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香蕉叶表面特征及浸润性机理研究

段洁利, 蒋婷婷, 蒋寅龙, 杨洲

段洁利, 蒋婷婷, 蒋寅龙, 等. 香蕉叶表面特征及浸润性机理研究[J]. 华南农业大学学报, 2023, 44(2): 314-323. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202202028
引用本文: 段洁利, 蒋婷婷, 蒋寅龙, 等. 香蕉叶表面特征及浸润性机理研究[J]. 华南农业大学学报, 2023, 44(2): 314-323. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202202028
DUAN Jieli, JIANG Tingting, JIANG Yinlong, et al. Study on the surface characteristics and infiltration mechanism of banana leaf[J]. Journal of South China Agricultural University, 2023, 44(2): 314-323. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202202028
Citation: DUAN Jieli, JIANG Tingting, JIANG Yinlong, et al. Study on the surface characteristics and infiltration mechanism of banana leaf[J]. Journal of South China Agricultural University, 2023, 44(2): 314-323. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202202028

香蕉叶表面特征及浸润性机理研究

基金项目: 国家重点研发计划(2020YFD1000104);广东省重点领域研发计划(2019B020223002)
详细信息
    作者简介:

    段洁利,副教授,博士,主要从事智能农业装备研究,E-mail: duanjieli@scau.edu.cn

    通讯作者:

    杨 洲,教授,博士,主要从事水果生产机械化研究,E-mail: yangzhou@scau.edu.cn

  • 中图分类号: S184

Study on the surface characteristics and infiltration mechanism of banana leaf

  • 摘要:
    目的 

    研究香蕉树冠层不同时期蕉叶的正、反面润湿行为,以期为农药雾滴在蕉叶表面滞留调控机制提供依据。

    方法 

    采用接触角测量仪表征蕉叶表面的静态润湿性能;利用高速摄像机记录液滴在蕉叶表面的动态润湿行为;使用场发射扫描电镜对蕉叶表面进行微观形貌观察获取表面结构信息,并借助傅立叶红外光谱仪分析其表面化学成分;基于Wenzel和Cassie润湿理论构建蕉叶表面微观结构模型,建立润湿方程阐述其润湿机理。

    结果 

    扫描电镜发现蕉叶正面呈现微米−纳米级双层复合结构,在微米级突起结构上布满了纳米级乳突结构,分布为4.6个/µm2,条状突起宽度为(16.03±3.48) µm,乳突平均直径为(0.116±0.068) µm,蕉叶背面微米级条状突起结构尺寸大于正面,宽度为(74.25±9.80) µm,纳米级结构上呈现出网状突起,宽度为(2.35±0.49) µm,蕉叶背面的润湿性普遍大于正面的;在不同生长时期的蕉叶中,剑叶正面表现出亲水性,静态接触角(Contact angle,CA)为71.46°±6.02°,而其他时期的蕉叶正、反面均表现出弱疏水性,表明嫩叶正面具有更强的润湿和铺展能力;通过对成熟蕉叶正表面构建Wenzel和Cassie润湿模型,分析计算得出成熟蕉叶正表面本征CA为20.76°,具有超亲水性,表明其纳米级乳突结构为多糖。

    结论 

    蕉叶表面疏水的微米−纳米级双层复合结构以及亲水的化学成分共同作用导致了其表面表现出弱疏水性的润湿状态,而纳米级乳突结构的多糖是导致其表面具有亲水效应及高黏附效应的原因。

    Abstract:
    Objective 

    The wetting behavior of the front and back surfaces of banana leaves at different growth stages of the banana tree canopy was studied, in order to provide a basis for the regulation mechanism of pesticide droplets retention on the surface of banana leaves.

    Method 

    The static wetting properties of the banana leaf surface were characterized by a contact angle measuring instrument, the dynamic wetting behavior of droplets on the surface of the banana leaf was recorded by a high-speed camera, and the structural information of the banana leaf surface was observed by a field emission scanning electron microscope. The surface chemical composition was analyzed using the Fourier transform infrared spectrometer. The surface microstructure model of banana leaf was constructed based on the Wenzel and Cassie wetting theory, and the wetting equation was established to describe its wetting mechanism.

