一、前言
净水器是一种能够去除自来水中杂质、过滤污染物、净化水质的小型家用电器。它被广泛用于家庭、办公室等各个场所。滤芯是净水器的重要部件，通常滤芯由滤壳、滤盖、滤材构成。不同的滤材，起到不同的过滤作用。以常见的反渗透净水机为例，一般包含有PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、反渗透滤芯以及后置活性炭滤芯。其中，PP棉起过滤水中的泥沙、铁锈、胶体等有害物质的作用；前置活性炭可以吸附水中的异色异味；反渗透滤芯能去除水中细菌、病毒、重金属、有机物、农药残留等几乎所有水中杂质和有害物质；后置活性炭改善水质口感，调节PH值。
在用户使用过程中，滤芯常见的失效为出水量过小、过滤效果不良，滤芯开裂则是一个较少发生的失效。然而，一旦发生滤芯开裂，往往会导致过滤功能丧失，无法完成过滤。并且由于净水机连接了自来水管道，滤芯发生开裂时，如果用户不在现场，往往会漏水不停，导致用户财产泡水受损。可以说，滤芯不漏水是用户最基本的需求，有必要做好设计保障和预防。以下主要讲述滤芯开裂失效的分类以及产生原因及预防措施。
二、滤芯开裂的分类
按照不同的维度归类，可以把滤芯开裂分成不同的类别，这有助于对滤芯开裂的规律进行总结。
(1)按滤芯开裂部位分类。通常滤芯由滤壳、滤盖、滤材构成。滤芯与外部的接口一般设置在滤盖上，也有部分滤芯接口设置在滤壳上。常见开裂位置为滤壳的底部圆角处、滤盖与滤壳连接处、滤芯接口处。
(2)按照滤芯使用时长分类。滤芯开裂符合可靠性浴盆曲线规律，可以分为早期故障期、偶然故障期和损耗故障期。早期故障反映的往往是滤芯在设计、制造环节的缺陷，偶然故障期则原因比较零散，耗损故障期一般是由于滤芯的材料老化导致的。
滤芯作为净水机耗材，大部分是不可拆的。为保证净水器过滤效果，需要定期更换滤芯。通常制造商在生产滤芯时，会标注出滤芯的使用时间，如PP棉滤芯标注为3-6个月，活性炭滤芯标注为6-12个月，反渗透滤芯标注为2-3年。可以看出，滤芯宣称的使用时长不是很长。一般来说，用户按照厂商指引定期更换滤芯，不会发生老化失效导致的滤芯开裂。
然而，有一些可以更换内部滤材的滤芯，由于重复在使用滤壳和滤盖，如果超过机器宣称的使用年限，则很可能会发生材料老化导致开裂。
(3)按照滤芯种类分类。不同净水机具有的滤芯不同，根据滤芯的功能，可以分为PP棉滤芯、活性炭滤芯、反渗透滤芯、超滤滤芯等。尽管滤芯的种类不同，大多时候，滤芯制造商会使用相同的滤芯外观，即滤壳和滤盖是共用的，仅里面的滤材不同。滤材的差异，导致部分滤芯更容易开裂。例如滤材填装后，内部存水量更多的滤芯，更加容易发生冻裂。
(4)按照滤芯在机器中的位置分类。以传统的400G大通量净水机为例，可以划分为：进水电磁阀前的滤芯、进水电磁阀-增压泵之间的滤芯、增压泵-单向阀之间的滤芯，单向阀之后的滤芯等。通常来说，在进水电磁阀之前的滤芯，更容易开裂，在所有滤芯位置的开裂中，约占比50%，这是由于进水电磁阀之前的滤芯，长期承受自来水水压，受到水锤冲击。在高层建筑供水中，为了增加水的压力和流量，需要二次加压。此种情形下，滤芯承受的水压更容易偏大。
(5)按照导致滤芯失效的因素分类。从滤芯的全生命周期出发，滤芯经历设计、制造、运输存储以及用户使用、更换滤芯环节。各阶段均可能发生开裂，按照失效的因素，可以分为结构设计不良、制程控制不良、仓储运输不良以及使用环境不良四大类。
三、滤芯开裂的原因及预防措施
上述不同的归类方法，(1)至(4)是为了方便数据分析，总结滤芯开裂的规律。而开裂的原因，均可以归纳到第(5)点。下面从导致滤芯失效的因素出发，分析滤芯开裂的常见原因及预防措施。
（一）结构设计不合理引起失效
a.选材不当
滤芯由于使用时间短，通常在选择壳体材料时没有考虑足够的耐老化能力。在对市场失效的分析研究中，发现用户很可能会超时间使用滤芯，尤其是反渗透滤芯的价格较高，用户通常不会按照说明书的使用时间指引更换。当超出时间使用时，滤芯可能会发生老化开裂。
滤壳、滤盖的基材一般为聚丙烯。聚丙烯主链上含有叔碳原子，使得未添加抗氧剂或添加抗氧剂含量及种类不当的聚丙烯材料在加工和使用过程中，极易受到光、热和氧等作用，发生热氧老化[1]。
在滤芯的使用中，热氧老化中的氧元素主要来自两处，一是空气，另一部分是溶解在水中的氧气。聚丙烯的热氧老化的致老化因素为热的影响。
