Structural Correlation Coefficient for Polymer Structural Composites—Reinforcement with Hemp and Glass Fibre

Authors: Mieczyslaw Scheibe, Magdalena Urbaniak, Andrzej Bledzki Year: 2025 DOI: 10.3390/polym17243295 Source: MDPI Polymers PubMed: PMID 41470970 PMC (Volltext): PMC12736950 Tags: cannabis, non-medical, environmental, industrial-hemp, composites

Weltweit wächst das Problem der Entsorgung glasfaserverstärkter Kunststoffe (GFRP). Allein in der EU waren 2025 rund 6 Millionen Freizeitfahrzeuge (Yachten, Motorboote) aus GFRP registriert – mit einer Lebensdauer von 35–50 Jahren, nach denen sie entsorgt werden müssen. Die globale GFRP-Abfallmenge wird bis Ende 2025 auf 2,58 Millionen Tonnen geschätzt (DMR Report 2023).

Das Problem: Glasfaserverbundstoffe sind extrem schwer zu recyceln. Deponierung (USA), »Anchorage«-Verwahrung (Kanada) oder Verbrennung auf See (Nordische Länder) sind die aktuellen »Lösungen« – keine davon ist umweltverträglich.

Industriehanf (Cannabis sativa L.) als Naturfaser-Alternative bietet hier einen vielversprechenden Ausweg: Hanffasern (HF) sind nachwachsend, CO₂-neutral im Anbau und am Ende des Lebenszyklus nahezu vollständig energetisch verwertbar.

Ziele der Studie:

• Mechanische und physikalische Eigenschaften von Hanffaserverbundwerkstoffen (HFRP) vs. Glasfaserverbundwerkstoffen (GFRP) vergleichen
• Einen strukturellen Korrelationskoeffizienten bestimmen, der die Austauschbarkeit quantifiziert
• Brand- und Entsorgungstests zur Bewertung der Kreislauffähigkeit durchführen
• Anwendungspotenzial im Boots- und Schiffsbau aufzeigen

• Hanffasern (HF): Industriehanf, verarbeitet zu Geweben und Matten (Multilayer-Verstärkung)
• Glasfasern (GF): E-Glasgewebe (industrieller Standard)
• Matrix: Polymerharz (EP – Epoxidharz)
• Herstellung: Laminate im Handlaminierverfahren, vergleichbare Verstärkungs-Grammatur

Fünf verschiedene Umgebungsbedingungen für mechanische Tests:

• Zugversuch – Maximale Zugkraft, Bruchdehnung
• Biegeversuch – Maximale Biegekraft, Biegedurchbiegung
• Schlagzähigkeit (Charpy) – In allen 5 Umgebungen
• REM-Mikromorphologie – Rasterelektronenmikroskopie der Bruchstrukturen
• Brandprüfung – Reaktion auf Feuer, Verbrennungsrückstände
• Bestimmung Korrelationskoeffizient WK – Verhältnis der mechanischen Kennwerte HFRP zu GFRP

Der zentrale Wert der Studie: WK = 1,66 (6) – unter der Bedingung vergleichbarer Verstärkungs-Grammatur von HFRP zu GFRP.

Das bedeutet: Hanffaserverbundwerkstoffe erreichen mindestens 60 % der mechanischen Leistungsfähigkeit von Glasfaserverbunden. Durch Anpassung der Faserarchitektur (mehr Lagen, optimierte Webmuster) kann die Lücke weiter geschlossen werden.

Umwelteinfluss: Die Schlagzähigkeit beider Materialien nahm mit steigendem Salzgehalt ab – der relative Abstand blieb jedoch weitgehend stabil.

• HFRP verbrannte nahezu vollständig (∼100 % Massenverlust) – Rückstand: feine Asche
• GFRP hinterließ intakte Glasfasermatten als Verbrennungsrückstand – nicht weiter verwertbar
• Energetische Verwertung von HFRP ist realistisch und umweltverträglich

Fazit: Hanffaserverbunde sind am Ende ihres Lebenszyklus vollständig thermisch verwertbar – Glasfaserverbunde nicht.

Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte grundlegend unterschiedliche Bruchmechanismen:

• HFRP: Faserauszug, Faserbruch, plastische Verformung – duktiles Versagen
• GFRP: Sprödbruch, saubere Trennflächen – katastrophales Versagen ohne Vorankündigung

Das duktilere Bruchverhalten von HFRP ist sicherheitstechnisch vorteilhaft (Vorwarnzeit vor Versagen).

Das EU-Kreislaufwirtschaftspaket (2015), die EU-Kunststoffstrategie (2018) und das H2020-Rahmenprogramm fordern die Ablösung nicht-recycelbarer Materialien. Hanffaserverbundstoffe adressieren diese Anforderungen direkt:

• Produktionsenergie: Hanffasern: ∼4 GJ/t vs. Glasfasern: ∼30 GJ/t (Faktor 7,5)
• CO₂-Bilanz: Hanf bindet CO₂ während des Wachstums (negativer CO₂-Fußabdruck möglich)
• End-of-Life: Vollständige energetische Verwertung ohne Sondermüll

Die Studie fokussiert auf den Boots- und Schiffsbau – eine Industrie mit Millionen von Einheiten allein in der EU. Hanffaserverbunde könnten hier perspektivisch einen signifikanten Anteil der Glasfasern ersetzen, insbesondere bei:

• Innenausbauten und nicht-strukturellen Komponenten
• Kleineren Bootsrümpfen mit moderaten mechanischen Anforderungen
• Pontons, Bojen und Schwimmkörpern

Stärken:

• Umfassende mechanische Prüfung unter 5 verschiedenen Umgebungsbedingungen
• REM-gestützte Bruchanalyse
• Praxisnahe Brand- und Entsorgungstests

Limitationen:

• Laborbedingungen – Serienfertigungstests stehen aus
• Nur ein Fasertyp (EP-Matrix) – andere Matrixsysteme (PP, Vinylester) wurden nicht getestet
• Korrelationskoeffizient gilt bei vergleichbarer Grammatur – Optimierungspotenzial durch Faservolumengehalt nicht ausgeschöpft

• Hanffaserverbundstoffe (HFRP) können Glasfaserverbunde (GFRP) für bestimmte Anwendungen ersetzen – mit einem Strukturkoeffizienten von 1,66
• Die mechanischen Eigenschaften liegen bei 50–65 % von GFRP, was für viele Anwendungen ausreicht
• Der entscheidende Vorteil: HFRP ist am Ende des Lebenszyklus vollständig thermisch verwertbar
• Politik und Regulierung sollten die Subventionierung von Hanffaser-Research und die Anpassung von Bauvorschriften für Naturfaser-Verbundstoffe prüfen

• Scheibe M et al. (2025) – Structural Correlation Coefficient for Polymer Structural Composites—Reinforcement with Hemp and Glass Fibre – Polymers 17(24):3295
• PMC Volltext (Open Access)
• PubMed Abstract
• Scheibe M et al. (2025) – Polymer Structural Composites Reinforced with Hemp Fibres — Impact Tests and Fire Tests – Polymers 17(3):276
• PMC Volltext (Open Access) – 2. Studie
• Faruk O et al. (2012) – Biocomposites reinforced with natural fibers – Progress in Polymer Science

• Faserhanf – Anbau & Verarbeitung
• Industriehanf – Einsatzgebiete
• Hanf im Bauwesen
• Umweltaspekte des Hanfanbaus

Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0 | Quelle: Polymers (MDPI), 2025 – Open Access