汽车挡风玻璃防雾防霜剂的研究与应用

焦其帅，胡亚伟，杨芙丽

（河北化工医药职业技术学院 化学与环境工程系，河北 石家庄 050026）

0 引 言

在湿度大的雨季和气温低的冬季，汽车挡风玻璃内壁起雾结霜是一种常见现象，增加了交通事故发生的风险。对防雾机理的研究已比较成熟，通过在玻璃内表面形成亲水性薄膜，可降低水接触角(WCA<5°)。当汽车驾驶室内相对湿度较大，同时挡风玻璃温度下降到空气露点以下时，空气中的水蒸气就会在玻璃内壁发生相变，凝结成水，如果挡风玻璃内壁未进行防雾处理，则表面的水接触角较大，凝结水以小水滴的形式布满玻璃表面，对光线产生折射，俗称“起雾”，使人看不清外面的景物；而当挡风玻璃内表面经过防雾处理时，由于表面的水接触角小，凝结水以水膜的形式在玻璃内壁铺展开，对人的视线影响较小，从而起到防雾作用，达到短期的防雾效果比较容易，而当凝结水持续在玻璃内壁形成，过多的凝结水会在重力作用下沿着玻璃向下流动，有可能携带玻璃表面预涂的防雾剂一起流失，从而使防雾效果逐渐变差，因此，对不易流失的长效防雾剂研究更具有实际意义。冬季挡风玻璃温度降到0 ℃以下时，驾驶室空气中的水蒸气能直接在玻璃内壁发生相变凝结成霜，尤其是汽车在户外停放时挡风玻璃结霜更严重，虽可通过开启空调热风除霜，但不仅费时费力，而且增加能耗。防霜剂的作用机理主要是通过降低水的凝固点，在0 ℃至凝固点之间的温度范围内，使水蒸气在挡风玻璃表面凝结成水，而不是凝结成霜。挡风玻璃防霜应与防雾相结合，才能最终起到保持视线清晰的作用。本文在目前研究的基础上，通过合理设计防雾防霜剂的配方，制备出长效防雾防霜剂，并进行了应用研究。

1 实验部分

1.1 防雾防霜剂产品的配方设计

为了解决汽车挡风玻璃起雾结霜的问题，本文设计出长效防雾防霜剂配方，其各功能组分的作用如下。

1.1.1 防雾组分

根据防雾的基本原理，防雾组分的作用是在挡风玻璃内表面形成一层亲水性薄膜，降低水接触角。能实现这一作用的组分类别主要是表面活性剂类，关于防雾剂的研究已经比较成熟，本文用市售的阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂相配合。

1.1.2 防霜组分

防霜的原理是在组分中引入低熔点的有机化合物，降低水的凝固点，本文用市售聚乙二醇和丙三醇混合物。在一般情况下，水在0 ℃就会变成固态（结冰或结霜），加入防霜组分后，对应的水的凝固点就会降低至零下，在0 ℃～凝固点之间的温度范围内，凝结水是以液态形式存在的，即防霜组分的有效作用范围为0 ℃～凝固点。当温度下降到凝固点以下，凝结水仍然会结冰结霜，防霜组分将失去作用。凝固点的高低与防霜组分类型及加入量直接相关。

防霜组分与防雾组分相配合，可以使挡风玻璃保持视野清晰的温度范围变宽。单独使用防雾剂，可以在0 ℃以上保持挡风玻璃视野清晰；使用防雾防霜剂，可以在凝固点（零下）以上保持视野清晰，在冬季这对我国北方大部分地区都有很大的实用意义。

1.1.3 成膜剂

防雾组分和防霜组分都是亲水物质，在不经过特殊设计的配方中，防雾组分和防霜组分会溶解到凝结水中，随凝结水在重力作用下沿着挡风玻璃向下流动而不断流失，防雾和防霜效果也不断变差。成膜剂的作用就是在挡风玻璃内壁形成均匀致密的膜，该膜不溶于水，不随凝结水流失，并且与防雾组分和防霜组分具有较高的亲和力，减缓其流失，从而延长防雾防霜效果持续时间。本文选用自制的超低聚合度聚乙烯醇作为成膜剂，除了具备成膜剂的一般功能外，还有一个突出的特点，就是可以溶于温水，在防雾防霜剂功能失效后，方便用温水擦除，重新喷涂，而高聚合度的聚乙烯醇或其他成膜剂则不具备此特性。

1.1.4 乳化剂

为保证配方中的各组分能够相容，加入乳化剂可使体系均一透明，长期储存不变质。本文用十二烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)作为乳化剂。

1.1.5 溶剂

防雾防霜剂在挡风玻璃上喷涂后，形成一层均匀的薄膜。在配方各组分中，其它组分性状多为粘稠的流体，直接喷涂无法保证均匀，也形不成薄膜。本文用水和乙醇作为溶剂稀释其它组分，喷涂后作为离去组分，留下其它组分发挥作用。可以通过调整水和乙醇的比例来调整喷涂后的干燥时间。

