植保無人飛機(jī)噴霧霧滴蒸發(fā)性能測定方法及應(yīng)用

周曉欣，陳奕璇，石 鑫，袁會珠，閆曉靜

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,北京 100193）

航空噴霧因其作業(yè)效率高，已成為農(nóng)林病蟲害防治的首選作業(yè)模式[1]。當(dāng)前植保無人飛機(jī)噴施的專用藥劑種類不足以滿足所有病蟲害防治的需求[2]，大部分藥劑仍是以地面常規(guī)噴霧藥劑為主的水基溶液體系。航空施藥的飛行高度一般距離作物1.5～2.5 m，藥液經(jīng)噴頭霧化后形成霧滴噴出，在到達(dá)靶標(biāo)前，農(nóng)藥霧滴需在空中運(yùn)動一段距離。植保無人飛機(jī)噴施的霧滴體積中徑范圍為幾十μm至200 μm，按照聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）對于霧滴細(xì)度霧滴粒徑的劃分屬于細(xì)霧滴。細(xì)小霧滴對靶標(biāo)的覆蓋密度及覆蓋均勻度均優(yōu)于粗霧滴，而且細(xì)小霧滴有較好的穿透能力，在靶標(biāo)上的附著能力強(qiáng)，不易流失[3]。已有研究表明，細(xì)霧滴（VMD，100～200 μm）較于中等霧滴（VMD，200～400 μm）和粗霧滴（VMD，大于400 μm）在小麥植株上可以獲得較好的覆蓋效果，增大了藥液的比表面積，相比于大霧滴減少了彈跳墜落的可能性，對小麥蚜蟲的防治效果更佳[4]，但小霧滴易受外界風(fēng)速或飛機(jī)飛行時產(chǎn)生的側(cè)風(fēng)影響從而蒸發(fā)飄移[5]。蒸發(fā)飄移是農(nóng)藥飄移的一種，是指由農(nóng)藥有效成分的揮發(fā)性造成的，在施藥過程當(dāng)中或施藥后的一段時間，在非控制條件下，藥液霧滴在空中從靶標(biāo)區(qū)域遷移到了非靶標(biāo)區(qū)域的一種物理運(yùn)動[6]。有相關(guān)研究表明，當(dāng)使用噴桿式噴霧機(jī)噴灑農(nóng)藥時，小于100 μm的霧滴通常飄移至噴幅以外，但是小于50 μm的霧滴則會在達(dá)到靶標(biāo)之前就己完全蒸發(fā)[7]。尤其夏季在一些南方溫度較高的地區(qū)施藥，藥液霧滴中水分會蒸發(fā)變成更小的霧滴，或完全蒸發(fā)變成純農(nóng)藥粒子，影響防治效果甚至造成藥害[8]。

現(xiàn)階段主要通過添加專用的飛防助劑減緩植保無人飛機(jī)施藥過程中出現(xiàn)的蒸發(fā)飄移問題[9]。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所發(fā)明一種霧滴蒸發(fā)抑制劑，可以在飛機(jī)噴霧過程中抑制霧滴在空中降落過程中水分的蒸發(fā)。該抑制劑主要通過改變藥液霧滴的重量和粘度從而抑制霧滴在降落過程中的蒸發(fā)[10]。市售的飛防助劑及抗蒸發(fā)抑制劑種類繁多，亟需霧滴蒸發(fā)測定的方法。

左雯等[11]進(jìn)行了表面活性劑對農(nóng)藥霧滴在甘藍(lán)菜葉面上擴(kuò)展面積和蒸發(fā)時間的影響研究；呂國強(qiáng)等[12]采用高倍電子顯微鏡連續(xù)拍攝記錄農(nóng)藥霧滴在小白菜葉面上的整個蒸發(fā)過程。其在農(nóng)藥中添加8種不同的表面活性劑并通過霧滴發(fā)生器產(chǎn)生單個霧滴，進(jìn)而研究農(nóng)藥霧滴對小白菜葉面上蒸發(fā)時間和覆蓋面積的影響；周召路等[13]研究了不同植物葉面結(jié)構(gòu)及特性對霧滴蒸發(fā)的影響，并測定了霧滴在水稻棉花等作物葉片界面上的蒸發(fā)動力學(xué)變化。王軍鋒等[14]分析不同季節(jié)溫度下助劑對大載荷植保無人機(jī)噴灑霧滴的沉積濃度的影響，發(fā)現(xiàn)溫度升高時添加助劑可以提高霧滴沉積，說明助劑可以改善霧滴的抗蒸發(fā)性。國內(nèi)外當(dāng)前對霧滴蒸發(fā)的研究大多集中在農(nóng)藥霧滴落到靶標(biāo)植物葉片后的蒸發(fā)過程，或在田間通過霧滴沉積參數(shù)的變化，間接表征添加助劑對霧滴蒸發(fā)的影響，而直接對霧滴到達(dá)靶標(biāo)前在空中的蒸發(fā)特性研究缺乏。

