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27/04/2018 – K. König, P. Manvi, T. Gries

Star-Tex: Stärke, ein kostengünstiger Rohstoff für die Textilindustrie

Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung stärkebasierter Textilien, wie z.B. Vliesstoffe und gestrickte Flächen für Agro-, Geo- und Bekleidungstextilien. Das Stärkepolymer ist ein kostengünstiger Polymerrohstoff und reichlich vorhanden. Durch die thermische Instabilität ist das Polymer thermoplastisch nicht verarbeitbar und kann nicht in der textilen Prozesskette eingesetzt werden. Im Rahmen des Projekts „Star-Tex“ mit den Konsortiumspartnern Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA), Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, Pfinztal (ICT), Tecnaro GmbH, Ilsfeld und WarmX GmbH, Apolda wird angestrebt eine Textilprozesskette für Stärke basierte Polymer zu etablieren.

Der Bedarf an umweltfreundlichen, alternativen Ressourcen steigt aufgrund der sinkenden Ressourcen fossiler Brennstoffe und des erhöhten Umweltbewusstsein gegenüber der umweltschädlichen Folgen von herkömmlichen, petro-basierten Kunststoffen stetig an. Kunststoffe aus Stärke werden zum einen aus bio-basierten Rohstoffen hergestellt und sind zum anderen bio-abbaubar, wodurch sie dem aufgezeigten Problem entgegen wirken können. Des Weiteren ist Stärke als Rohmaterial reichlich vorhanden und kann aus Pflanzen, wie Mais oder Kartoffeln, zu geringen Kosten extrahiert werden kann. Mit einem Marktanteil von etwa 80 Prozent bildet thermoplastische Stärke den aktuell wichtigsten und gebräuchlichsten Vertreter der Biokunststoffe. Reine Stärke besitzt die Eigenschaft Feuchtigkeit zu absorbieren und wird deshalb besonders im Pharmabereich zur Erzeugung von Medikamentenkapselhüllen eingesetzt. Weiter Anwendungsgebiete finden Stärkeblends und –compounds in den Bereichen Folienextrusion, Beschichtung und Spritzgussherstellung. Beispiele hierfür sind Tragetaschen, Joghurt- oder Trinkbecher, Pflanztöpfe, Besteck, Windelfolien, beschichtete Papiere und Pappen.[1]

Trotz des hohen Marktpotentials, wurde das reine Stärkepolymer jedoch bisher nicht zu Textilprodukten verarbeitet. Natürliche Stärke setzt sich aus einer Vielzahl von Hydroxylgruppen zusammen, was aufgrund der ausgebildeten Wasserstoffbrücken zu einer starken Vernetzung führt. Die chemische Struktur der nativen Stärke wirkt somit einem guten Schmelzverhalten entgegen und macht die Produktentwicklung durch Schmelzverarbeitung nahezu unmöglich. Bei der nativen Stärke handelt es sich somit um ein nichtthermoplastisches Polymer. Beim Erhitzen der nativen Stärke setzt der Abbau des Stärkepolymers bereits vor dem Schmelzen ein.

Um das thermoplastische Verhalten der Stärke zu verbessern, werden verschiedene physikalische und chemische Verfahren zur Stärkemodifikation verwendet. Die physikalischen Methoden der Stärkemodifikation werden hauptsächlich für die Modifikation der Stärkegranulatstruktur verwendet. Zu den möglichen, physikalischen Modifikationsverfahren gehören: Wärmebehandlungsbehandlung, Glühen, Retrogradation, Einfrieren, Druckbehandlung, Glimmentladungsplasmabehandlung, thermische Inhibierung, Gelatinisierung usw. Die physikalische Modifikation verbessert zwar effektiv die thermoplastische Verarbeitbarkeit, dennoch ist die Produktqualität der physikalisch modifizierten Stärke für Textilanwendungen  nicht ausreichend. Somit ist eine chemische Modifikation der Stärke notwendig. Die chemische Modifikation ist eine effektive Möglichkeit, die inhärenten Eigenschaften der nativen Stärke zu verändern und die Funktionalität zu verbessern. Eine Inline-Modifikation der Stärke mit dem Doppelschneckenextruder und die Entwicklung eines industriellen Verfahrens zählen zu den Schlüsselpunkten in der Entwicklung der auf Stärke basierenden Textilprodukte.[2]

Ziel des Forschungsprojekts „Star-Tex“ ist die Entwicklung stärkebasierter Textilien, wie z.B. Vliesstoffe und gestrickte Flächen für Agro-, Geo- und Bekleidungstextilien. Im Konsortium des Projekts „Star-Tex“ sind die Forschungsinstitute Fraunhofer ICT und das Institut für Textiltechnik der RWTH sowie, die Industriepartner Tecnaro und WarmX vertreten. Koordiniert wird das Projekt vom Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird die native Stärke durch verschiedene Modifizierungskonzepte in ein schmelzspinnbares Polymer überführt, mit Biopolymeren compoundiert, zu Filamenten im Schmelzspinnprozess ausgesponnen und zu Gestricken und Vliesstoffen weiter verarbeitet. Durch die chemische Modifikation wird gegenüber der nativen Stärke die thermoplastische Verarbeitbarkeit eingestellt, die Schmelzfestigkeit des Materials erhöht und eine Verbesserung der Beständigkeit der Stärke gegenüber Wasser durch Hydrophobierung erzielt. Des Weiteren können durch die Compoundierung der thermoplastischen Stärke mit kompatiblen Biopolymeren die folgenden Vorteile gezielt genutzt werden: Steuerbarkeit des viskoelastischen  Fließverhaltens und somit der Spinnbarkeit, Verbesserung der physikalischen-mechanischen Eigenschaften der gesponnen Filamente, Steuerung der definierten, biologischen Abbaubarkeit, sowie die Sicherstellung einer gleichbleibenden Produktqualität im Falle von Qualitätsschwankungen der eingesetzten nativen Stärke. Nach der Filamentherstellung werden die Multifilamentgarne für die Vliesstoffherstellung texturiert und zu Stapelfasern geschnitten. Für die Gestrickherstellung wird eine Layoutforschung durchgeführt und bestehende Strickprogramme an das neue zu verarbeitende Material angepasst.

In der verbleibenden Projektlaufzeit bis Ende September 2018 werden die Materialeigenschaften und Herstellungsverfahren weiter polymerspezifisch angepasst und verbessert. Langfristig soll somit der Grundstein gelegt werden um Stärke als nachhaltige Alternative zu petrochemischen Kunstoffen innerhalb der Textilindustrie zu etablieren.

Literatur

[1]

http://www.chemie.de/lexikon/Biokunststoff.html

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[2]

Kavlani,   N.; Sharma, V.; Singh, L.:

Various techniques for   the modification of starch and the applications of its derivatives   International research journal of Pharmacy 3 (2012) P. 25-31