液滴荷電特性對水稻葉片表面接觸角的影響

張建桃，宋慶奎，文 晟，曾家駿，尹選春，蘭玉彬

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2.國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，廣東 廣州 510642； 3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

水稻是世界上廣泛種植的農(nóng)作物，是發(fā)展中國家主要的糧食作物。在我國，超過65%的人口以稻米為主食，稻米需求量巨大[1]。水稻在生長過程中會遭受病、蟲、雜草等因素的危害，不及時處理會使水稻的生長受到影響。為保證水稻安全生產(chǎn)、增加糧食產(chǎn)量，要對水稻噴灑合適含量與劑量的藥液。藥液噴灑后如果不能迅速地黏附在靶標作物葉片的表面，就會從葉表面反彈而流失到環(huán)境中，使噴灑的藥液無法充分發(fā)揮藥效并造成浪費和環(huán)境污染[2]。其原因在于水稻葉片表面有較厚的蠟質(zhì)層，具有較強的拒水能力，且水稻葉片臨界表面張力較小，導(dǎo)致水稻植株具有較強的疏水性[3]。絕大多數(shù)農(nóng)藥的推薦劑量難以使藥液黏著在水稻葉片表面，造成農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染，嚴重阻礙了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

接觸角(θ)是潤濕展布性能最為直接的表征指標。對大多數(shù)植物而言，可以通過測定液滴與葉片表面的接觸角來分析植物葉片的潤濕展布性能。按照界面化學(xué)的一般原則，接觸角小于90°為潤濕，液滴能黏附在固體表面甚至是鋪展；接觸角大于90°為不潤濕，如果接觸角遠遠大于90°則表現(xiàn)為斥水特征，液滴將聚集成水珠滾落。接觸角如圖1所示。

圖1 接觸角示意Fig.1 Contact angle schematic

現(xiàn)階段學(xué)者們認為,能夠促進液滴在水稻葉片表面潤濕展布效果的因素有很多[4-8]。往農(nóng)藥中添加適量的表面活性劑可以提高藥液在植物葉片表面的粘附能力，甚至可以使農(nóng)藥液滴在疏水性植物葉片表面上鋪展[9-11]。大容量噴霧和彌霧條件下藥液在水稻葉片表面的潤濕性較差，將霧滴更加細化，也可以提高霧滴在水稻葉片表面的鋪展效果[12]。合適的溫度能促進液滴的潤濕展布，液滴在水稻葉片表面的接觸角隨溫度升高而減小，68 ℃左右時水稻葉片的濕潤性由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性[13]。

此外，大量的研究表明，靜電可以提高液滴在植物葉片表面潤濕展布性能，靜電噴霧可以減小液滴的表面張力，減小液滴在植物葉片表面靜態(tài)接觸角，提高液滴在植株葉片表面的有效沉積率，減少藥液的飄移散失[14-15]。茹煜等[16]建立了荷電霧滴的三維運動方程，并通過試驗驗證，表明對液滴施加靜電能明顯減小霧滴與葉片表面間的接觸角，荷電液滴比非荷電液滴更容易粘附在靶標植物葉片表面，且小粒徑的荷電液滴更容易粘附在靶標植物表面。范亞駿等[17]綜合運用PIV(粒子圖像測速法)、高速數(shù)碼及圖像處理技術(shù)對疏水表面單液滴荷電蒸發(fā)的特性進行研究，發(fā)現(xiàn)荷電液滴在作物葉片上更容易鋪展。目前，國內(nèi)外學(xué)者對荷電液滴在水稻葉片表面的沉積效果研究仍集中在試驗階段，對液滴進行荷電以后，能明顯減小液滴在靶標上的接觸角，但是靜電參數(shù)對接觸角的作用規(guī)律仍不清楚。

鑒于此，以3個不同品種水稻葉片(倒二葉，下同)為研究對象，通過單因素試驗，研究相同條件下，荷電電壓大小、電荷正負性、電極環(huán)材料、電極環(huán)內(nèi)徑、介質(zhì)電導(dǎo)率對液滴在水稻葉片表面接觸角的影響。以期提高農(nóng)藥在水稻上的使用效率，降低水稻種植成本，減少環(huán)境污染。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗所用的3個水稻品種都由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所選育，分別為合美占、黃廣油占、美香占2號。為了避免其他變量對試驗結(jié)果造成影響，水稻材料統(tǒng)一種植于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)水稻試驗田。選取長勢良好、無不良生長情況的水稻植株作為采摘對象，且試驗統(tǒng)一選取拔節(jié)期水稻葉片。每次田間取完樣，立刻將水稻葉片用聚乙烯袋裝好并密封帶回實驗室。

