響應(yīng)面法優(yōu)化節(jié)水型陶瓷坐便器功能參數(shù)

熊正燕，林毓全，朱述文，祁光忠

（九牧廚衛(wèi)股份有限公司， 泉州362300）

1 前言

中國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家。2020 全年水資源總量30963 億立方米[1]，人均水資源量為2239.8 立方米，是全球人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。因此低用水量成為消費(fèi)者選擇衛(wèi)浴產(chǎn)品的重要因素。節(jié)水型陶瓷坐便器的研發(fā)也是衛(wèi)浴產(chǎn)品發(fā)展的方向之一。隨著坐便器的普及，如何在低用水量的前提下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)排污功能是急需解決的難題。

響應(yīng)面法（RSM）是采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)，能夠精確的研究各因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系，解決多變量問題的一種統(tǒng)計(jì)方法，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括食品、納米材料、微生物試驗(yàn)、工藝優(yōu)化[2-6]等，未見應(yīng)用于衛(wèi)生陶瓷領(lǐng)域研究。本文基于坐便器功能影響參數(shù)，利用響應(yīng)面法對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行正交分析，用水量、噴射孔徑及布水孔孔徑對(duì)節(jié)水型坐便器沖洗功能的影響，首次將響應(yīng)面法應(yīng)用于陶瓷坐便器功能研究，為節(jié)水型坐便器的研究提供參考。

2 儀器及耗材

2.1 儀器

馬桶功能測(cè)試機(jī)（江蘇天諾新材料科技股份有限公司）。

2.2 試劑耗材

連體馬桶：九牧廚衛(wèi)股份有限公司2021 年9 月20日生產(chǎn)的節(jié)水型坐便器試驗(yàn)品，座圈布水孔32 個(gè)。

PP 球、聚乙烯顆粒及墨線筆購(gòu)于中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)(陜西)有限公司。

3 分析方法

參考GB/T 6952-2015 標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試介質(zhì)：被測(cè)樣品安裝好后，按產(chǎn)品說明調(diào)節(jié)沖水裝置至規(guī)定用水量，測(cè)試功能。

球排放試驗(yàn)（殘留量）：將500 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心球輕輕放入坐便器中，啟動(dòng)沖水裝置，記錄未沖出的數(shù)量；顆粒排放試驗(yàn)（（殘留量））：將65g 圓柱形聚乙烯顆粒放入便器存水彎中，啟動(dòng)沖水裝置，記錄存水彎中可見顆粒數(shù)；洗凈功能（總墨線殘留）：在坐便器水圈下方25mm 處沿洗凈面畫一條連續(xù)的細(xì)墨線，啟動(dòng)沖水裝置，記錄墨線單段長(zhǎng)度計(jì)算總長(zhǎng)。

采用Design-Expert 8.0 軟件的Box- Behnken 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并進(jìn)行方差分析、響應(yīng)曲面分析，獲得最佳功能效果參數(shù)。

4 原理及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 坐便器功能影響流程

在存水彎管道結(jié)構(gòu)固定下，坐便器功能影響流程圖如圖1 所示。

圖1 坐便器功能影響的流程圖

4.2 多因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)預(yù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)選定適宜參數(shù)范圍，利用Desgin-Expert 軟件，設(shè)計(jì)多因素正交組合試驗(yàn)，因素水平如表1 所示，獲取球排放功能（殘留數(shù)）及顆粒排放功能（殘留數(shù)）、洗凈功能（總墨線殘留）回歸模型，求解最優(yōu)參數(shù)組合

表1 坐便器洗凈功能（總墨線殘留） 的試驗(yàn)因素與水平

5 結(jié)果與分析

5.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以各影響因素取值為自變量，以殘留的球、顆粒、墨線為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

5.2 三模型多項(xiàng)式分析結(jié)果

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)樣本，通過Desgin- Expert 軟件得到該產(chǎn)品沖洗功能二次多項(xiàng)式回歸模型：三模型的二項(xiàng)式（表3）決定系數(shù)大于90%，變異系數(shù)小于15%，說明三模型的二項(xiàng)式擬合曲線基本可靠。

