مروری بر تکنولوژی فیلم های کشاورزی و مزایای جایگزینی پلی اتیلن های ارتقایافته با مواد مرسوم

مقدمه

آن طور که گزارش شده است، اولین استفاده فیلم های پلاستیکی در کشاورزی به سال ۱۹۴۸ و زمانی که پروفسور اِمِرت پول کافی را برای خرید یک گلخانه شیشه ای نداشت، باز می گردد. او به عنوان راه حل، یک سازه چوبی را توسط فیلمی از سلولوز استات پوشاند و بعدتر نیز آن را با یک فیلم پلی اتیلنی جایگزین نمود. استفاده فرآگیر پلیمرها در کشاورزی و باغبانی به سال ۱۹۵۰ و زمانی که برای اولین بار از پلی اتیلن سبک (LDPE) برای جایگزینی کاغذهای مالچ سبزیجات استفاده شد، باز می گردد. از همان زمان، فیلم های پلیمری این امکان را به صنعت کشاورزی دادند که از طریق آنها بتوان بیابان های خشک و بی حاصل را به زمین های کشاورزی پربار و مدرن تبدیل نمود و از این طریق رشد اقتصادی را در مناطق محروم و کم درآمد افزایش داد. یک نمونه واضح برای این موضوع منطقه آلمریا در جنوب اسپانیا است. این منطقه که تنها به بیابان های وسیعش مشهور بود و یکی از مکان های اصلی برای تهیه فیلم های وسترن به شمار می آمد، امروزه به مجموعه ای به شدت متراکم از گلخانه ها معروف است و همین امر سبب گردیده است که از این منطقه به عنوان یک مدل و الگوی جهانی برای توسعه صنعت کشاورزی یاد گردد (شکل۱).

شکل-1) منطقه آلمریا در جنوب اسپانیا، (a تصویر فضایی و مشخص بودن پوشش گلخانه ای، (b تصویر هوایی.

شکل-۱) منطقه آلمریا در جنوب اسپانیا، (a تصویر فضایی و مشخص بودن پوشش گلخانه ای، (b تصویر هوایی.

طی سال های اخیر با افزایش روز افزون جمعیت از یک طرف و روند رو به کاهش آب از طرف دیگر، بسیاری از کشورها به منظور جلوگیری از خطرات مربوط به بحران های کم آبی در تولیدات کشاورزی، تلاش های گسترده ای را در راستای به کارگیری روش های نوین کشاورزی و استفاده از آب به کار گرفته اند. اما کشور ایران نیز از این موضوع مستثنی نیست و ایران با میانگین بارش ۲۵۰ میلی‌لیتر در سال در مقابل ۹۰۰ میلی‌لیتر متوسط بارندگی جهانی، به طور طبیعی در کمربند خشکی کره زمین قرار گرفته و از هزاران سال پیش نیز با بحران‌های کم آبی روبه‌رو بوده‌ است. طبق یکی از گزارش های منتشر شده توسط سازمان فضایی آمریکا (ناسا)، از فهرست ۴۵ کشور در معرض خطر خشکسالی، ایران در رتبه چهارم قرار گرفته است. همچنین این گزارش ناسا هشدار داده است که با روند تغییرات آب و هوایی و استفاده بی‌رویه آب، احتمال دارد در آینده بخش های وسیعی از ایران به بیابان های مطلق تبدیل شوند.

شاید به همین جهت است که از فیلم های کشاورزی به عنوان انقلاب سبزی تعبیر می گردد که از طریق توسعه استفاده از آنها در تمام مناطق جهان می توان بسیاری از مشکلات مربوط به خشکسالی و کاهش منابع آبی را برطرف نمود. به طور کلی بخش عظیمی از گلخانه ها در سرتاسر جهان، تنها در دو منطقه متمرکز شده اند. ۸۰ درصد در شرق دور (شامل کشورهای چین، ژاپن و کره جنوبی) و ۱۵ درصد در ناحیه مدیترانه. با این وجود طی یک ده گذشته تعداد نواحی از جهان که با گلخانه ها پوشیده گردیده اند، به سرعت در حال افزایش است. تخمین زده شده است این نواحی به طور متوسط هر ساله نسب به سال قبل ۲۰ درصد گسترده تر می گردند. از این میان سهم رشد استفاده از گلخانه ها در نواحی خشکی مانند خاورمیانه و آفریقا، ۱۵ الی ۲۰ درصد در سال می باشد. این میزان رشد در مقایسه با مناطق توسعه یافته تری مانند اروپا و چین که رشد سالیانه ۳۰ درصد را دارند، بسیار ضعیف است. این ارقام چیزی در حدود ۱ میلیون تن از مصرف فیلم های پلیمری در سال می باشند که عمدتا نیز از پلی اولفین ها تشکیل شده اند.

