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衢州浙江宁波厂家:优化水性木器漆配方设计

日期:2018-09-27 / 文章来源:

浙江宁波厂家:优化水性木器漆配方设计

随着中国对环保的日益重视,在技术标准上、税收政策上以致法规上对溶剂型涂料不断提高了有害物质控制要求。因此,溶剂型木器涂料的水性化在行业里成为越来越热门的话题。而且,木器涂料是涂料行业里产量很大的市场,所以,原来生产溶剂型木器涂料的企业越来越多的加入到水性木器漆的研发中来。水性木器漆在2000年的时候就已经有企业进行技术研发并将产品推向市场,经过多年发展,树脂和助剂的品牌类型有了更多的选择,同时明显地产品性能的发展进步就小一些。[1-3]这也给了众多水性木器涂料研发人员一个机会,大家基本上在同一起跑线上进行市场竞争。木器涂料厂家众多,大小规模不一,其中大多数的中小涂料厂家研发条件相对薄弱。在配方实验设计方面,有的企业已经使用专业的配方设计、统计分析软件,而基于传统习惯、经济原因等,更多的中小涂料企业主要依靠研发人员的经验,采取来回调试方法进行配方设计、原材料筛选或异常问题查因等。水性木器漆在树脂选用、助剂搭配等方面明显比溶剂型木器涂料要求高,这就大大增加了日常实验的工作量。为此,本文利用目前应用广泛的Excel软件,通过创建正交试验模板的方法,可以方便运用到日常实验工作中,用来缩短实验时间、提高实验准确性。1 正交试验简介

1.1 正交试验概述正交试验最早起源于拉丁方设计思想。18世纪,普鲁士费里德里希二世要举行一次六列方队阅兵式,他要求每个方队的行和列都得由六种部队的六种军官组成,不得有重复和空缺。数学家欧拉(Euler)开始了这个问题的研究。[4]这种均衡分布思想经过数学家们的研究发展,成为了今天的正交试验设计方法。在实际的科学研发工作中,解决一个问题往往需要做大量实验。例如水性木器涂料的配方开发或原料筛选,树脂、助剂、填料都会对涂膜性能产生影响,甚至同一类型的助剂因为厂家牌号不同,对涂料质量影响有天壤之别。这样势必造成日常实验工作量巨大,就像本文提出的例子,考察流平剂、润湿剂、消泡剂3个因素,每个因素考察3个加量水平,按照排列组合一共需要做27次实验,这样不但浪费人力物力,更重要的是影响了工作进度。如果运用正交试验设计,只需做9次实验。正交实验设计正是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法,在试验因素的全部水平组合中,挑选其中有代表性的均匀分散、齐整可比的水平组合进行实验,并通过对这些实验结果数据的分析了解全面实验的情况,找出最优的水平组合

