PP阻燃改性材料在智能坐便器座圈上的應(yīng)用*

莊敏華

(廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

前言

目前智能坐便器很多都有座圈加熱功能，座圈組件中加熱膜粘帖于座圈上蓋，當加熱膜通電后產(chǎn)生熱量，加熱膜上的鋁箔將熱量傳導于坐圈上蓋，實現(xiàn)坐圈的加熱目的。但是存在以下問題：①座圈通電會發(fā)熱，考慮到安全我們會采用阻燃PP材料；②座圈組件使用時，座圈組件與人體接觸，所以座圈的材料還要用到抗菌材料。

1 零件的組件

1.1 智能座圈

1.1.1 智能座圈材料的選擇

智能座圈組件主要由座圈下蓋、腳墊、溫控器、加熱膜、座圈下蓋、傳感器組成，如圖1所示。

圖1 智能座圈組件

智能座圈比起普通座圈增加了加熱功能，智能座圈內(nèi)部存在加熱部件、傳感器、溫控器，因此座圈組件不僅僅要考慮到抗菌、耐候性，還要考慮到阻燃(V0等級)、防水、上下蓋固定方式我們選用摩擦焊接方式，能達到防水。最終智能座圈上下蓋材料選用阻燃PP材料，而且還要滿足本身的抗菌、耐候性要求，以及材料的阻燃要求，同時又符合摩擦焊接性能。近年來，隨著生活的進步，隨著環(huán)保要求的提高，阻燃PP一般都用無鹵系阻燃劑，阻燃PP要滿足抗菌，就要對阻燃PP進行改性，增加阻燃抗菌效果。現(xiàn)在一般阻燃PP都要通過在阻燃PP材料中添加適量的抗菌劑，這樣阻燃PP不僅僅具有阻燃的功能，材料自身還具有抑制和滅殺有害微生物的功能，有效地切斷人與病菌的接觸，也減少疾病的傳播。利用“溶膠-凝膠”的方法合成Ag+-TiO2符合型無機抗菌劑，抗菌劑填加到阻燃PP中，就能讓阻燃PP得到抗菌效果。

1.1.2 智能座圈材料的測試

智能座圈材料測試見圖2。

圖2 智能座圈材料測試

1.2 腳墊

腳墊安裝于座圈下蓋，支撐座圈于陶瓷表面作用。一般選用TPE 或者EVA+HTPE，顏色硬度可選擇(如表1所示)。

表1 腳墊材料優(yōu)缺點

1.3 溫控器

溫控器作用檢測座圈加熱溫度并轉(zhuǎn)換成輸出信號給主控程序控制座圈加熱。

1.4 加熱膜

加熱膜是座圈加熱功能提供加熱的載體。

1.5 著座傳感器

著座傳感器檢測人體是否著座，并將信號傳輸于主控程序。

2 座圈設(shè)計

智能座圈組件外殼分為座圈上蓋跟座圈下蓋，因為人體直接接觸到座便器時，直接接觸的是座圈上蓋，座圈上蓋的形狀舒適度直接影響如廁時的心情，所以座圈上蓋的曲面設(shè)計是座圈設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。座圈上蓋設(shè)計的很重要的一個環(huán)節(jié)就是人體坐在座圈上的舒適性。

2.1 座圈外觀設(shè)計

2.1.1 外觀圖

當我們拿到設(shè)計稿后，我們先要整體設(shè)計外觀，先把智能座圈組件長寬高確認下來(見圖3)。

圖3 座圈外觀

2.1.2 曲線設(shè)計

用線在3D制圖軟件將座圈的外形用線畫出來(見圖4)，并用圓錐曲線(見圖5)作為輔助來調(diào)整曲面輔舒適度，圖5中0.5是圓錐曲線與水平面的夾角，20是圓錐曲線與豎直平面的夾角，0.55是圓錐曲線的曲率。通過調(diào)整3個參數(shù)可以讓最終的曲線更能貼合人體，曲面包裹性越好，人體接觸壓強越小，舒適性越好，用圓錐曲線線形較圓滑，弧度尺寸及弧線角度修改較方便，輔助線構(gòu)好后就可以看到座圈的大概輪廓(見圖6)。

圖4 3D座圈外形

圖5 圓錐曲線

圖6 座圈輪廓

2.1.3 曲面生成

座圈線構(gòu)好后，我們用3D軟件的混合曲面，將線變成面。最后構(gòu)成座圈曲面，因為座圈是對稱的，構(gòu)圖的時候先做好一半，其中有一點要注意的是，曲面需要垂直于對稱的面，這樣鏡像處理后面才會平滑過渡。

