Lehr- und Forschungsschwerpunkt Umweltverträgliche und Standortgerechte Landwirtschaft. Forschungsbericht. Nr. 112

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1 Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Landwirtschaftliche Fakultät Lehr- und Forschungsschwerpunkt Umweltverträgliche und Standortgerechte Landwirtschaft Forschungsbericht Nr. 112 Faserqualität einheimischer Faserpflanzen (Hanf) - Bewertung von Rohstoff und Endprodukt - Herbert von Francken-Welz Jens Léon Institut für Pflanzenbau

2 Herausgeber: Lehr- und Forschungsschwerpunkt Umweltverträgliche und Standortgerechte Landwirtschaft, Landwirtschaftliche Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Endenicher Allee 15, Bonn Tel.: ; Fax.: Untersuchungen im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein-Westfalen Bonn, Oktober 2003 ISSN Projektleitung: Prof. Dr. Jens Leon Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. agr. Herbert von Francken-Welz Institut für Pflanzenbau, Abt. Spezieller Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung Katzenburgweg Bonn Tel.:

3 3 Gliederung 1. Einleitung Wissensstand Zielsetzung 7 2. Material und Methoden Felderhebung und Ertragsfeststellung Ermittlung der Faserqualität Weiterverarbeitung Statistische Auswertung Ergebnisse Einfluss des Standorte Einfluss von Standort und Saatstärke Einfluss von Standort und N-Düngung Mechanische Untersuchung der Faserbündel nach dem Aufschluss Nafitec Ermittlung der mechanischen Kennwerte der geprüften Probekörper Korrelationen zwischen mechanischen Eigenschaften der Faserbündel und der Probekörper Diskussion Zusammenfassung Schlussfolgerungen für die Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis Literaturverzeichnis Anhang Konsequenzen für eventuelle weitere Forschungsaktivitäten Liste über Präsentationen, Vorführungen und Demonstrationen Kurzfassung 38

4 4 1. Einleitung Der Bau einer neuartigen Faserentholzungsanlage und die Entwicklung hochwertiger Faserverbundwerkstoffe mit Naturfasern durch die Firma Nafitec in Bielefeld ist die Grundlage für eine Naturfaserproduktion in NRW. Voraussetzung für eine einheimische Produktion hochwertiger Industriefasern ist die Entwicklung von standortgerechten und umweltverträglichen Anbauverfahren. Im Hinblick auf die zu erwartende Senkung der Flächenbeihilfe auf Getreideniveau ist der Faserpflanzenanbau so zu gestalten, dass das Leistungs- und Qualitätspotential der Pflanzen optimal ausgeschöpft ist und dabei die Kosten so gering wie möglich gehalten werden. 1.1 Wissensstand Der Anbau von Faserpflanzen als nachwachsende Rohstoffe zur Erzeugung von Faserverbundwerkstoffen ist unter verschiedenen Aspekten positiv zu beurteilen. Der Einsatz von heute gebräuchlichen synthetischen Fasern wie Glas- oder Asbestfasern zur Verstärkung von Kunststoffen führt zu Problemen hinsichtlich der Gesundheitsgefährdung und bei der Wiederverwertung und der Entsorgung. Eine Substitution der Glas- und Asbestfasern durch Naturfasern würde zu einer erheblichen Umweltentlastung beitragen. Naturfasern weisen aufgrund ihrer Eigenschaften, insbesondere ihrer Faserlänge, eine geringere Gesundheitsgefährdung auf und bieten Vorteile bei der Recyklierung und Entsorgung. Darüber hinaus sind Naturfasern durch ihre geringe Dichte und günstige mechanische Eigenschaften gekennzeichnet. Die Industrie hat die Vorteile der Naturfasern erkannt und es sind bereits eine Vielzahl innovativer Faserprodukte entwickelt worden (KLEBER et al., 1998; KÖHLER et al., 1998; HAGEDORN, 1999). Der Naturfasereinsatz in der deutschen Automobilindustrie z.b. ist seit 1996 bis heute von 4000 t auf t angestiegen (KARUS, 1999). Aufgrund der zunehmenden Nachfrage sind in den letzten Jahren einige Naturfaserschwingen gebaut

5 5 worden und der großflächige Anbau nimmt jährlich zu. Der Hanfanbau, der in der BRD seit 1996 wieder erlaubt ist, lag 1999 bereits bei 4000 ha, wobei ca. 200 ha erstmals in NRW im Vertragsanbau für die Fa. Möllerplast angebaut wurden (NOVA,1999a, 1999b). Im Anbaujahr 2001/02 lag der Hanfanbau in NRW bei 153 ha (NOVA, 2002). Eine gezielte Substitution von synthetischen Fasern (Jahresverbrauch Glasfaser: t) durch bioabbaubare Naturfasern würde der einheimischen Landwirtschaft sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile bieten. Die Erschließung von neuen Erwerbsquellen führt zur Verminderung der Überschussproduktion und der damit verbundenen Subventionen. Darüber hinaus würden die begrenzten Rohstoffressourcen geschont. Aus ökologischer Sicht bedeutet der Anbau von Faserpflanzen für die Landschaft und die Landwirtschaft eine Erhöhung der Biodiversität bzw. eine Erweiterung der heute üblicherweise engen Fruchtfolgen. Zudem könnte der Anbau von Naturfaserpflanzen zu einer Verminderung von Düngemittel- und Pflanzenschutzmittelaufwand und somit zur Umweltentlastung beitragen. Eine nachhaltige, weitgehend subventionsfreie Wettbewerbsfähigkeit des Naturfaseranbaus kann jedoch nur unter der Prämisse der Produktion von qualitativ hochwertigem, homogenen Fasermaterial, das unter optimierten Anbaubedingungen kostengünstig und umweltverträglich erzeugt wird, realisiert werden. Als einheimische Faserpflanzen, deren Produktion vor Ort eine Verminderung von Transportwegen und damit eine Kostenreduzierung bedeuten würde, kommen Hanf (Cannabis sativa L.) und Lein (Linum usitatissimum L.). Der Anbau dieser Pflanzen zur Produktion textiler Fasern hat im 19. Jahrhundert große Bedeutung besessen und ist erst durch die Mechanisierung der Baumwollernte und die Entwicklung von Chemiefasern kontinuierlich zurückgegangen. Nachdem sich heute neue Märkte für die Naturfasern eröffnen, wurde zunächst bei Faserlein das Ertrags- und Qualitätspotential des vorhandenen genetischen Materials untersucht und der Qualitätsvergleich zur Glasfaser zeigt die Chancen des Faserleins auf, im nicht textilen Bereich eine gewisse Marktbedeutung zu erlangen. Vor allem die geringe Dichte der

