菌丝/木屑复合材料的性能

于 博 张显权 邹 莉 孙婷婷 吕海翔

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

菌丝/木屑复合材料的性能

于 博 张显权 邹 莉 孙婷婷 吕海翔

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

利用真菌菌丝、阔叶木屑制备菌丝/木屑复合材料，考察了平菇菌丝/木屑、香菇菌丝/木屑2种复合材料的静态压缩、吸声等物理力学性能，并结合FT-IR、SEM对其化学官能团、微观形貌进行了分析。结果表明：菌丝/木屑复合材料是一种新型轻质、多孔、可降解木质复合材料；两种菌丝/木屑复合材料，均具有良好的吸声性能和压缩性能。

真菌菌丝；木屑；复合材料；物理力学性能

近年来，随着人们环保意识的不断增强以及对能源危机和资源约束认识的不断加深，木质复合材料中挥发性物质对人体的伤害逐渐引起人们的关注。用木材、农作物秸秆等植物纤维材料与其他可生物降解材料，制备环境友好的生物质复合材料[1-2]成为复合材料研究发展的必然趋势。

菌糠，是食用菌栽培后培养基的固体剩余物，其主要成分为阔叶木屑，内部含有大量菌丝体，可视为一种以阔叶木屑为基体，菌丝为不连续相的新型木质复合材料——菌丝/木屑复合材料。不同于一些传统的木质复合材料(使用合成树脂胶黏剂将木质材料胶结在一起)。在菌丝/木屑复合材料中，菌丝作为不连续相将散碎的木屑紧密结合在一起，是一种基体相和不连续相都可生物降解的完全生物降解复合材料[3]，从根本上消除了化学合成胶黏剂的引入对环境造成的污染。目前，针对菌丝/木屑复合材料的研究，主要集中在两大方面：一是利用菌丝/木屑复合材料含有的糖类、蛋白质及其它营养成分，作为食用菌再生产配料、饲料、肥料、生物农药等；二是利用菌丝/木屑复合材料，作为生物活性材料，应用于修复受苯环类结构有机物以及Pb2+污染的土壤及水体[4-5]。菌丝/木屑复合材料应用于人造木质复合材料领域的研究，很少有人报道。本研究考察了平菇菌丝/木屑、香菇菌丝/木屑2种复合材料的静态压缩、吸声等物理力学性能，并利用傅立叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)等方法对其进行表征，初步探讨分析菌丝/木屑复合材料的成型机理，及其作为轻质环保材料应用在包装等领域的可行性，以期对木质复合材料的加工制备提供新的研究思路。

1 材料和方法

1.1 原料

香菇菌种、平菇菌种，由东北林业大学林学院森林保护实验室提供；杨树木屑与桦树木屑，收集于哈尔滨某木制品加工厂；其它辅助实验用品，采购于市场或由东北林业大学林学院森林保护实验室提供。

1.2 菌丝/木屑复合材料成型方法

香菇、平菇菌丝母种在PDA培养基(马铃薯葡萄糖琼脂培养基)中培养10～15 d，待真菌菌丝长满试管斜面后将其扩接至木屑培养基中。木屑培养基组成成分及其所占质量比例：阔叶木屑(杨木50.0%、桦木50.0%)75.0%、麸皮23.0%、玉米粉1.0%、黄豆粉0.5%、碳酸钙粉末0.5%，将各组分混合均匀并加水搅拌至质量含水量约为60%，装入聚丙烯袋(直径100 mm，高150 mm)，并分别编号。高温高压灭菌(121 ℃)4 h，冷却至室温后，在无菌条件下分别接种平菇菌丝与香菇菌丝，重复5组。接种完毕后，将菌袋置于恒温恒湿控制室内培养，对出菇后的2种菌丝/木屑复合材料烘干并进行各项性能检测。

