净水机滤瓶改性材料研究与受力分析-中国期刊网

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（整期优先）网络出版时间：2022-09-22

作者: 陈华秋樊双明周俊杰

建筑科学 >建筑技术科学

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净水机滤瓶改性材料研究与受力分析

陈华秋 ,樊双明, 周俊杰

珠海格力电器股份有限公司广东珠海519000

摘要：净水机滤瓶漏水问题逐渐成为消费者新的投诉热点，漏水造成地板发霉、线路短路和财产损失，严重影响到人们的正常生活。实验采用共混法制备试样，验证矿物填充改性和玻纤增强聚丙烯材料对滤瓶机械性能的影响，得到不同填充含量对应的拉伸强度的变化趋势曲线。同时，根据净水机滤瓶的结构特点进行受力分析，建立了滤瓶受力与滤瓶体壁厚、滤瓶体外径及饮用水压力的关系，获得了相应的应力方程，为净水器滤瓶开发提供技术参考，解决滤瓶设计、生产和使用过程中的痛点。

Research and stress analysis of modified material for filter bottle of water purifier

CHEN Huaqiu1 FAN shuangming 2 ZHOU junjie3

Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai Zhuhai Guangdong 519000

Abstract：The problem of water leakage from the filter bottle of the water purifier has gradually become a new hot spot for consumers to complain. In the experiment, the samples were prepared by blending method to verify the influence of mineral filling modification and glass fiber reinforced polypropylene material on the mechanical properties of the filter bottle, and the change trend curve of tensile strength corresponding to different filling contents was obtained. At the same time, according to the structural characteristics of the filter bottle of the water purifier, the force analysis is carried out, and the relationship between the force of the filter bottle and the wall thickness of the filter bottle, the outer diameter of the filter bottle and the drinking water pressure is established, and the corresponding stress equation is obtained, which is the basis for water purification. Provide technical reference for filter bottle development and solve the pain points in the process of filter bottle design, production and use.

关键词：净水机；滤瓶；聚丙烯；玻纤增强；矿物填充

Keywords: Water purifier; Filter bottle; Polypropylene; Glass fiber reinforcement; Mineral filling

0 引言

近年来，随着水质污染的日益加剧, 人们对健康生活和饮用水水质的要求不断提高，净水器的需求呈现出快速增长的趋势，逐渐成为了新时代家庭中最实用的刚需家电。伴随净水器销售规模的强劲增长，各大品牌不同卖点的净水器迅速占领了国内市场, 但是市面上净水机品质良莠不齐，净水器滤瓶漏水、爆裂等品质问题时有发生，严重影响用户体验及净水器使用安全[1]。

滤瓶是净水机不可缺少的核心零部件，其作用在于保护滤芯，滤瓶的好坏直接决定了净水器会不会爆裂和漏水。当滤瓶体内充满水质，且水压较大时，滤瓶体将受到较大的内外压差作用，若瓶体设计不当、材质或制造工艺达不到要求，往往会在使用过程中产生畸变，甚至爆破。因此，本文从滤瓶材料改性、承压能力和生产工艺角度展开研究，对净水器滤瓶承压过程中受力进行分析探讨，为净水器滤瓶开发提供技术参考，解决滤瓶设计、生产和使用过程中的痛点。

1 净水机工作原理

净水机是一种水质净化处理的水处理设备，净水器的功能是过滤水中的余氯、重金属、细菌、病毒、泥沙、铁锈、藻类以及大颗粒悬浮物。如图1-1所示，净水器的水质净化系统由PP棉+前置活性炭+RO膜+后置活性炭组成。原水通过进水口，首先进入第一级装有PP棉滤芯的滤瓶，主要除去水中大分子固体颗粒，然后进入第二级装有前置活性炭的滤芯的滤瓶，吸附余氯、异味、颜色及有机物等，接着通过增压泵将第二级过滤的水压入装有RO膜的滤芯的滤瓶，能有效祛除细菌、病菌、重金属、化学残留等杂质，进一步净化水质，这里需要注意，RO膜由于过滤太细，所以制水系统要提供膜渗透压力才能出纯水，压力桶的作用就是调节水压，控制制水量，最后纯水来到装有后置活性炭的滤芯的滤瓶，针对纯净的饮用水口感做调整，可吸附异味，释放微量的矿元素使饮用水更加甘甜可口。

图1-1：壁挂RO净水机水质净化系统工作原理图

2 净水器滤瓶改性材料研究

聚丙烯因其密度低，疏水性能好，食品安全性高，价格低等优势，是净水机行业的首选优质材料。但聚丙烯材料刚性和强度不足，具有收缩率大、尺寸不稳定和结晶等缺陷[2]。对于滤瓶这种长期受水压压力的薄壁密封零件，纯聚丙烯材料的力学性能难以达到技术要求。而通过无机物填充改性可以改善聚丙烯的性能，实现聚丙烯与无机填料在性能上的互补，无机物填充可以是玻纤填充、矿物填充、云母填充或复合填充等。本文建立实验方案验证不同填充物及其添加比例对滤瓶机械性能的影响，获得最佳的净水机滤瓶材料。