    Result 

    Scanning electron microscopic observation showed that the front surface of banana leaves presented a micro-nano-scale double-layer composite structure, the micro-scale protrusion structure was covered with nano-scale papillary structures with a density of about 4.6 pieces/µm2, the strip-like protrusion width was (16.03±3.48) µm, the average diameter of papillae was (0.116±0.068) µm, the size of micron-scale strip-like protrusions on the back of banana leaves was larger than that of the front, and the width was (74.25±9.80) μm, the nano-scale structure had mesh-like protrusions with a width of (2.35±0.49) μm, and the wettability of the back of banana leaves was generally higher than that of the front. For banana leaves at different growth stages, the front of flag leaves showed hydrophilicity with contact angle of 71.46°±6.02°, while the front and back of banana leaves at other stages showed weak hydrophobicity, indicating that the front surface of young leaves had stronger wetting and spreading ability. By constructing the Wenzel and Cassie wetting models for the front surface of mature banana leaves, the intrinsic contact angle of the front surface of mature banana leaves was 20.76° showed super-hydrophilic based on analysis and calculation, indicating that its nano-scale papillary structure was polysaccharide.

    Conclusion 

    The combination of the hydrophobic micro-nano bilayer composite structure and the hydrophilic chemical components on the surface of banana leaves leads to the wet state of weak hydrophobicity on the surface, and the polysaccharide of the nano-papillary structure is responsible for hydrophilic effect and high adhesion effect of the banana leaf surface.

  • 小麦是仅次于大米的主要粮食作物,是人类生活中不可缺少的食物,通常利用制粉设备加工成面粉,制作成面包、面条等各种面食供人类食用。全世界每年需要加工制粉的谷物有20多亿t,其中小麦大约有6亿t[1]。辊式磨粉机是加工面粉的主要设备,其工作原理是通过1对水平排列并以不同角速度高速相向旋转的圆柱形磨辊,对小麦粉料施加挤压、剪切、摩擦等方式的载荷,将物料颗粒压碎、研磨成细粉,制成各种不同用途的成品面粉[2-3]

    磨辊是辊式磨粉机的核心部件,其内层材料以灰口铁为主,外层抗磨部分主要为白口铁。制粉过程中其与小麦粉料剧烈摩擦,产生磨料磨损现象,造成磨辊表面原有的形态发生变化,如齿辊的齿部钝化、光辊表面粗糙度降低。当磨辊磨损达到一定程度后,磨粉机出粉率与生产效率都会明显降低,需重新做磨光拉丝或喷砂处理[4-6]。磨辊磨损问题已经成为制约辊式磨粉机发展和应用的瓶颈,提高磨辊表面耐磨性能是目前制粉行业急需解决的难题。因此,磨辊金属材料的耐磨性是非常重要的性能,金属材料的耐磨性与表面硬度之间存在相应的关系,一般情况下,同类材料硬度增大则耐磨性提高,因此可以通过表面硬度间接反映材料的耐磨性[7-8]

    激光表面淬火是强化材料表面硬度的一种热处理方法[9-10],该技术解决了许多普通热处理工艺无法解决的难题,广泛用于汽车、冶金、模具、五金、轻工、机械制造等行业[11-17]。有学者研究了激光淬火工艺参数对HT210、模具钢718等材料淬硬层深度及表面硬度的影响[18-21],发现获得高而均匀的硬度是提高铸铁材料耐磨性的关键。本研究拟利用响应曲面方法设计激光淬火试验,探究激光淬火工艺参数对磨辊表面金属材料硬度的影响规律,并确定最优工艺参数组合,探讨经激光淬火处理后磨辊表面金属材料的性能变化和磨损机理。

    试验材料为低铬白口铁,尺寸为57 mm × 25.5 mm × 6 mm,表面机械研磨抛光,其化学成分质量分数如下:C 2.6%~3.2%、Si 低于0.8%、Mn 1.0%~2.5%、Cr 2.0%~3.0%、Mo 2.0%~3.0%、Cu 2.0%~3.0%。

