基于兩性纖維素的農(nóng)藥噴灑新技術(shù)項目實施方案

李瑞鵬，吳澤昊，漆 磊

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢430000）

中國每年的化學(xué)農(nóng)藥使用面積為2.8 億公頃以上，施用量達50～60 萬噸，其中約80%的化學(xué)農(nóng)藥被浪費，而沒有直接作用于防治對象，農(nóng)藥難以附著于葉片是其主要原因。許多植物葉子具有自然疏水性，植物表皮細胞外覆蓋著一層由親脂性植物蠟質(zhì)構(gòu)成的疏水層，是它們反彈滴液的原因。當(dāng)噴灑殺蟲劑或其他藥物時，其中只有約20%能噴射在植物上，絕大部分農(nóng)藥會脫離植物，落在土地上或者變成徑流的一部分，導(dǎo)致土壤及水源的嚴重污染。而為了保證產(chǎn)量，中國農(nóng)民普遍噴灑過量的農(nóng)藥，以保證除蟲率。甚至2～3 種農(nóng)藥一起使用，農(nóng)藥過度使用造成中國農(nóng)藥有效利用率僅為38%。農(nóng)藥使用不合理造成浪費的問題亟待解決，因此設(shè)計了一種農(nóng)藥噴灑新技術(shù)，該技術(shù)以兩性纖維素作為載體，通過霧化農(nóng)藥噴灑小車，大大減少了農(nóng)藥的使用量。

1 基本設(shè)計思路

害蟲一般棲息在植物葉片的下表面，所以針對葉片下表面式噴灑，能夠最大化農(nóng)藥的殺蟲效果。但該噴灑方式與現(xiàn)有的各種噴灑方式相差較大，需從兩性纖維素混合農(nóng)藥方案和農(nóng)藥噴灑小車結(jié)構(gòu)兩個方面考慮。

2 兩性纖維素與農(nóng)藥的混合

2.1 兩性纖維素農(nóng)藥混合方案設(shè)計

基于此，設(shè)計霧化農(nóng)藥與兩性纖維素量單因素試驗測試，控制比例為5 000∶0、5 000∶1、4 000∶1、3 000∶1、2 000∶1 和1 000∶1，溫度控制在20 ℃，并使用粘度測試儀測定實驗數(shù)據(jù)，得到實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可知，當(dāng)霧化農(nóng)藥與兩性纖維素量之比為4 000∶1 時，粘度最大，可達到最佳效果。

2.2 兩性纖維素混合農(nóng)藥分析

2．2．1 兩性纖維素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，兩性纖維素在近中性或弱堿性溶液中浸泡4 d，其羧甲基取代度下降百分率小于4%，季銨基取代度下降百分率小于2.5%；在酸性水溶液中取代度下降百分率略有上升，但是需要的條件是溫度高于55 ℃。因此，兩性纖維素具有較強的抗水解能力，適合在弱酸性、堿性或近中性的水溶液中使用。棉花種植中使用的農(nóng)藥分為弱酸性、弱堿性及中性，所以二者結(jié)合兩性纖維素基本上不會發(fā)生反應(yīng)而造成它們的功能失效，具有可行性。兩性纖維素的水解條件如表2 所示。幾種殺蟲劑的使用環(huán)境如表3 所示。

表1 霧化農(nóng)藥與兩性纖維素量單因素試驗測試

表2 兩性纖維素的水解條件

表3 幾種殺蟲劑的使用環(huán)境

由表2、表3 可知，兩性纖維素可以與絕大多數(shù)農(nóng)藥混合使用，并且不會使農(nóng)藥的藥效降低。

2．2．2 對棉花葉子表面的吸附性

蘇州大學(xué)選用棉纖維驗證了改性兩性纖維素的可行性，產(chǎn)物兩性纖維素因為同時含有陰、陽離子基團，表現(xiàn)出良好吸附能力和顯著的靜電特性。同時，兩性纖維素具有與普通兩性電解質(zhì)一樣的特殊的溶液性質(zhì)和流變性能，如增稠、絮凝、懸浮等功能。在農(nóng)藥噴出噴射器后再與其混合將會獲得帶靜電且吸附性較大的膠體，便于其與靶葉片結(jié)合，減少農(nóng)藥噴灑后的掉落率和揮發(fā)率，延長農(nóng)藥的有效時間，進而減少農(nóng)藥的噴灑量和噴灑的次數(shù)。