2试验部分 2.1 试验设计进行正交实验设计,首先要确定目的和实验要达到的具体指标。指标最好是量化的指标,如果是定性的指标或量化不充分的指标,可以通过排序等模糊数学方法处理。比如漆膜的流平性没有办法测出一个具体的量化数字;又或者漆膜的硬度,很多中小涂料厂并没有摆杆硬度计,多数是测试铅笔硬度,这样可能出现同样是B的硬度而样本实际硬度差距不小,导致数据处理时误差更大。这时可以通过排序法进行处理,例如总共9个实验,就把流平性或硬度分为1-9个等级或放大一倍1-18个等级,1最差9或18最好,这样数据处理就更准确一些了。其次是根据经验找出实验的主要影响因素,并确定每个因素的水平。三是选择合适的正交表,设计实验方案并进行实验,获得实验数据。最后是实验数据的处理。因为通常我们使用3-5个正交表就可以处理绝大部分的日常实验,所以利用Excel创建常用的正交表模板,将会给日常工作带来很大的便利。本实验的目的是使用更经济的消泡剂、润湿剂、流平剂代替原配方助剂,并初步找到搭配使用量。消泡剂主要有有机硅类、脂肪酸酯聚醚杂化分子级消泡剂、乙氧基化改性炔醇和矿物油类,消泡剂相容性、消泡效果跟乳液的种类有关系,使用量对漆膜流平存在影响;润湿剂有脂肪酸酯杂化聚合物、炔醇等,不同种类对木器底材的润湿铺展能力不同,同时可能会产生稳泡、影响重涂等问题。[6]流平剂也有不同种类,如碳氢类、硅类、丙烯酸类等,有些跟润湿剂可能没有明显的区分,作用上有的改善静态表面张力,有的降低动态表面张力。[7]实验确定考察上述3个因素,并根据经验确定各个因素均选取加量为0.1 %、0.2 %、0.3 %共3个水平,选用L9(34)正交表设计实验方案
Excel正交实验模板编制以下结合本实验,使用Microsoft  Excel创建一个L9(34)正交表数据处理模板。在模板中录入各因素水平数据可以方便得到实验方案,录入实验结果数据,可以快速得到分析结果。其他不同因素水平的模板能用同样方法建立。3.1 因素水平表新建一个Excel文档,命名为“4因素3水平正交试验模板”,将图1内容依次输入文档对应单元格内。单元格区域(B3:D5)为实验中各因素的各水平数据输入区域。单元格区域(E3:E5)为采用方差分析法时预留的空列,如采用直观分析法也可作为第4个因素各水平数据输入区域。图1   因素水平表Fig 1    Factors and levels of orthogonal tests 3.2 正交试验结果在因素水平表的下方对应单元格内依次按图2内容录入。需要引用数据或运算的单元格按下述内容录入对应单元格。B9单元格输入:=B3 (B9:C17)单元格区域均按B9单元格方法输入,引用因素水平表对应数据。G18单元格输入:=F9+F10+F11+F12+F13+F14+F15+F16+F17 G19单元格输入:=G18*G18/9 G20单元格输入:=F9*F9+F10*F10+F11*F11+F12*F12+F13*F13+F14*F14+F15*F15+F16*F16+F17*F17 G21单元格输入:=G20-G19 B18单元格输入:=F9+F10+F11 (B18:E20)单元格区域参考对应运算公式,按B18单元格方法输入。B21单元格输入:=B18/3 (B21:E23)单元格区域参考对应运算公式,按B21单元格方法输入。B24单元格输入:=B18*B18 (B24:E26)单元格区域参考对应运算公式,按B24单元格方法输入。B27单元格输入:=IF(MAX(B18:B20)=B18,"A1",IF(MAX(B18:B20)=B19,"A2",IF(MAX(B18:B20)=B20,"A3"))) C27单元格输入:=IF(MAX(C18:C20)=C18,"B1",IF(MAX(C18:C20)=C19,"B2",IF(MAX(C18:C20)=C20,"B3"))) D27单元格输入:=IF(MAX(D18:D20)=D18,"C1",IF(MAX(D18:D20)=D19,"C2",IF(MAX(D18:D20)=D20,"C3"))) B28单元格输入:=IF(MAX(B21:B23)-MIN(B21:B23)=0,"",MAX(B21:B23)-MIN(B21:B23)) C28单元格输入:=IF(MAX(C21:C23)-MIN(C21:C23)=0,"",MAX(C21:C23)-MIN(C21:C23)) D28单元格输入:=IF(MAX(D21:D23)-MIN(D21:D23)=0,"",MAX(D21:D23)-MIN(D21:D23))
B30单元格输入:=(B24+B25+B26)/3-G19 C30单元格输入:=(C24+C25+C26)/3-G19 D30单元格输入:=(D24+D25+D26)/3-G19 E30单元格输入:=(E24+E25+E26)/3-G19 B33单元格输入:=B30 (B33:B36)单元格区域均按B33单元格方法输入,引用(B30:E30)对应数据。D33单元格输入:=B33/C33 D34单元格输入:=B34/C34 D35单元格输入:=B35/C35 D36单元格输入:=B36/C36 E33单元格输入:=D33/D36 E34单元格输入:=D34/D36 E35单元格输入:=D35/D36 以上为方便理解,基本按正交试验公式输入。个别使用了Excel运算函数,该部分也可以很容易的手工填入,所以制作模板时也可留空对应单元格
4结果及讨论 从图2可知,最重要的影响因素是润湿剂,各因素的影响主次顺序为:润湿剂>消泡剂>流平剂,最优水平为A3C1B3。在科学研究和工业生产领域,正交试验设计是最常用的试验设计方法之一。利用广泛使用的Excel软件,创建正交试验设计模板,在录入各因素各水平的数据后,可以方便得到实验方案;在实验结果栏目录入实验得到的数据,则避免了运算的麻烦,准确快速的获得极差、各因素主次顺序和最优水平,以及因素显著性的分析等内容,为下一步细化深入优化配方提供了依据,缩短了研发周期。用同样的方法,将常用的正交表建立一个模板并保存后,即可在日常试验工作中使用,提高实验效率。同时,经济投入小,更适合中小涂料企业研发实验人员应用