مقدار مواد پلیمری که سالانه در جهان در بخش کشاورزی استفاده می شود حدود ۲ میلیون تن است. که حدود ۵۰٪ از آن برای کشت­های محافظت شده مانند پوشش گلخانه­ها، مالچ و … مورد استفاده قرار می گیرند. فیلم پلیمری از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه بوده و بهترین نسبت هزینه / سود را برای استفاده در گلخانه ها و بخش کشاورزی فراهم می کند. انتظار می رود که روند رو به رشد این صنعت در بسیاری از کشورها ظاهر شود زیرا کشت محافظت شده جایگزین گلخانه­های گران قیمت شیشه­ای و همچنین کشت­های سنتی شده است.
پلی­اتیلن با چگالی کم ((LDPE، اتیلن وینیل استات EVA)) و پلی اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE) رایج­ترین مواد اولیه مورد استفاده در فیلم های گلخانه­ای هستند. در این مقاله به بررسی فیلم­های پلیمری مبتنی بر پلی­اتیلن برای کشت محافظت شده پرداخته شده و پایداری آنها تحت تأثیر شرایط محیطی مختلف، شامل تابش خورشید، دما، رطوبت، باد، تشکیل مه و سموم دفع آفات مورد بررسی قرار گرفته­است.

خصوصیات فیلم­ های پلیمری مورد استفاده در کشاورزی

پیشرفت­های موجود در فرمولاسیون فیلم­های پلی­اتیلنی مورد استفاده در این صنعت باعث شده است که طول عمر مورد انتظار بین یک تا پنج فصل کشت باشد. طول عمر مورد انتظار، در واقع، به طور قابل توجهی تحت تأثیر شرایط محیطی است که این فیلم در زمان سرویس­دهی با آن روبرو خواهد شد. آب و هوای منطقه، طراحی گلخانه استفاده از مواد شیمیایی آلی و حتی آلودگی محیط زیست منطقه می­تواند به شدت بر طول عمر فیلم تأثیر بگذارد.
الزامات سیستم­های گلخانه­ای بین مناطق مختلف به دلیل شرایط گوناگون آب و هوایی و تفاوت در روشهای تولید باعث شده که تا همین اواخر تغییر قابل توجهی در رویکردها، استانداردها و شیوه های اتخاذ شده یا عملی شده توسط موسسات تحقیقاتی، آژانس­های تجاری و صنایع مرتبط صورت پذیرد.
معمولاً، آزمایشات مورد استفاده برای پلاستیک­ها به طور کلی، با وجود تفاوتهای مهم عملکردی، روی پوششهای گلخانه ای نیز اعمال می شود. در نتیجه، داده­های کنترل کیفیت که توسط تولید­کنندگان ارائه می­شود، معمولاً تنها به چند خاصیت این مواد محدود می شوند. فیلم­های مورد بحث در اینجا با توجه به خصوصیات و الزامات مربوط به استحکام مکانیکی، درصد عبور نور و مقاومت به نور ماورابنفش مورد بررسی قرار گرفته­اند. همچنین با توجه به بحث صرفه جویی در مصرف انرژی، کل حرارت انتقالی با واحد برای مواد مختلف و ترکیبات احتمالی آنها اندازه گیری شده است. این مقادیر تخمین عملکرد حرارتی نظری یک فیلم تولید شده مربوط به نیازهای گرمایش برای اختلاف حرارتی ۱ درجه سانتیگراد در طول یک مترمربع از فیلم را ممکن می سازد. این به ما کمک می­کند تا با توجه به هرنیاز حرارتی و نوری برای محصول مورد نظر، مواد پلیمری مناسب برای پوشش گلخانه انتخاب گردد.

کارآیی و طول عمر فیلم­های پلیمری که به عنوان مواد پوششی در کشت محافظت شده، مورد استفاده قرار می­گیرند، به شدت به موارد ذیل بستگی دارد:

  • ساختار شیمیایی ذاتی مواد
  • تغییر در خواص مواد بدلیل پیرشدگی القایی
  • نوع سازه مورد استفاده
  • شرایط آب و هوایی منطقه که در آن گلخانه احداث شده
  • مصرف سموم و افت­کش ها