کاربردهای فیلم های پلیمری در کشاورزی

کاربردهای اصلی فیلم های پلیمری در کشاورزی به موارد ذیل تقسیم می گردد.

  • فیلم های مالچ
  • پوشش های گلخانه ای و تونلی
  • فیلم های بسته بندی سیلاژ
  • فیلم ضد عفونی کننده و سولاریزه کننده خاک
  • ژئوممبرین ها
شکل-2) انواع کاربردهای فیلم های پلیمری در کشاورزی: a) فیلم های مالچ، b) پوشش های گلخانه ای و تونلی، c) فیلم های بسته بندی سیلاژ، d) فیلم های ضد عفونی کننده و سولاریزه کننده خاک، f) ژئوممبرین.

شکل-۲) انواع کاربردهای فیلم های پلیمری در کشاورزی: a) فیلم های مالچ، b) پوشش های گلخانه ای و تونلی، c) فیلم های بسته بندی سیلاژ، d) فیلم های ضد عفونی کننده و سولاریزه کننده خاک، f) ژئوممبرین.

از میان تمام این کاربردها، پوشش های گلخانه‌ای و تونلی از لحاظ حجم مصرف، بزرگترین بازار را به خود اختصاص داده اند. فیلم های مورد استفاده در این کاربرد معمولا بین ۸۰ تا ۲۲۰ میکرومتر ضخامت داشته و متناسب با تکنولوژی های موجود در کشورها در انواع یک تا هفت لایه مصرف می گردند. بیش از ۸۰ درصد از این بازار در اختیار فیلم های ساخته شده از پلی اتیلن سبک (LDPE)، اتیلن وینیل استات (EVA) و اتیلن بوتیل اکریلات (EBA) است. امروزه متناسب با موقعیت جغرافیایی منطقه، آفت کش های مورد استفاده در گلخانه و فرمولاسیون انواع پایدارکننده های فیلم، طول عمر این پوشش ها بین ۶ ماه تا ۱۰ سال متغییر است. در این رابطه، استانداد اروپایی DIN EN 13206 نیز با موضوع “پوشش های ترموپلاستیک برای استفاده در کشاورزی و باغبانی” دستورالعمل هایی را جهت اندازه گیری طول عمر، ابعاد، خواص مکانیکی، نوری و میزان عدم عبورپذیری امواج مادون قرمز، مطرح کرده است.

بازار پوشش های گلخانه ای و تونلی، بازار خاصی است که نیازمند سرمایه گذاری های قابل توجه بروی خطوط عظیم اکستروژن با قابلیت تولید فیلم های بسیار عریض است. بخش عمده ای از این فیلم ها توسط فرآیند فیلم دمشی تولید می گردند و در این صنعت دای هایی با قطر ۲٫۵ متر موضوعی غیرعادی نمی باشد. مشکلات موجود در پایدارسازی این حباب های بزرگ یکی از دلایلی است که در تولید این فیلم ها به صورت  غالب از LDPE به جای LLDPE (به جهت پایین تر بودن استحکام مذاب) استفاده می گردد. در چنین شرایطی، زمانی که از خطوط کو اکستروژن نیز استفاده گردد، پیچیدی های فنی و حجم سرمایه گذاری افزایش قابل ملاحظه ای می یابد.

مروری بر تکنولوژی فیلم های کشاورزی و مزایای جایگزینی پلی اتیلن های ارتقایافته با مواد مرسوم

شکل-۳) تصویر یکی از خطوط تولید فیلم های گلخانه ای، محصول شرکت پُلی اِستار تایوان.

خواص ضروری پوشش های گلخانه ای و تونلی

پوشش های گلخانه ای در هنگام کاربری تحت تاثیر نور، دما و تخریب های شیمیایی می باشند. به همین جهت برای یک طور عمر بالا و تضمین شده نیازمند ملزوماتی می باشند که به شدت به پارامترهای محیطی وابسته اند. از جمله پارامترهای محیطی می توان به نوع سازه (چوبی، آهن گالوانیزه)، طراحی گلخانه (ارتفاع، تهویه مطبوع و …)، پارامترهای جغرافیایی (شدت نور خورشید، دما، میزان بارندگی، ارتفاع و …) و مواد شیمیایی مورد استفاده در گلخانه نام برد. در صورت بی توجهی به پارامترهای محیطی، طول عمر این پوشش ها نسبت به حالت عادی بسیار کاهش می یابد (شکل ۴). در ادامه تعدادی از خواص ضروری برای پوشش های گلخانه ای ذکر گردیده است.

