Nghiên cứu ứng dụng mô hình thực nghiệm hồi quy đa biến trong chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo có độ bám dính cao

Journal of Science and Transport Technology University of Transport Technology JSTT 2022, 2 (3), 18 24 https //jstt vn/index php/vn Research and application of multivariable regression experimental mo[.]

Journal of Science and Transport Technology University of Transport Technology Research and application of multivariable regression experimental model in manufacturing thermoplastic paint materials with high adhesion Phạm Hồng Chuyên* Chemistry Department/ Faculty of Applied Sciences, University of Transport Technology, 54 Trieu Khuc, Thanh Xuan District 11400, Ha Noi, Viet Nam Article info Type of article: Original research paper * Corresponding author: E-mail address: chuyenph@utt.edu.vn Received: 13/06/2022 Accepted: 15/07/2022 Published: 30/07/2022 JSTT 2022, (3), 18-24 Abstract: In this paper, the author presents the results of a survey on selection of thermoplastics available on the Vietnamese market to make thermoplastic paints with high adhesion From that result, the next studies will build a multivariable regression experimental model according to the method of Mc Lean - Anderson to select the content of chemical components in thermoplastic paint Research results have selected the formulation of thermoplastic paint including: CaCO3 powder 38%, thermoplastic 32%, glass ball 20%, pigment 10% Using the method of determining the pull-off adhesion according to ISO 4624:2002, the results show that the thermoplastic paint made from the model has high adhesion, exceeding the requirements of the standard TCVN 8791:2018 equivalent to the standard ASSHTO M 249:2012 standard Keywords: Thermoplastic paint, multivariable regression experimental model, adhesion https://jstt.vn/index.php/vn Tạp chí điện tử Khoa học Công nghệ Giao thông Trường Đại học Cơng nghệ GTVT Nghiên cứu ứng dụng mơ hình thực nghiệm hồi quy đa biến chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo có độ bám dính cao Phạm Hồng Chun* Bộ mơn Hóa/Khoa Khoa học ứng dụng, Trường Đại học Công nghệ GTVT, 54 Triều Khúc, Thanh Xuân 11400, Hà Nội, Việt Nam Thông tin viết Bài báo khoa học * Tác giả liên hệ: Địa E-mail: chuyenph@utt.edu.vn Ngày nộp bài:13/06/2022 Ngày chấp nhận: 15/07/2022 Ngày đăng bài:30/07/2022 Tóm tắt: Trong báo này, tác giả trình bày kết khảo sát lựa chọn loại nhựa nhiệt dẻo có thị trường Việt Nam để chế tạo sơn nhiệt dẻo có độ bám dính cao Từ kết đó, nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm hồi quy đa biến theo phương pháp Mc Lean – Anderson để lựa chọn hàm lượng thành phần hóa học có sơn nhiệt dẻo Kết nghiên cứu lựa chọn công thức chế tạo sơn nhiệt dẻo bao gồm: Bột CaCO3 38%, nhựa nhiệt dẻo 32%, bi thủy tinh 20%, pigment 10% Sử dụng phương pháp xác định độ bám dính kiểu pull – off theo ISO 4624: 