Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a Absorbentes IR para filmes agrícolas

L'elecció d'un absorbent IR depèn de l'aplicació

Absorbents IR per a films agrícoles

H. Schwartz, R. Shach, A. Bar, Kafrit Ind, Ltd15/03/2006

Aquest interessant article es basa en una ponència dels autors presentada durant el 4t Congrés Europeu d'Additius i Colors, organitzat per SPE a Alemanya el març de 2005. Els absorbents en films agrícoles es sotmeten aquí a un estudi comparatiu.

En un estudi en el qual es van comparar diferents tipus d'absorbents de radiació infraroja mitjana (IR) inorgànics per a films agrícoles, es van aplicar els següents paràmetres per avaluar la seva efectivitat:

• Absorbància IR (termicitat) com a funció del tipus d'absorbent IR, la seva concentració i el gruix del film.

• Transparència a la radiació visible (%).

• Dispersió de la llum visible (boirina,%).

• Resistència a la degradació en condicions agressives (exposició QUV).

Els resultats principals de l'estudi indiquen que l'eficiència general del film depèn no només del tipus d'absorbent, sinó també de la mida de partícula i que hi hagi contaminació ferrosa. L'eficiència resultar més gran amb les partícules més petites i va disminuir amb la presència d'impureses minerals. Una altra de les observacions es refereix a la interacció entre additius orgànics i minerals: en els casos en què es trobaven presents additius dels dos tipus, la migració esperada dels absorbents orgànics es va produir a menor velocitat.

Introducció

La radiació solar, consistent principalment en radiació ultraviolada, llum visible i radiació infraroja propera, travessa les cobertes dels hivernacles i escalfa el seu interior (sòl, cultius, etc.). La calor generada a l'interior de l'hivernacle durant el dia s'emet de nou a l'atmosfera a la nit. La dissipació de l'energia tèrmica provoca un descens de la temperatura a l'interior de l'hivernacle pot donar lloc, per tant, a la congelació fisiològica dels cultius.

La relació entre l'energia emesa per un cos calent i la seva longitud d'ona es pot descriure com una radiació de cos negre, utilitzant l'equació de Planck [1].

El màxim de l'espectre emès depèn de la temperatura: a menor temperatura, major és la longitud d'ona del màxim. La radiació emesa per un cos negre a temperatura ambient presenta un màxim a una longitud d'ona de 10,4 micres, i la major part de l'energia emesa es situa entre 7 i 14 micres (1400-700 cm-1), és a dir, en l'espectre infraroig mitjà.

Els films convencionals de polietilè de baixa densitat (LDPE) presenten una finestra de radiació en la regió visible, però també són transparents a la zona del IR mitjà. La pèrdua de calor es pot controlar mitjançant la incorporació d'additius absorbents IR en els films de LDPE. Els films que conserven la calor gràcies a la presència d'additius absorbents IR reben el nom de "films tèrmics". La utilització de films tèrmics en hivernacles aporta els següents avantatges [2-4]:

• Protecció contra gelades suaus

• Collites més primerenques

• Augment del rendiment i la qualitat dels cultius

Hi ha alguns tipus d'additius minerals que poden utilitzar-se com absorbents d'IR mitjà en films agrícoles: sílices, silicats, fosfat, alúmina, etc. Aquests compostos minerals presenten una forta absorbència entre 7 i 14 micres.

Per aconseguir una eficiència de servei adequada, s'ha d'elegir amb cura l'absorbent IR. L'eficiència, al seu torn, depèn de l'adequada relació entre el rendiment d'absorció IR, la claredat del film, la resistència a la degradació i la relació preu / rendiment.

Material i mètodes

Materials

Els absorbents IR que s'han utilitzat en aquest estudi són diferents tipus de minerals amb contingut en silici, en concret diferents tipus de silicats i sílices. Alguns són naturals i altres sintètics. Com a suport polimèric dels masterbatch es va utilitzar LDPE convencional (densitat: 0,92 g / cc; MFI: 2 g/10 min).

Preparació de les mostres

• Es van preparar Masterbatch IR (40-60% d'absorbent IR) en una extrusora rotatòria de doble cargol Prism TS-16-MB, a 120-150 º C.

• Es van preparar compostos IR utilitzant la mateixa classe de LDPE (densitat = 0,92 g / cc; MFI = 2 g/10 min), en la mateixa extrusora rotatòria de doble cargol de laboratori, en dues concentracions finals d'absorbent IR: 5 % (Assajos tipus I) i 10% (Assajos tipus II).

