{"id":102548,"date":"2022-01-06T07:37:00","date_gmt":"2022-01-06T06:37:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=102548"},"modified":"2022-01-02T13:49:29","modified_gmt":"2022-01-02T12:49:29","slug":"folien-aus-papier-fur-eine-nachhaltigere-landwirtschaft","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/folien-aus-papier-fur-eine-nachhaltigere-landwirtschaft\/","title":{"rendered":"Folien aus Papier f\u00fcr eine nachhaltigere Landwirtschaft"},"content":{"rendered":"\n

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Kunststoffe auf fossiler Basis \u2013 v.a. biologisch nicht-abbaubare Varianten \u2013 weisen viele gute Eigenschaften auf. Trotzdem stehen sie im Gegensatz zu einer zukunftsorientierten, umweltfreundlichen und auf Nachhaltigkeit achtenden Gesellschaft von heute. Besonders in der Landwirtschaft sind persistente Kunststoffe auf fossiler Basis problematisch. Gro\u00dffl\u00e4chig eingesetzte Mulchfolien z.B. sind zwar f\u00fcr das Ausdehnen von Wachstumsperioden, die Beeinflussung des Wasserhaushalts des Bodens oder auch die Reduzierung des Pestizideinsatzes nahezu unverzichtbar geworden.<\/p>\n\n\n\n

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Besonders in der Landwirtschaft ist der Einsatz persistenter Kunststoffe auf fossiler Basis problematisch. (Symbolbild)
(Bild: Nemanja Otic)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Aber sie bestehen bisher i.d.R. aus herk\u00f6mmlichem Plastik, das einen erheblichen Teil zur Verschmutzung des landwirtschaftlichen Bodens bzw. der Umwelt beitr\u00e4gt: Sie sind meist nicht recycelbar und selbst bei sorgf\u00e4ltiger Handhabung lassen sie sich nach der Nutzung nicht vollst\u00e4ndig entfernen. Daher landen sie h\u00e4ufig nach relativ kurzer Nutzungsdauer in Form von Folienresten in der Natur und werden durch Witterung und mechanische Belastung zu Mikroplastik. Um das Ausma\u00df zu verdeutlichen: Eine 2017 erschienene Publikation [1] geht von einem gesch\u00e4tzten globalen Volumen von 7,4 Mio. Tonnen landwirtschaftlich genutzter Plastikfolien im Jahr 2019 aus, bei fr\u00fcheren statistisch erfassten Nutzungsanteilen von 40 Prozent entfielen dabei rund 3 Mio. Tonnen auf die Nutzung als Mulchfolien.<\/p>\n\n\n\n

Cellulose als Basis f\u00fcr neue Materialien<\/h3>\n\n\n\n
\"Reste
Abb. 1: Reste von konventionellen Mulchfolien im Ackerboden nach der Vegetationsperiode.
(\u00a9 Jukka Ahokas, University of Helsinki f\u00fcr VTT)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Forschungsinstitute und Unternehmen aus Norwegen, Finnland und Deutschland arbeiten seit Anfang 2020 im Verbundprojekt \u201eNewhype\u201c (New Hybrid Paper) gemeinsam an einer zukunftsweisenden L\u00f6sung f\u00fcr dieses Problem. Kern des Projekts bildet die Arbeit an der Entwicklung einer nachhaltigen Alternative zu bisherigen Mulchfolien, deren Bestandteile aus Kunststoffen auf fossiler Basis durch biobasierte und bioabbaubare Alternativen ersetzt werden sollen.<\/p>\n\n\n\n

Ausgangspunkt f\u00fcr \u201eNewhype\u201c war die \u00dcberlegung, statt Kunststofffolien Papier zum Mulchen einzusetzen. Papier besteht aus Cellulose, dem am h\u00e4ufigsten vorkommende Biopolymer und bietet deshalb eine attraktive Grundlage f\u00fcr das Ersetzen von herk\u00f6mmlichen Kunststoffen in verschiedenen Anwendungsbereichen.<\/p>\n\n\n\n

