一、前言
凈水器是一種能夠去除自來(lái)水中雜質(zhì)、過(guò)濾污染物、凈化水質(zhì)的小型家用電器。它被廣泛用于家庭、辦公室等各個(gè)場(chǎng)所。濾芯是凈水器的重要部件，通常濾芯由濾殼、濾蓋、濾材構(gòu)成。不同的濾材，起到不同的過(guò)濾作用。以常見(jiàn)的反滲透凈水機(jī)為例，一般包含有PP棉濾芯、前置活性炭濾芯、反滲透濾芯以及后置活性炭濾芯。其中，PP棉起過(guò)濾水中的泥沙、鐵銹、膠體等有害物質(zhì)的作用；前置活性炭可以吸附水中的異色異味；反滲透濾芯能去除水中細(xì)菌、病毒、重金屬、有機(jī)物、農(nóng)藥殘留等幾乎所有水中雜質(zhì)和有害物質(zhì)；后置活性炭改善水質(zhì)口感，調(diào)節(jié)PH值。
在用戶使用過(guò)程中，濾芯常見(jiàn)的失效為出水量過(guò)小、過(guò)濾效果不良，濾芯開(kāi)裂則是一個(gè)較少發(fā)生的失效。然而，一旦發(fā)生濾芯開(kāi)裂，往往會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾功能喪失，無(wú)法完成過(guò)濾。并且由于凈水機(jī)連接了自來(lái)水管道，濾芯發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，如果用戶不在現(xiàn)場(chǎng)，往往會(huì)漏水不停，導(dǎo)致用戶財(cái)產(chǎn)泡水受損。可以說(shuō)，濾芯不漏水是用戶最基本的需求，有必要做好設(shè)計(jì)保障和預(yù)防。以下主要講述濾芯開(kāi)裂失效的分類以及產(chǎn)生原因及預(yù)防措施。
二、濾芯開(kāi)裂的分類
按照不同的維度歸類，可以把濾芯開(kāi)裂分成不同的類別，這有助于對(duì)濾芯開(kāi)裂的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。
(1)按濾芯開(kāi)裂部位分類。通常濾芯由濾殼、濾蓋、濾材構(gòu)成。濾芯與外部的接口一般設(shè)置在濾蓋上，也有部分濾芯接口設(shè)置在濾殼上。常見(jiàn)開(kāi)裂位置為濾殼的底部圓角處、濾蓋與濾殼連接處、濾芯接口處。
(2)按照濾芯使用時(shí)長(zhǎng)分類。濾芯開(kāi)裂符合可靠性浴盆曲線規(guī)律，可以分為早期故障期、偶然故障期和損耗故障期。早期故障反映的往往是濾芯在設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)的缺陷，偶然故障期則原因比較零散，耗損故障期一般是由于濾芯的材料老化導(dǎo)致的。
濾芯作為凈水機(jī)耗材，大部分是不可拆的。為保證凈水器過(guò)濾效果，需要定期更換濾芯。通常制造商在生產(chǎn)濾芯時(shí)，會(huì)標(biāo)注出濾芯的使用時(shí)間，如PP棉濾芯標(biāo)注為3-6個(gè)月，活性炭濾芯標(biāo)注為6-12個(gè)月，反滲透濾芯標(biāo)注為2-3年。可以看出，濾芯宣稱的使用時(shí)長(zhǎng)不是很長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，用戶按照廠商指引定期更換濾芯，不會(huì)發(fā)生老化失效導(dǎo)致的濾芯開(kāi)裂。
然而，有一些可以更換內(nèi)部濾材的濾芯，由于重復(fù)在使用濾殼和濾蓋，如果超過(guò)機(jī)器宣稱的使用年限，則很可能會(huì)發(fā)生材料老化導(dǎo)致開(kāi)裂。
(3)按照濾芯種類分類。不同凈水機(jī)具有的濾芯不同，根據(jù)濾芯的功能，可以分為PP棉濾芯、活性炭濾芯、反滲透濾芯、超濾濾芯等。盡管濾芯的種類不同，大多時(shí)候，濾芯制造商會(huì)使用相同的濾芯外觀，即濾殼和濾蓋是共用的，僅里面的濾材不同。濾材的差異，導(dǎo)致部分濾芯更容易開(kāi)裂。例如濾材填裝后，內(nèi)部存水量更多的濾芯，更加容易發(fā)生凍裂。
(4)按照濾芯在機(jī)器中的位置分類。以傳統(tǒng)的400G大通量?jī)羲畽C(jī)為例，可以劃分為：進(jìn)水電磁閥前的濾芯、進(jìn)水電磁閥-增壓泵之間的濾芯、增壓泵-單向閥之間的濾芯，單向閥之后的濾芯等。通常來(lái)說(shuō)，在進(jìn)水電磁閥之前的濾芯，更容易開(kāi)裂，在所有濾芯位置的開(kāi)裂中，約占比50%，這是由于進(jìn)水電磁閥之前的濾芯，長(zhǎng)期承受自來(lái)水水壓，受到水錘沖擊。在高層建筑供水中，為了增加水的壓力和流量，需要二次加壓。此種情形下，濾芯承受的水壓更容易偏大。