測試單個霧滴在空中的蒸發(fā)萎縮情況，其難點(diǎn)在于準(zhǔn)確地產(chǎn)生體積可控的小霧滴以懸掛在空中的方式而非在某種生物界面上，并能夠在溫度可控制的條件下記錄霧滴不同溫度下蒸發(fā)的過程。本文使用懸滴法室內(nèi)模擬測定航空噴霧后霧滴在空中的蒸發(fā)萎縮情況。懸滴法最初是表面張力測量手段中的一種方法[15]，筆者使用視頻光學(xué)接觸角測量儀的懸滴模式，通過霧滴發(fā)生器產(chǎn)生4 μL的單個霧滴并懸掛在測量儀的針頭上。針頭處在測量儀的溫控盒中，避免環(huán)境溫濕度對霧滴蒸發(fā)的影響。通過高速攝像頭拍攝記錄下霧滴蒸發(fā)全過程，計(jì)算得到霧滴蒸發(fā)速率及霧滴蒸發(fā)抑制率，從而比較不同有效成分霧滴的蒸發(fā)情況，以期為霧滴蒸發(fā)萎縮規(guī)律的研究提供一種測定方法。

1 材料與方法

1.1 材料

試劑：羥丙基瓜爾膠，南京善思生物科技有限公司；丙三醇，西隴科學(xué)股份有限公司；Greenwet360北京格林泰姆科技有限公司；倍達(dá)通，河北明順農(nóng)業(yè)科技有限公司。

儀器：接觸角測量儀OCA 20、微量注射器，德國DATA PHYSICS公司。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)共設(shè)7個處理，處理1為清水對照，處理2、3分別為0.5%、1.0%羥丙基瓜爾膠水溶液，處理4、5分別為0.5%、1.0%丙三醇水溶液，處理6、7分別為0.5%、1.0%倍達(dá)通水溶液。羥丙基瓜爾膠是由瓜爾膠粉化學(xué)改性后得到的，屬于高分子聚合物，這是目前我國應(yīng)用最為廣泛的壓裂增稠劑；丙三醇俗稱“甘油”，是無色粘稠液體，常用作溶劑、潤滑劑，能從空氣中吸收潮氣，有保水作用；倍達(dá)通為市售的甲酯化植物油類飛防專用噴霧助劑。將羥丙基瓜爾膠、丙三醇、倍達(dá)通（主要成分化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖1）分別加入蒸餾水稀釋配置成的濃度分別為0.5%、1.0%的試驗(yàn)溶液各5 mL，待用。使用OCA 20視頻光學(xué)接觸角測量儀測定上述處理藥液及清水的霧滴蒸發(fā)情況（圖2）。

圖1 有效成分化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖2 懸滴法測定霧滴蒸發(fā)示意圖

利用視頻光學(xué)接觸角測量儀OCA上的微量注射劑吸取藥液后垂直固定在溫控盒上方，連接的水浴鍋溫度調(diào)節(jié)到33℃，將接觸角測量儀的溫控相應(yīng)調(diào)節(jié)至33℃，操作軟件SCA20選擇懸滴模式。待儀器穩(wěn)定后，通過軟件控制測量儀上的微量注射器產(chǎn)生4 μL的單個霧滴，此時霧滴懸掛在測量儀的針頭上。旋轉(zhuǎn)固定臺將針頭處于測量儀的溫控盒中，避免環(huán)境溫濕度對霧滴蒸發(fā)的影響。操作軟件中選擇視頻錄制，高速攝像鏡頭對霧滴進(jìn)行自動拍攝（設(shè)置拍攝間隔時間為1 s），記錄下霧滴蒸發(fā)全過程，在數(shù)據(jù)處理軟件得到霧滴體積隨時間的變化情況，并計(jì)算得到霧滴蒸發(fā)速率及霧滴蒸發(fā)抑制率。

本試驗(yàn)的霧滴蒸發(fā)速率與霧滴蒸發(fā)抑制率數(shù)據(jù)均取蒸發(fā)時間為1 min進(jìn)行研究，與農(nóng)藥霧滴從植保無人飛機(jī)噴頭噴出到落到靶標(biāo)作物所需要的時間一致。測試溫度為33℃，該溫度是植保無人飛機(jī)田間實(shí)際作業(yè)過程中的平均溫度，測定時的相對濕度為47%±2%。上述所有試驗(yàn)均設(shè)3次重復(fù)。霧滴蒸發(fā)速率和蒸發(fā)抑制率按（1）、（2）計(jì)算。

