Disintegration behavior of polymer compounds used in biodegradable mulch films
Creators: name: Stapf, Maximilian
name: :Unav
Publisher: name: Fraunhofer-Gesellschaft
Year: 2022
Subjects: Mulchfolie
Polymer
polyethylen
agriculture

description: Plastic mulch films are widely used in agriculture and their application comes with a variety of advantages like increased soil temperature, retention of soil moisture and reduced weed pressure. Most mulch films are made from poly(ethylene) (PE) which is persistent in soil when not being properly removed from the fields. To combat the threat of plastic pollution, biodegradable polymers were designed to be easily degraded into water and carbon dioxide by microorganisms. Because of the relevance of biodegradable mulch films, this work focused on the soil disintegration behavior of three biodegradable polymers that can be processed into a mulch film compound. Therefore, film like samples of poly(butylene-sebacate-co-terephthalate) (PBST), poly(butylene-adipate-co-terephthalate) (PBAT) and poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHA) were incubated on the soil surface and were buried in the soil to imitate the application of a mulch film and after being tilled into the soil after use. The incubation for 16 weeks at 23 °C and 50 % air humidity was conducted with regular topsoil and a mix of topsoil and agricultural soil from a test field for biodegradability studies to mimic natural conditions. First indications of material changes were found in surface modifications of PBST that were observed with light and scanning electron microscopy (SEM) as well as changes in the mechanical properties measured by a tension test. Thermal properties measured by differential scanning calorimetry (DSC) and functional groups measured by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) remained almost constant in all samples under all conditions. Gel permeation chromatography (GPC) revealed a decrease in the molecular weight only in samples made from PHA. Comparing the polymers for the application in a biodegradable mulch film compound, a high percentage of PBST would make the material suitable for a short-term application due to the quick fragmentation. PBAT has shown slower degradation than PBST in this study. However, due to the acceleration of degradation by ultraviolet radiation reported in literature, the material may be equally suitable for short-term application. PHA may be processed for medium-term application based on its high degree of stability. The differences between surface and soil incubation were not clearly evident. In tendency, the degradation in soil seemed to be rather slower than on the surface. Further, it seemed like the influence of the agricultural soil type promoted faster material changes, although being challenging to point out clear evidence. Still, the influence of microbial communities and ultraviolet radiation is to be investigated in future studies.
description: Mulchfolien sind in der Landwirtschaft weit verbreitet und bieten eine Vielzahl von Vorteilen, z.B. erhöhte Bodentemperatur und Bodenfeuchtigkeit sowie verringertes Unkrautwachstum. Die meisten Mulchfolien bestehen aus Poly(ethylen) (PE), das sich in der Erde anreichert, wenn die Folien nicht korrekt entfernt werden. Um dem entgegenzuwirken, wurden bioabbaubare Polymere entwickelt, die durch Mikroorganismen zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut werden können. Hinsichtlich der Relevanz bioabbaubarer Mulchfolien fokussierte sich diese Arbeit auf das Desintegrationsverhalten von drei bioabbaubaren Polymeren, die als Compound in einer Mulchfolie verarbeitet werden können. Dazu wurden Folien-ähnliche Proben aus Poly(butylen-sebacat-co-terephthalat) (PBST), Poly(butylen-adipat-co-terephthalat) (PBAT) und Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyhexanoat) (PHA) sowohl auf als auch in Erde inkubiert, um die mögliche Anwendung als Mulchfolie nachzustellen. Die Inkubation für 16 Wochen bei 23 °C und 50 % Luftfeuchtigkeit wurde in Mutterboden und in einem Mix aus Mutterboden und Erde von einem Testfeld durchgeführt, um natürliche Bedingungen nachzuahmen. Erste Anzeichen von Materialveränderungen wurden bei PBST als Oberflächenmodifikationen bei der Untersuchung mittels Licht- und Rasterelektronen-mikroskopie (SEM) beobachtet. Gleichzeitig zeigten sich Veränderungen bei den mechanischen Eigenschaften, die mittels Zugversuchs gemessen wurden. Thermische Eigenschaften, gemessen mit Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), und funktionelle Gruppen, gemessen mit Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR), blieben fast unverändert bei allen Proben. Die Abnahme des Molekulargewichts konnte durch Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) nur in Proben aus PHA festgestellt werden. Bei einem möglichen Einsatz als Mulchfolien-Compound würde sich ein hoher Anteil an PBST für eine kurzzeitige Anwendung eignen, da sich das Material schnell zersetzt hat. PBAT zeigte zwar langsameren Abbau, aber durch beschleunigten Abbau unter Einfluss von UV-Strahlung, wie in der Literatur erwähnt, wäre eine kurzzeitige Anwendung ebenfalls denkbar. Im Gegensatz dazu könnte PHA aufgrund der hohen Stabilität für einen mittelfristigen Einsatz verarbeitet werden. Unterschiede zwischen der Inkubation auf oder in der Erde waren nicht eindeutig, allerdings schien der Abbau in der Erde langsamer abzulaufen als auf der Oberfläche. Weiterhin schien die landwirtschaftliche Erde schnellere Materialveränderungen zu bewirken, wobei klare Anzeichen schwer erkennbar waren. Demnach sollte zukünftig der Einfluss von Mikroorganismen und von UV-Strahlung weiter untersucht werden.