افزودنی های پلیمری؛ anti fog | ضد شبنم | افزودنی ضد مه - پیگمنت

افزودنی های پلیمری؛ افزودنی ضد مه یا Anti-fog

مه گرفتگی یا fogging

اصطلاح مه گرفتگی به کندانسه شدن بخار آب روی سطح یک فیلم پلاستیکی به شکل قطرات ریز جدا از هم اطلاق می شود. مه گرفتگی زمانی اتفاق می افتد که در یک فضای بسته هوایی که حاوی بخار آب است به زیر نقطه شبنم برسد. که این پدیده به دو عامل درصد رطوبت و دمای فیلم پلیمری ارتباط می یابد. این پدیده عموما در بسته بندی های شفاف مواد غذایی و فیلم های گلخانه ای معمول است.

برای درک بهتر نمودار زیر را در نظر بگیرید. در این نمودار RH رطوبت نسبی هوا است. این نمودار میزان آب موجود در هوا در RH های متفاوت را نشان می دهد. به طور مثال اگر رطوبت نسبی 70 درصد باشد و دما 35 درجه باشد در هر یک کیلو گرم هوا 26 گرم آب وجود دارد و ما در نقطه A هستیم. با کاهش دما ما به سمت نقطه B حرکت می کنیم و در دمای 29 درجه به نقطه شبنم یعنی رطوبت نسبی 100 درصد می رسیم که در این نقطه هوا اشباع از رطوبت شده و پدیده شبنم اتفاق می افتد.

بسته بندی های شفاف غذایی:

هنگامی محصولی نظیر گوشت یا میوه بسته بندی می شود هوای داخل بسته محتوی درصدی از رطوبت است. زمانی که این بسته بندی مثلا وارد یخچال 4 درجه می شود هوای داخل بسته دیگر توانایی حمل آب مورد نظر را نداشته و شبنم در سطح داخلی ایجاد می شود. از دیدگاه صنعت این موضوع قابل قبول نیست زیرا شبنم ایجاد شده مانع از دیده شدن درست کالا توسط مشتری می شود. کیفیت ظاهری کالا افت می کند و جذابیت آن برای مشتری کاهش می یابد و احتمال فروخته شدن کم می شود.

فیلم های کشاورزی

فیلم های گلخانه ای معمولا از پلاستیک های ترموپلاستی نظیر PVC، LDPE و EVA ساخته می شوند. انواع مختلفی از فیلم ها را داریم. اما آنچه در این مبحث اهمیت می یابد فیلم هایی هستن که به صورت پوشش محافظت بالای سر محصول قرار گرفته آن را از باد و سرما حفظ می کنند. با همان منطق قبلی احتمال ایجاد قطرات آب روی سطح داخلی فیلم گلخانه ای وجود دارد و این پدیده به علت اینکه عبور نور را کاهش می دهد نامطلوب است. طبق شکل زمانی که زاویه تماس قطره ایجاد شده بزرگتر باشد بازتاب داخلی که در قطرات اتفاق می افتد باعث بازتاب درصد بیشتری از نور می شود و شفافیت نوری فیلم به شدت کاهش می یابد.

که این اتفاق به نوبه خود رشد گیاه را کند کرده، فرایند برداشت را طولانی نموده و بازده کلی را کاهش می دهد. طبق تحقیقات تقریبا تا زاویه 40 درجه میزان بازتاب نور از سطح خارجی فیلم تغییر چندانی نمی یابد اما از زاویه 40 درجه به بالاتر میزان بازتاب نور به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته و عبور پذیری نوری فیلم کم می شود و بدترین حالت در 90 درجه اتفاق می افتد. بنابراین به صورت منطقی زوایای تماس زیر 40 درجه برای ما مطلوب تر خواهدبود.

دیگر آسیب هایی که قطرات شبنم می توانند ایجاد کنند می تواند ناشی از اثر لنز باشد (زمانی که قطرات به صورت عدسی عمل کرده و با متمرکز کردن نور خورشید باعث ایجاد سوختگیدر سطح گیاه شوند). همچنین ریزش نامطلوب و دائمی قطرات آب ممکن است اتفاق بیفتد.

