2.4七葉皂素溶液在疏水表面的撞擊行為

液滴在固體表面的潤濕和鋪展對許多工農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程具有重要意義.如農藥藥液在劑量傳遞過(guò)程中，常因作物葉片疏水無(wú)法在其表面有效潤濕而發(fā)生破碎飛濺、彈跳滾落等現象，藥液進(jìn)入環(huán)境造成污染的同時(shí)也影響了施藥效率.液滴在固體表面的潤濕是一種固-液界面現象，表面活性劑的引入可以有效調控該過(guò)程.為探究七葉皂素對液滴固-液界面相互作用的調控效果，以疏水的PTFE膜為固體基底（接觸角為137°），將添加七葉皂素的液滴從30 cm高處自由下落至PTFE表面，并使用高速攝像機記錄液滴下落、鋪展、彈跳的全過(guò)程.

圖5（A）展示了水和不同濃度七葉皂素溶液撞擊PTFE疏水表面的動(dòng)態(tài)過(guò)程.可以看出，水在撞擊PTFE表面后完全彈起，而且有較多飛濺碎裂，在80 ms時(shí)并不能潤濕疏水表面.七葉皂素濃度為1×10-4mol/L時(shí)，液滴在撞擊后仍有較大程度的反彈，但未能完全彈起，且平衡后在一定程度上實(shí)現了鋪展.當濃度升高至5×10-4mol/L，液滴的反彈得到了明顯抑制，平衡后在疏水表面的沉積和鋪展有所改善.濃度進(jìn)一步升高至1×10-3mol/L時(shí)，液滴不再有明顯的反彈趨勢，且碎裂現象也得到了很好的抑制，平衡后能在表面很好地沉積和鋪展.

為了更好地了解液滴與固體表面作用的全過(guò)程，分別量取液滴初始直徑D0、鋪展直徑Dt、彈跳高度Hr，采用歸一化鋪展直徑（Dt/D0）和歸一化彈跳高度（Hr/D0）對時(shí)間t作圖［圖5（B）和（C）］，并計算了整個(gè)過(guò)程的撞擊參數［液滴初始直徑（D0）、最大鋪展直徑（Dmax）、回縮速率（Vret）、最終直徑（Df）、最大回彈高度（Hmax）和回縮百分比（RP）］（表1）.

從圖5（B）和（C）及表1可以看出，不同液滴在疏水表面上發(fā)生撞擊后均發(fā)生相似程度的鋪展，之后發(fā)生回縮.水滴回縮速率（0.44 m/s）較大，且回縮百分比達到68%.向水中加入少量七葉皂素，濃度為1×10-4mol/L時(shí)，回縮速率（0.26 m/s）明顯降低，但回縮百分比沒(méi)有明顯改善.隨著(zhù)七葉皂素濃度增大，液滴回縮明顯減弱.濃度為1×10-3mol/L時(shí)，回縮速率低至0.08 m/s，且僅液滴的24%發(fā)生回縮，可以認為達到了很好的抑制回彈的效果.而考察彈跳情況時(shí)發(fā)現，水滴因完全彈起離開(kāi)表面，所以Hmax/D0最高達到2.33.與之相比，七葉皂素加入后，明顯抑制了液滴的彈起，且隨著(zhù)濃度增大，抑制作用明顯增加.

液滴在固體表面的彈跳行為由液體性質(zhì)和固體表面性質(zhì)共同決定，通常對于特定場(chǎng)景，固體表面性質(zhì)多是固定不變的，因此主要通過(guò)改變液體的性質(zhì)（黏度、表面張力）來(lái)調控液滴的彈跳行為.為了考察七葉皂素抑制液滴回縮過(guò)程中，液體黏度是否起到一定作用，測定了水和不同濃度七葉皂素溶液的黏度.如圖5（D）所示，所有樣品的黏度隨剪切速率的增加會(huì )先下降后達到平衡，不同樣品的黏度結果相似，無(wú)明顯差異。

可見(jiàn)，與聚合物增加拉伸黏度不同，對于七葉皂素而言，抑制液滴在疏水表面上回縮的主要因素不是黏度，而是表面張力的差異.液滴先在慣性力作用下發(fā)生相似程度的鋪展，隨后在各自表面張力作用的驅動(dòng)下發(fā)生不同程度的回縮.純水具有較高表面張力，因此快速發(fā)生明顯回縮.相比之下，在純水中加入表面活性劑七葉皂素之后，液滴鋪展過(guò)程中，七葉皂素分子會(huì )迅速從體相遷移到新生成的固-液-氣界面處，在界面處有效吸附（見(jiàn)Scheme 1），親水糖基朝向液體內側，疏水的三萜骨架環(huán)朝向外側，降低表面張力，進(jìn)而使得回縮速率顯著(zhù)減緩，回縮百分比顯著(zhù)減小.隨著(zhù)七葉皂素濃度升高，分子界面吸附量增多，表面張力減小幅度更大，這種抑制回縮的作用也更明顯.可見(jiàn)，高濃度的七葉皂素可以有效抑制液滴撞擊疏水表面后的彈跳、迸濺，并使之很好地潤濕并鋪展，在增加農藥對靶沉積和提高劑量傳遞效率方面具有重要意義.

3結論

系統研究了天然產(chǎn)物七葉皂素的氣-液、液-液（油-水）、液-固界面性質(zhì)，分別探究了其表面張力、油-水界面張力，以及以七葉皂素為乳化劑所制備乳液的性質(zhì).在此基礎上，還研究了其溶液在疏水表面撞擊的動(dòng)態(tài)過(guò)程及抑制彈跳和回縮的能力.研究發(fā)現，七葉皂素能在氣-液界面發(fā)生吸附，顯著(zhù)降低水的表面張力，臨界膠束濃度為5×10-4mol/L.同時(shí)，其對于降低油-水界面張力也有顯著(zhù)作用.以七葉皂素為乳化劑制備的農用油乳液，隨濃度增大粒徑逐漸降低，Zeta電勢的絕對值逐漸增大，短時(shí)間內的穩定性顯著(zhù)提高.此外，高濃度的七葉皂素溶液可以很好地抑制液滴在疏水固體表面的彈跳，促進(jìn)液滴鋪展.研究結果對深入理解生物基表面活性劑的界面行為及拓展其應用具有重要的借鑒意義.