6 6 Naturfasern ist für die Produktion von Leichtbauwerkstoffen von Bedeutung. Mit Faserleinfasern hergestellte Bauteile erreichten die gleiche Festigkeit wie glasfaserverstärkte Teile bei einer gleichzeitigen Gewichtsreduzierung um 30 % (HAEPP, 1996). Der Anbau verschiedener Naturfaserpflanzen könnte die Angebotspalette an einheimischen Fasern ergänzen. Es wird jedoch über unterschiedliche Ansprüche der Arten an die Wachstumsfaktoren Klima und Boden berichtet (KAHNT und EUSTERSCHULTE, 1996). Das Ertragspotential an Gesamttrockenmasse schwankt bei Faserlein zwischen 7-15 t/ha (RENNEBAUM et al., 1998), bei Hanf zwischen 9-12 t/ha (LBP, 1996; HÖPPNER und MENGE-HARTMANN, 1994; 1999; MÜNZER, 1999). Lein erreicht höhere Faseranteile als Hanf. Im Faserertrag wurden mit 44,8 dt/ha bei Hanf die höchsten Werte gefunden (VON BUTTLAR et al., 1997). Allerdings wurden die Arten nicht unter vergleichbaren Bedingungen getestet. Entscheidend für die Bewertung der Eignung der verschiedenen Naturfasern für den industriellen Einsatz ist die Höhe und Homogenität in den Qualitätseigenschaften. So ist die Qualität der Naturfasern für eine Verstärkung von Faserverbundwerkstoffen umso besser, je höher die Faserfestigkeit und je geringer die Wasserdampfaufnahme ist (KEIJZER und METZ, 1994; MIECK, 1994). Für neu entwickelte Erntemethoden ohne die witterungsabhängige Röste sind die Trockensubstanz des Strohs bei der Ernte und die Entholzungseigenschaften, die bisher noch nicht untersucht wurden, von Bedeutung. Im Vergleich der mechanischen Fasereigenschaften wurden in Untersuchungen von SATLOW et al. (1994) bei Hanf höhere Faserfestigkeiten als bei Lein gemessen. Dagegen berichten andere Autoren von gleichen (FÖLSTER, 1995) oder niedrigeren Zugfestigkeiten (ROBSEN, 1994; GÖBEL, 1994). Der Einfluss von Genotyp und Umwelt auf die Faserqualität und deren Homogenität ist für Hanf und Lein kaum erforscht. Differenzen in der Faserfestigkeit waren in Untersuchungen der LBP (1996) durch Sorten und Anbauorte zu erklären. Bei Lein steigt die Lignifizierung und damit die Langfaserqualität mit zunehmender Abreife der Fasern (SHARMA, 1986). Bei Hanf konnte keine Beeinflussung des Ligningehaltes durch Anbauvariationen oder Erntetermine festgestellt werden (HÖPPNER und MENGE-HARTMANN, 1999). In Bezug

7 7 auf die Entholzungsmethode berichtet GÖBEL (1994) über höhere Reißfestigkeiten von grün entholztem im Vergleich zu geröstetem Faserlein. Auch HAGEDORN (1999) bewertet die Nutzung von ungerösteten Grünfasern positiv, weil sich dadurch Qualitätsschwankungen durch unterschiedliche Röstgrade weitgehend vermeiden lassen. Die Fasern mit besserer Ausgangsqualität führen im verpressten Verbund zu einer höheren Biegefestigkeit und einem höheren Biege-E-Modul (LÜTZENDORF et al., 1999). Bezüglich der Anbauverfahren von Faserpflanzen ist aus ökologischer Sicht vor allem der gegenüber anderen Marktfrüchten deutlich verminderte N-Bedarf der Faserpflanzen positiv zu bewerten. Standfeste Leinsorten erreichen den höchsten Ertrag bei Saatstärken von 2000 keimfähige Samen/m 2 ohne N-Düngung (ROWLAND, 1980). Bei Hanf wurden maximale Erträge bei Saatstärken von keimfähige Samen /m 2 und 60 kg N/ha erzielt (HÖPPNER und MENGE-HARTMANN, 1994; BLOCK, 1998; MÜNZER, 1999). Auf sandigen Böden wurden allerdings auch höhere N-Gaben bis 160 kg/ha ertragswirksam (MASTEL et al., 1998). Zusätzlich zum geringen N-Bedarf ist der Anbau von Hanf durch den fehlenden Pflanzenschutzmittelbedarf als sehr umweltverträglich zu bezeichnen. 1.2 Zielsetzung Zur Optimierung der Rohstoffproduktion ist im einzelnen eine Bewertung von Standortbedingungen und pflanzenbaulichen Maßnahmen für die Faserqualität von Rohstoff und Endprodukt vorzunehmen. In einer zusammenfassenden Analyse sind darüber hinaus Ertragssicherheit und Ertragsleistung in die Beurteilung der Anbauwürdigkeit der einheimischen Faserpflanzenarten zur Produktion hochwertiger Naturfasern mit einzubeziehen. Durch die Kooperation von Landwirtschaft (Erzeugergemeinschaft Hanf), Industrie (Fa. Nafitec) und Wissenschaft (Universität Bonn) ist eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis gewährleistet. Im einzelnen wurden folgende Fragenkomplexe bearbeitet:

8 8 1. Einfluss des Standorts und anbautechnischer Maßnahmen auf den Ertrag und ausgewählte Qualitätseigenschaften Es ist anzunehmen, dass die Ertrags- und Qualitätsbildung stark durch den Anbaustandort bestimmt wird. Es soll außerdem untersucht werden, wie sich anbautechnische Maßnahmen auf unterschiedlichen Standorten auf Erträge und Qualitäten auswirken. 2. Einfluss des Standorts auf das Endprodukt Faserverbundwerkstoff Es soll die Frage geklärt werden, ob der Anbaustandort einen Einfluss auf die Qualität der Faserverbundwerkstoffe besitzt. 3. Korrelation zwischen der Qualität der Faser als Rohstoff und dem Faserverbundwerkstoff Kann man Rückschlüsse von einzelnen Faserqualitätsmerkmalen auf die Qualität der Endprodukte ziehen.

9 9 2. Material und Methoden Zur Untersuchung der Variabilität von Hanf wurden die Sorte Fedora 17 mit vier Varianten, 2 Saatstärken und 2 Stickstoffstufen, auf unterschiedlichen Standorten der Erzeugergemeinschaft für Faser- und Ölpflanzen zur technischen Verwertung in Ostwestfalen-Lippe (OWL) angebaut. Die Aussaatstärke betrug jeweils 20 und 40 kg/ha (ca. 108 und 216 keimfähige Körner/m²) mit einer Aufdüngung auf je 60 und 120 kg N/ha. Die Standorte sind durch die in Tab. 2.1 dargestellten Boden- und Klimadaten sowie der Vorfrüchte charakterisiert. Tabelle 2.1: Standortbeschreibung der Versuchsflächen in OWL Höhe ü. NN (m) Ø Jahresniederschlag (mm) Bodenart Ackerzahl Delbrück Sand 20 Kalletal Lehm 50 Steinhagen Sand 13 Werther sandiger Lehm 69 Vorfrucht Zwischenfrucht Dünger zur Vorfrucht Nmin (kg/ha) Delbrück Mais - Gülle 20 Kalletal Feldgras - 35 Steinhagen Mais - Gülle 9 Werther Gerste Senf Gülle 24 Die Aussaat erfolgte auf den Standorten von Mitte bis Ende April 2000 (Tab. 2.2) mit den auf den Betrieben üblichen Sämaschinen in Drillsaat. Die N-Düngung wurde in Form von KAS ausgebracht. Für die Untersuchungen der Felderhebungen und Ertragsfeststellung wurden je Parzelle 2 x 1m² abgesteckt, welche von Hand geerntet wurden. Hieran wurde auch die Faserqualität aller Varianten gemessen. Der Rest der Parzellen wurde maschinell mit der HempCut 3000 geerntet und betriebsüblich weiterbehandelt, d.h. das auf Schwad gelegte Stroh wurde

10 10 mehrmals zum trocknen gewendet und auf Ballen gepresst. Die Erntetermine der Standorte sind in Tab 2.2 aufgeführt. Tabelle 2.2: Aussaat- und Erntetermine der verschiedenen Standorte Aussaat Handernte Parzellenernte Delbrück Kalletal Steinhagen Werther In Abb. 2.1 ist die Summe des Niederschlags je Monat im Jahr 2000 der einzelnen Standorte in OWL dargestellt. Niederschlag in mm Niederschläge OWL 2000 Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Abb. 2.1: monatlicher Niederschlag der Standorte in OWL 2.1 Felderhebung und Ertragsfeststellung Während der ganzen Vegetationszeit wurden in den Beständen Zählungen (Keimdichte) und Messungen ( Höhen- und Dickenwachstum) durchgeführt Die Aufarbeitung des Probematerials wurde nach der von HEYLAND und KROMER (1995) beschriebenen Methodik durchgeführt. Die Entholzung wurde wie in Kap. 2.2 beschrieben verändert.

