Thermoplastische Stärke (TPS) / Stärkeblends

Geschrieben von: Günther Wiedl

Thermoplastische Stärke (TPS) stellt mengenmäßig mit einem Marktanteil von rund 80 % die wichtigste abbaubare Biopolymergruppe dar. Stärke gehört zu den Polysacchariden und ist neben Cellulose der zweitwichtigste nachwachsende Rohstoff, weltweite Produktion > 45 Mio.t/Jahr. Davon werden zehn Mio. t in Europa erzeugt. Sie kann als Ausgangsedukt für verschiedene fermentativ erzeugte Biopolymere, als partikelförmiger Füllstoff (Stärkeblends) oder in destrukturierter thermoplastischer Form verwendet werden.
TPS als reiner Werkstoff findet hauptsächlich in Nischenbereichen, wie zum Beispiel in der Pharmaindustrie als Kapsel für Medikamente, ihren Platz.

Eigenschaften und Herstellung

Am häufigsten wird Stärke aus Mais, Weizen oder Kartoffeln gewonnen, wobei sich die Stärke dieser drei Pflanzen in Form und Größe deutlich unterscheiden. Der Gewinnungsprozess beginnt mit der Reinigung und Zerkleinerung der Pflanzen mit anschließender Auswaschung der Stärke. Hier wird darauf geachtet, dass die erhaltenen Pflanzenstücke möglichst klein sind. Damit werden viele Pflanzenzellen geöffnet und der Ertrag gesteigert. Anschließend erfolgt das Dekantieren des Fruchtwassers und die Trennung der Stärke von den Pflanzenfasern. Dabei entsteht die sogenannte Stärkemilch, die erneut gereinigt und mit Zentrifugen und Trocknern entwässert wird. Native Stärke liegt als weißes, kristallines Pulver vor. Außerdem enthält native Stärke einen bestimmten Wasseranteil, der sich aufgrund atmosphärischer Umgebungsbedingungen laufend ändert. Mittels reversibler Adsorption stellt sich eine Gleichgewichtsfeuchte von zehn bis 20 Gew.-% ein. Aus nativer Stärke kann über enzymatischer, chemischer oder physikalischer Behandlung modifizierte Stärke gewonnen werden.

Mit nativer Stärke als Ausgangsprodukt eröffnen sich nun viele Wege der Weiterverarbeitung. Um TPS zu erzeugen folgt das Destrukturieren der Stärkekörner sowie Zugabe mehrerer Additive. Dies erfolgt im Extruder unter Einwirkung von Temperatur, Scherkräften und Zugabe von Wasser. Dabei entsteht ein Thermoplast auf Basis der Stärkemoleküle Amylose und Amylopektin. Entsprechend der hohen Polarität von Amylose und Amylopektin folgen intensive molekulare Wechselwirkungen, die den Werkstoff mechanisch spröde wirken lassen (Verkleisterung). Dadurch ist man auf Additive oder Verarbeitungshilfsmittel wie Wasser, Glycerin oder Sorbitol angewiesen, welche einen Weichmachereffekt auf TPS ausüben.

Abb.1.: Verarbeitungswege

 Abb.1: Verarbeitungswege

Die starke Hydrophilie (Wasseraufnahme) von TPS schränkt es in ihrer Verwendung stark ein. Hierbei stellt PolyLacticAcid (PLA), vor allem wegen ihres starken hydrophoben (wasserabweisenden) Charakter, einen attraktiven Blendpartner dar. Werden PLA und TPS geblendet so dient PLA als hydrophobe kontinuierliche Phase und TPS als hydrophile disperse Phase, die die mechanische Festigkeit verbessert. Weitere modifizierte Eigenschaften wären Kostenreduzierung und Erhöhung der Abbaurate und –geschwindigkeit. Als weitere kontinuierliche Phasen können biologisch abbaubare Polyesteramide, Polyesterurethane, Polyvinylalkohole und Cellulosederivate dienen. Meistens beträgt der Anteil der Stärke in solchen Blends maximal 70 Gew.-%. Grundsätzlich nicht abbaubare Polymere wie zum Beispiel Polyethylen können auch durch das Füllen mit Stärke nicht vollständig abgebaut und vor allem nicht kompostierbar gemacht werden.

Nutzen

Stärkeblends besitzen aufgrund ihres Stärkeanteils einen hygroskopischen Charakter. Das bedeutet, sie sind in der Lage Wassermoleküle aus der Luft zu binden. Daher sind sie für langlebige Anwendungen unbrauchbar und auch im Verpackungsbereich nur begrenzt einsetzbar. Bevorzugt ist ihre Anwendung zum Beispiel als Agrarfolie oder als Bioabfallbeutel. Die Eigenschaften können sich teilweise aufgrund der unterschiedlichen Mengenanteile der Blendkomponenten und Additive ändern. Zugleich verbindet sie ihre beinahe konstante Wärmeformbeständigkeit, welche durch die Stärkekomponente bestimmt wird. Stärkeblends werden sowohl im Folien- als auch im Spritzgussbereich eingesetzt. Beispiele hierfür sind Tragtaschen, Joghurt- oder Trinkbecher, Pflanzentöpfe, Besteck, Windelfolien, beschichtete Papiere und Pappen.

Die Preise für Stärkeblendwerkstoffe betragen 2,5-5,5 €/kg (2009) bei einer Dichte von 1,1-1,39 g/cm³. Sie bilden mit PLA die preiswertere Gruppe der Biopolymere. Aufgrund der steigenden Preise für petrochemische Rohstoffe und der wachsenden Nachfrage für Biopolymere im Allgemeinen wird es eher zu einer Reduzierung der Werkstoffpreise kommen.

Quellenverzeichnis

Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths (2009): Technische Biopolymere – Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften, Hanser Verlag

Richard P.Wool, Xiuzhi Susan Sun (2005): Bio-Based Polymers and Composites, Academic Press Elsevier

Österreich AGRANA (2012): http://www.agrana.at/unsere-produkte/staerke/wissenswertes-ueber-staerke/ , aufgerufen am 17. Oktober 2012

Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe e.V.: FNR(2006): http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_224biokunststoff_2006.pdf , aufgerufen am 17.Oktober 2012


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Datum: Sonntag, 21. Oktober 2012 22:13
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