式中：v為霧滴蒸發(fā)速率，μL/min；t為蒸發(fā)時間，min；V初、V末為初始體積和最終體積，μL；R為霧滴蒸發(fā)抑制率，%；V初（清水）、V末（清水）為清水霧滴初始體積和最終體積，μL；V初（藥液）、V末（藥液）為藥液霧滴初始體積和最終體積，μL。

蒸發(fā)時間取60 s，霧滴初始體積是第1 s霧滴體積，霧滴最末體積是第60 s霧滴體積。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用Microsoft Excel 2013、DPS 7.05軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，差異顯著性采用Duncan氏新復(fù)極差法，Origin 2019軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有效成分霧滴蒸發(fā)速率結(jié)果

根據(jù)上述霧滴蒸發(fā)速率計(jì)算公式及各處理霧滴始末體積得到各處理的霧滴蒸發(fā)速率。操作軟件SCA20中注射體積選擇為4 μL，但由于各溶液粘度不同，實(shí)際注射出的霧滴體積無法準(zhǔn)確達(dá)到4 μL。清水霧滴蒸發(fā)速率為0.08 μL/min，添加不同有效成分后均不同程度抑制蒸發(fā)。其中添加1.0%丙三醇后，霧滴蒸發(fā)速率為0.05 μL/min，比清水霧滴蒸發(fā)速率降低了25%；添加0.5%、1.0%羥丙基瓜爾膠后，霧滴蒸發(fā)速率均為0.06 μL/min，比清水霧滴蒸發(fā)速率降低了25%；添加0.5%、1.0%倍達(dá)通后，霧滴蒸發(fā)速率分別為0.04、0.03 μL/min，比清水霧滴蒸發(fā)速率降低了50%和62.5%（表1）。

表1 不同有效成分霧滴蒸發(fā)速率

本試驗(yàn)霧滴蒸發(fā)過程均取蒸發(fā)時間為1 min研究，視頻光學(xué)接觸角測量儀的高速攝像鏡頭對霧滴進(jìn)行自動拍攝時間間隔為1 s，每s可得到一幀霧滴圖像，SCA軟件可對每幀霧滴圖像進(jìn)行積分，計(jì)算出霧滴此刻的體積，所以每個處理的霧滴蒸發(fā)全過程有1～60 s共60個體積。現(xiàn)將霧滴蒸發(fā)的60 s進(jìn)行分段，分成6個時段，每10 s為1個時段，每個時段分別求出其霧滴蒸發(fā)速率，探究霧滴蒸發(fā)的規(guī)律（表2）。結(jié)果表明，霧滴的蒸發(fā)并非一個蒸發(fā)速率恒定不變的過程。清水霧滴的蒸發(fā)速率呈現(xiàn)先增加后減小，隨之不變。前20 s內(nèi)，蒸發(fā)速率均為0.02 μL/min，在第20 s后，蒸發(fā)速率減小為0.001 μL/min，并持續(xù)至60 s（圖3）。添加丙三醇后，0.5%添加濃度并未改變霧滴的蒸發(fā)情況，而當(dāng)添加濃度為1%時，降低了霧滴在前30 s的蒸發(fā)速率，速率減小50%甚至100%，而后30 s的蒸發(fā)速率并未改變。添加0.5%、1.0%羥丙基瓜爾膠后，改變了霧滴在0～20 s及40～60 s的蒸發(fā)速率情況，速率呈現(xiàn)先減小后增大再減小的模式，而添加0.5%、1.0%倍達(dá)通后，在0～10 s、1～20 s時段相較于清水霧滴，霧滴蒸發(fā)速率分別減少50%、100%，隨后蒸發(fā)速率保持不變，至第40 s時，停止蒸發(fā)，蒸發(fā)速率為0。分析其原因，由于倍達(dá)通屬于植物油類助劑，當(dāng)添加量達(dá)到一定時，霧滴形成了油包水的結(jié)構(gòu)，水滴外側(cè)被一層沸點(diǎn)更高的油膜包裹后可減緩蒸發(fā)，甚至在短時間內(nèi)停止蒸發(fā)，以此達(dá)到抗蒸發(fā)的作用。