  • استحکام بالا در هر دو جهت MD و TD
  • استحکام ضربه بالا
  • مقاومت بالا دربرابر سوراخ شدگی
  • مقاومت بالا در برابر پارگی
  • عبورپذیری بالای نور مرئی
  • عبورپذیری پایین در برابر طول موج های بلند
  • عدم تشکیل شبنم و مه برروی سطح داخلی پوشش
  • عدم چکه قطراتی که براثر رطوبت برروی سطح داخلی پوشش تشکیل می گردند.
  • خرش بسیار پایین
  • مقاومت در برابر نور UV
  • ضد تجمع خاک و گرد و غبار
شکل-4) تصویر سمت چپ پوشش گلخانه ای نصب شده و تصویر سمت راست، پوشش پس از دو سال استفاده.

شکل-۴) تصویر سمت چپ پوشش گلخانه ای نصب شده و تصویر سمت راست، پوشش پس از دو سال استفاده.

بدیهی است که دست یابی به تمام این خواص بدون استفاده از افزودنی های مخصوص و ایجاد ساختارهای چندلایه امکان پذیر نمی باشد. به همین جهت است که در سال های اخیر گرایش کشورهای توسعه یافته بیشتر به سمت تولید فیلم های ۵ لایه و بالاتر بوده است. در ادامه ساختار یک نمونه  فیلم ۵ لایه تمام پلی‌اتیلنی که هرلایه از ساختار آن با هدف مشخصی طراحی گردیده است، آورده شده است.

شکل-5) نمونه ای ساختار یک فیلم 5 لایه پلی اتیلنی مورد استفاده در پوشش های گلخانه ای و تونلی.

شکل-۵) نمونه ای ساختار یک فیلم ۵ لایه پلی اتیلنی مورد استفاده در پوشش های گلخانه ای و تونلی.

همان طور که مشاهده می گردد در این ساختار هرلایه یک وظیفه مشخص را بر عهده دارد. لایه ضد گرد و غبار از تجمع خاک برروی پوشش جلوگیری می نماید. این موضوع از این جهت اهمیت دارد که تنها یک هفته پس از نصب پوشش گلخانه، به دلیل تجمع گرد و خاک برروی سطح بالایی پوشش، میزان عبور نور مرئی از آن تا ۴۰ درصد کاهش می یابد. لایه مسدود کننده امواج فروسرخ از گرم شدن بیش از اندازه گلخانه و آسیب دیدن محصولات جلوگیری می نماید. با توجه به اینکه در محیط های گلخانه ای رطوبت می تواند به ۱۰۰ درصد نیز برسد، استفاده از لایه ضد مه امری ضروری می باشد. زیرا که تشکیل مه برروی سطح فیلم علاوه براینکه میزان عبور نور مرئی به داخل گلخانه را کاهش می دهد، با چکیدن قطرات شبنم تشکیل شده برروی فیلم، به داخل گلخانه، ممکن است تا بیماری گیاهان گسترش یابد. در این فیلم ۵ لایه یک لایه اختیاری قرار داده شده است که متناسب با نوع محصول کاشته شده در گلخانه و متناسب با نیازهای محصول متغییر است.

نقش پلی اتیلن های ارتقایافته در تولید فیلم های کشاورزی

با توسعه فناوری کاتالیست های متالوسنی، نسل های نوینی از پلی اتیلن ها معرفی گردیدند که به پلی‌اتیلن های ارتقایافته (EPE) مشهور بودند. این نسل از پلی اتیلن ها، به واسطه تکنولوژی ساخت خود دارای خواص بسیار ویژه ای در مقایسه با پلی اتیلن های معمولی می باشند. از جمله این خواص می توان به استحکام مذاب بالا، مقاومت ضربه دارت فوق العاده، مقاومت بسیار عالی در برابر سوراخ شدگی، شفافیت بالا و خواص دوخت پذیری حرارتی منحصر به فرد اشاره کرد. این خواص ویژه، EPEها را به موادی ایده آل برای کاربردهایی از فیلم های پلیمری که نیازمند کارایی و عملکرد بالا بودند، تبدیل نموده است. استفاده از EPE ها در پوشش های گلخانه ای یکی از همان کاربردهای خاصی است که به دلیل تاثیرات اقتصادی کوتاه مدت و بلند مدت آن در هر دو حوزه تولید فیلم و استفاده در کشاورزی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در ادامه سعی شده است تا تعدادی از مزایای پلی اتیلن های ارتقایاته در فیلم های کشاورزی بصورت خلاصه مورد بررسی قرار گیرد.

