菌絲體復(fù)合材料及其在建筑中的應(yīng)用研究

文／張哲瑜 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

金 倩 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 副教授（通訊作者）高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引言

21 世紀(jì)以來，建筑能耗占到社會總耗能的近40%。其中，建筑材料生產(chǎn)耗能占比龐大。基于化石燃料和不可降解的材料的大量使用，造成環(huán)境與社會成本的增加，導(dǎo)致資源枯竭與垃圾掩埋等問題。為了解決不可降解的建筑材料對環(huán)境造成的影響，找尋可降解的新材料成為一個重要的途徑[1]。菌絲體復(fù)合材料屬于生物基材料[2]中的一種。其利用菌絲與農(nóng)林業(yè)廢棄物相結(jié)合，形成緊實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，再通過合成、加工等過程制備而得到[3]。菌絲體復(fù)合材料的優(yōu)勢包括材料易取得、可降解、可再生、可塑性佳、低成本等[4]。

菌絲體復(fù)合材料具有較好的保溫隔熱、隔音、緩沖等效果。Ecovative 公司[5]將活蘑菇置于木板之間形成有效的隔熱材料，菌絲生長并凝結(jié)為松散的顆粒，形成沒有熱橋的結(jié)構(gòu)絕熱板。2007年，Eben Bayer 和Gavin McIntyre[6]利用真菌栽培制備菌絲體基塑料復(fù)合材料，并將其投入產(chǎn)業(yè)化制備和產(chǎn)品應(yīng)用，生產(chǎn)緩沖保護(hù)墊、燈罩、家具等，因材料具有良好的生物可降解性和綜合性能，引起各類產(chǎn)業(yè)界的興趣與投資。菌絲體材料目前主要應(yīng)用于緩沖包裝材料上，如戴爾（Dell）、Stanhope Seta、Merck、Rich Brilliant Willing 等公司都有所采用，以取代不環(huán)保的聚乙烯泡沫[7]。

1 菌絲體復(fù)合材料性能研究

1.1 力學(xué)性能研究

菌絲體材料的力學(xué)性能很大程度上取決于菌絲的生長情況及其在材料中的密度。由于菌絲體復(fù)合材料當(dāng)中的菌絲和基質(zhì)種類繁多，當(dāng)前研究大多針對某1 ～2 種菌絲和基質(zhì)材料，且由于缺乏專門針對此種材料的力學(xué)性能指標(biāo)測試方法，只能參考其他材料進(jìn)行測試，因此研究成果數(shù)據(jù)比較零散，測試的方法、指標(biāo)也不盡相同。

總體來說，材料的抗壓性能相對較好。閆薇等[8]利用靈芝菌絲體與果樹、楊榆和竹材3 種碎料相結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)三種材料在10%壓縮變形時，果樹碎料與菌絲混合的復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度最大，為0.054MPa，為其他兩種材料為基質(zhì)的復(fù)合材料的1.5 ～2 倍，且與傳統(tǒng)保溫材料聚苯乙烯泡沫的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。Ghazvinian 等[9]研發(fā)的灰牡蠣蘑菇菌絲/白橡木鋸末復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到了1.1MPa。王飛[10]利用聚乙烯醇將蘑菇菌絲材料內(nèi)部的孔隙填滿所獲得的板材，將抗壓強(qiáng)度提高至5.1MPa，但同時也降低了材料的總體可降解性。

材料的抗拉性能相對薄弱,大多研究測量得到的抗拉強(qiáng)度范圍不大于1MPa，如Appels 等[11]。夏慧敏等[12]研究所得到的材料抗拉強(qiáng)度是現(xiàn)有文獻(xiàn)中菌絲體材料的最高值2.55MPa。

Jones 等[13]研究農(nóng)作物廢棄物稻草與森林中的鋸末作為菌絲體的基質(zhì)所復(fù)合的材料強(qiáng)度差異，比較了抗壓、抗拉、彎曲等性能，得出影響菌絲體復(fù)合材料中的抗壓性能因子為生物基質(zhì)材料的孔隙率，而不是本身材料的顆粒粒徑。Ziegler 等[14]研究對比了以纖維棉為原料制備的菌絲體基塑料與參考材料的部分力學(xué)性能指標(biāo)，得出該材料抗壓強(qiáng)度和聚苯乙烯材料相近，但與聚丙烯相差甚遠(yuǎn)。