(5)按照導(dǎo)致濾芯失效的因素分類。從濾芯的全生命周期出發(fā)，濾芯經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸存儲(chǔ)以及用戶使用、更換濾芯環(huán)節(jié)。各階段均可能發(fā)生開(kāi)裂，按照失效的因素，可以分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良、制程控制不良、倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸不良以及使用環(huán)境不良四大類。
三、濾芯開(kāi)裂的原因及預(yù)防措施
上述不同的歸類方法，(1)至(4)是為了方便數(shù)據(jù)分析，總結(jié)濾芯開(kāi)裂的規(guī)律。而開(kāi)裂的原因，均可以歸納到第(5)點(diǎn)。下面從導(dǎo)致濾芯失效的因素出發(fā)，分析濾芯開(kāi)裂的常見(jiàn)原因及預(yù)防措施。
（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起失效
a.選材不當(dāng)
濾芯由于使用時(shí)間短，通常在選擇殼體材料時(shí)沒(méi)有考慮足夠的耐老化能力。在對(duì)市場(chǎng)失效的分析研究中，發(fā)現(xiàn)用戶很可能會(huì)超時(shí)間使用濾芯，尤其是反滲透濾芯的價(jià)格較高，用戶通常不會(huì)按照說(shuō)明書的使用時(shí)間指引更換。當(dāng)超出時(shí)間使用時(shí)，濾芯可能會(huì)發(fā)生老化開(kāi)裂。
濾殼、濾蓋的基材一般為聚丙烯。聚丙烯主鏈上含有叔碳原子，使得未添加抗氧劑或添加抗氧劑含量及種類不當(dāng)?shù)木郾┎牧显诩庸ず褪褂眠^(guò)程中，極易受到光、熱和氧等作用，發(fā)生熱氧老化[1]。
在濾芯的使用中，熱氧老化中的氧元素主要來(lái)自兩處，一是空氣，另一部分是溶解在水中的氧氣。聚丙烯的熱氧老化的致老化因素為熱的影響。
預(yù)防措施：在濾芯的材料配方上添加合適的抗氧劑，可以找材料廠家針對(duì)選材進(jìn)行具體的配方定制。尤其是濾材可以更換的濾芯，濾殼和濾蓋選材應(yīng)注意耐老化。
b.壁厚不適當(dāng)
為了實(shí)現(xiàn)過(guò)濾功能，濾芯在設(shè)計(jì)上存在一些結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的壁厚存在差異。當(dāng)壁厚不足時(shí)，可能會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度不足導(dǎo)致開(kāi)裂。當(dāng)壁厚過(guò)厚時(shí)，容易導(dǎo)致濾芯內(nèi)部縮孔缺陷，從而強(qiáng)度不足開(kāi)裂。
預(yù)防措施：選擇合適的壁厚，濾芯主體的壁厚應(yīng)均勻。根據(jù)濾芯直徑的大小以及所選濾芯材料的特性，壁厚可以選擇3-4mm(小濾芯，通常外徑小于80mm)或者5-6mm(大濾芯，通常外徑在80mm以上)。
c.應(yīng)力集中
應(yīng)力集中是塑膠件失效的主要原因之一，應(yīng)力集中降低了零件的強(qiáng)度，使得零件很容易在沖擊載荷和和疲勞載荷下失效。由于濾芯長(zhǎng)期承受自來(lái)水水壓以及水錘沖擊，容易在應(yīng)力集中處先開(kāi)裂。
預(yù)防措施：尖銳轉(zhuǎn)角和較大的截面變化會(huì)造成應(yīng)力集中。濾芯在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡應(yīng)平緩圓滑，一般可以通過(guò)添加圓角來(lái)實(shí)現(xiàn)。零部件圓角與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系如圖1所示[2]。其中T為零部件壁厚，R為零件內(nèi)圓角，p為零件承受的載荷。