試驗所用電極環(huán)選取了4種電導(dǎo)率不同的材料，分別為黃銅、紫銅、不銹鋼和鋁。黃銅電極環(huán)分別有19、25、32、38、45、50 mm 6種不同內(nèi)徑。

1.2 試驗儀器

全自動水滴角測試儀PT-705B(東莞市普賽特檢測設(shè)備有限公司)，配備了專業(yè)級測量軟件控制的精密自動液體分配系統(tǒng)，采用靜謐線性直線導(dǎo)軌滴液，精度可達0.1 μL。

高壓電源(高壓靜電發(fā)生器，天津東文高壓電源有限公司定做)，采用雙極輸出模式，輸出電壓為-10～10 kV，輸出電流最高為1 mA。

進行各項試驗的工作界面如圖2所示。

1.光學(xué)接觸角測量儀；2.高壓放電裝置；3.計算機；4.載物臺

1.3 試驗方法

采用環(huán)狀電極感應(yīng)荷電的方式對液滴進行荷電。使用進樣器抽取800 μL去離子水，并固定在全自動水滴角測量儀的自動進樣槽上，將全自動水滴角測量儀調(diào)試完畢。使用計算機的精密自動液體分配系統(tǒng)控制進樣器在電極環(huán)正上方滴液1 μL，在下落的過程中，穿過電極環(huán)再達到水稻葉片表面，等待12 s，液滴達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后使用高速攝像機拍下液滴側(cè)面，通過光學(xué)放大系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)獲取液滴的外形，最后用水滴角測量軟件(Contact Angle Meter 2.0，東莞市普賽特檢測設(shè)備有限公司)測量液滴在水稻葉片表面上接觸角的大小。每組試驗重復(fù)滴液8次。

采用單因素試驗法研究荷電電壓大小(U)、正負極性、電極環(huán)材料、電極環(huán)內(nèi)徑及NaCl含量5個因素對液滴在水稻葉片表面接觸角的影響,并進行相關(guān)試驗驗證，具體內(nèi)容如下：

1.3.1 液滴荷電電壓、正負極性對水稻葉片表面接觸角的影響 在荷電條件下，選取直徑為45 mm的黃銅電極環(huán)，保持其他條件一致，改變荷電電壓值為±2、±4、±6、±8 kV，得到不同電壓值下液滴在水稻葉片表面的接觸角。

1.3.2 電極環(huán)材料對水稻葉片表面接觸角的影響 在荷電電壓為4 kV時，選取內(nèi)徑為45 mm的黃銅、紫銅、不銹鋼和鋁的電極環(huán)分別進行試驗，探究電極環(huán)材料對液滴在水稻葉片表面接觸角的影響。

1.3.3 電極環(huán)內(nèi)徑對水稻葉片表面接觸角的影響 在荷電電壓為-4 kV時，選取黃銅電極環(huán)，改變黃銅環(huán)的內(nèi)徑參數(shù)，使其分別為19、25、32、38、45、50 mm，探究電極環(huán)內(nèi)徑對液滴在水稻葉片表面接觸角的影響。

1.3.4 NaCl含量對水稻葉片表面接觸角的影響 將內(nèi)徑45 mm黃銅材質(zhì)電極環(huán)放置在壓片器上，將高壓電源電壓調(diào)至-4 kV，通過改變介質(zhì)NaCl溶液含量，來改變介質(zhì)電導(dǎo)率，分別配制含量為1.0%、4.8%、9.0%、13.0%、15.5%的溶液用以滴液，探究介質(zhì)電導(dǎo)率對液滴在水稻葉片表面接觸角的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS進行數(shù)據(jù)處理及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 液滴荷電電壓和極性對水稻葉片表面接觸角的影響

為了具體探究水稻葉片表面接觸角與荷電電壓的關(guān)系，推導(dǎo)并分析了接觸角與荷電電壓之間的函數(shù)關(guān)系。

在感應(yīng)式荷電條件下，自由射流靜電霧化所形成的液滴荷電量[18]：

(1)

式中，ε為空氣介電常數(shù)；rc為感應(yīng)電極圈半徑(m)；r為液滴半徑(m)；U為噴霧充電電壓(V)。

假設(shè)霧滴為球形，對帶電球形霧滴進行分析，得到電荷量對表面張力的影響。液滴臨界表面張力為[19]：

(2)

式中，σ為荷電后液體的表面張力；q為液滴表面所帶電量；ε為液滴空氣介電常數(shù)；σ0為液體固有的表面張力；r為液滴的半徑。

將式(1)代入式(2)得到式(3)：

(3)

液滴在固體表面的接觸角隨液滴表面張力降低而線性減小,以液滴表面張力與接觸角的關(guān)系作圖可得到一條直線[20]。引入調(diào)整因子a，接觸角與表面張力的關(guān)系如式(4)所示：

cosθ=a·σ

(4)