1.2 熱學(xué)性能研究

菌絲體復(fù)合材料中的孔隙結(jié)構(gòu)為材料帶來較低的導(dǎo)熱系數(shù)。Xing 等[15]研究后緣草菇、小孢子蟲和靈芝菌種與小麥秸稈基質(zhì)形成的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，盡管成品導(dǎo)熱系數(shù)不如聚苯乙烯這樣的傳統(tǒng)保溫材料，但明顯優(yōu)于加氣混凝土砌塊、石膏板等墻體材料。Elsacker 等[16]制備的菌絲體材料是所有文獻(xiàn)中導(dǎo)熱系數(shù)最低的，已經(jīng)與傳統(tǒng)保溫材料巖棉十分接近。王飛[10]的研究以純香菇菌絲/水玻璃、香菇菌絲/聚乙烯醇(粘結(jié)劑)/膨脹珍珠巖、香菇菌絲/聚乙烯醇(粘結(jié)劑)/膨脹蛭石三種材料，從中尋找最佳材料配比所對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，但材料的可降解性有所降低。

上述研究結(jié)果表明，菌絲體復(fù)合材料的保溫性能已經(jīng)十分接近傳統(tǒng)保溫材料，且明顯優(yōu)于傳統(tǒng)砌塊等其他墻體材料。再加上材料本身具有的可降解性，菌絲體復(fù)合材料無論是作為保溫材料還是作為墻體的填充材料，都十分具有競爭力和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.3 與建筑相關(guān)的其他性能研究

由于菌絲體復(fù)合材料具有輕質(zhì)、多孔的特點(diǎn)，使其具有較好的吸聲性和吸附性。于博[17]發(fā)現(xiàn)香菇菌絲/木屑、平菇菌絲/木屑兩種復(fù)合材料在常見的6 個吸聲頻率下的平均吸聲系數(shù)分別為0.265 和0.36，均在吸聲材料定義的0.2 ～0.56之間，具有較好的高頻吸聲性能。Taekyoung等[18]通過對比研究了四種不同生物基質(zhì)與白平菇菌種結(jié)合的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)此類材料對于空氣中的懸浮顆粒具有一定的吸附能力，有作為空氣過濾系統(tǒng)板材的潛力。此外，Jones[19]等經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明菌絲體復(fù)合材料耐火性能比易燃的石油、天然氣衍生合成高分子聚合物（如擠塑型聚苯乙烯）以及木材更優(yōu)，可以在保溫材料和墻體板材等領(lǐng)域成為替代品。

2 菌絲體復(fù)合材料的制備方法

從材料成型技術(shù)的角度，可將菌絲體復(fù)合材料制備方法分為利用模具成型的傳統(tǒng)制備法和與3D 打印技術(shù)結(jié)合的新型制備法。

2.1 傳統(tǒng)制備方法

傳統(tǒng)制備方法主要通過選用不同的菌種，利用其中的菌絲體與栽培料相混合后，再經(jīng)由一系列的合成加工后而制得材料，其制備過程可分為以下步驟進(jìn)行[6,10,13,20,21]（圖1）：

圖1 菌絲體復(fù)合材料制備流程圖（圖片來源：作者自繪）

（1）生物基質(zhì)與模具的滅菌：菌絲體復(fù)合材料基質(zhì)需預(yù)先消毒，以避免其中的細(xì)菌和真菌影響菌絲生長。使用烤箱滅菌容易使基質(zhì)過于干燥，而使用化學(xué)藥品滅菌效率較低、容易產(chǎn)生較多的污染，因此應(yīng)使用蒸汽高壓滅菌方法。第（3）步中的模具也可采用同樣方法消毒。

（2）接種菌種:基質(zhì)經(jīng)蒸汽高壓滅菌后放至冷卻，移至超凈工作臺上或接種箱內(nèi)，將菌種接種至基質(zhì)，再將營養(yǎng)液（通常由碳源、氮源、無機(jī)化合物等多種營養(yǎng)物質(zhì)所組成）加入已接種完成的混合料中。