圖1 零部件圓角與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系
（二）制程控制不良引起的失效
制程不良導(dǎo)致的濾芯開(kāi)裂通常是由于注塑不良、焊接不良導(dǎo)致。
a.注塑不良導(dǎo)致的開(kāi)裂
注塑不良導(dǎo)致的開(kāi)裂，通常是由于模具調(diào)機(jī)時(shí)，前期的注塑不良制品流出導(dǎo)致。
預(yù)防措施：①一般情況下，對(duì)注塑前10腔的樣品進(jìn)行報(bào)廢，避免流出。②編制注塑工藝管控卡，做好注塑工藝管控。③首檢時(shí)可剖開(kāi)樣品檢查截面，確認(rèn)注塑良好。
b.焊接不良導(dǎo)致的開(kāi)裂
將塑料焊接在一起有很多種方法，如熱板焊接，超聲波焊接等。旋轉(zhuǎn)焊通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在外加壓力下將兩工件焊接在一起。旋轉(zhuǎn)焊是需要高強(qiáng)度、密封圓形接頭塑料件的首選焊接方法。它非常適合于連接大大小小的塑料件及各式各樣的熱塑性樹(shù)脂[3]。
濾芯一般是圓柱形，把濾芯和濾蓋結(jié)合在一起，通常采用的是旋轉(zhuǎn)焊。當(dāng)發(fā)生欠焊或者焊接不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊接處強(qiáng)度低，承受不住水壓開(kāi)裂。
預(yù)防措施：①針對(duì)欠焊不良：需要考慮增加痕接時(shí)間或焊接長(zhǎng)度，以及去除脫模劑，清除結(jié)合面油污。同時(shí)建議使用光學(xué)檢測(cè)方式，對(duì)焊接效果進(jìn)行管控。②針對(duì)焊接不均勻：需要檢查零件尺寸，管控不同模腔的尺寸公差，檢查焊件接觸面的平整性等。
（三）倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸不良導(dǎo)致的失效
倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸環(huán)節(jié)導(dǎo)致的濾芯開(kāi)裂，一般是由于跌落導(dǎo)致濾芯接口處受力開(kāi)裂。例如倉(cāng)儲(chǔ)堆碼不良，導(dǎo)致濾芯從高處掉落，從而薄弱處受力開(kāi)裂。又如運(yùn)輸環(huán)節(jié)，快遞運(yùn)輸?shù)膾佂丁⒉忍ぁ⒌袈洌瑢?dǎo)致濾芯接口受力斷裂。
預(yù)防措施：可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，除了加強(qiáng)倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的規(guī)范操作外，更應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)做好防護(hù)。通常有三個(gè)措施：
a.濾芯接口根部是較為脆弱的地方，可以在接口根部增加圓角以及加強(qiáng)筋，從而增強(qiáng)濾芯接口的強(qiáng)度。
b.濾芯接口周邊設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)。如設(shè)置凸臺(tái)、周邊筋骨，當(dāng)發(fā)生撞擊時(shí)，凸臺(tái)、筋骨可起到護(hù)欄作用，從而避免濾芯接口受力。
c.設(shè)計(jì)額外的包裝防護(hù)。例如，采用珍珠棉、氣泡袋、軟膠護(hù)套等對(duì)濾芯進(jìn)行包裝，當(dāng)濾芯受到撞擊時(shí)，包裝材料進(jìn)行吸能，避免對(duì)濾芯接口造成傷害。
（四）使用環(huán)境不良導(dǎo)致的失效
在凈水器的使用中，導(dǎo)致濾芯開(kāi)裂的主要應(yīng)力有水錘、低溫以及化學(xué)物質(zhì)。
a.水錘導(dǎo)致的開(kāi)裂
水錘效應(yīng)是指在水管內(nèi)部，管內(nèi)壁光滑，水流動(dòng)自如，當(dāng)打開(kāi)的閥門突然關(guān)閉，水流對(duì)閥門及管壁(主要是閥門)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力。由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用。
