سنتز عوامل ضد مه و کاربرد آن‌ها در فیلم‌های کشاورزی

عوامل ضد مه برای استفاده در فیلم‌های کشاورزی بسیار مهم هستند. مه آلودگی باعث کاهش عملکرد محصول می‌شود و اثرات منفی دیگری به بار می‌آورد. برای غلبه بر مشکلات مه گرفتگی در فیلم‌های کشاورزی، روش‌های مختلفی ازجمله پوشش سطح و روش‌های اکستروژن واکنشی استفاده‌شده است.
در این بررسی، روش‌های مختلف آماده‌سازی برای عوامل ضد مه و فیلم‌ها، همراه با مزایا و معایب هر روش خلاصه می‌شود. روش‌های ضد مه به بهبود بیش‌تری نیاز دارند.
فیلم‌های کشاورزی نوعی فیلم پلاستیکی ویژه است که برای بهبود تولید و عملکرد کشاورزی استفاده می‌شود.
آن‌ها در مقایسه با فیلم‌های معمولی که برای بهبود رشد محصولات استفاده می‌شود؛ انتقال نور، پایداری حرارتی و خواص کششی و ضد پیری را افزایش می‌دهند.
این فیلم‌ها معمولاً از پلی‌اتیلن تشکیل‌شده‌اند که نرم، ضد گردوغبار و غیر سمی است و از مزایای بافت سبک (  gr/cm30.96) و انتقال نور مناسب برخوردار است.
اما ماهیت غیر قطبی و آب‌دوستی ضعیف فیلم‌های پلی‌اتیلن منجر به مه زدگی در هنگام استفاده می‌شود که انتقال نور توسط فیلم‌های کشاورزی را کاهش می‌دهد و باعث کاهش جدی عملکرد محصول می‌شود.
برای غلبه بر مشکلات مه‌گرفتگی توسط فیلم‌های پلی‌اتیلن، بسیاری از محققان سعی کرده‌اند روش‌های مختلف را اصلاح کنند تا ماهیت آب‌دوستانه آن‌ها را بهبود بخشد و مه زدگی را کاهش دهد.
عوامل ضد مه نوعی واکنش‌دهنده است که از مه‌آلود شدن فیلم‌های کشاورزی جلوگیری می‌کند در غیر این صورت انتقال نور مواد شفاف را کاهش می‌دهد.
به‌طورکلی عوامل ضد مه پراکنده‌هایی با وزن مولکولی کم و حاوی گروه‌های آب‌دوست هستند. عامل ضد مه پوششی را روی سطح جسم شفاف تشکیل می‌دهند.
گروه‌های آب‌دوست در این پوشش آب را از هوا جذب می‌کنند و به‌جای قطرات، یک فیلم آب تشکیل می‌دهند و باعث می‌شوند نور بدون پراکندگی از جسم عبور کند.
معمولاً فیلم‌های کشاورزی از رزین‌های پلی‌اتیلن تشکیل‌شده‌اند. از این فیلم‌های شفاف در بهار یا زمستان استفاده می‌شود. هنگامی‌که آب‌وهوا سرد می‌شود، دمای داخل گلخانه بالاتر از خارج است و درنتیجه اختلافات زیادی در دما و رطوبت بین داخل و خارج گلخانه وجود دارد. این پدیده به تولید تعداد زیادی قطره در سطح داخلی فیلم‌ها می‌شود و عملکرد آن‌ها را تحت تأثیر جدی قرار می‌دهد.

تأثیرات منفی چنین قطرات بر روی فیلم‌ها عبارت‌اند از:

1. آن‌ها نور ورودی را می‌شکنند و انتقال از فیلم‌های کشاورزی را کاهش می‌دهند، به‌طورجدی درحالی‌که بر رشد میوه‌ها و سبزیجات تأثیر می‌گذارند و بنابراین عملکرد محصول را کاهش می‌دهند.
2. آن‌ها از طریق اثر عدسی، نور را روی محصولات متمرکز می‌کنند و منجر به سوختن محصولات می‌شوند.
3.  آن‌ها می‌توانند روی گل‌ها، ساقه‌ها، برگ‌ها یا میوه‌های محصول ریخته شوند درنتیجه پژمرده شدن محصول و کاهش محصول حاصل شود.
4. آن‌ها می‌توانند باکتری‌ها را با ایجاد دمای مناسب لازم برای رشد مناسب باکتری‌ها، در فیلم‌های کشاورزی گسترش دهند.
5. دمای داخل گلخانه به دلیل جذب گرما توسط این قطرات کاهش می‌یابد، بنابراین اثر عایق گلخانه کاهش می‌یابد.

