直飲水機濾芯底蓋爆裂原因分析

摘 要：直飲水機的濾芯在關(guān)閉和開啟房屋進水閥的過程中濾芯底蓋發(fā)生爆裂。本文根據(jù)直飲水機濾芯底蓋的材質(zhì)和成分等特點，運用多種儀器設(shè)備對直飲水機濾芯進行綜合分析，最終闡明了直飲水機濾芯底蓋爆裂與底蓋改性ABS的無機填料具有因果關(guān)系。本文所用的分析方法有助于科技人員根據(jù)失效模式的表象分析出具體的失效原因。

關(guān)鍵詞：直飲水機；濾芯底蓋；改性ABS；成分分析；失效原因

Abstract：The filter of the water dispenser burst in the process of closing and opening the water inlet valve of the house. This paper， based on the materials and components of direct water dispenser filters bottom cover and etc， by using a variety of instruments and equipment for integrated analysis of the direct water dispenser filters bottom cover， finally illustrates a causal relationship between the burst of water dispenser filters bottom cover and modified ABS inorganic filler of the bottom cover.Theanalysis method used in this paper is helpful for the scientific and technical personnel to analyze the specific failure reason according to the failure mode.

Key words：Water dispenser；Filter bottom cover；Modified ABS；Component analysis；Failure reason

1 引言

直飲水機，顧名思義，就是對水進行過濾凈化，使凈化后的水可以達到直接飲用水標(biāo)準(zhǔn)的機器設(shè)備。它是屬于家用電器中的一種，通過多級層層凈化，使家庭生活中的自來水能夠達到直飲飲用的效果。直飲水機的使用，給人們帶來極大的生活便利。直飲水機的核心部件主要由凈水器濾芯組成，而濾芯的盛水及耐水壓沖擊能力主要看濾芯殼體的材質(zhì)，濾芯殼體一般主要由苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物（即ABS，以下簡稱ABS）制成。ABS為淺黃色顆粒狀或珠球狀不透明樹脂，是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三種單體的三元共聚物，三種單體相對含量可任意變化，制成各種樹脂，它將聚丁烯，聚丙烯腈，聚苯乙烯的各種性能有機地統(tǒng)一起來。ABS無毒、無味、吸水率低，具有良好的綜合物理機械性能，如優(yōu)良的電性能、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、耐化學(xué)性等，且易于加工成型。因此ABS塑料是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的聚合物之一，在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)及化工中獲得了廣泛的應(yīng)用。伴隨而來的是ABS在使用過程中發(fā)生的失效事故也在日益增多，造成了人身、財產(chǎn)、環(huán)境、經(jīng)濟等損失。研究ABS失效原因?qū)⒂兄谔岣呱a(chǎn)企業(yè)及使用單位的安全使用意識，防患于未然。

2 實驗部分

2.1 樣品照片

本文直飲水機濾芯主要作為過濾自來水使用，具體樣品照片詳見圖1（a），濾芯殼體主要材質(zhì)為ABS，濾芯底蓋有兩條明顯裂紋，具體照片詳見圖1（b）。

2.2 檢測過程

2.2.1 外觀檢查

根據(jù)樣品背景信息，首先依據(jù)GB/T 19863-2005《體視顯微鏡試驗方法》對樣品進行外觀檢查，在體式顯微鏡下發(fā)現(xiàn)樣品底蓋存在2條裂紋，分別標(biāo)注為裂紋A、裂紋B參見附圖1（a），且裂紋均已裂穿，裂紋附近底蓋表面未發(fā)現(xiàn)有明顯損傷，故初步排除濾芯是受到外力損傷導(dǎo)致裂穿。

見附圖2：

2.2.2 硬度檢測

硬度是各種工具和機械零件須具備的力學(xué)性能指標(biāo)之一，用于表征材料的軟硬程度，是指材料抵抗局部變形，特別是抵抗塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度測試是檢測材料性能的重要指標(biāo)之一。

本實驗對樣品底蓋進行邵氏硬度檢測，經(jīng)測樣品底蓋硬度為77HD，由于未提供凈水器使用材料技術(shù)要求，不作判斷。檢測結(jié)果見表1。

2.2.3 紅外光譜分析

紅外光譜是一種分子吸收光譜，當(dāng)分子收到紅外光輻射，產(chǎn)生振動能級（同時伴隨轉(zhuǎn)動能級）的躍遷，在振動（轉(zhuǎn)動）時伴有偶極矩改變者就吸收紅外光，形成紅外光譜。由于不同物質(zhì)的組成不同，對紅外光吸收也不同，即不同物質(zhì)有不同的紅外光譜，這是物質(zhì)的定性依據(jù)。

本實驗通過對樣品底蓋取樣，進行紅外光譜檢測，經(jīng)檢測分析發(fā)現(xiàn)底蓋主要成分與苯乙烯- 丙烯腈-丁二烯共聚物（ABS）的紅外吸收峰的波數(shù)相似、峰形相似，與純ABS紅外光譜圖進行比對，確定了底蓋主要成分為苯乙烯- 丙烯腈-丁二烯共聚物（ABS）（見附圖3）。