2002, kết cho thấy sơn nhiệt dẻo chế tạo từ mơ hình có độ bám dính cao, vượt u cầu tiêu chuẩn TCVN 8791:2018 tương đương tiêu chuẩn ASSHTO M 249: 2012 Từ khóa: Sơn nhiệt dẻo, mơ hình thực nghiệm hồi quy đa biến, độ bám dính Đặt vấn đề Hiện nay, thị trường Việt Nam có nhiều hãng sản xuất sơn nhiệt dẻo phản quang dùng làm vạch tín hiệu giao thơng, kể đến hãng sơn Kova, Jotun, Gia Hùng, DPI, Savico, Gamzon Thành phần cấu tạo loại sơn bao gồm: Chất tạo màng (nhựa nhiệt dẻo), bột độn (thường bột đá canxicacbonat), bột màu, bi thủy tinh, phụ gia Các chất trộn vào tạo thành hỗn hợp bột sơn nhiệt dẻo, tỷ lệ thành phần tuân theo tiêu chuẩn nhà xản xuất, hầu hết dựa tiêu chuẩn quy định Việt Nam giới Ở Việt Nam, tiêu chuẩn quy định thành phần sơn nhiệt dẻo sử dụng làm vạch tín hiệu giao thông áp dụng tiêu chuẩn TCVN 8791:2018 Còn giới, tiêu chuẩn vật liệu sơn nhiệt dẻo dùng làm vạch tín hiệu giao thơng kể đến tiêu chuẩn AASHTO M 249 – JSTT 2022, (3), 18-24 12 (2012) Mỹ, tiêu chuẩn BS 3262 Anh, tiêu chuẩn JIS 5665: 2016 Nhật Bản, Theo tiêu chuẩn thành phần hóa học vật liệu sơn nhiệt dẻo thể Bảng [1,2] Theo Bảng 1, hàm lượng chất hóa học vật liệu sơn nhiệt dẻo không thống mà thay đổi tùy theo hãng sản xuất, bí cơng nghệ hãng Trên thực tế, nhiều công trình đường cao tốc vạch sơn kẻ đường nhiệt dẻo có tuổi thọ đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 8791:2018 bên cạnh cịn có nhiều cơng trình đường giao thông khác quốc lộ, tỉnh lộ, vạch sơn kẻ đường nhiệt dẻo lại có tuổi thọ chưa đạt yêu cầu TCVN 8791:2018 Một nguyên nhân thành phần cốt liệu nhựa nhiệt dẻo có chất lượng khơng tốt chưa phù hợp với yêu cầu Nhựa nhiệt dẻo chất tạo màng hàm lượng sơn yếu tố quan trọng để nâng cao độ bám dính sơn, từ nâng https://jstt.vn/index.php/vn JSTT 2022, (3), 18-24 Phạm cao tuổi thọ cho vạch kẻ đường nhiệt dẻo đảm bảo an tồn giao thơng đường [3,4] Chính vậy, việc nghiên cứu, khảo sát lựa chọn loại nhựa hàm lượng để chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo yêu cầu cấp thiết Nhưng có vấn đề, vật liệu sơn nhiệt dẻo có hợp chất hóa học có hàm lượng lớn nhựa nhiệt dẻo (chất tạo màng), chất độn trơ, bi thủy tinh định tính chất lý cho vạch sơn nhiệt dẻo Thay đổi hàm lượng chất làm thay đổi hàm lượng chất khác tương ứng cho tổng hàm lượng chúng không đổi Với tốn này, việc ứng dụng mơ hình thực nghiệm hồi quy đa biến lựa chọn tối ưu giúp giảm nhiều mẫu khảo sát, tiết kiệm thời gian chi phí để tạo công thức chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo đạt yêu cầu mong muốn [4] Do đó, với nghiên cứu này, tác giả mong muốn xây dựng mơ hình hồi quy đa biến để lựa chọn hàm lượng cốt liệu chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo có độ bám dính cao, đạt vượt u cầu theo tiêu chuẩn hành Việt Nam Bảng Thành phần vật liệu sơn nhiệt dẻo theo tiêu chuẩn Việt Nam nước Hàm lượng, % theo khối lượng Thành phần AASHTO M249 – 12 BS 3262 