DE19963091A1

DE19963091A1 - Verfahren zur Herstellung von bioabbaubarem Mulchmaterial

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Publication number: DE19963091A1
Application number: DE19963091A
Authority: DE
Inventors: Harald Boettcher; Eva-Maria Bettermann; Winfried Hommel; Peter Adler
Original assignee: CHEMTEC LEUNA GES fur CHEMIE; IN TER CONSULT GREIZ INGENIEUR
Current assignee: IN-TER CONSULT GREIZ,INGENIEUR-UND BAUBUERO, 07957
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bioabbaubaren Mulchmaterialien, die vorzugsweise als Flächengebilde in Form von Bahnen, Segmenten, kreisförmigen Abdeckungen oder auch großflächigen Gebilden Anwendung finden. DOLLAR A Dafür ist erfindungsgemäß ein Mulchmaterial geeignet, bei dem eine Wachs/Pflanzenöl-Emulsion mit 5 bis 40% Emulsionsgrundkörper und 95 bis 60% Wasser auf einem Zelluloseträger in einem Schritt und ohne Lösungsmittel nach dem bei der Oberflächenleimung von Papier an sich bekannten Bedingungen aufgetragen wird. DOLLAR A Der Emulsionsgrundkörper besteht vorzugsweise aus 40 bis 70% eines Wachsesters mit C-Atomen im Bereich von C30 bis 300, 10 bis 20% eines Pflanzenöls, 4 bis 8% Mono- und/oder Diacylglyceriden, 6 bis 12% ungesättigten, überwiegend geradkettigen Fettsäuren mit 16 bis 32 C-Atomen und 10 bis 15% alkalischem Agenz. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet rein wäßrige Emulsionen bzw. Dispersionen und ist abproduktfrei. Bei der Trocknung entstehen außer Wasserdampf keine gasförmigen Abprodukte. In der Umwelt sind sowohl das Trägermaterial als auch die Beschichtung weitestgehend abbaubar und sind visuell nach einem Jahr im Freiland nicht mehr erkennbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bioabbaubaren Mulch materialien, die vorzugsweise als Flächengebilde in Form von Bahnen, Segmenten, kreisförmigen Abdeckungen oder auch großflächigen Gebilden mit oder ohne Perforation Anwendung finden.

Mulchfolien und Bodenbedeckungen werden in der Landwirtschaft in großem Umfang angewendet. Die eingesetzten Materialien bestehen jedoch überwiegend aus nicht oder nur schwer bioabbaubaren Materialien wie Kunststoffolien, Pflanzhauben und Pflanzringen aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester oder Polyvinylchlorid. Besonders die Flächengebilde zur großflächigen Abdeckung, aber auch in Form von Bahnen, verspröden durch den photooxidativen Angriff von Sauerstoff und UV-Licht und neigen noch innerhalb ihrer normalen Einsatzdauer von einer Vegetationsperiode zum mechanischen Einreißen.

Abgesehen davon, daß solche Folien aufgrund ihrer Verschmutzung ohnehin kaum recycelbar sind und daß das Entfernen der Bahnen vom Feld einen enormen Arbeitsaufwand verursacht, ist die mechanische Zerstörung oftmals bereits weit fortgeschritten. So entstehen kleinere Bruchstücke, die vom Wind in der Umwelt verteilt werden. Der weitere Abbauprozeß ist aber dann wiederum so langsam, daß diese Teile eine über Jahre andauernde Umweltverschmutzung verursachen.

Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, diesen entscheidenden Nachteil zu beheben und zu Flächengebilden mit gesteuerter Bioabbaubarkeit zu kommen. Grundsätzlich erscheinen Faservliese aus Zellulose in Form von natürlichen Faser materialien, im einfachsten Falle sogar Papier mit einer ausreichenden mechanischen Festigkeit, für diese Aufgabe geeignet.

Jedoch ist ein solcher Zelluloseträger als Grundmaterial in der Regel nicht aus reichend widerstandsfähig gegen Feuchtigkeit und mikrobielle Angriffe, um eine Vegetationsperiode zu überstehen. Hinzu kommt eine nur geringe Wasserdampf sperrende Wirkung, so daß der Mulcheffekt nicht im notwendigen Maße eintritt. Dennoch sind Zelluloseträgermaterialien im allgemeinen und speziell Papier, insbesondere Recyclingpapier (WO96/13560), auch aus ökonomischer Sicht ein interessantes Ausgangsmaterial, das allerdings entsprechend modifiziert werden muß, um die gestellten Aufgaben zu erfüllen.