表2 不同有效成分霧滴不同時段蒸發(fā)速率

圖3 不同有效成分霧滴不同時段蒸發(fā)速率

2.2 不同有效成分霧滴蒸發(fā)抑制率結(jié)果

添加不同有效成分后均不同程度抑制蒸發(fā)。其中添加0.5%、1.0%丙三醇后，蒸發(fā)抑制率分別達(dá)到12.5%、37.5%；添加0.5%、1.0%羥丙基瓜爾膠后，蒸發(fā)抑制率達(dá)到25%；添加0.5%、1.0%倍達(dá)通后，蒸發(fā)抑制率分別達(dá)到50%、62.5%（圖4）。3種不同成分助劑中，植物油類助劑倍達(dá)通對霧滴的蒸發(fā)抑制效果最佳，在2個添加濃度下，蒸發(fā)抑制率均大于50%，1.0%丙三醇次之。圖5為各個處理的霧滴在1、30、60 s時的懸滴圖，懸滴圖更加直觀地反映出不同有效成分的霧滴蒸發(fā)抑制效果。懸滴圖中的白色光斑是由于視頻光學(xué)接觸角測量儀的廣源照射形成的透光。

圖4 不同有效成分霧滴蒸發(fā)抑制率

圖5 不同有效成分霧滴懸滴圖

3 討 論

筆者嘗試提出一種測試噴霧霧滴蒸發(fā)的方法。本試驗(yàn)以清水為空白對照，測定3種不同化學(xué)有效成分（高分子聚合物、醇類、甲酯化植物油類）的噴霧助劑，在一個相對高溫的環(huán)境下（33℃）對霧滴蒸發(fā)性能的影響。從霧滴蒸發(fā)抑制率數(shù)據(jù)得知，1.0%、0.5%倍達(dá)通的蒸發(fā)抑制效果最好，蒸發(fā)抑制率分別達(dá)62.5%、50%；1.0%丙三醇的蒸發(fā)抑制效果次之，蒸發(fā)抑制率可達(dá)37.5%；羥丙基瓜爾膠的添加濃度對其蒸發(fā)抑制率無影響，2種濃度下均達(dá)到25%的抑制蒸發(fā)效果。

液體的蒸發(fā)是在其表面發(fā)生的汽化過程。從清水霧滴的蒸發(fā)過程來看，將液滴置于高溫的環(huán)境中，由于溫度差，液滴吸收熱量使表面溫度升高，液體內(nèi)的分子都在做無規(guī)則運(yùn)動。當(dāng)分子吸收熱量后，每個水分子獲得了更多的能量；當(dāng)這個能量足以克服水分子間的相互作用力時，水分子離開液滴發(fā)生了蒸發(fā)。從清水霧滴60 s內(nèi)不同時段蒸發(fā)速率結(jié)果可知，清水霧滴的蒸發(fā)不是一個速率恒定的過程，大致分為0～20 s的初始蒸發(fā)階段及20～60 s的平衡蒸發(fā)階段。平衡蒸發(fā)階段的蒸發(fā)速率為初始蒸發(fā)階段的50%。馬力等[16]利用數(shù)值求解模擬計(jì)算高溫氣流中的液滴蒸發(fā)特性，發(fā)現(xiàn)液滴的蒸發(fā)速率先增大后減小，而當(dāng)液滴中添加不同成分的物質(zhì)后，水霧滴的蒸發(fā)狀態(tài)改變，蒸發(fā)速率均不同程度發(fā)生減慢。蒸汽壓對液滴的蒸發(fā)有決定性作用。在相同溫度下，液體沸點(diǎn)越低，其蒸汽壓越高。邵冰[17]通過選取不同沸點(diǎn)液體在相同環(huán)境下的蒸發(fā)試驗(yàn)探究沸點(diǎn)對液滴蒸發(fā)情況的影響。結(jié)果表明，液體的沸點(diǎn)與蒸汽壓為負(fù)相關(guān)，沸點(diǎn)高的液體需要更長的蒸發(fā)時間。

本試驗(yàn)選取的3 種物質(zhì)中，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.375 kPa）下，水的沸點(diǎn)為100℃，丙三醇沸點(diǎn)為182℃，倍達(dá)通的主要有效成分為甲酯化植物油，各類植物油的沸點(diǎn)范圍在107～160℃。除此之外，作為噴霧助劑還會添加少部分的乳化劑等成分，促進(jìn)助劑與藥液的混溶性。羥丙基瓜爾膠為改性的瓜爾膠。瓜爾膠本身是粉末狀，試驗(yàn)中添加的羥丙基瓜爾膠樣品是近似于固體的水溶性較好的黏稠狀物質(zhì)，在此不討論其沸點(diǎn)。已知倍達(dá)通、丙三醇的沸點(diǎn)均高于水，理論上應(yīng)比水不易蒸發(fā)。本試驗(yàn)結(jié)果與理論推斷一致，說明本文使用的測定霧滴蒸發(fā)的方法可信。0.5%、1.0%倍達(dá)通蒸發(fā)抑制率達(dá)50%、62.5%，分別比0.5%、1.0%丙三醇高37.5%、25%，說明沸點(diǎn)與抗蒸發(fā)性能并不呈線性關(guān)系，但可作為判斷抗蒸發(fā)性能的重要參數(shù)。