桥接聚合物-表面活性剂助剂的物理化学性质与多变量喷雾指标的雾化指数：指导农药制剂高效设计

《Engineering》：Atomization Index to Bridge the Physicochemical Properties of Polymer–Surfactant Adjuvants and Multivariate Spray Metrics: Guiding Pesticide Formulation Efficient Design

　　

农药喷雾是化学防治害虫、病害和杂草的主要方法。制剂的高效设计及其精准施用构成了一个结合制剂化学、施用技术和农艺实践的系统工程问题。雾化过程中由制剂物理化学性质决定的液滴粒径分布（DSD）直接影响沉积效率、漂移潜力和防治效果。传统的雾化指标，如体积中径（VMD）、索特尔平均直径（D₃₂）和相对跨度（RS），未能充分提供制剂物理化学性质与有效生物防治所需的液滴粒径谱之间的定量联系。因此，急需一个综合了制剂性质和最优液滴粒径的雾化质量指数。为填补这一空白，研究人员选择了五个雾化参数——相对扩散比（RD）、相对跨度（RS）、分形维数（FD）、漂移液滴比例（V₁₅₀，直径≤150 μm）和Dv_0.5（也称为VMD）——来构建雾化桥接指数（ABI）。ABI允许对雾化质量进行全面的定量评估，并与制剂的物理化学微观结构显示出强相关性。分析表明，通过聚合物-表面活性剂相互作用产生的胶束-聚合物复合物通过共同降低动态表面张力（DST）和增加粘度来显著改善ABI。评估结果显示，缔合型聚环氧乙烷（PEO）/十二烷基硫酸钠（SDS）体系在宽广的压力范围内表现出卓越性能。在250 kPa下，处于1倍临界胶束浓度（CMC）的PEO/SDS体系达到最高ABI值，对应“I类（优秀）”级别，因此被推荐为最优喷雾体系。总体而言，ABI建立了一个稳健的物理化学-喷雾关联框架，并为识别农药助剂设计中的关键制剂参数提供了新指导。

**论文解读：《Engineering》最新研究：雾化桥接指数（ABI）——连接聚合物-表面活性剂助剂物理化学性质与多变量喷雾指标，指导农药制剂高效设计**

**一、研究背景与问题**

农药喷雾是病虫害草害化学防治的首要手段，其效果高度依赖于雾化质量，即液滴粒径分布（DSD）。DSD由制剂在雾化过程中的物理化学性质（如表面张力、粘度）决定，直接影响沉积效率、漂移潜力和生物防治效果。然而，传统的雾化指标——体积中径（VMD）、索特尔平均直径（D₃₂）和相对跨度（RS）——仅是统计性结果描述，未将制剂物理化学参数纳入评价框架，难以建立制剂设计与雾化质量之间的直接定量关联。此外，随着农业无人机（UAV）的广泛应用，低容量、高浓度的施用模式对雾化质量提出了更高要求：细液滴（直径<150 μm）极易在旋翼下洗气流中漂移，导致药效损失和环境风险。现有评价体系通常分别考察制剂性质（如动态表面张力DST、流变性）和活性成分传递效率，忽视了从制剂设计到雾化、喷雾再到生物功效的全过程集成。因此，迫切需要建立一个能够综合评估雾化质量的指数，以桥接聚合物-表面活性剂助剂的物理化学性质与多变量喷雾指标，为现代农药的科学开发与高效应用提供理论指导。

**二、研究内容与结论**

为填补上述空白，研究人员选取了五种代表性助剂体系：聚环氧乙烷（PEO）、十二烷基硫酸钠（SDS）、吐温20（Tween 20）及其组合（PEO/SDS、PEO/Tween 20），通过改变浓度和喷雾压力（150–350 kPa），系统考察了溶液的物理化学性质、初始液膜结构、液滴粒径分布（DSD）及空间分布特征。基于大量实验数据，研究人员构建了雾化桥接指数（ABI），该指数由五个关键参数——相对扩散比（RD）、相对跨度（RS）、分形维数（FD）、漂移液滴比例（V₁₅₀，直径≤150 μm）和Dv_0.5（即VMD）——通过熵权法加权整合而成。研究表明，ABI能够全面定量评估雾化质量，并与制剂的物理化学微观结构（胶束-聚合物复合物）高度相关。结论指出，缔合型PEO/SDS体系（浓度≥1倍临界胶束浓度CMC）通过疏水相互作用形成复合网络，显著降低动态表面张力（DST至34.1 mN·m^?1）并提高粘度（至4.02 mPa·s），从而在宽广压力范围内实现优异雾化性能。在250 kPa下，1CMC的PEO/SDS体系达到最高ABI值，对应“I类（优秀）”级别，被推荐为无人机变压力喷雾的最优系统。相比之下，非缔合型PEO/Tween 20体系大部分处于“III类（差）”级别，漂移风险高。该研究建立了物理化学-喷雾关联框架，为农药助剂设计中关键制剂参数的识别提供了新指导，论文发表在《Engineering》。