Dazu ist grundsätzlich bekannt, daß man einerseits eine gewisse Hydrophobierung (Leimung) erreichen muß, die aber andererseits die Bioabbaubarkeit nicht völlig aufheben oder zu stark verzögern darf.

Beispielsweise ist bekannt, daß man diese Hydrophobierung mit Hilfe von Latices oder Fettsäuren vornehmen kann (EP 0323 733), wodurch man allein aber keine ausreichende Lebensdauer erreicht. Insbesondere die Fettsäuren sind gut biologisch verwertbar, und der mikrobielle Abbau geht daher bei alleiniger Verwendung von Fettsäuren sehr schnell vonstatten, so daß zur Vermeidung dieses Nachteils ausschließlich kombinierte Verfahren bekannt sind.

Es ist auch bekannt, daß man mittels Melamin-Formaldehydharz-Imprägnierung und anschließendes Coating mit einem Latex (Styrol-Butadien) die entsprechenden Eigenschaften erreichen kann (US 5163247). Dieses Produkt verfügt zwar über eine bessere Stabilität, jedoch kann die biologische Abbaubarkeit nicht in der gewünsch ten Weise gesteuert werden, und die Umweltverträglichkeit wird durch die Beschich tung nachteilig beeinflußt.

Dieser Nachteil wird behoben, indem ein kombiniertes Verfahren angewendet wird, das eine zweifache Beschichtung eines Zelluloseträgermaterials vorsieht (EP 0323733). Durch Beschichtung mit Chitosan verschiedener Molmasse läßt sich die Bioabbaubarkeit in gewünschter Weise steuern.

Allerdings ist Chitosan allein in der normalen Freilandanwendung nicht ausreichend feuchtigkeitsstabil, so daß auf jeden Fall ein zweiter Imprägnierprozeß mit einem hydrophobierenden Mittel erfolgen muß. Auch in diesem bekannten Verfahren wird die gewünschte Funktionalität (analog zu US 5163247) nur durch die Kombination zweier Beschichtungen erreicht, wodurch die Wirtschaftlichkeit nachteilig beeinflußt wird. Außerdem werden für den Imprägnierschritt große Mengen Lösungsmittel eingesetzt, und infolgedessen sind komplizierte Trocknungstechnologien erforderlich. Hinzu kommt, daß die Verwendung von giftigen Lösungsmitteln wie Methanol nicht die Ansprüche an ein einfaches, umweltfreundliches und wirtschaftliches Verfahren erfüllt.

Die in der Papierindustrie zur Oberflächenleimung verwendeten Polymer- und Harz dispersionen sind aufgrund ihrer wäßrigen Formulierung grundsätzlich geeignet. Damit wird bei Verwendung der technisch üblichen Mengen nur eine geringe Naßfestigkeit erreicht, wie sie für den normalen Anwendungsfall auch ausreicht.

Erhöht man die Menge entsprechend den Erfordernissen für die Anwendung als Mulchmaterial, so sinkt die Bioabbaubarkeit des beschichteten Materials, weil die üblicherweise eingesetzten Polyacrylate und Maleinsäureanhydridcopolymeren schwer abbaubar sind. Der Hydrophobierungseffekt ist ebenfalls bei der für die Papierherstellung normalen Aufwandmenge unzureichend.

Dagegen kann man zwar eine ausreichende Hydrophobierung erreichen, indem man eine wäßrige Wachsdispersion, z. B. aus Polyethylenwachsen, Montanwachsen, Fischer-Tropsch-Wachsen oder den entsprechenden Oxidaten, auf die Papieroberfläche aufträgt. Dieser Effekt ist von den in der Papierindustrie allgemein üblichen Streichmassen gut bekannt.

Diese Wachse haben aber aufgrund ihrer chemischen Struktur keine ausreichende Bioabbaubarkeit, und das Eindringvermögen in das Flächengebilde ist gering (Streicheffekt).

Insgesamt haftet also den bekannten technischen Lösungen zur Herstellung von bioabbaubaren Mulchmaterialien oder geeigneten Substituten der Nachteil an, daß sie jeweils nur eine der gewünschten Eigenschaften realisieren können, oder daß zur Erreichung der gewünschten Funktionalität mehrere, mindestens aber zwei Beschichtungsprozesse erforderlich sind, wobei ein Teil der bekannten technischen Lösungen aufgrund der Stoffeigenschaften auch nicht ohne weiteres mit einer ein fachen Herstellungstechnologie realisiert werden kann.

Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, ein technologisch einfaches, möglichst einstufiges und daher wirtschaftlich günstiges und umweltfreundliches Beschich tungsverfahren zur Herstellung von bioabbaubaren Mulchmaterialien zu entwickeln.

Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß die genannten Nachteile einer reinen Wachsdispersion vermieden werden können, wenn

- eine Wachs/Pflanzenöl-Emulsion mit 5 bis 40% Emulsionsgrundkörper und 95 bis 60% Wasser
- auf einem Zelluloseträger
- in einem Schritt und ohne Lösungsmittel
- nach dem bei der Oberflächenleimung von Papier an sich bekannten Bedin gungen aufgetragen wird.

Dabei hat der einzusetzende Emulsionsgrundkörper vorzugsweise folgende Zusammensetzung

a) 40 bis 70% eines Wachsesters mit C-Atomen im Bereich von C 30 bis 300,
b) 10 bis 20% eines Pflanzenöls,
c) 04 bis 08% Mono- und/oder Diacylglyceride,
d) 06 bis 12% ungesättigte, überwiegend geradkettige Fettsäuren mit 16 bis 32 C-Atomen,
e) 10 bis 15% alkalisches Agenz, zum Teil als Verbindungen mit oben genannten Komponenten a) und d).

Zusammensetzung und Herstellung sind beispielsweise in EP 0 891 707 A1 beschrieben.

Dabei entsteht ein sehr homogenes Compound, das ohne zusätzliche Emulgatoren gleichmäßig in Wasser dispergiert werden kann. Die Emulsion wird in Konzentra tionen von 5 bis 40% Emulsionsgrundkörper je nach Saugfähigkeit, Flächengewicht und Vorleimung des Zelluloseträgermaterials in einem Schritt und ohne Lösungs mittel aufgebracht. Die Absolutmenge der aufzubringenden Emulsion wird vom Flächengewicht und vom Vorleimungsgrad bestimmt, wobei dicke und ungeleimte Papiere Auftragsmengen bis zu 20 g Festkörper/m² erfordern können, während für dünne und leicht vorgeleimte Papiere bereits 2 g Festkörper/m² eine ausreichende Haltbarkeit bewirken.

Als vorteilhaft für die Penetration der Emulsion und die Oberflächeneigenschaften nach der Trocknung haben sich Konzentrationen von 5 bis 20% des Emulsions grundkörpers, dispergiert in Wasser, erwiesen. Die besten Ergebnisse werden mit Konzentrationen von 10 bis 15% erreicht.

Dabei können als Zelluloseträgermaterialien Recyclingpapiere mit Flächengewichten von 50 bis 200 g/m², vorzugsweise 60 bis 140 g/m², eingesetzt werden.

Das Auftragen erfolgt nach den bei der Oberflächenleimung von Papier an sich bekannten Bedingungen. Dabei läuft die Papierbahn auf einer Walze an einem engen Spalt vorbei, der mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist. Auf diese Weise wird die aufzutragende Substanz als wäßrige Lösung gleichmäßig auf der Papierbahn verteilt, und anschließend wird in einer Trockenzone das Wasser wieder entfernt. Die aufzutragende Menge kann in einfacher Weise durch die Maschinen geschwindigkeit und die Spaltbreite gesteuert werden. Die bereits erläuterten be kannten technischen Lösungen zur Herstellung von bioabbaubaren Flächengebilden unter Verwendung von Lösungsmitteln bei der Beschichtung scheiden jedoch für die Anwendung dieser Technologie aus.

Technisch kann mit den in der Oberflächenleimung üblichen Maschinenbedingungen und Trocknungszeiten bzw. -temperaturen gearbeitet werden. Als Zelluloseträger kann sowohl ungeleimtes Rohpapier als auch vorteilhaft ein leicht in der Masse vorgeleimtes Papier eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft einsetzbar sind schwach vorgeleimte Recyclingpapiere mit Cobb-Werten von 40 bis 50 g/m² und Flächengewichten von 60 bis 140 g/m².

Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise in Mengen von 2,0 bis 20,0 g/m², sie ist bei 6 bis 9 g/m² besonders günstig.