    磨损试验中使用的磨料为甘肃产‘西旱1号’小麦籽粒,自然风干后经破碎、筛分及匀化处理制备粒度分布为0.5~1.5 mm的小麦粉料。小麦粉料不同成分质量分数为:淀粉71.8%、粗蛋白12.9%、水分9.8%、脂肪2.2%、粗纤维1.7%、粗灰分1.6%。

    使用额定功率200 W,波长1 070 nm的光纤激光器,工作频率40 Hz,脉宽20 ms。

    硬度测定采用莱州华银公司生产的HVS−1000型数显显微硬度计,施加载荷100 g,加载时间10 s。每组试样硬度测定试验重复3次,取3次测量值的平均值。采用MR5000型倒置金相显微镜(南京江南永新光学公司生产)检验试样金相组织。

    采用MLS−225型橡胶轮式磨损试验机(张家口市宣化科华试验机制造有限公司生产)进行三体磨料磨损试验,采用精度为0.1 mg的分析天平称量试样磨损前后的质量损失,采用扫描电子显微镜(东莞市天测光学设备有限公司生产)观察试样被磨面的表面微观形貌。

    试样编号为1~20,分别进行不同工艺参数的激光表面淬火热处理,表面淬火区域的淬火扫描点呈线性排列在试样表面,如图1,淬火面积为30 mm × 18 mm。在进行激光淬火试验前,将试样置入丙酮溶液中,放入清洗机清洗6 min,用碳素吸光涂料对试样作黑化处理,提高材料对激光的吸收率。完成激光淬火试验后,将试样沿着与激光扫描垂直的方向切开,用硬度计测量硬度值。

    图  1  激光淬火试样
    Figure  1.  Laser quenching sample

    通过前期单因素激光淬火试验筛选,影响磨辊表面硬度的因素主要是激光功率、光斑直径和扫描速度。根据中心复合的旋转组合设计原理,以激光功率(A)、光斑直径(B)、扫描速度(C)为试验影响因素,以硬度(R)作为响应指标,采用3因素5水平试验。各试验因素水平如表1所示。

    表  1  因素水平表
    Table  1.  Factor-level table
    水平
    Level
    激光功率/W
    Laser power
    光斑直径/mm
    Spot diameter
    扫描速度/(mm·s−1)
    Scanning speed
    −1.682 163 0.53 166
    −1 170 0.60 200
    0 180 0.70 250
    +1 190 0.80 300
    +1.682 197 0.87 334
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    在三体磨料磨损试验前,磨损试验机的参数设定如下:转速400 r/min,压力225 N,轧距0.15 mm。选用硬度为60 邵尔的橡胶轮,在室温条件下分别对未经激光淬火处理、经激光淬火最优工艺参数组合处理的2组试样进行为期2 h的抗小麦粉料磨损试验,共计5个磨损周期,即总磨程为10 h。将试样磨损前后的质量损失作为评价指标,每组试样磨损试验重复3次,取3次测量值的平均值作为分析数据。

    采用Design-expert 8.0.6对数据进行统计分析;用Origin 8.0软件进行作图。

    响应面各因素试验设计与结果如表2所示。使用Design-expert 8.0.6软件分析试验结果,得到各因素与响应值R的二次回归方程:

    表  2  试验设计与结果
    Table  2.  Experiment design and result
    试样编号
    Sample number
    因素 Factor 硬度/HV
    Hardness
    激光功率 Laser power 光斑直径 Spot diameter 扫描速度 Scanning speed
    1 −1 −1 −1 545.36
    2 1 −1 −1 600.13
    3 −1 1 −1 520.86
    4 1 1 −1 637.81
    5 −1 −1 1 530.77
    6 1 −1 1 515.00
    7 −1 1 1 592.02
    8 1 1 1 560.35
    9 −1.682 0 0 532.10
    10 +1.682 0 0 695.13
    11 0 −1.682 0 534.76
    12 0 +1.682 0 658.30
    13 0 0 −1.682 627.76
    14 0 0 +1.682 521.55
    15 0 0 0 644.24
    16 0 0 0 680.32
    17 0 0 0 659.18
    18 0 0 0 663.26
    19 0 0 0 687.08
    20 0 0 0 631.29
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    $$\begin{aligned} {{R}} = & {{661}}{{.80}} + {{2}}9.18{{A}} + {{2}}3.98{{B}} - {{2}}0.84{{C}} + \\ & {{5}}{{.79AB}} - {{2}}7.39{{AC}} + {{1}}1.68{{BC}} - \\ & {{22}}{{.66}}{{{A}}^{{2}}} - {{2}}8.70{{{B}}^{{2}}} - {{3}}6.43{{{C}}^{{2}}} {\text{。}} \end{aligned}$$

