测试油菜角果外表面的静态接触角

　　0、 引言

　　油菜是重要的油料作物，而我国又是油菜生产大国，油菜产量占世界的 1/3。但与此不匹配的情况是，我国的油菜机械化收获水平十分低下，油菜收获中对人工的依赖程度仍然很高，直接导致我国的油菜生产成本一直居高不下，严重影响了其市场竞争力。

　　田间试验发现，在连续的机械化联合收获油菜的过程中，潮湿的油菜脱出物会逐渐粘附在清选筛面，以至于筛孔堵塞，这一过程伴随着清选损失的急剧上升，已成为制约油菜机械化联合收获发展水平的一个瓶颈问题。为了探求该问题的解决之道，提出适用于油菜脱出物清选的减粘降阻技术与方法，相关科研人员已对油菜物料的一些基本特性开展了研究。

　　已有的研究表明，油菜物料与清选筛面间的粘筛堵孔问题属于湿粘农业物料与运动金属部件之间的粘附摩擦问题。与此问题相关的研究涉及到摩擦、粘附和固体表面能等多个方面。其中，固体的表面能又是计算物质相互作用的重要参数，与吸附、粘附、摩擦及生物相容性等性质密切相关。固体表面能的高低可以通过其浸润特性而得到反映，气、固、液三相之间的接触角是用以作为衡量固体表面浸润特性的常用参数。已有的研究表明，浸润特性的研究有助于相关表面的减粘降阻研究。为探究油菜脱出物的粘筛堵孔的解决之道，本文将以油菜脱出物中的油菜角果为研究对象，测试并分析油菜角果的外表面与两种典型液相物质之间的接触角，希望能对相关研究提供参考依据。

　　1、 试验方法与试验材料

　　测试接触角大都基于图像技术，接触角本身包含动态接触角和静态接触角两类。考虑本文的试验对象为农业物料，各试样之间存在必然的自然差异，且所需的接触角数据满足一般精度即可。因此，本文只测试油菜角果外表面的静态接触角。

　　试验采用 CAM101 型接触角测量仪进行接触角试验。该测量仪使用一个分辨率为 640×480 的火线视频照相机对样品台上的液滴图像进行采集，并将采集到的图像传输给计算机后由计算机进行接触角的自动测量。试验时，需要使仪器附近的空气流动尽可能的小，调整好注射器、样品台和视频照相机镜头三者之间的相对位置，同时保证样品台的水平和注射器的垂直，并调整视频照相机镜头的焦距使所得图像最为清晰。在使用校准球进行校准之后才能正式开展接触角试验。试验所用 CAM101 型接触角测量仪。

　　根据大量的田间试验可知，湿粘油菜脱出物中的液体主要为油性液体和水性液体两类。作为典型油性液体和典型水性液体，本文采用经过过滤后的菜油和二次蒸馏水分别作为文中接触角试验中的液相。

　　文中选择油菜的品种作为接触角试验中的考察因素。

　　为了保证试验的可靠性，文中所用的各品种油菜角果均在同一时期内采自同一试验田块。室内接触角试验时保持室温为 20℃，每个品种的接触角试验分别重复测试 6 次。本文所用的 6 个品种油菜的名称及对应的编号如表 1 所示，这 6 个品种油菜的角果形态。

　　试验当天采集的油菜角果先按品种分类并集中放置在冰箱内保险存储，同时立即开展试验。试验时，先将采集到的油菜角果剥开去除其中的油菜籽粒，然后取角果的中间部分裁剪成长约 25mm、宽为油菜角果自然宽度的试样; 将该油菜角果外表面试样粘贴到CAM101 型接触角测量仪的样品台正中位置，并注意粘贴时不能破坏油菜角果外表面的原始性状。在旋转注射器旋钮产生液滴时，动作需要缓慢平稳，确保液滴在自然状态下滴落在油菜角果试样表面，当液滴在试样表面稳定后才开始采集接触角图像。