**三、主要关键技术方法**（不超过250字）

本研究采用相多普勒干涉仪（PDI）平台（Artium PDI-300MD）测量液滴粒径和速度场，设置六层高度（z轴0.1–0.6 m）和水平间隔50 mm的测量点，覆盖半喷雾截面。利用高速显微成像系统（LaVision Imager Pro HS 4M CMOS）记录初始液膜破碎动态（曝光时间17.9 μs）。使用最大气泡压力张力计（Sinterface BPA-2P）测量动态表面张力（DST），du Noüy环法自动张力计（ST-1510）测量平衡表面张力（EST），旋转粘度计（NDJ-8S）测量粘度，Zetasizer Nano ZS90测量Zeta电位和pH。所有测量在25 °C、20%–30%相对湿度下进行。样本为九种助剂溶液（PEO、PEO/SDS、PEO/Tween 20，浓度梯度为0.5、1、2、4倍CMC），喷头为标准扇形喷嘴LU-120-03（Lechler GmbH）。

**四、研究结果**

**3.1 聚合物-表面活性剂组合对溶液物理化学性质的影响**
通过宏观观察、Zeta电位、pH、DST、EST和粘度测量发现：PEO/SDS体系在≥1CMC时形成短絮凝状结构并随浓度增加增长为长链，Zeta电位绝对值显著增大（尤其在2、4CMC），表明胶体稳定性增强；DST下降至34.1 mN·m^?1（4CMC），EST较水降低58.9%；粘度在0.5–2CMC范围内先增后降（4.02 mPa·s峰值），归因于疏水相互作用与胶束形成竞争。PEO/Tween 20体系性质与纯PEO相近，无明显缔合行为。

**3.2 以液膜结构表征的初始雾化动力学**
高速成像显示：PEO/SDS体系（0.5CMC）使光滑液膜长度（L）较纯PEO缩短37.5%，初始破裂点前移，下缘出现短韧带和粗液滴；随着SDS浓度增加，L逐渐恢复。PEO/Tween 20体系液膜形态与PEO相似，L增加12.5%，边缘最光滑。表明聚合物-表面活性剂缔合改变了液膜破裂模式。

**3.3 压力-浓度交互作用对DSD和雾化均匀性的影响**
统计分析揭示：PEO体系随压力升高Dv_0.5显著降低（p<0.001）；PEO/SDS体系在浓度≥1CMC时压力依赖性消失（p>0.05），DSD更均匀；PEO/Tween 20体系需至少1CMC才抑制压力诱导变化，但四分位距仍较宽。250 kPa下，PEO/SDS体系（≥1CMC）较水和PEO/Tween 20体系表现出更窄的IQR和更少离群值，累计体积曲线显示其在200–300 μm范围内快速累积，细液滴比例低。

**3.4 基于拟合曲面模型的DSD空间映射**
以250 kPa下Dv_0.5测量数据进行三维曲面拟合（调整R² > 0.77），所有模型均良好拟合。空间分布显示：所有体系中液滴尺寸在喷雾中心较小、边缘较大；PEO/SDS体系随SDS浓度增加整体液滴尺寸增大，2CMC以上明显高于PEO基线；PEO/Tween 20体系在1CMC时整个喷雾场液滴尺寸最小。

**3.5 DSD的分形表征与多维均匀性评估**
通过线性回归验证了DSD的分形特性（R²接近1.0），FD值（1.7–1.8）确认了自相似性。沿垂直方向（z=0.1–0.6 m），PEO/SDS体系RS逐步降低并维持最小值，RD在1CMC时最高，FD相对稳定；PEO/Tween 20体系波动较大。不同压力下（z=0.6 m），PEO/SDS体系RS始终低于其他体系，FD稳定，RD更高，表明其优越的雾化均匀性和低漂移潜力。