    对回归方程进行方差分析和回归系数显著性检验,结果见表3。回归模型P<0.01,表明回归模型中各因素与响应值的相关性是显著的。其中模型的一次项A(激光功率)、B(光斑直径)与C(扫描速度)对磨辊材料表面硬度影响显著(P<0.05);二次项B2C2对磨辊材料表面硬度影响极显著(P<0.01),A2影响显著(P<0.05);交互项AC对磨辊材料表面硬度影响显著(P<0.05),ABBC影响均不显著(P>0.05)。根据模型各因素回归系数和P值大小,得到影响磨辊材料表面硬度的各因素依次为激光功率、光斑直径、扫描速度。模型的复相关系数为0.846 8,模型的校正决定系数Radj2为0.708 9,试验误差小,可以用于硬度的预测。

    表  3  方差分析表1)
    Table  3.  Variance analysis table
    变异来源 Variance source SS DF MS F P
    模型 Model 65 184.71 9 7 242.75 6.14 0.004 5
    A 11 625.85 1 11 625.85 9.86 0.010 5
    B 7 855.99 1 7 855.99 6.66 0.027 4
    C 5 932.68 1 5 932.68 5.03 0.048 8
    AB 267.73 1 267.73 0.23 0.644 0
    AC 6 003.89 1 6 003.89 5.09 0.047 7
    BC 1 090.91 1 1 090.91 0.93 0.358 8
    A2 7 396.70 1 7 396.70 6.27 0.031 2
    B2 11 866.84 1 11 866.84 10.06 0.010 0
    C2 19 125.48 1 19 125.48 16.22 0.002 4
    残差 Residual 11 792.58 10 1 179.26
    失拟项 Lack of fit 9 567.22 5 1 913.44 4.30 0.067 7
    纯误差 Pure error 2 225.36 5 445.07
    总计 Total 76 977.29 19
     1)ABC分别为激光功率、光斑直径、扫描速度
     1) A, B and C indicated laser power, spot diameter and scanning speed, respectively
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    为了考察各因素及其交互作用对磨辊材料表面硬度的影响,采用Design-expert 8.0.6软件得到了各因素间的响应曲面图和等高线图,如图2~4所示。各因素间交互作用的显著性取决于响应曲面的陡峭程度。响应曲面坡度越陡,说明该因素对响应值的影响越显著。当等高线的形状为椭圆形时,线密度大,表明因素间交互作用对硬度影响显著;等高线的形状为圆形或近似圆形时,线密度小,交互作用对硬度影响不显著。

    图  2  激光功率与扫描速度对硬度影响的响应曲面图与等高线图
    Figure  2.  Response surface figure and contour map of effects of laser power and scanning speed on hardness
    图  3  激光功率与光斑直径对硬度影响的响应曲面图与等高线图
    Figure  3.  Response surface figure and contour map of effects of laser power and spot diameter on hardness
    图  4  光斑直径与扫描速度对硬度影响的响应曲面图与等高线图
    Figure  4.  Response surface figure and contour map of effects of spot diameter and scanning speed on hardness

    激光功率方向的坡度比扫描速度陡峭(图2a),表明激光功率对磨辊材料表面硬度的影响大于扫描速度。等高线图形状呈椭圆形(图2b),表明激光功率与扫描速度间的交互作用对硬度影响显著。

    响应面图中激光功率方向的曲线坡度大于光斑直径方向(图3a),说明激光功率对磨辊材料表面硬度的影响大于光斑直径。与激光功率和扫描速度交互作用下等高线密度(图2b)相比较,图3b中的等高线轮廓近似圆形,线密度较小,表明激光功率与光斑直径间的交互作用对硬度影响不显著。