برای جلوگیری از این پدیده از ادتیوهای آنتی فاگ(ضد شبنم-مه) در پلاستیک ها استفاده می شود. این افزودنی ها جلوی کندانسه شدن آب را نمی گیرند اما با مهاجرت به سطح فیلم و ایجاد خاصیت آب دوستی در سطح زمانی که آب روی سطح کندانسه می شوند به پخش شدن آن روی سطح کمک کرده و باعث می شوند که به جای قطرات جدای آب فیلم نازکی داشته باشیم که به جای جدا شدن قطره قطره از سطح به شکل باریکه آب جریان می یابد. همچنین تحقیقات نشان داده که فیلم های حاوی افزودنی ضد مه در پروسه تهویه گلخانه (ventilation) سریعتر خشک می شوند و این پروسه را از نظر زمانی بهبود می دهند.

اصول عملکرد ضد مه

زاویه تماس یک مایع روی یک سطح جامد به کشش سطحی جامد و مایع ارتباط می یابد. برای پلیمرهایی نظیر پلی الفین ها کشش سطحی پایین می باشد و سطح آب گریز است (پلی اتیلن 31 و پلی پروپیلن 28 dyne/cm) زمانی که مایعاتی مانند آب، که کشش سطحی بالایی دارند، در تماس با سطح این پلیمرها قرار می گیرند از آنجایی که علاقه زیادی به این سطوح غیر آبدوست ندارند به صورت قطراتی با زاویه تماس بالا روی سطح پلیمر می نشینند و اصطلاحا سطح را تر نمی کنند.

در این شکل S سطح جامد یا پلیمر را نشان می دهد، G هوای اطراف و L مایع که در اینجا آب است را نشان می دهد. γ کشش بین سطحی می باشد. از رابطه نشان داده شده در شکل زاویه بدست می آید. ادتیو بر روی قطبیت پلیمر و در نتیجه کشش بین سطحی پلیمر و آب و پلیمر و هوا تحت گذاشته و زاویه را کاهش می دهد. در نهایت آب به خوبی جریان یافته و در مسیر های ناودانی شکل تعبیه شده جمع می شود که این در کاربرد های کشاورزی بسیار مهم می باشد. با این تفاسیر مواد قطبی کننده سطح معمولا از داخل فیلم به سطح پلیمر مهاجرت نموده و در طی زمان از سطح شسته می شوند. بنابراین انتخاب نوع مواد، سرعت مهاجرت آن ها به سطح بسیار مهم است زیرا سرعت زیاد عمر کاربردی محصول را کم می کند و مهاجرت کم غلظت کافی از ماده موثره در سطح را نمی تواند ایجاد کند.

دیگر مواردی که کاربرد بسته بندی و کشاورزی را از هم متمایز می نماید:
در کاربرد کشاورزی اختلاف دمای داخل و بیرون به مراتب بیشتر از بسته بندی است همچنین نوسانات دمایی بسیار بیشتر است. و همیشه این اختلاف دما وجود دارد. همچنین انتظار داریم که فیلم عملکرد ضد مه را برای مدت زمان بیشتری نشان دهد(در کشاورزی چندماه تا چند سال اما در بسته بندی چند روز تا چند هفته).

به خاطر همین تغییراتی دمایی معمولا میزان آبی که روی فیلم گلخانه ای کندانسه می شود بسیار بیشتر از بسته بندی می باشد. و این شسته شدن افزودنی از سطح را تشدید می کند.

به طور کلی این موارد را باید در انتخاب افزودنی مورد نظر لحاظ نماییم.

استانداردهای تماس با مواد غذایی

پایداری دمایی و پایداری در پروسه پلیمر مورد نظر

افزودنی هایی که وزن ملکولی پایینی داشته و بخار در حین پروسه کردن فیلم پلیمر ایجاد می کنند نامطلوب هستند.

تاثیر افزودنی بر شفافیت فیلم

پتانسیل ایجاد زردشوندگی در فیلم

پتانسیل مهاجرت بالا که در پروسه چاپ و سیلینگ حرارتی می تواند مشکل ایجاد کند.

میزان ناسازگاری مهندسی شده با پلیمر مورد نظر

پتانسیل ایجاد مشکلات مربوط به بو

پتانسیل سمی بودن برای گیاهان (phytotoxicity)

انواع افزودنی های آنتی فاگ

به طور کلی می توانیم دو دسته:

-خارجی

-داخلی

انواع خارجی آنهایی هستند که با اسپری یا غوطه وری اعمال می شوند. مزیت آنها عملکرد در دز های پایین و عیب آنها شسته شدن سریع از روی سیستم می باشد. کاربرد این دسته در صنعت بسیار محدود است.

