福建农林大学庞杰/邱仁辉/吴淑一 ACS AMI：微量生物质高分子改善喷洒性能的高分子动态耗能机制

2023-06-09 来源：高分子科技

液体喷洒的操作将液体分散成小液滴，并将液滴传递到目标表面。该操作广泛应用于喷洒植物营养液、保鲜剂、杀虫剂、消毒剂等。然而，仅有约25-50%的喷洒液体可以沉积在目标表面，其余液体以空气中雾滴漂移或目标表面上的液滴滚落等形式被浪费，也导致了环境污染。在喷洒液中加入高分子助剂可提高喷洒效率，然而，当前高分子助剂主要是石油基高分子，并且高分子本身复杂的动态行为对喷洒全过程液体动态行为的调控机制尚不清晰。

近日，福建农林大学庞杰、邱仁辉、吴淑一共同指导的多学科交叉研究团队研究显示，微量（0.2%）魔芋葡甘聚糖（KGM）生物大分子添加到溶液中，即可显著提高液滴在空气中的形成、液滴在超疏水和亲水表面的碰撞和铺展等喷洒全过程中各环节的效率。随着KGM浓度从0增加到0.20%，液膜稳定长度、空气中液滴直径、超疏水表面上液滴保留率、亲水表面上液滴有效铺展率、液桥寿命分别增加了63.2%、69.5%、11.2%、77%和132%。该效果归因于喷洒过程中，柔性生物大分子的拉伸和松弛过程中高分子链内的能量储存和耗散，提高了溶液粘度并抑制了液体运动的不稳定性。
研究团队构建了适合于模拟介观体系（10 μm）长时间（10 ms）的流体中高分子动力学行为的布朗动力学与计算流体力学耦合的数值方法（BD-CFD），对液滴碰撞过程中剪切流主导的流场和液滴破碎过程中拉伸流主导的流场中，单根KGM高分子的动态行为和能量耗散进行模拟分析，证明KGM高分子拉伸和松弛过程中能量的储存和耗散是溶液粘度增加、喷洒效率提升的重要的分子机制。进一步通过数值方法研究了不同分子长度对能量储存密度的影响。结果显示在一定的流场中，合适长度的分子有利于被充分拉伸，从而具有更高的能量储存密度。过短的高分子难以响应流场速度梯度导致的曳力，过长的高分子难以在液滴快速动态变化时间内被充分拉伸。不同于前期双亲性高分子链的表面钉扎等机制，本项工作提出的高分子能量存储耗散机制从能量的角度揭示了高分子自身动态行为对液体行为的影响，有望指导探索更多绿色、低碳、可再生的生物质高分子在喷洒助剂领域的应用。

KGM抑制空气中液膜破碎，促进大液滴的形成，抑制喷洒液以小液滴形式在空气中飘散损耗。

KGM抑制液滴在超疏水表面的破碎，提高主液滴体积。

KGM提高液滴在亲水表面的稳定铺展面积

KGM溶液物化性能表征

液滴碰撞过程中剪切流主导的流场和液滴破碎过程中拉伸流主导的流场中，单根KGM高分子的动态行为模拟

KGM分子量、高分子初始构象等参数对高分子能量存储的影响

该研究成果以“Adding Konjac Glucomannan for Enhancing the Whole Spraying Performance on Superhydrophobic and Hydrophilic Surfaces”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。福建农林大学硕士生刘婧雯与张艳婷为共同第一作者，福建农林大学庞杰研究员、邱仁辉教授、吴淑一副教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、中国博士后基金、福建省自然科学基金、福建农林大学杰出青年基金等项目的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c00127

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