用正交试验设计研究香波配方中各组份对发泡力的影响

用正交试验设计研究香波配方中各组份对发泡力的影响

作者：邱永庆

摘要

在香波中影响泡沫指标的组份很多，本文尝试用最少的实验次数来找出各组份对泡沫的影响程度。本文选用正交实验设计来规划实验方案，分别考察了十二烷基硫酸钠（K－12）、椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）、柠檬酸、聚氧乙烯硅氧烷（DC－193）对香波泡沫的影响。通过实验发现，K－12的用量增加，泡沫也会增加；柠檬酸的用量对泡沫影响很小；而CAB和DC－193的用量越多，泡沫越少。

一.引言

化妆品的配方实验,有两个“多”，即配方组份多，考察的性能指标多，因此如果没有正确的实验设计方法，必将带来实验次数繁多，而得出的结论不一定能全面揭示配方的内在规律。

因此选用正确的实验设计方法，显得尤为重要。目前通常的实验设计方法有配对设计、完全随机化设计、均衡设计、正交设计等。这其中正交试验设计主要用来进行多因素试验。

正交试验设计是一种使用正交表来安排多因素多水平试验，并利用普通的统计分析方法来分析试验结果的科学方法。在科学实验研究中，会遇到很多可变的因素，这种情况我们称之为多因素，而每个可变因素变化的各个数值我们称之为多水平。

正交试验设计的这些特点正符合化妆品配方实验的组份多的特点，因此可以考虑选用正交试验设计来进行化妆品的配方实验，笔者用正交试验设计对香波的配方实验作了探索。香波有很多性能指标，其中最重要的指标是香波的泡沫指标（即香波在洗涤时的发泡力和泡沫量）。而香波中各组份对泡沫指标都有影响，为积累一定的原料数据，掌握各组份对发泡的影响规律。笔者选用正交试验设计以期达到实验次数最少，得到的结果能充分全面地反映各组份对香波泡沫量的影响。

使用正交表就能把因素间两两搭配均匀，而且能把各个因素对性能指标的作用分清楚，找出最优水平的搭配，并能大大减少试验次数。例如，在实验中考虑5因素4水平的实验方案，用正交设计安排实验只需要做16次试验，而全面试验则需要做45＝1024次试验。总之，用正交表设计实验既能大大减少实验次数，又能全面反映实验的内在规律，分清楚各因素对性能指标的作用。

　

二.实验设计:

实验目的：考察香波配方中的各组份对泡沫的影响，优化香波的泡沫指标。

可变因素：选用四个可变因素

·十二烷基硫酸钠（K－12）

·椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）

·柠檬酸

·聚氧乙烯硅氧烷（DC－193）

可变的水平数：每个因素分别取三个水平数

由于共有4个可变因素，并选取三个变化水平。因此，选用正交表中的L9（34）。具体表头设计见表1如下：

表1.


 
 列
 号
 
 
试验号
 因素1
 因素2
 因素3
 因素4
 
1#
 水平1
 水平3
 水平1
 水平2
 
2#
 水平2
 水平1
 水平1
 水平1
 
3#
 水平3
 水平2
 水平1
 水平3
 
4#
 水平1
 水平2
 水平2
 水平1
 
5#
 水平2
 水平3
 水平2
 水平3
 
6#
 水平3
 水平1
 水平2
 水平2
 
7#
 水平1
 水平1
 水平3
 水平3
 
8#
 水平2
 水平2
 水平3
 水平2
 
9#
 水平3
 水平3
 水平3
 水平1
 


香波的因素和水平见表2.

表2.


 
 因
 素
 
 
水平
 K－12
 CAB（30％）
 柠檬酸
 DC－193
 
1
 1％
 2％
 0％
 0％
 
2
 3％
 6％
 0.05％
 2％
 
3
 5％
 10％
 0.2％
 4％
 

将两个表合并，将因素K－12、CAB、柠檬酸、DC－193和它们的水平安排在正交表表1上。见表3.

表3.

列号
 1
 2
 3
 4
 
配方号
 K-12
 CAB
 柠檬酸
 DC-193
 
1#
 1
 10
 0
 2
 
2#
 3
 2
 0
 0
 
3#
 5
 6
 0
 4
 
4#
 1
 6
 0.05
 0
 
5#
 3
 10
 0.05
 4
 
6#
 5
 2
 0.05
 2
 
7#
 1
 2
 0.2
 4
 
8#
 3
 6
 0.2
 2
 
9#
 5
 10
 0.2
 0
 


　

三.材料和实验方法:

（1）原材料：

所用原材料见表4如下：

表4.