خواص مکانیکی بالا

همان طور که در شکل ۶ مشاهده می گردد، در یک مقایسه میان LDPE، LLDPE و EPE، پلی اتیلن ارتقایافته دارای استحکام مکانیکی به مراتب بالاتری در هر دو جهت MD و TD می باشند.  این خواص مکانیکی بالا از چند منظر دارای اهمیت است که در ادامه بررسی می گردد.

شکل-6) مقایشه استحکام مکانیکی فیلم های تهیه شده از LDPE، C4-LLDPE،C6-LLDPE و EPE در دو جهت MD و TD.

شکل-۶) مقایشه استحکام مکانیکی فیلم های تهیه شده از LDPE، C4-LLDPE،C6-LLDPE و EPE در دو جهت MD و TD.

کاهش ضخامت: با استفاده از EPEها می توان ضخامت فیلم تولیدی را تا ۲۰ درصد نسبت به پلی اتیلن های معمولی کاهش داد. این موضوع از لحاظ اقتصادی سبب صرفه جویی در مصرف مواد اولیه، کاهش هزینه های حمل و نقل و در نهایت کاهش قیمت تمام شده محصول می گردد. در تولید فیلم های کشاورزی این کاهش ضخامت یک جنبه دیگر نیز دارد. اثبات شده است که در تولید فیلم های نازک کشاورزی با EPEها تحت نسبت دمش پایین (BUR)، سرعت تولید بالا، خط انجماد پایین و گپ دای وسیع تر، می توان به فیلم هایی بسیار نازک با جهت گیری بالا در جهت MD دست یافت که مقاوم پارگی فوق العاده ای نیز در این جهت از خود نشان می دهند. این ویژگی، خاص فیلم های نازک EPE است و در پلی اتیلن های عادی مشاهده نمی گردد (شکل۷).

شکل-7) نمودار تغییرات مقاومت پارگی فیلم های تولید شده توسط EPE درجهت MD با ضخامت فیلم.

شکل-۷) نمودار تغییرات مقاومت پارگی فیلم های تولید شده توسط EPE درجهت MD با ضخامت فیلم.

طول عمر بالاتر پوشش: استحکام، چقرمگی و مقاومت ضربه دارت بالای EPEها سبب می گردد که آسیب های وارده به پوشش گلخانه در شرایط آب و هوایی خشن کمتر گردیده و در نتیجه طول عمر محصول ارتقا یابد. به علاوه افزایش طول عمر محصول می تواند سایر هزینه های مربوط به نصب و تعویض مجدد پوشش را نیز کاهش دهد.

کاهش ضایعات و بازیافت پذیری: همان طور که پیش تر اشاره گردید، یکی از مشکلات اساسی تولید فیلم های عریض گلخانه ای، مشکلات مربوط به پایداری حباب است. از این لحاظ EPEها به واسطه ساختار مولکولی خود دارای استحکام مذاب بسیار بالایی می باشند که از یک طرف می توان مشکلات مربوط به پایداری حباب را برطرف نمود و از طرف دیگر سرعت تولید را به میزان بالاتری نسبت به پلی اتیلن های عادی افزایش داد. به علاوه این مواد به واسطه خواص مکانیکی بالای خود، فوق العاده بازیافت پذیر بوده و ضایعات تولیدی به راحتی می توانند به چرخه تولید باز گردند.

 

 

خواص نوری فوق العاده

خواص نوری و شفافیت بالای فیلم های تولید شده توسط EPE ها یکی از ویژگی های کلیدی آنها برای استفاده در پوشش های گلخانه ای می باشد. این ویژگی در نهایت کمک می کند تا دمای گلخانه به مراتب سریع تر افزایش یافته، سرعت تولید محصول بیشتر گردیده و محصولات زود تر برداشت و برای فروش گذاشته شوند.

منابع

۱٫ Garnaud, J.C. (2000). Plasticulture Magazine: A Milestone for a History of Progress in Plasticulture, Plasticulture, 119: 30–۴۳
۲٫ Nasa warn of freshwater shortages in Middle East as study shows diminished reserves | Daily Mail Online
۳٫ Polyethylene Film Extrusion: A Process Manual
۴٫ Metallocene Linear Low-Density Polyethylene
۵٫ GREENHOUSE FILM SELECTION GUIDE
۶٫ PLASTIC FILMS FOR AGRICULTURAL APPLICATIONS
۷٫ Plastic manufactures agricultural mulch film with better aging properties
۸٫ Help farmers protect their harvests using extreme Performance agricultural film

نویسنده

حمید سید خباز

حمید سید خباز

کارشناس تولید محتوا