曾楊, 伍志軍, 李藝凡, 蔣承琨, 張黎驊, 馬榮朝

(四川農(nóng)業(yè)大學機電學院, 四川 雅安 625014)

隨著人們對農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留、食品安全的重視，對植保機械也提出了更高的要求。我國植保機械以手動和小型機動藥械為主，該類植保作業(yè)具有勞動強度大、工作效率低、污染環(huán)境嚴重、藥液大量浪費等缺點。目前，我國農(nóng)藥有效利用率只有20%～30%，遠遠低于發(fā)達國家的60%～70%[1]。靜電噴霧技術雖已在工業(yè)噴涂、靜電印刷、醫(yī)藥等領域得到廣泛應用，但在農(nóng)業(yè)領域并未得到很好的發(fā)展。通過采用高壓靜電發(fā)生器、合適的荷電技術、新型材料的應用，結合風輔裝置、變量噴霧及自動對靶等技術，不僅能提高標靶正面藥液沉積量，也能提高標靶背面和植株內部的沉積量，大大改善了當前農(nóng)藥的噴施效果，是解決我國植保施藥諸多問題的有效方法[2-3]。為了有效地提高農(nóng)藥噴施效率、減少藥液飄失浪費，靜電噴霧技術的開發(fā)和應用已成為廣大學者的研究熱點。本文介紹了靜電噴霧技術的原理及研究進展，以期為植保機械研發(fā)奠定基礎。

1 靜電噴霧的原理和特點

1.1 靜電噴霧原理

靜電噴霧是將高壓靜電電極裝置在噴頭上，并在作物和噴頭間建立高壓靜電場，藥液經(jīng)噴頭進行霧化形成霧滴，通過不同充電方法帶上電荷進入靜電場后形成帶電霧滴群，然后在各種外力和靜電場共同作用下定向運動到作物表面，在冠層吸引力的作用下霧滴還可被吸附到作物背面，大大增加了藥液在標靶正面和背面的沉積率，減少了農(nóng)藥霧滴漂移的流失，提高了噴藥效果和降低了用藥量和對環(huán)境的污染[4]。使霧滴均勻帶電是靜電噴霧的關鍵技術，接觸式充電、電暈充電及感應式充電是常見的方法[5]，如圖1所示。3種充電方式的優(yōu)缺點見表1。

圖1 三種充電方式[1]Fig.1 Three charging modes[1]

①電暈式充電：將高壓靜電加在較近的噴頭電極上，電極周圍的空氣在電暈放電作用下發(fā)生電離，并形成帶電離子區(qū)域，從而對噴出的霧滴進行充電。

②感應式充電：在噴霧形成的周圍，利用電極和霧滴之間形成靜電場，并對霧滴進行充電，充電的效果容易受到噴霧與電極間距離的影響。

③接觸式充電：將高壓靜電直接置于液體中，電荷在液體上積累，使噴出的霧滴帶電，或將高壓電極連接到金屬噴頭上，電荷由導體直接對正在霧化的藥液進行充電。

表1 三種充電方式對比[6]Table 1 Comparison of three charging mode[6]

1.2 靜電噴霧的特點

靜電噴霧廣泛應用在現(xiàn)代生活當中，如汽車靜電噴漆、靜電除塵、滅火等方面，主要原因在于靜電噴霧技術液滴霧化效果好，且在標靶上的沉積量、均勻性、吸附性等方面具有很好的效果。靜電噴霧的特點主要有以下四個方面。

①霧滴粒徑小且均勻。液體充電后表面張力和霧化阻力降低，能夠更好的被靜電場撕碎成更小的霧滴，霧滴直徑最小可至5～50 μm，當充電電壓為20 kV時，霧滴粒徑均勻性提高5%，粒徑減少約10%[7]。與常規(guī)的噴霧方式相比，病蟲害防治效果提高2倍以上，所需的施藥量更少，很大程度上可以省藥、省水，也更有利于霧滴吸附在作物表面[8]。

②霧滴在靶標上沉積均勻。在電場力的作用下，霧滴可被快速吸附到植株表面，帶電霧滴在靜電場力還可反向移向標靶的背面，提高了藥液在葉片背面的覆蓋率，使其均勻沉積在作物上。與常規(guī)噴霧相比，作物表面藥液沉積量提高36%，背面沉積量提高31%，藥液沉積量分布均勻性都有明顯提升[9]。