پایداری فیلم­ های گلخانه ای در برابر نور خورشید

شرح مختصری از عوامل مؤثر در پایداری پلی اتیلن (PE) به عنوان یک پوشش گلخانه تحت تأثیر شرایط مختلف محیطی در ادامه آورده شده است.
واضح است که تخریب نوری بسیاری از مواد پلیمری در معرض تابش خورشیدی با طول موج ۲۹۰-۱۴۰۰ نانومتر،  توسط پر انرژی ترین قسمت طیف خورشیدی اتفاق می افتد. پرتو اشعه ماوراء بنفش (UV) در محدوده ۲۹۰-۴۰۰ نانومتر می تواند توسط پلاستیک جذب شود و باعث شکست پیوند و تخریب زنجیره پلیمر گردد.
محافظت یا تاخیر در برابر تخریب نوری می تواند با استفاده از مواد افزودنی صورت گیرد. این مواد افزودنی ممکن است فرایند تجزیه پلیمر را از سه طریق، غربالگری ماوراء بنفش، جذب ماوراء بنفش و فرونشانی حالت برانگیخته، به تأخیر اندازند. بنابراین، پایدارکننده ها غالباً در پلیمر برای محافظت از مواد در برابر آسیب اشعه ماوراء بنفش استفاده می­شوند. اثربخشی یک پایدارکننده نوری به عوامل بسیاری، از جمله حلالیت و غلظت آن در ماتریس پلیمر و… بستگی دارد.

عوامل خارجی مؤثر بر پایداری فیلم­ های گلخانه ­ای

فرآیند تخریب فیلم­های گلخانه­ای توسط عوامل مختلف و پیچیده­ای در ارتباط است. تأثیر تابش اشعه ماوراء بنفش همراه با تغییر دما، رطوبت، بارهای مکانیکی، اصطکاک، سایش، قرار گرفتن در معرض سموم شیمیایی و غیره، پیرشدگی نایلون را با سرعتهای مختلف تسریع می کند. بر این اساس، پیش بینی طول عمر فیلم­های پلیمری با روش­های آزمایشگاهی اندکی دشوار است. به عنوان مثال، ساییدگی زیاد فیلم توسط ماسه و ذرات خاک بدلیل وزش باد منجر به تشکیل مراکز زیاد فعال مستعد تخریب شده و این خود باعث افزایش تخریب نوری می­گردد.

دما

تغییرات دما بصورت چرخه­ای و دمای زیاد ایجاد شده در قسمت­های فلزی سازه­ی گلخانه در روزهای گرم و آفتابی منجر به افزایش تخریب می شود. در جاهایی که فیلم گلخانه با سازه فلزی در تماس باشند، می توان آسیب­های زیادی را مشاهده کرد، به خصوص هنگامی که آن قسمت­ها رنگ نشده باشند. درجه حرارت در این نقاط بسته به شرایط آب و هوایی ممکن است تا ۷۰ درجه سانتیگراد و بیشتر هم برسد. در این حالت انتشار یون­های فلزی روند تخریب را تقویت می کند. ذرات فلزی، به ویژه آهن، ممکن است تجزیه هیدروپراکسیدهای تشکیل شده در نتیجه اکسیداسیون را کاتالیز کنند، و این منجر به تخریب شدیدتری در فیلم می شود.
علاوه بر این، درجه حرارت بالا منجر به افزایش در میزان واکنش هر دو روش اکسیداسیون نوری و اکسیداسیون شیمیایی توسط افت­کش­ها و در نتیجه منجر به میزان تخریب بالاتر می شود. ترکیبات HALS به عنوان تله های رادیکال عمل می کنند، و در نتیجه علاوه بر پایدارکننده نوری به عنوان تثبیت کننده گرما نیز عمل کرده و تأثیرات دمای بالا را به حداقل می رسانند.

رطوبت

اکسیداسیون و تخریب بیشتر در نتیجه افزایش رطوبت و همچنین بارندگی رخ می دهد. این به دلیل شستشوی تدریجی بخشی از مواد افزودنی است که ممکن است به سطح فیلم مهاجرت کرده­ باشند.

باد

همواره پاره شدن فیلم ناشی از وزش تندبادها مشکل اساسی گلخانه ها در مناطق باد خیز بوده است. یکی دیگر از مشکلات مرتبط با مناطق باد خیز، فشار ناشی از باد به فیلم گلخانه است. این فشار مضاعف می­تواند منجر به تخریب زودرس نایلون گلخانه شود. ساییدگی ناشی از خاک و سایر ذرات که توسط باد منتقل می شوند و بر روی سطح فیلم گلخانه ای حمل می شوند نیز ممکن است مشکل دیگری باشد.

