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Thermoplastische Stärke (TPS): Ein umweltfreundliches, biologisch abbaubares Plastik

Autor Dr. Bettina Plaumann

Mit zunehmender Umweltverschmutzung durch erdölbasierte Kunststoffe wächst auch das Interesse an biologisch abbaubaren Materialien, die diese synthetischen Einwegplastikprodukte ersetzen können. Thermoplastische Stärke, oder TPS*, ist eine Antwort auf die Frage nach nachhaltigen Kunststoffen – und sie wird immer populärer. Thermoplastische Stärke ist biologisch abbaubar und stammt aus kostengünstigen und erneuerbaren Quellen. Sie kann mit denselben Maschinen und Fertigungsmethoden verarbeitet werden, die bereits für synthetische Kunststoffe verwendet werden.

In diesem Artikel erläutern wir die Grundlagen von thermoplastischer Stärke sowie ihre Vor- und Nachteile. Wir stellen viele der heute verfügbaren Arten von thermoplastischer Stärke vor und behandeln auch einige Verbindungen aus thermoplastischer Stärke mit anderen Materialien.

*Nicht zu verwechseln mit thermoplastischem Styrol, einem auf Erdöl basierenden thermoplastischen Elastomer.

Was ist Stärke?

Stärke ist eine leicht verfügbare natürliche Ressource, die von Pflanzen hauptsächlich zur Energiespeicherung genutzt wird. Besonders stärkehaltige Pflanzen wie Kartoffeln und Reis werden vielerorts ohnehin als Grundnahrungsmittel produziert.

Stärke findet in vielen Bereichen industrielle Anwendung: In Lebensmitteln und Aromen bis hin zu Textilien und Kosmetika. Dank ihrer natürlichen Herkunft und weiten Verbreitung ist Stärke vollständig biologisch abbaubar und erneuerbar.

Chemisch gesehen ist Stärke ein Polysaccharid, das hauptsächlich aus Amylose und Amylopektin besteht. Es sind die langen Ketten und Verzweigungen dieser natürlichen Polymere, die der Stärke ihre nützlichen physikalischen Eigenschaften verleihen. Die genaue Zusammensetzung der Stärke sowie einige ihrer wichtigen Eigenschaften hängen von der Pflanze ab, von der sie produziert wird.

corn starch on a dark stone background.
Amylose
Amylopektin

Was ist thermoplastische Stärke?

Obwohl sie in vielen anderen Anwendungen in reiner Form eingesetzt wird, muss Stärke zuerst verarbeitet werden, bevor sie als Kunststoff verwendet werden kann. Wenn sie mit Wasser und Weichmachern (wie Glycerin und Sorbitol) kombiniert wird, kann Stärke erhitzt und geschert werden, um ein biologisch abbaubares Polymer namens thermoplastischer Stärke oder TPS zu erzeugen.

Aus Stärke hergestellte, biologisch abbaubare Plastikpellets

Die Herstellung von TPS

Thermoplastische Stärke kann wiederholt erhitzt, umgeformt und abgekühlt werden, um eine Vielzahl von Kunststoffprodukten mithilfe bestehender Methoden für synthetische Kunststoffe herzustellen. Obwohl TPS in ihrer einfachsten Form einige Nachteile aufweist, wird sie oft mit anderen Polymeren gemischt, um hochfunktionale, kostengünstige, vollständig biologisch abbaubare Kunststoffe herzustellen.

Gut zu wissen

Stärke variiert in ihrer Zusammensetzung, abhängig von der Pflanze, aus der sie gewonnen wird. Dies gibt der Herstellung von TPS eine zusätzliche Komplexitätsstufe, erhöht aber auch die Bandbreite an möglichen Eigenschaften, die der fertige Kunststoff haben kann.

Vor- und Nachteile thermoplastischer Stärke

Thermoplastische Stärke ist ein vielversprechender Ersatz für viele Anwendungen von synthetischem Kunststoff. Sie wird aus natürlichen und biologisch abbaubaren Materialien hergestellt, die kostengünstig und in Fülle vorhanden sind. TPS ist preiswert, umweltfreundlich und gut zu verarbeiten.