11 11 Es wurde das Frischgewicht der geernteten Handprobe festgestellt, nach Lufttrocknung das Trockengewicht bei der Ernte festgestellt. Daraus wurde der korrigierte (87 % TM) Strohertrag (dt/ha) errechnet. Außerdem wurden je 10 Pflanzen pro Parzelle gemessen (Wuchshöhe, Stängeldurchmesser Mitte), sowie die Stängelanzahl gezählt, um die Bestandesdichte zu ermitteln. 2.2 Ermittlung der Faserqualität Die getrockneten Strohproben wurden für die mechanische Entholzung und die Feststellung des Faseranteils verwendet. Der Faseranteil wurde nach einer mechanischen Entholzung der ungerösteten Strohprobe auf einer BAHMER-Labor-Flachs-Brecher (BLFB), Typ Flaksy durchgeführt. Es wurden ca. 100 g Stroh entholzt. Da das Hanfstroh zu dick war, wurde es vorher mittels eines Mähdreschers 1 x (anstelle das erste mal Flaksy) gebrochen und danach mit der Flaksy entholzt. Nach einer Teilentholzung (3 Walzendurchläufe an der Flaksy) wurde der Entholzungsgrad, nach der Vollentholzung (10 Walzendurchläufe an der Flaksy) der Faseranteil und der Restholzanteil ermittelt. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit einer Materialprüfmaschine ZWICK 1445 mit einer Einspannlänge von 10 mm am Institut für Landtechnik in Bonn nach der von BECKMANN (1998) beschriebenen Methode festgestellt. Faserqualitätsmerkmale: Vegetative Merkmale: Faseranteil nach Vollentholzung (%) Faserertrag nach Vollentholzung (kg/ha) Entholzungseigenschaften: Entholzungsgrad (%): (= leicht entholzbarer Anteil) Anteil des nach Teilentholzung (3 Walzendurchläufe) bereits entfernten Holzteils am gesamten Holzverlust nach 10 Walzendurchläufen

12 12 Restholzanteil (%): (= schwer entholzbarer Anteil) gibt an, welcher Anteil des Gewichtes nach Teilentholzung noch aus Schäben besteht Mechanische Stoffeigenschaften: Probenvorbereitung: 50 Faserbündel / Probe (davon 24 auswertbar), 100 mm Länge Messungen: Bündeldurchmesser (mm): mittels Lasermikrometer zur Berechnung der Querschnittsfläche Feinheit (tex): Gewicht pro 100 mm Länge Zugprüfung: Einspannlänge: 10 mm; Prüfgeschwindigkeit: 3 mm / Min.; Vorkraft: 0,05 N Höchstzugkraft (N) bei max. Kraft: entspricht meist der Reißkraft Dehnung (%) bei Höchstzugkraft Errechnete Merkmale: Zugfestigkeit (MPa): Höchstzugkraft bezogen auf die Querschnittsfläche Feinheitsbezogene Höchstzugkraft (cn/tex): Höchstzugkraft bezogen auf die Feinheit E- Modul (MPa): Höchstzugkraft bezogen auf die Dehnung 2.3 Weiterverarbeitung Das Stroh der unterschiedlichen Standorte wurde vor dem Aufschluss optisch auf den Röstgrad geschätzt. Hierbei wurden alle drei Chargen als leicht bis mittel geröstet bewertet. In Tab. 2.3 werden die Einflüsse der Witterung und der mechanischen Belastung auf das Stroh vor dem Pressen dargestellt.

13 13 Tab. 2.3: Einflüsse durch Witterung und Wendevorgang auf das Hanfstroh Charge Delbrück Kalletal Werther Tage bis zur Bergung Niederschlagstage Anzahl Wendevorgänge Das Stroh der Parzellen mit der hohen Saatstärke (40 kg/ha) und der hohen N-Düngung (120 kg N/ha) wurden bei der Firma Nafitec mit dem Impact - Verfahren aufgeschlossen. Dies geschieht durch Prall-, Scher- und Biegebeanspruchung. Im Rahmen einer Diplomarbeit bei Nafitec, welche geschützt als Betriebsgeheimnis bei Nafitec vorliegt, wurden aus jeder Charge Faserverbund-Probekörper durch Press- bzw. Spritzverfahren aus Hanffasern und dem Kunststoff Polypropylen (PP) hergestellt. An diesen wurden jeweils folgende mechanischen Untersuchungen durchgeführt: Charpy- Schlagzähigkeit (kj/m²) Zugfestigkeit (MPa) E-Modul (MPa) Biegefestigkeit (MPa) Biegemodul (MPa) Bei diesen Untersuchungen konnten nur Chargen der Standorte Delbrück, Kalletal und Werther untersucht werden. Das Stroh des Standorts Steinhagen konnte nicht trocken geborgen werden und verschimmelte. Von allen drei Chargen wurden Buchflächen der gespritzten Zugproben unter dem Raster- Elektronen-Mikroskop (REM) betrachtet, um die Eigenschaften des Polymer-Faser- Verbundes vergleichen zu können. 2.4 Statistische Auswertung Die statistische Auswertung der erhobenen Daten wurden mit dem Programm SAS, Version 8.1, durchgeführt. Die Varianzanalysen erfolgten unter Verwendung der SAS-Prozedur ANOVA. Falls es nicht ausdrücklich im Ergebnisteil und im Tabellenanhang anders vermerkt

14 14 ist, wurde bei den einzelnen Verrechnungen eine Irrtumswahrscheinlichkeit (p) von α 0,05 gewählt. Grenzdifferenzen (GD 5% ) der Mittelwertsvergleiche von Hauptwirkungen werden für eine Irrtumswahrscheinlichkeit von 5 % angegeben. Ansonsten bezeichnen die Signifikanzschwellen folgende Irrtumswahrscheinlichkeiten: n.s. = nicht signifikant α 0,05 = * (signifikant) α 0,01 = ** (hoch signifikant) α 0,001= *** (höchst signifikant) Mittelwertsvergleiche wurde mit Hilfe des Tukey- Tests durchgeführt Korrelationsrechnungen wurden nach Pearson gerechnet

15 15 3. Ergebnisse In einem einjährigen Versuch wurde in Ostwestfalen-Lippe die Sorte Fedora 17 auf vier verschiedenen Standorten angebaut, um den Einfluss der verschiedenen Standorte auf Ertrag und Qualität bei Hanf zu untersuchen. Für den Anbau von Lein waren diese Standorte nicht geeignet, da auf diesen in den Vorjahren auch Gülle ausgebracht worden ist. Der Lein, der in diesen Versuchen angebaut wurde ist so stark ins Lager gegangen, dass dieser nicht mehr geerntet werden konnte. Zuerst werden die Ergebnisse dargestellt die mit dem Bonner Aufschluss ermittelt worden sind. Diese wurden über beide Saatstärken und Düngestufen untersucht. Die Untersuchungen des Aufschlusses Nafitec und der Probekörper stammen alle von Parzellen mit der hohen Saatstärke (40 kg/ha) und der hohen N-Düngung (120 kg N/ha) 3.1 Einfluss des Standortes Ertrags- und qualitätsbestimmende Merkmale Die Bestandesdichte unterscheidet sich nicht signifikant zwischen den Standorten, der Stängeldurchmesser am Standort Werther ist mit 9 mm jedoch signifikant dicker als bei den übrigen Standorten mit durchschnittlich 7,5 mm. Die Bestände erreichen auf diesem Standort auch die größte Wuchshöhe (Tab. 3.x). Tab. 3.1: Ortsmittelwerte für ertrags- und qualitätsbestimmende Merkmale bei Hanf (Mittel= 2 Saatstärken, 2 N-Stufen, 2 Blöcke) Ort Keimdichte (Pfl/m²) Bestandesdichte (St/m²) Ausdünnung (%) Stängeldurchmesser (mm) Delbrück ,1 34,8 7, ,7 27, ,1 26,2 Kalletal 95 63,4 28,9 7, ,7 31, ,1 26,3 Steinhagen 97 69,9 24,0 7, ,3 28, ,5 27,7 Werther ,1 44,9 9, ,0 31, ,9 25,0 Wuchshöhe (cm) Strohertrag (dt/ha) Faseranteil (%) Faserertrag (kg/ha) Entholzungsgrad (%) Restholzanteil (%) Mittel ,6 33,2 7, ,7 29, ,4 26,3 min 95 60,1 24,0 7, ,7 27, ,1 25,0 max ,9 44,9 9, ,0 31, ,1 27,7 GD 5% n.s. n.s. n.s. 0,95 20,0 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s.

