张建桃;梁玉燕;胡慧卿;汤镇安;文晟祁有山
【摘 要】针对柠檬桉油驱蚊液常用的手动压力雾化方式存在雾滴粒径大、不能连续自动喷雾等问题,提出采用微孔压电超声雾化方式将驱蚊液雾化成微米级雾滴,使其能在空气中长时间漂浮,以期更好的发挥柠檬桉油的驱蚊效果.本文通过单因素试验,研究了微孔压电超声雾化片的微孔直径和驱动电压、频率等因素对柠檬桉油驱蚊液雾滴粒径和雾化量的影响.试验结果表明,在相同的驱动电压、频率条件下,雾滴粒径、雾化量随雾化片微孔直径的增大而线性增大;当雾化片孔径相同时,改变驱动电压或频率,雾滴粒径和雾化量均会随着驱动电压或频率的增大呈现先增大后减小的趋势,即存在峰值.当孔径为13 μm,驱动频率为108 kHz,驱动电压为90V时,雾滴粒径为15.13 μm,仅为手动雾化时的27.95％,雾化量为0.06 g/min,可连续自动喷雾.研究结果可为柠檬桉油驱蚊液微孔压电超声雾化器设计提供参考. 【期刊名称】蒸发皿《环境昆虫学报》
【年(卷),期】2018(040)005
大型纺织厂【总页数】9页(P1182-1190)
【关键词】柠檬桉油驱蚊液;压电超声雾化;雾滴粒径;雾化量
【作 者】张建桃;梁玉燕;胡慧卿;汤镇安;文晟
【作者单位】华南农业大学数学与信息学院,广州510642;华南农业大学数学与信息学院,广州510642;华南农业大学数学与信息学院,广州510642;华南农业大学数学与信息学院,广州510642;华南农业大学工程基础教学与训练中心,广州510642
【正文语种】中 文
【中图分类】Q968.1;S433
柠檬桉油驱蚊液是一种天然的驱蚊液，因为对环境没有污染，对人体无害，是唯一一种被美国疾病控制中心认可的植物源驱蚊成分(Frances et al., 2014)。柠檬桉油驱蚊液不仅可以有效驱除蚊虫，其淡淡的柠檬香味，还能起到提神的效果。目前柠檬桉油驱蚊液的使用方法是采用手动压力方式将其雾化成粒径较大的雾滴，直接喷洒到人体上，驱蚊效果最长仅6
h。但因柠檬桉油驱蚊液的粘度大，喷洒到人体皮肤上，易造成严重的油腻感。超声波雾化是在超声频率的作用下，液体振动失稳，在气相中分散而形成微米甚至纳米级雾状颗粒的过程。用超声波雾化方式将柠檬桉油驱蚊液雾化成微米级雾状颗粒，均匀喷洒于皮肤或衣服上，减轻油腻感，减少用量；也可将驱蚊液雾滴喷洒于室内或养猪场等空气中，因雾滴粒径小，可长时间在空气中漂浮，有望实现长时间连续驱蚊。
高频压电超声雾化因具有雾滴粒径细小、粒径分布均匀、性能稳定等优点(Briceo et al., 2015；张建桃等，2015；Umemura, 2016)，被广泛地应用在空气净化(王金鹏等，2016)、喷雾补水(赵敏，2016)、加湿(晋新敏等，2013)、喷雾干燥(Yang et al.，2016)、吸入(熊鹰等，2016；张呈辉，2017)、除尘(代君伟，2008)、金属粉末制备(张曙光，2002)、食品加工(Kentish et al., 2014)和植物成分萃取(魏士刚，2013)等领域，但这种高频超声雾化主要用于水或水溶液的雾化，不能雾化粘度大的液体(高建民等，2014)。为了实现大粘度液体的雾化，Kiyama等人(2012)以粘度较高的硅油为雾化对象，研制了一种压力和压电复合雾化器，实现了不同粘度硅油的雾化。但这种雾化器不仅需要一个压电换能器，还需要一个压力泵，结构复杂，体积庞大。
微孔压电超声雾化器是一种新型的超声雾化器，它是利用压电驱动的方式使流体通过孔径为微米级的微孔板而形成雾滴。这种雾器具有体积小、结构简单等优点，且通过改变雾化器结构(如微孔大小、压电陶瓷片尺寸等)、驱动电源频率和幅值等都可以调节雾滴大小和雾化量(高建民等，2009)。为揭示微孔压电超声雾化器雾化效果的影响因素，许多研究者采用理论分析、计算机模拟计算和试验研究相结合的方法进行了大量的研究。Maehara等人(1986)以水为雾化对象，研究了微孔压电超声雾化器雾化量与驱动频率、雾化器输入功率等之间的关系。朱寅(2006)对微孔压电雾化片进行了研究，采用ANSYS软件对微孔压电超声雾化器模型进行了静力、模态和谐响应分析。王国辉等(2002)以水为雾化对象，对微孔压电超声雾化器进行了系统的实验研究。江峰(2014)对微孔压电超声雾化器进行了压电耦合有限元仿真，分析了锥孔变形对雾滴粒径的影响，以水为雾化对象，进行了雾化量实验，发现锥角对雾化效果有很大影响，雾滴粒径大小的决定因素是出雾口直径。Zhang等(2004)对微孔压电超声雾化器微锥孔的锥形流道锥角对雾化量的影响进行了理论研究。从现有的资料来看，微孔压电超声雾化的对象主要是水和水溶液，还没有研究者对粘度大且不溶于水的柠檬桉油驱蚊液的雾化进行研究，本研究将以柠檬桉油驱蚊液为雾化对象，采用实验研究的方法，研究了微孔压电超声雾化片的微孔直径和驱动电压、频率等因素对大
