植保静电喷雾技术研究进展

曾杨, 伍志军, 李艺凡, 蒋承琨, 张黎骅, 马荣朝

(四川农业大学机电学院, 四川 雅安 625014)

随着人们对农产品农药残留、食品安全的重视，对植保机械也提出了更高的要求。我国植保机械以手动和小型机动药械为主，该类植保作业具有劳动强度大、工作效率低、污染环境严重、药液大量浪费等缺点。目前，我国农药有效利用率只有20%～30%，远远低于发达国家的60%～70%[1]。静电喷雾技术虽已在工业喷涂、静电印刷、医药等领域得到广泛应用，但在农业领域并未得到很好的发展。通过采用高压静电发生器、合适的荷电技术、新型材料的应用，结合风辅装置、变量喷雾及自动对靶等技术，不仅能提高标靶正面药液沉积量，也能提高标靶背面和植株内部的沉积量，大大改善了当前农药的喷施效果，是解决我国植保施药诸多问题的有效方法[2-3]。为了有效地提高农药喷施效率、减少药液飘失浪费，静电喷雾技术的开发和应用已成为广大学者的研究热点。本文介绍了静电喷雾技术的原理及研究进展，以期为植保机械研发奠定基础。

1 静电喷雾的原理和特点

1.1 静电喷雾原理

静电喷雾是将高压静电电极装置在喷头上，并在作物和喷头间建立高压静电场，药液经喷头进行雾化形成雾滴，通过不同充电方法带上电荷进入静电场后形成带电雾滴群，然后在各种外力和静电场共同作用下定向运动到作物表面，在冠层吸引力的作用下雾滴还可被吸附到作物背面，大大增加了药液在标靶正面和背面的沉积率，减少了农药雾滴漂移的流失，提高了喷药效果和降低了用药量和对环境的污染[4]。使雾滴均匀带电是静电喷雾的关键技术，接触式充电、电晕充电及感应式充电是常见的方法[5]，如图1所示。3种充电方式的优缺点见表1。

图1 三种充电方式[1]Fig.1 Three charging modes[1]

①电晕式充电：将高压静电加在较近的喷头电极上，电极周围的空气在电晕放电作用下发生电离，并形成带电离子区域，从而对喷出的雾滴进行充电。

②感应式充电：在喷雾形成的周围，利用电极和雾滴之间形成静电场，并对雾滴进行充电，充电的效果容易受到喷雾与电极间距离的影响。

③接触式充电：将高压静电直接置于液体中，电荷在液体上积累，使喷出的雾滴带电，或将高压电极连接到金属喷头上，电荷由导体直接对正在雾化的药液进行充电。

表1 三种充电方式对比[6]Table 1 Comparison of three charging mode[6]

1.2 静电喷雾的特点

静电喷雾广泛应用在现代生活当中，如汽车静电喷漆、静电除尘、灭火等方面，主要原因在于静电喷雾技术液滴雾化效果好，且在标靶上的沉积量、均匀性、吸附性等方面具有很好的效果。静电喷雾的特点主要有以下四个方面。

①雾滴粒径小且均匀。液体充电后表面张力和雾化阻力降低，能够更好的被静电场撕碎成更小的雾滴，雾滴直径最小可至5～50 μm，当充电电压为20 kV时，雾滴粒径均匀性提高5%，粒径减少约10%[7]。与常规的喷雾方式相比，病虫害防治效果提高2倍以上，所需的施药量更少，很大程度上可以省药、省水，也更有利于雾滴吸附在作物表面[8]。

②雾滴在靶标上沉积均匀。在电场力的作用下，雾滴可被快速吸附到植株表面，带电雾滴在静电场力还可反向移向标靶的背面，提高了药液在叶片背面的覆盖率，使其均匀沉积在作物上。与常规喷雾相比，作物表面药液沉积量提高36%，背面沉积量提高31%，药液沉积量分布均匀性都有明显提升[9]。

③雾滴穿透力强。静电喷雾的雾滴在电场力的吸附作用下，可快速被吸附至标靶上，与常规喷雾方式相比，其穿透力更强，药液漂移损失量减少20%～30%，提高了药液的有效利用率，减少对环境的污染[8]。

④工作效率高。由于带电雾滴在作物上吸附能力强，且分布均匀，相比传统施药能够增加在植株上的保留时间，使防治害虫效果更加明显，静电超低量喷雾较常规喷雾工作效率提高了近20倍[8]。

