Czym jest fogging i jak jemu przeciwdziałać?

Fogging to termin który określa zjawisko kondensacji pary wodnej na powierzchni folii w postaci małych kropel. Zjawisko foggingu następuje w sytuacji kiedy zamkniemy pewną porcję powietrza zawierającego parę wodną i ochłodzimy do temperatury poniżej jej punktu rosy. Punkt rosy jest to temperatura, w której przy danym ciśnieniu gazu lub mieszaniny gazów rozpoczyna się proces skraplania. Dla pary wodnej w powietrzu jest to temperatura, w której para wodna zawarta w powietrzu staje się przesycona (przy zastanym ciśnieniu) i skrapla się lub resublimuje. Zjawisko zamglenia na powierzchni polimeru jest w przede wszystkim zależne od temperatury i wilgotności zamkniętego powietrza jak i temperatury powierzchni polimeru z którym się styka. Przekroczenie maksymalnej wilgotności (np. w wyniku obniżenia temperatury powietrza) powoduje skraplanie się pary wodnej.

Powyższe zjawisko łatwo możemy zaobserwować w przypadku żywności, która przechowywana jest w lodówce. Żywność pakowana jest w folię w temperaturze pokojowej. Jeżeli włożymy ją do lodówki w temperaturze 4°C to powietrze zamknięte w takiej powierzchni ulegnie ochłodzeniu. W takich warunkach para wodna nie może dalej występować w fazie gazowej ale musi ulec skropleniu. Skroplenie pojawia się w postaci małych kropli na powierzchni polimeru. Taki efekt jest absolutnie niepożądany z kilku powodów. Po pierwsze zapakowany produkt może być nie widoczny dla kupującego. Ponadto krople wody wewnątrz opakowania sprawiają mało estetyczne wrażenie, a i sam produkt może ulec zepsuciu.Zupełnie inne, szkodliwe zjawiska zachodzą w foliach rolniczych i ogrodowych. Najbardziej popularne folie to przede wszystkim:

- folie do małych tuneli ogrodniczych - zwiększają szybkość wzrostu roślin chronią przed wiatrem i kumulują ciepło z promieniowania słonecznego wiosną,

- folie do dużych tuneli ogrodniczych -zastąpiły tunele szklane, zachodzi pełna wegetacja roślin w warunkach stabilnej temperatury i wilgotności, grubość 30-50mikronów, wymagany kilku sezonowy czas życia produktu,

- czarne folie do wyściółek plantacji truskawek - eliminują chwasty podwyższają wydajność pestycydów i środków owadobójczych.

W przypadku tych produktów wykraplanie się wody na powierzchni folii może prowadzić do dwóch niepożądanych zjawisk. Po pierwsze następuje spadek transmisji światła, co zaś powoduje wolniejszą wegetację roślin. Kropla może również działać jak soczewka skupiająca wiązkę światła. Rys. 1 pokazuje jak pojedyncza kropla może odbijać padające światło. W takim przypadku bardziej kształt niż wielkość kropli determinuje efekt odbicia światła. Kształt kropli pojawiającej się na powierzchni polimeru wiąże się ze zjawiskiem równowagi sił napięcia powierzchniowego na obwodzie kropli częściowo zwilżającej folię. W takim przypadku najważniejszy jest kąt zwilżania - im większy tym większa część padającego światła ulegnie odbiciu, wówczas średnia transmisja światła będzie mniejsza. Jeżeli kąt zwilżania będzie relatywnie mniejszy (rys. 2) to lustro wody może działać jak soczewka skupiająca światło, skutkiem czego może dojść do uszkodzenia rośliny na skutek skupienia energii w jednym punkcie. Jedynym sposobem na zaburzenie tego zjawiska jest wprowadzenie do folii na etapie wytłaczania rękawa, specjalnego środka redukującego powstawanie kropel wody. Jak dochodzi do zjawiska wykraplania wody?

Folie opakowaniowe i folie rolnicze najczęściej są produkowane z poliolefin. Jest to hydrofobowa grupa polimerów o napięciu powierzchniowym na poziomie 30 mJ/m2. Napięcie powierzchniowe polarnej cieczy, jaką jest woda ma wartość 72 mJ/m2. Tak duża różnica w napięciu powierzchniowym powoduje powstanie na powierzchni folii kropel wody. Rys. 3 pokazuje mechanizm powstawania kropel na powierzchni folii bez użycia środka antyfoggingowego.

Zjawisko to jest opisane równaniem Younga przedstawiającym stan równowagi pomiędzy folią, wodą a parą wodną:

gdzie:
delta - napięcie powierzchniowe
s - powierzchnia folii
c - skondensowana para wodna
g - powietrze W zależności od warunków energetycznych na granicy miedzy fazą stałą a ciekłą oraz granicy ciecz - para ustali się określony kąt zwilżania - Teta. Środki antyfoggingowe migrują do powierzchni folii przyczyniając się do zwiększenia polarności na styku gaz woda - folia. Zwiększa się również napięcie powierzchniowe folii. Jednocześnie środek rozpuszcza się w wodzie, co powoduje zmniejszenie wartości napięcia powierzchniowego kropel wody. W ten sposób zmniejsza się różnica wartości napięcia powierzchniowego miedzy folią i wodą, konsekwencją tego jest również zmniejszenie kąta zwilżania. Działanie środka antyfoggingowego ma na celu uzyskanie zerowego kąta zwilżania, a tym samym doprowadzenie do idealnego rozprowadzenia wody na powierzchni folii (rys. 4).

Jak wybrać odpowiedni antyfogging?

