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(rùn)濕和鋪展對(duì)許多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程具有重要意義.如農(nóng)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(rùn)濕而發(fā)生破碎飛濺、彈跳滾落等現(xiàn)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(rùn)濕是一種固-液界面現(xiàn)象，表面活性劑的引入可以有效調(diào)控該過(guò)程.為探究七葉皂素對(duì)液滴固-液界面相互作用的調(diào)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(jī)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(rùn)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(xiàn)了鋪展.當(dāng)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(shì)，且碎裂現(xiàn)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(duì)時(shí)間t作圖［圖5（B）和（C）］，并計(jì)算了整個(gè)過(guò)程的撞擊參數(shù)［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(dá)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(rèn)為達(dá)到了很好的抑制回彈的效果.而考察彈跳情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，水滴因完全彈起離開(kāi)表面，所以Hmax/D0最高達(dá)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(duì)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(diào)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(cè)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(dá)到平衡，不同樣品的黏度結(jié)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(duì)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(qū)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?gòu)捏w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(nèi)側(cè)，疏水的三萜骨架環(huán)朝向外側(cè)，降低表面張力，進(jìn)而使得回縮速率顯著減緩，回縮百分比顯著減小.隨著七葉皂素濃度升高，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(rùn)濕并鋪展，在增加農(nóng)藥對(duì)靶沉積和提高劑量傳遞效率方面具有重要意義.

3結(jié)論

系統(tǒng)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(chǔ)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(xiàn)，七葉皂素能在氣-液界面發(fā)生吸附，顯著降低水的表面張力，臨界膠束濃度為5×10-4mol/L.同時(shí)，其對(duì)于降低油-水界面張力也有顯著作用.以七葉皂素為乳化劑制備的農(nóng)用油乳液，隨濃度增大粒徑逐漸降低，Zeta電勢(shì)的絕對(duì)值逐漸增大，短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性顯著提高.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(jié)果對(duì)深入理解生物基表面活性劑的界面行為及拓展其應(yīng)用具有重要的借鑒意義.