افزودنی های داخلی تاثیر طولانی مدت تری داشته و معمول ترمی باشند. افزودنی در حضور آب به سطح مهاجرت می کند و با شسته شدن از سطح دوباره از داخل فیلم به سطح مهاجرت می نماید تا جایی که در فیلم افزودنی باقی نماند.

آنتی فاگ های صنعتی:

این مواد معمولا سطح فعال های غیر یونی از خانواده:

-گلیسیرول استرها

-پلی گلیسیرول استرها

-سوربیتان استرها و ترکیبات اتوکسیلاتی آنها

-نونیل فنول اتوکسیلات ها (استاندارد FDA آمریکا را دارند اما در بسیاری کشورهای اروپایی استاندارد ندارند).

-الکل اتوکسیلات ها

افزودن آنتی فاگ به پلیمر

آنتی فاگ را می توان مستقیم یا به صورت مستربچ به پلیمر اضافه نمود. به خاطر مایع بودن یا داشتن دمای ذوب پایین معمولا مصرف کننده ها مستربچ را ترجیح می دهند. مستربچ ها می توانند تا 50 درصد از این افزودنی را شامل شوند. مقدار مصرف آنتی فاگ به:

-نوع پلیمر

– عمر عملکردی محصول

-ضخامت فیلم

مقدار کل افزودنی های سیستم

بستگی دارد. درصد های معمول بین 1 تا 3 درصد است.

آزمایش عملکرد آنتی فاگ

در تست نمونه عملکرد به صورت چشمی طبق جدول زیر نمره دهی می شود:

تست مه سرد:

200 میلی لیتر آب شیر را در یک بشر 250 سیسی بریزید و روی آن را با فیلم نمونه پوشش دهید. و آن را در داخل یخچال 4 درجه سانتی گراد قرار دهید. ظاهر فیلم را مورد بررسی قرار دهیدو طبق جدول نمره دهی کنید. به مدت 1 هفته در فواصل زمانی نشان داده شده در شکل بررسی را ادامه دهید.

تست مه گرم

50 سیسی آب شیر را در یک بشر 250 سیسی بریزید و سطح آن را با فیلم مورد نظر پوشش دهید. بشر را در حمام 60 درجه قرار دهید و طبق جدول با زمان ظاهر فیلم را نمره دهی نمایید.

تست فیلم های کشاورزی

این فیلم ها مطابق شکل در یک قاب قرار می گیرند و معیار امتیاز دهی برای آن ها مشابه جدول قبلی است. فواصل زمانی بررسی بسته به نوع کاربرد متفاوت است.

چند مثال از تست فرمولاسیون های حاوی آنتی فاگ:

فیلم پی وی سی برای بسته بندی غذایی به همراه ادتیو بر پایه glycerol mono leate مقدار مصرف 2 تا 3 قسمت برای 100 قسمت پلیمر:

با اینکه فیلم های پی وی سی برای بسته بندی مناسب هستند اما امروزه گرید های مناسب از پلی اولفین ها که فاقد هالوژن باشند به خصوص در کشورهای حوزه اسکاندیناوی اهمیت یافته اند.

علاوه بر جایگزین شدن پی وی سی با پلی اولفین ها و پلی استایرن، ساختارهای چند لایه نیز بسیار گسترش یافته اند (تکنولوژی کو اکستروژن و لمینیشن)

فیلم های کشاورزی:

در این فیلم ها پایه معمولا PE یا EVA است و در برخی کشورها PVC هم کاربرد دارد. ترکیبات سوربیتان استر و پلی گلیسیرول استرها معمولا به عنوان افزودنی آنتی فاگ استفاده می شوند.سوربیتان استر ها بیشتردر فیلم های پلی اتیلن و پی وی سی و پلی گلیسیرول استرها بیشتر در فیلم های بر پایه EVA مصرف می شوند.نتایج آزمون این فیلم ها در جداول زیر آورده شده است. مقایسه نتایج آزمایشگاه و محیط واقعی نشان داده که برای گلخانه اگر نتایج آزمایشگاههی را در 3 یا 4 ضرب نماییم تقریب خوبی از عملکرد در محیط واقعی خواهیم داشت.

در یک فیلم تک لایه معمول مشابه شکل افزودنی تمایل دارد به هر دو طرف فیلم مهاجرت نماید.

در محصولات جدید تر معمولا یک فیلم سه لایه داریم که لایه میانی و داخلی کوپلیمر PE+EVA به همراه درصد کمی وینیل استات است. غلظت بالای لایه درونی به عملکرد بلافاصله پس از بسته بندی کمک می کند و لایه میانی طول عمر عملکردی را بالا می برد.