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福建農林大學龐杰/邱仁輝/吳淑一 ACS AMI：微量生物質高分子改善噴灑性能的高分子動態(tài)耗能機制
2023-06-09  來源：高分子科技

  液體噴灑的操作將液體分散成小液滴，并將液滴傳遞到目標表面。該操作廣泛應用于噴灑植物營養(yǎng)液、保鮮劑、殺蟲劑、消毒劑等。然而，僅有約25-50%的噴灑液體可以沉積在目標表面，其余液體以空氣中霧滴漂移或目標表面上的液滴滾落等形式被浪費，也導致了環(huán)境污染。在噴灑液中加入高分子助劑可提高噴灑效率，然而，當前高分子助劑主要是石油基高分子，并且高分子本身復雜的動態(tài)行為對噴灑全過程液體動態(tài)行為的調控機制尚不清晰。



  近日，福建農林大學龐杰、邱仁輝、吳淑一共同指導的多學科交叉研究團隊研究顯示，微量（0.2%）魔芋葡甘聚糖（KGM）生物大分子添加到溶液中，即可顯著提高液滴在空氣中的形成、液滴在超疏水和親水表面的碰撞和鋪展等噴灑全過程中各環(huán)節(jié)的效率。隨著KGM濃度從0增加到0.20%，液膜穩(wěn)定長度、空氣中液滴直徑、超疏水表面上液滴保留率、親水表面上液滴有效鋪展率、液橋壽命分別增加了63.2%、69.5%、11.2%、77%和132%。該效果歸因于噴灑過程中，柔性生物大分子的拉伸和松弛過程中高分子鏈內的能量儲存和耗散，提高了溶液粘度并抑制了液體運動的不穩(wěn)定性。
研究團隊構建了適合于模擬介觀體系（10 μm）長時間（10 ms）的流體中高分子動力學行為的布朗動力學與計算流體力學耦合的數值方法（BD-CFD），對液滴碰撞過程中剪切流主導的流場和液滴破碎過程中拉伸流主導的流場中，單根KGM高分子的動態(tài)行為和能量耗散進行模擬分析，證明KGM高分子拉伸和松弛過程中能量的儲存和耗散是溶液粘度增加、噴灑效率提升的重要的分子機制。進一步通過數值方法研究了不同分子長度對能量儲存密度的影響。結果顯示在一定的流場中，合適長度的分子有利于被充分拉伸，從而具有更高的能量儲存密度。過短的高分子難以響應流場速度梯度導致的曳力，過長的高分子難以在液滴快速動態(tài)變化時間內被充分拉伸。不同于前期雙親性高分子鏈的表面釘扎等機制，本項工作提出的高分子能量存儲耗散機制從能量的角度揭示了高分子自身動態(tài)行為對液體行為的影響，有望指導探索更多綠色、低碳、可再生的生物質高分子在噴灑助劑領域的應用。 



  • KGM抑制空氣中液膜破碎，促進大液滴的形成，抑制噴灑液以小液滴形式在空氣中飄散損耗。


  • KGM抑制液滴在超疏水表面的破碎，提高主液滴體積。


  • KGM提高液滴在親水表面的穩(wěn)定鋪展面積



  • KGM溶液物化性能表征



  • 液滴碰撞過程中剪切流主導的流場和液滴破碎過程中拉伸流主導的流場中，單根KGM高分子的動態(tài)行為模擬


  • KGM分子量、高分子初始構象等參數對高分子能量存儲的影響

  該研究成果以“Adding Konjac Glucomannan for Enhancing the Whole Spraying Performance on Superhydrophobic and Hydrophilic Surfaces”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。福建農林大學碩士生劉婧雯與張艷婷為共同第一作者，福建農林大學龐杰研究員、邱仁輝教授、吳淑一副教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金、中國博士后基金、福建省自然科學基金、福建農林大學杰出青年基金等項目的支持。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c00127

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（責任編輯：xu）
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