（6）副词+名词：off-gauge 不均匀厚度 up-converter上变频器 ；up-mill逆铣。

2 静电喷雾技术的研究进展

目前，国内外学者对植保静电喷雾技术的研究主要集中在静电喷头、药液雾化机理、药液荷电效果以及雾滴沉降性能等方面。

2.1 静电喷头的研究

20世纪40年代，Hampe首次将静电喷雾应用于植保机中，随后，英国、美国等国家也对静电喷雾技术进行了深入研究，随着静电喷雾理论的成熟，学者们发现其关键技术在于静电喷头的研制，静电喷头的性能优劣对喷雾质量有着重要影响。美国乔治亚州大学在20世纪70年代首先采用嵌入式静电感应喷头，第一代机动静电喷雾机成果问世，经实验证明，采用静电喷雾技术后大大提高了药液在植物上的吸附率和均匀性[10]。之后，美国研制了嵌入式静电感应喷头，英国研制了转盘式静电喷头，日本研制了微型锥形旋转静电喷头和弥雾静电喷头，但是一直未被商业化生产[11]。

Carlton等[12]研制了一种航空用的电动旋转喷头，利用高压充电环使喷雾雾滴带正电或负电，但雾滴具有极性不确定性。Carlton等[13]探索了极性交替充电、电晕放电等充电方法，改进后的航空静电喷雾系统采用静电旋转式喷嘴，并在高速风洞中对其荷质比和沉积特性进行了测试，结果达到工作要求。Kihm等[14]测量了旋转式喷头的雾滴尺寸及航空喷雾沉积的试验，发现双极充电能有效地消除机体残余电荷的积聚。

直至20世纪80年代，美国学者Law[15]首次研制出了基于气压式喷头的静电喷雾系统(ESS)，使静电喷雾技术在植保机中的应用取得了突破性的进展，并对荷电极限、雾化机理等内容进行了论述，可产生30～50 nm直径的雾滴，并使荷质比达到了4.8 mC·kg-1，荷质比是电晕荷电的2.4倍。通过沉积实验表明：荷电雾滴更容易被吸附在标靶的背面，沉积也更加的均匀；但是静电喷头的可靠性较差，容易发生方向电离等问题。

国内学者夏伟等[16]针对雾滴在叶背面覆盖密度低的问题，设计了一种果园风送静电喷头，通过对荷质比测量、荷电雾滴覆盖密度对比试验和田间验证,结果证明：该静电喷头具有明显的静电喷雾效果，可为果园风送静电喷头的设计与效果检验提供参考。张玲等[17]设计出一种仿形静电喷头，通过对空心圆锥雾喷头施加包覆绝缘层的仿形静电感应电极，可有效提高带电雾流的荷质比。

当前,国内外学者主要集中在实现机具与施药技术的机电一体化、智能对靶与防飘和开发新型机具等方面研究，而在新喷头结构开发、新喷雾理论应用方面投入较少。喷头新技术的发展需要运用现代新材料、新技术、新工艺去研究开发，以提高喷头的制造质量、工艺水平和可靠性。

2.2 药液雾化机理的研究

液体雾化是指在外力作用下使液体分裂成微小的雾滴，液体表面张力和相互作用的黏性力是两种主要的雾化阻力。农业植保机械常规雾化方式分气力雾化和液力雾化，静电喷雾作为常规喷雾的辅助雾化，是通过静电场力和电荷库仑力等力的相互作用降低雾滴表面张力，使液体更容易破碎,与常规雾化相比，具有雾滴粒径小、雾化均匀等优点。汪朝晖等[18]研究了不同介质液体在静电场中的雾化效果，试验结果表明：液滴开始分裂的起始电压与液体的表面张力成正比，表面张力和黏性力越小，电导率越大，液体的雾化效果越好，静电场能大幅提高液体的雾化效果。许晏铭等[19]研究了液体物性对静电喷雾雾化性能的影响，通过PDA测量系统对比分析了充电电压和液体物性对雾滴粒径分布的影响规律，结果表明：液体的电导率越大，雾化效果越好；同一电压下，雾滴粒径随着粘度和表面张力的增加而增加。

2.3 雾滴荷电效果的研究

雾滴上的电荷量与雾滴质量的比值叫做荷质比，是衡量雾滴荷电效果的重要指标，雾滴的荷电量与表面积成正比，即雾滴粒径是影响荷质比的主要因素之一，雾滴荷质比越大，其荷电效果越好。在静电喷雾过程中，雾滴荷质比的不确定因素很多，易受静电场均匀性、充电电压、药液物理性质及外界环境等因素的影响，对荷质比的计算也只有用试验来测定。常见的荷电测定方法有法拉第桶法、网状目标法和模拟目标法,3种测试方法的基本原理相同，通过测量所收集雾滴的质量，再用电流表测定其放电电流大小，从而计算出荷质比值[7]。

