直饮水机滤芯底盖爆裂原因分析

摘 要：直饮水机的滤芯在关闭和开启房屋进水阀的过程中滤芯底盖发生爆裂。本文根据直饮水机滤芯底盖的材质和成分等特点，运用多种仪器设备对直饮水机滤芯进行综合分析，最终阐明了直饮水机滤芯底盖爆裂与底盖改性ABS的无机填料具有因果关系。本文所用的分析方法有助于科技人员根据失效模式的表象分析出具体的失效原因。

关键词：直饮水机；滤芯底盖；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

直饮水机，顾名思义，就是对水进行过滤净化，使净化后的水可以达到直接饮用水标准的机器设备。它是属于家用电器中的一种，通过多级层层净化，使家庭生活中的自来水能够达到直饮饮用的效果。直饮水机的使用，给人们带来极大的生活便利。直饮水机的核心部件主要由净水器滤芯组成，而滤芯的盛水及耐水压冲击能力主要看滤芯壳体的材质，滤芯壳体一般主要由苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物（即ABS，以下简称ABS）制成。ABS为浅黄色颗粒状或珠球状不透明树脂，是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种单体的三元共聚物，三种单体相对含量可任意变化，制成各种树脂，它将聚丁烯，聚丙烯腈，聚苯乙烯的各种性能有机地统一起来。ABS无毒、无味、吸水率低，具有良好的综合物理机械性能，如优良的电性能、耐磨性、尺寸稳定性、耐化学性等，且易于加工成型。因此ABS塑料是目前产量最大，应用最广泛的聚合物之一，在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化工中获得了广泛的应用。伴随而来的是ABS在使用过程中发生的失效事故也在日益增多，造成了人身、財产、环境、经济等损失。研究ABS失效原因将有助于提高生产企业及使用单位的安全使用意识，防患于未然。

2 实验部分

2.1 样品照片

本文直饮水机滤芯主要作为过滤自来水使用，具体样品照片详见图1（a），滤芯壳体主要材质为ABS，滤芯底盖有两条明显裂纹，具体照片详见图1（b）。

2.2 检测过程

2.2.1 外观检查

根据样品背景信息，首先依据GB/T 19863-2005《体视显微镜试验方法》对样品进行外观检查，在体式显微镜下发现样品底盖存在2条裂纹，分别标注为裂纹A、裂纹B参见附图1（a），且裂纹均已裂穿，裂纹附近底盖表面未发现有明显损伤，故初步排除滤芯是受到外力损伤导致裂穿。

见附图2：

2.2.2 硬度检测

硬度是各种工具和机械零件须具备的力学性能指标之一，用于表征材料的软硬程度，是指材料抵抗局部变形，特别是抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测试是检测材料性能的重要指标之一。

本实验对样品底盖进行邵氏硬度检测，经测样品底盖硬度为77HD，由于未提供净水器使用材料技术要求，不作判断。检测结果见表1。

2.2.3 红外光谱分析

红外光谱是一种分子吸收光谱，当分子收到红外光辐射，产生振动能级（同时伴随转动能级）的跃迁，在振动（转动）时伴有偶极矩改变者就吸收红外光，形成红外光谱。由于不同物质的组成不同，对红外光吸收也不同，即不同物质有不同的红外光谱，这是物质的定性依据。

本实验通过对样品底盖取样，进行红外光谱检测，经检测分析发现底盖主要成分与苯乙烯- 丙烯腈-丁二烯共聚物（ABS）的红外吸收峰的波数相似、峰形相似，与纯ABS红外光谱图进行比对，确定了底盖主要成分为苯乙烯- 丙烯腈-丁二烯共聚物（ABS）（见附图3）。

2.2.4 热失重分析

热失重分析是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组分。本实验通过对样品底盖和纯ABS材料进行热失重对比试验（见附图4），发现样品底盖在632.89℃高温下仍有0.66%未分解，由于纯高分子聚合物一般在500℃左右基本全部分解，因此在600℃以上仍未分解的物质一般为聚合物材料中的填充料。由此可知，样品底盖使用的ABS材料为含有填充物的改性ABS材料。

