菌絲體復合材料及其在建筑中的應用研究

文／張哲瑜 同濟大學建筑與城市規劃學院 碩士研究生

金 倩 同濟大學建筑與城市規劃學院 副教授（通訊作者）高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室

引言

21 世紀以來，建筑能耗占到社會總耗能的近40%。其中，建筑材料生產耗能占比龐大。基于化石燃料和不可降解的材料的大量使用，造成環境與社會成本的增加，導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]。菌絲體復合材料屬于生物基材料[2]中的一種。其利用菌絲與農林業廢棄物相結合，形成緊實的網狀結構，再通過合成、加工等過程制備而得到[3]。菌絲體復合材料的優勢包括材料易取得、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，菌絲生長并凝結為松散的顆粒，形成沒有熱橋的結構絕熱板。2007年，Eben Bayer 和Gavin McIntyre[6]利用真菌栽培制備菌絲體基塑料復合材料，并將其投入產業化制備和產品應用，生產緩沖保護墊、燈罩、家具等，因材料具有良好的生物可降解性和綜合性能，引起各類產業界的興趣與投資。菌絲體材料目前主要應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，以取代不環保的聚乙烯泡沫[7]。

1 菌絲體復合材料性能研究

1.1 力學性能研究

菌絲體材料的力學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。由于菌絲體復合材料當中的菌絲和基質種類繁多，當前研究大多針對某1 ～2 種菌絲和基質材料，且由于缺乏專門針對此種材料的力學性能指標測試方法，只能參考其他材料進行測試，因此研究成果數據比較零散，測試的方法、指標也不盡相同。

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 種碎料相結合，研究發現三種材料在10%壓縮變形時，果樹碎料與菌絲混合的復合材料的抗壓強度最大，為0.054MPa，為其他兩種材料為基質的復合材料的1.5 ～2 倍，且與傳統保溫材料聚苯乙烯泡沫的抗壓強度相當。Ghazvinian 等[9]研發的灰牡蠣蘑菇菌絲/白橡木鋸末復合材料，其抗壓強度達到了1.1MPa。王飛[10]利用聚乙烯醇將蘑菇菌絲材料內部的孔隙填滿所獲得的板材，將抗壓強度提高至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度是現有文獻中菌絲體材料的最高值2.55MPa。

Jones 等[13]研究農作物廢棄物稻草與森林中的鋸末作為菌絲體的基質所復合的材料強度差異，比較了抗壓、抗拉、彎曲等性能，得出影響菌絲體復合材料中的抗壓性能因子為生物基質材料的孔隙率，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性能指標，得出該材料抗壓強度和聚苯乙烯材料相近，但與聚丙烯相差甚遠。

1.2 熱學性能研究

菌絲體復合材料中的孔隙結構為材料帶來較低的導熱系數。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形成的復合材料的導熱系數，盡管成品導熱系數不如聚苯乙烯這樣的傳統保溫材料，但明顯優于加氣混凝土砌塊、石膏板等墻體材料。Elsacker 等[16]制備的菌絲體材料是所有文獻中導熱系數最低的，已經與傳統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(粘結劑)/膨脹珍珠巖、香菇菌絲/聚乙烯醇(粘結劑)/膨脹蛭石三種材料，從中尋找最佳材料配比所對應的導熱系數，但材料的可降解性有所降低。

上述研究結果表明，菌絲體復合材料的保溫性能已經十分接近傳統保溫材料，且明顯優于傳統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展潛力。

1.3 與建筑相關的其他性能研究

由于菌絲體復合材料具有輕質、多孔的特點，使其具有較好的吸聲性和吸附性。于博[17]發現香菇菌絲/木屑、平菇菌絲/木屑兩種復合材料在常見的6 個吸聲頻率下的平均吸聲系數分別為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與白平菇菌種結合的復合材料，發現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板材的潛力。此外，Jones[19]等經實驗證明菌絲體復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，可以在保溫材料和墻體板材等領域成為替代品。

2 菌絲體復合材料的制備方法

從材料成型技術的角度，可將菌絲體復合材料制備方法分為利用模具成型的傳統制備法和與3D 打印技術結合的新型制備法。

2.1 傳統制備方法

傳統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行[6,10,13,20,21]（圖1）：

圖1 菌絲體復合材料制備流程圖（圖片來源：作者自繪）

（1）生物基質與模具的滅菌：菌絲體復合材料基質需預先消毒，以避免其中的細菌和真菌影響菌絲生長。使用烤箱滅菌容易使基質過于干燥，而使用化學藥品滅菌效率較低、容易產生較多的污染，因此應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:基質經蒸汽高壓滅菌后放至冷卻，移至超凈工作臺上或接種箱內，將菌種接種至基質，再將營養液（通常由碳源、氮源、無機化合物等多種營養物質所組成）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，使材料與菌種均質分布后，裝填至無菌訂制模具中。

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

（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。為了提高材料得結構性能，也可根據需求在加熱之前對材料進行一定程度的預壓縮。