Patel等[20]首次发现电极材料对荷电效果存在影响，通过对比试验发现：镀镍铜电极相比于纯铜、黄铜和铝等材料有更好的荷电效果，但对于其内在机理并没有详细验证。Gan-Mor等[21]研究了气流速度与荷电量之间的影响机理，实验结果表明：当喷头附近的气流速度为10 m·s-1时，雾滴荷电量相对无气流增加了几倍。静电电极的结构形式和尺寸是决定雾滴带电效果的主要因素，张玲等[17]将圆锥雾喷头静电电极进行优化后设计出一种仿形静电喷头。经试验证明：通过对空心圆锥雾喷头施加包覆绝缘层的仿形静电感应电极，可有效提高带电雾流的荷质比。崔海蓉等[22]研究了电极参数对喷雾荷电量的影响，结果表明：荷电量随荷电电压提高而增大，电极环直径增大，雾滴荷电量减小，并构建了荷电系数与电极参数和位置关系的经验公式。李宇飞等[23]运用NeurosheⅡ软件研究了航空静电雾滴荷质比的影响因素，模拟不同试验条件下结果的变化值，将模拟数据和预试验数据导入SPSS软件，结果表明：影响静电雾滴荷质比大小的主要因素是电压和喷头流量，空气湿度、温度等因素对荷质比值有较小影响。陈志刚等[24]采用Box-Behnken设计-响应面法研究了充电电压、喷雾压力和药液电导率对雾滴荷质比的影响，结果表明：荷质比随喷嘴孔径的增大而减小，在一定范围内，荷质比随电导率和喷雾压力的增大而增大；当喷头孔径固定时，发现以上三者因素对荷质比均有显著的影响，但荷电电压与喷雾压力无交互作用。

2.4 雾滴沉降过程的研究

荷电雾滴在向作物移动过程中，受电场力、重力和惯性力等作用做定向运动，由于雾滴极小，因此电场力是运输雾滴的主要作用力[25]。带电雾滴在定向运动过程中，雾滴质量随喷雾距离增加而减小，同种雾滴相互排斥使雾滴产生漂移，且存在放电现象。若只靠电场力来运输，雾滴的穿透能力差，很难覆盖到作物顶部和背部，因此科研人员研究了辅助气流对雾滴沉积的影响。

Patel等[26]在喷头附近加装了一套辅助气流装置，并且气流喷射角度可调节，结果表明：在气流装置的辅助下，能够有效控制雾滴的喷施范围，提高雾滴穿透能力，减少药液漂移损失量，从而提高药液在作物上的沉积量。Pascuzzi等[27]、Maski等[28]研究了工作环境对雾滴沉积效果的影响，结果表明：作业速度、喷雾距离等对雾滴的沉积效率均有所影响，但并未对之间的影响机理做出详细研究。茹煜等[29]以风送静电喷雾系统为研究对象，在三维坐标下建立了雾滴的受力模型，并分析了荷电特征对雾滴沉降、沉积和黏附靶标的影响，结果表明：荷电雾滴可以增加雾滴的沉降速度，有利于雾滴定向向着靶标沉降，减少漂移流失，而且增加了靶标背面的沉积量；静电喷雾可以减小雾滴与叶片间的接触角，有效地提高雾滴沉积在植株表面的稳定性。随着计算流体力学仿真软件(CFD)的出现，研究者将此技术应用于静电喷雾的研究中，祁力钧等[30]基于CFD技术对雾滴沉积分布特性进行了研究，利用Fluent软件对雾滴沉积分布特性进行模拟，并进行定性和定量试验，结果表明：雾滴空中飘移量、流失在地面上的沉积量随着与风扇中心距离的增加而增加，而在距风扇中心不同距离的垂直截面上，地面距离的增大，雾滴沉积量随之减少。

静电喷雾技术可有效提高雾滴在植物上的沉积率。廉琦等[31]针对ARAG圆锥雾型喷头设计了一种圆锥形充电电极，可对雾滴感应充电，并研究了静电喷头电极对雾滴沉积效果的影响，进行喷雾沉积性能试验和多因素正交试验，结果表明：对雾滴沉积率的影响从大到小依次是充电电压、喷雾压力、喷雾高度，并得出了雾滴沉积效果最优的组合参数。陈志刚等[32]研究了充电电压、风速和喷雾压力对雾滴沉积性能的影响，正交试验结果得出：各个阐述均对雾滴沉积率有显著影响，影响主次顺序分别是充电电压、喷雾压力、风速，并得出了最优沉积率时荷电电压、风速和喷雾压力之间的最佳组合。

