Bioabbaubare Mulchpapiere Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft – die Mulchfolie 2.0

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Fraunhofer-Institut für Silicatforschung

Mulchfolien aus herkömmlichem Plastik tragen zu einem erheblichen Teil zur Verschmutzung des landwirtschaftlichen Bodens und der Umwelt bei. Ein internationales Forschungsprojekt will Mulchfolien nun durch neue bioabbaubare Materialien auf Cellulose-Basis ersetzen. Erste Materialien befinden sich bereits im Test.

Kunststoffe auf fossiler Basis – v. a. biologisch nicht-abbaubare Varianten – 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. Großflächig eingesetzte Mulchfolien z. B. sind zwar für das Ausdehnen von Wachstumsperioden, die Beeinflussung des Wasserhaushalts des Bodens oder auch die Reduzierung des Pestizideinsatzes nahezu unverzichtbar geworden.

Aber sie bestehen bisher i. d. R. aus herkömmlichem Plastik, das einen erheblichen Teil zur Verschmutzung des landwirtschaftlichen Bodens bzw. der Umwelt beiträgt: Sie sind meist nicht recycelbar und selbst bei sorgfältiger Handhabung lassen sie sich nach der Nutzung nicht vollständig entfernen. Daher landen sie häufig nach relativ kurzer Nutzungsdauer in Form von Folienresten in der Natur und werden durch Witterung und mechanische Belastung zu Mikroplastik. Um das Ausmaß zu verdeutlichen: Eine 2017 erschienene Publikation [1] geht von einem geschätzten globalen Volumen von 7,4 Mio. Tonnen landwirtschaftlich genutzter Plastikfolien im Jahr 2019 aus, bei früheren statistisch erfassten Nutzungsanteilen von 40 Prozent entfielen dabei rund 3 Mio. Tonnen auf die Nutzung als Mulchfolien.

Forschungsinstitute und Unternehmen aus Norwegen, Finnland und Deutschland arbeiten seit Anfang 2020 im Verbundprojekt „Newhype“ (New Hybrid Paper) gemeinsam an einer zukunftsweisenden Lösung für 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.

Cellulose als Basis für neue bioabbaubare Materialien

Ausgangspunkt für „Newhype“ war die Überlegung, statt Kunststofffolien Papier zum Mulchen einzusetzen. Papier besteht aus Cellulose, dem am häufigsten vorkommende Biopolymer und bietet deshalb eine attraktive Grundlage für das Ersetzen von herkömmlichen Kunststoffen in verschiedenen Anwendungsbereichen.

Der große Vorteil, den das Material gegenüber Kunststoffen auf fossiler Basis mitbringt, liegt in der Kompostierbarkeit: Cellulose ist grundsätzlich biologisch abbaubar, wodurch das Mulchmaterial keinen unerwünschten Müll auf dem Acker zurücklassen würde. Aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit können die Materialien nach der Einsatzdauer einfach in den Boden eingepflügt werden. Allerdings sind bei handelsüblichen Papieren die Feuchtebeständigkeit und Reißfestigkeit für den Einsatz unter freiem Himmel nicht ausreichend. Um Cellulose mit den für nachhaltige Mulchfolien benötigten Eigenschaften auszurüsten, müssen insbesondere diese beiden Eigenschaften verbessert werden.

Im Projekt „Newhype“ sollen cellulosebasierte Materialien und spezifische anorganisch-organische Hybridpolymere – sogenannte Oromocere – miteinander kombiniert werden, um die Grundstabilität des Verbundmaterials zu erhöhen. Ormocere tragen dank ihrer hohen Funktionalität zur Bildung von chemischen Verbindungen zwischen den Cellulosefasern bei. Damit lassen sich die mechanische sowie chemische Beständigkeit des hybriden Verbundmaterials einstellen. Als besonders innovativ könnte sich in diesem Zusammenhang die Kombination mit Nanocellulose erweisen. Eine Kombination von Nanocellulose-Dispersion, Cellulosefasern als Trägerstruktur und Hybrid-Ormoceren als Matrixkomponente kann die Festigkeit deutlich verbessern. Dabei verfolgt „Newhype“ sowohl den Weg, eine Beschichtung für herkömmliche Papiere, als auch direkt feste und doch kompostierbare Papiere aus dem hybriden Komposit herzustellen.