    从响应曲面图可观察出,光斑直径方向响应面曲线比扫描速度方向陡峭(图4a),表明光斑直径对磨辊材料表面硬度的影响大于扫描速度。等高线图的线密度小,轮廓呈圆形(图4b),说明光斑直径与扫描速度间的交互作用对硬度的影响也不显著,这与回归分析结果一致。由上述结果可知,影响磨辊材料表面硬度的最主要因素为激光功率,其次为光斑直径和扫描速度。

    在实际面粉生产中,最终目的是提高磨辊的硬度,加强磨辊的耐磨性能,延长磨辊的使用周期。本试验利用响应曲面旋转二次组合设计方法,采用激光功率、光斑直径和扫描速度3个参数的试验范围作为约束条件,经过显著性检验的响应值R作为目标函数,经过非线性优化后得出最优的参数组合。分析得到激光淬火优化参数组合为:激光功率190 W,光斑直径0.74 mm,扫描速度220.14 mm/s,该参数组合下的试样表面硬度为688.67 HV。考虑到实际试验操作的便利,将此工艺条件进行进一步修正,得到可在实际生产中应用的工艺参数组合:激光功率190 W,光斑直径0.70 mm,扫描速度220 mm/s。为了检验软件分析结果的正确性,用上述最佳的淬火工艺参数进行3次验证试验,试验的结果与软件分析的结果基本吻合。

    该试样的原始硬度为509 HV,激光淬火处理后其硬度提升了35%,对试样进行激光淬火处理提升其耐磨性的本质是使其金相组织发生变化。图5为试样淬火后的金相组织图。

    图  5  试样金相组织
    Figure  5.  Gold phase organization of sample

    在激光快速加热条件下奥氏体晶粒非常细小。快速加热升温增加了奥氏体内碳、铬等元素的溶解度。碳化物在奥氏体内溶解,使其薄弱处发生断裂,形态得到改善。碳、铬等元素在奥氏体内溶解使得它们在奥氏体内的溶入量增长,激光淬火后得到的马氏体含碳量增加,基体硬度提高。同时,激光淬火使试样内部组织晶粒细化,形成大量马氏体,残留少量奥氏体。因此,试样经激光淬火后耐磨性得到极大的改善。试样在淬火后未产生裂纹现象。

    小麦粉料与试样表面接触时,其中的硬颗粒会与试样表面发生摩擦,试样表面因塑性挤压产生划痕,同时试样表面因压入的粉料硬颗粒形成沟槽,试样表面经多次塑性变形,发生疲劳破坏,表面材料掉落,脱离母体,造成试样质量损失。图6所示为未经激光淬火处理和激光淬火最优参数组合处理2组试样以小麦粉料为磨料的三体磨料磨损试验质量损失。对比图6中2组数据可知,经激光淬火最优参数组合处理后的试样质量损失约为未经激光淬火处理的试样的7%,由此可知,激光淬火处理后磨辊表面材料抗小麦粉料磨损性能显著提升。

    图  6  磨损质量损失
    Figure  6.  Mass loss in wear process

    图7所示为激光淬火前后2组试样典型被磨表面微观形貌扫描电子显微镜图。试样经激光淬火处理后,小麦粉料在试样表面的划痕较轻,粉料中的坚硬颗粒在激光淬火试样表面很难存留,表面上形成的划痕比较短,在小麦粉料作用下形成的沟槽更浅窄。因此,经激光淬火后的磨辊表面材料与小麦粉料间的摩擦磨损作用减弱,塑性变形次数降低,磨辊表面疲劳破坏得到改善,磨辊的磨损周期延长,生产成本降低。

    图  7  试样被磨表面微观形貌扫描电子显微镜图
    Figure  7.  Scanning electron microscope image of the worn sample surface

    本文采用旋转组合设计方法设计3因素5水平响应曲面试验,探究了激光功率、光斑直径和扫描速度对磨辊金属材料硬度的影响规律,并对3个试验因素进行参数优化,探讨磨辊材料耐磨性变化,得到以下结论:

    1)各激光淬火工艺参数对磨辊金属材料硬度影响依次为激光功率>光斑直径>扫描速度;激光功率与扫描速度间的交互作用对硬度影响显著。

    2)提高磨辊表面材料硬度的最优激光淬火工艺参数组合为:激光功率190 W、光斑直径0.70 mm、扫描速度220 mm/s;激光淬火处理后试样硬度提升了35%。

    3)经激光淬火最佳工艺参数组合处理后试样的质量损失约为未经激光淬火处理试样的7%,经激光淬火处理后的磨辊表面材料与小麦粉料间的摩擦磨损作用减弱,小麦粉料在试样表面的划痕较轻较短,试样磨损面的沟槽更浅窄。

    本试验结果表明,经过激光淬火处理后磨辊表面材料较未经处理的材料硬度显著提升,耐磨性能增强,这与华希俊等[22]的研究结果一致。淬火后的试样与小麦粉料发生摩擦磨损时,由于其表面的硬度得到强化,小麦粉料中的硬颗粒很难存留在试样表面,在表面产生的划痕与沟槽极为浅窄,使材料表面的损伤减少,极大地缓解了磨辊磨损严重等问题。

  • 图  1   香蕉树及香蕉叶片的微观形态

    a:香蕉树;b:蕉叶正面;c:蕉叶背面;d、f:蕉叶正面超景深图像;e、g:蕉叶背面超景深图像

    Figure  1.   Microscopic morphology of a banana tree and banana leaves

    a: Banana tree; b: Front of banana leaf; c: Back of banana leaf; d and f: Super-depth-of-field images of the front of banana leaf; e and g: Super-depth-of-field images of the back of banana leaf

    图  2   液滴在蕉叶表面静态润湿行为

    a:蕉叶正面;b:蕉叶背面;c、e:蕉叶正面润湿状态;d、f:蕉叶背面润湿状态

    Figure  2.   Static wetting behavior of droplets on the surface of banana leaves

    a: Front of banana leaf; b: Back of banana leaf; c and e: Wet state of the front of banana leaf; d and f: Wet state of the back of banana leaf

    图  3   在倾斜蕉叶表面滴加液滴

    a~c分别表示加第1~3滴等量液滴

    Figure  3.   Add water droplets on the surface of the inclined banana leaf

    a−c indicate the first, the second and the third drop with equal volumn

    图  4   5 μL 液滴在不同倾角叶片上的润湿行为

    Figure  4.   Wetting behavior of 5 μL droplets on leaves with different inclination angles

    图  5   液滴以不同速度撞击水平和倾斜蕉叶表面不同时间的典型截图

    Figure  5.   Typical screenshots at different time of water droplets hitting the surface of horizontal and inclined banana leaves with different speeds

    图  6   蕉叶扫描电镜图像

    a~e:成熟蕉叶正面;f:乳突结构;g~i:成熟蕉叶背面; j~l:气孔

    Figure  6.   Scanning electron microscope images of banana leaves

    a−e: Front of mature banana leaf; f: Papillary structure; g−i: Back of mature banana leaf; j−l: Pore

    图  7   不同时期蕉叶扫描电镜图像

    a:嫩叶正面;b:成熟叶正面;c:老叶正面;d:嫩叶背面;e:成熟叶背面;f:老叶背面

    Figure  7.   Scanning electron microscope images of banana leaves at different stages

    a: Front of young leaf; b: Front of mature leaf; c: Front of old leaf; d: Back of young leaf; e: Back of mature leaf; f: Back of old leaf

    图  8   蕉叶表面衰减全反射红外光谱图

    a:不同生长期;b:成熟期

    Figure  8.   Attenuated total reflection infrared spectrum of banana leaf surface

    a: Different growth stages; b: Maturity stage

    图  9   成熟蕉叶正面微观结构模型

    h为液滴高度,r1为纳米柱顶部半径,D1为条状突起的宽度,D2为沟壑宽度,H为条状突起高度

    Figure  9.   Microstructure model of the front of mature banana leaf

    h is the height of the droplets, r1 is the radius of the top of the column, D1 is the width of the strip, D2 is the width of the ravine, H is the height of the strip

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    Food and Agriculture Organization of the United Nations. FAOSTAT[EB/OL]. (2019-04-28)[2022-01-03]. http://faostat.fao.org.

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-27
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2023-03-09

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