长效防雾防霜剂配方见表1。

表1 长效防雾防霜剂配方Table1 Formulation of long-acting anti-fog and anti-frost agent

1.2 成膜剂超低聚合度聚乙烯醇的制备

1.2.1 主要原料及设备

聚乙烯醇（型号：17-99），市售分析纯；恒温水浴锅（型号：HH-1）常州金坛恒丰仪器制造有限公司生产；高速分散均质机（型号：FJ300-SH）上海沪析实业有限公司生产；真空干燥箱（型号：BZF-50）上海博讯实业有限公司生产。

1.2.2 成膜剂制备过程

（1）聚乙烯醇（17-99）溶液的制备。

250 mL 三口烧瓶中加入去离子水190 mL，放入恒温水浴锅中，将恒温水浴锅设定至50 ℃；开启电动搅拌，缓慢加入10 g 聚乙烯醇(17-99)，调整搅拌速度使聚乙烯醇粉末保持悬浮状态；当烧瓶内液体上升至50 ℃后，恒温10 min；恒温水浴设定值上调10 ℃，当烧瓶内液体升温至设定温度后，恒温10 min，依此操作，至恒温水浴锅设定温度为90 ℃，持续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解，得到5%的聚乙烯醇（17-99）溶液。

（2）超低聚合度聚乙烯醇溶液的制备。

将上述5%的聚乙烯醇（17-99）溶液冷却至室温，用高速分散均质机进行剪切，转速调制8 000 r/min，随着剪切时间的增长，聚乙烯醇的聚合度会逐渐下降。

剪切时间通过以下（3）所述方法进行确定，最后得到超低聚合度聚乙烯醇溶液。

（3）剪切时间的确定。

初次实验，每剪切5 min，取样1 次（10 mL），分别记为1#、2#、3#……，将编号的样品分别滴入表面皿，放入60 ℃真空干燥箱中，1 h 后取出，得聚乙烯醇膜；将聚乙烯醇膜撕成小块，分别用类似a）所述的装置，在50 ℃恒温搅拌30 min，记录溶解情况见表2。

表2 聚乙烯醇在50 ℃的溶解情况Table 2 Dissolution of polyvinyl alcohol at 50 ℃

由表2 可得，5#样品几乎可以完全溶于50 ℃的温水中，为保险起见，步骤（2）的剪切时间选定30 min 为宜。在以后的多次重复实验中，仅对剪切30 min 后的样品进行50 ℃溶解验证实验。

1.3 防雾防霜剂产品的制备及性能测试

1.3.1 产品制备过程

准备好表1 所述原料；将1～2 份制备的成膜剂溶解于含量95%的乙醇中，搅拌5 min；依次加入计量的防雾组分、防霜组分、乳化剂，每一种加完后，搅拌5 min，再加入下一种原料，最后加入去离子水，搅拌均匀，即得到防雾防霜剂产品。

1.3.2 产品性能测试

将防雾防霜剂产品喷涂到对应样品载片上，晾干后，形成一层具有防雾防霜功能的高分子膜，然后进行对应的测试。

（1）防雾性能测试。

静态水接触角（WCA）用上海艾飞思精密仪器有限公司生产的接触角测量仪（型号：FCA2000A5）按照国标GB/T24368-2009 进行 测试；防雾性能参考国标GB/T31726-2015 进行测试；实际防雾效果在汽车挡风玻璃上喷涂测试。

（2）防霜性能测试。

防霜性能参考国标GB/T23436-2009 进行测试；实际防霜效果在汽车挡风玻璃上喷涂测试。

（3）防雾防霜效果持续时间测试。

将样品载片放入冰箱冷藏区（约5 ℃），10 min后取出，呈60°角置于45 ℃恒温水浴上方4.6 cm处，开始计时，样品载片上的凝结水会沿着载片滴下来，一定时间后，将载片移开，水平放置，自然晾干后，分别按照步骤（1）和（2）进行防雾性能测试和防霜性能测试。通过对比在恒温水浴上方放置的时间，可以得出不同样品的抗流失性能，对应于实际使用过程中防雾防霜效果的持久性。

2 结果与讨论

2.1 防雾性能及影响因素

2.1.1 防雾组分加入量对防雾效果的影响

考察不同防雾组分及加入量对产品防雾性能的影响。按照国标GB/T24368-2009 的方法测试产品涂膜的水接触角（WCA），WCA<5°记为合格，5°15 °记为不合格，测试结果见表3。

表3 防雾组分及加入量对防雾效果的影响Table 3 Influence of anti-fog components and added amount on anti-fog effect

由表3 可得，只要添加量达到5%，有多种防雾组分都能实现较好的防雾效果；通过多种防雾组分的复合，可以在总加入量较小时达到较好的防雾效果。

2.1.2 防雾效果测试

将防雾防霜剂产品喷涂到玻璃载片上，置于冰箱冷藏（约5 ℃），10 min 后取出，以“望远牌”防雾剂为背景拍照，如图1 所示。

图1 产品防雾效果测试结果Fig.1 Test result of anti-fog effect of the product

由图1 可得，玻璃载片下部喷涂防雾防霜剂的部分，背景清晰可见，玻璃载片上部未喷涂的部分，已经起雾，完全看不清背景文字。

2.2 防霜性能及影响因素

2.2.1 防霜组分加入量对防霜性能的影响

考察不同防霜组分及加入量对产品防霜性能的影响。参考国标GB/T23436-2009 测试产品涂膜的防霜性能，-18 ℃不结霜记为合格，测试结果见表4。

表4 防霜组分及加入量对防霜效果的影响Table 4 Influence of anti-frost components and added amount on anti-frost effect

