Eine aktuelle gemeinsame Studie zeigt, dass Hanfabfälle die Einnahmen aus der Gesamtnutzung der Pflanze steigern können.

Als Hanf Faserproduzenten und -verarbeiter versuchen, durch die Verwertung der gesamten Pflanze diversifizierte Einnahmen zu erzielen. Eine kürzlich veröffentlichte, von Fachkollegen begutachtete Studie hat darauf hingewiesen, dass bestimmte Hanfabfälle in Rohstoffe für hochwertige Fertigprodukte umgewandelt werden können.

In der Studie wurden die Stängel, die Stärke und die Cellulose-Nanofasern von Industriehanf verwendet (Cannabis SativaL.) zur Herstellung und Charakterisierung eines vollständig biobasierten, formgepressten Faserverbundwerkstoffs für nachhaltige Einwegverpackungen. Alle verwendeten Materialien sind natürlich gewonnene Polysaccharide, die durch mikrobielle Aktivität in Böden und Kompostieranlagen abgebaut werden können. Hanfstängel, ein landwirtschaftliches Nebenprodukt mit geringem Wert, lassen sich durch Variation der Zugabemengen direkt zu hochwertigen, formgepressten Faserverbundwerkstoffen aufwerten.

Die Forschung wurde von einem gemeinsamen Team des Macromolecules Innovation Institute und des Department of Sustainable Biomaterials der Virginia Tech in den USA sowie von Wissenschaftlern der Kyung Hee University in Südkorea durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass ungenutzte Hanfnebenprodukte in „hochleistungsfähige, formgepresste Faserverpackungsmaterialien, die vollständig aus biobasierten Komponenten bestehen“, umgewandelt werden können. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Macromolecules Innovation Institute“ veröffentlicht.Internationale Zeitschrift für biologische Makromoleküle, eine von Experten begutachtete Fachzeitschrift, die von Elsevier, einem wissenschaftlichen Verlag mit Hauptsitz in den Niederlanden, herausgegeben wird.

Es ist bekannt, dass Lebensmittelverpackungen in der Verpackungsindustrie eine entscheidende Rolle spielen und eng mit dem Alltag der Menschen verbunden sind. Daten zeigen, dass Verpackungsmaterialien den größten Anteil des weltweiten Plastikmülls ausmachen, wobei über 40 % davon auf Lebensmittelverpackungen zurückzuführen sind. Take-away-Boxen, Essensbehälter und Tabletts sind unverzichtbare Helfer des modernen Lebens und werden hauptsächlich aus erdölbasierten Kunststoffen hergestellt. Um Plastikmüll zu reduzieren, wurde Formfaserverpackung aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer niedrigen Kosten und ihrer Recyclingfähigkeit als umweltfreundliche Alternative eingeführt. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass herkömmliche Formfaserverpackungen nicht so nachhaltig sind wie allgemein angenommen und zahlreiche Umweltprobleme mit sich bringen.

Formzellstoff wird typischerweise aus Primär- oder Recyclingholzfasern hergestellt. Obwohl die Verwendung von Recyclingfasern den Energieverbrauch senken kann, beinhaltet der Recyclingprozess zwangsläufig chemische Zusätze wie Kolophonium, Paraffinemulsionen, Schlichtewachse und Bauxit, die zu Wasser- und Bodenverschmutzung führen können. Gleichzeitig verbraucht der Zellstoffaufschluss – ob mechanisch oder chemisch – große Mengen an Energie, und der chemische Aufschluss setzt erhebliche Mengen an Schadstoffen in Luft und Wasser frei, was zur Versauerung der Umwelt beiträgt. Um die Ölbeständigkeit zu verbessern, enthalten handelsübliche Formzellstoffprodukte zudem häufig per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS), die nicht abbaubar sind, in der Umwelt verbleiben und mit ernsthaften Gesundheitsrisiken für den Menschen verbunden sind.

Formmodell

Ein gemeinsames Forschungsteam der USA und Südkoreas nutzte Industriehanfabfälle, um in wiederholten Versuchen einen vollständig biobasierten Formfaserverbundwerkstoff herzustellen und dessen Leistungsfähigkeit unter Druck-, Biege- und Schlagbelastung zu bewerten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Hanfabfälle vielversprechend für die Entwicklung einer neuen Generation robusterer, pflanzenbasierter Formverpackungen und Industriematerialien sind.