③霧滴穿透力強。靜電噴霧的霧滴在電場力的吸附作用下，可快速被吸附至標靶上，與常規(guī)噴霧方式相比，其穿透力更強，藥液漂移損失量減少20%～30%，提高了藥液的有效利用率，減少對環(huán)境的污染[8]。

④工作效率高。由于帶電霧滴在作物上吸附能力強，且分布均勻，相比傳統(tǒng)施藥能夠增加在植株上的保留時間，使防治害蟲效果更加明顯，靜電超低量噴霧較常規(guī)噴霧工作效率提高了近20倍[8]。

（6）副詞+名詞：off-gauge 不均勻厚度 up-converter上變頻器 ；up-mill逆銑。

2 靜電噴霧技術的研究進展

目前，國內外學者對植保靜電噴霧技術的研究主要集中在靜電噴頭、藥液霧化機理、藥液荷電效果以及霧滴沉降性能等方面。

2.1 靜電噴頭的研究

20世紀40年代，Hampe首次將靜電噴霧應用于植保機中，隨后，英國、美國等國家也對靜電噴霧技術進行了深入研究，隨著靜電噴霧理論的成熟，學者們發(fā)現(xiàn)其關鍵技術在于靜電噴頭的研制，靜電噴頭的性能優(yōu)劣對噴霧質量有著重要影響。美國喬治亞州大學在20世紀70年代首先采用嵌入式靜電感應噴頭，第一代機動靜電噴霧機成果問世，經(jīng)實驗證明，采用靜電噴霧技術后大大提高了藥液在植物上的吸附率和均勻性[10]。之后，美國研制了嵌入式靜電感應噴頭，英國研制了轉盤式靜電噴頭，日本研制了微型錐形旋轉靜電噴頭和彌霧靜電噴頭，但是一直未被商業(yè)化生產(chǎn)[11]。

Carlton等[12]研制了一種航空用的電動旋轉噴頭，利用高壓充電環(huán)使噴霧霧滴帶正電或負電，但霧滴具有極性不確定性。Carlton等[13]探索了極性交替充電、電暈放電等充電方法，改進后的航空靜電噴霧系統(tǒng)采用靜電旋轉式噴嘴，并在高速風洞中對其荷質比和沉積特性進行了測試，結果達到工作要求。Kihm等[14]測量了旋轉式噴頭的霧滴尺寸及航空噴霧沉積的試驗，發(fā)現(xiàn)雙極充電能有效地消除機體殘余電荷的積聚。

直至20世紀80年代，美國學者Law[15]首次研制出了基于氣壓式噴頭的靜電噴霧系統(tǒng)(ESS)，使靜電噴霧技術在植保機中的應用取得了突破性的進展，并對荷電極限、霧化機理等內容進行了論述，可產(chǎn)生30～50 nm直徑的霧滴，并使荷質比達到了4.8 mC·kg-1，荷質比是電暈荷電的2.4倍。通過沉積實驗表明：荷電霧滴更容易被吸附在標靶的背面，沉積也更加的均勻；但是靜電噴頭的可靠性較差，容易發(fā)生方向電離等問題。

國內學者夏偉等[16]針對霧滴在葉背面覆蓋密度低的問題，設計了一種果園風送靜電噴頭，通過對荷質比測量、荷電霧滴覆蓋密度對比試驗和田間驗證,結果證明：該靜電噴頭具有明顯的靜電噴霧效果，可為果園風送靜電噴頭的設計與效果檢驗提供參考。張玲等[17]設計出一種仿形靜電噴頭，通過對空心圓錐霧噴頭施加包覆絕緣層的仿形靜電感應電極，可有效提高帶電霧流的荷質比。

當前,國內外學者主要集中在實現(xiàn)機具與施藥技術的機電一體化、智能對靶與防飄和開發(fā)新型機具等方面研究，而在新噴頭結構開發(fā)、新噴霧理論應用方面投入較少。噴頭新技術的發(fā)展需要運用現(xiàn)代新材料、新技術、新工藝去研究開發(fā)，以提高噴頭的制造質量、工藝水平和可靠性。