1.3 性能测试

采用美国FEI公司QuanTa200型环境扫描电子显微镜(SEM)，观察真菌菌丝以及菌丝复合材料的微观形貌，放大倍率为100～5 000倍不等。

用美国尼高力公司的Magna-IR560傅立叶变换红外光谱仪，波数范围在400～4 000 cm-1，产生红外光谱图。

静态压缩性能，参照GB/T8168—2008《包装用缓冲材料静态压缩试验方法》进行测试，试件尺寸：100 mm×100 mm×25 mm。压缩速度为12 mm/min，记录一系列压缩载荷以及相应的变形，计算压缩应力、应变，绘制应力-应变(σ-ε)曲线。

采用AWA6122A型驻波管，参照标准GB/J 88—85《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》测量125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz频率下吸声系数，材料尺寸：直径100 mm、高9.5 mm。计算平均吸声系数α=(α1+α2+α3+α4+α5+α6)/6、降噪系数Nrc=(α2+α3+α4+α5)/4，式中：α1、α2、α3、α4、α5、α6，分别为125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz频率下吸声系数。

2 结果与分析

2.1 菌丝/木屑复合材料基本信息

菌丝/木屑复合材料表观特征及基本物理信息如图1和表1所示，菌丝/木屑复合材料呈圆柱型。两种真菌菌丝生物学特性不同，尤其生长速度差别较大。平菇菌丝生长较快，其菌丝/木屑复合材料表面菌丝稀薄；香菇菌丝生长周期为平菇菌丝2倍，香菇菌丝/木屑材料表面菌丝浓密，并且白色菌丝经过生物学转色过程变为黑褐色。干燥至含水率约为8%，测得平菇菌丝/木屑、香菇菌丝/木屑复合材料密度，两者密度相差10%。香菇菌丝涨势浓密，结合木屑能力强，木屑之间孔隙小，材料密度大。

表1 菌丝/木屑复合材料基本物理信息

2.2 菌丝/木屑复合材料微观形态表征

图2是两种菌丝/木屑复合材料的SEM图，其中图2a、图2b，分别是平菇、香菇菌丝体原始形态。两种菌丝均呈扁平状，菌丝直径在0.8～2.0 μm之间，平菇菌丝直径较香菇菌丝直径略大。两种菌丝在生长过程中都有分枝现象(如图2a、图2b圆圈部分)，且部分菌丝相互交叉、搭接进而形成节点(如图2a、图2b六边形部分)，最终使原本单一的菌丝聚集成为含有节点的三维网状结构的菌丝团，增加了菌丝/木屑复合材料的稳定性。图2c、图2d，分别是平菇菌丝/木屑、香菇菌丝/木屑复合材料微观结构形态。木屑表面附着大量菌丝，菌丝在吸收营养过程中会粘附在木屑表面(如图2c、图2d四边形部分)，进而缠绕并包裹住原本独立存在的木屑，将分散的木屑结合在一起。在这种结构中，木屑作为骨架起到支撑作用，菌丝团则相当于粘结物质，两者共同构成了木屑/菌丝复合材料。

图1 菌丝/木屑复合材料表观特征

2.3 真菌菌丝红外光谱分析

图3为两种真菌菌丝体FT-IR谱图。两者均在3 270、2 925、1 633、1 583、1 384、1 245、1 149、1 024cm-1处出现吸收峰，说明菌丝含有多糖类物质。3 270 cm-1的强宽吸收峰，推测为是由分子间氢键和分子内氢键共同引起的O—H的伸缩振动所致[6]。2 925 cm-1处的吸收峰，是饱和C—H键伸缩振动峰，是糖类的特征吸收峰。1 633、1 384、1 583 cm-1，分别是CO、C—N伸缩振动峰和N—H弯曲振动峰[7]，香菇菌丝在1 633、1 384 cm-1两处的吸收峰均强于平菇，说明香菇菌丝体这两种官能团含量高于平菇菌丝体。1 149、1 024 cm-1两处吸收峰，为吡喃糖环的特征吸收峰，是糖苷键C—O—C的非对称振动峰，香菇菌丝在1 024 cm-1处吸收峰远强于平菇菌丝。