3 霧化農(nóng)藥噴灑小車

該裝置的工作流程如下：使用前在車體內(nèi)部提前裝好兩性纖維素粉末和所需稀釋后的農(nóng)藥，之后啟動電源，風(fēng)機開始工作，將兩性纖維素揚起，將農(nóng)藥抽到噴頭處進行霧化。打開噴頭，霧化噴頭噴出農(nóng)藥，在噴頭工作時，由于噴頭造成的低壓將會將彌漫在殼體中的兩性纖維素吸出，并在噴頭處進行混合，之后噴出混合后的農(nóng)藥，工作結(jié)束。

3.1 農(nóng)藥噴灑裝置整體設(shè)計

農(nóng)藥噴灑裝置整體外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示，該裝置主要由農(nóng)藥噴灑模塊、纖維素干粉揮出模塊、混合模塊和電機驅(qū)動模塊組成。

圖1 農(nóng)藥噴灑裝置外觀圖

圖2 農(nóng)藥噴灑裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 農(nóng)藥噴灑模塊

農(nóng)藥噴灑模塊安裝在小車的后半部分，由電瓶、電機、泵、水箱及水管組成。工作時電機帶動泵將農(nóng)藥從水箱中抽出，運送到軟管，隨后進入可調(diào)節(jié)高度的剛性管進行霧化，完成下一步工作?？紤]到不同時期農(nóng)作物的高度不同，所以設(shè)計了可調(diào)節(jié)高度的剛性管，并且在剛性管上裝定位塊，使管道可以完成固定和調(diào)整。在需要調(diào)節(jié)高度時松開定位塊，直接調(diào)節(jié)管道，即可調(diào)節(jié)噴灑高度。

3.3 纖維素干粉揮出模塊

纖維素干粉揮出模塊安裝在小車的前半部分，由干粉儲存箱、風(fēng)機和軟管組成。工作時安裝在儲存箱側(cè)壁的風(fēng)機先將兩性纖維素干粉揚起，此時儲存箱空間內(nèi)充滿干粉，隨后由于農(nóng)藥噴頭的低壓會將揚起的粉末吸出，隨后通過軟管傳輸?shù)交旌夏K與農(nóng)藥溶液混合。并且巧妙利用單向閥原理，避免農(nóng)藥回流，并保證纖維素粉末不單獨噴出。當(dāng)農(nóng)藥流到左側(cè)管道口時，在壓力的作用下流入左儲液室推動滑桿，打開單向閥，纖維素干粉順利通過。當(dāng)沒有農(nóng)藥流過時，單向閥關(guān)閉，避免農(nóng)藥回流污染纖維素粉末。

3.4 混合噴頭

混合噴頭主要由噴頭構(gòu)成。當(dāng)農(nóng)藥被運送到噴頭內(nèi)部時，高流速的兩性纖維素干粉流也會進入。由于干粉流是從噴頭壁進入，所以會形成渦旋現(xiàn)象，使兩性纖維素可以和農(nóng)藥混合充分，形成溶質(zhì)均勻的農(nóng)藥-纖維素膠體，隨后通過噴頭噴灑口噴出。由于噴出物是混合十分均勻的膠體且膠體帶有靜電，所以其對作物的葉子具有強吸附性。并且本裝置的噴灑面針對作物疏水性差的葉子下表面，提高了農(nóng)藥對葉子的吸附性，減少了農(nóng)藥掉落量，提高了農(nóng)藥的除蟲效果，減少農(nóng)藥使用量。

4 結(jié)語

兩性纖維素在不同酸堿性條件下均能夠正常發(fā)揮作用而不會被水解，而且兩性纖維素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會對農(nóng)藥的藥效產(chǎn)生副作用。該裝置的機械結(jié)構(gòu)部分擬由鋁型材和塑料組成，鋁型材作為外部框架結(jié)構(gòu)，提供相應(yīng)強度的同時不會增加機器的負重，塑料則作為承裝農(nóng)藥的容器，保證農(nóng)藥不會因與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而失去作用。該技術(shù)方案實用可靠，適合大力推廣。