液滴荷电特性对水稻叶片表面接触角的影响

张建桃，宋庆奎，文 晟，曾家骏，尹选春，兰玉彬

(1.华南农业大学 数学与信息学院，广东 广州 510642； 2.国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，广东 广州 510642； 3.华南农业大学 工程基础教学与训练中心，广东 广州 510642；4.华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

水稻是世界上广泛种植的农作物，是发展中国家主要的粮食作物。在我国，超过65%的人口以稻米为主食，稻米需求量巨大[1]。水稻在生长过程中会遭受病、虫、杂草等因素的危害，不及时处理会使水稻的生长受到影响。为保证水稻安全生产、增加粮食产量，要对水稻喷洒合适含量与剂量的药液。药液喷洒后如果不能迅速地黏附在靶标作物叶片的表面，就会从叶表面反弹而流失到环境中，使喷洒的药液无法充分发挥药效并造成浪费和环境污染[2]。其原因在于水稻叶片表面有较厚的蜡质层，具有较强的拒水能力，且水稻叶片临界表面张力较小，导致水稻植株具有较强的疏水性[3]。绝大多数农药的推荐剂量难以使药液黏着在水稻叶片表面，造成农药浪费和环境污染，严重阻碍了现代农业的可持续性发展。

接触角(θ)是润湿展布性能最为直接的表征指标。对大多数植物而言，可以通过测定液滴与叶片表面的接触角来分析植物叶片的润湿展布性能。按照界面化学的一般原则，接触角小于90°为润湿，液滴能黏附在固体表面甚至是铺展；接触角大于90°为不润湿，如果接触角远远大于90°则表现为斥水特征，液滴将聚集成水珠滚落。接触角如图1所示。

图1 接触角示意Fig.1 Contact angle schematic

现阶段学者们认为,能够促进液滴在水稻叶片表面润湿展布效果的因素有很多[4-8]。往农药中添加适量的表面活性剂可以提高药液在植物叶片表面的粘附能力，甚至可以使农药液滴在疏水性植物叶片表面上铺展[9-11]。大容量喷雾和弥雾条件下药液在水稻叶片表面的润湿性较差，将雾滴更加细化，也可以提高雾滴在水稻叶片表面的铺展效果[12]。合适的温度能促进液滴的润湿展布，液滴在水稻叶片表面的接触角随温度升高而减小，68 ℃左右时水稻叶片的湿润性由疏水性转变为亲水性[13]。

此外，大量的研究表明，静电可以提高液滴在植物叶片表面润湿展布性能，静电喷雾可以减小液滴的表面张力，减小液滴在植物叶片表面静态接触角，提高液滴在植株叶片表面的有效沉积率，减少药液的飘移散失[14-15]。茹煜等[16]建立了荷电雾滴的三维运动方程，并通过试验验证，表明对液滴施加静电能明显减小雾滴与叶片表面间的接触角，荷电液滴比非荷电液滴更容易粘附在靶标植物叶片表面，且小粒径的荷电液滴更容易粘附在靶标植物表面。范亚骏等[17]综合运用PIV(粒子图像测速法)、高速数码及图像处理技术对疏水表面单液滴荷电蒸发的特性进行研究，发现荷电液滴在作物叶片上更容易铺展。目前，国内外学者对荷电液滴在水稻叶片表面的沉积效果研究仍集中在试验阶段，对液滴进行荷电以后，能明显减小液滴在靶标上的接触角，但是静电参数对接触角的作用规律仍不清楚。

鉴于此，以3个不同品种水稻叶片(倒二叶，下同)为研究对象，通过单因素试验，研究相同条件下，荷电电压大小、电荷正负性、电极环材料、电极环内径、介质电导率对液滴在水稻叶片表面接触角的影响。以期提高农药在水稻上的使用效率，降低水稻种植成本，减少环境污染。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验所用的3个水稻品种都由广东省农业科学院水稻研究所选育，分别为合美占、黄广油占、美香占2号。为了避免其他变量对试验结果造成影响，水稻材料统一种植于华南农业大学校内水稻试验田。选取长势良好、无不良生长情况的水稻植株作为采摘对象，且试验统一选取拔节期水稻叶片。每次田间取完样，立刻将水稻叶片用聚乙烯袋装好并密封带回实验室。

