結(jié)合這三方面原因來分別分析相關(guān)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(nèi)的相對(duì)濕度，從而破壞流掛產(chǎn)生的條件。

相對(duì)濕度與含濕量之間的關(guān)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(nèi)的空氣越干燥；蒸發(fā)越慢，則空氣越濕潤(rùn)。相對(duì)濕度與蒸發(fā)速率直接相關(guān)，越大，則蒸發(fā)速率越小。在車燈內(nèi)增加干燥包，就是為了提高燈體內(nèi)空氣的蒸發(fā)速率，改善燈體內(nèi)的相對(duì)濕度。

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

圖5 增加干燥包后燈體內(nèi)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(nèi)的濕度和溫度都有不同程度的改善，而且效果顯著。當(dāng)濕度改善后，透鏡內(nèi)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(jié)構(gòu)的時(shí)候，要分析燈體內(nèi)的耐熱情況，這樣才能控制溫度場(chǎng)的溫度梯度，防止低溫區(qū)域溫度梯度過高而結(jié)霧，這也是平衡內(nèi)部溫度場(chǎng)的有效措施。換句話說，通氣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)能力。另外，還需要合理設(shè)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(nèi)部的氣體對(duì)流，控制車燈內(nèi)部溫度上升、溫度場(chǎng)分布和濕度場(chǎng)分布。因此，至少應(yīng)該設(shè)置2個(gè)通氣孔，以達(dá)到穩(wěn)定換氣和循環(huán)換氣的目的，控制燈內(nèi)溫度持續(xù)上升。另外，通氣孔的大小也是影響燈內(nèi)換氣的主要因素。

除了在燈殼上開孔之外，優(yōu)化內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也可以很好地改善燈體內(nèi)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(zhì)和造型的前提下），保證更多的氣流能夠更好地在透鏡內(nèi)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(shí)現(xiàn)空氣流通質(zhì)量。這種方式一般對(duì)改善車燈水霧效果比較顯著，對(duì)于防霧漆流掛而言，在沒有水霧/積水的情況下，也就不會(huì)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(rèn)。

4.3 更新防霧漆

對(duì)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(yàn)證階段關(guān)于霧氣方面的驗(yàn)證。對(duì)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(guān)等級(jí)的要求。

表1 防霧漆的厚度與性能的關(guān)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(duì)防霧漆的工藝進(jìn)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(jī)化合物（VOC：Volatile Organic Compound）會(huì)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(jìn)行保管，但為防止塑料膜的可塑劑滲入到涂膜內(nèi)，應(yīng)使涂膜層不與塑料薄膜直接接觸。

5 結(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)、增加干燥包降低濕度和更新防霧漆3種技術(shù)方案。由于增加干燥包后在車燈長(zhǎng)期使用后會(huì)失效（一般1年左右），而更換防霧漆又可能產(chǎn)生其他的風(fēng)險(xiǎn)，比如外觀品質(zhì)有可能下降，因此，在設(shè)計(jì)階段對(duì)車燈進(jìn)行充分模擬非常重要。而關(guān)于防霧漆流掛對(duì)造型的約束條件，比如前照燈透鏡曲率對(duì)防霧漆流掛的影響，這些將是下一階段需要完成的研究?jī)?nèi)容。