表3 三模型擬合曲線結(jié)果（%）

5.3 方差分析結(jié)果

由回歸模型的方差分析（表4）可知，3 個(gè)回歸模型的P＜0.01，表明回歸模型極顯著；3 個(gè)回歸項(xiàng)在回歸模型中交互影響顯著；3 個(gè)模型失擬項(xiàng)P＞0.05，失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。由方差分析可以看出，對(duì)球排放功能（殘留數(shù)）的影響依次為用水量＞噴射孔徑＞布水孔孔徑；對(duì)顆粒排放功能（殘留數(shù)）影響為用水量＞噴射孔徑；對(duì)洗凈功能（總墨線殘留）的影響依次為布水孔孔徑＞噴射孔徑。二次多項(xiàng)式模型P 值可判斷用水量和噴射孔徑對(duì)陶瓷坐便器球排放功能（殘留數(shù)）、顆粒排放功能（殘留數(shù)）有極顯著影響，布水孔孔徑、噴射孔徑對(duì)洗凈功能（總墨線殘留）有極顯著影響。

5.4 響應(yīng)曲面結(jié)果分析

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，繪制各因素交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖，用水量、噴射孔徑對(duì)球排放功能（殘留數(shù)）及顆粒排放功能（殘留數(shù)）的影響見圖2-a、2-b、2-c：用水量、噴射孔徑大小對(duì)球排放、顆粒排放功能（殘留數(shù)）呈正相關(guān)，噴射孔徑則呈負(fù)相關(guān)；兩因子同時(shí)增加，球排放功能（殘留數(shù)）和顆粒排放功能上升。布水孔孔徑、用水量對(duì)洗凈功能（總墨線殘留）的影響呈正相關(guān)；用水量及布水孔孔徑同時(shí)增加，其洗凈功能（總墨線殘留）增強(qiáng)。

在用水量(4-5)L、布水孔孔徑(5-8)mm、噴射孔徑(28-32)mm 范圍內(nèi)，采用Design-Expert 8.0 軟件的Box-Behnken 進(jìn)行分析，可選擇的最優(yōu)參數(shù)為用水量4.5L、布水孔孔徑7mm、噴射孔徑30mm。

表4 二次多項(xiàng)式模型的方差分析

圖2 用水量、噴射孔徑對(duì)球排放功能（殘留數(shù)） 及顆粒排放功能（殘留數(shù)） 的影響

6 結(jié)論

陶瓷產(chǎn)品在燒制過程中，受產(chǎn)品漿面厚度、窯溫、燒制密度等影響，每個(gè)產(chǎn)品的變形量不同，導(dǎo)致存水彎管道存在差別，功能也存在差別。2015 年實(shí)施的《節(jié)水型衛(wèi)生潔具》規(guī)范節(jié)水型坐便器平均用水量不大于5L。已燒制后節(jié)水型坐便器為保證其低用水量及良好的排污功能，限制用水量、改良噴射孔及布水孔孔大小是優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量的最佳手段。

結(jié)果顯示：用水量和噴射孔徑對(duì)陶瓷坐便器球排放功能（殘留數(shù)）、顆粒排放功能（殘留數(shù)）有極顯著影響，布水孔孔徑、噴射孔徑對(duì)洗凈功能（總墨線殘留）有極顯著影響。三個(gè)測(cè)試功能與三因素之間存在正相關(guān)性。在用水量(4-5)L、布水孔孔徑(5-8)mm、噴射孔徑(28-32)mm范圍內(nèi)，最優(yōu)參數(shù)為用水量4.5L、布水孔孔徑7mm、噴射孔徑30mm；

當(dāng)管道結(jié)構(gòu)固定時(shí)，用水量、布水孔孔徑、噴射孔徑在虹吸作用下會(huì)相互影響，一定范圍內(nèi)噴射孔徑越小噴射力越大，產(chǎn)品沖洗功能越好，用水量相對(duì)較少，但噴射力過大則產(chǎn)品虹吸過強(qiáng)反而開始增加用水量。使用響應(yīng)面法，模擬實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)調(diào)節(jié)過程中的相互影響，以獲得該節(jié)水型產(chǎn)品最優(yōu)參數(shù)，為解決節(jié)水型坐便器功能問題提供數(shù)據(jù)支持。