TPS ist auch äußerst vielseitig und modular. Wenn TPS mit anderen natürlichen oder synthetischen Polymeren gemischt wird, können ihre Eigenschaften an eine breite Palette von Anwendungen angepasst werden. Bestehende Plastifizierungsprozesse, Geräte sowie Verarbeitungstechniken wie Extrusion, Spritzguss und Blasformen, die für synthetische Polymere entwickelt wurden, können auch auf TPS angewendet werden.

Wenn sie nicht mit anderen Fasern oder Polymeren gemischt wird, weist thermoplastische Stärke einige Nachteile auf. TPS neigt von Natur aus zur Retrogradation und nimmt beim Abkühlen eine stärkeähnliche, kristalline Struktur an. Das hat Sprödigkeit und schlechte mechanische Eigenschaften zur Folge. TPS ist auch von Natur aus hydrophil, was zu hoher Wasserlöslichkeit und geringer Wasserbeständigkeit führt sowie zu einer schlechteren Performance bei hoher Luftfeuchtigkeit.

Mais verschmilzt zu Kunststoffpellets, die ein Tray formen (fiktive und stilisierte Illustration, KI-generiert)

Wie wäre es mit thermoplastischer Stärke OHNE diese Nachteile?

PLANTIC™, der stärkebasierte Kunststoff, bietet Ihnen eine vollständig kompostierbare und leicht recycelbare Mehrschicht-Verpackungslösung. PLANTIC™ weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf, wird im Laufe der Zeit nicht spröde und verfügt über eine PE/PET-Oberfläche für Wasserbeständigkeit. Kontaktieren Sie unsere Experten, um mehr PLANTIC™ zu erfahren.

Mischungen mit thermoplastischer Stärke

Um die Nachteile von thermoplastischer Stärke zu überwinden, wird sie oft mit anderen Polymeren gemischt. So können ihre Eigenschaften manipuliert und verbessert werden. Durch die Kombination von performanten, aber teuren Polymeren mit leicht verfügbarer und nachhaltiger TPS können Hersteller einen kostengünstigen, effektiven und biologisch abbaubaren Kunststoff herstellen.

Stärke x PVA

PVA ist ein hochwertiges, biologisch abbaubares Polymer, das sich ideal für Verpackungsanwendungen eignet. Wenn es mit TPS gemischt wird, verbessert PVA die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Endkunststoffs, bleibt jedoch vollständig biologisch abbaubar und verringert die Gesamtkosten. Die Stärke/PVA-Mischung bleibt jedoch hydrophil, und für Anwendungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Wasserbarriere müssen Additive wie Glutaraldehyd hinzugefügt werden, um die mechanischen Eigenschaften zu erhalten.

Waschmittelpads aus einer TPS/PVA-Mischung

Stärke x PLA

PLA ist ein erneuerbarer Polyester, der hochflexible Folien bildet, aber teuer und spröde ist. Mischungen aus TPS und PLA zielen darauf ab, die mechanischen Nachteile von TPS zu eliminieren und die Sprödigkeit und Kosten zu reduzieren. TPS und PLA mischen sich von Natur aus nicht gut, können jedoch effektiv durch Co-Plastifizierung und Additive wie epoxidierte Pflanzenöle gemischt werden. Der resultierende Kunststoff weist eine verbesserte Festigkeit auf und ist vollständig biologisch abbaubar.

Stärke x Polybutylensuccinat (PBS)

PBS ist ein biologisch abbaubarer Polyester für Anwendungen mit guter Chemikalien- und Wasserresistenz, thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie Schmelzverarbeitbarkeit. Wenn es mit TPS gemischt wird, weist der resultierende Kunststoff verbesserte Zugfestigkeit und Wasserbeständigkeit auf, kostet jedoch weniger und ist biologisch abbaubar.

Maize being grown under biodegradable plastic for use as animal feed Carmarthenshire Wales

Thermoplastische Stärke mit Naturfasern

Biopolymerverbunde wie TPS-Mischungen werden oft mit Fasern verstärkt, die früher hauptsächlich aus synthetischen Materialien wie Glas und Kohlenstoff bestanden. Heutzutage sind natürliche Fasern, insbesondere solche, die aus Pflanzen gewonnen werden, eine immer attraktivere Option für viele Anwendungen. Sie bieten Vorteile in Sachen Zugfestigkeit, Sicherheit und biologischer Abbaubarkeit sowie geringere Dichte, Kosten und Energieverbrauch.