试验所用电极环选取了4种电导率不同的材料，分别为黄铜、紫铜、不锈钢和铝。黄铜电极环分别有19、25、32、38、45、50 mm 6种不同内径。

1.2 试验仪器

全自动水滴角测试仪PT-705B(东莞市普赛特检测设备有限公司)，配备了专业级测量软件控制的精密自动液体分配系统，采用静谧线性直线导轨滴液，精度可达0.1 μL。

高压电源(高压静电发生器，天津东文高压电源有限公司定做)，采用双极输出模式，输出电压为-10～10 kV，输出电流最高为1 mA。

进行各项试验的工作界面如图2所示。

1.光学接触角测量仪；2.高压放电装置；3.计算机；4.载物台

1.3 试验方法

采用环状电极感应荷电的方式对液滴进行荷电。使用进样器抽取800 μL去离子水，并固定在全自动水滴角测量仪的自动进样槽上，将全自动水滴角测量仪调试完毕。使用计算机的精密自动液体分配系统控制进样器在电极环正上方滴液1 μL，在下落的过程中，穿过电极环再达到水稻叶片表面，等待12 s，液滴达到稳定状态，然后使用高速摄像机拍下液滴侧面，通过光学放大系统和图像采集系统获取液滴的外形，最后用水滴角测量软件(Contact Angle Meter 2.0，东莞市普赛特检测设备有限公司)测量液滴在水稻叶片表面上接触角的大小。每组试验重复滴液8次。

采用单因素试验法研究荷电电压大小(U)、正负极性、电极环材料、电极环内径及NaCl含量5个因素对液滴在水稻叶片表面接触角的影响,并进行相关试验验证，具体内容如下：

1.3.1 液滴荷电电压、正负极性对水稻叶片表面接触角的影响 在荷电条件下，选取直径为45 mm的黄铜电极环，保持其他条件一致，改变荷电电压值为±2、±4、±6、±8 kV，得到不同电压值下液滴在水稻叶片表面的接触角。

1.3.2 电极环材料对水稻叶片表面接触角的影响 在荷电电压为4 kV时，选取内径为45 mm的黄铜、紫铜、不锈钢和铝的电极环分别进行试验，探究电极环材料对液滴在水稻叶片表面接触角的影响。

1.3.3 电极环内径对水稻叶片表面接触角的影响 在荷电电压为-4 kV时，选取黄铜电极环，改变黄铜环的内径参数，使其分别为19、25、32、38、45、50 mm，探究电极环内径对液滴在水稻叶片表面接触角的影响。

1.3.4 NaCl含量对水稻叶片表面接触角的影响 将内径45 mm黄铜材质电极环放置在压片器上，将高压电源电压调至-4 kV，通过改变介质NaCl溶液含量，来改变介质电导率，分别配制含量为1.0%、4.8%、9.0%、13.0%、15.5%的溶液用以滴液，探究介质电导率对液滴在水稻叶片表面接触角的影响。

1.4 数据处理

采用SPSS进行数据处理及方差分析。

2 结果与分析

2.1 液滴荷电电压和极性对水稻叶片表面接触角的影响

为了具体探究水稻叶片表面接触角与荷电电压的关系，推导并分析了接触角与荷电电压之间的函数关系。

在感应式荷电条件下，自由射流静电雾化所形成的液滴荷电量[18]：

(1)

式中，ε为空气介电常数；rc为感应电极圈半径(m)；r为液滴半径(m)；U为喷雾充电电压(V)。

假设雾滴为球形，对带电球形雾滴进行分析，得到电荷量对表面张力的影响。液滴临界表面张力为[19]：

(2)

式中，σ为荷电后液体的表面张力；q为液滴表面所带电量；ε为液滴空气介电常数；σ0为液体固有的表面张力；r为液滴的半径。

将式(1)代入式(2)得到式(3)：

(3)

液滴在固体表面的接触角随液滴表面张力降低而线性减小,以液滴表面张力与接触角的关系作图可得到一条直线[20]。引入调整因子a，接触角与表面张力的关系如式(4)所示：

cosθ=a·σ

(4)