2.1实验部分

2.1.1 实验设备

精密注塑机床（海天380T）；数显游标卡尺（500mm）；搅拌机（200L）；电子万能试验机；双螺杆挤压机；干燥箱；自动冲击试验机。

2.1.2 原材料

表1为试验所需主要原材料清单：

表1：试验原材料

序号	原材料	厂家
1	PPA1	中国石化
2	复合助剂	市售
3	CaCO3	中国石化
4	玻璃纤维	中国巨石集团有限公司

2.1.3 实验方法

首先将中石化PPA1原材料放入90℃干燥箱中烘烤4—6h，除去材料表面吸附的水分。制定4组试验方案，复合助剂相同，分别添加填充物CaCO3和玻璃纤维，按照10%、20%、30%、40%比例制备样料，采用共混法对样料进行混合改性，最后使用注塑机注塑矩形试条（图2-1）。

调节试验环境温度为（23±2）℃，湿度为（50±10）%，试样状态调节完毕后，使用电子万能试验机对试样进行拉伸强度试验，共试验5组试样，最后取算术平均值。

图2-1：矩形试样图

2.2实验结果与探讨

2.2.1 碳酸钙填充对滤瓶机械性能的影响

图2-2为碳酸钙增强聚丙烯材料的力学性能图。从图中可以看出，当碳酸钙的添加量在25%以下时，其拉伸强度基本保持不变，当添加量超过25 %后，其拉伸强度呈下降趋势。这说明碳酸钙在基体中分布均匀，且与基体的相容性较好，当添加量过多时碳酸钙出现团聚现象，从而导致力学性能大幅度下降。当碳酸钙的添加量在25 %以下时，其冲击强度呈上升趋势，当添加量超过25%后，其冲击强度呈下降趋势。

图2-2：碳酸钙含量对聚丙烯拉伸强度影响

2.2.2 玻纤增强对滤瓶机械性能的影响

图2-3是玻纤含量对增强PP材料力学性能的影响。由图3-2 可以看出，随着玻纤含量的增加，玻纤对增强PP复合材料拉伸强度有明显提高。特别是当玻纤含量大于10 %以后，力学强度随玻纤含量增加趋势尤为明显。在低玻纤含量下，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随着玻纤含量的增加而提高。当玻纤含量为30%时，较纯PP而言，GF/PP 复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度等力学性能指标均达到最大值。随后力学性能随玻纤含量的增加而降低，例如 PP-GF30的拉伸强度为90.6 MPa，而PP-GF40的拉伸强度下降到80.7 MPa。这是由于玻纤的模量和强度均较大，在与基体树脂结合良好的情况下，玻纤的加入限制基体树脂变形，有利于力的分散[3]。微观上，随着玻纤含量的增加，玻纤会在基体树脂中形成互相传递的网络结构，样条承受载荷的截面均存在更多的承载外力，从而增强了复合材料的整体力学强度[4]。玻纤含量在30%之前，玻纤含量的增加总体有利于玻纤网络的搭建与完善，因而力学性能随玻纤含量的增加而迅速提高。高玻纤含量的情况下，继续增加玻纤用量，导致材料受到破坏，纤维断裂相对严重，因而力学性能下降。而且玻纤在熔融状态下的粘度更大，挤出造粒和注塑的加工要求更高，也容易带来缺陷[5]。在玻纤含量为30%时，复合材料的力学性能达到最大值。

图2-3：玻纤含量对聚丙烯拉伸强度影响

2.3滤瓶改性材料探讨

综合以上对碳酸钙填充聚丙烯和玻纤增强聚丙烯性能的分析，可以看出，碳酸钙填充聚丙烯拉伸强度在30MPa以下，而玻纤增强聚丙烯拉伸强度可以达到60MPa以上。

当净水机采用多级滤芯时，因滤瓶体外径较小，碳酸钙填充聚丙烯可以满足力学要求。而当净水机采用集成式滤芯，滤瓶体外径较大，壁厚较薄时，则建议选用强度更高的玻纤增强聚丙烯材料才能达到爆破要求。

同时，当选用玻纤增强聚丙烯时，由于玻纤的取向性强，在滤瓶注塑模具开制时，要考虑材料对零件变形及焊接工艺的影响，选择恰当的浇口方式及分模方案。

3净水机滤瓶受力分析

以滤瓶体的形状特征为例（如图3-1所示），当忽略两端的加强筋结构及支撑滤芯结构，可以将滤瓶体视为图3-2简体模型。当滤瓶体内壁厚远远小于滤瓶体外径D,封闭状态的滤瓶体受到内压强 p（水压），筒体在受力后变形的特点为：在内部压力作用下向外膨胀。因此纵向（沿筒体轴线方向）上，筒体将发生伸长变形，而横向（与筒体轴线垂直的方向）上将发生直径增大的变形。