响应面法优化节水型陶瓷坐便器功能参数
2022-09-01熊正燕林毓全朱述文祁光忠
熊正燕,林毓全,朱述文,祁光忠
(九牧厨卫股份有限公司, 泉州362300)
1 前言
中国是一个干旱缺水严重的国家。2020 全年水资源总量30963 亿立方米[1],人均水资源量为2239.8 立方米,是全球人均水资源最贫乏的国家之一。因此低用水量成为消费者选择卫浴产品的重要因素。节水型陶瓷坐便器的研发也是卫浴产品发展的方向之一。随着坐便器的普及,如何在低用水量的前提下实现强排污功能是急需解决的难题。
响应面法(RSM)是采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数,能够精确的研究各因子与响应值之间的关系,解决多变量问题的一种统计方法,其应用领域广泛,包括食品、纳米材料、微生物试验、工艺优化[2-6]等,未见应用于卫生陶瓷领域研究。本文基于坐便器功能影响参数,利用响应面法对产品功能进行正交分析,用水量、喷射孔径及布水孔孔径对节水型坐便器冲洗功能的影响,首次将响应面法应用于陶瓷坐便器功能研究,为节水型坐便器的研究提供参考。
2 仪器及耗材
2.1 仪器
马桶功能测试机(江苏天诺新材料科技股份有限公司)。
2.2 试剂耗材
连体马桶:九牧厨卫股份有限公司2021 年9 月20日生产的节水型坐便器试验品,座圈布水孔32 个。
PP 球、聚乙烯颗粒及墨线笔购于中国建材检验认证集团(陕西)有限公司。
3 分析方法
参考GB/T 6952-2015 标准要求的测试介质:被测样品安装好后,按产品说明调节冲水装置至规定用水量,测试功能。
球排放试验(残留量):将500 个标准实心球轻轻放入坐便器中,启动冲水装置,记录未冲出的数量;颗粒排放试验((残留量)):将65g 圆柱形聚乙烯颗粒放入便器存水弯中,启动冲水装置,记录存水弯中可见颗粒数;洗净功能(总墨线残留):在坐便器水圈下方25mm 处沿洗净面画一条连续的细墨线,启动冲水装置,记录墨线单段长度计算总长。
采用Design-Expert 8.0 软件的Box- Behnken 设计试验,并进行方差分析、响应曲面分析,获得最佳功能效果参数。
4 原理及试验设计
4.1 坐便器功能影响流程
在存水弯管道结构固定下,坐便器功能影响流程图如图1 所示。
图1 坐便器功能影响的流程图
4.2 多因素正交试验设计
经预试验数据选定适宜参数范围,利用Desgin-Expert 软件,设计多因素正交组合试验,因素水平如表1 所示,获取球排放功能(残留数)及颗粒排放功能(残留数)、洗净功能(总墨线残留)回归模型,求解最优参数组合
表1 坐便器洗净功能(总墨线残留) 的试验因素与水平
5 结果与分析
5.1 正交试验结果
根据正交试验设计进行模拟试验,以各影响因素取值为自变量,以残留的球、颗粒、墨线为评价指标,试验结果如表2 所示。
表2 正交试验结果
5.2 三模型多项式分析结果
根据表2 的数据样本,通过Desgin- Expert 软件得到该产品冲洗功能二次多项式回归模型:三模型的二项式(表3)决定系数大于90%,变异系数小于15%,说明三模型的二项式拟合曲线基本可靠。
表3 三模型拟合曲线结果(%)
5.3 方差分析结果
由回归模型的方差分析(表4)可知,3 个回归模型的P<0.01,表明回归模型极显著;3 个回归项在回归模型中交互影响显著;3 个模型失拟项P>0.05,失拟性不显著,回归模型拟合程度高。由方差分析可以看出,对球排放功能(残留数)的影响依次为用水量>喷射孔径>布水孔孔径;对颗粒排放功能(残留数)影响为用水量>喷射孔径;对洗净功能(总墨线残留)的影响依次为布水孔孔径>喷射孔径。二次多项式模型P 值可判断用水量和喷射孔径对陶瓷坐便器球排放功能(残留数)、颗粒排放功能(残留数)有极显著影响,布水孔孔径、喷射孔径对洗净功能(总墨线残留)有极显著影响。
5.4 响应曲面结果分析
根据回归模型分析结果,绘制各因素交互效应3D响应曲面图,用水量、喷射孔径对球排放功能(残留数)及颗粒排放功能(残留数)的影响见图2-a、2-b、2-c:用水量、喷射孔径大小对球排放、颗粒排放功能(残留数)呈正相关,喷射孔径则呈负相关;两因子同时增加,球排放功能(残留数)和颗粒排放功能上升。布水孔孔径、用水量对洗净功能(总墨线残留)的影响呈正相关;用水量及布水孔孔径同时增加,其洗净功能(总墨线残留)增强。
在用水量(4-5)L、布水孔孔径(5-8)mm、喷射孔径(28-32)mm 范围内,采用Design-Expert 8.0 软件的Box-Behnken 进行分析,可选择的最优参数为用水量4.5L、布水孔孔径7mm、喷射孔径30mm。
表4 二次多项式模型的方差分析
图2 用水量、喷射孔径对球排放功能(残留数) 及颗粒排放功能(残留数) 的影响
6 结论
陶瓷产品在烧制过程中,受产品浆面厚度、窑温、烧制密度等影响,每个产品的变形量不同,导致存水弯管道存在差别,功能也存在差别。2015 年实施的《节水型卫生洁具》规范节水型坐便器平均用水量不大于5L。已烧制后节水型坐便器为保证其低用水量及良好的排污功能,限制用水量、改良喷射孔及布水孔孔大小是优化产品质量的最佳手段。
结果显示:用水量和喷射孔径对陶瓷坐便器球排放功能(残留数)、颗粒排放功能(残留数)有极显著影响,布水孔孔径、喷射孔径对洗净功能(总墨线残留)有极显著影响。三个测试功能与三因素之间存在正相关性。在用水量(4-5)L、布水孔孔径(5-8)mm、喷射孔径(28-32)mm范围内,最优参数为用水量4.5L、布水孔孔径7mm、喷射孔径30mm;
当管道结构固定时,用水量、布水孔孔径、喷射孔径在虹吸作用下会相互影响,一定范围内喷射孔径越小喷射力越大,产品冲洗功能越好,用水量相对较少,但喷射力过大则产品虹吸过强反而开始增加用水量。使用响应面法,模拟实际产品参数调节过程中的相互影响,以获得该节水型产品最优参数,为解决节水型坐便器功能问题提供数据支持。