将式(3)代入式(4)内得到式(5)：

(5)

由式(5)可以看出，荷电电压和电极环内径与液滴在植物叶片表面的接触角存在相关的函数关系。荷电电压与接触角为二次函数关系，证明存在极点使接触角达到最小。

通过改变电压值幅值，得到液滴在3个品种水稻(合美占、黄广油占和美香占2号)叶片表面的接触角随荷电电压的变化曲线如图3所示。

图3 3个水稻品种叶片表面在不同荷电电压下的接触角

从图3可以看出，采用不同荷电电压对液滴充电时，液滴在水稻叶片表面的接触角具有显著性差异。随着荷电电压从0 kV升高至8 kV，3个水稻品种的叶片表面接触角皆有明显的变化，被测的3个品种水稻叶片表面接触角皆在115°～128°。荷电电压0～4 kV时，随着电压的升高，水稻叶片表面接触角明显减小，在荷电电压4 kV左右时达到最小。在荷电电压4 ～8 kV，随着电压的升高，接触角呈现逐渐增大的趋势，水稻叶片表面接触角逐渐变大。

改变电压值正负极性进行试验，得到液滴在3个品种水稻叶片表面接触角随荷电电压变化的曲线如图4所示。从图4可以看出，调节荷电电压从±0～±8 kV，3个水稻品种的叶片表面接触角皆有明显的变化，同样在荷电电压为±4 kV时接触角达到最小。

对合美占进行针对性研究，如图4a所示，在液滴被荷上正负2种电荷的情况下，液滴在水稻叶片表面接触角随着电压增大整体呈先减小后增大的趋势，并在+4、-4 kV时达到最小值，最小值分别为118.984°、117.618°。但是不同极性的液滴在水稻叶片表面接触角差值会随着水稻品种的不同存在较大的差别，品种合美占在±4 kV的条件下接触角的差值为1.37°，品种黄广油占为1.21°，品种美香占2号为12.33°。

a:合美占； b:黄广油占; c:美香占2号a:Hemeizhan; b:Huangguangyouzhan; c:Meixiangzhan 2图4 3个水稻品种叶片表面接触角随不同荷电电压变化

利用SPSS软件，选择荷电电压为4 kV时各品种接触角的数据进行单因素方差分析，检验带正电荷和带负电荷条件下的液滴接触角是否具有显著性差异(P<0.05)，表明电压正负极性对液滴在水稻叶片表面的接触角有显著影响。

综合上述规律分析，2种极性荷电电压条件下，随着荷电电压增大，液滴在水稻叶片表面接触角均整体呈现出先减小后增大的趋势，当荷电电压为±4 kV时，荷电液滴与水稻叶片表面接触角均达到最小。不同极性的荷电液滴在水稻叶片表面接触角有较明显的差别，且总体来说液滴带负电荷时与水稻叶片表面的接触角较小。

2.2 电极环材料和内径对水稻叶片表面接触角的影响

在使用-4 kV荷电电压，不同材料电极环的条件下，液滴在3个品种水稻叶片表面接触角如图5所示。以品种合美占为例，电极环材料为黄铜、紫铜、不锈钢、铝的条件下，液滴在水稻叶片表面接触角分别为121.580°、125.471°、126.467°、129.073°，其他水稻品种具有相同规律。当使用的电极材质为黄铜时，液滴的接触角最小，其次是紫铜、不锈钢，当电极的材质为铝时，液滴的接触角最大。

图5 电极环材料对不同品种水稻叶片表面接触角的影响

运用SPSS软件对接触角数据进行单因素方差分析，检验不同电极环材料时的荷电液滴在水稻叶片表面接触角是否有显著性差异。因素电极环材料的检验(P<0.05)，表明电极环材料对液滴在水稻叶片表面的接触角有显著影响。