• Es van preparar compostos amb contingut en absorbent IR i absorbent UV orgànic mitjançant un mesclador intern Brabender a 120 º C, fins a obtenir la barreja adequada.

• Es van fabricar films de 100 micres per extrusió-bufat en una extrusora de film MPM.

• Es van preparar mostres de film de 150 micres i 200 micres de gruix mitjançant emmotllament per compressió, amb una matriu especial de llautó, entre planxes d'acer, a una temperatura de planxa fixa de 190 º C.

Avaluació del rendiment

• Es va mesurar la transparència a la llum visible i la dispersió de la llum (T, H,%) mitjançant un nefelòmetres Haze-Gard Plus amb esfera integradora (Gardner Company).

• Els espectres IR es van registrar mitjançant un espectrofotòmetre Perkin Elmer FTIR amb resolució de 2 cm-1 i 16 escombrats. Tots els espectres es van registrar en mode de transmitància.

• Les proves de degradació accelerada de les mostres preparades es van realitzar amb un equip Q-UV (Q-panell Company) dotat de 314 làmpades UV. La durada del cicle d'exposició va ser de 12 h (8 h d'irradiació a 40 º C seguida de 4 h de foscor a 50 º C).

• La degradació dels films es va controlar mitjançant mesurament FTIR de l'augment en la concentració de productes carbonílics d'oxidació (1680-1780 cm-1).

• Els espectres visible i ultraviolada es van registrar en un espectrofotòmetre Perkin-Elmer Lambda 6, equipat amb esfera integradora.

Figura 1. Corbes d'absorció dels diferents absorbents a la regió mitjana d'infrarojos

Figura 2. Corbes de transmissió dels diferents absorbents a la regió mesura d'infrarojos comparat amb LDPE sense reforç

Figura 3. Transmitància dels absorbents dels IR en diferents gruixos de la pel·lícula.

Taula 2. Transmitància dels diferents absorbents d'IR en diferents concentracions

Resultats

Propietats tèrmiques

Les corbes d'absorció dels absorbents IR estudiats es mostren a la figura 1, les corbes de transmissió es presenten a la figura 2. Tots els absorbents ANAR estudiats presenten diferències en la forma de l'espectre, el màxim de l'espectre i la intensitat, a causa de les diferències en la seva composició química. Per tant, l'eficiència tèrmica d'aquestes càrregues és diferent. L'eficiència de l'absorció IR es va avaluar a partir de les corbes de transmissió, d'acord amb el procediment descrit en la part experimental. Els films agrícoles que incorporen absorbents IR presenten millors propietats tèrmiques com menor és la transmissió a la regió infraroja de longitud d'ona més llarga, és a dir, com més petita és la termicitat [5].

La termicitat segons el gruix del film dels absorbents IR estudiats es mostra a la figura 3. El caolí calcinat (mostra CC) i la cristobalita (mostra CR) presenten la menor termicitat a una concentració rebaixada donada, i donen el nivell de termicitat desitjat (menys del 25%) amb un gruix de 150 micres (vegeu la figura 4). A la concentració més alta, aquests absorbents mostren un bon nivell de termicitat en films a partir de 100 micres (vegeu la taula 2).

Propietats òptiques

Una propietat essencial dels films per a hivernacles és la transmissió de llum en el rang d'activitat fotosintètica. Per això s'ha estudiat l'efecte dels absorbents IR en la transmissió i dispersió de la llum: els resultats es presenten a la figura 3. Els films tractats amb diferents tipus d'absorbents IR no presenten diferències de transparència. Els compostos minerals amb prou feines influeixen en la transparència. El motiu d'això és que tots aquests compostos minerals posseeixen un índex de refracció semblant, comprès entre 1,48 i 1,58, que també és proper al del polietilè (1,5-1,52). No obstant això, s'ha comprovat que la dispersió de la llum si es veu afectada per la presència de càrregues, i que hi ha una dependència implícita amb la mida de partícula. Les partícules de mida petita produeixen una baixa dispersió de la llum (28-33%), mentre que les partícules grans produeixen dispersions relativament altes (44%).

Figura 4. Transmitància de la pel lícula LDPE reforçada on el 5% de l'absorbent d'IR

Figura 5. Dispersió de la llum visible de la pel lícula LDPE reforçada amb el 5% d'absorbent IR

Estabilitat a la radiació ultraviolada

Un altre aspecte important és la influència de la càrrega inorgànica sobre la fotoestabilitat del film agrícola. La presència d'impureses (ions Fe, principalment) associades de manera natural als minerals inorgànics afecta la fotoestabilitat dels polímers a llarg termini [6, 8].