2.2.4 熱失重分析

熱失重分析是指在程序控制溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。本實驗通過對樣品底蓋和純ABS材料進行熱失重對比試驗（見附圖4），發(fā)現(xiàn)樣品底蓋在632.89℃高溫下仍有0.66%未分解，由于純高分子聚合物一般在500℃左右基本全部分解，因此在600℃以上仍未分解的物質(zhì)一般為聚合物材料中的填充料。由此可知，樣品底蓋使用的ABS材料為含有填充物的改性ABS材料。

2.2.5 斷口分析

斷口及斷口分析是指構(gòu)件斷裂時的自然面為斷口。斷口上記載著斷裂的全過程，是失效分析中最寶貴的原始見證，斷口保護十分重要。以失效原因的分析為目的而對斷口上的各種特征進行分析即為斷口分析，是失效分析的重要內(nèi)容。本實驗將樣品底蓋A、B兩處的裂紋打開，依據(jù)GB/T17359-2012《微束分析能譜法定量分析》對斷口進行分析，斷口較為齊平，裂紋A、B均起源于底蓋外壁邊緣類似位置，沿裂紋擴展方向存在疲勞輝紋，且兩條裂紋沿外壁擴展的長度比內(nèi)壁擴展的長。由此可知條裂紋斷口由外壁疲勞裂紋擴展而來（見附圖5.1～5.6）。

各種元素具有自己的X射線特征波長，特征波長的大小則取決于能級躍遷過程中釋放出的特征能量△E。能譜儀就是利用不同元素X射線光子特征能量不同這一特點來進行成分分析的。本實驗依據(jù)GB/T17359-2012《微束分析 能譜法定量分析》對斷口表面進行成分分析，發(fā)現(xiàn)疲勞源區(qū)域Ca、O元素含量分別為2.05%、25.98%，基材Ca、O元素含量分別為0.40%、15.63%（見附圖6.1～6.2）。為了進一步探討Ca、O元素含量的分布情況，我們對疲勞源區(qū)域進行能譜線掃描。所謂線掃描即將能譜儀固定在所要測量的某一元素特征X射線能量信號的位置上，使電子束沿著指定路徑做直線軌跡掃描，便可得到這一元素沿該直線的濃度分布曲線。改變能譜儀的位置，便可得到另一元素的濃度分布曲線。經(jīng)能譜線掃描檢測發(fā)現(xiàn)Ca、O元素在掃描區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)明顯的分布不均勻現(xiàn)象（見附圖6.3）。由以上能譜檢測分析可知在疲勞源區(qū)域中Ca、O元素的含量明顯高于基材中Ca、O元素的含量，且疲勞源區(qū)域存在鈣（Ca）元素含量分布不均勻的現(xiàn)象。ABS的應(yīng)用十分廣泛，而通常許多生產(chǎn)廠家為了達到某些特殊的性能以符合實際使用的要求，會在ABS材料中添加一些無機填料，而鈣（Ca）元素就是改性ABS材料的無機填料中一種常見的特征元素。因此也驗證了我們前面熱失重分析所得到的相關(guān)結(jié)果，即濾芯殼體底蓋材料是一種含有無機填充料的改性ABS材料。

3 結(jié)果分析

由前述中外觀檢查可知裂紋附近底蓋表面未發(fā)現(xiàn)有明顯損傷，排除濾芯底蓋是受外部壓力導(dǎo)致的損傷。由紅外光譜分析可知直飲水機凈水器濾芯底蓋使用的材料主要為ABS ，同時與純ABS進行熱失重分析比對實驗，可知底蓋使用材料為含有填充物的改性ABS材料，由斷口能譜分析結(jié)果中驗證了底蓋材料為含有無機填充物的改性ABS材料，由能譜線掃描成分分析可知，濾芯底蓋斷口疲勞源區(qū)域存在無機填料鈣（Ca）元素含量分布不均的現(xiàn)象。

由以上檢測分析可以判斷直飲水機凈水器濾芯底蓋使用材料為含有無機填料的改性ABS，且底蓋疲勞起源位置無機填料存在混料不均勻現(xiàn)象，造成該處抗疲勞性能降低。導(dǎo)致直飲水機在長期使用過程中，凈水器濾芯底蓋處產(chǎn)生疲勞裂紋，當(dāng)發(fā)生關(guān)閉、開啟入戶水閥等動作時，會造成水閥至直飲水機濾芯一段管路形成水錘沖擊，導(dǎo)致直飲水機凈水器的濾芯底蓋發(fā)生爆裂。綜上所述，直飲水機凈水器濾芯底蓋發(fā)生爆裂與底蓋的材質(zhì)改性ABS混料不均有因果關(guān)系。

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作者簡介：

王孝波（1989- ），男，學(xué)士，初級工程師，從事工作為化工產(chǎn)品質(zhì)量檢測。