基于兩性纖維素的農藥噴灑新技術項目實施方案

李瑞鵬，吳澤昊，漆 磊

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢430000）

中國每年的化學農藥使用面積為2.8 億公頃以上，施用量達50～60 萬噸，其中約80%的化學農藥被浪費，而沒有直接作用于防治對象，農藥難以附著于葉片是其主要原因。許多植物葉子具有自然疏水性，植物表皮細胞外覆蓋著一層由親脂性植物蠟質構成的疏水層，是它們反彈滴液的原因。當噴灑殺蟲劑或其他藥物時，其中只有約20%能噴射在植物上，絕大部分農藥會脫離植物，落在土地上或者變成徑流的一部分，導致土壤及水源的嚴重污染。而為了保證產量，中國農民普遍噴灑過量的農藥，以保證除蟲率。甚至2～3 種農藥一起使用，農藥過度使用造成中國農藥有效利用率僅為38%。農藥使用不合理造成浪費的問題亟待解決，因此設計了一種農藥噴灑新技術，該技術以兩性纖維素作為載體，通過霧化農藥噴灑小車，大大減少了農藥的使用量。

1 基本設計思路

害蟲一般棲息在植物葉片的下表面，所以針對葉片下表面式噴灑，能夠最大化農藥的殺蟲效果。但該噴灑方式與現有的各種噴灑方式相差較大，需從兩性纖維素混合農藥方案和農藥噴灑小車結構兩個方面考慮。

2 兩性纖維素與農藥的混合

2.1 兩性纖維素農藥混合方案設計

基于此，設計霧化農藥與兩性纖維素量單因素試驗測試，控制比例為5 000∶0、5 000∶1、4 000∶1、3 000∶1、2 000∶1 和1 000∶1，溫度控制在20 ℃，并使用粘度測試儀測定實驗數據，得到實驗數據如表1 所示。由表1 可知，當霧化農藥與兩性纖維素量之比為4 000∶1 時，粘度最大，可達到最佳效果。

2.2 兩性纖維素混合農藥分析

2．2．1 兩性纖維素化學性質穩定

根據試驗數據，兩性纖維素在近中性或弱堿性溶液中浸泡4 d，其羧甲基取代度下降百分率小于4%，季銨基取代度下降百分率小于2.5%；在酸性水溶液中取代度下降百分率略有上升，但是需要的條件是溫度高于55 ℃。因此，兩性纖維素具有較強的抗水解能力，適合在弱酸性、堿性或近中性的水溶液中使用。棉花種植中使用的農藥分為弱酸性、弱堿性及中性，所以二者結合兩性纖維素基本上不會發生反應而造成它們的功能失效，具有可行性。兩性纖維素的水解條件如表2 所示。幾種殺蟲劑的使用環境如表3 所示。

表1 霧化農藥與兩性纖維素量單因素試驗測試

表2 兩性纖維素的水解條件

表3 幾種殺蟲劑的使用環境

由表2、表3 可知，兩性纖維素可以與絕大多數農藥混合使用，并且不會使農藥的藥效降低。

2．2．2 對棉花葉子表面的吸附性

蘇州大學選用棉纖維驗證了改性兩性纖維素的可行性，產物兩性纖維素因為同時含有陰、陽離子基團，表現出良好吸附能力和顯著的靜電特性。同時，兩性纖維素具有與普通兩性電解質一樣的特殊的溶液性質和流變性能，如增稠、絮凝、懸浮等功能。在農藥噴出噴射器后再與其混合將會獲得帶靜電且吸附性較大的膠體，便于其與靶葉片結合，減少農藥噴灑后的掉落率和揮發率，延長農藥的有效時間，進而減少農藥的噴灑量和噴灑的次數。

3 霧化農藥噴灑小車

該裝置的工作流程如下：使用前在車體內部提前裝好兩性纖維素粉末和所需稀釋后的農藥，之后啟動電源，風機開始工作，將兩性纖維素揚起，將農藥抽到噴頭處進行霧化。打開噴頭，霧化噴頭噴出農藥，在噴頭工作時，由于噴頭造成的低壓將會將彌漫在殼體中的兩性纖維素吸出，并在噴頭處進行混合，之后噴出混合后的農藥，工作結束。

3.1 農藥噴灑裝置整體設計

農藥噴灑裝置整體外觀和內部結構如圖1 和圖2 所示，該裝置主要由農藥噴灑模塊、纖維素干粉揮出模塊、混合模塊和電機驅動模塊組成。

圖1 農藥噴灑裝置外觀圖

圖2 農藥噴灑裝置內部結構

3.2 農藥噴灑模塊

農藥噴灑模塊安裝在小車的后半部分，由電瓶、電機、泵、水箱及水管組成。工作時電機帶動泵將農藥從水箱中抽出，運送到軟管，隨后進入可調節高度的剛性管進行霧化，完成下一步工作。考慮到不同時期農作物的高度不同，所以設計了可調節高度的剛性管，并且在剛性管上裝定位塊，使管道可以完成固定和調整。在需要調節高度時松開定位塊，直接調節管道，即可調節噴灑高度。

3.3 纖維素干粉揮出模塊

纖維素干粉揮出模塊安裝在小車的前半部分，由干粉儲存箱、風機和軟管組成。工作時安裝在儲存箱側壁的風機先將兩性纖維素干粉揚起，此時儲存箱空間內充滿干粉，隨后由于農藥噴頭的低壓會將揚起的粉末吸出，隨后通過軟管傳輸到混合模塊與農藥溶液混合。并且巧妙利用單向閥原理，避免農藥回流，并保證纖維素粉末不單獨噴出。當農藥流到左側管道口時，在壓力的作用下流入左儲液室推動滑桿，打開單向閥，纖維素干粉順利通過。當沒有農藥流過時，單向閥關閉，避免農藥回流污染纖維素粉末。

3.4 混合噴頭

混合噴頭主要由噴頭構成。當農藥被運送到噴頭內部時，高流速的兩性纖維素干粉流也會進入。由于干粉流是從噴頭壁進入，所以會形成渦旋現象，使兩性纖維素可以和農藥混合充分，形成溶質均勻的農藥-纖維素膠體，隨后通過噴頭噴灑口噴出。由于噴出物是混合十分均勻的膠體且膠體帶有靜電，所以其對作物的葉子具有強吸附性。并且本裝置的噴灑面針對作物疏水性差的葉子下表面，提高了農藥對葉子的吸附性，減少了農藥掉落量，提高了農藥的除蟲效果，減少農藥使用量。

4 結語

兩性纖維素在不同酸堿性條件下均能夠正常發揮作用而不會被水解，而且兩性纖維素化學性質穩定，不會對農藥的藥效產生副作用。該裝置的機械結構部分擬由鋁型材和塑料組成，鋁型材作為外部框架結構，提供相應強度的同時不會增加機器的負重，塑料則作為承裝農藥的容器，保證農藥不會因與金屬發生化學反應而失去作用。該技術方案實用可靠，適合大力推廣。