静电喷雾的工作原理及分析

摘要：对静电喷雾技术原理进行了分析，阐述了静电喷雾的工作的原理，尤其是药液的雾化过程以及雾滴的充电及运动过程的工作原理，研究表明：由于静电喷头与农作物之间的静电场力作用，使雾滴具有了一定的方向性，从而向农作物各个部位运行，为静电喷头的研制提供参考。

关键词：静电喷雾；雾化过程；充电

收稿日期：20130520

作者简介：李海强（1980—），男，河南通许人，主要从事农业方面的研究工作。中图分类号：TQ526 文献标识码：A

文章编号：16749944（2013）07030302

1 引言

我国是一个农药研制生产与应用的大国，农药原药的生产能力为102万t，农药品种多达260余种，农药制剂年产量已达170万t，为世界第2位。但我国农药应用技术总体较为落后，使用的农药只有少部分能沉积到农作物靶标上，导致70%～78%的农药流到土壤里或飘到环境中去，造成了严重的环境污染问题。

根据有关统计，我国手动植保机械约有30多个品种，植保机械以手动和小型机动为主，防治效率比较低，大部分产品结构简单、价格低廉、技术含量低[1，2]。静电喷雾是近年来发展起来的新技术，相对于其他喷雾形式，具有极大的优越性。故研究静电喷雾原理具有重大意义。

静电喷雾是利用静电技术，在静电喷头与需喷洒农作物之间建立起静电场，药液经静电喷头雾化后形成群体带电雾滴，在静电场力的作用下，微细带电雾滴被电场力吸附到作物叶片的正反面以及隐蔽部位。药液雾滴在目标作物的沉积率高、均匀散布，飘逸散失少。

2 药液雾化过程

液体药剂最常用的雾化方式是液力式雾化，该方式尤其适合于水溶液的雾化喷洒施药。其原理是使液体在一定的压力下通过一个一定形状的小孔，喷出的同时雾化。液力式喷头的雾型如图1所示。

图1 液力式喷头的雾型

在液体雾化过程中，主要存在的雾化阻力有两种：表面张力与粘滞阻力。但液体一直是沿着阻力小的方向进行变化，所以表面张力是最主要的雾化阻力。具有一定压力的液体由喷杆进入喷头内，由于液体通道的截面积变小，使得液流的速度大大增加，在喷头内液体形成了紊流状态，增加了液体的不稳定性。

另外在充电电极的作用之下，液体表面层产生显著的定向排列，液体表面的吸附活度得到增加，从而导致表面张力下降，进一步增加了不稳定性，使得雾化阻力减小，有利于液体破裂。在从喷头喷孔高速喷出的时候，液体在空气撞击力的作用和内外压力差共同作用下，形成细小雾滴，并发散。当细小雾滴被充电之后，雾滴表面的吸附和活度得到了增加，而且由于雾滴表面存在电荷，也就使雾滴表面层分子产生明显的定向排列，从而可使雾滴表面张力进一步得到降低，雾化阻力进一步减小。

同时，雾滴所带电荷存在瑞利极限值，如果雾滴的带电量超过瑞利极限值，雾滴就会克服表面张力而破裂并继续分裂，所以雾滴开始带电后，使得雾滴进一步细化。另外带电雾滴受到的静电场力改变了雾滴的动能，从而改变了雾滴的表面压力差，有利于雾滴的进一步细化，而且由于带相同电荷的雾滴相互排斥，使雾滴的表面又产生一个额外的内外压力差，该作用力与表面张力的作用相反，也有利于雾滴进一步细化。最终静电喷头产生的雾滴更加的细小。

3 雾滴的充电与运动过程

从雾化过程的分析可以得知，静电喷头充电极的作用是增加液体表面吸附的活度，导致表面张力下降，就是说使液体表面层的排列具有显著的定向性，雾化阻力减小，从而产生较小的雾滴，更易于被充电。

由于药液雾滴是导体，继续运动的雾滴得到进一步充电。加之直流静电高压的作用，负离子从充电电极转移到雾滴上，故雾滴带上与充电电极同样的电荷。而且充电电极能够产生足以使周围空气电离的局部强电场，导致电场内的空气就被电离成正离子与负离子，其中负离子被快速通过的雾滴带走，正离子趋向充电电极被中和。通过这个运动过程，雾滴就带上了负电荷，即与充电电极相同的电荷。

跟据静电感应原理，地面上的作物靶标将产生与静电喷头极性相反的电荷，并在两者之间形成很强的静电场。带点雾滴在这个电场中同时受到带电雾滴相互之间产生的电场力F1和静电喷头电极与作物目标之间的电场力F2两个力的作用，而且F2远远大于F1，故对雾滴的运动起主导作用的电场力是F2，正是因该电场力的作用使得带电雾滴朝作物目标做定向的移动。因为带电雾滴表面带有相同的电荷，雾滴的斥力F1使雾滴不致相互碰撞而聚合变大。虽然静电力主导了带电雾滴的运动，但是其他的作用力也是不可忽略的，与其他作用力共同作用，形成带电雾滴的最终大小和运动轨迹。带电雾滴受电场力的情况如图2所示。

图2 带电雾滴受电场力作用

理论上说，带电雾滴的电荷为负，而静电喷头的感应作用使农作物表面产生正电荷，这些正电荷的吸引力很强，可以把带负电荷雾滴强拉到农作物表面。但实际上，受重力的影响，加上带电雾滴离开静电喷嘴时受速度惯性的影响比较大，故雾滴的运动路线不会和电力线完全重合。雾滴刚离开喷嘴时，基本上保持了速度惯性的方向，但随后沿着重力与电场力的合力方向。也就是说，在喷嘴和农作物间的静电场作用下，使其在植物茎叶之间环卷缭绕，由于雾滴具有了一定的方向性，能够附着于农作物叶的正面和背面以及隐蔽部位。总的来说，利用静电场的作用力实现了雾滴在农作物冠内的分散沉积，可以大大增加农药药液对农作物叶面（无论冠内或冠表）和茎藤的均匀度以及覆盖率。

4 结语

通过对静电喷雾的工作原理进行理论分析可知：加压农药药液由喷杆进入静电喷头之后，由于液体通道的截面积变小，使压力头变成速度头，流速大大增高，加上在充电电极的作用之下，增加了药液表面的吸附活度，从而使得雾滴表面张力下降，更加容易分散破裂。药液受从静电喷头的喷孔高速喷出时，先是在内外压力差和空气撞击力的作用下，破裂细化成小雾滴。在经过充电电极充电之后，雾滴带上与电极相同的电荷，受瑞利极限的影响和雾滴电荷间的排斥作用，雾滴继续分裂进一步细化。因为静电喷头和农作物间的静电场作用，细小的带电雾滴具有一定的方向性，向农作物茎叶的正反面运行沉积。结论为静电喷头的研制提供了参考，具有一定的实践意义。

参考文献：

[1] 刘淑萍，刘娟娟.高压静电喷雾技术在药物微囊制备中的应用进展[J].化工技术与开发，2013（1）：21～23.

[2] 徐清华，王正艳.静电喷雾器的技术特点及使用注意事项[J].农业装备技术，2012（5）：18.

[3] 王保华.组合充电液力式静电喷雾装置设计与试验研究[D].郑州：河南农业大学，2005.

[4] 李春杰.静电喷雾装置改装设计与试验研究[D].郑州：河南农业大学，2006.

[5] 周 文.静电喷雾器的研究与应用[J].农业工程，2012（5）：22～26.