Der gro\u00dfe Vorteil, den das Material gegen\u00fcber Kunststoffen auf fossiler Basis mitbringt, liegt in der Kompostierbarkeit: Cellulose ist grunds\u00e4tzlich biologisch abbaubar, wodurch das Mulchmaterial keinen unerw\u00fcnschten M\u00fcll auf dem Acker zur\u00fccklassen w\u00fcrde. Aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit k\u00f6nnen die Materialien nach der Einsatzdauer einfach in den Boden eingepfl\u00fcgt werden. Allerdings sind bei handels\u00fcblichen Papieren die Feuchtebest\u00e4ndigkeit und Rei\u00dffestigkeit f\u00fcr den Einsatz unter freiem Himmel nicht ausreichend. Um Cellulose mit den f\u00fcr nachhaltige Mulchfolien ben\u00f6tigten Eigenschaften auszur\u00fcsten, m\u00fcssen insbesondere diese beiden Eigenschaften verbessert werden.<\/p>\n\n\n\n

Im Projekt \u201eNewhype\u201c<\/a> sollen cellulosebasierte Materialien und spezifische anorganisch-organische Hybridpolymere \u2013 sogenannte Oromocere \u2013 miteinander kombiniert werden, um die Grundstabilit\u00e4t des Verbundmaterials zu erh\u00f6hen. Ormocere tragen dank ihrer hohen Funktionalit\u00e4t zur Bildung von chemischen Verbindungen zwischen den Cellulosefasern bei. Damit lassen sich die mechanische sowie chemische Best\u00e4ndigkeit des hybriden Verbundmaterials einstellen. Als besonders innovativ k\u00f6nnte sich in diesem Zusammenhang die Kombination mit Nanocellulose erweisen. Eine Kombination von Nanocellulose-Dispersion, Cellulosefasern als Tr\u00e4gerstruktur und Hybrid-Ormoceren als Matrixkomponente kann die Festigkeit deutlich verbessern. Dabei verfolgt \u201eNewhype\u201c sowohl den Weg, eine Beschichtung f\u00fcr herk\u00f6mmliche Papiere, als auch direkt feste und doch kompostierbare Papiere aus dem hybriden Komposit herzustellen.<\/p>\n\n\n\n

Erste Ergebnisse kurz vor der Halbzeit<\/h3>\n\n\n\n
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Abb. 2: Kompost-Testanordnung (Bild: \u00a9 Fraunhofer ISC)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Nach dem Projektstart wurde am Fraunhofer ISC zun\u00e4chst das Portfolio der vorhandenen Ormocer-Formulierungen gepr\u00fcft, um die aussichtsreichsten Kandidaten f\u00fcr die ben\u00f6tigte Verbesserung der Papiereigenschaften zu finden. Neben den grundlegenden Anforderungen an Stabilit\u00e4t und Flexibilit\u00e4t sind es v.a. die Prozesseigenschaften f\u00fcr die Verarbeitung mit (Nano-)\u2009Cellulosefasern zu Kompositen und die Erh\u00f6hung der Feuchtebest\u00e4ndigkeit bei gleichzeitiger Erhaltung der Rei\u00dffestigkeit des Papiers, die ausschlaggebend f\u00fcr die Auswahl geeigneter Kandidaten f\u00fcr die weitere Entwicklung waren. Untersucht wurden beispielsweise das Eindringverhalten in die Papiermatrix und die Filmbildung der Beschichtungsmaterialien auf den Papiersubstraten sowie die \u00c4nderungen in den Papiereigenschaften durch die Beschichtungsmaterialien, um so eine Korrelation zwischen den Beschichtungs- und den sp\u00e4teren Papiereigenschaften zu erm\u00f6glichen. Mit den ersten Testformulierungen wurden bereits Demonstratoren beschichtet und getestet.<\/p>\n\n\n\n

Verarbeitungsverfahren f\u00fcr (Nano-)\u2009Cellulose im Verbund<\/h3>\n\n\n\n

Ein weiterer wichtiger Schritt war die Einarbeitung von Nanocellulose in die Beschichtungsmaterialien wie auch in das hybride \u201efreitragende\u201c Komposit, das direkt als Papier eingesetzt werden k\u00f6nnte. Da sich (Nano-)\u2009Cellulose sehr schwer mit anderen Materialien homogen vermischen l\u00e4sst, war dies eine besondere Herausforderung f\u00fcr die Entwickler. Mit den ausgew\u00e4hlten Ormocer-Formulierungen konnte ein Anteil von f\u00fcnf Prozent Nanocellulose im Feststoffanteil der Beschichtungen erreicht werden. Damit ist sowohl die Herstellung von Schichten auf Papier als auch von freitragenden Folien als neues Hybridpapier m\u00f6glich. Vorteil dabei ist, dass die mechanische Stabilit\u00e4t von Nanocellulose und die chemischen Modifizierungsm\u00f6glichkeiten der Ormocer-Matrix in einem Material kombiniert werden sollen.<\/p>\n\n\n\n