带电雾滴在静电场中运动的影响因素很多，由于环境的复杂性，影响因素不易确定，雾滴在静电场中的运动轨迹和模型很难确定，需要研究人员进一步研究。

3 植保静电喷雾技术应用现状

随着对静电喷雾理论和相关测试技术研究的完善，国内外高校、科研院所以及生产企业将静电喷雾技术与其他先进的植保机械新技术相结合，研制生产了相应的产品。杜彦生等[33]研制了高射远程杨树静电喷雾机，结果表明：该喷雾机可提高农药的喷施效率，另外，该高射远程喷雾机也可应用于其他高大林木、水田和旱田大面积植物的喷雾，实现了一机多用，具有良好的应用前景。杨洲等[34]设计了一种果园在线混药型静电喷雾机，结果表明:试验测得混药均匀性和混药稳定性的最大变异系数分别为4.46%和3.51%。采用风辅静电喷雾方式的无冠层采样架上，采样点正面雾滴附着率相对于无风辅、无静电喷雾方式分别提高了9.3%、46.3%和53.2%，采样点反面的雾滴附着率分别提高了82.9%、164.3%和 184.2%。风辅静电喷雾下在仿真柑橘树冠层内部叶片正面的雾滴附着率为48个·cm-2左右，叶片反面为37个·cm-2，相对于无风辅无静电方式分别提高了166.7%和428.6%；所设计的在线混药系统具有良好的混药性能，风辅静电式喷雾系统可提高雾滴吸附能力和穿透能力，能够满足25个·cm-2的病虫害防治附着率要求。何雄奎等[35]将自动对靶技术、静电喷雾技术和风送喷雾技术相结合，研究设计了果园自动对靶静电喷雾机。该喷雾机基于红外线探测技术，检测有无标靶来实现自动对靶控制喷雾：静电喷雾与无静电喷雾相比，药液在标靶上的沉积量增加了2倍多，可以节省50%至75%的药液。

航空喷雾能快速高效地完成病虫草害的防治，特别是针对大面积爆发性有害生物灾害，且不受地理因素和不同作物生长期的制约，能够降低作业成本，也不会损坏农作物等特点[36]。 美国SES公司的航空静电喷雾系统是目前最先进的航空静电喷雾设备，该公司购买了Calton的航空静电喷头专利，将航空静电喷雾系统推向市场，该系统每个喷头间距30 mm，静电发生器的输出端分别安装在机翼两侧喷嘴上，使得两机翼的正、负电压处于平衡，喷雾支架上总静电场近似为零，以保证飞机工作安全性[37]。茹煜等[38]基于Y5B农用飞机设计了航空静电喷雾系统，试验结果表明：与传统航空喷雾相比，大大缩短了作业时间，降低用药量，有效防治率提高了19.2%，对于大面积、爆发性的病虫害具有很好的应用前景。

4 存在的问题及发展建议

静电喷雾的主要作用在于增加药液在标靶上的沉积率，提高雾滴的穿透性以及获得较小粒径且均匀的雾滴，以达到节省药液、减少污染、提高施药作业效率等目的。但是目前静电喷雾技术在我国并没有得到广泛的应用，主要原因有以下几点。

①在新喷头结构开发、新喷雾理论应用方面投入较少。为推动新型植保技术的发展，应推进喷头新技术的发展，运用现代新材料、新技术、新工艺去研究开发，以提高喷头的制造质量、工艺水平和可靠性，保证喷头具有足够的绝缘性和安全性。

②对药液雾化的理论研究较少。包括静电场均匀性及喷雾流场等因素对雾化效果影响的研究，应加强喷头结构、喷雾间距、雾滴自身属性与雾化效果之间的关系等方面的研究，溶液的粘度和表面张力对液体雾化的影响。

③对雾滴沉降过程的研究欠缺。雾滴荷电效果也是影响雾滴沉降效果的重要因素之一，应加强对雾滴的带电量、气流速度、静电场等之间关系的研究，确保雾滴具有足够的荷电量，减少药液在沉降过程中的放电现象。

④雾滴在静电场中的运动轨迹和模型很难确定，需要研究人员进一步研究。应用现代计算机及先进仿真技术，建立荷电雾滴在静电场中的受力模型，以方便研究雾滴在沉降过程中的影响机理。

5 结语

静电喷雾能够减少施药过程中漂移、流失严重及环境污染等问题，能够提高农药的利用率和喷施工作效率，有效降低防治成本。为适应现代农业的可持续发展，对于新型施药装备的研发迫在眉睫，但植保静电喷雾技术仍有诸多问题所在和技术难关有待深入研究，相信随着各项检测、测量等新型技术的发展，以及对于静电喷雾技术研究成果的不断积累，静电喷雾技术发展中的问题都将被解决，静电喷雾技术也将被广泛应用于农业、工业等发展中。