TPS (Thermoplastische Stärke)

Thermoplastische Stärke (TPS) gehört zu den nativen und biologisch abbaubaren Biopolymeren. Weiterhin ist Thermoplastische Stärke einer der wichtigsten und gebräuchlichsten Biokunststoffe. Der aktuelle Marktanteil liegt bei rund 80%. Thermoplastische Stärke neigt dazu Wasser aufzunehmen, so dass es oftmals mit anderen Biokunststoffen geblendet wird. Weiterhin kann durch das Blenden mit anderen Biokunststoffen deren biologische Abbaubarkeit verbessert werden. Die gängigsten Blendpartner von TPS sind Polybutylenadipat-terepthalat (PBAT), Polycaprolacton (PCL) oder auch Polylactid (PLA). Blends aus Stärke und weiteren Biokunststoffen finden zum Beispiel ihre Anwendung in Tragetaschen, Pflanztöpfen, Besteck oder auch Joghurtbechern. Auf dem Markt sind bereits verschiedene TPS-Blends kommerziell erhältlich. Dazu zählt unter anderem Materi-Bi® von der Firma Novamont. Mater-Bi ist ein Stärkeblend auf Basis von Maisstärke und einem weiteren biobasierten und biologisch abbaubaren Polymer.

Thermoplastische Stärke besteht aus destrukturierten Stärkekörnern. Die chemische Struktur baut sich daher vorranging aus den beiden Stärkebestandteilen Amylopektin und Amylose auf. Während Amylose linear aufgebaut ist, sind die Glucosemoleküle des Amylopektins (siehe Abbildung 1) verzweigt. Je nach verwendeter Stärke variiert außerdem das Verhältnis der beiden. So hat Kartoffelstärke z.B. ein Verhältnis von 1:4 bis 1:5, wobei Amylopektin den größeren Anteil ausmacht.

Abbildung 1: Chemische Strukturformel des Amylopektins.

Je nach verwendeten Weichmacher und dessen Gehalt erhält die Stärke unterschiedliche Eigenschaften, wobei vorranging die mechanischen Eigenschaften beeinflusst werden. So wird thermoplastische Stärke unter anderem bei zunehmender Menge an Weichmacher elastischer. Thermoplastische Stärke hat außerdem eine Dichte von 1,5 g/cm³. Die Glasübergangstemperatur liegt zwischen –20 bis 43 °C und die Schmelzetemperatur zwischen 130 bis 180 °C.

Wie bereits erwähnt bildet Stärke die Grundlage für thermoplastische Stärke. Dabei können verschiedene Stärketypen, wie z.B. Weizenstärke, Kartoffelstärke oder Maisstärke zum Einsatz kommen. Bevorzugt werden in der Regel Stärkepflanzen mit einem hohen Stärkeanteil.

Die Destrukturierung der Stärkekörner findet thermomechanisch sowie durch die wirkenden Scherkräfte im Extruder statt. Allerdings kommt es während der Verarbeitung aufgrund der Polarität von Amylopektin und Amylose zu molekularen Wechselwirkungen zwischen den beiden, so dass das Material schwer verarbeitet werden kann. Aus diesem Grund werden der Stärke Weichmacher zugegeben. Die gängigsten Weichmacher sind Glycerol und Wasser, jedoch ist auch die Zugabe von Sorbitol oder Urea möglich. Thermoplastische Stärke tendiert dazu Wasser aufnehmen, so dass eine Vortrocknung für die weitere Verarbeitung notwendig ist. Im Anschluss kann TPS über das Spritzgießen verarbeitet werden. Weiterhin ist eine Verarbeitung zu Castfolien ebenfalls möglich.

Grundsätzlich ist die biologische Abbaubarkeit von TPS im Gegensatz zu den fossilen, nicht abbaubaren Kunststoffen ein Vorteil. Beim Abbau im Kompost durch die dort lebenden Mikroorganismen entstehen vorrangig Wasser und Kohlenstoff, allerdings keine Nährstoffe oder Humussubstrate. Somit wird der Rohstoff zwar zersetzt, aber nicht in den ökologischen Kreislauf zurückgeführt. Im Falle der industriellen Kompostierung funktioniert der Abbau, allerdings werden in den meisten Anlagen keine größeren Mengen an reinen TPS-Produkten angenommen, sondern in der Regel Kompostbeutel mit Bioabfällen.
Als positiv sei noch erwähnt, dass der reine Pflanzenrohstoff in der thermoplastischen Stärke klimaneutral ist. Das bedeutet, dass beim Abbau genauso viel CO2 entsteht, wie beim Wachstum der Pflanze eingelagert wurde. Für die Erstellung einer Ökobilanz des Produkts muss jedoch die gesamte Kohlenstoffdioxidproduktion berücksichtigt werden, so dass dies neben dem Anbau auch den Transport, die Produktion und die Entsorgung beinhaltet.

Thermoplastische Stärke ist nach DIN EN 13432 zertifizierbar, so dass es das Label „Kompostierbar“ erhält. Bei der Eigen- und Heimkompostierung von Produkten aus TPS, wie z.B. Folien, muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Abbau durch die Mikroorganismen von der Temperatur und der Feuchtigkeit abhängig ist. Einen weiteren Einfluss übt die verwendete Materialstärke aus.

Eine Rezyklierung der Produkte und Produktionsabfälle aus thermoplastischer Stärke ist ohne weiteres möglich. Da die anfallende Abfallmenge jedoch zu gering ist, lohnt sich zum aktuellen Zeitpunkt aus wirtschaftlicher Sicht ein sortenreiner Sammlungs- und Recyclingprozess nicht. Weiterhin stellt die Kompostierung ein Konkurrenzverfahren zum Recycling dar.

Da thermoplastische Stärke kostengünstig ist, wird es oftmals als Füllstoff für andere Biopolymere einsetzt, so dass z.B. deren biologische Abbaubarkeit verbessert wird.