16 16 Die Unterschiede in den Erträgen und im Faseranteil lassen sich nicht signifikant absichern. Mit 98 dt/ha Stroh- und 3116 kg/ha Faserertrag werden am Standort Werther jedoch tendenziell die höchsten Erträge festgestellt. Der Faseranteil ist an den Standorten Werther und Delbrück mit ca. 32 % und in Kalletal und Steinhagen mit ca. 28 % je vergleichbar. Einfluss des Strohertrags und Faseranteils auf den Faserertrag Erträge (dt/ha) Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Strohertrag (dt/ha) Faserertrag (dt/ha) Faseranteil (%) Faseranteil (%) Abb. 3.2: Ortsmittelwerte für den Strohertrag, Faseranteil und Faserertrag (Mittel= 2 Saatstärken, 2 N-Stufen, 2 Blöcke) Mechanische Stoffeigenschaften Die feinsten Fasern mit 4,10 tex sind in Kalletal zu finden, die gröbsten in Werther mit 5,29 tex. Die Höchstzugkraft ist in Werther am höchsten mit 2,90 N und in Kalletal am, niedrigsten mit 2,32 N. Auf die feinheitsbezogene Höchstzugkraft hat dies jedoch keinen signifikanten Einfluss. Auch bei der Dehnung und dem E-Modul sind die Werte des Standortes Werther am höchsten.

17 17 Tab. 3.2: Ortsmittelwerte für mechanische Stoffeigenschaften bei Hanf sowie deren Standardabweichungen ( s ) ( Mittel = 2 Saatstärken 2 N-Stufen und 24 Messwiederholungen) E-Modul (MPa) Zugfestigkeit (MPa) feinh. Höchstzugkraft (cn/tex) Dehnung (%) Höchstzugkraft (N) Feinheit (tex) Bündeldurchmesser (mm) Standort Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Delbrück 0,093 ab 0,030 5,29 a 2,35 2,65 ab 1,37 2,76 ab 1,04 53,7 a 23,8 445 a ab 8539 Kalletal 0,083 b 0,025 4,10 b 1,98 2,32 b 1,36 2,82 ab 1,05 60,6 a 32,6 454 a ab 7189 Steinhagen 0,094 a 0,032 4,79 ab 2,20 2,52 ab 1,44 2,55 b 1,04 55,7 a 25,3 407 a b 8974 Werther 0,091 ab 0,029 5,29 a 2,88 2,90 a 1,51 2,91 a 0,88 59,0 a 22,2 501 a a 9714 Mittelwert 0,090 4,86 2,60 2,76 57, GD 5% 0,010 0,80 0,51 0,35 n.s. n.s Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Differenzen beim Mittelwertvergleichs an 3.2 Einfluss von Standort und Saatstärke Ertrags- und qualitätsbestimmende Merkmale Pflanzen/m² Bestandesdichte Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Durchmesser (mm) Stängeldurchmesser Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Wuchshöhe (cm) Wuchshöhe Delbrück Kalletal Steinhagen Werther 20 kg Saatgut/ha 40 kg Saatgut/ha Varianztabelle: Bestandesdichte: Saat p = 0,001 Ort x Saat p = 0,001 Stängeldurchmesser: Saat p = 0,05 Wuchshöhe: Saat p = 0,01 Abb. 3.2: Mittelwerte für die Bestandesdichte und Stängeldurchmesser an vier Orten für 2 Saatstärken (Mittel= 2 N-Stufen, 2 Blöcke) p gibt die signifikanten Unterschiede einer Varianzanalyse bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5%, 1% und 0,1 % an

18 18 Die Bestandesdichten sind bei der niedrigen Saatstärke an jedem Standort am niedrigsten. Sie unterscheiden sich auch zwischen den Standorten (Abb. 3.2). In Kalletal ist die Pflanzenzahl bei 20 kg/ha mit 35 Pflanzen/m² am niedrigsten, aber bei 40 kg/ha mit 92 Pflanzen/m² am höchsten; der Unterschied beträgt 57 Pflanzen. In Steinhagen ist der Unterschied mit 40 Pflanzen auch noch hoch. In Delbrück beträgt der Unterschied zwischen der niedrigen und hohen Saatstärke 16 Pflanzen/² und in Werther 12 Pflanzen/m². Der Stängeldurchmesser unterscheidet sich nur zwischen den Saatstärken signifikant. Durch hohe Saatstärken werden dünnere Stängel erzeugt (Abb. 3.2). Bei der niedrigen Saatstärke wurden größere Wuchshöhen gemessen als bei der hohen Saatstärke. In Delbrück und Werther wuchsen die Pflanzen höher als in Kalletal und Steinhagen. Durch eine Erhöhung der Saatstärke lassen sich die Erträge auf allen Standorten nur tendenziell erhöhen (Abb. 3.3). Es ist zu erkennen, dass in Werther der Stroh-, als auch der Faserertrag bei der niedrigeren Saatstärke mit 107,5 dt/ha und 3451 kg/ha am höchsten sind. In Kalletal und Steinhagen ist der Faserertrag bei der hohen Saatstärke tendenziell höher als bei der niedrigen Saatstärke. In Delbrück ist kein Ertragsunterschied feststellbar. Der Faseranteil steigt bei einer Erhöhung der Saatdichte. Der Faseranteil ist in Kalletal und in Steinhagen bei der hohen Saatstärke höher. In Delbrück und Werther hat die Saatstärke keinen so großen Einfluss auf den Faseranteil. Strohertrag (dt/ha) S trohertrag Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Faseranteil (%) Faseranteil Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Faserertrag (kg/ha) Faserertrag Delbrück Kalletal Steinhagen Werther 20 kg Saatgut/ha 40 kg Saatgut/ha Varianztabelle: Strohertrag: nicht signifikant Faseranteil: Saat p = 0,05 Faserertrag: nicht signifikant Abb. 3.3: Mittelwerte für den Strohertrag, Faseranteil und Faserertrag an vier Orten für 2 Saatstärken (Mittel= 2 N-Stufen, 2 Blöcke). p gibt die signifikanten Unterschiede einer Varianzanalyse bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5%, 1% und 0,1 % an.