预防措施：在滤芯的材料配方上添加合适的抗氧剂，可以找材料厂家针对选材进行具体的配方定制。尤其是滤材可以更换的滤芯，滤壳和滤盖选材应注意耐老化。
b.壁厚不适当
为了实现过滤功能，滤芯在设计上存在一些结构，这些结构的壁厚存在差异。当壁厚不足时，可能会因为强度不足导致开裂。当壁厚过厚时，容易导致滤芯内部缩孔缺陷，从而强度不足开裂。
预防措施：选择合适的壁厚，滤芯主体的壁厚应均匀。根据滤芯直径的大小以及所选滤芯材料的特性，壁厚可以选择3-4mm(小滤芯，通常外径小于80mm)或者5-6mm(大滤芯，通常外径在80mm以上)。
c.应力集中
应力集中是塑胶件失效的主要原因之一，应力集中降低了零件的强度，使得零件很容易在冲击载荷和和疲劳载荷下失效。由于滤芯长期承受自来水水压以及水锤冲击，容易在应力集中处先开裂。
预防措施：尖锐转角和较大的截面变化会造成应力集中。滤芯在结构设计时，各个结构的过渡应平缓圆滑，一般可以通过添加圆角来实现。零部件圆角与应力集中系数的关系如图1所示[2]。其中T为零部件壁厚，R为零件内圆角，p为零件承受的载荷。
图1 零部件圆角与应力集中系数的关系
（二）制程控制不良引起的失效
制程不良导致的滤芯开裂通常是由于注塑不良、焊接不良导致。
a.注塑不良导致的开裂
注塑不良导致的开裂，通常是由于模具调机时，前期的注塑不良制品流出导致。
预防措施：①一般情况下，对注塑前10腔的样品进行报废，避免流出。②编制注塑工艺管控卡，做好注塑工艺管控。③首检时可剖开样品检查截面，确认注塑良好。
b.焊接不良导致的开裂
将塑料焊接在一起有很多种方法，如热板焊接，超声波焊接等。旋转焊通过旋转运动在外加压力下将两工件焊接在一起。旋转焊是需要高强度、密封圆形接头塑料件的首选焊接方法。它非常适合于连接大大小小的塑料件及各式各样的热塑性树脂[3]。
滤芯一般是圆柱形，把滤芯和滤盖结合在一起，通常采用的是旋转焊。当发生欠焊或者焊接不均匀时，会导致焊接处强度低，承受不住水压开裂。
预防措施：①针对欠焊不良：需要考虑增加痕接时间或焊接长度，以及去除脱模剂，清除结合面油污。同时建议使用光学检测方式，对焊接效果进行管控。②针对焊接不均匀：需要检查零件尺寸，管控不同模腔的尺寸公差，检查焊件接触面的平整性等。
（三）仓储运输不良导致的失效
仓储运输环节导致的滤芯开裂，一般是由于跌落导致滤芯接口处受力开裂。例如仓储堆码不良，导致滤芯从高处掉落，从而薄弱处受力开裂。又如运输环节，快递运输的抛投、踩踏、掉落，导致滤芯接口受力断裂。
预防措施：可靠性是设计出来的，除了加强仓储运输环节的规范操作外，更应在设计时做好防护。通常有三个措施：
a.滤芯接口根部是较为脆弱的地方，可以在接口根部增加圆角以及加强筋，从而增强滤芯接口的强度。
b.滤芯接口周边设计防护结构。如设置凸台、周边筋骨，当发生撞击时，凸台、筋骨可起到护栏作用，从而避免滤芯接口受力。
c.设计额外的包装防护。例如，采用珍珠棉、气泡袋、软胶护套等对滤芯进行包装，当滤芯受到撞击时，包装材料进行吸能，避免对滤芯接口造成伤害。
（四）使用环境不良导致的失效
在净水器的使用中，导致滤芯开裂的主要应力有水锤、低温以及化学物质。
a.水锤导致的开裂
水锤效应是指在水管内部，管内壁光滑，水流动自如，当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁(主要是阀门)会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用。
水锤效应是导致滤芯开裂的重要原因。水锤的来源分为外部和内部，外部是自来水管网产生的水锤，内部则是净水器机器由于阀的开关产生。由于二次加压的存在，水锤造成的压力更大。
爆破压力是表征滤芯承受水压强度的一个重要参数，受到水锤作用后，滤芯会发生疲劳老化。部分使用时间过长的滤芯，还受到前述的热氧老化影响，从而滤芯的爆破压力会下降。例如某款滤芯，在未添加氧化剂之前，抽样测试平均爆破压力为3.36MPa，经过热氧老化以及水锤冲击测试后，滤芯的平均爆破压力下降到了1.66MPa，耐压能力下降了接近50%。