曲面生成后需要做調(diào)整，我們通過3D軟件檢測構(gòu)面效果，我們一般用著色曲率與反射分析評估曲面質(zhì)量。著色曲率分析通過顏色的變化來反應(yīng)曲率變化，顏色的均勻變化過渡體驗出曲率的平穩(wěn)性；反射分析是利用光影的投影，光線投影光滑，不扭曲，各投影線間距離均勻變化，說明曲面過度更平順(見圖7)。

圖7 3D座圈曲面

2.2 座圈結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 曲面實體化并抽殼

座圈曲面構(gòu)成后將面合并為一體，然后使用實體命令，將座圈組件實體化，在Pro-e中將視圖調(diào)到線寬模式，曲面的邊界是暗紅色，實體的邊界是白色(見圖8)。

圖8 座圈剖面

實體化座圈上下蓋還是一件，需要將內(nèi)部掏空，對實體抽殼處理，座圈組件我們設(shè)計的壁厚在3.5～4 mm為宜，邊緣焊接的地方厚度需要設(shè)計值在5.5 mm(見圖8)，外表面的拔模斜度≥3°，這樣后續(xù)注塑時容易生產(chǎn)。座圈設(shè)計后會先給模具廠做模流分析，根據(jù)模流分析做出的效果圖(見圖9)，經(jīng)常要對座圈上下蓋內(nèi)部局部加膠，因為壁厚增加后，塑膠流動性會增強，來達到我們需要的效果，根據(jù)不同的成形效果給模具開排氣孔，來改善座圈的成形。

圖9 模流分析效果圖

2.2.2 座圈內(nèi)外圈尺寸設(shè)計

座圈的外圈尺寸是根據(jù)外觀需求，配合陶瓷而定，一般距離陶瓷邊緣斷差4～5 mm。座圈內(nèi)圈根據(jù)使用情況而定，根據(jù)不同機型的長短調(diào)整大小，內(nèi)圈形狀根據(jù)陶瓷外形(美式、歐式、方形)配合，內(nèi)圈形狀分“跑道形”跟“雞蛋形”(見圖10)，前端圓形的陶瓷一般設(shè)計成跑道形的內(nèi)圈，前端尖形的陶瓷一般設(shè)計成雞蛋形的內(nèi)圈。

圖10 圈內(nèi)形狀

內(nèi)圈的位置與根據(jù)市場收集不同品牌的內(nèi)圈數(shù)據(jù)，一般內(nèi)圈設(shè)計通過4個參數(shù)來定內(nèi)圈的位置與大小，其中a尺寸不能過大，以免使用時人體臀部下陷，c尺寸不小于50 mm，內(nèi)圈前端需要覆蓋陶瓷，d尺寸≧155 mm，d尺寸很重要，如果太小，會影響到后續(xù)臀洗的體驗感，而且水還會飛濺到座圈表面(見圖11)。

圖11 內(nèi)圈參數(shù)

2.2.3 座圈腳墊設(shè)計

腳墊：腳墊一般設(shè)計為單孔圓形與多孔跑道形(見圖12)，設(shè)計腳墊時候需要設(shè)計排氣槽，防止裝配后腳墊因為空氣被擠壓壓強變大，將腳墊彈出。

圖12 腳墊(圓形、跑道形)

腳墊位置:座圈腳墊位置取決于陶瓷，腳墊直接接觸于陶瓷，當人體坐于座圈時，需要支撐整個人體的重量，腳墊水平投影位置必須位于陶瓷支撐面上方。座圈腳墊設(shè)計如下：

(1)圓形的腳墊，必須全部位于陶瓷面上；跑道型腳墊，至少1/2以上面積接觸陶瓷面。

(2)后端腳墊要比前端腳墊高1～2 mm，因為陶瓷面不能做到平面，容易變形，如果4個腳墊都在同一個水平面，容易出現(xiàn)晃動，如果只是2個前腳墊接觸陶瓷，后端腳墊比前面高1～2 mm這樣就不會出現(xiàn)座圈在陶瓷上晃動的情況(見圖13)。座圈前腳墊一般布置在內(nèi)圈前端但不超過前端，前后腳墊之間的位置都按照座圈總長度調(diào)節(jié)，一般正常座圈前后腳墊設(shè)計值為160～200 mm，這樣能更好地支撐人體的重量。