19 19 Mechanische Stoffeigenschaften Durch eine Erhöhung der Saatstärke lässt sich die Dehnung signifikant erhöhen (Abb. 3.4). Wechselwirkungen mit dem Standort konnten nicht gesichert werden. Die übrigen Daten sind in der Anhangstabelle dargestellt Dehnung (%) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Dehnung Delbrück Kalletal Steinhagen Werther 20 kg /ha 40 kg/ha Abb. 3.4: Mittelwerte für die Dehnung an vier Orten für 2 Saatstärken (Mittel= 2 N-Stufen, 24 Messwiederholungen) (Dehnung: p = 0,05) 3.3 Einfluss von Standort und N-Düngung Ertrags- und qualitätsbestimmende Merkmale Durch eine Erhöhung der N-Düngung blieben die Pflanzen, bis auf dem Standort Delbrück, im Wuchs kleiner (Abb. 3.5). Auf die übrigen ertragsbildenden Merkmalen hatte die N- Düngung keinen signifikanten Einfluss. Wuchshöhe (cm) Wuchshöhe Delbrück Kalletal Steinhagen Werther 60 kg N/ha 120 kg N/ha Abb. 3.5: Mittelwerte für die Wuchshöhe an vier Orten für 2 N-Stufen (Mittel= 2 Saatstärken, 2 Blöcke) (Wuchshöhe: p = 0,05)

20 20 Auch bei den Erträgen konnte kein signifikanter Einfluss der N-Düngung festgestellt werden (Abb. 3.6). Strohertrag (dt/ha) Strohertrag Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Faseranteil (%) Faseranteil Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Faserertrag (kg/ha) Faserertrag Delbrück Kalletal Steinhagen Werther 60 kg N/ha 120 kg N/ha Varianztabelle: Strohertrag: Faseranteil: Faserertrag: nicht signifikant nicht signifikant nicht signifikant Abb. 3.6: Mittelwerte für den Strohertrag, Faseranteil und Faserertrag an vier Orten für 2 N-Stufen (Mittel= 2 Saatstärken, 2 Blöcke) p gibt die signifikanten Unterschiede einer Varianzanalyse bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5%, 1% und 0,1 % an Tendenziell sind jedoch die Erträge, bis auf den Standort Delbrück, bei der niedrigen N-Gabe höher als bei der hohen N-Gabe. In Werther ist der Faserertrag durch den hohen Faseranteil bei der hohen N-Stufe, bei beiden N-Stufen fast gleich hoch. Auf den übrigen Standorten ist der Faseranteil bei 60 kg N/ha tendenziell höher. Mechanische Stoffeigenschaften Durch eine erhöhte N-Gabe steigt der Bündeldurchmesser auf den Standorten bis auf Steinhagen. Dort ist der Bündeldurchmesser bei der niedrigen N-Düngung leicht höher. Die Feinheit der Faserbündel unterscheidet sich in Steinhagen nicht, auf den übrigen Standorten sind sie bei der hohen N-Düngung gröber. Die Höchstzugkraft ist bei der hohen N-Gabe auf allen Standorten höher. Die feinheitsbezogene Höchstzugkraft ist in Delbrück und Kalletal

21 21 bei einer Düngung von 60 kg N/ha am höchsten, in Steinhagen ist es umgekehrt und in Werther unterscheiden sich die Werte kaum voneinander. Die Dehnung ist in Kalletal, Steinhagen und Werther bei 120 kg N/ha höher, in Delbrück verhält es sich anders herum (Abb. 3.7). Durchmesser (mm) 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Durchmesser Feinheit (tex) Feinheit Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Höchstzugkraft Dehnung Höchstzugkraft (N) Dehnung (%) Delbrück Kalletal Steinhagen Werther Delbrück Kalletal Steinhagen Werther feinh. bezogene Höchstzugkraft (cn/tex) feinheitsbezogene Höchstzugkraft Delbrück Kalletal Steinhagen Werther 60 kg N/ha 120 kg N/ha Varianztabelle: Durchmesser: N p = 0,001 Ort x N p = 0,05 Feinheit: N p = 0,001 Ort x N p = 0,001 Höchstzugkraft: N p = 0,001 Dehnung: N p = 0,001 Ort x N p = 0,001 feinheitsbezogene Höchstzugkraft: Ort x N p = 0,001 Abb. 3.7: Mittelwerte für den Durchmesser, die Feinheit, die Höchstzugkraft, Dehnung und feinheitsbezogene Höchstzugkraft an vier Orten für 2 N-Stufen (Mittel= 2 Saatstärken, 24 Messwiederholungen)

22 Mechanische Untersuchung der Faserbündel nach dem Aufschluss Nafitec Tab. 3.3: Ortsmittelwerte für mechanische Stoffeigenschaften bei Hanf sowie deren Standardabweichungen ( s ), Aufschluss Nafitec ( Mittel = 24 Messwiederholungen) Standort Bündeldurchmesser (mm) Feinheit (tex) Höchstzugkraft (N) Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Delbrück 0,44 a 0,210 52,2 a 13,20 15,5 a 6,67 5,43 a 2,18 31,2 a 13, Kalletal 0,32 b 0,160 36,2 b 14,60 11,1 b 5,65 4,45 ab 1,68 32,3 a 10, Steinhagen 0,36 ab 0,130 35,8 b 9,79 6,81 c 2,72 2,77 c 0,77 19,3 b 6, Werther 0,40 ab 0,180 36,0 b 9,63 11,2 b 4,43 3,73 bc 1,45 31,6 a 9, Dehnung (%) feinh. Höchstzugkraft (cn/tex) Zugfestigkeit (MPa) E-Modul (MPa) Mittelwert 0,38 40,1 11,1 4,09 28, GD 5% 0,09 9,43 4,16 1,33 7,68 n.s. n.s. Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Unterscheide beim Mittelwertvergleich an Die gröbsten Fasern mit 52,2 tex stammen vom Standort Delbrück, die übrigen Standorte liegen um die 36 tex (Tab. 3.3). Die Faserbündel mit der höchsten Höchstzugkraft (15,5 N) sind in Delbrück zu finden, die mit der niedrigsten mit 6,81 N in Steinhagen. Dies führt dazu, dass in Steinhagen auch die feinheitsbezogene Höchstzugkraft am niedrigsten ist. Auch die Dehnung ist wiederum in Steinhagen am geringsten mit 2,77 % und in Delbrück am höchsten mit 5,43 %. Faserqualitäten im Vergleich der Aufschlussanlagen Ein Vergleich der Faserqualitäten der Faserbündel im Bezug zum Aufschlussverfahren zeigt, dass hier keine Korrelationen festgestellt werden können. Im Mittel sind die Faserbündel beim Aufschluss Nafitec größer und damit auch gröber. Die Höchstzugkraft ist hier höher, ebenso wie die Dehnung. Im Gegenzug haben die Faserbündel beim Aufschluss Bonn eine höhere feinheitsbezogene Höchstzugkraft, eine höhere Zugfestigkeit, sowie ein höheres E- Modul (Tab3.4).