JIS 5665: 2016 TCVN 8791:2018 ≥ 18 ≥ 18 ≥ 18 ≥ 18 30 – 40 ≥ 20 ≥ 20 ≥ 20 Chất độn trơ ≤ 42 ≤ 60 ≤ 60 ≤ 60 Pigment ≥ 10 ≥6 ≥6 ≥6 Chất tạo màng Bi thuỷ tinh AASHTO= American Association of State Highway and Transportation Officials, BS= British Standards, JIS= Japan Industrial Standard, TCVN = Tiêu chuẩn Việt Nam Phương pháp nghiên cứu 2.1 Thí nghiệm 1: Lựa chọn loại nhựa hidrocacbon làm chất tạo màng cho sơn + Chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo: Trong thí nghiệm này, chất tạo màng cho sơn thay đổi bằng cách sử dụng loại nhựa hidrocacbon khác có bán sẵn thị trường Việt Nam, đặc tính loại nhựa đưa Bảng 2, hàm lượng nhựa chất khác đưa Bảng Các cốt liệu sau cân theo tỉ lệ xác định với tổng khối lượng mẻ kg trộn bằng máy khuấy sơn bột cỡ nhỏ (loại bồn khuấy lít) với tốc độ 60 vịng/phút, bột sơn tạo chưa sử dụng bảo quản hộp nhựa có nắp đậy kín + Chế tạo vạch sơn nhiệt dẻo để đo độ bám dính: Vật liệu sơn cân khoảng 1kg cho vào nồi inox gia nhiệt bếp điện đến nhiệt độ 220±20C đến toàn hỗn hợp bột rắn chuyển thành chất lỏng nhớt (trong trình gia nhiệt bột sơn khuấy nhẹ liên tục) Sau sơn lỏng nhanh chóng rót vào thiết bị tạo vạch sơn tiến hành tạo vạch sơn mẫu bê tơng nhựa (kích thước mẫu 30x30 cm) chuẩn bị sẵn Vạch sơn tạo với bề rộng 10cm, độ dày 3mm theo quy định TCVN 8791:2018 + Xác định độ bám dính vạch sơn nhiệt dẻo: Độ bám dính vạch sơn tạo từ mẫu sơn chế tạo từ loại nhựa khác xác định bằng thiết bị đo độ bám dính hãng DEFELSKO (Mỹ), model ATM20A Nguyên lý cách tiến hành mơ tả qua Hình Độ bám dính tính theo cơng thức sau: Lực kéo (N) Độ bám dính = Diện tích mẫu thử (mm2) đơn vị tính đổi đơn vị MPa, kết tính lấy đến 0,01 MPa 19 JSTT 2022, (3), 18-24 Phạm Bảng Các loại nhựa hidrocacbon sử dụng chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo STT Ký hiệu Đặc tính Nhiệt độ hóa dẻo Khối lượng riêng (g/ml) Độ nhớt (ở 2000C) A 100 95 – 1050C 0,93 – 0,99 ≤ 250 R 100 95 – 105 C 0,93 – 0,99 ≤ 220 RT 100 95 – 1050C 0,93 – 0,99 ≤ 250 H5 100 95 – 1050C 0,93 – 0,99 ≤ 250 TM 100 95 – 1050C 0,93 – 0,99 ≤ 250 CY 100 95 – 1050C 0,93 – 0,99 ≤ 250 P 110 100 – 110 C 1,04 – 1,10 ≤ 220 DP 110 100 – 1100C 1,04 – 1,10 ≤ 220 C 100 95 – 1050C 1,04 – 1,10 ≤ 250 0 Bảng Thành phần vật liệu sơn nhiệt dẻo thí nghiệm khảo sát lựa chọn loại nhựa STT Thành phần % khối lượng Chất tạo màng 20 Hạt thủy tinh (1mm) 30 Chất độn trơ 40 Pigment (bột TiO2) 10 Hình Nguyên lý xác định độ bám dính vạch sơn nhiệt dẻo 2.2 Thí nghiệm 2: Xây dựng mơ hình hồi quy đa biến Trong thí nghiệm này, tỉ lệ khối lượng loại cốt liệu nhựa, bột độn, bi thủy tinh thay đổi, loại nhựa sử dụng loại lựa chọn từ thí nghiệm Mơ hình hồi quy đa biến với biến lập với vùng khảo sát giới 18  x1  40  10  x  40 hạn sau:  (1) 30  x  50  x + x + x = 100 (2)  20 JSTT 2022, (3), 18-24 Phạm bằng 100%, hàm lượng nằm vùng giới hạn Dễ dàng nhận thấy tổ hợp 2,3,6,7,10,11 Bảng Các tổ hợp trở