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La elección de un absorbente IR depende de la aplicación

Absorbentes IR para filmes agrícolas

H. Schwartz, R. Shachar, A. Bar, Kafrit Ind., Ltd15/03/2006
Este interesante artículo se basa en una ponencia de los autores presentada durante el 4º Congreso Europeo de Aditivos y Colores, organizado por SPE en Alemania en marzo de 2005. Los absorbentes en films agrícolas se someten aquí a un estudio comparativo.
En un estudio en el que se compararon distintos tipos de absorbentes de radiación infrarroja media (IR) inorgánicos para filmes agrícolas, se aplicaron los siguientes parámetros para evaluar su efectividad:

• Absorbancia IR (termicidad) como función del tipo de absorbente IR, su concentración y el espesor del film.

• Transparencia a la radiación visible (%).

• Dispersión de la luz visible (neblina, %).

• Resistencia a la degradación en condiciones agresivas (exposición QUV).

Los resultados principales del estudio indican que la eficiencia general del film depende no sólo del tipo de absorbente, sino también del tamaño de partícula y de que exista contaminación ferrosa. La eficiencia resultó mayor con las partículas de menor tamaño y disminuyó con la presencia de impurezas minerales. Otra de las observaciones se refiere a la interacción entre aditivos orgánicos y minerales: en los casos en que se encontraban presentes aditivos de los dos tipos, la migración esperada de los absorbentes orgánicos se produjo a menor velocidad.

Introducción

La radiación solar, consistente principalmente en radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja cercana, atraviesa las cubiertas de los invernaderos y calienta su interior (suelo, cultivos, etc.). El calor generado en el interior del invernadero durante el día se emite de nuevo a la atmósfera por la noche. La disipación de la energía térmica provoca un descenso de la temperatura en el interior del invernadero pudiendo dar lugar, por tanto, a la congelación fisiológica de los cultivos.

La relación entre la energía emitida por un cuerpo caliente y su longitud de onda se puede describir como una radiación de cuerpo negro, utilizando la ecuación de Planck [1].

El máximo del espectro emitido depende de la temperatura: a menor temperatura, mayor es la longitud de onda del máximo. La radiación emitida por un cuerpo negro a temperatura ambiente presenta un máximo a una longitud de onda de 10,4 micras, y la mayor parte de la energía emitida se sitúa entre 7 y 14 micras (1400-700 cm-1); es decir, en el espectro infrarrojo medio.

Los filmes convencionales de polietileno de baja densidad (LDPE) presentan una ventana de radiación en la región visible, pero también son transparentes en la zona del IR medio. La pérdida de calor se puede controlar mediante la incorporación de aditivos absorbentes IR en los filmes de LDPE. Los filmes que conservan el calor gracias a la presencia de aditivos absorbentes IR reciben el nombre de “filmes térmicos”. La utilización de filmes térmicos en invernaderos aporta las siguientes ventajas [2-4]:

• Protección contra heladas suaves

• Cosechas más tempranas

• Aumento del rendimiento y la calidad de los cultivos

Existen algunos tipos de aditivos minerales que pueden utilizarse como absorbentes de IR medio en filmes agrícolas: sílices, silicatos, fosfato, alúmina, etc. Estos compuestos minerales presentan una fuerte absorbencia entre 7 y 14 micras.

Para conseguir una eficiencia de servicio adecuada, debe elegirse con cuidado el absorbente IR. La eficiencia, a su vez, depende de la adecuada relación entre el rendimiento de absorción IR, la claridad del film, la resistencia a la degradación y la relación precio/rendimiento.

Material y métodos

Materiales

Los absorbentes IR que se han utilizado en este estudio son diferentes tipos de minerales con contenido en silicio, en concreto diferentes tipos de silicatos y sílices. Algunos son naturales y otros sintéticos. Como soporte polimérico de los masterbatches se utilizó LDPE convencional (densidad: 0,92 g/cc; MFI: 2 g/10 min).

Preparación de las muestras

• Se prepararon masterbatches IR (40-60% de absorbente IR) en una extrusora rotatoria de doble tornillo Prism TS-16-MB, a 120-150 ºC.

• Se prepararon compuestos IR utilizando la misma clase de LDPE (densidad = 0,92 g/cc; MFI = 2 g/10 min), en la misma extrusora rotatoria de doble tornillo de laboratorio, en dos concentraciones finales de absorbente IR: 5% (Ensayos tipo I) y 10% (Ensayos tipo II).

• Se prepararon compuestos con contenido en absorbente IR y absorbente UV orgánico mediante un mezclador interno Brabender a 120 ºC, hasta obtener la mezcla adecuada.

• Se fabricaron filmes de 100 µm por extrusión-soplado en una extrusora de film MPM.