Durch die spezielle Formulierung penetriert diese Wachs-Pflanzenölemulsion besser in das Zelluloseträgermaterial als reine Wachsdispersionen und hydrophobiert praktisch gleichzeitig die Oberfläche des Mulchmaterials und verstärkt die Masse leimung. Sie besitzt durch die enthaltene Pflanzenölkomponente eine deutlich ver besserte biologische Abbaubarkeit gegenüber einer reinen Wachsdispersion und hydrophobiert trotzdem ausreichend.

Diese Wirkung hält unter Freilandbedingungen je nach aufgebrachter Menge und in Abhängigkeit von der Basispapiersorte 2 bis 6 Monate an, bis der Pflanzenölanteil im Wachsfilm biologisch abgebaut ist. Dabei wirken die in dem Film enthaltenen Pflanzenölpartikel offenbar als Startpunkt für den biologischen Abbau, so daß danach auch der Wachsanteil besser angegriffen und abgebaut wird (siehe Abb. 1, CO₂-Bildung im Versuchsansatz zur Kompostierung CO₂-Messung). Diese Primärbe siedelung läßt den Zelluloseträger anschließend relativ schnell und physikalisch weitgehend vollständig zerfallen.

Der Zeitpunkt des Zerfalls kann in einfacher Weise dadurch gesteuert werden, daß ein unterschiedlicher Leimungsgrad im Zelluloseträgermaterial (insbesondere Papier) und damit ein unterschiedlicher Hydrophobierungsgrad erzeugt wird. Dies kann allein durch die Auftragsmenge im Oberflächenleimungsverfahren realisiert werden. In gewisser Weise kann die Lebensdauer eines solchen Mulchmaterials auch durch die Auswahl von entsprechend vorgeleimten Papieren beeinflußt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet rein wäßrige Emulsionen bzw. Disper sionen und ist abproduktfrei. Bei der Trocknung entstehen außer Wasserdampf keine gasförmigen Abprodukte. In der Umwelt sind sowohl das Trägermaterial als auch die Beschichtung weitestgehend abbaubar und sind visuell nach einem Jahr im Freiland nicht mehr erkennbar.

Die Erfindung soll in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei als Basissubstanz eine Wachs-Pflanzenöl-Emulsion mit 30 Masse prozent Polyethylenwachsoxidat und Rapsöl verwendet wurde.

Diese Emulsion ist frei von zusätzlichen Emulgatoren und entspricht in der Zusam mensetzung der Emulsion gemäß EP 0 891 707 A1. Die Ausführung ist aber nicht auf diese Emulsion beschränkt, sondern es eignen sich prinzipiell alle Wachsgrund körper in Dispersionsform, sofern sie eine biologisch gut abbaubare Ölkomponente enthalten.

Als Testmethoden für das Verhalten des Mulchmaterials in der praktischen Anwen dung wurden sowohl Freilandtests als auch Kompostierungstests nach DIN 54900-2 durchgeführt, wobei die Kompostierung als Zeitraffermethode nur ein Ergebnis mit orientierendem Charakter darstellt.

Beispiel 1

Auf ein schwach vorgeleimtes Recyclingpapier mit einem Flächengewicht von 70 g/m² werden bei einer Maschinengeschwindigkeit von 75 m/min im Oberflächen leimungsverfahren 62 g der oben beschriebenen Wachsemulsion pro m² aufgetragen und anschließend bei 80 bis 90°C getrocknet, wobei die Wachsemulsion auf unter schiedliche Feststoffkonzentrationen verdünnt eingesetzt wurde. Die darauf resultie renden beschichteten Papiere wurden auf ihre Hydrophobierung geprüft und die mechanischen Eigenschaften beurteilt. Die Ergebnisse zeigt die Tabelle 1:

Das ermittelte Maximum der Hydrophobierung bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften liegt bei Variante E vor. Jedoch zeigen auch die Varianten C und D gute Ergebnisse.

Beispiel 2

Auf ein ungeleimtes Recyclingpapier mit einem Flächengewicht von 70 g/m² werden bei einer Maschinengeschwindigkeit von 75 m/min im Oberflächenleimungsverfahren 62 g der oben beschriebenen Wachsemulsion pro m² aufgetragen und anschließend bei 80 bis 90°C getrocknet, wobei die Wachsemulsion in unterschiedlichen Feststoff konzentrationen eingesetzt wurde. Die darauf resultierenden beschichteten Papiere wurden auf ihre Hydrophobierung geprüft und die mechanischen Eigenschaften beurteilt.