thành điểm (1), (2), (3), (4), (5), (6) kế hoạch theo mô hình Mc Lean – Anderson hình Sáu điểm thực nghiệm lại nằm cạnh sau: Điểm số (7) cạnh (1) – (3); điểm số (8) cạnh (1) – (6); điểm số (9) cạnh (2) – (4); điểm số (10) cạnh (2) – (5); điểm số (11) cạnh (3) – (5); điểm số (12) cạnh (4) – (6) điểm số (13) tâm lục giác Tọa độ điểm bổ sung trung bình tọa độ cặp, tâm trung bình tọa độ điểm Trong x1, x2, x3 tương ứng % khối lượng nhựa, bột độn trơ, bi thủy tinh bột màu (pigment) sơn (riêng bột màu trộn sơn cố định 10% khối lượng sơn) Mô hình thực nghiệm xây dựng sở kế hoạch hóa thực nghiệm Mc Lean – Anderson mơ tả Hình 2, số thí nghiệm lặp Dựa vào cơng thức tính tổng số thí nghiệm q.2 (q số cấu tử, m số thí nghiệm lặp) theo mô hình Mc Lean - Anderson, tổ hợp thực nghiệm xây dựng miêu tả Bảng [5] m-1 Trong số 12 tổ hợp kể trên, tổ hợp chọn cho thêm thành phần thứ thỏa mãn điều kiện tổng hàm lượng cấu tử phải Hình Mơ hình kế hoạch thực nghiệm Bảng Tổ hợp thực nghiệm theo kế hoạch Mc Lean - Anderson TT x1 x2 x3 18 10 - 40 10 - 18 40 - 40 40 - 18 - 30 40 - 30 18 - 50 40 - 50 - 10 30 10 - 40 30 11 - 10 50 12 - 40 50 Điểm được chọn cho kế hoạch mới x3=42 x3=50 x2=30 x2=32 x1=30 x1=40 21 JSTT 2022, (3), 18-24 Phạm 2.3 Thí nghiệm 3: Tối ưu hóa độ bám dính Kết nghiên cứu thảo luận Sau tìm mơ hình tương hợp, độ bám dính tối ưu hóa, tức cần giải tốn: 3.1 Kết lựa chọn loại nhựa hidrocacbon Max ŷ = ax1 + bx2 + cx3 + dx1x2 + ex1x3 + fx2x3 + gx1x2x3 với ràng buộc (1), (2) Trong a, b, c, d, e, f, g hệ số thu từ việc lập mơ hình dựa vào kết thực nghiệm theo Bảng Để giải toán cần sử dụng thuật tốn tối ưu hóa quy hoạch phi tuyến Thuật toán FLEXIPLEX (dung sai đàn hồi) cho phép tìm giá trị tối ưu nhanh, với độ tin cậy cao đảm bảo thỏa mãn điều kiện ràng buộc dạng đẳng thức bất đẳng thức [5] Bởi vậy, chương trình có sẵn thuật tốn áp dụng cho trường hợp Kết xác định độ bám dính vạch sơn nhiệt dẻo tương ứng với vật liệu sơn nhiệt dẻo chế tạo từ loại nhựa hidrocacbon khác Bảng thể Hình Theo kết Hình 3, sử dụng loại nhựa hidrocacbon có ký hiệu A 100, R 100, C 100 để chế tạo sơn nhiệt dẻo tạo vạch sơn có độ bám dính thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn ASHTO M 249 – 12 1,24 MPa So sánh ba loại nhựa này, loại nhựa có ký hiệu A 100 cho kết tốt Như vậy, với mục đích tạo vạch kẻ đường có độ bám dính cao, loại nhựa hidrocacbon ký hiệu A 100 lựa chọn để tiến hành nghiên cứu Hình Độ bám dính loại vật liệu nhiệt dẻo chế tạo từ loại nhựa khác 3.2 Kết xây dựng mơ hình hồi quy đa biến Căn vào Bảng tiến hành thực nghiệm theo kế hoạch thực nghiệm, kết kế hoạch hóa thực nghiệm đưa Bảng Mơ hình thực nghiệm thống kê kế hoạch dạng đa thức rút gọn bậc khuyết có hệ số xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu với việc giải hệ phương trình chuẩn bằng thuật tốn SIMQ [5] Kết tính tốn tìm mô hình sau: ŷ = 0,0632x1 + 0,07104x2 – 8,57.10-3x3 – 4,55.103 