این مشکلات اهمیت تولید فیلم‌های ضد مه را نشان می‌دهند.

سازوکار عوامل ضد مه

فیلم‌های پلی‌اتیلن دارای انرژی سطح مشخصی هستند. وقتی آب با سطح آن‌ها تماس پیدا می‌کند پدیده خیس شدن مایع روی سطح جامد رخ می‌دهد. در این فصل مشترک میان گاز، مایع و جامد زمانی که مابع به تعادل می‌رسد قطرات روی سطح جامد تشکیل می‌شوند. زاویه میان فصل مشترک گاز-مایع و فصل مشترک جامد-مایع، زاویه تماس نامیده می‌شود، درحالی‌که مهم‌ترین عامل در مطالعه چنین فرآیندهای ترشوندگی هست.
تنش سطحی آب به‌طور قابل‌توجهی از فیلم پلی‌اتیلن بالاتر است، بنابراین آب روی سطح فیلم به صورت قطرات آب متراکم می‌شود. برای ممانعت ازاین‌گونه تشکیل قطرات آبی، لازم است که عامل ضد مه گرفتگی به فیلم افزوده شود. عامل ضد مه گرفتگی در اصل نوعی سورفکتانت است. سازوکار ضد مه گرفتگی در شکل زیر نشان داده‌شده است.

 

وقتی یک سورفکتانت به فیلم اضافه می‌شود، گروه‌های قطبی (آب‌دوست) سورفکتانت تمایل دارند که از فیلم پلی‌اتیلن غیر قطبی دور شوند. بنابراین سورفکتانت به سطح خارجی فیلم مهاجرت می‌کند و سطح پلیمر کم انرژی آن را می‌پوشاند.
در همین حال، گروه‌های غیر قطبی (چربی‌دوست) سورفکتانت به سمت سطح آرایش می‌یابند. این فرآیند منجر به افزایش انرژی سطحی فیلم می‌شود.
هم‌زمان، گروه‌های چربی‌دوست از وجه سورفکتانت روبه‌داخل هستند درحالی‌که وجه گروه‌های آب‌دوست رو به خارج است. زمانی که بخارآب با سطح فیلم تماس پیدا می‌کند، توسط گروه‌های آب‌دوست تصرف می‌شود و لایه‌ای از آب را تشکیل می‌دهد. سرانجام آب از شیب فیلم سُر می‌خورد درنتیجه منجر می‌شود انتقال نور افزایش یابد. همچنین آب‌دوستی می‌تواند از طریق پیوند زدن مونومرها روی فیلم‌های پلی‌اتیلن می‌توان آب‌دوستی را افزایش داد. چنین پیوند زدنی زاویه تماس آب از فیلم‌ها را کاهش می‌دهد و منجر به خواص ضد مه‌گرفتگی می‌شود. اخیراً بسیاری از محققین روی فوق آب‌دوستی و فوق آب‌گریزی، و سطوح zwitter-wettable، که می‌توانند سبب خواص ضد مه‌گرفتگی برای فیلم‌های کشاورزی شوند، تمرکز کرده‌اند. این سه نوع سطح، سازوکار ضد مه‌گرفتگی متفاوت دارند.
سطوح با زاویه تماس کم‌تر از 10 درجه فوق آب‌گریز نامیده می‌شود. مکانیزم ضد مه گرفتگی فیلم‌های فوق آب‌دوست شامل تشکیل لایه آب روی فیلم‌ها است. سطوح با زاویه تماس بیش‌تر از 150 درجه و زاویه تماس غلتشی کمتر از 10 درجه فوق آب‌گریز گفته می‌شود. مکانیزم ضد مه‌گرفتگی فیلم‌های فوق آب‌گریز با جلوگیری از قطرات آب از خیس شدن سطح کار می‌کند، درحالی‌که به این معنی است که قطرات به سمت پایین فیلم سُر می‌خورند، منجر به خواص ضد مه گرفتگی می‌شوند. علاوه بر این سطوح zwitter-wettable می‌تواند مقدار زیادی از آب را به‌سرعت جذب کند و آب‌گریز به نظر برسد. سازوکار ضد مه گرفتگی سطوح  zwitter-wettable بر پایه جذب آب از طریق برهم‌کنش‌های پیوند هیدروژن است.
به‌طورکلی، سه روش مختلف برای به دست آوردن خاصیت ضد مه گرفتگی برای فیلم‌های کشاورزی وجود دارد.

