Von Makro- zu Mikroplastik : Degradationsmodelle und Extrapolation von Verweilzeiten unter abiotischen Umwelteinflüssen

Titelangaben

Menzel, Teresa:
Von Makro- zu Mikroplastik : Degradationsmodelle und Extrapolation von Verweilzeiten unter abiotischen Umwelteinflüssen.
Bayreuth , 2024 . - xi, 124, xxxvii S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007333

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Abstract

Die Umweltbelastung durch unsachgemäß entsorgte Plastikabfälle entwickelt sich zu einer der größten Herausforderungen unserer Zeit. Die Auswirkungen von makroskopischem Plastikmüll auf die Flora und Fauna sind bekannt. Externe Umwelteinflüsse in der Natur, insbesondere die Einwirkung von Sonnenstrahlung, führen zu Verwitterungsprozessen und zu einer Degradation der Polymerstruktur auf makro- und mikroskopischer Ebene. Dies hat die Bildung und Akkumulation von sekundären Mikroplastikpartikeln in der Umwelt mit bislang unzureichend erforschten Auswirkungen auf die Ökosyteme zur Folge.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mit Hilfe von beschleunigten Bewitterungsmethoden ein grundlegendes Verständnis für die Bildung von Makro- zu Mikroplastik auf allumfassenden Längenskalen zu erarbeiten und die zugrundeliegenden Mechanismen der abiotischen Degradation unter dem Einfluss von UV-Strahlung, Temperatur und Feuchtigkeit in Abhängigkeit der Polymerstruktur aufzuklären. Hierfür werden drei Polymertypen (PS, PE und PP), welche sich in ihrer strukturellen Komplexität deutlich unterscheiden, der beschleunigten Bewitterung ausgesetzt und hinsichtlich ihres morphologischen, chemischen und mechanischen Degradationsverhaltens in Abhängigkeit der Expositionsdauer untersucht. Die Verlässlichkeit der Ergebnisse wird durch die Gegenüberstellung der zugrundeliegenden Mechanismen mit Proben aus der natürlichen Freibewitterung verifiziert.

Für PS, PE und PP werden molekulare und phänomenologische Degradationsmodelle zur Bildung von Mikroplastik unter abiotischen Bedingungen in Abhängigkeit der zugrundeliegenden (Mikro-)Struktur und Additivierung aufgestellt. In allen Fällen zeigt der Mechanismus der Oberflächenrissbildung eine starke Korrelation mit dem Fortschritt der molekularen Degradation. Es kann gezeigt werden, dass die Mechanismen bei einer beschleunigten Degradation analog zu den Mechanismen unter natürlichen Bedingungen ablaufen. Unterschiede in der Degradationsgeschwindigkeit der drei Polymertypen sind auf eine unterschiedliche Sensitivität der molekularen Struktur gegenüber externen Einflüssen zurückzuführen. In Kombination mit der Berechnung von spezifischen Oberflächen-Degradationsgeschwindigkeiten ermöglicht die Bestimmung von polymer-abhängigen Zeitraffungsfaktoren eine Abschätzung der Verweildauer von makroskopischen Bauteilen in der Umwelt bis zum vollständigen Zerfall zu Mikroplastik.

Abstract in weiterer Sprache

The environmental impact of improperly disposed plastic waste is emerging as one of the greatest challenges of our time. The effects of macroscopic plastic waste on flora and fauna are well known. External environmental factors in nature, especially exposure to solar radiation, lead to weathering processes and degradation of polymer structure at macroscopic and microscopic levels. This results in the formation and accumulation of secondary microplastic particles in the environment with so far insufficiently studied effects on ecosystems.

The present work aims to use accelerated weathering methods to develop a basic understanding of the formation of macro- to microplastics on all-encompassing length scales and to elucidate the underlying mechanisms of abiotic degradation under the influence of UV radiation, temperature, and moisture as a function of the polymer structure. For this purpose, three polymer types (PS, PE, and PP), which differ significantly in their structural complexity, are exposed to accelerated weathering and investigated with respect to their morphological, chemical, and mechanical degradation behavior as a function of exposure time. The reliability of the results is verified by comparing the underlying mechanisms with samples from natural outdoor weathering.

Molecular and phenomenological degradation models for the formation of microplastics under abiotic conditions are established for PS, PE, and PP as a function of the underlying (micro)structure and additivation. In all cases, the mechanism of surface cracking shows a strong correlation with the progress of molecular degradation. It can be shown that the mechanisms involved in accelerated degradation are analogous to those under natural conditions. Differences in the degradation rate of the three polymer types are due to different sensitivity of the molecular structure to external influences. In combination with the calculation of specific surface degradation rates, the determination of polymer-dependent time-lapse factors allows an estimation of the residence time of macroscopic components in the environment until complete decomposition to microplastics.