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表面活性剂对液滴在靶标表面润湿粘附行为的影响机制及调控

来源:张晨辉 浏览 86 次 发布时间:2022-12-12

【摘要】:润湿是日常生活中的常见现象,在诸多方面发挥着重要作用,尤其是农业领域。农药药液在作物叶片表面润湿铺展,从而实现农药有效成分的渗透和传递,使作物免受有害生物的侵袭。但是,农药及其代谢物具有生物毒性,且易残留于农产品表面,因而需限制其用量。资料显示,我国农药利用率为36.6%,大量药液在叶片表面或聚并流失,或弹跳滚落,并在大气、土壤和水环境中富集,严重危害生态环境安全。因此,实现农药液滴在作物表面的有效润湿,是减少农药用量的关键因素。本文通过研究不同靶标固体的界面结构特性,探讨了表面活性剂分子结构、浓度等对靶标表面润湿粘附行为的影响规律及作用机制,以此为基础,制备得到高附着高润湿的水基型和油基型农药增效助剂,实现了表面活性剂对润湿粘附过程的有效调控,提高药液在植物叶片上附着,减少农药用量。


研究了非离子表面活性剂Triton X-100在5种光滑固体表面润湿粘附行为,发现其润湿状态符合Young方程。表面活性剂分子在固-液界面吸附的驱动力主要为疏水相互作用、静电相互作用及Lifshitz-van der Waals作用力,其吸附量与固体表面自由能及分量有关。当液滴与固体表面无限接近过程中,粘附力的突跃值随浓度增加而升高,原因为表面活性剂分子向固体表面前体水膜中迁移,同时表明液滴更易粘附于固体表面。表面活性剂间的协同或拮抗作用对润湿粘附过程也有重要影响。利用座滴法研究了非离子表面活性剂Triton X-100在植物叶片表面接触角,考察浓度对接触角、粘附张力、固-液界面张力及润湿状态影响。通过对比三种不同分子结构表面活性剂,发现Triton X-100提升润湿粘附能力最强,SDS次之,DTAB最差。


由于植物叶片表面粗糙,在低浓度下,表面活性剂分子在气-液界面和固-液界面吸附量相似,形成了不饱和吸附层,接触角保持不变,其润湿状态为Cassie-Baxter状态;当浓度进一步增加,液滴突破叶片表面三维立体结构中存在的钉扎效应,取代空气层而处于Wenzel状态,接触角陡降。在小麦叶片表面,当浓度超过CMC时,表面活性剂分子在气-液界面和固-液界面形成饱和吸附层,并产生毛细管效应,使溶液在叶片三维立体结构中产生半渗透过程。与小麦叶片相比,水稻叶片疏水性更强,其在高浓度下才能实现润湿状态转化为Wenzel状态。


同时,随着TrtionX-100浓度增加,液滴在水稻叶片表面粘附力逐渐(最大值、突跃值及残留)提升,说明其有利于其表面粘附和持留。根据表面活性剂对液滴在作物叶片表面润湿粘附行为的影响机制,制备得到了两种农药增效助剂。在田间药效试验中发现,在农药使用量减少25%的情况下,其防治效果依旧达到90%,实现农药药液有效润湿和传递,以此提高农药利用率,减少农药用量,保障生态环境安全和农产品质量安全。