Testverfahren f\u00fcr die Bewertung der beschichteten Papiere<\/h3>\n\n\n\n
\"Beschichtetes
Abb. 5: Beschichtetes Papier nach dem Nassreisstest (Bild: \u00a9 Fraunhofer ISC)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die Rei\u00dffestigkeit im trockenen und im nassen Zustand wurde mit einem f\u00fcr das Projekt entwickelten Versuch getestet, bei dem Teststreifen des Mulchpapiers mit sukzessiv steigendem Gewicht belastet werden, bis das Papier rei\u00dft. Das Verfahren erm\u00f6glicht eine gute Reproduzierbarkeit, ist einfach durchf\u00fchrbar und aussagekr\u00e4ftig f\u00fcr die im Gebrauch notwendigen Eigenschaften. Die Versuche mit den ersten Testkombinationen von Mulchpapier und Beschichtungen ergaben eine deutliche Erh\u00f6hung der Rei\u00dffestigkeit im feuchten oder nassen Zustand \u2013 um bis zu 300 Prozent.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr den Einsatz als Mulchpapier spielt zudem die Bioabbaubarkeit und ihre Geschwindigkeit eine wichtige Rolle. Einerseits soll das Mulchpapier lange genug halten, um seine Aufgabe in der Vegetatiosperiode der betreffenden Feldfr\u00fcchte zu erf\u00fcllen, andererseits soll es auch in einem umweltvertr\u00e4glichen Zeitraum abgebaut werden k\u00f6nnen. Um die \u201eNewhype\u201c-Beschichtungen und -Papiere zu bewerten, wurde ein Kompostierungstest unter definierten Bedingungen hinsichtlich Bodenzusammensetzung, Temperatur und Feuchte an den Teststreifen durchgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Die Analyse nach 7, 14 und 21 Tagen aber auch bis zu acht Wochen ergab eine deutlich h\u00f6here Widerstandsf\u00e4higkeit der beschichteten Papiere gegen\u00fcber den unbeschichteten sowie auch gro\u00dfe Unterschiede zwischen den getesteten Beschichtungsformulierungen. Damit konnten die besten Formulierungen f\u00fcr die weitere Entwicklungsarbeit ausgew\u00e4hlt werden. Die bisher identifizierten Materialien und Verfahren sollen nun im weiteren Projektverlauf optimiert und f\u00fcr die Produktion weiter angepasst werden.<\/p>\n\n\n\n

Die industrielle Papierherstellung und -veredelung stellt hohe Anforderungen an die Prozessierbarkeit dar. Aufgrund der hohen Bandgeschwindigkeiten (z.T. \u00fcber 600\u2009m\/min) kommt so f\u00fcr das Beschichten nur ein Rolle-zu-Rolle-Prozess und f\u00fcr die anschlie\u00dfende H\u00e4rtung der Beschichtung nur ein UV- oder Infrarot-Strahlungsverfahren infrage. Um die tats\u00e4chliche Prozesstauglichkeit zu testen, muss auch die Materialherstellung hochskaliert werden, damit gen\u00fcgend Material f\u00fcr die Bemusterung und die Tests im Produktionsprozess zur Verf\u00fcgung gestellt werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Dar\u00fcber hinaus werden Nachhaltigkeit und CO2-Fu\u00dfabdruck im Rahmen eines Life Cycle Assessments untersucht und mit bisher verwendeten Materialien verglichen. Eingesetzt werden sollen die neuen widerstandsf\u00e4higen und bioabbaubaren Papiere sp\u00e4ter nicht nur als Mulchpapiere. Auch f\u00fcr die Verpackungsindustrie sehen die Projektpartner Potenzial in dem neuen Material \u2013 stabiler als bisheriges Papier, schadstofffrei, im Wesentlichen auf nachwachsenden Rohstoffen<\/p>\n\n\n\n


Literatur<\/h3>\n\n\n\n

[1] Henry Y. Sintim and Markus Flury: Is Biodegradable Plastic Mulch the Solution to Agriculture\u2019s Plastic Problem?<\/a> Environ. Sci. Technol. 2017<\/em>, 51, 3, 1068\u20131069<\/p>\n\n\n\n

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)* Dr. K. Rose, M.-L. Righi, Dr. F. Somorowsky, Fraunhofer-Institut f\u00fcr Silicatforschung ISC, 97082 W\u00fcrzburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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