基于两性纤维素的农药喷洒新技术项目实施方案

李瑞鹏，吴泽昊，漆 磊

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉430000）

中国每年的化学农药使用面积为2.8 亿公顷以上，施用量达50～60 万吨，其中约80%的化学农药被浪费，而没有直接作用于防治对象，农药难以附着于叶片是其主要原因。许多植物叶子具有自然疏水性，植物表皮细胞外覆盖着一层由亲脂性植物蜡质构成的疏水层，是它们反弹滴液的原因。当喷洒杀虫剂或其他药物时，其中只有约20%能喷射在植物上，绝大部分农药会脱离植物，落在土地上或者变成径流的一部分，导致土壤及水源的严重污染。而为了保证产量，中国农民普遍喷洒过量的农药，以保证除虫率。甚至2～3 种农药一起使用，农药过度使用造成中国农药有效利用率仅为38%。农药使用不合理造成浪费的问题亟待解决，因此设计了一种农药喷洒新技术，该技术以两性纤维素作为载体，通过雾化农药喷洒小车，大大减少了农药的使用量。

1 基本设计思路

害虫一般栖息在植物叶片的下表面，所以针对叶片下表面式喷洒，能够最大化农药的杀虫效果。但该喷洒方式与现有的各种喷洒方式相差较大，需从两性纤维素混合农药方案和农药喷洒小车结构两个方面考虑。

2 两性纤维素与农药的混合

2.1 两性纤维素农药混合方案设计

基于此，设计雾化农药与两性纤维素量单因素试验测试，控制比例为5 000∶0、5 000∶1、4 000∶1、3 000∶1、2 000∶1 和1 000∶1，温度控制在20 ℃，并使用粘度测试仪测定实验数据，得到实验数据如表1 所示。由表1 可知，当雾化农药与两性纤维素量之比为4 000∶1 时，粘度最大，可达到最佳效果。

2.2 两性纤维素混合农药分析

2．2．1 两性纤维素化学性质稳定

根据试验数据，两性纤维素在近中性或弱碱性溶液中浸泡4 d，其羧甲基取代度下降百分率小于4%，季铵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，但是需要的条件是温度高于55 ℃。因此，两性纤维素具有较强的抗水解能力，适合在弱酸性、碱性或近中性的水溶液中使用。棉花种植中使用的农药分为弱酸性、弱碱性及中性，所以二者结合两性纤维素基本上不会发生反应而造成它们的功能失效，具有可行性。两性纤维素的水解条件如表2 所示。几种杀虫剂的使用环境如表3 所示。

表1 雾化农药与两性纤维素量单因素试验测试

表2 两性纤维素的水解条件

表3 几种杀虫剂的使用环境

由表2、表3 可知，两性纤维素可以与绝大多数农药混合使用，并且不会使农药的药效降低。

2．2．2 对棉花叶子表面的吸附性

苏州大学选用棉纤维验证了改性两性纤维素的可行性，产物两性纤维素因为同时含有阴、阳离子基团，表现出良好吸附能力和显著的静电特性。同时，两性纤维素具有与普通两性电解质一样的特殊的溶液性质和流变性能，如增稠、絮凝、悬浮等功能。在农药喷出喷射器后再与其混合将会获得带静电且吸附性较大的胶体，便于其与靶叶片结合，减少农药喷洒后的掉落率和挥发率，延长农药的有效时间，进而减少农药的喷洒量和喷洒的次数。

3 雾化农药喷洒小车

该装置的工作流程如下：使用前在车体内部提前装好两性纤维素粉末和所需稀释后的农药，之后启动电源，风机开始工作，将两性纤维素扬起，将农药抽到喷头处进行雾化。打开喷头，雾化喷头喷出农药，在喷头工作时，由于喷头造成的低压将会将弥漫在壳体中的两性纤维素吸出，并在喷头处进行混合，之后喷出混合后的农药，工作结束。

3.1 农药喷洒装置整体设计

农药喷洒装置整体外观和内部结构如图1 和图2 所示，该装置主要由农药喷洒模块、纤维素干粉挥出模块、混合模块和电机驱动模块组成。

图1 农药喷洒装置外观图

图2 农药喷洒装置内部结构

3.2 农药喷洒模块

农药喷洒模块安装在小车的后半部分，由电瓶、电机、泵、水箱及水管组成。工作时电机带动泵将农药从水箱中抽出，运送到软管，随后进入可调节高度的刚性管进行雾化，完成下一步工作。考虑到不同时期农作物的高度不同，所以设计了可调节高度的刚性管，并且在刚性管上装定位块，使管道可以完成固定和调整。在需要调节高度时松开定位块，直接调节管道，即可调节喷洒高度。

3.3 纤维素干粉挥出模块

纤维素干粉挥出模块安装在小车的前半部分，由干粉储存箱、风机和软管组成。工作时安装在储存箱侧壁的风机先将两性纤维素干粉扬起，此时储存箱空间内充满干粉，随后由于农药喷头的低压会将扬起的粉末吸出，随后通过软管传输到混合模块与农药溶液混合。并且巧妙利用单向阀原理，避免农药回流，并保证纤维素粉末不单独喷出。当农药流到左侧管道口时，在压力的作用下流入左储液室推动滑杆，打开单向阀，纤维素干粉顺利通过。当没有农药流过时，单向阀关闭，避免农药回流污染纤维素粉末。

3.4 混合喷头

混合喷头主要由喷头构成。当农药被运送到喷头内部时，高流速的两性纤维素干粉流也会进入。由于干粉流是从喷头壁进入，所以会形成涡旋现象，使两性纤维素可以和农药混合充分，形成溶质均匀的农药-纤维素胶体，随后通过喷头喷洒口喷出。由于喷出物是混合十分均匀的胶体且胶体带有静电，所以其对作物的叶子具有强吸附性。并且本装置的喷洒面针对作物疏水性差的叶子下表面，提高了农药对叶子的吸附性，减少了农药掉落量，提高了农药的除虫效果，减少农药使用量。

4 结语

两性纤维素在不同酸碱性条件下均能够正常发挥作用而不会被水解，而且两性纤维素化学性质稳定，不会对农药的药效产生副作用。该装置的机械结构部分拟由铝型材和塑料组成，铝型材作为外部框架结构，提供相应强度的同时不会增加机器的负重，塑料则作为承装农药的容器，保证农药不会因与金属发生化学反应而失去作用。该技术方案实用可靠，适合大力推广。