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福建農(nóng)林大學(xué)龐杰/邱仁輝/吳淑一 ACS AMI：微量生物質(zhì)高分子改善噴灑性能的高分子動(dòng)態(tài)耗能機(jī)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(biāo)表面。該操作廣泛應(yīng)用于噴灑植物營(yíng)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(biāo)表面，其余液體以空氣中霧滴漂移或目標(biāo)表面上的液滴滾落等形式被浪費(fèi)，也導(dǎo)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(dāng)前高分子助劑主要是石油基高分子，并且高分子本身復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為對(duì)噴灑全過程液體動(dòng)態(tài)行為的調(diào)控機(jī)制尚不清晰。

近日，福建農(nóng)林大學(xué)龐杰、邱仁輝、吳淑一共同指導(dǎo)的多學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(nèi)的能量?jī)?chǔ)存和耗散，提高了溶液粘度并抑制了液體運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性。
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了適合于模擬介觀體系（10 μm）長(zhǎng)時(shí)間（10 ms）的流體中高分子動(dòng)力學(xué)行為的布朗動(dòng)力學(xué)與計(jì)算流體力學(xué)耦合的數(shù)值方法（BD-CFD），對(duì)液滴碰撞過程中剪切流主導(dǎo)的流場(chǎng)和液滴破碎過程中拉伸流主導(dǎo)的流場(chǎng)中，單根KGM高分子的動(dòng)態(tài)行為和能量耗散進(jìn)行模擬分析，證明KGM高分子拉伸和松弛過程中能量的儲(chǔ)存和耗散是溶液粘度增加、噴灑效率提升的重要的分子機(jī)制。進(jìn)一步通過數(shù)值方法研究了不同分子長(zhǎng)度對(duì)能量?jī)?chǔ)存密度的影響。結(jié)果顯示在一定的流場(chǎng)中，合適長(zhǎng)度的分子有利于被充分拉伸，從而具有更高的能量?jī)?chǔ)存密度。過短的高分子難以響應(yīng)流場(chǎng)速度梯度導(dǎo)致的曳力，過長(zhǎng)的高分子難以在液滴快速動(dòng)態(tài)變化時(shí)間內(nèi)被充分拉伸。不同于前期雙親性高分子鏈的表面釘扎等機(jī)制，本項(xiàng)工作提出的高分子能量存儲(chǔ)耗散機(jī)制從能量的角度揭示了高分子自身動(dòng)態(tài)行為對(duì)液體行為的影響，有望指導(dǎo)探索更多綠色、低碳、可再生的生物質(zhì)高分子在噴灑助劑領(lǐng)域的應(yīng)用。

KGM抑制空氣中液膜破碎，促進(jìn)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(dǎo)的流場(chǎng)和液滴破碎過程中拉伸流主導(dǎo)的流場(chǎng)中，單根KGM高分子的動(dòng)態(tài)行為模擬

KGM分子量、高分子初始構(gòu)象等參數(shù)對(duì)高分子能量存儲(chǔ)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(nóng)林大學(xué)碩士生劉婧雯與張艷婷為共同第一作者，福建農(nóng)林大學(xué)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(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、福建省自然科學(xué)基金、福建農(nóng)林大學(xué)杰出青年基金等項(xiàng)目的支持。

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

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（責(zé)任編輯：xu）

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