響應面法優化節水型陶瓷坐便器功能參數

熊正燕，林毓全，朱述文，祁光忠

（九牧廚衛股份有限公司， 泉州362300）

1 前言

中國是一個干旱缺水嚴重的國家。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家之一。因此低用水量成為消費者選擇衛浴產品的重要因素。節水型陶瓷坐便器的研發也是衛浴產品發展的方向之一。隨著坐便器的普及，如何在低用水量的前提下實現強排污功能是急需解決的難題。

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

2 儀器及耗材

2.1 儀器

馬桶功能測試機（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：九牧廚衛股份有限公司2021 年9 月20日生產的節水型坐便器試驗品，座圈布水孔32 個。

PP 球、聚乙烯顆粒及墨線筆購于中國建材檢驗認證集團(陜西)有限公司。

3 分析方法

參考GB/T 6952-2015 標準要求的測試介質：被測樣品安裝好后，按產品說明調節沖水裝置至規定用水量，測試功能。

球排放試驗（殘留量）：將500 個標準實心球輕輕放入坐便器中，啟動沖水裝置，記錄未沖出的數量；顆粒排放試驗（（殘留量））：將65g 圓柱形聚乙烯顆粒放入便器存水彎中，啟動沖水裝置，記錄存水彎中可見顆粒數；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的細墨線，啟動沖水裝置，記錄墨線單段長度計算總長。

采用Design-Expert 8.0 軟件的Box- Behnken 設計試驗，并進行方差分析、響應曲面分析，獲得最佳功能效果參數。

4 原理及試驗設計

4.1 坐便器功能影響流程

在存水彎管道結構固定下，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 多因素正交試驗設計

經預試驗數據選定適宜參數范圍，利用Desgin-Expert 軟件，設計多因素正交組合試驗，因素水平如表1 所示，獲取球排放功能（殘留數）及顆粒排放功能（殘留數）、洗凈功能（總墨線殘留）回歸模型，求解最優參數組合

表1 坐便器洗凈功能（總墨線殘留） 的試驗因素與水平

5 結果與分析

5.1 正交試驗結果

根據正交試驗設計進行模擬試驗，以各影響因素取值為自變量，以殘留的球、顆粒、墨線為評價指標，試驗結果如表2 所示。

表2 正交試驗結果

5.2 三模型多項式分析結果

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

表3 三模型擬合曲線結果（%）

5.3 方差分析結果

由回歸模型的方差分析（表4）可知，3 個回歸模型的P＜0.01，表明回歸模型極顯著；3 個回歸項在回歸模型中交互影響顯著；3 個模型失擬項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，對球排放功能（殘留數）的影響依次為用水量＞噴射孔徑＞布水孔孔徑；對顆粒排放功能（殘留數）影響為用水量＞噴射孔徑；對洗凈功能（總墨線殘留）的影響依次為布水孔孔徑＞噴射孔徑。二次多項式模型P 值可判斷用水量和噴射孔徑對陶瓷坐便器球排放功能（殘留數）、顆粒排放功能（殘留數）有極顯著影響，布水孔孔徑、噴射孔徑對洗凈功能（總墨線殘留）有極顯著影響。

5.4 響應曲面結果分析

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

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，采用Design-Expert 8.0 軟件的Box-Behnken 進行分析，可選擇的最優參數為用水量4.5L、布水孔孔徑7mm、噴射孔徑30mm。

表4 二次多項式模型的方差分析

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

6 結論

陶瓷產品在燒制過程中，受產品漿面厚度、窯溫、燒制密度等影響，每個產品的變形量不同，導致存水彎管道存在差別，功能也存在差別。2015 年實施的《節水型衛生潔具》規范節水型坐便器平均用水量不大于5L。已燒制后節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化產品質量的最佳手段。

結果顯示：用水量和噴射孔徑對陶瓷坐便器球排放功能（殘留數）、顆粒排放功能（殘留數）有極顯著影響，布水孔孔徑、噴射孔徑對洗凈功能（總墨線殘留）有極顯著影響。三個測試功能與三因素之間存在正相關性。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，最優參數為用水量4.5L、布水孔孔徑7mm、噴射孔徑30mm；

當管道結構固定時，用水量、布水孔孔徑、噴射孔徑在虹吸作用下會相互影響，一定范圍內噴射孔徑越小噴射力越大，產品沖洗功能越好，用水量相對較少，但噴射力過大則產品虹吸過強反而開始增加用水量。使用響應面法，模擬實際產品參數調節過程中的相互影響，以獲得該節水型產品最優參數，為解決節水型坐便器功能問題提供數據支持。