粘度的柠檬桉油驱蚊液雾滴粒径和雾化量的影响，以期为柠檬桉油驱蚊液微孔压电超声雾化器的研制提供指导。
1 材料与方法
1.1 实验材料
供试试剂采用美国“Repel”公司生产的柠檬桉油驱蚊液。
1.2 微孔压电超声雾化效果试验平台
为实现柠檬桉油驱蚊液微孔压电超声雾化及其效果测量，搭建了一个如图1所示的微孔压电超声雾化器雾化测量系统。系统工作原理如图1(a)所示，信号发生器产生的电信号经功率放大后，激励雾化振子产生超声振动，振动使微孔压电雾化片发生形变，使得与微孔接触的液体在惯性、表面张力和流体动力作用下从微孔板挤出。通过调节信号发生器的输出信号频率改变驱动电压频率，调节信号发生器的输出信号幅值和功率放大器的放大倍数均可改变驱动电压幅值。
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微孔压电超声雾化试验系统实物如图1(b)所示，主要由激光粒度分析仪(型号：DP-02，珠海欧美克仪器有限公司)、微孔压电超声雾化器、试验升降台、信号发生器(型号：NF WF1948，日本NF株式会社)、功率放大器(型号：HSA4014，日本NF株式会社)、示波器(GDS 2204A，固纬电子实业股份有限公司)、电子天平(型号：YP-B5002，上海光正医疗仪器有限公司)和计算机等组成。微孔压电雾化片结构如图2所示。微孔压电雾化片由金属基片和压电陶瓷片两部分组成，其中金属基片和压电陶瓷片是同心粘接。金属基片直径为20 mm，厚度为0.15 mm；压电陶瓷片的外径为16 mm，内径为8 mm，厚度为0.8 mm；锥孔个数为600，锥角为40°。
雾滴平均粒径是评价雾化质量的重要参数之一，其表示方法有4种：体积中值粒径、数量中值粒径、质量中值粒径和沙脱平均粒径，本研究采用体积中值粒径。雾滴体积中值粒径(本文中简称雾滴粒径)及雾滴粒径分布利用激光粒度仪进行测量，雾化量采用电子天平测出试验前后测量装置的质量，即可计算出单位时间内换能器产生的雾化量。每组试验均重复5次，取平均值。
图1 微孔压电超声雾化器雾化测量系统Fig.1 The test platform of microspore ultrasonic ato
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mization droplet atomizing注：1，DP-02型激光粒度分析仪；2，微孔压电超声雾化器；3，电子分析天平；4，试验升降台；5，GDS 2204A示波器；6，功率放大器；7，信号发生器；8，计算机。Note: 1, DP-02 laser particle size analyzer; 2, Microporous piezoelectric ultrasonic atomizer; 3, electronic analytical balance; 4, Test lift; 5, GDS 2204A oscilloscope; 6, Power amplifier; 7, Signal generator; 8, Computer.
图2 微孔压电雾化片结构图Fig.2 Structure of microspore piezoelectric actuator注：金属基片的直径和厚度表示为D、H1，压电陶瓷片外径、内径、厚度分别表示为D1、D2、H2。Note: Diameter and thickness of metal substrate are D and H1, respectively; outer diameter, inner diameter and thickness are D1, D2, H2, respectively.