圖13 腳墊設(shè)計

(3)座圈與腳墊配合，腳墊拉拔力需要滿足拉力≧20 N。腳墊硬度不同，與座圈的過盈量不同，如果腳墊材質(zhì)為TPE,配合過盈量為單邊0.4 mm以上，材質(zhì)為EVA+HDPE，配合過盈量單邊0.1 mm以上，如果達不到拉拔力測試，再增加過盈量(見圖14)。

圖14 座圈腳墊處剖視圖

(4)因腳墊處是整個座圈著座的受力點，如果座圈下蓋腳墊處結(jié)構(gòu)強度不足，下蓋易產(chǎn)生變形，導致內(nèi)部空間變小，里面加熱元件被壓倒，導致座圈加熱失效，因此建議座圈內(nèi)部腳墊位置上下蓋之間增加受力支撐筋條(見圖15)。座圈上蓋增加支撐筋條時，需要注意幾點：①給加熱元件避讓；②座圈上下蓋在摩擦焊接時候會受力，增加的支撐需要預留1 mm的空間；③加熱并留出空間，避開加熱元件，同時，加熱膜處需要避開筋條。

圖15 坐墊支撐筋條

2.2.4 焊接筋條設(shè)計

(1)焊接筋條結(jié)構(gòu)設(shè)計于座圈下蓋；

(2)焊接筋條寬度為1.5～1.8 mm，高度為3～4 mm，過盈深度為1.3～1.5 mm；

(3)焊接震動單邊間隙為1.0～1.2 mm，焊接部位須預留焊接溢膠空間；

(4)焊接筋條設(shè)計分布整個座圈外形外形，確保防水密封(見圖16)；

圖16 焊接筋條剖面

(5)齒形結(jié)構(gòu)設(shè)計于座圈上蓋；

(6)齒形槽深度為0.5～1.0 mm，推薦設(shè)計為0.7 mm；齒形槽深度為0.5～1.0 mm，推薦設(shè)計為0.7 mm；

(7)齒形突出筋條與外觀接觸面須打斷，打斷的根部需做倒角(如圖17所示)，防止收縮不均外觀產(chǎn)生齒形??；

圖17 齒形結(jié)構(gòu)

(8)焊接傾斜角設(shè)計推薦≤30°，極限情況下不超過60°。當夾角增大時，相應(yīng)的垂直焊接深度適當減少，夾角越大，焊接深度越小(見圖18)。

圖18 焊接剖面

2.3 座圈測試

座圈組件設(shè)計完后，需要出2D圖，并給模具廠設(shè)計模具，待模具品上下蓋生產(chǎn)出來后，要對單體零件做尺寸測量和性能測試，座圈上下蓋尺寸OK，性能測試OK后組裝成座圈組件，智能座圈組件生產(chǎn)出來后要對組件做這時需要對座圈組件做一系列測試，如下：

2.3.1負重測試

2.3.1.1 靜壓測試(按坐便潔身器JG/T 285-2010測試)

在座圈幾何中心向下施加2 000 N的壓力并保持10 min,查看座圈是否有裂痕、破損及嚴重變形等不良現(xiàn)象(報告見圖19)。

圖19 靜壓測試

2.3.1.2 動態(tài)負重測試(按坐便潔身器JG/T 285-2010測試)

座圈動態(tài)負重：動態(tài)負重為900 N，下落速度0.05 m/s，下壓停滯5 min，上升停滯1 min，此為1個周期，持續(xù)測試5 000個周期后，座圈無開裂、變形、破損等不良現(xiàn)象(報告見圖20)。

圖20 動態(tài)負重測試

2.3.2 搖擺試驗(按JC/T 764-2008中5.4.2進行試驗)

負荷1 335 N,周期25 000次，負荷1 S，間隔0.5 S，搖擺試驗后坐圈無破損、開裂現(xiàn)象，座圈轉(zhuǎn)軸正常(報告見圖21)。

圖21 搖擺試驗

2.3.3 座圈加熱功能(GB/T 34549-2017 衛(wèi)生潔具_智能坐便器進行試驗)

將座圈加熱檔位調(diào)至最高檔，通電15 min以后用熱電溫度計按圖22所示溫度點測試座圈溫度，每隔2 min測試1次，共測試5次，取5次測試的平均值，所有座圈測試點的溫度不應(yīng)小于35 ℃且不大于41 ℃(見圖22)。

圖22 座圈加熱功能

座圈組件經(jīng)過尺寸檢查，性能檢測的數(shù)據(jù)對設(shè)計的測試OK后,座圈才算完成，只有把握好設(shè)計方面的相關(guān)問題，才能減少后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計變更，減少產(chǎn)品開發(fā)周期。智能座圈的產(chǎn)生，讓你的冬天再也不會凍人。