將式(3)代入式(4)內(nèi)得到式(5)：

(5)

由式(5)可以看出，荷電電壓和電極環(huán)內(nèi)徑與液滴在植物葉片表面的接觸角存在相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。荷電電壓與接觸角為二次函數(shù)關(guān)系，證明存在極點使接觸角達到最小。

通過改變電壓值幅值，得到液滴在3個品種水稻(合美占、黃廣油占和美香占2號)葉片表面的接觸角隨荷電電壓的變化曲線如圖3所示。

圖3 3個水稻品種葉片表面在不同荷電電壓下的接觸角

從圖3可以看出，采用不同荷電電壓對液滴充電時，液滴在水稻葉片表面的接觸角具有顯著性差異。隨著荷電電壓從0 kV升高至8 kV，3個水稻品種的葉片表面接觸角皆有明顯的變化，被測的3個品種水稻葉片表面接觸角皆在115°～128°。荷電電壓0～4 kV時，隨著電壓的升高，水稻葉片表面接觸角明顯減小，在荷電電壓4 kV左右時達到最小。在荷電電壓4 ～8 kV，隨著電壓的升高，接觸角呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，水稻葉片表面接觸角逐漸變大。

改變電壓值正負極性進行試驗，得到液滴在3個品種水稻葉片表面接觸角隨荷電電壓變化的曲線如圖4所示。從圖4可以看出，調(diào)節(jié)荷電電壓從±0～±8 kV，3個水稻品種的葉片表面接觸角皆有明顯的變化，同樣在荷電電壓為±4 kV時接觸角達到最小。

對合美占進行針對性研究，如圖4a所示，在液滴被荷上正負2種電荷的情況下，液滴在水稻葉片表面接觸角隨著電壓增大整體呈先減小后增大的趨勢，并在+4、-4 kV時達到最小值，最小值分別為118.984°、117.618°。但是不同極性的液滴在水稻葉片表面接觸角差值會隨著水稻品種的不同存在較大的差別，品種合美占在±4 kV的條件下接觸角的差值為1.37°，品種黃廣油占為1.21°，品種美香占2號為12.33°。

a:合美占； b:黃廣油占; c:美香占2號a:Hemeizhan; b:Huangguangyouzhan; c:Meixiangzhan 2圖4 3個水稻品種葉片表面接觸角隨不同荷電電壓變化

利用SPSS軟件，選擇荷電電壓為4 kV時各品種接觸角的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，檢驗帶正電荷和帶負電荷條件下的液滴接觸角是否具有顯著性差異(P<0.05)，表明電壓正負極性對液滴在水稻葉片表面的接觸角有顯著影響。

綜合上述規(guī)律分析，2種極性荷電電壓條件下，隨著荷電電壓增大，液滴在水稻葉片表面接觸角均整體呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)荷電電壓為±4 kV時，荷電液滴與水稻葉片表面接觸角均達到最小。不同極性的荷電液滴在水稻葉片表面接觸角有較明顯的差別，且總體來說液滴帶負電荷時與水稻葉片表面的接觸角較小。

2.2 電極環(huán)材料和內(nèi)徑對水稻葉片表面接觸角的影響

在使用-4 kV荷電電壓，不同材料電極環(huán)的條件下，液滴在3個品種水稻葉片表面接觸角如圖5所示。以品種合美占為例，電極環(huán)材料為黃銅、紫銅、不銹鋼、鋁的條件下，液滴在水稻葉片表面接觸角分別為121.580°、125.471°、126.467°、129.073°，其他水稻品種具有相同規(guī)律。當(dāng)使用的電極材質(zhì)為黃銅時，液滴的接觸角最小，其次是紫銅、不銹鋼，當(dāng)電極的材質(zhì)為鋁時，液滴的接觸角最大。

圖5 電極環(huán)材料對不同品種水稻葉片表面接觸角的影響

運用SPSS軟件對接觸角數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，檢驗不同電極環(huán)材料時的荷電液滴在水稻葉片表面接觸角是否有顯著性差異。因素電極環(huán)材料的檢驗(P<0.05)，表明電極環(huán)材料對液滴在水稻葉片表面的接觸角有顯著影響。

將荷電電壓調(diào)節(jié)為-4 kV，采用黃銅材料的不同內(nèi)徑電極環(huán)，得到液滴在水稻葉片表面的接觸角大小隨電極環(huán)內(nèi)徑的變化情況，如圖6所示。