（3）裝填模具:將接種完成的混合料充分混合，使材料與菌種均質(zhì)分布后，裝填至無菌訂制模具中。

（4）菌絲體培養(yǎng):將裝有混合材料的模具放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，使菌絲與基質(zhì)相互結(jié)合生長，此過程中需要嚴(yán)格控制溫濕度、ph 值，并注意避光和保持清潔。培養(yǎng)過程中，菌絲體吸收基質(zhì)的纖維素，轉(zhuǎn)化成一種天然膠質(zhì)，進(jìn)而填滿模具。培養(yǎng)時間一般從數(shù)天到幾周。

（5）脫模：菌絲體生長完成后即脫模取出，通過加熱處理使菌絲體停止生長。為了提高材料得結(jié)構(gòu)性能，也可根據(jù)需求在加熱之前對材料進(jìn)行一定程度的預(yù)壓縮。

利用傳統(tǒng)制備方法制備的菌絲體復(fù)合材料可塑性強(qiáng)、靈活度高。例如，以色列理工大學(xué)Grobman 教授[22]指導(dǎo)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程中的一個基于拓?fù)渥枣i的吊頂模型，以菌絲磚作為單元材料組裝而成（圖2）。除了單獨(dú)使用小塊的菌絲磚以外，還可通過分階段培養(yǎng)的方式，形成較大體積的菌絲磚，再利用線切割等方式獲得多種流線形式的菌絲磚[23]（圖3）。

圖2 采用基于拓?fù)浠ユi的菌絲磚吊頂系統(tǒng)（圖片來源：參考文獻(xiàn)[22]）

圖3 利用線切割處理大體菌絲磚塊（圖片來源：參考文獻(xiàn)[23]）

2.2 基于3D 打印的制備方法

基于3D 打印的制備方法，是利用3D 打印機(jī)將菌種與基質(zhì)的混合物以逐層堆疊的方式擠出所需形態(tài)[24]，當(dāng)菌絲遍布整個基質(zhì)，形成固體結(jié)構(gòu)后，再通過加熱使其停止生長。Julia Krayer 等[25]將菌絲與稻草、木材和食品生產(chǎn)廢料組成的植物基質(zhì)混合，再通過3D 打印成型，利用菌絲體材料的開放式細(xì)胞壁和3D 打印的多孔結(jié)構(gòu)，獲得理想的消音效果。與通常用于3D打印的材料如聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等需要進(jìn)行預(yù)加熱的線材相比，菌絲體復(fù)合材料在打印時是不需要加熱的。

3 基于菌絲體復(fù)合材料的實(shí)踐案例分析

3.1 菌絲體復(fù)合材料作為建筑表皮材料

菌絲體材料在建筑表皮試驗(yàn)最早的案例之一是由Pascal Leboucq 與Erik Klarenbeek 在荷蘭設(shè)計(jì)周所展出的成長館[26]（圖4a）。這是一座圓形的臨時展館，立面框架采用木材和壓縮香蒲，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部使用玻璃，而外部則使用菌絲體復(fù)合板材。設(shè)計(jì)師認(rèn)為采用這類材料能夠提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的韌性及強(qiáng)度，并且提供良好的隔音與保溫性能。菌絲復(fù)合板材表面使用了墨西哥進(jìn)口天然防水涂層，以提高其耐久性。作為將菌絲體復(fù)合材料用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表皮的先驅(qū)，成長館將建筑的材料、功能利用親生物設(shè)計(jì)手法有機(jī)地結(jié)合在了一起。此新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造強(qiáng)度及其對不同地區(qū)氣候的適應(yīng)性仍有待進(jìn)一步研究。

圖4 （a）成長館（圖片來源：參考文獻(xiàn)[23]）；（b）MycoTree 菌絲體結(jié)構(gòu)單元（圖片來源：參考文獻(xiàn)[28]）