2.2 藥液霧化機理的研究

液體霧化是指在外力作用下使液體分裂成微小的霧滴，液體表面張力和相互作用的黏性力是兩種主要的霧化阻力。農(nóng)業(yè)植保機械常規(guī)霧化方式分氣力霧化和液力霧化，靜電噴霧作為常規(guī)噴霧的輔助霧化，是通過靜電場力和電荷庫侖力等力的相互作用降低霧滴表面張力，使液體更容易破碎,與常規(guī)霧化相比，具有霧滴粒徑小、霧化均勻等優(yōu)點。汪朝暉等[18]研究了不同介質液體在靜電場中的霧化效果，試驗結果表明：液滴開始分裂的起始電壓與液體的表面張力成正比，表面張力和黏性力越小，電導率越大，液體的霧化效果越好，靜電場能大幅提高液體的霧化效果。許晏銘等[19]研究了液體物性對靜電噴霧霧化性能的影響，通過PDA測量系統(tǒng)對比分析了充電電壓和液體物性對霧滴粒徑分布的影響規(guī)律，結果表明：液體的電導率越大，霧化效果越好；同一電壓下，霧滴粒徑隨著粘度和表面張力的增加而增加。

2.3 霧滴荷電效果的研究

霧滴上的電荷量與霧滴質量的比值叫做荷質比，是衡量霧滴荷電效果的重要指標，霧滴的荷電量與表面積成正比，即霧滴粒徑是影響荷質比的主要因素之一，霧滴荷質比越大，其荷電效果越好。在靜電噴霧過程中，霧滴荷質比的不確定因素很多，易受靜電場均勻性、充電電壓、藥液物理性質及外界環(huán)境等因素的影響，對荷質比的計算也只有用試驗來測定。常見的荷電測定方法有法拉第桶法、網(wǎng)狀目標法和模擬目標法,3種測試方法的基本原理相同，通過測量所收集霧滴的質量，再用電流表測定其放電電流大小，從而計算出荷質比值[7]。

Patel等[20]首次發(fā)現(xiàn)電極材料對荷電效果存在影響，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)：鍍鎳銅電極相比于純銅、黃銅和鋁等材料有更好的荷電效果，但對于其內在機理并沒有詳細驗證。Gan-Mor等[21]研究了氣流速度與荷電量之間的影響機理，實驗結果表明：當噴頭附近的氣流速度為10 m·s-1時，霧滴荷電量相對無氣流增加了幾倍。靜電電極的結構形式和尺寸是決定霧滴帶電效果的主要因素，張玲等[17]將圓錐霧噴頭靜電電極進行優(yōu)化后設計出一種仿形靜電噴頭。經(jīng)試驗證明：通過對空心圓錐霧噴頭施加包覆絕緣層的仿形靜電感應電極，可有效提高帶電霧流的荷質比。崔海蓉等[22]研究了電極參數(shù)對噴霧荷電量的影響，結果表明：荷電量隨荷電電壓提高而增大，電極環(huán)直徑增大，霧滴荷電量減小，并構建了荷電系數(shù)與電極參數(shù)和位置關系的經(jīng)驗公式。李宇飛等[23]運用NeurosheⅡ軟件研究了航空靜電霧滴荷質比的影響因素，模擬不同試驗條件下結果的變化值，將模擬數(shù)據(jù)和預試驗數(shù)據(jù)導入SPSS軟件，結果表明：影響靜電霧滴荷質比大小的主要因素是電壓和噴頭流量，空氣濕度、溫度等因素對荷質比值有較小影響。陳志剛等[24]采用Box-Behnken設計-響應面法研究了充電電壓、噴霧壓力和藥液電導率對霧滴荷質比的影響，結果表明：荷質比隨噴嘴孔徑的增大而減小，在一定范圍內，荷質比隨電導率和噴霧壓力的增大而增大；當噴頭孔徑固定時，發(fā)現(xiàn)以上三者因素對荷質比均有顯著的影響，但荷電電壓與噴霧壓力無交互作用。