将荷电电压调节为-4 kV，采用黄铜材料的不同内径电极环，得到液滴在水稻叶片表面的接触角大小随电极环内径的变化情况，如图6所示。

图6 电极环对不同品种水稻叶片表面接触角的影响

从图6可得出，随着电极环内径增大，液滴在水稻叶片表面接触角呈逐渐减小趋势。当电极环内径为50 mm时，液滴在合美占、黄广油占、美香占2号3个水稻品种叶片表面上的的接触角最小，分别为105.492°、107.568°、107.312°。当电极环内径为19 mm时，液滴在合美占、黄广油占、美香占2号3个水稻品种叶片表面的接触角最大，分别为127.225°、131.159°、127.121°。

运用SPSS软件对数据进行单因素方差分析，对因素电极环内径的检验(P<0.05)，表明电极环内径对液滴在水稻叶片表面的接触角有显著影响。

综合上述结果，使用不同材料的电极环，水稻叶片表面接触角会有显著性不同；使用单一材料电极环时，随着电极环内径增大，水稻叶片表面接触角呈逐渐减小趋势。

2.3 NaCl含量对水稻叶片表面接触角的影响

液滴在3个水稻品种叶片表面的接触角变化曲线如图7所示。从图7可以得出，3个水稻品种在水稻叶片表面接触角在不同含量的NaCl条件下有明显的变化。变化趋势可以分为2个阶段：第1阶段，随着NaCl含量增大，水稻叶片表面接触角逐渐降低到最小值，合美占、黄广油占在NaCl含量为1%时，水稻叶片表面接触角达到最小，分别为115.360°、112.541°，美香占2号在NaCl含量为4.50%时水稻叶片表面接触角达到最小，为110.479°。第2阶段，随着NaCl含量进一步增大，液滴在水稻叶片表面接触角呈逐渐增大的趋势。

图7 不同NaCl含量对不同水稻品种叶片表面接触角的影响

综合上述试验结果，不同含量NaCl对水稻叶片表面接触角有较大的影响，随着NaCl含量增大，液滴在水稻叶片表面接触角呈先减小后增大的趋势。不同品种的水稻，存在最佳的NaCl含量使水稻叶片表面接触角达到最小值。

3 结论与讨论

本试验为研究荷电因素对液滴在水稻叶片表面接触角的影响，搭建了相对应的接触角测量平台。分别探究了荷电电压大小、电荷正负性、电极环材料、电极环内径、NaCl含量与水稻叶片表面接触角大小的关系，并用SPSS等数据分析软件对所获取的数据进行统计学分析，得到如下结论：

(1)对液滴进行荷电能明显减小液滴在水稻叶片表面的接触角，提高液滴在水稻叶片的润湿展布性能。茹煜等[16]建立了荷电雾滴的三维运动方程并通过试验验证，表明对液滴施加静电能明显减小雾滴与叶片间的接触角，与本研究的结果一致。

(2)当荷电电压增大时，接触角整体呈先减小后增大的趋势，且在荷电电压为±4 kV时，接触角达到最小；不同极性的荷电液滴在水稻叶片表面接触角有明显差别，且总体来说，液滴带负电荷时与水稻叶片表面的接触角较小。王军锋等[21]使用荷电液滴碰撞织物时发现，在4 kV的通电电压下，液滴的铺展因子达到最大，与本研究结论一致。

(3)采用黄铜电极环材料对液滴荷电，液滴在水稻叶片表面接触角较小；随着电极环内径增大，液滴在水稻叶片表面的接触角呈逐渐减小趋势。

(4)随着NaCl含量增大，液滴在水稻叶片表面接触角呈先减小后增大的趋势；不同品种的水稻，存在最佳的NaCl含量使水稻叶片表面接触角达到最小。

综合所得结果，实际施药过程中，可以采用黄铜材料的静电喷雾机械喷口，喷口内径50 mm，并调节电压为-4 kV对液滴荷电，能够在一定程度上减小液滴在水稻叶片表面接触角，并提高农药在水稻叶片表面的利用率，增加水稻对农药的吸收量。

本试验只研究了静电因素对液滴在水稻叶片表面接触角的影响。由于荷电条件下液滴下落速度、溶液黏度、液滴粒径和农药种类等因素对水稻叶片表面润湿展布的效果均有影响，所以下一步可深入研究其他因素对水稻叶片表面接触角的影响。