DSA全系升级高清高速相机，让弹跳观测和接触角测量两者兼得

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分享： 2024/08/15 11:33:13

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背景

“民以食为天“，可食用的农作物是人类基本食物的来源之一。农作物的生长，离不开科学的科技生产技术，以及为技术提供高精度服务的科学设备。现阶段，化学农药依然是防治病虫草害最主要的手段。农药在施用过程中，如何实现让尽可能多的药液在靶标表面沉积、润湿、附着，以达到农药有效成分的渗透和传递，进而发挥防治效果是所有研究者的研究方向，这和绿色农业的发展目标息息相关。药液在叶片上的润湿和铺展等已经被普及过很多次，但农药雾滴在叶片上的弹跳行为，也要引起重视。因为自然界有很多超疏水植物叶片，由于其极低的表面能，水滴撞击后极易反弹和溅射，造成农用化学品在喷洒过程中的浪费和损失超过50%。为消灭病虫害不得不重复喷洒，又造成农药过度使用和水资源浪费，对食品安全和农药残留有重大影响。没有滞留在叶片表面上的农药会流人土壤和湖泊，造成二次生态污染。因此，研究水滴在超疏水表面上的沉积问题对提高农用化学品的利用率、减少浪费和环境污染等具有非常重要的意义。

KRÜSS以往采用的用于接触角测量的科学相机，其参数主要侧重在图像的表现力和真实性上，具有高的动态范围和饱和容量、最低的颞暗噪声以及高的像素上，可以获得低速时高清且真实的液滴图像，但在1000fps时的图像较窄，只有约1000×100pixel，视野范围不足以观测整个液滴的弹跳范围；而最新的CF10高清高速相机，其最高速度3450fps，在1000fps时的分辨率可达690×540pixel，辅以KRÜSS特殊优化过的软件设置和配套光源，一般的液滴弹跳行为可清晰观测，而且成本低廉，让您一机两用，使用非常方便。

一般来说，雾滴与界面撞击后会出现六种结果：完全沉积、迅速飞溅、冠状飞溅、向上回缩、部分反弹、全部反弹。不同的结果主要是由固体界面的润湿性和碰撞溶液自身的理化性质两方面因素导致的。

随着近年来对超疏水表面结构和性能的不断深入和高速摄像机的普遍使用，新的撞击动力学不断地出现；结合药物喷洒实际条件的复杂性，增强水滴在超疏水表面上的单次撞击的沉积行为与机理研究也应不断深入和跟进。

另外，在整个病虫害防治过程中，了解药液的动态表面张力，药液在叶片上的润湿性以及植物叶片的表面能等，对于充分发挥农药药效，也有重要意义。

一、动态表面张力

在农药喷洒过程中，喷雾器中农药液滴的飞行时间将对喷洒性能产生很大的影响。在液滴喷洒出来后，农药中的表面活性剂能够多快的降低新形成界面的表面张力，则是决定润湿过程中的第一步。

例如我们用KRÜSS的BP100动态表面张力仪测试添加了两种不同表面活性剂农药的动态表面张力。喷雾过程中尺寸效应的关键因素为初始表面张力降低的快慢，即通常认为是液滴形成后前250ms内的表面张力。

图1.不同表面活性剂农药的动态表面张力

二、接触角

接触角是表面科学的重要参数之一，表征液体在固体表面的润湿性能。农药要发挥高的使用效率，首先要能在靶标物质上铺展和滞留，这就要求喷施的药液具有较好的润湿性，而接触角就是评价润湿性的重要指标之一。

接触角越小，药液在植物叶面上的持留就会越好。但如果接触角过小，就会造成药液在植物叶面上的过于展开和润湿，形成过薄的药膜而流失。例如用DSA25接触角测试仪测试的农药初始接触角为86度，而添加了表面活性剂的农药后，接触角很快降低到50-60度。

图2.不同表面活性剂农药的接触角

三、植物叶片临界表面张力

植物叶片的临界表面张力也是表面润湿性的经验参数，小于此表面张力的农药可以在叶片表面铺展。由于不同植物的表面结构差异很大，因而临界表面张力有很大不同，了解植物的临界表面张力，可以更好的指导农药中表面活性剂的添加，稀释和具体使用等。

表1. 21种植物的临界表面张力

四、临界胶束浓度（CMC）

农药在低于表面活性剂临界胶束浓度（CMC）的情况下，浓度越高，润湿性越好，达到临界胶束浓度后，才可能不因气液界面的扩大而增大农药的表面张力，使农药在叶片上更好的润湿和铺展。例如用DSA25接触角测试仪测试水稻的表面能介于30-36mN/m之间，农药经水稀释后，药液内的表面活性剂浓度应大于临界胶束浓度（可用K100表面张力仪测试得到CMC），且表面张力小于水稻的表面能，才能使得药液在叶片上润湿铺展，提高农药利用率。

五、滚动角

由于大部分植被树叶表面并不是水平的，当液滴滴落在叶片表面，且不能够快速润湿时，液滴由于重力的作用而滚落。滚动角和农药的沉积和稳定持留量相关，大的接触角、大的液滴体积和重量会导致液滴滚落，浪费农药。