菌丝体复合材料及其在建筑中的应用研究

2022-09-17张哲瑜同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生

建筑与文化 2022年9期

文／张哲瑜同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生

金倩同济大学建筑与城市规划学院副教授（通讯作者）高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室

引言

21 世纪以来，建筑能耗占到社会总耗能的近40%。其中，建筑材料生产耗能占比庞大。基于化石燃料和不可降解的材料的大量使用，造成环境与社会成本的增加，导致资源枯竭与垃圾掩埋等问题。为了解决不可降解的建筑材料对环境造成的影响，找寻可降解的新材料成为一个重要的途径[1]。菌丝体复合材料属于生物基材料[2]中的一种。其利用菌丝与农林业废弃物相结合，形成紧实的网状结构，再通过合成、加工等过程制备而得到[3]。菌丝体复合材料的优势包括材料易取得、可降解、可再生、可塑性佳、低成本等[4]。

菌丝体复合材料具有较好的保温隔热、隔音、缓冲等效果。Ecovative 公司[5]将活蘑菇置于木板之间形成有效的隔热材料，菌丝生长并凝结为松散的颗粒，形成没有热桥的结构绝热板。2007年，Eben Bayer 和Gavin McIntyre[6]利用真菌栽培制备菌丝体基塑料复合材料，并将其投入产业化制备和产品应用，生产缓冲保护垫、灯罩、家具等，因材料具有良好的生物可降解性和综合性能，引起各类产业界的兴趣与投资。菌丝体材料目前主要应用于缓冲包装材料上，如戴尔（Dell）、Stanhope Seta、Merck、Rich Brilliant Willing 等公司都有所采用，以取代不环保的聚乙烯泡沫[7]。

1 菌丝体复合材料性能研究

1.1 力学性能研究

菌丝体材料的力学性能很大程度上取决于菌丝的生长情况及其在材料中的密度。由于菌丝体复合材料当中的菌丝和基质种类繁多，当前研究大多针对某1 ～2 种菌丝和基质材料，且由于缺乏专门针对此种材料的力学性能指标测试方法，只能参考其他材料进行测试，因此研究成果数据比较零散，测试的方法、指标也不尽相同。

总体来说，材料的抗压性能相对较好。闫薇等[8]利用灵芝菌丝体与果树、杨榆和竹材3 种碎料相结合，研究发现三种材料在10%压缩变形时，果树碎料与菌丝混合的复合材料的抗压强度最大，为0.054MPa，为其他两种材料为基质的复合材料的1.5 ～2 倍，且与传统保温材料聚苯乙烯泡沫的抗压强度相当。Ghazvinian 等[9]研发的灰牡蛎蘑菇菌丝/白橡木锯末复合材料，其抗压强度达到了1.1MPa。王飞[10]利用聚乙烯醇将蘑菇菌丝材料内部的孔隙填满所获得的板材，将抗压强度提高至5.1MPa，但同时也降低了材料的总体可降解性。

材料的抗拉性能相对薄弱,大多研究测量得到的抗拉强度范围不大于1MPa，如Appels 等[11]。夏慧敏等[12]研究所得到的材料抗拉强度是现有文献中菌丝体材料的最高值2.55MPa。

Jones 等[13]研究农作物废弃物稻草与森林中的锯末作为菌丝体的基质所复合的材料强度差异，比较了抗压、抗拉、弯曲等性能，得出影响菌丝体复合材料中的抗压性能因子为生物基质材料的孔隙率，而不是本身材料的颗粒粒径。Ziegler 等[14]研究对比了以纤维棉为原料制备的菌丝体基塑料与参考材料的部分力学性能指标，得出该材料抗压强度和聚苯乙烯材料相近，但与聚丙烯相差甚远。

1.2 热学性能研究

菌丝体复合材料中的孔隙结构为材料带来较低的导热系数。Xing 等[15]研究后缘草菇、小孢子虫和灵芝菌种与小麦秸秆基质形成的复合材料的导热系数，尽管成品导热系数不如聚苯乙烯这样的传统保温材料，但明显优于加气混凝土砌块、石膏板等墙体材料。Elsacker 等[16]制备的菌丝体材料是所有文献中导热系数最低的，已经与传统保温材料岩棉十分接近。王飞[10]的研究以纯香菇菌丝/水玻璃、香菇菌丝/聚乙烯醇(粘结剂)/膨胀珍珠岩、香菇菌丝/聚乙烯醇(粘结剂)/膨胀蛭石三种材料，从中寻找最佳材料配比所对应的导热系数，但材料的可降解性有所降低。

