疏水高频振动协同策略降低砂姜黑土耕作部件粘附阻力的机理与性能研究

《Soil and Tillage Research》：Hydrophobic high-frequency vibration collaborative strategy for reducing resistance and soil adhesion of tillage tools in lime concretion black soil

本研究针对黄淮海地区砂姜黑土高粘附性导致的耕作阻力大、能耗高等问题，提出了一种疏水高频振动协同减阻降粘新策略。研究人员通过将薄层橡胶态苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）涂层与高频振动技术相结合，显著降低了土壤-部件界面相互作用和土壤颗粒内摩擦。在21%含水率土壤中，该策略使耕作部件粘附量降至0.27 g/cm2，减阻率达32.16%，能耗降低30.08%，为区域农业机械化低碳高效作业提供了创新性解决方案。

　　

在黄淮海平原的广袤农田里，一种特殊的土壤——砂姜黑土，既是保障粮食生产的重要资源，也给农业机械化带来了巨大挑战。这种土壤中的蒙脱石成分遇水膨胀，易与金属部件表面形成"水膜桥"，导致耕作时土壤粘附严重，阻力骤增30%-40%，成为农业生产中能耗最高的环节之一。传统振动减阻技术在高含水条件下难以有效解决土壤粘附，而单一疏水改性在低含水土壤中减阻效果有限，这种两难困境严重制约了低碳农业的发展。

为破解这一难题，安徽农业大学工程学院的科研团队在《Soil and Tillage Research》上发表了一项创新研究，将疏水改性技术与高频振动技术有机结合，开创了协同减阻降粘的新途径。研究人员独具匠心地选择了苯乙烯-丁二烯-苯烯嵌段共聚物（SEBS）这种特殊材料，通过其末端的苯环结构与合金表面形成n-π相互作用，构建了结合能达37.21 J/m²的牢固界面。厚度仅0.2毫米的SEBS涂层既保证了优异疏水性（接触角116.5°），又确保了高频振动能量的有效传递。

研究采用的关键技术方法主要包括：通过喷涂法制备SEBS超薄疏水涂层并系统表征其理化性能；构建自建土槽试验平台模拟耕作过程；设置17%、21%、25%三个土壤含水率梯度；采用0-200 Hz振动频率调控；通过力学传感器实时监测工作阻力变化。

SEBS的力学性能研究表明，该材料具有卓越的拉伸强度（10.09 MPa）和断裂伸长率（1154.90%），其独特的分子结构中，刚性苯乙烯链段提供耐磨性和界面结合力，柔性乙烯-丁烯链段赋予高弹性和疏水性。经过15天的酸碱盐腐蚀试验，SEBS机械性能保持良好，展现出优异的环境适应性。

SEBS涂层的粘附稳定性分析显示，通过XPS、FTIR等技术证实了涂层与Al/Si10Mg合金基体间牢固的界面结合。XPS数据显示Al-O键结合能增加0.57 eV，表明界面化学键增强；FTIR谱图中1000 cm^-1处峰位消失印证了n-π相互作用的存在。剥离试验测得界面粘附能达37.21 J/m²，远超传统PDMS涂层（0.15 J/m²）。

耕作部件减阻抗粘性能测试结果表明，在21%含水率土壤中，疏水-高频振动协同策略实现最佳效果：土壤粘附量降至0.27 g/cm²，最大工作阻力降低32.16%，能耗减少30.08%。与单一技术相比，协同策略在不同含水率条件下均表现出显著优势，特别是在高含水（25%）条件下，振动对减阻的贡献减弱，而疏水涂层的作用更加凸显。

该研究通过理论创新与技术集成，成功解决了砂姜黑土地区耕作作业中的高能耗难题。疏水涂层有效阻断土壤-部件界面水膜桥接，而高频振动则破坏土壤颗粒间嵌锁结构，两者协同作用下实现了"界面降粘"与"体内减阻"的双重效果。研究提出的薄层强粘附疏水涂层设计理念，为农业机械减阻技术提供了新思路，对推动黄淮海地区农业机械化低碳高效发展具有重要理论价值与实践意义。