2 结果与分析
2.1 雾化片孔径对雾化效果的影响
为了测量微孔压电超声雾化片孔径对雾化效果的影响，固定微孔压电超声雾化器的驱动电压和频率，研究雾化片孔径对雾化效果的影响。通过预试验发现，当雾化片孔径小于9 μm
时，柠檬桉油驱蚊液无法雾化；可能是柠檬桉油驱蚊液黏度较大导致的。当雾化片孔径大于19 μm时，雾滴体积中径超过36 μm。因此，试验时雾化片孔径采用9 μm、11 μm、13 μm、15 μm、17 μm和19 μm 6个水平，当雾化器的驱动电压峰峰值为80 V，额定工作频率为113 kHz时，测得柠檬桉油驱蚊液雾滴粒体积中径如表1所示。
表1 雾化片孔径对雾化效果的影响Table 1 Atomization effect on micropore diameter size序号No.9 μm11 μm13 μm15 μm17 μm19 μm粒径(μm) Dropletsize雾化量(g)Massflow粒径(μm)Droplet Mass雾化量(g)Massflow粒径(μm)Dropletsize雾化量(g)Massflow粒径(μm) Dropletsize雾化量(g)Massflow粒径(μm) Dropletsize雾化量(g)Massflow粒径(μm) Dropletsize雾化量(g)Massflow117.10 0.0524.230.0926.80 0.1630.98 0.32 34.800.4635.58 0.52216.500.07 23.460.0727.93 0.1931.50 0.35 32.910.4537.10 0.56316.98 0.0622.930.0827.560.1831.18 0.34 35.550.4836.580.51平均值Average16.86 0.0623.540.0827.43 0.1831.22 0.34 34.420.4636.420.53
用SPSS软件对雾滴粒径数据进行单因素方差分析，方差齐性显著性概率(Sig.)=0.106>0.05，满足方差齐性，即不同数据组的方差没有显著性差异。再对各组数据
进行方差分析得到其显著性概率(Sig.)=0.000<0.05，说明不同孔径下的雾滴粒径具有显著性差异。用SPSS对雾滴粒径数据进行线性回归分析，得出雾化片孔径与雾滴粒径存在线性回归关系，雾滴粒径与雾化片孔径呈正相关关系，回归方程为:
y=1.19176x+1.4690
(1)
回归结果如图3(a)所示。从表1的实验数据和图3(a)的线性回归可以看出，雾滴粒径随着雾化片孔径的增大而增大。当雾化片孔径为9 μm时，雾滴的体积中径平均值为16.86 μm；当雾化片孔径为19 μm时，雾滴的体积中径平均值为36.42 μm，因此在相同的额定工作频率和驱动电压条件下，雾化片孔径对雾滴粒径有显著影响。结合单因素方差分析和线性回归分析可得到以下结论：在雾化器驱动电压和额定工作频率不变的情况下，雾滴粒径随着雾化片孔径的增大而线性增大。
同理，用SPSS软件对雾量数据进行单因素方差分析和线性回归分析，方差分析得出雾化片孔径对雾化量也显著影响，回归分析结果的如图3(b)所示。从图3(b)可以看出，在雾化器驱
动电压和额定工作频率不变的情况下下，雾化量随着雾化片孔径的增大而线性增大。雾化片孔径与雾化量的回归方程为：
y=0.0521x-0.4566
(2)
2.2 驱动电压对雾化效果的影响
为了研究驱动电压峰峰值对雾化效果的影响，微孔压电超声雾化器的驱动频率设为113 kHz。通过调节信号发生器的输出信号幅值和功率放大器的放大倍数改变驱动电压峰峰值，研究驱动电压峰峰值对雾化效果的影响。每组雾化片孔径进行5次重复试验，计算5次重复试验的雾滴体积中径平均值，得到各孔径下不同电压峰峰值的雾滴粒径如图4(a)所示。从图4(a)可以看出，当雾化片孔径为13 μm时，雾滴粒径在电压峰峰值为90 V时达到最大值18 μm；当雾化片孔径为15 μm时，雾滴粒径在电压峰峰值为80 V时达到最大值20 μm；当雾化片孔径为17 μm时，雾滴粒径在电压峰峰值为110 V时达到最大，为22 μm；当雾化片孔径为19 μm时，雾滴粒径在电压峰峰值为100 V时达到最大，为33.52 μm。由此分
析可得：不同孔径的雾化片具有不同的工作电压范围；随着驱动电压的增大，雾滴粒径呈先增大后减小的变化趋势，并在某一电压值时，雾滴粒径达到峰值；雾化片的孔径不同，雾滴粒径到达峰值时，对应的驱动电压不同。
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