2.4 霧滴沉降過程的研究

荷電霧滴在向作物移動過程中，受電場力、重力和慣性力等作用做定向運動，由于霧滴極小，因此電場力是運輸霧滴的主要作用力[25]。帶電霧滴在定向運動過程中，霧滴質量隨噴霧距離增加而減小，同種霧滴相互排斥使霧滴產(chǎn)生漂移，且存在放電現(xiàn)象。若只靠電場力來運輸，霧滴的穿透能力差，很難覆蓋到作物頂部和背部，因此科研人員研究了輔助氣流對霧滴沉積的影響。

Patel等[26]在噴頭附近加裝了一套輔助氣流裝置，并且氣流噴射角度可調節(jié)，結果表明：在氣流裝置的輔助下，能夠有效控制霧滴的噴施范圍，提高霧滴穿透能力，減少藥液漂移損失量，從而提高藥液在作物上的沉積量。Pascuzzi等[27]、Maski等[28]研究了工作環(huán)境對霧滴沉積效果的影響，結果表明：作業(yè)速度、噴霧距離等對霧滴的沉積效率均有所影響，但并未對之間的影響機理做出詳細研究。茹煜等[29]以風送靜電噴霧系統(tǒng)為研究對象，在三維坐標下建立了霧滴的受力模型，并分析了荷電特征對霧滴沉降、沉積和黏附靶標的影響，結果表明：荷電霧滴可以增加霧滴的沉降速度，有利于霧滴定向向著靶標沉降，減少漂移流失，而且增加了靶標背面的沉積量；靜電噴霧可以減小霧滴與葉片間的接觸角，有效地提高霧滴沉積在植株表面的穩(wěn)定性。隨著計算流體力學仿真軟件(CFD)的出現(xiàn)，研究者將此技術應用于靜電噴霧的研究中，祁力鈞等[30]基于CFD技術對霧滴沉積分布特性進行了研究，利用Fluent軟件對霧滴沉積分布特性進行模擬，并進行定性和定量試驗，結果表明：霧滴空中飄移量、流失在地面上的沉積量隨著與風扇中心距離的增加而增加，而在距風扇中心不同距離的垂直截面上，地面距離的增大，霧滴沉積量隨之減少。

靜電噴霧技術可有效提高霧滴在植物上的沉積率。廉琦等[31]針對ARAG圓錐霧型噴頭設計了一種圓錐形充電電極，可對霧滴感應充電，并研究了靜電噴頭電極對霧滴沉積效果的影響，進行噴霧沉積性能試驗和多因素正交試驗，結果表明：對霧滴沉積率的影響從大到小依次是充電電壓、噴霧壓力、噴霧高度，并得出了霧滴沉積效果最優(yōu)的組合參數(shù)。陳志剛等[32]研究了充電電壓、風速和噴霧壓力對霧滴沉積性能的影響，正交試驗結果得出：各個闡述均對霧滴沉積率有顯著影響，影響主次順序分別是充電電壓、噴霧壓力、風速，并得出了最優(yōu)沉積率時荷電電壓、風速和噴霧壓力之間的最佳組合。

帶電霧滴在靜電場中運動的影響因素很多，由于環(huán)境的復雜性，影響因素不易確定，霧滴在靜電場中的運動軌跡和模型很難確定，需要研究人員進一步研究。

3 植保靜電噴霧技術應用現(xiàn)狀

隨著對靜電噴霧理論和相關測試技術研究的完善，國內外高校、科研院所以及生產(chǎn)企業(yè)將靜電噴霧技術與其他先進的植保機械新技術相結合，研制生產(chǎn)了相應的產(chǎn)品。杜彥生等[33]研制了高射遠程楊樹靜電噴霧機，結果表明：該噴霧機可提高農(nóng)藥的噴施效率，另外，該高射遠程噴霧機也可應用于其他高大林木、水田和旱田大面積植物的噴霧，實現(xiàn)了一機多用，具有良好的應用前景。楊洲等[34]設計了一種果園在線混藥型靜電噴霧機，結果表明:試驗測得混藥均勻性和混藥穩(wěn)定性的最大變異系數(shù)分別為4.46%和3.51%。采用風輔靜電噴霧方式的無冠層采樣架上，采樣點正面霧滴附著率相對于無風輔、無靜電噴霧方式分別提高了9.3%、46.3%和53.2%，采樣點反面的霧滴附著率分別提高了82.9%、164.3%和 184.2%。風輔靜電噴霧下在仿真柑橘樹冠層內部葉片正面的霧滴附著率為48個·cm-2左右，葉片反面為37個·cm-2，相對于無風輔無靜電方式分別提高了166.7%和428.6%；所設計的在線混藥系統(tǒng)具有良好的混藥性能，風輔靜電式噴霧系統(tǒng)可提高霧滴吸附能力和穿透能力，能夠滿足25個·cm-2的病蟲害防治附著率要求。何雄奎等[35]將自動對靶技術、靜電噴霧技術和風送噴霧技術相結合，研究設計了果園自動對靶靜電噴霧機。該噴霧機基于紅外線探測技術，檢測有無標靶來實現(xiàn)自動對靶控制噴霧：靜電噴霧與無靜電噴霧相比，藥液在標靶上的沉積量增加了2倍多，可以節(jié)省50%至75%的藥液。