Bardzo trudno zaprojektować idealny układ folia/ antyfog tak aby był aktywny w danym okresie czasu. Wiele czynników wpływa na funkcjonalność takiej mieszaniny:

- stężenie środka,
- grubość folii,
- fluktuacja temperatury (duże różnice między temperaturą na zewnątrz i wewnątrz),
- struktura folii (jedno, wielowarstwowa),
- wymagany czas działania środka (sezonowość ).

Ponad to projektując taką folię należy pamiętać o:

- regulacjach prawnych odnośnie środków mających kontakt z żywnością,
- stabilności temperatury podczas procesu wytłaczania,
- wpływie na transparentność folii,
- potencjalnej możliwości odbarwień (zażółcenie folii),
- migracji środka mogącej być przyczyną problemów z drukowaniem na folii,
- ewentualnych problemach z uwalnianiem się nieprzyjemnego zapachu.

Biorąc pod uwagę sposób działania atyfogu - migracja do powierzchni folii (rys. 5), aby środek spełniał swoje zadanie w długim okresie czasu musi być dodany w takiej ilości aby mógł być uwalniany w sposób kontrolowany. W dużej mierze zależy to również od grubości folii. Najczęściej jest to 0,8-1,5%. Najwygodniejszą formą wprowadzania takich środków do polimeru jest stosowanie koncentratów. Są one łatwiej i dokładniej rozprowadzane w tworzywie mając zbliżoną temperaturę topnienia. Na ogół są to układy o 50% zawartości środka czynnego.


Rys. 5. Zachowanie czynnika aktywnego w folii
Atyfogi mogą być stosowane w dwojaki sposób. Po pierwsze jako środki o działaniu zewnętrznym, poprzez natryskiwanie folii. Tak działający środek daje krótki czasowo efekt antyfoggingu i rzadko jest stosowany na skalę przemysłową. Inna bardziej popularna metoda to stosowanie atyfogów wewnętrznych o mechanizmie działania migracji powierzchniowej. Komercyjnie najczęściej stosujemy takie związki chemiczne jak:

- estry gliceryny np. monooleinian gliceryny,
- estry poliglicerynowe,
- ester nonylofenolowy,
- estry heksanoheksanolu.

Zanim wybierzemy odpowiedni środek musimy sprawdzić następujące punkty:

- aplikacja folii - rolnicza czy opakowaniowa,
- regulacje prawne - w krajach europejskich nie ma pozwolenia na stosowanie np. estrów nonylofenolowych do kontaktu z żywnością,
- wymagany czas działania środka,
- używany typ polimeru,
- grubość folii.

W przypadku folii opakowaniowej na ogół jest on wykonana z: PCW, PE, lub PP. Przede wszystkim jako antyfogi stosowane są monooleiniany gliceryny, dodawane w ilości około 1%. Dynamiczny rozwój w dziedzinie technologii wytłaczania (folie wielowarstwowe) wymusza stały rozwój dodatków tego typu. Folie opakowaniowe nie muszą mieć długotrwałego efektu antyfogu, ale stosowanie dodatków jest ograniczane regulacjami prawnymi.

Dla folii rolniczych sprawa jest dość skomplikowana. Przy założeniu że folia nie jest eksportowana ale sprzedawana tylko na rynek polski, możemy zminimalizować wpływ dużych różnic temperatur w warunkach stosowania. Jeśli folia jest folią jednowarstwową, jednosezonową to oczywiście wprowadzenie antyfoggingu będzie zapobiegało powstawaniu efektu zamglenia - jednak czas działania środka przeciwmgielnego będzie ograniczony. Jeśli będzie to zaś folia wielowarstwowa, wielosezonowa to czas aktywnego działania czynnika aktywnego będzie bezpośrednio zależny od grubości folii. Średnio są to folie do 200 mikronów. Folia trójwarstwowa, bo taka najczęściej jest stosowana do dużych tuneli ogrodniczych, powinna zawierać dwie warstwy aktywne i jedną bierną (rys. 6). Warstwa zewnętrzna wykonana z LDPE stanowiąca 25% grubości całości układu, nie zawiera czynnika aktywnego. Stanowi barierę zewnętrzną często zawiera inne ważne składniki aktywne np. stabilizatory UV. Warstwa środkowa to 50 % grubości folii. Wykonana z kopolimeru EVA z wysoką zawartością octanu winylu (14-16%), zawiera około 4-5 % składnika aktywnego. Warstwa środkowa traktowana jest jak „magazyn" środka aktywnego. Układ taki jest wysoce kompatybilny ze względu na relatywnie dużą amorficzność polimeru. Uzyskujemy to poprzez stosunkowo wysoki poziom octanu winylu. Składnik aktywny jest kontrolowanie uwalniany z „ magazynu" w chwili gdy w warstwie wewnętrznej spada stężenie antyfoga. Warstwa wewnętrzna to 25 % grubości folii, wykonana również z kopolimeru EVA z 4% zawartością octanu winylu i 1% zawartością składnika aktywnego. Taki niski udział dodatku ma na celu natychmiastowe działanie czynnika aktywnego po zamontowaniu folii w tunelu ogrodniczym (rys. 6).

Chociaż wykraplanie wody na powierzchni folii jest zjawiskiem uciążliwym można z nim skutecznie walczyć stosując czynniki przeciwmgielne. Wysokie wymagania jakie stwarzają regulacje prawne generują prace rozwojowe nad nowymi produktami, które można stosować w produktach mających kontakt z żywnością.

LITERATURA

1. Hans Zweifel „Plastics Additives Handbook 5th Edition
2. Kenneth Wark „Thermodynioamics"
3. K.Pigoń „Chemia Fizyczna"
4. Materiały Internetowe firmy Ciba
5. Wytłaczanie Tworzyw Sztucznych H. Zawistowski