水錘效應(yīng)是導(dǎo)致濾芯開(kāi)裂的重要原因。水錘的來(lái)源分為外部和內(nèi)部，外部是自來(lái)水管網(wǎng)產(chǎn)生的水錘，內(nèi)部則是凈水器機(jī)器由于閥的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生。由于二次加壓的存在，水錘造成的壓力更大。
爆破壓力是表征濾芯承受水壓強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，受到水錘作用后，濾芯會(huì)發(fā)生疲勞老化。部分使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的濾芯，還受到前述的熱氧老化影響，從而濾芯的爆破壓力會(huì)下降。例如某款濾芯，在未添加氧化劑之前，抽樣測(cè)試平均爆破壓力為3.36MPa，經(jīng)過(guò)熱氧老化以及水錘沖擊測(cè)試后，濾芯的平均爆破壓力下降到了1.66MPa，耐壓能力下降了接近50%。
預(yù)防措施：通常水錘難以消除，可以在整機(jī)上安裝水錘消除器進(jìn)行緩解。就濾芯而言，應(yīng)提高自身的強(qiáng)度。大部分凈水器整機(jī)標(biāo)注的使用壓力為0.1-0.4MPa，反滲透濾芯的工作壓力為0.4-0.8MPa。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)上，濾芯的爆破壓力設(shè)計(jì)為3.2MPa以上，可以滿足壽命內(nèi)的強(qiáng)度要求。對(duì)于可以濾材的濾芯，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮老化導(dǎo)致的強(qiáng)度下降影響，應(yīng)添加抗氧化劑。
b.低溫導(dǎo)致的凍裂
凍裂是濾芯開(kāi)裂的一種常見(jiàn)形式。濾芯的基材通常為聚丙烯。聚丙烯的玻璃化溫度在0℃左右，南方城市到了冬天環(huán)境溫度會(huì)接近聚丙烯的玻璃化溫度，聚丙烯制品的分子鏈的活動(dòng)能力下降，韌性降低。而北方的溫度普遍會(huì)低于聚丙烯的玻璃化溫度，因此冬天在北方，聚丙烯制品表現(xiàn)的非常脆。
當(dāng)濾芯內(nèi)部存水過(guò)多時(shí)，如果濾芯的強(qiáng)度不足，水結(jié)冰容易導(dǎo)致濾芯開(kāi)裂。通常強(qiáng)度不足的位置在濾芯轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中處以及濾芯注塑熔接痕位置。相關(guān)研究表明，熔接痕處強(qiáng)度較為薄弱，在不同的工藝條件下，熔接痕區(qū)的強(qiáng)度可以是原始材料的10-90%[4]。
預(yù)防措施：解決濾芯的凍裂有許多方法，例如可以通過(guò)凈水器整機(jī)防凍程序、保溫加熱等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文只從濾芯本身出發(fā)考慮，可采取的措施有：①減少濾芯內(nèi)部的存水。合理設(shè)計(jì)濾材與殼體之間的間隙，盡可能減少濾芯內(nèi)部的存水。滿足過(guò)濾性能要求下，間隙應(yīng)盡可能小。②使用改性材料。對(duì)材料進(jìn)行改性，可以提高材料的韌性，使得濾芯在發(fā)生結(jié)冰時(shí)發(fā)生形變，不會(huì)破損。由于是涉水器件的緣故，在添加劑方面，除了韌性方面的考慮，還需要考慮衛(wèi)生安全以及產(chǎn)品的承壓。滑石粉是塑料填充改性重要的無(wú)機(jī)材料，目前在國(guó)內(nèi)外廣泛用于聚丙烯的改性。③合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用圓角過(guò)渡，減少應(yīng)力集中。④設(shè)置可壓縮變形的彈性元件，水結(jié)冰時(shí)，元件受壓變形，從而減少對(duì)濾芯外殼的擠壓。但這種方式成本會(huì)比較高。
c.化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致的開(kāi)裂
凈水器一般安裝在廚房的櫥柜里面。根據(jù)售后安裝維修系統(tǒng)上傳的安裝圖片分析，樣本數(shù)量為1000個(gè)，用戶安裝凈水機(jī)的周邊放置的物品主要是閑置的餐具、鐵鍋、食用油瓶子、垃圾處理器等，其它物品占比4%(如清潔劑等)，可見(jiàn)環(huán)境復(fù)雜。