2.4 菌丝/木屑复合材料应力-应变曲线分析

缓冲包装材料受到一定的静压负荷时，会随时间的延长发生形变，静态压缩性能是缓冲包装材料的重要评价指标。静态压缩试验，主要用于评定在静载荷作用下，缓冲材料的缓冲性能及其在流通过程中对内装产品的保护能力。

图2 菌丝/木屑复合材料SEM图

图3 菌丝FT-IR谱图

木屑在菌丝的粘结下，在材料内部互相交错，起到骨架支撑作用；菌丝体填充在木屑之间的孔隙之中，降低了材料的密度，并增加了缓冲能力。由图4可见：两种材料曲线趋势相似，均较为平滑，没有明显的弹性阶段、平台阶段和屈服阶段的过渡。由图4可看出：在产生相同应变条件下，香菇菌丝/木屑复合材料，在各阶段所承载应力高于平菇菌丝/木屑复合材料。香菇菌丝/木屑复合材料曲线，在应变0.5之后应力急剧升高，材料内部孔隙几乎被压实，此后，压缩阶段是依靠已致密化的木屑实现缓冲。平菇菌丝/木屑复合材料，是在应变0.6时进入材料致密化阶段，较香菇菌丝/木屑复合材料推迟10%位移距离。产生此种差异，主要是由于两者孔隙率的不同而导致。香菇菌丝生长浓密，菌丝结合木屑能力强，木屑与木屑之间联系紧密，且部分孔隙被菌丝填充，导致菌丝/木屑复合材料孔隙率下降，产生相同位移形变情况下所需应力增加，缓冲性能下降。

2.5 两种菌丝/木屑复合材料吸声性能

吸声材料是将声音能量转化为热能，一般为轻质、疏松、多孔结构。菌丝/木屑复合材料内部含有大量孔隙，这些微小细孔相互连通并直接通向材料的表面。当声波入射到这种开孔性材料表面时，透入材料内部的声波在孔隙中传播时，空气运动会产生黏滞和摩擦作用，从而使声能逐渐转变成热能所消耗，这种能量的转变是不可逆的，因此材料具有了吸声作用。工程上常取125、 250、500、1 000、 2 000、4 000 Hz等6个频率的吸声系数，表示材料的吸声性能[8]。一般把6个频率下平均吸声系数大于0.20的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于0.56的材料称为高效吸声材料[9]。图5是两种木屑/菌丝复合材料在6种声音频率下的吸声系数。平菇菌丝/木屑材料、香菇菌丝/木屑材料，吸声系数分别为0.360、0.265，均在0.20～0.56之间，属于吸声材料定义范畴。两种材料在低频区(200～300 Hz)吸声系数均较小(α<0.2)，且数值接近；在中高频区(500～4 000 Hz)，吸声系数较高。可解释为，多孔性吸声材料要求有一定的孔隙通道以便让声波进入体内被吸收，高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加快，空气与孔壁的热交换也加快，使多孔材料具有良好的高频吸声性能[10]。

图4 菌丝/木屑复合材料σ-ε曲线

图5 菌丝/木屑材料吸声系数

同时，可计算出平菇菌丝/木屑复合材料平均吸声系数，较香菇菌丝/木屑复合材料高33%。平菇菌丝结合木屑能力弱于香菇菌丝，导致平菇菌丝/木屑复合材料内部木屑之间的孔隙率，大于香菇菌丝/木屑复合材料，增加其吸声性能。在对材料吸声性能进行单值评价时，一般均采用降噪系数(Nrc)对材料的吸声性能进行分级。两者降噪系数分别为0.367、0.262，满足0.40>Nrc≥0.20，符合国家标准GB/T16731《建筑吸声产品的吸声性能分级》规定的Ⅳ级降噪性能。