上述研究结果表明，菌丝体复合材料的保温性能已经十分接近传统保温材料，且明显优于传统砌块等其他墙体材料。再加上材料本身具有的可降解性，菌丝体复合材料无论是作为保温材料还是作为墙体的填充材料，都十分具有竞争力和发展潜力。

1.3 与建筑相关的其他性能研究

由于菌丝体复合材料具有轻质、多孔的特点，使其具有较好的吸声性和吸附性。于博[17]发现香菇菌丝/木屑、平菇菌丝/木屑两种复合材料在常见的6 个吸声频率下的平均吸声系数分别为0.265 和0.36，均在吸声材料定义的0.2 ～0.56之间，具有较好的高频吸声性能。Taekyoung等[18]通过对比研究了四种不同生物基质与白平菇菌种结合的复合材料，发现此类材料对于空气中的悬浮颗粒具有一定的吸附能力，有作为空气过滤系统板材的潜力。此外，Jones[19]等经实验证明菌丝体复合材料耐火性能比易燃的石油、天然气衍生合成高分子聚合物（如挤塑型聚苯乙烯）以及木材更优，可以在保温材料和墙体板材等领域成为替代品。

2 菌丝体复合材料的制备方法

从材料成型技术的角度，可将菌丝体复合材料制备方法分为利用模具成型的传统制备法和与3D 打印技术结合的新型制备法。

2.1 传统制备方法

传统制备方法主要通过选用不同的菌种，利用其中的菌丝体与栽培料相混合后，再经由一系列的合成加工后而制得材料，其制备过程可分为以下步骤进行[6,10,13,20,21]（图1）：

图1 菌丝体复合材料制备流程图（图片来源：作者自绘）

（1）生物基质与模具的灭菌：菌丝体复合材料基质需预先消毒，以避免其中的细菌和真菌影响菌丝生长。使用烤箱灭菌容易使基质过于干燥，而使用化学药品灭菌效率较低、容易产生较多的污染，因此应使用蒸汽高压灭菌方法。第（3）步中的模具也可采用同样方法消毒。

（2）接种菌种:基质经蒸汽高压灭菌后放至冷却，移至超净工作台上或接种箱内，将菌种接种至基质，再将营养液（通常由碳源、氮源、无机化合物等多种营养物质所组成）加入已接种完成的混合料中。

（3）装填模具:将接种完成的混合料充分混合，使材料与菌种均质分布后，装填至无菌订制模具中。

（4）菌丝体培养:将装有混合材料的模具放入恒温恒湿培养箱中培养，使菌丝与基质相互结合生长，此过程中需要严格控制温湿度、ph 值，并注意避光和保持清洁。培养过程中，菌丝体吸收基质的纤维素，转化成一种天然胶质，进而填满模具。培养时间一般从数天到几周。

（5）脱模：菌丝体生长完成后即脱模取出，通过加热处理使菌丝体停止生长。为了提高材料得结构性能，也可根据需求在加热之前对材料进行一定程度的预压缩。

利用传统制备方法制备的菌丝体复合材料可塑性强、灵活度高。例如，以色列理工大学Grobman 教授[22]指导的计算机辅助设计课程中的一个基于拓扑自锁的吊顶模型，以菌丝砖作为单元材料组装而成（图2）。除了单独使用小块的菌丝砖以外，还可通过分阶段培养的方式，形成较大体积的菌丝砖，再利用线切割等方式获得多种流线形式的菌丝砖[23]（图3）。

图2 采用基于拓扑互锁的菌丝砖吊顶系统（图片来源：参考文献[22]）

图3 利用线切割处理大体菌丝砖块（图片来源：参考文献[23]）

2.2 基于3D 打印的制备方法

基于3D 打印的制备方法，是利用3D 打印机将菌种与基质的混合物以逐层堆叠的方式挤出所需形态[24]，当菌丝遍布整个基质，形成固体结构后，再通过加热使其停止生长。Julia Krayer 等[25]将菌丝与稻草、木材和食品生产废料组成的植物基质混合，再通过3D 打印成型，利用菌丝体材料的开放式细胞壁和3D 打印的多孔结构，获得理想的消音效果。与通常用于3D打印的材料如聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等需要进行预加热的线材相比，菌丝体复合材料在打印时是不需要加热的。