3.2 菌絲體復(fù)合材料作為承重材料

Carlo Ratti Associati 與Eni 能源公司合作，在2019 年米蘭設(shè)計(jì)周上開發(fā)了一個由菌絲與碎木屑、繩索等制成的“圓形花園”。該建筑結(jié)構(gòu)由60 個4 米高的菌絲體復(fù)合材料制成的拱門組成。每個拱門的結(jié)構(gòu)形狀為倒置懸鏈線，再通過繩索將各拱門單體組合形成整體裝置物。在花園中完成共一公里長的整體布局[27]。此案例成功突破了菌絲體材料僅作為包裝緩沖材料和小塊砌塊的通用做法，實(shí)踐了利用此類材料直接搭建拱結(jié)構(gòu)的可能性。Heisel 等[28]，利用3D 幾何型態(tài)組構(gòu)與菌絲磚的結(jié)合，形成承重菌絲體空間樹形分枝結(jié)構(gòu)（圖4b），支撐4m×4m 的竹制網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。研究將“可再生”“可降解”的概念引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通過計(jì)算分析使每一塊菌絲體材料單元只受壓應(yīng)力作用，從而使材料的結(jié)構(gòu)承載力與安全性達(dá)到要求。在紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館PS1 當(dāng)代藝術(shù)中心，The Living 和 Ecovative 生物材料公司使用10000 塊玉米秸稈和菌絲體相結(jié)合制成的復(fù)合材料磚，迭砌出一座12 米高的圓錐狀自承重高塔[29]。

因此，菌絲體復(fù)合材料作為建筑表皮材料時，可以提供較好的保溫隔熱等性能，并能帶給人們獨(dú)特的視覺和觸覺體驗(yàn)，充分體現(xiàn)親生物設(shè)計(jì)理念。其耐久性則需通過與其他材料相結(jié)合而獲得。而在作為結(jié)構(gòu)材料時，應(yīng)盡量發(fā)揮材料相對優(yōu)勢的抗壓性能，減少和避免材料受拉、受彎等不利的受力狀態(tài)。另外，還需考慮當(dāng)?shù)氐娜宋娘L(fēng)土、氣候條件、經(jīng)濟(jì)水平等，從形式中探索可能的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造形式，同時結(jié)合建筑性能仿真與實(shí)驗(yàn)，探索材料在建筑各分支領(lǐng)域的可能性。

4 菌絲體復(fù)合材料未來展望

4.1 菌絲體復(fù)合材料與多維打印技術(shù)結(jié)合

多維打印是一項(xiàng)能夠在特定刺激下使智慧材料發(fā)生形變的現(xiàn)代化制造技術(shù)[30]。在3D 打印的同時，增加水、光、熱、電流、磁場、酸堿環(huán)境等刺激因子，即為4D 打印方式[31]。林欣荷[32]利用3D 技術(shù)打印出菌絲面板后，將菌絲孢子散落在其設(shè)計(jì)的特定幾何肌理表面上，并通過控制環(huán)境中的相對濕度、溫度等，調(diào)整菌絲體生長速度，從而控制其整體綜合性能。未來菌絲體復(fù)合材料的制備過程中，可利用多維打印中的環(huán)境因子對菌絲生長進(jìn)行更進(jìn)一步的精準(zhǔn)控制，以獲得特定的材料性能。

4.2 菌絲體復(fù)合材料性能研究系統(tǒng)化

當(dāng)前針對菌絲體材料的研究成果比較零散。為了推進(jìn)菌絲體復(fù)合材料在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用，將各界的資源整合利用，針對菌種與生物基質(zhì)的挑選、接種、培養(yǎng)等進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，有助于系統(tǒng)化地了解這類材料的各項(xiàng)性能。另外，菌種的選擇、基質(zhì)材料的性狀、培養(yǎng)液的配比，以及材料制備工藝和方法對材料特性都具有顯著影響。因此，開發(fā)與材料相適應(yīng)的制備方法和生產(chǎn)工藝，具有重要的意義。

4.3 菌絲體復(fù)合材料性能提升與建筑應(yīng)用領(lǐng)域精準(zhǔn)匹配

為了推動菌絲體復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，應(yīng)從特定領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的性能需求入手，以此為出發(fā)點(diǎn)尋找、開發(fā)與之匹配的材料。例如，在建筑表皮上應(yīng)用，應(yīng)更加注重保溫、隔聲、防潮性能的提升；作為承重材料則需重點(diǎn)關(guān)注力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)之上，提升菌絲體復(fù)合材料與其他材料在結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等方面的兼容性，也十分關(guān)鍵。