用于汽車前照燈防霧的可循環式干燥劑試驗研究

程 雷，朱學良，張 凱

（1．上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2，上海交通大學，上海 201805）

車燈霧氣是一種常見自然凝霧現象，當外配光鏡的溫度低于附近空氣的露點溫度時，空氣中的水蒸氣將會因為飽和而析出液態水凝結在外配光鏡表面。所以外配光鏡溫度大幅降低和燈內空氣中水蒸氣過高會引起車燈起霧問題。一般來說，燈具內部空氣水蒸氣含量受多因素影響，一方面燈具本身設計有通氣系統，燈內外部環境會發生復雜的水蒸氣交換；另一方面燈具使用的工程塑料本身會有一定吸水率，在發動機艙和燈具內部光源的高溫作用下蒸發出大量的水蒸氣。因此車燈霧氣問題一直是困擾各燈具廠商和整車廠的難點問題。干燥劑則是一種較好的防霧方案，因為它能夠直接吸收燈內水蒸氣使其含量控制在較低的水平，從源頭上解決霧氣問題。但傳統干燥劑不能重復使用，且更換費用較高，使用受到一定限制。可循環式干燥劑能夠避免此類問題，但其各種環境下吸濕量和重復使用性需要重點分析。本文主要進行了某鹽類干燥劑的吸放濕特性和實車使用效果試驗研究。

1 干燥劑吸濕原理

本文研究的干燥劑為常州泛亞微透科技股份有限公司提供的可循環式復合干燥劑，主要成分為Si系氣凝膠和MgCl2等，其中Si系氣凝膠主要提供多孔結構，增加比面積。MgCl2是一種吸水性很強的鹵化物吸濕性鹽類，主要作用參與可逆的化學反應，吸水和脫水生成對應結晶水合物。反應過程的主要反應式為［1］：

車燈內部溫濕度變化范圍較大，可循環式干燥劑在不同環境條件下的吸濕量和循環吸濕壽命是其在車燈上使用的重要研究對象。下面結合車燈內實際使用工況進行了干燥劑原材料及其實際產品在燈內作用影響的試驗研究。

2 干燥劑原材料吸濕特性試驗研究

根據大量整車燈具內外環境數據的采集分析，確定了可覆蓋大部分工況的溫濕度區間，選擇了典型的環境參數見表1。

表1 吸放濕試驗的溫濕度參數選擇

平衡吸附量的測量選用較易操作的稱重法，吸附量q按照下面算式進行計算：

式中：m1——干燥劑吸附平衡后的質量，g；m0——干燥劑的初始質量，g。

溫濕度環境由重慶銀河儀器品牌恒溫恒濕箱控制，它可以控制的空氣溫度范圍：-40～150℃；相對濕度范圍：10%～99%RH。溫度波動度±0.3℃，溫度偏差為：±0.5℃；濕度波動度：±1.91.9RH，濕度偏差±0.5%RH。該設備能夠方便靈活地控制試驗環境下的空氣溫濕度，而且精度高。

2.1 干燥劑原材料的吸濕性能試驗

通過干燥劑的吸濕試驗可以了解到特定溫濕度下材料的吸濕量，能夠幫助把握干燥劑的產品特性和用量用法。干燥劑材料的吸濕性能試驗采取了全面試驗的方法，共進行3x5次平衡吸濕試驗。根據材料的吸濕速率，優化了試驗步驟如下。

1）使用全新的材料，保證MgCl2試驗前無吸濕。

2）將3等份樣品分別放入3個表面皿均勻攤開，分別各自測量平均初始重量m0。

3）恒溫恒濕箱溫濕度設定為測試要求，保持0.5h后開始試驗。

4）將樣品放入恒溫恒濕箱，開始吸濕工況存放，每隔0.5h取出稱重，保證取出稱重時間在30s以內，試驗持續10h。

5）根據式 （1）計算各種溫濕度環境下的吸附量均值。

2.2 平衡動態吸附曲線

根據2.1節的試驗方法，完成表1的溫濕度環境下的吸附試驗，試驗結果如圖1所示。可以看出，該干燥劑材料的平衡吸濕量受相對濕度影響非常大，同一溫度下，相對濕度越大，平衡吸濕量越大，當環境相對濕度到90%時，吸濕量能夠達到180%，并且干燥劑材料吸濕初期的吸濕速度非常快，有較強的爆發力。

將各個環境參數的平衡吸濕量匯總得到圖2的水蒸氣的吸濕等溫線，從結果可以看出：3種溫度下干燥劑的平衡吸濕量隨相對濕度的變化趨勢較為一致。根據國際理論與應用化學聯合會制定的六類吸附等溫線判別該類干燥劑應為Ⅱ型曲線［2］。可以看出，相對濕度的變化對平衡吸附量的影響要遠遠大于溫度變化所帶來的影響。相同相對濕度下，溫度從40℃升高到70℃，平衡吸附量有輕微降低，但均不超過10%，造成這種現象的主要原因是溫度升高，脫水反應也會顯著［3］。

2.3 干燥劑循環試驗

為了驗證干燥劑實際使用的時效性，其吸濕性能隨使用次數和時間的變化需要額外關注，為此設計了循環吸濕試驗來了解材料是否存在吸濕特性衰退現象，定義的試驗流程如下 （其中設定40℃／90%RH作為吸濕工況，70℃／15%RH作為放濕工況）。

