Thermoplastische Stärke

Die 1988 erfundene thermoplastische Stärke (EP 0397819) war bis zur Jahrtausendwende mit einem geschätzten Marktanteil von etwa 80 Prozent führend im Bereich der Biokunststoffe. Um native Stärke zum thermoplastischen Werkstoff zu machen, müssen natürliche Weichmacher und Plastifizierungsmittel wie Glycerin oder Sorbitol beigegeben werden. Die Mischung erfolgt im Extruder, einer speziellen Mischmaschine: ein Motor betreibt eine oder häufig zwei Schnecken (Doppelschneckenextruder) innerhalb eines beheizbaren Zylinders. Die Rohstoffe werden darin vermischt, erwärmt und in eine homogene Schmelze überführt, aus der das Wasser entfernt wird.

Am Ende des Extruders tritt die geschmolzene, thermoplastische Stärke als Strang durch eine Düsenplatte aus und wird nach dem Abkühlen granuliert. Um die für Kunststoffe gewünschten Materialeigenschaften zu verbessern, werden der Stärke oft andere Polymere zugesetzt.

Milchsäure ist ein Zwischenprodukt, das durch Fermentation aus Zucker oder Stärke entsteht. Zu Polymilchsäure (oder Polylactid (PLA)) polymerisiert, ist Milchsäure für die Herstellung von Biokunststoffen der unterschiedlichsten Eigenschaften nutzbar. Polylactide und ihre Copolymere sind je nach Zusammensetzung schnell bis kaum biologisch abbaubar. PLA und PLA-Blends werden als Granulate in verschiedenen Qualitäten für die Kunststoff verarbeitende Industrie zur Herstellung von Folien, Formteilen, Dosen, Bechern, Flaschen und sonstigen Gebrauchsgegenständen angeboten. Vor allem für kurzlebige Verpackungsfolien oder Tiefziehprodukte (z.B. Getränke- oder Joghurtbecher, Obst-, Gemüse- und Fleischschalen) birgt der Rohstoff großes Potenzial. Denn der Weltmarkt für das Marktsegment "Transparente Kunststoffe" beträgt immerhin 15 Mio. Tonnen (2001).

Auch im medizinischen und pharmazeutischen Bereich kommt PLA erfolgreich zum Einsatz. Vom Körper resorbierbare Schrauben, Nägel, Implantate und Platten aus PLA oder PLA-Copolymere werden zur Stabilisierung von Knochenbrüchen verwendet. Auch resorbierbares Nahtmaterial und Wirkstoffdepots aus PLA sind schon lange im Gebrauch. Für die Herstellung von PLA aus Glucose über die Zwischenschritte Milchsäure und Dilactid existieren bereits kontinuierliche Verfahren. Damit ist die Industrie in der Lage, das Material kostengünstig und mittelfristig wettbewerbsfähig gegenüber Massenkunststoffen herzustellen. Die weltweit erste größere PLA-Produktionsanlage mit 140.000 Tonnen Jahreskapazität wurde 2002 in den USA in Betrieb genommen.

Industrielle PLA-Produktionsanlagen existieren inzwischen auch in den Niederlanden, Japan und China.

Polyhydroxybuttersäure (PHB) zählt wohl zu einem der interessantesten Biokunststoffe. 1924 erstmals über Bakterien aus Zucker oder Stärke hergestellt, erfolgt die Produktion seit den 70er Jahren kommerziell.

PHB hat einen Schmelzpunkt von über 130 °C, bildet klare Filme und besticht durch seine mechanischen Eigenschaften. Neben einigen mittelständischen Herstellern beabsichtigt nun die südamerikanische Zuckerindustrie die Herstellung von PHB im industriellen Maßstab, um Preise unter 5 Euro/kg zu realisieren. Die Züchtung arbeitet mittlerweile an transgenen Pflanzen, die PHB als Energiespeicher bilden. Bis aber tatsächlich ein Biokunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen direkt geerntet werden kann, wird es wohl noch einige Jahre dauern.

Kunststoffe auf Cellulosebasis werden üblicherweise aus Baumwolle durch Veresterung, beispielsweise mit Essigsäure, hergestellt. Als bekannteste Cellulosederivate gelten Celluloseacetat, Celluloseacetopropionat und Celluloseacetobutyrat. Cellulosekunststoffe, die für Folien, Werkzeuggriffe, Skibrillen, bruchsichere Sportbrillen, Brillengestelle oder Lichtkuppeln zum Einsatz kommen, sind in der Regel witterungsbeständig, transparent, zähelastisch und thermoplastisch.

Vollsynthetische biologisch abbaubare Thermoplaste sind seit längerem bekannt. Vor allem Materialien auf Esterbasis wie Polycaprolacton (PCL) waren in den ersten Jahren als hydrophobe Polymerkomponente in Compounds mit Stärke weit verbreitet.

Heute werden auch biologisch abbaubare Kunststoffe aus fossilen Rohstoffquellen entwickelt und hergestellt. Am gebräuchlichsten sind Polyesteramide und Polyestercopolymere. Letztere sind als Kunststoff zur Herstellung transparenter Folien, aber auch für die Compoundierung mit thermoplastischer Stärke oder mit PLA gut geeignet. Diese compoundierten Biokunststoffe auf Stärkebasis besitzen zurzeit den größten Marktanteil. Sie werden hauptsächlich für abbaubare Folienprodukte eingesetzt.

Biopolymere werden, vor allem im Verpackungsbereich, zunehmend konkurrenzfähig. Steigende Rohstoffpreise und unterstützende politische Maßnahmen verhelfen ihnen zu Kostenvorteilen auf der Rohstoff- und Entsorgungsseite. Dies kompensiert die ökonomischen Nachteile aufgrund der derzeit (noch) geringeren Produktionsmengen. Ein großes Problem bei der Anwendung der Biopolymere ist jedoch die mangelnde, nicht einheitliche Verfügbarkeit aktueller Materialdaten.

Um diese Situation zu verbessern, arbeitet die Fachhochschule Hannover zusammen mit der M-Base Engineering + Software GmbH seit 2006 an der Erstellung einer umfassenden

Biopolymerdatenbank (http://www.materialdatacenter.com).

Als Vorlage dient die bereits etablierte CAMPUS®-Datenbank, die als internationales Standardsystem für konventionelle Polymere bekannt ist.

Da es sich bei diesen Herstellerdaten jedoch um sehr lückenhafte und oft nicht vergleichbare Daten handelt, werden parallel dazu alle am Markt kommerziell verfügbaren Biopolymere umfassend und einheitlich nach den entsprechenden Normen hinsichtlich ihrer Verarbeitungs-, Gebrauchs- und Entsorgungseigenschaften charakterisiert. Die Materialdaten werden in Form einer internationalen und interaktiven Biopolymerdatenbank aufbereitet, die spätestens Ende 2009 verfügbar sein wird. Die Arbeiten werden im Auftrag des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) unterstützt. Nähre Informationen sind beim Projektnehmer, der FH Hannover zu erfragen:

Fachhochschule Hannover
Fakultät Maschinenbau
Abteilung Bioverfahrenstechnik
Prof. Dr. Hans-Josef Endres;
Dipl.-Ing. Andrea Siebert

Tel.: 0 511/9296-22 30
Mail: andrea.siebert(bei)fh-hannover.de