• Se prepararon muestras de film de 150 µm y 200 µm de espesor mediante moldeo por compresión, con una matriz especial de latón, entre planchas de acero, a una temperatura de plancha fija de 190 ºC.

Evaluación del rendimiento

• Se midió la transparencia a la luz visible y la dispersión de la luz (T, H, %) mediante un nefelómetro Haze-Gard Plus con esfera integradora (Gardner Company).

• Los espectros IR se registraron mediante un espectrofotómetro Perkin Elmer FTIR con resolución de 2 cm-1 y 16 barridos. Todos los espectros se registraron en modo de transmitancia.

• Las pruebas de degradación acelerada de las muestras preparadas se realizaron con un equipo Q-UV (Q-panel Company) dotado de 314 lámparas UV. La duración del ciclo de exposición fue de 12 h (8 h de irradiación a 40 ºC seguida de 4 h de oscuridad a 50 ºC).

• La degradación de los filmes se controló mediante medición FTIR del aumento en la concentración de productos carbonílicos de oxidación (1680-1780 cm-1).

• Los espectros visible y ultravioleta se registraron en un espectrofotómetro Perkin-Elmer Lambda 6, equipado con esfera integradora.

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Figura 1. Curvas de absorción de los diferentes absorbentes en la región media de infrarrojos
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Figura 2. Curvas de transmisión de los diferentes absorbentes en la región medida de infrarrojos comparado con LDPE sin refuerzo
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Figura 3. Transmitancia de los absorbentes de los IR en diferentes grosores de la película.
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Tabla 2. Transmitancia de los diferentes absorbentes de IR en diferentes concentraciones

Resultados

Propiedades térmicas

Las curvas de absorción de los absorbentes IR estudiados se muestran en la figura 1; las curvas de transmisión se presentan en la figura 2. Todos los absorbentes IR estudiados presentan diferencias en la forma del espectro, el máximo del espectro y la intensidad, debido a las diferencias en su composición química. Por tanto, la eficiencia térmica de estas cargas es distinta. La eficiencia de la absorción IR se evaluó a partir de las curvas de transmisión, de acuerdo con el procedimiento descrito en la parte experimental. Los filmes agrícolas que incorporan absorbentes IR presentan mejores propiedades térmicas cuanto menor es la transmisión en la región infrarroja de longitud de onda más larga; es decir, cuanto menor es la termicidad [5].

La termicidad en función del espesor del film de los absorbentes IR estudiados se muestra en la figura 3. El caolín calcinado (muestra CC) y la cristobalita (muestra CR) presentan la menor termicidad a una concentración rebajada dada, y dan el nivel de termicidad deseado (menos del 25%) con un espesor de 150 µm (véase la figura 4). A la concentración más alta, estos absorbentes muestran un buen nivel de termicidad en filmes a partir de 100 µm (véase la tabla 2).

Propiedades ópticas

Una propiedad esencial de los filmes para invernaderos es la transmisión de luz en el rango de actividad fotosintética. Por ello se ha estudiado el efecto de los absorbentes IR en la transmisión y dispersión de la luz: los resultados se presentan en la figura 3. Los filmes tratados con distintos tipos de absorbentes IR no presentan diferencias de transparencia. Los compuestos minerales apenas influyen en la transparencia. El motivo de ello es que todos estos compuestos minerales poseen un índice de refracción similar, comprendido entre 1,48 y 1,58, que también es próximo al del polietileno (1,5-1,52). Sin embargo, se ha comprobado que la dispersión de la luz sí se ve afectada por la presencia de cargas, y que existe una dependencia implícita con el tamaño de partícula. Las partículas de pequeño tamaño producen una baja dispersión de la luz (28-33%), mientras que las partículas grandes producen dispersiones relativamente altas (44%).

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Figura 4. Transmitancia de la película LDPE reforzada on el 5% del absorbente de IR
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Figura 5. Dispersión de la luz visible de la película LDPE reforzada con el 5% de absorbente IR
Estabilidad a la radiación ultravioleta

Otro aspecto importante es la influencia de la carga inorgánica sobre la fotoestabilidad del film agrícola. La presencia de impurezas (iones Fe, principalmente) asociadas de forma natural a los minerales inorgánicos afecta a la fotoestabilidad de los polímeros a largo plazo [6, 8].

Se sometió una muestra con un 5% de absorbentes IR a una degradación artificial (QUV). Los tiempos totales de exposición hasta la degradación total de la muestra se indican en la figura 7. Asimismo, durante la exposición también se llevó a cabo un seguimiento del desarrollo de grupos carbonilo terminales. Los resultados se presentan en la figura 6. Se observó que existe una relación entre el desarrollo de grupos carbonilo y el tiempo hasta degradación total de la muestra. La formación de carbonilo fue más rápida en las muestras OC, NS, CC y TL; los tiempos de exposición de estas muestras hasta degradación fueron también los más cortos.