圖2 凈水機(jī)周邊放置物品統(tǒng)計(jì)
雖然櫥柜環(huán)境較為復(fù)雜，但通常濾芯安裝在凈水器內(nèi)部，一般不會(huì)直接被化學(xué)物質(zhì)腐蝕。需要注意的特別情況是，部分用戶在房屋裝修時(shí)，先安裝了凈水器。當(dāng)濾芯殼體材質(zhì)選材不當(dāng)時(shí)，裝修材料中的化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致濾芯殼體開(kāi)裂。尤其是部分濾芯，設(shè)計(jì)在凈水器機(jī)器外部，可接觸到化學(xué)物質(zhì)會(huì)更容易。
表1是對(duì)廣東佛山某在建樓盤使用的裝修材料進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，主要對(duì)油漆、填縫劑、油漆稀釋劑、瓷磚膠四類裝修材料進(jìn)行了成分統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)裝修環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)成分十分復(fù)雜。
表1 某樓盤裝修材料的主要化學(xué)成分
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裝修材料
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主要成分
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油漆
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甲醛、甲苯、二甲苯、乙二醇醚類溶劑、丙烯酸、聚氨酯、丙烯酸聚氨酯、醇酸聚氨酯、聚酯聚氨酯、聚醚聚氨酯、環(huán)氧聚氨酯
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填縫劑
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白水泥：硅酸鹽、石膏
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油漆稀釋劑
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1、烴類溶劑：具體又分為脂肪烴（如200號(hào)溶劑汽油、煤油）和芳香烴（如苯、甲苯、二甲苯、200號(hào)煤焦溶劑等）；
2、酯類溶劑：如醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯等；
3、酮類溶劑：丙酮、丁酮、環(huán)戊酮、甲基異丁酮等；
4、醇類溶劑：甲醇、乙醇、丁醇等；
5、醇醚類溶劑：乙二醇—乙醚、乙二醇—丁醚、二乙二醇—乙醚等
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瓷磚膠
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醋酸乙烯、乙烯酯共聚物、月桂酸乙烯、氯乙烯共聚物、丙烯酸
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預(yù)防措施：①選擇合適的濾芯殼體材料。某些客戶需求，濾芯設(shè)計(jì)為透明濾殼，此時(shí)應(yīng)避免使用PC材料。由于PC的分子鏈中含有酮基和酯基,容易被有機(jī)溶劑和強(qiáng)酸堿腐蝕,形成裂紋導(dǎo)致強(qiáng)度下降。而裝修環(huán)境中可能含有這些化學(xué)物質(zhì)。應(yīng)避免使用單純的PC料，必要時(shí)可以進(jìn)行材料改性。②盡量將濾芯設(shè)計(jì)在凈水器內(nèi)部，避免裸露在機(jī)身外部。③對(duì)于裸露在凈水器外部的濾芯，可以在設(shè)計(jì)上增加防護(hù)罩，例如設(shè)計(jì)為裝飾罩，避免濾芯與外部化學(xué)物質(zhì)的直接接觸。
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