圖6 電極環(huán)對不同品種水稻葉片表面接觸角的影響

從圖6可得出，隨著電極環(huán)內(nèi)徑增大，液滴在水稻葉片表面接觸角呈逐漸減小趨勢。當(dāng)電極環(huán)內(nèi)徑為50 mm時，液滴在合美占、黃廣油占、美香占2號3個水稻品種葉片表面上的的接觸角最小，分別為105.492°、107.568°、107.312°。當(dāng)電極環(huán)內(nèi)徑為19 mm時，液滴在合美占、黃廣油占、美香占2號3個水稻品種葉片表面的接觸角最大，分別為127.225°、131.159°、127.121°。

運用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，對因素電極環(huán)內(nèi)徑的檢驗(P<0.05)，表明電極環(huán)內(nèi)徑對液滴在水稻葉片表面的接觸角有顯著影響。

綜合上述結(jié)果，使用不同材料的電極環(huán)，水稻葉片表面接觸角會有顯著性不同；使用單一材料電極環(huán)時，隨著電極環(huán)內(nèi)徑增大，水稻葉片表面接觸角呈逐漸減小趨勢。

2.3 NaCl含量對水稻葉片表面接觸角的影響

液滴在3個水稻品種葉片表面的接觸角變化曲線如圖7所示。從圖7可以得出，3個水稻品種在水稻葉片表面接觸角在不同含量的NaCl條件下有明顯的變化。變化趨勢可以分為2個階段：第1階段，隨著NaCl含量增大，水稻葉片表面接觸角逐漸降低到最小值，合美占、黃廣油占在NaCl含量為1%時，水稻葉片表面接觸角達到最小，分別為115.360°、112.541°，美香占2號在NaCl含量為4.50%時水稻葉片表面接觸角達到最小，為110.479°。第2階段，隨著NaCl含量進一步增大，液滴在水稻葉片表面接觸角呈逐漸增大的趨勢。

圖7 不同NaCl含量對不同水稻品種葉片表面接觸角的影響

綜合上述試驗結(jié)果，不同含量NaCl對水稻葉片表面接觸角有較大的影響，隨著NaCl含量增大，液滴在水稻葉片表面接觸角呈先減小后增大的趨勢。不同品種的水稻，存在最佳的NaCl含量使水稻葉片表面接觸角達到最小值。

3 結(jié)論與討論

本試驗為研究荷電因素對液滴在水稻葉片表面接觸角的影響，搭建了相對應(yīng)的接觸角測量平臺。分別探究了荷電電壓大小、電荷正負性、電極環(huán)材料、電極環(huán)內(nèi)徑、NaCl含量與水稻葉片表面接觸角大小的關(guān)系，并用SPSS等數(shù)據(jù)分析軟件對所獲取的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，得到如下結(jié)論：

(1)對液滴進行荷電能明顯減小液滴在水稻葉片表面的接觸角，提高液滴在水稻葉片的潤濕展布性能。茹煜等[16]建立了荷電霧滴的三維運動方程并通過試驗驗證，表明對液滴施加靜電能明顯減小霧滴與葉片間的接觸角，與本研究的結(jié)果一致。

(2)當(dāng)荷電電壓增大時，接觸角整體呈先減小后增大的趨勢，且在荷電電壓為±4 kV時，接觸角達到最??；不同極性的荷電液滴在水稻葉片表面接觸角有明顯差別，且總體來說，液滴帶負電荷時與水稻葉片表面的接觸角較小。王軍鋒等[21]使用荷電液滴碰撞織物時發(fā)現(xiàn)，在4 kV的通電電壓下，液滴的鋪展因子達到最大，與本研究結(jié)論一致。

(3)采用黃銅電極環(huán)材料對液滴荷電，液滴在水稻葉片表面接觸角較??；隨著電極環(huán)內(nèi)徑增大，液滴在水稻葉片表面的接觸角呈逐漸減小趨勢。

(4)隨著NaCl含量增大，液滴在水稻葉片表面接觸角呈先減小后增大的趨勢；不同品種的水稻，存在最佳的NaCl含量使水稻葉片表面接觸角達到最小。

綜合所得結(jié)果，實際施藥過程中，可以采用黃銅材料的靜電噴霧機械噴口，噴口內(nèi)徑50 mm，并調(diào)節(jié)電壓為-4 kV對液滴荷電，能夠在一定程度上減小液滴在水稻葉片表面接觸角，并提高農(nóng)藥在水稻葉片表面的利用率，增加水稻對農(nóng)藥的吸收量。

本試驗只研究了靜電因素對液滴在水稻葉片表面接觸角的影響。由于荷電條件下液滴下落速度、溶液黏度、液滴粒徑和農(nóng)藥種類等因素對水稻葉片表面潤濕展布的效果均有影響，所以下一步可深入研究其他因素對水稻葉片表面接觸角的影響。