Es va sotmetre una mostra amb un 5% d'absorbents IR a una degradació artificial (QUV). Els temps totals d'exposició fins a la degradació total de la mostra s'indiquen a la figura 7. Així mateix, durant l'exposició també es va dur a terme un seguiment del desenvolupament de grups carbonil terminals. Els resultats es presenten a la figura 6. Es va observar que existeix una relació entre el desenvolupament de grups carbonil i el temps fins degradació total de la mostra. La formació de carbonil va ser més ràpida en les mostres OC, NS, CC i TL, els temps d'exposició d'aquestes mostres fins degradació van ser també els més curts.

D'altra banda, en les mostres amb un major contingut en Fe2O3 (TL, CC) la velocitat de degradació va ser superior a la de les mostres amb baix contingut en òxid fèrric (CR, NSI, NSII).

La mostra amb càrrega de silicat d'alumini sintètic (SA) va presentar un temps de degradació curt, tot i el baix contingut en ferro (aprox. 0,03%). El SA posseeix un àrea superficial significativament més gran que els altres absorbents IR estudiats (~ 35 m2 / g en comparació amb 3-8 m2 / g de la resta dels absorbents).

Migració

Es va examinar també la influència d'aquests additius inorgànics en la migració dels absorbents IR orgànics fora del portador de polietilè. Per a això, es homogeneïtzar els absorbents IR a una mateixa concentració amb absorbents orgànics UV tipus benzotriazol (BZT).

Figura 6. Desenvolupament de l'àrea del pic de carbonil com funció del temps d'exposició.

Figura 8. Eficiència de bloqueig de BZT i absorbent d'IR compost per films de LDPE

A més, es va afegir a la fórmula coestabilizador HALS per congelar la influència de les impureses catalitzadores de la degradació. Totes les mostres es van sotmetre al test QUV i es va portar un control periòdic dels espectres UV-visible.

Els resultats indiquen una reducció de l'efectivitat de bloqueig del BZT durant els períodes d'exposició (vegeu la figura 8). El BZT, que és relativament polar, tendeix a migrar de la matriu de poliolefina no polar, la qual cosa provoca una disminució indesitjable de l'efectivitat de bloqueig [7]. Com es pot observar a la figura 8, la migració del BZT es redueix amb la presència dels absorbents IR. La reducció més baixa del bloqueig UV registrada correspon a la combinació de silicat d'alumini i benzotriazol. L'efecte pot explicar-se per l'àrea superficial d'aquesta combinació, comparativament més gran i, per tant, a causa de la millor capacitat d'absorció d'additiu del silicat d'alumini sintètic. En aquest cas, la major àrea superficial del silicat d'alumini influeix positivament en la migració indesitjable dels additius orgànics del film de PE.

Conclusions

S'ha realitzat un estudi comparatiu dels diferents tipus d'absorbents de radiació infraroja mitjana per films agrícoles. Es va estudiar la seva eficiència tèrmica i altres propietats generals dels films, com la transparència, la dispersió de la llum i l'estabilitat a la radiació UV.

L'elecció d'un absorbent ANAR depèn de l'aplicació. Per exemple, una major dispersió de la llum visible pot suposar un avantatge en reduir l'ombra a l'interior de l'hivernacle, el que afavoreix la fotosíntesi. En aquest cas, els silicats naturals, com el talc (TL) i el caolí (CC) poden ser una opció adequada. No obstant això, en països menys assolellats, com per exemple en el nord d'Europa, interessa especialment obtenir la màxima transmissió de llum indirecta. En aquests casos, es podria optar per minerals amb una menor difusió, com la nefelina sienita (NS).

També es va estudiar l'eficiència d'absorció IR d'argiles orgàniques (OC). Els resultats indiquen baixa termicitat i estabilitat a la radiació UV en comparació amb la resta dels absorbents IR analitzats.

La termicitat dels films amb càrrega d'absorbents IR depèn de la concentració de minerals i de l'espessor del film, si bé la dependència no és lineal.

L'estabilitat a la radiació UV tampoc és un aspecte trivial, que exigeix tenir en compte l'existència i quantitat d'impureses minerals i l'àrea superficial del mineral s'haurien de tenir en compte. Segons ha demostrat el nostre estudi, l'elevada àrea superficial del silicat d'alumini (SA) sintètic rebaixa l'estabilitat a la radiació UV. D'altra banda, en afegir un agent estabilitzador de radicals, es va observar una reducció de la migració del benzotriazol.

Naturalment, l'eficiència en el rendiment s'ha de combinar amb una rendibilitat de costos.

Aquest estudi no ha considerat factors econòmics.