Erste Ergebnisse kurz vor der Halbzeit

Nach dem Projektstart wurde am Fraunhofer ISC zunächst das Portfolio der vorhandenen Ormocer-Formulierungen geprüft, um die aussichtsreichsten Kandidaten für die benötigte Verbesserung der Papiereigenschaften zu finden. Neben den grundlegenden Anforderungen an Stabilität und Flexibilität sind es v. a. die Prozesseigenschaften für die Verarbeitung mit (Nano-) Cellulosefasern zu Kompositen und die Erhöhung der Feuchtebeständigkeit bei gleichzeitiger Erhaltung der Reißfestigkeit des Papiers, die ausschlaggebend für die Auswahl geeigneter Kandidaten für die weitere Entwicklung waren. Untersucht wurden beispielsweise das Eindringverhalten in die Papiermatrix und die Filmbildung der Beschichtungsmaterialien auf den Papiersubstraten sowie die Änderungen in den Papiereigenschaften durch die Beschichtungsmaterialien, um so eine Korrelation zwischen den Beschichtungs- und den späteren Papiereigenschaften zu ermöglichen. Mit den ersten Testformulierungen wurden bereits Demonstratoren beschichtet und getestet.

Verarbeitungsverfahren für (Nano-) Cellulose im Verbund

Ein weiterer wichtiger Schritt war die Einarbeitung von Nanocellulose in die Beschichtungsmaterialien wie auch in das hybride „freitragende“ Komposit, das direkt als Papier eingesetzt werden könnte. Da sich (Nano-) Cellulose sehr schwer mit anderen Materialien homogen vermischen lässt, war dies eine besondere Herausforderung für die Entwickler. Mit den ausgewählten Ormocer-Formulierungen konnte ein Anteil von fünf 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 möglich. Vorteil dabei ist, dass die mechanische Stabilität von Nanocellulose und die chemischen Modifizierungsmöglichkeiten der Ormocer-Matrix in einem Material kombiniert werden sollen.

Testverfahren für die Bewertung der beschichteten Papiere

Die Reißfestigkeit im trockenen und im nassen Zustand wurde mit einem für das Projekt entwickelten Versuch getestet, bei dem Teststreifen des Mulchpapiers mit sukzessiv steigendem Gewicht belastet werden, bis das Papier reißt. Das Verfahren ermöglicht eine gute Reproduzierbarkeit, ist einfach durchführbar und aussagekräftig für die im Gebrauch notwendigen Eigenschaften. Die Versuche mit den ersten Testkombinationen von Mulchpapier und Beschichtungen ergaben eine deutliche Erhöhung der Reißfestigkeit im feuchten oder nassen Zustand – um bis zu 300 Prozent.

Bildergalerie

Für 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 Feldfrüchte zu erfüllen, andererseits soll es auch in einem umweltverträglichen Zeitraum abgebaut werden können. Um die „Newhype“-Beschichtungen und -Papiere zu bewerten, wurde ein Kompostierungstest unter definierten Bedingungen hinsichtlich Bodenzusammensetzung, Temperatur und Feuchte an den Teststreifen durchgeführt.

Die Analyse nach 7, 14 und 21 Tagen aber auch bis zu acht Wochen ergab eine deutlich höhere Widerstandsfähigkeit der beschichteten Papiere gegenüber den unbeschichteten sowie auch große Unterschiede zwischen den getesteten Beschichtungsformulierungen. Damit konnten die besten Formulierungen für die weitere Entwicklungsarbeit ausgewählt werden. Die bisher identifizierten Materialien und Verfahren sollen nun im weiteren Projektverlauf optimiert und für die Produktion weiter angepasst werden.

Die industrielle Papierherstellung und -veredelung stellt hohe Anforderungen an die Prozessierbarkeit dar. Aufgrund der hohen Bandgeschwindigkeiten (z. T. über 600 m/min) kommt so für das Beschichten nur ein Rolle-zu-Rolle-Prozess und für die anschließende Härtung der Beschichtung nur ein UV- oder Infrarot-Strahlungsverfahren infrage. Um die tatsächliche Prozesstauglichkeit zu testen, muss auch die Materialherstellung hochskaliert werden, damit genügend Material für die Bemusterung und die Tests im Produktionsprozess zur Verfügung gestellt werden kann.

Darüber hinaus werden Nachhaltigkeit und CO₂-Fußabdruck im Rahmen eines Life Cycle Assessments untersucht und mit bisher verwendeten Materialien verglichen. Eingesetzt werden sollen die neuen widerstandsfähigen und bioabbaubaren Papiere später nicht nur als Mulchpapiere. Auch für die Verpackungsindustrie sehen die Projektpartner Potenzial in dem neuen Material – stabiler als bisheriges Papier, schadstofffrei, im Wesentlichen auf nachwachsenden Rohstoffen

Literatur:

[1] Henry Y. Sintim and Markus Flury: Is Biodegradable Plastic Mulch the Solution to Agriculture’s Plastic Problem? Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 3, 1068–1069

* Dr. K. Rose, M.-L. Righi, Dr. F. Somorowsky, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, 97082 Würzburg

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