航空噴霧能快速高效地完成病蟲草害的防治，特別是針對大面積爆發(fā)性有害生物災害，且不受地理因素和不同作物生長期的制約，能夠降低作業(yè)成本，也不會損壞農(nóng)作物等特點[36]。 美國SES公司的航空靜電噴霧系統(tǒng)是目前最先進的航空靜電噴霧設備，該公司購買了Calton的航空靜電噴頭專利，將航空靜電噴霧系統(tǒng)推向市場，該系統(tǒng)每個噴頭間距30 mm，靜電發(fā)生器的輸出端分別安裝在機翼兩側噴嘴上，使得兩機翼的正、負電壓處于平衡，噴霧支架上總靜電場近似為零，以保證飛機工作安全性[37]。茹煜等[38]基于Y5B農(nóng)用飛機設計了航空靜電噴霧系統(tǒng)，試驗結果表明：與傳統(tǒng)航空噴霧相比，大大縮短了作業(yè)時間，降低用藥量，有效防治率提高了19.2%，對于大面積、爆發(fā)性的病蟲害具有很好的應用前景。

4 存在的問題及發(fā)展建議

靜電噴霧的主要作用在于增加藥液在標靶上的沉積率，提高霧滴的穿透性以及獲得較小粒徑且均勻的霧滴，以達到節(jié)省藥液、減少污染、提高施藥作業(yè)效率等目的。但是目前靜電噴霧技術在我國并沒有得到廣泛的應用，主要原因有以下幾點。

①在新噴頭結構開發(fā)、新噴霧理論應用方面投入較少。為推動新型植保技術的發(fā)展，應推進噴頭新技術的發(fā)展，運用現(xiàn)代新材料、新技術、新工藝去研究開發(fā)，以提高噴頭的制造質量、工藝水平和可靠性，保證噴頭具有足夠的絕緣性和安全性。

②對藥液霧化的理論研究較少。包括靜電場均勻性及噴霧流場等因素對霧化效果影響的研究，應加強噴頭結構、噴霧間距、霧滴自身屬性與霧化效果之間的關系等方面的研究，溶液的粘度和表面張力對液體霧化的影響。

③對霧滴沉降過程的研究欠缺。霧滴荷電效果也是影響霧滴沉降效果的重要因素之一，應加強對霧滴的帶電量、氣流速度、靜電場等之間關系的研究，確保霧滴具有足夠的荷電量，減少藥液在沉降過程中的放電現(xiàn)象。

④霧滴在靜電場中的運動軌跡和模型很難確定，需要研究人員進一步研究。應用現(xiàn)代計算機及先進仿真技術，建立荷電霧滴在靜電場中的受力模型，以方便研究霧滴在沉降過程中的影響機理。

5 結語

靜電噴霧能夠減少施藥過程中漂移、流失嚴重及環(huán)境污染等問題，能夠提高農(nóng)藥的利用率和噴施工作效率，有效降低防治成本。為適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對于新型施藥裝備的研發(fā)迫在眉睫，但植保靜電噴霧技術仍有諸多問題所在和技術難關有待深入研究，相信隨著各項檢測、測量等新型技術的發(fā)展，以及對于靜電噴霧技術研究成果的不斷積累，靜電噴霧技術發(fā)展中的問題都將被解決，靜電噴霧技術也將被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等發(fā)展中。