3 结束语

环境友好型生物质复合材料，是复合材料领域未来研究的重点。本研究以木屑为基质，真菌菌丝作为连接物质制备菌丝/木屑复合材料，对材料成型机理、微观形貌、缓冲性能及吸声性能进行了分析与测试。平菇菌丝/木屑复合材料、香菇菌丝/木屑复合材料密度分别为0.18、0.20 g/cm3，材料内部多孔隙，属轻质、多孔、可降解复合材料。SEM观察到两种菌丝均呈扁平状，有分枝现象，以三维网状结构存在木屑孔隙中，将分散木屑有效结合成为整体。FT-IR分析显示，两种菌丝均含有O—H、C—H、CO、C—N、N—H、C—O—C官能团，具有多糖物质的一般特征，且香菇菌丝在1 024、1 633、1 384 cm-1附近的吸收峰均强于平菇菌丝，说明香菇菌丝含有的C—O—C、CO、C—N官能团可能多于平菇菌丝。静态压缩性能测试表明：平菇菌丝/木屑复合材料，缓冲性能优于香菇菌丝/木屑复合材料。吸声系数结果显示：两种材料在6个频率下，平均吸声系数分别为：平菇菌丝/木屑复合材料α=0.360、香菇菌丝/木屑复合材料α=0265，均在吸声材料定义的0.2～0.56之间，属于多孔吸声材料范畴，具有较好的高频吸声性能。鉴于此，可在以后研究中，将从原材料含量配比、成型工艺条件、真菌菌种等方面，对菌丝/木屑复合材料进行研究，以期使菌丝/木屑复合材料，在缓冲、吸声性能有所提高，并探索菌丝/木屑复合材料保温隔热等其它性能，将材料应用于缓冲包装材料、吸声材料等更多领域。

[1] 郭文静，鲍甫成，王正.可降解生物质复合材料的发展现状与前景[J].木材工业，2008，22(1)：12-14，18.

[2] Wollerdoder M， Bader H． Influence of natural fibers on the mechanical properties of biodegradable polymers[J]． Industrial Crops and Products，1998，8(2)：105-112．

[3] 陈一民，洪晓斌，张文峰，等．完全生物降解复合材料的研究[J].材料导报，2003，17(1)：55-58．

[4] Lau K L， Tsang Y Y， Chiu S W． Use of spent mushroom compost to bioremediate PAH-contaminated samples[J]． Chemosphere，2003，52(9)：1539-1546．

[5] 涂响，曾光明，陈桂秋，等．香菇培养基废料吸附水体中Pb2+[J]．中国环境科学，2006，26(S1)：45-47．

[6] 黄占华，张斌，邹丽，等．一种潜在新型材料：真菌纤维的晶体结构表征[J]．功能材料，2012，43(7)：940-943，948．

[7] 柏婷婷，钱建亚．真菌多糖掺假检测方法的研究[D]．扬州：扬州大学，2008．

[8] 中华人民共和国技术监督局.GB/T3947—1996 声学名词术语行业标准[S].北京：中国标准出版社，1997.

[9] 姜继圣，杨慧玲．建筑功能材料及应用技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998．

[10] 齐共金，杨盛良，赵恂.泡沫吸声材料的研究进展[J].材料开发与应用，2002，17(5)：40-44．

Properties of Mycelium/Sawdust Composites/

Yu Bo, Zhang Xianquan, Zou Li, Sun Tingting, Lü Haixiang(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-95～98

We investigated the static compression, sound absorption and other physical and mechanical properties of oyster mushroom mycelium/sawdust and mushroom mycelium/sawdust composites, and observed the chemical functional groups and micro-morphology of composites by FT-IR and SEM, respectively. The fungal mycelium has a polysaccharide structure. Mycelium/sawdust composite is a new lightweight, porous, and degradable wood composites. Two kinds of mycelium/sawdust composites both have good sound absorption properties and compression performance.

Fungal mycelium; Sawdust; Composites; Physical and mechanical properties

于博，男，1987年12月生，东北林业大学材料科学与工程学院，硕士研究生。E-mail：yubo5210@qq.com。

张显权，东北林业大学材料科学与工程学院，副教授。E-mail：zhangxianquan2013@aliyun.com。

2013年12月16日。

S781

责任编辑：张 玉。