编号
 原料名称
 原料来源
 
1
 十二烷基硫酸钠（K－12）
 日本花王公司
 
2
 椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB30％）
 德国HOESCHT公司
 
3
 聚氧乙烯硅氧烷

（DC－193）
 美国DOW－CORNING公司
 
4
 柠檬酸
 上海新型发酵厂
 
5
 AES（70％）
 日本花王公司
 
6
 氯化钠
 －－－
 
7
 去离子水
 －－－
 

（2）配制工艺

将上述原料按实验设计所示比例混合均匀。

（3）泡沫测定

采用ROSS泡沫仪。将香波样品稀释成0.25%，然后用ROSS泡沫仪测定泡沫高度。

　

四.结果与讨论：

实验的结果：即测定的泡沫量见表5

表5.

列号
 1
 2
 3
 4
 泡沫量
 
配方号
 K-12
 CAB
 柠檬酸
 DC-193
 （mm）
 
1#
 1
 10
 0
 2
 160
 
2#
 3
 2
 0
 0
 195
 
3#
 5
 6
 0
 4
 175
 
4#
 1
 6
 0.05
 0
 175
 
5#
 3
 10
 0.05
 4
 165
 
6#
 5
 2
 0.05
 2
 195
 
7#
 1
 2
 0.2
 4
 170
 
8#
 3
 6
 0.2
 2
 180
 
9#
 5
 10
 0.2
 0
 180
 

从这9组配方的泡沫结果出发，分析各因素水平的改变对泡沫的影响。首先考察K－12，在9组配方中，K－12配比为1％的配方分别为1#、4#、7#，3％的配方分别为2#、5#、8#，5％的配方分别为3#、6#、9#，将1#、4#、7#配方的泡沫量取平均值，即得K－12在1％时表现的泡沫量。依次算出因素K－12在3％、5％水平上的泡沫量，将最大值减去最小值，得到极差。依次可算出CAB、柠檬酸和DC－193对泡沫量的影响。结果见表6如下：

表6.


 
 水平1
 水平2
 水平3
 极差
 

 水平值
 1％
 3％
 5％
 
 
K-12
 实验号
 1#,4#,7#
 2#,5#,8#
 3#,6#,9#
 
 

 平均值
 168mm
 180mm
 183mm
 15mm
 

 水平值
 2％
 6％
 10％
 
 
CAB
 实验号
 2#,6#,7#
 3#,4#,8#
 1#,5#,9#
 
 

 平均值
 186mm
 176mm
 168mm
 18mm
 

 水平值
 0％
 0.05％
 0.2％
 
 
柠檬酸
 实验号
 1#,2#,3#
 4#,5#,6#
 7#,8#,9#
 
 

 平均值
 176mm
 178mm
 177mm
 2mm
 

 水平值
 0％
 2％
 4％
 
 
DC－193
 实验号
 2#,4#,9#
 1#,6#,8#
 3#,5#,7#
 
 

 平均值
 183mm
 178mm
 170mm
 13mm
 

由于极差的大小反映因素对指标的影响，极差大的表示该因素的变动对指标的影响大，极差小的表示该因素的变动对指标的影响小。由表6可见，对泡沫影响最大的是CAB，和K－12、DC－193，而柠檬酸相对来说对泡沫的影响就很小了。

另外，从表6可见K－12的用量越大，泡沫就越多。但在3％到5％之间的变化不大，如果欲优化配方，K－12的用量可考虑为3％。

从CAB的变化水平来看，随着CAB用量的增大，泡沫量会减少。

而柠檬酸的用量，和泡沫量几乎是没有关系的。

从DC－193的变化水平来看，随着DC－193用量的增大，泡沫量会减少。

K－12、CAB、柠檬酸、DC－193的三个水平数和泡沫量的关系见以下四个图。








五.结论：

1.用正交实验设计在全面反映配方的内在规律的同时，可大大减少配方的次数。

2.正交实验能清晰地反映香波各组份对泡沫的影响程度。

3.从正交实验结果分析表明，K－12的用量越大，泡沫量越高，但用量达到3－5％之间时，泡沫增加的幅度并不很大。

4.CAB、DC－193在香波中随着用量的增大，泡沫会减少。

5.柠檬酸在0－0.2％的用量下，对香波的泡沫影响不大。


六.参考文献：

1.《表面活性剂应用大全》，北京工业大学出版社，刘程，1992.12

2.《日用化工原料手册》中国轻工业出版社，俞福良，1991.12

3.《医药应用概率统计》，百家出版社，周怀梧，1990.2