Por otra parte, en las muestras con un mayor contenido en Fe2O3 (TL, CC) la velocidad de degradación fue superior a la de las muestras con bajo contenido en óxido férrico (CR, NSI, NSII).

La muestra con carga de silicato de aluminio sintético (SA) presentó un tiempo de degradación corto, a pesar del bajo contenido en hierro (aprox. 0,03%). El SA posee un área superficial significativamente mayor que los otros absorbentes IR estudiados (~35 m2/g en comparación con 3-8 m2/g del resto de los absorbentes).

Migración

Se examinó asimismo la influencia de estos aditivos inorgánicos en la migración de los absorbentes IR orgánicos fuera del portador de polietileno. Para ello, se homogeneizaron los absorbentes IR a una misma concentración con absorbentes orgánicos UV tipo benzotriazol (BZT).

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Figura 6. Desarrollo del área del pico de Carbonilo como funcion del tiempo de exposición.
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Figura 8. Eficiencia de bloqueo de BZT y absorbente de IR compuesto por films de LDPE
Además, se añadió a la fórmula coestabilizador HALS para congelar la influencia de las impurezas catalizadoras de la degradación. Todas las muestras se sometieron al test QUV y se llevó un control periódico de los espectros UV-visible.

Los resultados indican una reducción de la efectividad de bloqueo del BZT durante los períodos de exposición (véase la figura 8). El BZT, que es relativamente polar, tiende a migrar de la matriz de poliolefina no polar, lo que provoca una disminución indeseable de la efectividad de bloqueo [7]. Como se puede observar en la figura 8, la migración del BZT se reduce con la presencia de los absorbentes IR. La reducción más baja del bloqueo UV registrada corresponde a la combinación de silicato de aluminio y benzotriazol. El efecto puede explicarse por el área superficial de esta combinación, comparativamente más grande y, por consiguiente, debido a la mejor capacidad de absorción de aditivo del silicato de aluminio sintético. En este caso, la mayor área superficial del silicato de aluminio influye positivamente en la migración indeseable de los aditivos orgánicos del film de PE.

Conclusiones

Se ha realizado un estudio comparativo de los diferentes tipos de absorbentes de radiación infrarroja media para filmes agrícolas. Se estudió su eficiencia térmica y otras propiedades generales de los filmes, como la transparencia, la dispersión de la luz y la estabilidad a la radiación UV.

La elección de un absorbente IR depende de la aplicación. Por ejemplo, una mayor dispersión de la luz visible puede suponer una ventaja al reducir la sombra en el interior del invernadero, lo que favorece la fotosíntesis. En este caso, los silicatos naturales, como el talco (TL) y el caolín (CC) pueden ser una opción adecuada. Sin embargo, en países menos soleados, como por ejemplo en el norte de Europa, interesa especialmente obtener la máxima transmisión de luz indirecta. En estos casos, se podría optar por minerales con una menor difusión, como la nefelina sienita (NS).

También se estudió la eficiencia de absorción IR de arcillas orgánicas (OC). Los resultados indican baja termicidad y estabilidad a la radiación UV en comparación con el resto de los absorbentes IR analizados.

La termicidad de los filmes con carga de absorbentes IR depende de la concentración de minerales y del espesor del film, si bien la dependencia no es lineal.

La estabilidad a la radiación UV tampoco es un aspecto trivial, que exige tener en cuenta la existencia y cantidad de impurezas minerales y el área superficial del mineral deberían tenerse en cuenta. Según ha demostrado nuestro estudio, la elevada área superficial del silicato de aluminio (SA) sintético rebaja la estabilidad a la radiación UV. Por otra parte, al añadir un agente estabilizador de radicales, se observó una reducción de la migración del benzotriazol.

Naturalmente, la eficiencia en el rendimiento debe combinarse con una rentabilidad de costes.

Este estudio no ha considerado factores económicos.

Referencias

[1] Serway R. A., Physics for Scientists and Engineers, 3ª edición, James Madison University (1992)

[2] Secker I. Hochmuth G., ASP, 25, 131 (1994)

[3] Wolfe D.W., Albright L.D., Wyland J., J. Amer. Soc. Hort. Sci, 114, 562 (1987)

[4] Agami M., SPC, 67 (1990)

[5] Magnani G., Plasticulture, 76, 5 (1987)

[6] Hohenberg, W., “Fillers and Reinforcements/Coupling Agent” en Plastic Additives Handbook, Zweil H. ed., Hunser Publisher, Múnich, 2001

[7] Pickett J. E. and Moore J. E., Poly. Deg. Stab., 42, 231 (1993)

[8] Peake G.T., Journal of Vinyl Additive Technolgy, 2 (1996)

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