　　为油菜角果外表面的接触角试验状况。

　　2、 试验结果与分析

　　分别求出每组试验所得的 6 个接触角数值的算术平均值和标准偏差，并将最终结果按照液相分别为二次蒸馏水和过滤菜油分别绘制到一起进行比较，最终结果分别如图 4 和图 5 所示，图中一并给出了每组试验的标准偏差。

　　由图 4 可见，在试验所选取的 6 个品种油菜中，有5 个品种的油菜角果与二次蒸馏水之间的接触角普遍在 75°附近，属于典型的亲水性表面，只有华油 2790的接触角超过 90°且达到了 120°附近，显示出较强的疏水性表面。

　　从降低油菜物料与运动金属部件之间粘附的角度考虑，油菜物料表面的浸润性越偏向于疏水性越好，这样显然可以大大减少物料之间及物料与金属部件之间的粘连力。因此，如果仅从图 4 所反映的接触角数值看，华油 2790 是有利于减粘脱附的油菜品种。

　　但结合图 2 则可以看到，华油 2790( 即图 2 中的第 4个油菜品种) 虽然与其他品种的油菜收获于同一天，但其表观上的成熟度则显然要高得多。这反映出该品种的成熟期比较早，所以该品种的疏水特性必然与其成熟度很高有很大关系。但同时也能看到，该品种是 6 个品种中最细小的一个，其单个角果中油菜籽的产量显然较低。因而，综合该品种虽然有利于其与水性成分的减粘脱附，却也降低了单位产量，这需要油菜育种方面的学者予以努力提高。

　　从图 5 可见，试验所用的 6 个品种油菜角果外表面与过滤菜油之间的接触角普遍在 25° ～ 30°之间，表明其较明显的亲油特性。同样，与众不同的仍然是华油 2790，其角果外表面与过滤菜油之间的接触角尚不到 15°，显示出更强的亲油特性。然而，对比图 4 和图5 中该品种的表现来看，华油 2790 所表现出的表面浸润特性是矛盾的。

　　在图 4 中华油 2790 较其他 5 个品种显示出鲜明的疏水特性。这表明其表面能相对于其他5 个品种的油菜角果而言是比较低的。图 5 中华油 2790 较其他5 个品种显示出更强的亲油特性，则表明其表面能相对于其他5 个品种的油菜角果而言是比较高的。在同样的条件下，同一固体的表面能是常量而非变量，所以华油 2790 的角果外表面的表面能不可能同时既比另外 5 个品种的表面能低又比这 5 个品种的表面能高。因此，从表象上看，图4 和图5 的试验结果是矛盾的。

　　实际上，在试验过程中，作者发现由于华油 2790的成熟度较高，其角果的外表面已经因为其较低的含水率而产生了多个微观的纵向条纹。在测试其与二次蒸馏水之间的接触角时，水滴尚能在其表面保持完整 ; 但在测试其与过滤菜油之间的接触角时，油滴则很快顺着其表面的纵向条纹而渗透开去，因而从表观的接触角图像看，油滴迅速在其表面铺散开来，从而导致了图 4 和图 5 中貌似矛盾的结果。

　　综合图 4 和图 5 可以看到，油菜角果外表面与二次蒸馏水和过滤菜油之间的接触角受油菜品种的直接影响并不大，仅有的一个显示出较大差异的油菜品种是因为其品种特性导致的早熟而给其角果表面接触角带来了较大的影响，而非品种本身的生物特性所导致。

　　3、 结论

　　1) 试验所选择的 6 个油菜品种中，仅有一个品种的角果外表面显示出疏水特性，其余 5 个品种的外表面均显示出亲水特性，同时所有品种的角果外表面均表现为显著的亲油特性。

　　2) 在文中所用的各油菜品种中，油菜角果外表面的浸润特性直接受油菜品种因素影响不明显，但会因油菜品种对成熟度的影响而间接地影响到其表面浸润特性。

　　参考文献:
　　［1］ 马征，李耀明，徐立章． 油菜漂浮速度、摩擦与浸润特性的测定与分析［J］． 农业工程学报，2011，27( 9) : 13－17．
　　［2］ 李耀明，马征，徐立章． 油菜联合收获机筛面粘附物摩擦特性［J］． 农业机械学报，2010，41( 12) : 47，54－57．