由表4 可得，只要添加量达到10%，2 种防霜组分都可以实现较好的防霜效果；通过多种防霜组分的复合，可以在总加入量较小时达到较好的防霜效果。

2.2.2 防霜效果测试

将防雾防霜剂喷涂到镜子两侧，置于冰箱冷冻区（-18 ℃），30 min 后打开冰箱，产品防霜效果测试结果如图2 所示。

图2 产品防霜效果测试结果Fig.2 Test results of product anti-frost effect

由图2 可得，喷涂防雾防霜剂的区域，镜子未结霜，并持续保持清晰，而中间未喷涂的区域，空气中的水蒸气在其表面迅速凝结成一层厚霜。

这说明，防雾防霜剂产品能使玻璃在-18 ℃不结霜。

2.3 产品效果持续时间及影响因素

2.3.1 成膜剂加入量对产品效果持续时间的影响

将添加不同含量成膜剂的防雾防霜剂产品（编号1#、2#、3#……），喷涂到玻璃载片上，冰箱冷藏区放置10 min 后，呈60°角置于45 ℃恒温水浴上方4.6 cm 处，放置不同的时间，检测防雾性能（水接触角WCA<5°记为合格，5°15°记为不合格），检测防霜性能（-18 ℃不结霜为合格），测试结果见表5。

表5 防雾防霜效果持续时间测试结果Table 5 Test results of anti-fog and anti-frost effect duration

由表5 可得，不添加成膜剂的配方（1#），防雾防霜效果持续性很差；随着成膜剂加入量的增加，防雾防霜效果持续时间不断增长，从3#可以看出，防霜组分比防雾组分更易流失，这是由于防霜组分中甘油为易溶于水的小分子所致；当成膜剂加入量超过1.5%时（4#和5#），防雾防霜效果持续时间均较长。

2.3.2 红外光谱分析

将喷涂防雾防霜剂产品的玻璃载片进行效果持续时间测试后，晾干，用天津港东科技发展股份有限公司生产的傅里叶变换红外光谱仪（型号：FTIR-650）在500-1300 cm-1波数段进行红外光谱分析，扣除空白片背景，结果如图3 所示。

图3 效果持续时间测试后的玻璃载片红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of the glass slide after the effect duration test

由图3 可得，在波数1 200～1 300 cm-1处出现O-H 键面内弯曲振动峰，在波数950～ 1 200 cm-1处出现醇基、酯基、醚基的C-O 键伸缩振动峰，波数750～950 cm-1处为C-C 键、C-N 键指纹区，在波数500～750 cm-1处出现C-H 键面外弯曲振动峰，并且在波数720 cm-1处还出现了高分子链段-(CH2)n-的C-H 键摇摆振动峰。这说明效果持续时间测试后玻璃载片上的涂膜为含有大量醇、酯、醚、胺等亲水基团的高分子膜。

图3 的结果也进一步证明了，防雾防霜剂组分不易随冷凝水流失。

2.3.3 产品效果持续时间实际应用测试

将防雾防霜剂喷涂到汽车挡风玻璃内壁上，在每一个阴雨天、霜冻天检测并记录防雾防霜效果，喷涂超过60 d 以后的防雾防霜效果，防雾效果测试结果如图4 所示。

图4 防雾效果测试结果图片Fig.4 Test results of anti-fog effect

由图4 可得，挡风玻璃左侧喷涂防雾防霜剂产品，60 d 以后（某阴雨天），仍具有较好的防雾效果，而右侧未喷涂部分起雾严重，已经完全看不见挡风玻璃外面的景物。

防晒效果测试结果图片如图5 所示。

图5 防霜效果测试结果图片Fig.5 Test results of anti-frost effect

由图5 可得，挡风玻璃左侧喷涂防雾防霜剂产品，60 d 以后（冬季夜晚户外停放），仍具有较好的防霜效果，而右侧未喷涂部分结霜严重。

综上所述，防雾防霜效果在实际应用中可以持续60 d 以上。

3 结 语

针对汽车挡风玻璃起雾结霜的问题，设计出长效防雾防霜剂的配方；以复合表面活性剂作为防雾组分，总添加量>4%时，可起到较好的防雾效果；以聚乙二醇和丙三醇为防霜组分，总添加量>8%时，可起到较好的防霜效果；以自制的5%超低聚合度聚乙烯醇为成膜剂，可减缓防雾防霜组分的流失，添加量超过1.5%时，能明显延长防雾防霜效果的持续时间。将防雾防霜剂产品应用到汽车挡风玻璃上，效果持续60 d 以上，这对保证汽车驾驶安全、降低能耗起到了积极的作用。