1）選擇全新的樣品作為實驗對象，保證樣品試驗前無吸濕。

2）將3等份樣品分別放入3個表面皿均勻攤開，分別各自測量干燥劑材料的平均初始質量m0。

3）恒溫恒濕箱A溫濕度設定為吸濕工況條件，試驗箱環境穩定0.5h后開始試驗。

4）將樣品放入恒溫恒濕箱A，開始存放吸濕，每隔1h取出稱重，保證取出稱重時間在30s以內，試驗持續12h，12h后的3個試驗對象的質量均值為m1，根據式 （1）計算吸濕工況的吸濕量q1。

圖1 各種溫度下不同相對濕度的吸濕曲線

5）提前將恒溫恒濕箱B溫濕度設定為放濕工況，試驗箱穩定0.5h，將前一步驟中吸濕后的樣品及時放置在恒溫恒濕箱B中，進行放濕存放12h，12h后干燥劑的質量為m2，根據式 （1）計算吸濕工況的吸濕量q2。記錄兩種情況下吸濕量的差值Δq。

6）將樣品放入恒溫恒濕箱A中進行吸附存放，重復上述4）和5）的操作，記錄每次試驗的Δq值。

2.4 干燥劑材料循環吸濕量差值圖

圖2 干燥劑材料的吸濕等溫線

經過65次循環后，得到的吸放濕環境下平衡吸濕量的差值Δq匯總如圖3所示。可以看出，隨著吸放濕次數的增加，干燥劑材料本身表現出來的吸濕能力并未出現下降，說明該干燥劑材料的循環吸濕性能較好。

圖3 干燥劑材料吸放濕環境下吸濕量差值圖

3 干燥劑產品實車試驗研究

為了了解干燥劑產品的實際表現，選用上汽大眾某款車型，對比了未用干燥劑和使用可循環式干燥劑后燈內環境變化情況。如圖4所示。

1）試驗對象：大眾途昂頂配全LED前照燈，如圖4a所示。

2）溫濕度傳感器：iButton DS1923型溫度／濕度記錄器（每2min采集一次前照燈內部溫濕度數據和外部環境溫濕度數據）。

3）干燥劑產品：江蘇泛亞微透科技股份有限公司盒裝干燥劑，如圖4b所示。

4）試驗方法：車燈功能全部開啟 （近光常亮，遠光常亮，轉向燈閃爍，位置燈常亮）怠速30min。

5）試驗：未添加干燥劑和添加18g盒裝干燥劑燈內環境參數的對比。

圖4 途昂車燈和干燥劑產品

通過實車整燈層面的試驗，對比安裝和不安裝干燥劑情況下燈內和外界環境的溫度／濕度／露點／蒸汽壓變化結果如圖5所示。其中溫度和濕度是通過溫濕度傳感器直接獲得，空氣的露點和蒸汽壓是根據文獻［4］中式（8）和（9）計算獲得。

可以看出，怠速30min后，燈內的溫度受發動機艙的影響能夠達到50℃左右。未加干燥劑的情況下，燈內塑料本身就相當于一種干燥劑吸收水分，使燈內空氣的相對濕度低于外界環境相對濕度。隨著車輛怠速，燈內塑料中的水在高溫作用下被蒸出來，燈內空氣的露點隨著怠速時間的延長而持續升高，怠速30min后露點溫度已經超過環境的露點溫度，并且燈內空氣蒸汽壓已經遠遠超過環境的水蒸氣壓，說明此時燈內的空氣更“濕”，此時如在進行洗車操作 （上海地區自來水溫度15℃左右），前照燈外配上必然會出現霧氣。

加入18g干燥劑后，在干燥劑吸濕的作用下，燈內的相對濕度被控制在非常低的水平，隨著車輛怠速，燈內的露點并未出現上升現象，燈內空氣水蒸氣壓也并未出現明顯的上升。該現象出現的原因是由于干燥劑產品處于吸濕狀態時，能夠將燈內塑料受溫度升高影響時蒸發出的水氣吸收掉，使塑料的吸濕量變低。怠速30min后，燈內的露點控制在0℃左右，此時各種環境下的洗車均能保證車燈不會出現起霧現象。

需要指出的是，結合前面完成的干燥劑材料的吸濕特性可以設想，當干燥劑處于吸濕量較大的狀態時，車輛怠速使燈內的相對濕度發生降低，此時干燥劑材料本身會處于放濕的狀態，使燈內的水蒸氣變多，容易誘發起霧。為了避免這種不良影響，需要從干燥劑產品的透氣膜的透氣量以及干燥劑產品本身的吸放濕結構上做進一步研究優化。

4 結語

圖5 試驗過程中燈內和環境溫度／露點／相對濕度／蒸汽壓對比

本文從試驗的角度研究了某型循環式干燥劑的吸附性能，從結果上看該型干燥劑的材料吸濕率爆發力較強，前期吸濕速率較高，平衡吸濕量可達180%。從長期的循環吸附解析試驗結果來看，該型材料有較好的重復使用性能。通過整車試驗發現放置干燥劑后能夠顯著降低整燈內的空氣露點。

綜合來看該型干燥劑有一定的使用潛力，但其使用位置的溫度，使用量的多少，整燈和外界氣體交互方案和燈內放濕情況負面影響的消除仍需進一步研究。