1. مورد اول افرایش دادن آب‌دوستی فیلم‌هاست
2. دوم محافظت فیلم از خیس شدگی با آب
3. سوم افزایش جذب آب از محیط است

این خواص می‌توانند از طریق افزودن عوامل ضد مه‌گرفتگی برای فیلم‌های کشاورزی حاصل شوند.

انواع عوامل ضد مه‌گرفتگی

برای اطمینان از اثر ضد مه‌گرفتگی و دوام فیلم، عوامل ضد مه‌گرفتگی باید نه‌تنها آب‌دوستی خوبی بلکه چسبندگی خوب به فیلم پلی‌اتیلن را نیز نشان دهند.
سورفکتانت‌ها به علت خواص منحصربه‌فردشان و هزینه پایین به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان عوامل ضد مه‌گرفتگی استفاده می‌شوند. سورفکتانت معمولاً شامل یک بخش چربی‌دوست و یک بخش آب‌دوست است.
زمانی که یک سورفکتانت به‌عنوان عامل ضد مه‌گرفتگی روی سطح یک فیلم پوشانده می‌شود، قسمت چربی‌دوست با پلی‌اتیلن سازگار است و چسبندگی روی فیلم را افزایش می‌دهد، درحالی‌که قسمت آب‌دوست در معرض سطح فیلم قرار دارد و نقش کاهنده زاویه تماس آب آن را بازی می‌کند. سورفکتانت‌هایی که بیش‌تر درزمینهٔ ضد مه استفاده می‌شود، سورفکتانت‌های غیر یونی هستند.
با توجه به نوع گروه هیدورفیل موجود، سوفکتانت‌های غیر یونی را می‌توان به انواع پلی‌اکسی‌اتیلن و پلی‌ال طبقه‌بندی کرد.
شکل زیر ساختارهای (a) الکل چرب پلی‌اکسی‌اتیلن‌‌اتر و (b) آلکیل فنل پلی‌اکسی‌اتیلن‌اتر را نشان می‌دهد که بیش‌ترین عوامل ضد مه‌گرفتگی کاربردی است. بر اساس عناصر مختلف موجود در سورفکتانت، سورفکتانت‌های غیر یونی را می‌توان به سورفکتانت حاوی فلورین و سیلیکون تقسیم کرد.

انواع مختلف سورفکتانت‌ها و فرمول‌های شیمیایی آن‌ها در جدول زیر نشان داده‌شده‌اند.

گروهی از محققین دریافتند ترکیبات بهینه عامل ضد مه شامل سورفکتانت‌های نوع Tween است، درحالی‌که سورفکتانت‌های کاتیونی و آنیونی برای استفاده در فیلم‌های ضد مه‌گرفتگی مناسب نیستند.
سورفکتانت و فیلم از طریق پیوندهای فیزیکی ترکیب می‌شوند. زمانی که فیلم‌ شامل سورفکتانت در معرض آب قرار می‌گیرد، عامل ضد مه‌گرفتگی را از دست می‌دهد.
برای غلبه بر این مشکل، روش‌های متعددی برای بهبود دوام و عملکرد فیلم ضد مه‌گرفتگی به‌کاربرده شده‌ است.رویکرد دیگر ترکیب کردن به‌طور شیمیایی عوامل ضد مه‌گرفتگی با فیلم است.
روش‌های آماده‌سازی فیلم‌های ضد مه‌گرفتگی به دو روش آمیزه‌سازی فیزیکی و پیوند زدن شیمیایی تقسیم‌بندی می‌شوند.
عملکرد ضد مه‌گرفتگی را می‌توان به دو صورت تقسیم‌بندی کرد: یعنی اثر ضد مه‌گرفتگی و ماندگاری آن.
عملکرد ضد مه‌گرفتگی معمولاً با اندازه‌گیری زاویه تماس آب از فیلم ضد مه به‌عنوان یک شاخص ساده آزمایش می‌شود.
بر اساس زاویه تماس آب فقط می‌توان آب‌دوستی فیلم را تعیین کرد.
برای تعیین دقیق‌تر عملکرد ضد مه‌گرفتگی آن، 2004-19603 GB/T مجموعه‌ای از شاخص‌ها را پیشنهاد می‌دهد، شامل زمان قطره اول و زمان قطره دهم و... می‌شود.
با توجه به سازوکارهای مه‌گرفتگی اشاره‌شده در بالا، زمان برای تشکیل یک فیلم آب، عملکرد ضد مه را تعیین می‌کند.
خاصیت ضد مه گرفتگی را می‌توان مشاهده کرد هنگامی‌که قطرات آب روی سطح یک فیلم دارای عامل ضد مه‌گرفتگی به‌سرعت تشکیل می‌شوند و به پایین می‌لغزند مشاهده کرد. هر چه زمان ریزش قطرات آب کوتاه‌تر باشد، عملکرد ضد مه‌گرفتگی فیلم بهتر است.
بیش‌ترین شناخت در جهت عملکرد ضد مه‌گرفتگی می‌تواند با تعیین زمان قطره اول و قطره دهم به ترتیب منعکس‌کننده خواص ضد مه‌گرفتگی اولیه و مداوم حاصل شود.