Die Studie zeigt ein neuartiges Verarbeitungsparadigma auf: Geringwertige Hanf-Nebenprodukte wie Feinanteile, Staub und andere Rückstände, die bisher oft unterbewertet oder gar entsorgt wurden, stellen nun keine Belastung mehr dar, sondern eine wertvolle Ressource, die Unternehmen erhebliche Einnahmen bescheren kann. Dieses Modell ähnelt dem etablierter Agrarindustrien wie dem Maisanbau, der durch die Produktion von Kraftstoff, Futtermitteln, Stärke und Süßungsmitteln eine Wertschöpfung erzielt. Es knüpft zudem an den Erfolg der Holzindustrie an, die durch Produkte wie Plattenwerkstoffe, Zellstoff, Holzpellets und Chemikalien diversifizierte Einnahmequellen erschlossen hat.

Das Konzept der „Gesamtnutzung der Hanfpflanze“ gewinnt in der Hanfverarbeitung zunehmend an Bedeutung. Branchenteilnehmer suchen aktiv nach Wegen, die Abhängigkeit von einem einzigen Kernprodukt zu verringern und höhere wirtschaftliche Erträge zu erzielen.

Ein Wandel in der Verpackung

Obwohl raffinierte Hanfbastfasern bereits getestet wurden und nur begrenzte Anwendungsmöglichkeiten in umweltfreundlichen Verbundwerkstoffen gefunden haben, zeigt diese neueste Studie, dass minderwertige Restabfallmaterialien ein breiteres Anwendungsgebiet in der großtechnischen Produktion von Formteilen finden können – einer riesigen Kategorie, die Schutzverpackungen, Tabletts, Leichtbauplatten, Möbelsubstrate, Komponenten für den Fahrzeuginnenraum und Einwegartikel umfasst.

Wichtig ist, dass diese Entwicklungsrichtung die bisherige Forschung zur Anwendung von Bastfasern in Automobil- und Industrieverbundwerkstoffen ergänzt, anstatt sie zu ersetzen. Die Studienautoren stellen fest: „Die Entwicklung vollständig biobasierter Formfasersysteme unter Verwendung von landwirtschaftlichen Nebenprodukten (außer Holz) steckt noch in den Kinderschuhen und ist weitgehend unerforscht.“ Diese Feststellung verdeutlicht die Marktlücke, die Hanfabfälle zu schließen versprechen.

Die Studie stellt außerdem fest: „Die meisten bestehenden Formfasersysteme basieren immer noch hauptsächlich auf Zellstoff, und in vielen Fällen werden synthetische Zusatzstoffe hinzugefügt. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung einer neuen Generation von Formfaserverpackungssystemen, die wirklich nachhaltig und frei von giftigen Chemikalien sind.“

Diese Fokussierung auf breitere Verpackungsanwendungen deckt sich mit dem wachsenden Marktinteresse an Hanffasern. Ob für die Papierherstellung, Formverpackungen oder andere alternative Materialien – die Anwendungsperspektiven für Hanffasern werden immer deutlicher. In diesen Bereichen ist die Skalierung der Produktion oft wichtiger als hohe Preisaufschläge.

Bemerkenswerte Ergebnisse

Die Forscher ermittelten in ihrer Untersuchung auch ein optimales Mischungsverhältnis von Hanf in Formmassen. Zu wenig Fasern verringern die Festigkeit, zu viel führt zu innerer Ungleichmäßigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass die optimierte Mischung mit mittlerem Mischungsverhältnis eine höhere Druckfestigkeit als viele herkömmliche Formmassen aus Zellstoff erreichte, die in früheren Studien untersucht wurden. Ihre Biegefestigkeit war nahezu doppelt so hoch wie die von Materialien mit geringerer Belastung.

Die Studie demonstriert die Herstellung vollständig biobasierter, formgepresster Faserverbundwerkstoffe aus Wasser, Stärke, Cellulose-Nanofasern (CNF) und Industriehanfstängeln mittels eines speziellen Thermoformverfahrens. Rheologische, mechanische und morphologische Analysen zeigen übereinstimmend, dass der Hanfstängelanteil eine entscheidende Rolle für die Strukturhomogenität und die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs spielt. Ein höherer Stängelanteil stört die Kontinuität der Stärke-CNF-Matrix und reduziert die freie Energie.