x1x2 + 9,8.10-5x1x3 + 1,1.10-4x2x3 + 3,3.10-5x1x2x3 Giá trị tính tốn ŷi ∆y = y – ŷ theo mô hình đưa vào Bảng Việc kiểm tra tính tương hợp mơ hình tiến hành sau: Phương sai tương hợp: n s 2th = ^  (yi − yi )2 i=1 n−l = 0,0023 22 JSTT 2022, (3), 18-24 Phạm với số thí nghiệm n = 13 hệ số mơ hình l = Chuẩn số Fisher: F= – 4,55.10-3x1x2 + 9,8.10-5x1x3 + 1,1.10-4x2x3 + 3,3.10-5x1x2x3 cho kết quả: th ts s 0,0023 = = 0,0437 s 0,0526 ŷmax = 1,703 (MPa) x1opt = 32; x2opt = 38; x3opt = 30 với độ xác hội tụ tổng bằng 10-6 F < Fp(f1,f2) = F0,05(6,88)=3,2 Như vậy, mô hình thu phù hợp với kết thực nghiệm sử dụng cho mục đích tìm giá trị độ bám dính lớn 3.3 Kết tối ưu hóa độ bám dính Dùng thuật toán FLEXIPLEX giải toán: Max ŷ = 0,0632x1 + 0,07104x2 – 8,57.10-3x3 Kết kiểm tra bằng thực nghiệm với vạch sơn nhiệt dẻo tạo từ vật liệu sơn nhiệt dẻo có chứa 32% nhựa nhiệt dẻo (loại ký hiệu A100), 38% chất độn trơ (bột canxicacbonat), 30% bi thủy tinh bột màu khối lượng đưa Bảng Kết cho thấy độ bám dính vạch sơn cao, vượt yêu cầu TCVN 8791:2018 Bảng Kế hoạch thực nghiệm xây dựng mơ hình hồi quy đa biến TT X1 X2 X3 y ŷ ∆y 40 10 50 1,385 1,375 0,010 18 40 42 1,143 1,126 0,017 40 30 30 1,528 1,532 -0,004 18 32 50 0,970 0,986 -0,016 30 40 30 1,474 1,471 0,003 40 10 50 0,998 1,077 -0,079 40 20 40 1,518 1,483 0,035 40 10 50 1,127 1,172 -0,045 18 36 46 1,685 1,006 -0,013 10 24 40 36 0,993 1,392 0,039 11 35 35 30 0,127 1,530 -0,002 12 29 21 50 1,528 0,998 0,040 13 32 25 43 1,492 1,502 -0,010 Bảng Kết độ bám dính mẫu thực tế Thơng số Đơn vị tính Mức yêu cầu (TCVN 8791:2018) Thực tế đạt Độ bám dính MPa ≥ 1,24 1,65 Kết luận Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tác giả tìm mơ hình tốn học mơ tả phụ thuộc độ bám dính vào thành phần cấu tử vật liệu sơn nhiệt dẻo Mơ hình thu cho biết phụ thuộc độ bám dính vạch sơn nhiệt dẻo với bê tông nhựa vào hàm lượng cốt liệu có vật liệu sơn nhiệt dẻo Mơ hình tốn học xây dựng có ưu điểm rút ngắn số lượng thí nghiệm dự báo xác hàm lượng cốt liệu cần lấy để thu kết độ bám dính vạch sơn nhiệt dẻo mong muốn Từ giảm chi phí thời gian làm thí nghiệm Trên sở mơ hình nhận tính tốn tìm điều kiện tối ưu % khối lượng cốt liệu chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo có độ bám dính 1,24 MPa Đó vật liệu sơn nhiệt dẻo có chứa 32% 23 ... Đại học Công nghệ GTVT Nghiên cứu ứng dụng mơ hình thực nghiệm hồi quy đa biến chế tạo vật liệu sơn nhiệt dẻo có độ bám dính cao Phạm Hồng Chun* Bộ mơn Hóa/Khoa Khoa học ứng dụng, Trường Đại học... thuộc độ bám dính vào thành phần cấu tử vật liệu sơn nhiệt dẻo Mơ hình thu cho biết phụ thuộc độ bám dính vạch sơn nhiệt dẻo với bê tông nhựa vào hàm lượng cốt liệu có vật liệu sơn nhiệt dẻo Mơ hình. .. có độ bám dính cao, loại nhựa hidrocacbon ký hiệu A 100 lựa chọn để tiến hành nghiên cứu Hình Độ bám dính loại vật liệu nhiệt dẻo chế tạo từ loại nhựa khác 3.2 Kết xây dựng mô hình hồi quy đa