روش برای حصول این داده‌های مهم به شرح زیر است:

ابتدا مقدار کافی آب مقطر در مخزن آزماینده ضد مه گرفتگی ریخته می‌شود تا فاصله میان سطح آب و فیلم را تا cm15 تنظیم کند. دوم، فیلم ضد مه‌گرفته خشک‌روی آزماینده ضد مه‌گرفتگی قرار می‌گیرد و صاف می‌شود.
چکش فشار در مرکز فیلم تنظیم می‌شود، به‌طوری‌که زاویه میان سطح فیلم و صفحه افقی 15 درجه باشد. سپس از کرنومتر برای اندازه‌گیری زمان استفاده می‌شود.

 

فیلم پلی‌اتیلن پوشش داده نشده ناگهان مه می‌شود، درحالی‌که فیلم ضد مه شفاف باقی می‌ماند.
عملکرد (a) فیلم‌های پلی‌اتیلن پوشش داده نشده (b) فیلم‌های پلی‌اتیلن ضد مه‌گرفتگی
باگذشت زمان، فیلم ضد مه‌گرفتگی به‌تدریج مرطوب می‌شود زیرا قطرات آب یک فیلم آب را تشکیل می‌دهند و آب از پایین سطح اریب شروع به ریزش می‌کند.
زمان گرفته‌شده از ابتدا تا زمان اولین قطره آب زمان قطره اول نامیده می‌شود. 10 دقیقه بعد از اولین قطره، زمان موردنیاز برای 10 قطره آب جهت ریختن برای سه بار مدوام ثبت می‌شود، سپس مقدار متوسط گرفته می‌شود و زمان 10 قطره نامیده می‌شود.

تعیین عبور پذیری

برای تعیین عبور پذیری، فیلم بر روی سطح خارجی quartz cuvette پوشانده می‌شود. سپس انتقال نور از طریق دستگاه اسپکتروفوتومتر قابل‌مشاهده اشعه ماوراءبنفش در طول‌موج 600 نانومتر محاسبه می‌شود.
جدول زیر انتقال فیلم ضد مه‌گرفتگی شامل مونولین را در غلظت‌های مختلف ارائه می‌دهد.

تعیین مدت‌زمان دمای بالا

برای آزمایش مدت‌زمان اثر ضد مه‌گرفتگی، فیلم با عوامل ضد مه‌گرفتگی پوشش داده می‌شود و در یک لیوان حاوی آب پوشانده می‌شود و دمای حمام آب در 60 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌شود. در همین حال، زاویه سطح فیلم و صفحه افقی به 15 درجه سانتی‌گراد تنظیم می‌شود. هنگامی‌که یک‌سوم ناحیه آزمایش سطح فیلم با قطرات آب پوشانده شود، بررسی می‌شود که فیلم ضد مه‌گرفتگی عملکرد خود را ازدست‌داده است. زمان از شروع آزمون تا زمانی که فیلم عملکرد خود را از دست می‌دهد مدت‌زمان ضد مه‌گرفتگی نامیده می‌شود. با توجه به روش‌های ذکرشده، زمان قطره اول و زمان قطره دهم کوتاه‌تر، عملکرد ضد مه‌گرفتگی فیلم بهتر است. عبور پذیری فیلم همچنین برای افزایش عملکرد ضد مه‌گرفتگی‌اش مهم است. ضد مه‌گرفتگی یک مسئله حیاتی کشاورزی است، بنابراین مقرون‌به‌صرفه بودن، صنعتی شدن و سایر عوامل نیز باید موردتوجه قرار گیرند.