预防措施：通常水锤难以消除，可以在整机上安装水锤消除器进行缓解。就滤芯而言，应提高自身的强度。大部分净水器整机标注的使用压力为0.1-0.4MPa，反渗透滤芯的工作压力为0.4-0.8MPa。一般来说，在设计上，滤芯的爆破压力设计为3.2MPa以上，可以满足寿命内的强度要求。对于可以滤材的滤芯，在设计时，需要考虑老化导致的强度下降影响，应添加抗氧化剂。
b.低温导致的冻裂
冻裂是滤芯开裂的一种常见形式。滤芯的基材通常为聚丙烯。聚丙烯的玻璃化温度在0℃左右，南方城市到了冬天环境温度会接近聚丙烯的玻璃化温度，聚丙烯制品的分子链的活动能力下降，韧性降低。而北方的温度普遍会低于聚丙烯的玻璃化温度，因此冬天在北方，聚丙烯制品表现的非常脆。
当滤芯内部存水过多时，如果滤芯的强度不足，水结冰容易导致滤芯开裂。通常强度不足的位置在滤芯转角应力集中处以及滤芯注塑熔接痕位置。相关研究表明，熔接痕处强度较为薄弱，在不同的工艺条件下，熔接痕区的强度可以是原始材料的10-90%[4]。
预防措施：解决滤芯的冻裂有许多方法，例如可以通过净水器整机防冻程序、保温加热等方式来实现。本文只从滤芯本身出发考虑，可采取的措施有：①减少滤芯内部的存水。合理设计滤材与壳体之间的间隙，尽可能减少滤芯内部的存水。满足过滤性能要求下，间隙应尽可能小。②使用改性材料。对材料进行改性，可以提高材料的韧性，使得滤芯在发生结冰时发生形变，不会破损。由于是涉水器件的缘故，在添加剂方面，除了韧性方面的考虑，还需要考虑卫生安全以及产品的承压。滑石粉是塑料填充改性重要的无机材料，目前在国内外广泛用于聚丙烯的改性。③合理进行结构设计，采用圆角过渡，减少应力集中。④设置可压缩变形的弹性元件，水结冰时，元件受压变形，从而减少对滤芯外壳的挤压。但这种方式成本会比较高。
c.化学物质导致的开裂
净水器一般安装在厨房的橱柜里面。根据售后安装维修系统上传的安装图片分析，样本数量为1000个，用户安装净水机的周边放置的物品主要是闲置的餐具、铁锅、食用油瓶子、垃圾处理器等，其它物品占比4%(如清洁剂等)，可见环境复杂。
图2 净水机周边放置物品统计
虽然橱柜环境较为复杂，但通常滤芯安装在净水器内部，一般不会直接被化学物质腐蚀。需要注意的特别情况是，部分用户在房屋装修时，先安装了净水器。当滤芯壳体材质选材不当时，装修材料中的化学物质可能会导致滤芯壳体开裂。尤其是部分滤芯，设计在净水器机器外部，可接触到化学物质会更容易。
表1是对广东佛山某在建楼盘使用的装修材料进行的统计，主要对油漆、填缝剂、油漆稀释剂、瓷砖胶四类装修材料进行了成分统计，可见装修环境的化学物质成分十分复杂。
表1 某楼盘装修材料的主要化学成分
|
装修材料
|
主要成分
|
|
油漆
|
甲醛、甲苯、二甲苯、乙二醇醚类溶剂、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、环氧聚氨酯
|
|
填缝剂
|
白水泥：硅酸盐、石膏
|
|
油漆稀释剂
|
1、烃类溶剂：具体又分为脂肪烃（如200号溶剂汽油、煤油）和芳香烃（如苯、甲苯、二甲苯、200号煤焦溶剂等）；
2、酯类溶剂：如醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯等；
3、酮类溶剂：丙酮、丁酮、环戊酮、甲基异丁酮等；
4、醇类溶剂：甲醇、乙醇、丁醇等；
5、醇醚类溶剂：乙二醇—乙醚、乙二醇—丁醚、二乙二醇—乙醚等
|
|
瓷砖胶
|
醋酸乙烯、乙烯酯共聚物、月桂酸乙烯、氯乙烯共聚物、丙烯酸
|
预防措施：①选择合适的滤芯壳体材料。某些客户需求，滤芯设计为透明滤壳，此时应避免使用PC材料。由于PC的分子链中含有酮基和酯基,容易被有机溶剂和强酸碱腐蚀,形成裂纹导致强度下降。而装修环境中可能含有这些化学物质。应避免使用单纯的PC料，必要时可以进行材料改性。②尽量将滤芯设计在净水器内部，避免裸露在机身外部。③对于裸露在净水器外部的滤芯，可以在设计上增加防护罩，例如设计为装饰罩，避免滤芯与外部化学物质的直接接触。
参考文献：
[1]陈键，张桂云，黄仕锋，曾志炜. 聚丙烯热氧老化机理的研究[J].中国塑料,2015，29(7):63
[2]钟元．面向制造和装配的产品设计指南[M]. 北京：机械工业出版社,2016:123
[3]张胜玉. 塑料旋转焊接技术[J].橡胶技术与装备,2015，41(4):20
[4]申长雨．塑料模具计算机辅助工程[M]. 郑州：河南科学技术出版社,1998