利用傳統制備方法制備的菌絲體復合材料可塑性強、靈活度高。例如，以色列理工大學Grobman 教授[22]指導的計算機輔助設計課程中的一個基于拓撲自鎖的吊頂模型，以菌絲磚作為單元材料組裝而成（圖2）。除了單獨使用小塊的菌絲磚以外，還可通過分階段培養的方式，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 采用基于拓撲互鎖的菌絲磚吊頂系統（圖片來源：參考文獻[22]）

圖3 利用線切割處理大體菌絲磚塊（圖片來源：參考文獻[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 打印機將菌種與基質的混合物以逐層堆疊的方式擠出所需形態[24]，當菌絲遍布整個基質，形成固體結構后，再通過加熱使其停止生長。Julia Krayer 等[25]將菌絲與稻草、木材和食品生產廢料組成的植物基質混合，再通過3D 打印成型，利用菌絲體材料的開放式細胞壁和3D 打印的多孔結構，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）等需要進行預加熱的線材相比，菌絲體復合材料在打印時是不需要加熱的。

3 基于菌絲體復合材料的實踐案例分析

3.1 菌絲體復合材料作為建筑表皮材料

菌絲體材料在建筑表皮試驗最早的案例之一是由Pascal Leboucq 與Erik Klarenbeek 在荷蘭設計周所展出的成長館[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，圍護結構內部使用玻璃，而外部則使用菌絲體復合板材。設計師認為采用這類材料能夠提高圍護結構的韌性及強度，并且提供良好的隔音與保溫性能。菌絲復合板材表面使用了墨西哥進口天然防水涂層，以提高其耐久性。作為將菌絲體復合材料用于圍護結構表皮的先驅，成長館將建筑的材料、功能利用親生物設計手法有機地結合在了一起。此新型圍護結構的實際構造強度及其對不同地區氣候的適應性仍有待進一步研究。

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

3.2 菌絲體復合材料作為承重材料

Carlo Ratti Associati 與Eni 能源公司合作，在2019 年米蘭設計周上開發了一個由菌絲與碎木屑、繩索等制成的“圓形花園”。該建筑結構由60 個4 米高的菌絲體復合材料制成的拱門組成。每個拱門的結構形狀為倒置懸鏈線，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，實踐了利用此類材料直接搭建拱結構的可能性。Heisel 等[28]，利用3D 幾何型態組構與菌絲磚的結合，形成承重菌絲體空間樹形分枝結構（圖4b），支撐4m×4m 的竹制網格結構。研究將“可再生”“可降解”的概念引入結構設計領域，通過計算分析使每一塊菌絲體材料單元只受壓應力作用，從而使材料的結構承載力與安全性達到要求。在紐約現代藝術博物館PS1 當代藝術中心，The Living 和 Ecovative 生物材料公司使用10000 塊玉米秸稈和菌絲體相結合制成的復合材料磚，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，并能帶給人們獨特的視覺和觸覺體驗，充分體現親生物設計理念。其耐久性則需通過與其他材料相結合而獲得。而在作為結構材料時，應盡量發揮材料相對優勢的抗壓性能，減少和避免材料受拉、受彎等不利的受力狀態。另外，還需考慮當地的人文風土、氣候條件、經濟水平等，從形式中探索可能的結構與構造形式，同時結合建筑性能仿真與實驗，探索材料在建筑各分支領域的可能性。

4 菌絲體復合材料未來展望

4.1 菌絲體復合材料與多維打印技術結合

多維打印是一項能夠在特定刺激下使智慧材料發生形變的現代化制造技術[30]。在3D 打印的同時，增加水、光、熱、電流、磁場、酸堿環境等刺激因子，即為4D 打印方式[31]。林欣荷[32]利用3D 技術打印出菌絲面板后，將菌絲孢子散落在其設計的特定幾何肌理表面上，并通過控制環境中的相對濕度、溫度等，調整菌絲體生長速度，從而控制其整體綜合性能。未來菌絲體復合材料的制備過程中，可利用多維打印中的環境因子對菌絲生長進行更進一步的精準控制，以獲得特定的材料性能。

4.2 菌絲體復合材料性能研究系統化

當前針對菌絲體材料的研究成果比較零散。為了推進菌絲體復合材料在建筑材料領域的應用，將各界的資源整合利用，針對菌種與生物基質的挑選、接種、培養等進行各項數據統計，建立相關數據庫，有助于系統化地了解這類材料的各項性能。另外，菌種的選擇、基質材料的性狀、培養液的配比，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，開發與材料相適應的制備方法和生產工藝，具有重要的意義。

4.3 菌絲體復合材料性能提升與建筑應用領域精準匹配

為了推動菌絲體復合材料在建筑領域的應用，應從特定領域對復合材料的性能需求入手，以此為出發點尋找、開發與之匹配的材料。例如，在建筑表皮上應用，應更加注重保溫、隔聲、防潮性能的提升；作為承重材料則需重點關注力學性能。在此基礎之上，提升菌絲體復合材料與其他材料在結構、構造等方面的兼容性，也十分關鍵。