**3.6 液滴漂移潜力分析**
V₁₅₀随压力增加而上升（水从28%升至81%），但PEO/SDS体系增幅显著减小（0.5CMC仅增加16.5个百分点）。高粘度（4CMC时4.02 mPa·s）抑制了二次雾化，抵消了压力诱导的液滴细化。PEO/Tween 20体系在低压力下V₁₅₀随浓度增加而降低，但高压力下该效应减弱。结果表明PEO/SDS体系能有效降低细液滴比例及其对压力的敏感性。

**3.7 基于ABI的雾化质量综合评价**
通过熵权法计算ABI，分级标准：ABI ≥ Q3（0.4975）为I类（优秀），ABI_water（0.2849）< ABI < Q3为II类（良好），ABI ≤ ABI_water为III类（差）。结果显示：PEO/SDS体系在多数压力下ABI值处于“良好”范围，在250 kPa下所有浓度ABI均超过Q3，属于“优秀”；1CMC PEO/SDS在250 kPa达到全局最高ABI。PEO/Tween 20体系大部分ABI低于水基线，为“差”级别。ABI克服了单一指标（如VMD、RS）的局限性，例如2CMC PEO/Tween 20在150 kPa时RS较高但ABI评为优秀，因其综合了低V₁₅₀和高RD。1CMC PEO/SDS被确定为最优配方，平衡了漂移抑制与高效沉积。

**五、总结讨论与结论**

讨论部分指出，ABI主要量化配方在雾化过程中产生易漂移液滴的内在倾向，但实际田间漂移受横风、温度、湿度等多相流影响的复杂现象。由于当前实验未包含动态风场模拟，模型在预测复杂气象条件下的精确沉积位置方面存在固有限制。未来将结合风洞实验和计算流体动力学（CFD）模拟来扩展ABI的生态适用性，并建立害虫种类与所需ABI阈值的互补数据库，从而实现助剂配方设计与最终田间药效的精细对齐。

研究结论部分翻译如下：通过整合多个参数的测量数据，本研究发现ABI可由五个主要参数（RD、RS、FD、V₁₅₀和Dv_0.5）构成，从而实现对聚合物-表面活性剂助剂雾化性能的全面定量评估。主要结果详述如下：（1）实验验证了PEO/SDS体系在浓度≥1CMC时通过疏水相互作用形成独特的复合网络，该结构产生显著协同效应，将DST降至34.1 mN·m^?1（4CMC），同时将拉伸粘度提升至4.02 mPa·s。高速成像表明，SDS的快速吸附缩短了液膜内光滑区长度，而聚合物网络同时增强了对拉伸变形的抵抗力，从而延迟了边缘破裂，从根本上改变了雾化模式。（2）PEO/SDS体系促进了雾化性能的多维提升。相比水，优化配方将易漂移细液滴比例降低40%，同时Dv_0.5保持在有效防治范围内；RS降至0.5–0.9范围，FD证实了抗漂移特性的改善；增高的RD定量衡量了液滴分布空间均匀性的提升，表明实现了分散性降低的理想液滴谱。（3）ABI应用显示，1CMC PEO/SDS体系在250 kPa压力下达到最高ABI值，显著超过上四分位数阈值（ABI > Q3），被评定为“I类（优秀）”；相反，非缔合型PEO/Tween 20配方主要属于“III类（差）”类别。这为缔合型体系在漂移缓解与液滴均匀性之间实现平衡提供了定量验证，从而将其识别为无人机变压力喷雾操作的优选配方。（4）本研究开发的ABI主要用于量化配方在雾化过程中产生易漂移液滴的内在倾向。然而，田间实际漂移是受横风、环境温度、湿度及多相流相互作用共同影响的复杂现象。由于当前实验配置未包含动态风场模拟，该模型在预测复杂气象情景下的精确沉积位置方面存在固有限制。为解决这一限制，后续研究将集中于通过整合风洞实验和CFD模拟来拓宽ABI的生态适用性，分析不同风速下ABI的一致性，进而推导环境修正因子。此外，将建立关联害虫种类与所需ABI阈值的互补数据库，实现助剂配方设计与最终田间防效的精细对齐。