Zellulosefaser

Die Zugabe speziell aufbereiteter Cellulose-Nanofasern zu TPS bietet eine Reihe von mechanischen Vorteilen, darunter höhere Zugfestigkeit, geringere Dichte, verbesserte Wasserbeständigkeit und verbesserte Temperaturbeständigkeit. Sowohl Stärke als auch Cellulose sind leicht erhältlich, erneuerbar und biologisch abbaubar.

Zuckerrohrfaser

Dank der großen Mengen an Zuckerrohr, die weltweit produziert werden, ist Zuckerrohrfaser ein exzellenter Kandidat für die Mischung mit TPS. Verbundwerkstoffe aus Zuckerrohrfaser und TPS weisen eine verbesserte Zugfestigkeit und Wasserbeständigkeit auf. Die Eigenschaften des verwendeten Zuckerrohrs, wie Art und Alter, können jedoch die Qualität des resultierenden Materials beeinflussen. Deswegen ist Zuckerrohr nicht immer die beste Option.

Maniok-Bagassefaser

Maniok ist eine weit verbreitete Grundnahrungsmittelpflanze, die ein festes, faseriges Nebenprodukt namens Maniok-Bagasse produziert. Wie viele andere natürliche Pflanzenfasern weisen auch Maniokfasern starke zwischenmolekulare Interaktionen mit Stärke auf, die die Zugfestigkeit und Wasserbeständigkeit des endgültigen Kunststoffs verbessern.

Anwendungen von stärkebasierten Biopolymeren

Die Erneuerbarkeit, biologische Abbaubarkeit und Kosteneffizienz von thermoplastischer Stärke macht sie zu einem exzellenten Kandidaten für jede Anwendung, für die eine hohe Menge an Einwegplastik gebraucht wird – insbesondere Verpackungen.

Thermoplastische Stärke findet immer häufiger Anwendung bei:

  • Lebensmittelverpackungen (einschließlich Behälter, Folien und Filme)
  • Einweg-Utensilien
  • Schutzverpackungen und Folien
  • Lockere Füllungen, antistatische und geformte Schutzverpackungen
  • Kompostierbare Filme und Beutel
Lebensmittelverpackung aus PLANTIC™, einem TPS-basierten Kunststoff

PLANTIC™: Der TPS-basierte Kunststoff von Kuraray

PLANTIC™ ist der TPS-basierte Kunststoff von Kuraray für eine Vielzahl von Verpackungsanwendungen. Im Gegensatz zu anderen TPS-Produkten, die normalerweise plastifiziert und gemischt werden, wird PLANTIC™ aus stark amylosehaltiger Maisstärke durch einen chemischen Modifikationsprozess namens Hydroxypropylierung hergestellt.

Dieser einzigartige Prozess plastifiziert die Stärke effektiv. Das Ergebnis ist ein Material, das sich wie ein Thermoplast verhält, ohne die üblichen Schwächen von TPS aufzuweisen. Es kann durch zusätzliche Prozesse modifiziert und in seiner Material-Performance optimiert werden. Der PLANTIC™-Prozess bietet zudem viele weitere Vorteile, die über einen erneuerbaren und biologisch abbaubaren Kunststoff und einen kohlenstoffarmen Herstellungsprozesses hinausgehen.

PLANTIC™ unterliegt keiner Retrogradation, weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf, ist von Natur aus antistatisch und ölbeständig und kann versiegelt, bedruckt und lasergeätzt werden. PLANTIC™ bietet auch eine exzellente Gas- und Aromabarriere ideal für Lebensmittelverpackungen – eine Qualität, die für gewöhnliche plastifizierte TPS und TPS-Blends nur schwer erreichbar ist.

PLANTIC™ ist in einer Reihe von modifizierten Stärken erhältlich, um den Anforderungen einer Vielzahl von Endanwendungen gerecht zu werden, darunter starre Verpackungen, Spritzgussmaterialien, flexible Folien und Harzbarrieren.

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PLANTIC™