23 23 Tab. 3.4: Vergleich der Faserqualitäten von Hanf nach unterschiedlichen Aufschlussverfahren, sowie deren Standardabweichung ( s ) und Korrelationskoeffizienten ( r ) (Mittel= 4 Standorte (S2/N2), 24 Messwiederholungen) Aufschlussverfahren Bündeldurchmesser (mm) Feinheit (tex) Höchstzugkraft (N) Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Nafitec 0,38 0,17 40,1 15,0 11,15 5,88 4,09 1,86 28,6 11, Bonn 0,25 0,08 23,4 6,6 8,24 3,94 3,05 1,17 35,6 15, Dehnung (%) feinh.höchstzugkraft (cn/tex) Zugfestigkeit (MPa) E-Modul (MPa) r = -0,03 0,12-0,08-0,06-0,12-0,06-0, Ermittlung der mechanischen Kennwerte der geprüften Probekörper In Tab. 3.5 sind die Ergebnisse der mit PP verpressten Naturfasermatten aufgelistet. Die Charpy- Schlagzähigkeit ist beim Probekörper aus Delbrück am höchsten mit 10,7 kj/m². Die aus Kalletal ist mit 8 kj/m² signifikant niedriger. In Kalletal kommt noch hinzu, dass die Streuung am höchsten ist. Die übrigen Kennwerte unterscheiden sich zwischen den Standorten nicht signifikant. Auffallend sind aber die jeweiligen Standardabweichungen. Bei der Zugfestigkeit ist die Streuung der Probe aus Werther mit 2,6 sehr hoch. Dies trifft ebenfalls für den E-Modul zu mit 236 im Gegensatz zu ca. 89,5 der anderen beiden Standorte. Bei der Biegefestigkeit und dem Biegemodul haben die Proben aus Werther die geringsten Streuungen, tendenziell aber auch die niedrigsten Festigkeiten. Tab. 3.5: Mittel der mechanische Kennwerte Charpy- Schlagzähigkeit (n=10), Zugfestigkeit (n=7), E-Modul (n=7), Biegefestigkeit (n=7) und Biegemodul (n=7), sowie deren Standardabweichungen ( s ) der gepressten Probekörper Charpy-Schlagzähigkeit Zugfestigkeit E-Modul Biegefestigkeit Biegemodul (kj/m²) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Delbrück gepresst 10,7 a 1,3 12,9 1, ,82 2, Kalletal gepresst 8,0 b 2,2 9,9 1, ,14 1, Werther gepresst 9,0 ab 1,5 12,0 2, ,47 1, Mittel 9,2 11, , GD 5% 1,89 n.s. n.s. n.s. n.s. Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Differenzen beim Mittelwertvergleich an

24 24 In Tab. 3.6 sind die Ergebnisse der gespritzten Probekörper aufgelistet. Die Probekörper aus Werther besitzen bei der Charpy- Schlagzähigkeit, der Zugfestigkeit, dem E-Modul, sowie der Biegefestigkeit die signifikant höchsten Festigkeiten. Beim Biegemodul besitzt Kalletal die niedrigste Festigkeit. Auffällig ist, das bei allen Untersuchungen die Probekörper aus Delbrück die höchsten Streuungen aufweisen. Tab. 3.6: Mittel der mechanischen Kennwerte Charpy- Schlagzähigkeit (n=10), Zugfestigkeit (n=7), E-Modul (n=7), Biegefestigkeit (n=7) und Biegemodul (n=7), sowie deren Standardabeichungen ( s ) der gespritzten Probekörper Charpy-Schlagzähigkeit Zugfestigkeit E-Modul Biegefestigkeit Biegemodul (kj/m²) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Mittelwert s Delbrück gespritzt 17,8 b 2,0 45,2 b 2, ab ,8 a 1, a 332 Kalletal gespritzt 19,3 ab 1,5 44,4 b 0, b ,9 b 0, b 186 Werther gespritzt 20,5 a 1,9 49,5 a 0, a ,1 c 0, a 100 Mittel 19,2 46, , GD 5% 2,01 2, ,2 310 Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Differenzen beim Mittelwertvergleich an 3.6 Korrelationen zwischen mechanischen Eigenschaften der Faserbündel und der Probekörper Tab. 3.7: Korrelationskoeffizienten ( r ) zwischen mechanischen Eigenschaften der Faserbündel und der Probekörper gepresst gespritzt Charpy- Schlagzähigkeit (kj/m²) Zugfestigkeit (MPa) E-Modul (MPa) Biegefestigkeit (MPa) Biegemodul (MPa) Charpy- Schlagzähigkeit (kj/m²) Es wurden nur r signifikant verschieden zu 0 aufgenommen, * p 0,05 Zugfestigkeit (MPa) E-Modul (MPa) Bündeldurchmesser (mm) 0,99 * Feinheit (tex) Höchstzugkraft (N) Dehnung (%) 0,99 * - 0,99 * feinh. Höchstzugkraft (cn/tex) - 0,99 * Zugfestigkeit (MPa) - 0,99 * E-Modul (MPa) Biegefestigkeit (MPa) Biegemodul (MPa)

25 25 In Tab. 3.7 sind die Korrelationskoeffizienten zwischen den mechanischen Eigenschaften der Faserbündel und der daraus hergestellten Probekörper dargestellt. Bei den gepressten Probekörpern konnte eine sehr starke positive Korrelation zwischen der Zugfestigkeit der Probekörper und dem Bündeldurchmesser sowie eine stark negative zur der feinheitsbezogenen Höchstzugkraft festgestellt werden. Die Biegefestigkeit korreliert stark mit der Dehnung. Bei den gespritzten Probekörpern bestehen jeweils starke negative Korrelationen zwischen der Charpy- Schlagzähigkeit und der Dehnung, sowie dem E-Modul der Probekörpers zur Zugfestigkeit.

26 26 4. Diskussion Obwohl die Standorte doch recht verschieden sind, vor allem hinsichtlich des Bodens, konnten kaum signifikante Unterschiede bei den Ertrags- und qualitätsbestimmenden Merkmalen ausgemacht werden, Tendenzen sind jedoch erkennbar. Werther hat von den vier Standorten mit einem sandigem Lehm und einer Ackerzahl von 69 den besten Boden. Dies führt dazu, dass hier tendenziell die höchsten Erträge erzielt werden konnten. Der hohe Strohertrag (98 dt/ha) wird vor allem sehr dicke Stängeldurchmesser und hohe Wuchshöhen, welche beide signifikant größer zu den anderen Standorten sind, erreicht. Da auch der Faseranteil recht hoch ist, können auf diesem Standort die höchsten Fasererträge erzielt werden. Die Ausdünnung ist in Werther am höchsten und damit die Bestandesdichte am niedrigsten. Die sandigen Standorte Delbrück und Steinhagen weisen tendenziell die geringeren Faseranteile auf und damit auch niedrigere Fasererträge. Selbst der relativ hohe Strohertrag von 82,7 dt/ha in Delbrück kann den Faserertrag nicht anheben. Die Stroherträge unterscheiden sich selbst auf den Sandstandorten nicht signifikant voneinander. Eine ausreichende Wasserversorgung ist für die Realisierung eines guten Biomasseertrag von großer Bedeutung (HÖPPNER und MENGE-HARTMANN, 1994). Im Jahr 2000 ist auf allen Standorten genügend Niederschlag gefallen, so dass selbst auf den Sandböden mit ihrem niedrigen Wasserpotential Wasser keinen limitierenden Faktor darstellte. Hier ist es interessant, wie sich die Erträge auf den einzelnen Standorten in trockenen Jahren darstellen. Standortunterschiede scheinen jedoch für den Ertrag nicht so bedeutend zu sein wie Sortenunterschiede (VON BUTTLAR et al., 1997; MASTEL et al., 1998; VETTER und GRAF, 1999). Die Faserfestigkeiten sind auf dem Standort Werther immer mit am höchsten. Hier scheint sich der optimale Boden positiv auszuwirken. Die Nährstoffnachlieferung ist auf sandigen Tonböden gut und auch das Wasserhaltevermögen ist optimal. Die Saatstärke hat auf keinem Standort einen signifikanten Einfluss auf den Stroh- und Faserertrag. Durch die höhere Saatstärke wird der Faseranteil in den Stängeln erhöht. Dies hat jedoch keinen signifikanten Einfluss auf den Faserertrag. Auch MASTEL et al. (1998) und MÜNZER (1999) konnten keinen Ertragsanstieg bei weiteren Saatstärkesteigerungen beobachten. Wie auch schon MEDIAVILLA et al. (1998) beobachteten nimmt der