تشکیل مه

اصطلاح “مه” برای توصیف چگالش بخار آب به شکل قطرات کوچک گسسته در سطح فیلم­های پلیمری شفاف استفاده می شود. شرایط فیزیکی که منجر به این شکل گیری می­شود به شرح زیر خلاصه می شود:

  • افت دما در سطح داخلی فیلم تا زیر نقطه شبنم
  • خنک شدن هوا در نزدیکی فیلم تا دمایی که در آن دیگر نمی تواند تمام بخار آب را حفظ کند، به طوری که آب اضافی بر روی فیلم متراکم شود
  • تفاوت بین کشش سطحی آب و سطح فیلم، که باعث می­شود آب به عنوان قطرات گسسته متراکم شود.

تشکیل مه در فیلم های گلخانه­ای می تواند باعث اثرات نامطلوب زیر­گردد:

  1. انتقال نور به داخل گلخانه کاهش یافته، در نتیجه سرعت رشد گیاه کاهش می یابد، بلوغ محصول به تاخیر افتاده و بازدهی کاهش می یابد.
  2. قطرات آب روی سطح فیلم مانند لنز عمل کرده و متمرکز شدن نور بر روی بخش های گیاه منجر به سوختگی خواهد شد.

برای جلوگیری از تشکیل مه، معمولاً عوامل فعال سطحی در حین تولید فیلم به مواد اضافه می شوند. این ترکیبات با پلیمر ناسازگار هستند و متعاقباً به سطح فیلم مهاجرت می­کنند و در نتیجه تنش سطحی بحرانی فیلم را افزایش می دهند. این باعث کاهش زاویه تماس بین سطح آب و پلیمر شده و اجازه می دهد آب به صورت لایه یکنواخت تری پخش شود.

آلودگی محیطی

آلودگی هوا مانند اکسیدهای نیتروژن، دی اکسیدهای گوگرد و… می تواند باعث تخریب پلیمرها شود که باید مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال، مطالعات مادون قرمز روی فیلم های پلیمری نشان داده است که پلی اتیلن با اکسید نیتروژن در دمای بالا واکنش می دهد و حتی این واکنش شیمیایی در ۲۵ درجه سانتیگراد نیز مشاهده می شود. همینطور اکسیدهای گوگردی در حضور نور UV می­توانند دی اکسید گوگرد برانگیخته­ی سه تایی را تشکیل دهد. این گونه قادر است هیدروژن را از زنجیره­های پلیمری جدا کند و منجر به شکل­گیری ماکرو رادیکال­ها در ساختار پلیمر شود، که به نوبه خود می تواند تخریب بیشتری را در پلیمر ایجاد نماید.

سموم و افت­کش ­ها

استفاده از مواد شیمیایی آلی در گلخانه ها به شدت روی فیلم­های پلیمری تأثیر می­گذارد. سموم دفع آفات مورد استفاده برای محافظت از محصول بر تخریب و طول عمر فیلم ها موثرهستند. معمولاً سموم دفع آفات فرمولاسیون پیچیده­ای دارند. آنها عموما حاوی گوگرد و هالوژن در ساختار شیمیایی خود هستند. سموم دفع آفات با پایدارکننده­های موجود در فیلم واکنش نشان داده و اثر آنها را کاهش می­دهند یا آنها را کاملاً از بین می­برند. نتایج تجربی به وضوح نشان می­دهد که سموم دفع آفات دارای ترکیبات فعال گوگردی با پایدارکننده­ها در تقابل هستند.
یک توضیح ساده این است که تعامل آفت کش­ها و ترکیب HALS  منجر به عدم عملکرد HALS در موقع لزوم می­شود. برخی از ترکیبات گوگردی و هالوژنه، اکسیداسیون PE را آغاز کرده و افت خواص مکانیکی آن را تسریع می­نمایند. وسعت این اثر به وزن مولکولی، غلظت و… ترکیبات گوگردی بستگی دارد. افزودن یک جاذب UV به فیلم به طور قابل توجهی طول عمر و پایداری نوری را بهبود می­بخشد. همچنین، فیلم­های گلخانه­ای پایدار­شده با HALS نسبت به فیلم­های تثبیت شده با فرونشاننده­های نیکلی در آزمایشات با شرایط واقعی ۳۳٪ بیشتر عمر کرده­اند.
با این­حال، مواد پلیمری مورد استفاده برای فیلم­های گلخانه­ای در حال تغییر است و به ویژه، استفاده از ترکیبی از افزودنی­ها بطور مداوم در حال توسعه است. این مواد افزودنی در مقادیر نسبتاً زیادی برای اهداف مختلف مانند مقاومت در برابر اکسیداسیون نوری، ضد مه و غیره استفاده می­شوند. علاوه بر این، ترکیبات سموم دفع آفات می توانند جذب فیلم شوند، که این باعث می­شود استفاده از محصولات حاصل از بازیافت فیلم­های گلخانه را در بسیاری از کاربردها به خطر اندازد. قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش باعث ایجاد تغییرات عمده مانند شکستن زنجیره، تشکیل گروه های اکسیژن دار، تشکیل احتمالی شاخه و همچنین شبکه ای شدن و غیره در زنجیره­های پلیمر می شود. در نهایت می­تواند باعث تخریب بیشتر در مرحله فراورش مجدد نیز شود.