Die Ergebnisse zeigt die Tabelle 2

Die Tabelle zeigt, daß ohne Vorleimung selbst mit hohen Konzentrationen keine sehr gute Hydrophobierung erreicht wird. Jedoch haben auch diese Mulchmaterialien im Praxiseinsatz eine ausreichende Haltbarkeit (siehe Beispiel 3, Variante 2E und 2F).

Beispiel 3

Die beschichteten Recyclingpapiere gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 werden einem Zerfallstest in der Klimakammer auf einem Normalboden (Filderlehm) unterworfen. (Luftfeuchtigkeit 60%, Temperatur 20°C, Bodenfeuchtigkeit praxisüblich). Die Ergebnisse zeigt die Tabelle 3:

Beispiel 4

Die beschichteten Recyclingpapiere gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 werden einem Kompostierungstest nach DIN 54900-2 unterworfen. Die normale Versuchsdauer beträgt 90 Tage, jedoch sind nach dieser Zeit keine Unterschiede mehr feststellbar.

Die Ergebnisse zeigt Tabelle 4 (Zerfallsgrad = 100%-Restfläche [%]

Die Beispiele zeigen, daß mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren durchaus Mulchmaterial mit der gewünschten Haltbarkeit hergestellt werden kann. Die Varianten 1 und 2 (unbehandelt) stellen Vergleichsbeispiele dar. Dabei ist aller dings zu beachten, daß die für den Freilandeinsatz meist erforderliche Mindesthalt barkeit von 3 Monaten besser durch die Verwendung eines schwach vorgekeimten Trägermaterials (Recyclingpapier) erreicht werden kann, indem man mit mindestens 10%iger Emulsion, besser mit 15%iger Emulsion beschichtet. Höhere Konzentra tionen auf ungeleimten Papieren bewirken zwar auch eine ausreichende Haltbarkeit, das Material ist jedoch technisch aufgrund seiner Klebrigkeit nicht mehr verarbeitbar. Die Varianten F und G wurden deshalb nicht mittels Oberflächenleimung, sondern manuell hergestellt.

Im Kompostierungstest sind nach den vorgeschriebenen 90 Tagen Versuchsdauer alle eingesetzten Varianten zu 100% zerfallen. Die Ursprungsstruktur ist visuell nicht mehr erkennbar. Damit ist gleichzeitig gewährleistet, daß im Freilandeinsatz ebenfalls ein vollständiger Abbau stattfindet.

Beispiel 5

Das Beispiel zeigt die Ergebnisse der Testvarianten im Freiland

Bei diesem Beispiel wurde als zusätzliches Vergleichsbeispiel eine handelsübliche schwarze Mulchfolie aus PE an mehreren Kulturen getestet. Das Wachstum und die Erträge waren mit den Ergebnissen des (ebenfalls schwarz eingefärbten) schwach vorgeleimten Mulchmaterials mit 10%- bzw. 15%iger Beschichtung vergleichbar. Bei den übrigen Varianten (A-C) ist aufgrund des vorzeitigen Zerfalls der Mulcheffekt deutlich geringer. Dies macht sich dann auch in geringeren Erträgen im Vergleich zu den Varianten D und E bzw. herkömmlicher PE-Folie bemerkbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von bioabbaubarem Mulchmaterial, dadurch gekenn zeichnet, daß

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulsion mit einem Emulsionsgrundkörper folgender Zusammensetzung aufgetragen wird

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachs- Pflanzenöl-Emulsion in Konzentrationen von 5 bis 20%, vorzugsweise von 10 bis 15% Feststoffgehalt (bezogen auf die Summe der Gehalte an Wachs und Öl gemäß Anspruch 2a + b) angewendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß als Zelluloseträger Recyclingpapier mit einem Flächengewicht von 50 bis 200 g/m², vorzugsweise 60 bis 140 g/m², eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß als Zelluloseträger ein schwach vorgeleimtes Recyclingpapier (Cobb-Wert ca. 40 bis 50 g/m²) mit einem Flächengewicht von 60 bis 140 g/m² verwendet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschichtung mit Auftragsmengen von 2,0 bis 20,0 g/m² Emulsionsfestkörper, vorzugsweise 6,0 bis 9,0 g/m² erfolgt.