李沅駿 向雄志

LI Yuanjun XIANG Xiongzhi

深圳大學(xué)材料學(xué)院 深圳 518060

Shenzhen Key Laboratory of Polymer Science and Technology, Guangdong Research Center for Interfacial Engineering of Functional Materials, College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University Shenzhen 518060

1 引言

電水壺具有使用方便、加熱迅速、自動(dòng)斷電、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著生活節(jié)奏的加快，電水壺的市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速[2-4]。數(shù)據(jù)顯示，全球每年電水壺的銷售量約為1億只，其中歐美市場(chǎng)和中國(guó)市場(chǎng)的總和已占七成。當(dāng)下很多家庭以及酒店房間都配備有電水壺，通過(guò)電加熱可以高效方便的燒開(kāi)水，但這也對(duì)電水壺的可靠性提出了較高的要求。本文針對(duì)一個(gè)使用一年后就發(fā)生漏水的某品牌電水壺進(jìn)行了失效分析。

2 工況分析

該電水壺壺嘴與壺身材料為SUS304不銹鋼，壺嘴與壺身之間的連接工藝為目前廣泛采用的電阻點(diǎn)焊定位加硅膠封閉，不銹鋼壺身有塑料外殼包裹，如圖1所示。電水壺在使用一年多以后多次發(fā)生短路跳閘事故，在破除表層塑料外殼后發(fā)現(xiàn)壺嘴與壺身之間有多處漏水，如圖2(a)、2(b)所示。同時(shí)壺嘴底部漏出的水已經(jīng)沿著壺身流到底部，接觸到壺底的電阻絲，底部的電阻絲已經(jīng)發(fā)生了明顯的銹蝕，如圖2(c)所示。正是由于壺嘴處的滲漏導(dǎo)致短路，使得該水壺在燒水過(guò)程中跳閘。同時(shí)值得注意的是，如果該水壺絕緣不好，不排除有用戶使用時(shí)觸電的可能性。據(jù)用戶反映，該水壺使用之初并沒(méi)有發(fā)生類似事故，平均每天使用2～3次，大約使用1年7個(gè)月后開(kāi)始出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。該水壺從開(kāi)始使用到漏水, 累計(jì)運(yùn)行次數(shù)大約為1200次，遠(yuǎn)低于GB/T 22089-2008《電水壺性能要求及試驗(yàn)方法》中3000個(gè)工作周期的使用要求。

3 壺嘴結(jié)構(gòu)分析

3.1 截面宏觀形貌分析

將失效區(qū)域的側(cè)截面與未失效區(qū)域的側(cè)截面放在電子顯微鏡下觀察，漏水處的宏觀照片如圖3(a)所示，可知壺嘴、壺身本身沒(méi)有宏觀裂紋的產(chǎn)生，無(wú)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕痕跡。漏水區(qū)域位于壺嘴與壺身的連接處，整體開(kāi)裂剝離。未失效區(qū)域的宏觀照片如圖3(b)所示，壺嘴與壺身之間硅膠結(jié)合緊密，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.2 表面微觀形貌分析

將漏水處樣品剝開(kāi)，利用掃描電鏡對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行分析，可觀察到內(nèi)表面上呈現(xiàn)明暗交界明顯、硅膠分布不均勻的現(xiàn)象，如圖4所示。左側(cè)脫膠處的基體表面平滑整齊，無(wú)腐蝕痕跡，可排除基體發(fā)生腐蝕而引發(fā)穿孔的可能性。

圖1電水壺外觀

圖2電水壺漏水圖

利用EDS能譜對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行線掃描分析，結(jié)果如圖5所示，左側(cè)條絮狀區(qū)域的硅元素含量顯著高于右側(cè)區(qū)域，右側(cè)區(qū)域的硅元素含量幾乎為零。線掃描結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了失效區(qū)域存在硅膠分布不均勻現(xiàn)象。

圖3壺嘴截面形貌（a:失效區(qū)域 b:未失效區(qū)域）

4 分析與討論

從分析測(cè)試結(jié)果來(lái)看，電水壺失效方式為壺嘴與壺身之間的連接失效，通過(guò)對(duì)比未失效區(qū)域可知，失效原因?yàn)楣枘z脫膠導(dǎo)致漏水。

在電水壺使用之初，由于壺嘴與壺身結(jié)合較為緊密且尚有一定量的硅膠存在，不容易漏水。而在使用過(guò)程中，由于不斷的熱脹冷縮過(guò)程，使得部分硅膠填充不足的區(qū)域中，壺嘴與壺身之間的縫隙越來(lái)越大，從而導(dǎo)致明顯的漏水。此外，硅膠作為一種易水解橡膠，對(duì)濕熱因素的影響比較敏感，濕度環(huán)境下會(huì)使硅膠膨脹，還會(huì)使含酯、醚等基團(tuán)的鏈發(fā)生水解反應(yīng)。壺嘴底部極為容易積水，濕度環(huán)境下，會(huì)使硅膠試樣膨脹，還會(huì)使含酯、醚等基團(tuán)的鏈發(fā)生水解反應(yīng)。在濕熱因素作用下硅膠易發(fā)生老化變質(zhì)[5-6]。所以盡管水壺使用初期無(wú)漏水現(xiàn)象，但水的滲入對(duì)硅膠的失效具有明顯的加速作用。水壺在使用過(guò)程中每次倒水時(shí)必然有部分水存留，這些水沿著縫隙留下，在壺身上沒(méi)有任何引流設(shè)計(jì)，壺身以下的加熱電路部分也沒(méi)有任何保護(hù)設(shè)計(jì)，極易發(fā)生短路。

圖4內(nèi)表面硅膠分布不均

圖5 Si元素含量線譜圖

5 建議與改進(jìn)

電水壺是常用的家用電器，一旦發(fā)生漏水，水接觸到壺底的電阻絲，會(huì)造成漏電危險(xiǎn)，甚至可致消費(fèi)者觸電身亡。因此，為杜絕此類現(xiàn)象發(fā)生，建議從以下因素著手改進(jìn)：

（1）裝配時(shí)應(yīng)規(guī)范操作，保證硅膠填充密實(shí)，杜絕滲水現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）壺底加引流防護(hù)裝置，防止漏出的水接觸到電阻絲，從而保護(hù)消費(fèi)者的人身安全。