2.2.5 断口分析

断口及断口分析是指构件断裂时的自然面为断口。断口上记载着断裂的全过程，是失效分析中最宝贵的原始见证，断口保护十分重要。以失效原因的分析为目的而对断口上的各种特征进行分析即为断口分析，是失效分析的重要内容。本实验将样品底盖A、B两处的裂纹打开，依据GB/T17359-2012《微束分析能谱法定量分析》对断口进行分析，断口较为齐平，裂纹A、B均起源于底盖外壁边缘类似位置，沿裂纹扩展方向存在疲劳辉纹，且两条裂纹沿外壁扩展的长度比内壁扩展的长。由此可知条裂纹断口由外壁疲劳裂纹扩展而来（见附图5.1～5.6）。

各种元素具有自己的X射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量△E。能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。本实验依据GB/T17359-2012《微束分析 能谱法定量分析》对断口表面进行成分分析，发现疲劳源区域Ca、O元素含量分别为2.05%、25.98%，基材Ca、O元素含量分别为0.40%、15.63%（见附图6.1～6.2）。为了进一步探讨Ca、O元素含量的分布情况，我们对疲劳源区域进行能谱线扫描。所谓线扫描即将能谱仪固定在所要测量的某一元素特征X射线能量信号的位置上，使电子束沿着指定路径做直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿该直线的浓度分布曲线。改变能谱仪的位置，便可得到另一元素的浓度分布曲线。经能谱线扫描检测发现Ca、O元素在扫描区域内呈现明显的分布不均匀现象（见附图6.3）。由以上能谱检測分析可知在疲劳源区域中Ca、O元素的含量明显高于基材中Ca、O元素的含量，且疲劳源区域存在钙（Ca）元素含量分布不均匀的现象。ABS的应用十分广泛，而通常许多生产厂家为了达到某些特殊的性能以符合实际使用的要求，会在ABS材料中添加一些无机填料，而钙（Ca）元素就是改性ABS材料的无机填料中一种常见的特征元素。因此也验证了我们前面热失重分析所得到的相关结果，即滤芯壳体底盖材料是一种含有无机填充料的改性ABS材料。

3 结果分析

由前述中外观检查可知裂纹附近底盖表面未发现有明显损伤，排除滤芯底盖是受外部压力导致的损伤。由红外光谱分析可知直饮水机净水器滤芯底盖使用的材料主要为ABS ，同时与纯ABS进行热失重分析比对实验，可知底盖使用材料为含有填充物的改性ABS材料，由断口能谱分析结果中验证了底盖材料为含有无机填充物的改性ABS材料，由能谱线扫描成分分析可知，滤芯底盖断口疲劳源区域存在无机填料钙（Ca）元素含量分布不均的现象。

由以上检测分析可以判断直饮水机净水器滤芯底盖使用材料为含有无机填料的改性ABS，且底盖疲劳起源位置无机填料存在混料不均匀现象，造成该处抗疲劳性能降低。导致直饮水机在长期使用过程中，净水器滤芯底盖处产生疲劳裂纹，当发生关闭、开启入户水阀等动作时，会造成水阀至直饮水机滤芯一段管路形成水锤冲击，导致直饮水机净水器的滤芯底盖发生爆裂。综上所述，直饮水机净水器滤芯底盖发生爆裂与底盖的材质改性ABS混料不均有因果关系。

参考文献：

[1] GB/T19267.1-2008.刑事技术微量物证的理化检验[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2008.

[2]冯计民.红外光谱在微量物证分析中的应用[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3]崔克清.安全工程大辞典[M].北京：化学工业出版社，1995.

[4]周玉，武高辉.材料分析测试技术-材料X射线衍射与电子显微分析[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

作者简介：

王孝波（1989- ），男，学士，初级工程师，从事工作为化工产品质量检测。