27 27 Stängeldurchmesser mit der Saatstärke ab. Dies ist auch bei der Wuchshöhe festzustellen. Auf allen Standorten konnten bei der hohen Saatstärke eine Erhöhung der Dehnung der Faserbündel festgestellt werden. Auch durch die N-Düngung lassen sich die Erträge auf den Standorten 2000 nicht signifikant erhöhen. Bei RÖHRICHT et al. (1997) war dagegen eine Erhöhung von 60 auf 120 kg N/ha ertragswirksam. Nach MASTEL et al. (1998) lohnt sich auf Sandstandorten sogar eine N- Steigerung bis 160 kg/ha. Da im Versuchsjahr genügend Niederschlag auch auf den Sandstandorten zur Verfügung stand ist anzunehmen, dass genug Stickstoff aus dem Boden mineralisiert werden konnte und auch zur Verfügung stand. Andererseits war es nicht zu viel Niederschlag, so dass es nicht zu Auswaschungen gekommen ist. Durch eine erhöhte N- Düngung werden die Fasern gröber, die Höchstzugkraft und die Dehnung nehmen zu. Nur auf dem Standort Delbrück verhält es sich bezüglich der Feinheit und der Dehnung andersherum. Die feinheitsbezogene Höchstzugkraft ist in Delbrück und Kalletal bei wenig N am höchsten, in Steinhagen bei viel N. In Werther scheint der Stickstoff keinen Einfluss hierauf zu haben. Nach HÖPPNER und MENGE-HARTMANN (1995) und BÓCSA (1997) verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften bei höherer N-Düngung. Faserqualitäten im Vergleich der Aufschlussanlagen Die oben diskutierten Faserqualitäten über die Orte entstanden im Mittel über die Saatstärken und N-Stufen von der Handernte. Für den Vergleich mit den Probekörpern wurden noch einmal die Fasern nach dem Aufschluss Nafitec und dem Aufschluss Bonn der zu Probekörpern verarbeiteten Strohparzellen (hohe Saatstärke und N-Düngung) untersucht. Es fällt auf, dass hier die Fasern beider Aufschlüsse sehr dick sind im Gegensatz zu den Werten über alle Parzellen. Hier sieht man sehr deutlich, welchen Einfluss die Aufarbeitung der Faserproben besitzt. Sie wurden von 2 verschiedenen Personen durchgeführt und sind nicht vergleichbar. Nach dem Aufschluss Nafitec findet man in Delbrück die gröbsten Fasern mit den höchsten mechanischen Festigkeiten. Die feinsten Fasern mit den geringsten Festigkeiten kommen aus Steinhagen. In Steinhagen konnte das Stroh nicht trocken gepresst werden. Durch pilzlichen Befall wurden die Fasern stark angegriffen. Diese Charge wurde auch nicht zu Probekörpern verarbeitet. Werther und Kalletal unterscheiden sich in den Faserqualitäten nicht voneinander.

28 28 Ein Vergleich der Aufschlussarten zeigt, dass sich keine Korrelationen herstellen lassen. Zum einen stammt das Material für den Aufschluss Bonn aus reinem Grünhanf der Handernte. Das Material des Aufschlusses Nafitec wurde dagegen leicht geröstet und vorher schon mechanisch beansprucht. Zum anderen werden die Fasern durch die unterschiedlichen Verfahren anders beansprucht. Man hätte hier das gepresste Material auch mit dem Bonner Aufschluss untersuchen müssen. Um die Qualität der Fasern auf dem Feld feststellen zu können, müsste man die selbe Aufschlussmethode wie später im Werk nutzen und mit Material des selben Röstgrads arbeiten. Bewertung der mechanischen Messwerte der geprüften Probekörper Bei den gepressten Probekörpern liegen kaum signifikante Unterschiede beim Mittelwertsvergleich vor. Dagegen kann man bei der Standardabweichung große Unterschiede erkennen. Die Standardabweichung ist ein Kennwert über die Güte bzw. Qualität einer Charge. Große Streuungen lassen sich vor allem auf das inhomogene Gefüge der gepressten Naturmatten zurückführen. Obwohl die PP- und Naturfasern sorgfältig gemischt worden sind, kann es innerhalb einer Naturfasermatte noch zu PP- oder Hanfverdichtungen kommen. Durch den Pressvorgang sind eventuell nicht alle Mattenzonen gleichmäßig verdichtet worden, wodurch sich stellenweise Lufteinschlüsse gebildet haben. Bei der Versuchsdurchführung wurden deshalb Probekörper mit sichtbaren Lufteinschlüssen oder stark welliger Oberfläche aussortiert. Die Chargen der gespritzten Probekörper unterscheiden sich stärker voneinander. Die Versuchsreihen der Probekörper aus Delbrück weisen durchweg hohe Standardabweichungen auf. In der Gesamtbetrachtung befinden sich die ermittelten Messwerte im vorderen Bereich. Um vergleichsweise hohe Werte zu erhalten, muss die Ankopplung zwischen dem PP und den Naturfasern gut sein. Die Bruchfläche der Charge aus Werther erscheint unter dem REM glatt und hat kaum Lufteinschlüsse, die Fasern sind nicht ohne Widerstand aus dem Polymer- Faser-Verbund herausgerissen worden. Diese Beobachtung und die hohen Messwerte deuten auf eine gute Ankopplung hin. In der Bewertung zeigt die hohe Standardabweichung dieser Charge eine ungünstige Streuung, die sich negativ auf die Bauteileigenschaften auswirken kann. Für die Konstruktion ist es von Vorteil, wenn die Chargen nur in einem engen Bereich streuen, um möglichst gleiche Bedingungen zu haben.

29 29 Die Messwerte der Charge aus Kalletal liegen eher im unteren Bereich. Aufnahmen des REM zeigen, das die Fasern nicht aufgeraut, sondern glatt aus dem Verbund herausgezogen worden sind. Die Bruchfläche wirkt stärker zerklüftet und es sind mehr Lufteinschlüsse sichtbar. Die Ankopplung des Polymer-Faser-Verbundes sind hier im Vergleich zu den anderen Chargen gering. Die Standardabweichungen sind bei dieser Charge jedoch relativ gering. Diese Charge ist somit eher für den Einsatz bei geringen Bauteilbelastungen zu empfehlen. Die Probekörper der Charge aus Werther zeichnen sich durch hohe Werte und geringe Standardabweichungen aus. Die REM- Aufnahmen zeigen, dass die Fasern mit hohem Widerstand aus dem Polymer-Faser-Verbund herausgerissen worden sind. Die Fasern sind einerseits stark aufgeraut, andererseits sind sie so fest mit dem Polymer verbunden, dass sie glatt abreißen. Diese Charge verfügt somit über einen sehr guten Polymer-Faser-Verbund. Auf dem Standort Werther lag das Stroh 4 bis 6 Tage länger auf dem Feld und hat überdies noch 6 Tage Regen abbekommen. Dies hat aber anscheinend nicht zu einer stärkeren Röste geführt. Die Faserfestigkeiten unterscheiden sich kaum von denen in Kalletal. Durch diese leichte Röste können die Fasern leicht angeraut worden sein, was sich positiv für einen guten Verbund darstellt, ohne schon etwas von ihrer Festigkeit verloren zu haben. KOHLER et al. (1997) bewerten eine Röste positiv im Hinblick auf die Faserqualität und die Qualität der daraus hergestellten Pressplatten und erklärten die besseren Werte durch eine höhere Faser- Matrix-Haftung der feinen Fasern. Die hohen Festigkeiten der Fasern aus Delbrück wirken sich positiv auf die mechanische Festigkeit der Spritzgusskörper. Die Faserqualitäten weisen auf diesem Standort hohe Standardabweichungen auf, welche auch bei den Probekörpern wiederzufinden ist. Eventuell liefert der sandige Boden nicht überall genügend Nährstoffe und Wasser, so das die Charge recht inhomogen wird. Von den geprüften Standorten weist Werther die geringsten Standardabweichungen bei Faser- und Prüfteilqualitäten auf. Der gute Boden sorgt für eine gleichmäßige Versorgung der Pflanzen, was der Faserqualität zugute kommt. Da sich die Faserfestigkeiten von Werther und Kalletal kaum unterscheiden, scheint die leichte Röste doch einen Vorteil beim Polymer-Faser-Verbund zu besitzen und ist somit für positiv zu bewerten