 اندازه گیری عوامل پیرشدگی

ارزیابی پایداری و دوام فیلم­های گلخانه­ای معمولاً با استفاده از تجهیزات آزمایشگاهی انجام می­شود. در هنگام استفاده از فیلم پلیمری به عنوان پوشش گلخانه­ای، هیچ آزمایش استانداردی برای ارزیابی تخریب این خصوصیات وجود ندارد. این در شرایطی است که چندین عامل بهم پیوسته وجود دارند که می­توانند منجر به تخریب خواص مکانیکی شوند. شبیه سازی این عوامل معمولاً در آزمایشگاه دشوار است. بررسی روند تغییراتی که در خواص مکانیکی فیلم­های پلیمری در نتیجه پیرشدگی رخ می­دهد برای آشکار شدن مشکلات و مشخص شدن شرایط فیلم بسیار مهم است. با این حال، سایر خواص فیلم مانند خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نیز تحت تأثیر تخریب قرار می­گیرند.
بسیاری از گروه­های تحقیقاتی به این مشکل توجه کرده و تلاش خود را برای سنجش تأثیر عوامل مختلف پیرشدگی بر تخریب مواد پلاستیکی متمرکز کرده­اند. در واقع باید کلیه پارامترها مد نظر قرار گیرد تا بتوان عملکرد و طول عمر فیلم را در هنگام استفاده از آن در گلخانه، به طور دقیق پیش بینی کرد.
روند پیرشدگی تسریع شده مهم­ترین پارامتر در بررسی روند تخریب پلاستیک­ ها است. چندین آزمایش تسریع شده پیرسازی برای فیلم­های پلیمری طی یک دهه گذشته بطور گسترده در دسترس قرار گرفته اند. با این حال، رابطه این آزمایشات با پیرشدگی در حالت واقعی در فضای باز بسیار سؤال برانگیز است. این آزمایشات مبتنی بر القای پیری مصنوعی در مواد از طریق یک منبع UV شدید همراه با یک چرخه شبانه روزی به همراه چرخه پاشش آب یا بخار است.
رابطه تجربی بین طول عمر فیلم­های تحت شرایط آب و هوایی تسریع یافتهو وضعیت واقعی در گلخانه ارائه شده است. این استاندارد بسته به میزان انرژی تابش خورشیدی که هر منطقه در کره زمین دریافت می­کند ، سه منطقه آب و هوایی را تعریف می کند: ۷۰-۱۰۰ ، ۱۰۰-۱۳۰ و ۱۳۰-۱۶۰ کیلو لانگلی (KLy) در سال، که هر یک کیلولانگلی معادل ۴.۱۸۴ کیلو ژول بر سانتیمتر مربع می­باشد.
با این حال، هیچ شرایط خاصی -مانند تماس بین فیلم و سازه فلزی گلخانه و استفاده از سموم دفع آفات که می­تواند به شدت در هوازدگی واقعی فیلم­های پلیمری تأثیر بگذارد در نظر گرفته نشده است. بنابراین، آزمایش­های پیرسازی تسریع شده فقط می توانند تخمین تقریبی از رفتار واقعی فیلم­های پلیمری در هنگام قرار گرفتن در معرض عوامل محیطی واقعی داشته باشند.