3 基于菌丝体复合材料的实践案例分析

3.1 菌丝体复合材料作为建筑表皮材料

菌丝体材料在建筑表皮试验最早的案例之一是由Pascal Leboucq 与Erik Klarenbeek 在荷兰设计周所展出的成长馆[26]（图4a）。这是一座圆形的临时展馆，立面框架采用木材和压缩香蒲，围护结构内部使用玻璃，而外部则使用菌丝体复合板材。设计师认为采用这类材料能够提高围护结构的韧性及强度，并且提供良好的隔音与保温性能。菌丝复合板材表面使用了墨西哥进口天然防水涂层，以提高其耐久性。作为将菌丝体复合材料用于围护结构表皮的先驱，成长馆将建筑的材料、功能利用亲生物设计手法有机地结合在了一起。此新型围护结构的实际构造强度及其对不同地区气候的适应性仍有待进一步研究。

图4 （a）成长馆（图片来源：参考文献[23]）；（b）MycoTree 菌丝体结构单元（图片来源：参考文献[28]）

3.2 菌丝体复合材料作为承重材料

Carlo Ratti Associati 与Eni 能源公司合作，在2019 年米兰设计周上开发了一个由菌丝与碎木屑、绳索等制成的“圆形花园”。该建筑结构由60 个4 米高的菌丝体复合材料制成的拱门组成。每个拱门的结构形状为倒置悬链线，再通过绳索将各拱门单体组合形成整体装置物。在花园中完成共一公里长的整体布局[27]。此案例成功突破了菌丝体材料仅作为包装缓冲材料和小块砌块的通用做法，实践了利用此类材料直接搭建拱结构的可能性。Heisel 等[28]，利用3D 几何型态组构与菌丝砖的结合，形成承重菌丝体空间树形分枝结构（图4b），支撑4m×4m 的竹制网格结构。研究将“可再生”“可降解”的概念引入结构设计领域，通过计算分析使每一块菌丝体材料单元只受压应力作用，从而使材料的结构承载力与安全性达到要求。在纽约现代艺术博物馆PS1 当代艺术中心，The Living 和 Ecovative 生物材料公司使用10000 块玉米秸秆和菌丝体相结合制成的复合材料砖，迭砌出一座12 米高的圆锥状自承重高塔[29]。

因此，菌丝体复合材料作为建筑表皮材料时，可以提供较好的保温隔热等性能，并能带给人们独特的视觉和触觉体验，充分体现亲生物设计理念。其耐久性则需通过与其他材料相结合而获得。而在作为结构材料时，应尽量发挥材料相对优势的抗压性能，减少和避免材料受拉、受弯等不利的受力状态。另外，还需考虑当地的人文风土、气候条件、经济水平等，从形式中探索可能的结构与构造形式，同时结合建筑性能仿真与实验，探索材料在建筑各分支领域的可能性。

4 菌丝体复合材料未来展望

4.1 菌丝体复合材料与多维打印技术结合

多维打印是一项能够在特定刺激下使智慧材料发生形变的现代化制造技术[30]。在3D 打印的同时，增加水、光、热、电流、磁场、酸碱环境等刺激因子，即为4D 打印方式[31]。林欣荷[32]利用3D 技术打印出菌丝面板后，将菌丝孢子散落在其设计的特定几何肌理表面上，并通过控制环境中的相对湿度、温度等，调整菌丝体生长速度，从而控制其整体综合性能。未来菌丝体复合材料的制备过程中，可利用多维打印中的环境因子对菌丝生长进行更进一步的精准控制，以获得特定的材料性能。

4.2 菌丝体复合材料性能研究系统化

当前针对菌丝体材料的研究成果比较零散。为了推进菌丝体复合材料在建筑材料领域的应用，将各界的资源整合利用，针对菌种与生物基质的挑选、接种、培养等进行各项数据统计，建立相关数据库，有助于系统化地了解这类材料的各项性能。另外，菌种的选择、基质材料的性状、培养液的配比，以及材料制备工艺和方法对材料特性都具有显著影响。因此，开发与材料相适应的制备方法和生产工艺，具有重要的意义。