30 30 Korrelationen zwischen mechanischen Eigenschaften der Faserbündel und der Probekörper Es konnten ein paar sehr hohe Korrelationen zwischen den mechanischen Eigenschaften der Faserbündel der Probekörper festgestellt werden. Bei den gepressten Probekörpern führt ein großer Bündeldurchmesser der Fasern zu hohen Zugfestigkeiten. Dagegen führen hohe feinheitsbezogene Höchstzugkräfte zu niedrigeren Zugfestigkeiten. Für die Zugfestigkeit der gepressten Probekörper scheinen also dicke, große Fasern von Vorteil zu sein. Eine hohe Dehnung der Fasern wirkt sich positiv auf die Biegefestigkeit der Probekörper aus. Bei den gespritzten Probekörpern wirkt sich eine hohe Dehnung der Faserbündel negativ auf die Charpy- Schlagzähigkeit aus. Ebenso führt eine hohe Zugfestigkeit der Fasern zu einem geringeren E-Modul der Spritzkörper. 5. Zusammenfassung Zur Optimierung der Rohstoffproduktion ist im einzelnen eine Bewertung von Standortbedingungen und pflanzenbaulichen Maßnahmen für die Faserqualität von Rohstoff und Endprodukt vorzunehmen. Die Ertragssicherheit und Ertragsleistung ist in die Beurteilung der Anbauwürdigkeit zur Produktion hochwertiger Naturfasern mit einzubeziehen. Daher wurde in Kooperation mit der Erzeugergemeinschaft Hanf, der Firma Nafitec und der Universität Bonn in Ostwestfalen-Lippe 2000 auf vier Standorten Hanf der Sorte Fedora 17 mit 2 Saatstärken und 2 N-Stufen angebaut. Der Versuch zeigte, dass trotz der unterschiedlichen Böden auf den Standorten keine signifikanten Ertragsunterschiede ausgemacht werden konnten. Dies ist wahrscheinlich auf die günstigen Witterungsbedingungen im Jahr 2000 zurückzuführen. Auch unterschiedliche Saatstärken und Stickstoffgaben führten nicht zu höheren Erträgen. Es konnten aber Qualitätsunterschiede auf den unterschiedlichen Standorten ausgemacht werden. Auf dem Sandboden in Delbrück waren die Fasern am gröbsten und die mechanischen Festigkeiten am höchsten. Allerdings war die Streuung hier auch sehr hoch. Dieses konnte auch an den Probekörpern festgestellt werden. Obwohl die Faserfestigkeiten in Werther nicht sehr hoch waren, wiesen die Probekörper hohe mechanische Belastbarkeiten auf. Dies kann auf eine leichte Röste des Strohs zurückgeführt werden, wodurch die Faser

31 31 rauer wurde. Die geringen Streuungen der Faserqualitäten auf diesem Standort wurde auch in den Werkstoffen gefunden. In Kalletal waren sowohl die Faserfestigkeiten relativ gering, als auch die Festigkeit der Probekörper. Korrelationen zwischen Faserbündelqualitäten und die der Probekörper konnten nachgewiesen werden. 6. Schlussfolgerungen für die Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis Die einjährigen Ergebnisse zeigen, dass auch auf sehr leichten Sandböden gute Erträge erzielt werden können. Hier ist allerdings zu beachten, dass in diesem Jahr ausreichend Niederschläge vorhanden waren. Ob dies auch in trockenen Jahren der Fall sein wird ist fraglich. Um Kosten zu sparen kann die Aussaatstärke zurückgefahren werden, da durch eine hohe Saatstärke keine signifikanten Mehrerträge erzielt wurden. Falls die Stängeldicke eine Rolle spielt, z.b. zum besseren Aufschluss, kann diese durch die Aussaatstärke beeinflusst werden. Die Stickstoffdüngung kann auch verhalten gegeben werden, da hier ebenfalls keine Steigerung der Erträge erzielt werden konnten. Dies ist vor allem hinsichtlich des Umweltschutzes wichtig. Für eine gleichmäßige Faserqualität scheinen gute Böden geeigneter zu sein. Hier wurden die geringsten Schwankungen gefunden, sowohl in der Faser als auch im Werkstoff. Obwohl vom Verarbeiter Grünstroh, d.h. ohne Röste, verlangt wird, scheint eine kurze Röste doch von Vorteil für die Festigkeiten des Werkstoffes zu sein. Es hat sich gezeigt, dass für diesen Landstrich Hanf die optimale Faserpflanze ist. Versuche mit Lein führten zu Totalausfällen. Dies ist auf das hohe N-Nachlieferungsvermögen der mit Gülle behandelten Böden zurück zuführen.

32 32 7. Literaturverzeichnis Block, C., 1998: Berichte und Versuchsergebnisse Hanf LWK Westfalen-Lippe. Bòcsa, I., 1997: Der Hanfanbau: Botanik, Sorten, Anbau und Ernte. Verlag Müller, Heidelberg Fölster, Th., 1995: Nachwachsende Rohstoffe in technischen Anwendungen am Beispiel Fasern/Vliese. Textilveredelung 30, Nr. 12. Göbel, J., 1994: Vergleichende Untersuchungen der Eignung verschiedener Naturfasern zur Verstärkung von Kunststoffen. Diplomarbeit, RWTH-Aachen. Haepp, H.J., 1996: Künftige Bedeutung von Naturfasern im Entwicklungskonzept der Daimler-Benz AG. Forum - Pflanzenfasern - ein moderner nachwachsender Industrierohstoff , Stuttgart Hagedorn, S., 1999: Hanffasern als Verstärkung für Kunststoffteile- Vom Massenkunststoff zum Hochleistungswerkstoff, NRW-Hanftag, Haus Düsse. Hartwig, A., 1988: Zur Frage des Bezuges zwischen Faserqualität und mikroskopisch erfaßbaren Merkmalen der Bastfaser in Stengelquerschnitten bei Lein. Diplomarbeit Bonn. Heyland, K.-U., Kromer, K.-H., Beckmann, A., Gottschalk, H. und M. Scheer-Triebel, 1995: Methodenbuch Industriefaser Lein. Arbeiten aus dem Institut für Landtechnik der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität, Nr. 18. Höppner, F. und U. Menge-Hartmann, 1994: Anbauversuche zur Stickstoffdüngung und Bestandesdichte von Faserhanf. Landbauforschung Völkenrode 44, Höppner, F. und U. Menge-Hartmann, 1995: Einfluß variierter Anbaubedingungen auf die Faserausbildung zweier Faserhanfsorten. Landbauforschung Völkenrode 45 (4), Höppner, F. und U. Menge-Hartmann, 1999: Einfluß der Bestandesführung auf Ertrag und Qualität von Hanf. 4. Bonner Naturfasertag, Bonn. Arbeiten aus dem Institut für Landtechnik der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität, Nr. 28, Kahnt, G. und B. Eusterschulte, 1996: Ackerbauliche und ökologische Aspekte des Anbaus von Faserpflanzen. Forum - Pflanzenfasern - ein moderner nachwachsender Industrierohstoff , Stuttgart Karus, M., 1999: Hanf Innovativer Rohstoff und seine Chancen am Markt Aktueller Stand und Ausblick. NRW Hanftag , Haus Düsse.