基于菌丝体复合材料在包装领域的应用研究

摘要：文章从菌丝体基复合材料在力学、热学和声学等相关方面的表现出发，整理了国内外制备菌丝体基的基本方法，并针对现阶段提出问题与展望。

关键词：菌丝体复合材料；新型材料；环保可降解；高分子材料

1.基于菌丝体复合材料的性能研究

1.1基于菌丝体复合材料在力学性能方面的研究

由于传统材料在生产过程中的高成本和大量的能源消耗以及环境污染，在过去几年中对可持续发展、环保可降解的新型材料进行研究，基于菌丝体的复合材料首当其冲。菌丝体在各类基质中生长，当生长到一定密度即可作为各类基质的粘合剂，形成基于菌丝体的复合材料，称为MBC。MBC包含菌丝体和基质，其力学性能也受其影响。不同的菌株在不同的生长条件下会生产出不同的菌丝体，从而影响复合材料的物理性能。Maciej Sydor等鉴定了70多种适用于制造MBC的真菌类型，选定出了11种能够提高工程材料有效性的真菌，其特征涵括了菌丝生长快速、毒力高、二聚或三聚菌丝系统、白腐腐菌类型、营养通用性高、对基质的高耐受性、环境参数，易受容易控制的因素影响、易于灭活、腐生、无真菌毒性和生物合成天然活性物质的能力等。吴豪等通过制备不同的MBC，研究其生长速度、各式样的密度测定、相同应变下的应力情况和与EPS对比，在应变15%的情况下平菇2005能够承受30*104Pa，而EPS能够承受25*104Pa。总结出平菇2005是最适合用作“蘑菇包装”的菌丝体，含高配比棉籽壳的培养基是最佳的培养原料，“蘑菇包装”可以取代一般的缓冲材料。同时，菌丝体的含水率也是影响力学性能的一大因素，通常含水率越高，复合材料的强度和刚度会降低，选择合适的含水率是提升复合材料力学性能的解决方法之一。刘茹等通过进行热压处理制备了一种新型可持续的菌丝体复合材料，通过复合材料不同的吸水率（20%、30%、40%和50%），探索最优的机械性能。结果表明，随着吸水率的增加，复合材料的力学性能在吸水量为30wt%时达到最大值，与棉秆的饱和点一致。然而，当吸水量高于30wt%时，由于过多的税位于细胞腔而不是细胞壁，没有发生进一步的改善。

提升菌丝体复合材料的力学性能时，选择合适的基质是必须考虑的因素。蔡敬明等通过稻草、麦秸、玉米秸等不同的农业废弃物秸秆接种灵芝菌丝制备的MBC，测试了基本的物理性能，即密度、弹性模量和导热系数，同时进行重复压缩实验以及不同高度下的MBC冲击试验。结果表面最大的可抗压强度能够高于6.4MPa，且由稻草所制备的MBC能量耗散系数均高于90%，表明稻草基MBC适合用作抗压填充材料。而玉米秸的片状形状导致灵芝菌丝发酵程度低，表明菌丝体的密度和厚度也会影响复合材料的硬度和刚度。Divnesh Lingam等运用平菇菌丝与甘蔗渣、椰壳以及两者的混合物制备的MBC，进行了抗压、抗弯和耐火测试。由甘蔗渣所制备的MBC具有更好的菌丝生长密度和抗弯强度，分别为63.4kPa和13.81kPa。

2.2基于菌丝体复合材料在其他性能方面的研究

由于MBC中有菌丝体的存在，使得其热导率较低。Khan M.A.等测试了MBC的热导率，维持在0.04-0.08W/mK之间，这表明相比于传统的木材和塑料等材料，MBC具有更好的隔热性能。而Wei，L.等测试了MBC的热膨胀系数，结果在10-6/K左右，这表明MBC在稳定性方面也有不俗的表现。

MBC具有优异的可塑性，可以通过改变其制备过程来调节其性能。Zhang，Y.等通过改变发酵时间和压制条件来制备不同孔隙率的MBC材料，发现其吸声性能与孔隙率呈正相关关系，这表明可以通过设计不同的孔隙大小和形状，从而实现吸音性能的调节。此外，Liu，Y.等通过将MBC与其他材料相结合使用，能够显著提升其吸声性能，其中以矿棉板为最佳。

2.基于菌丝体复合材料的制备方式

MBC的成型技术大致分为三类：1.压制成型2.喷涂成型3.3D打印成型。

2.1压制成型

（1）菌种培养

选择适当的菌株，进行菌种培养。一般来说，可以选择木耳菌、灰树花菌等菌株，也可以利用自然环境中收集的菌丝体。

（2）发酵生长

将菌种接种到适当的培养基上，进行发酵生长。发酵过程中，菌丝体会在培养基上生长，形成一个连续的网络结构。

（3）培养基替换

在菌丝体生长到一定程度之后，将培养基替换为含有适当营养物质的新培养基，继续发酵生长。这样，可以促进菌丝体的生长和分化。

（4）压制成型

将发酵生长好的菌丝体收集起来，加入适当的填充物和粘合剂，进行压制成型。填充物可以是木屑、稻草等天然物质，粘合剂可以是淀粉、木质素等生物基材料。

（5）干燥处理

将压制成型的MBC进行干燥处理，以去除多余的水分，提高材料的强度和稳定性。

本方法适用与制备具有规则形状和平面结构的MBC材料，如：墙纸、地板等。

2.2喷涂成型

Stricker 等尝试使用喷涂成型的技术，将菌丝体与粘合剂混合后，使用喷涂枪将其喷涂到需要覆盖或形成结构的表面上。其灵活性强，可以适用于各种形状的表面，可以在平面、曲面、凹凸不平的表面上进行喷涂，制备出各种形状的菌丝体复合材料制品。这种方法可以在短时间内制备出大量的制品，表明可以实现自动化、连续化生产，提高生产效率和产量。

2.3 3D打印成型

将菌丝体与粘合剂混合后，使用3D打印机将其逐层打印成型。3D打印成型可以实现高精度的制造，可以制造出复杂的形状和结构的制品。这种成型技术可以实现微米级别的精度，且可以根据不同的需求进行定制和调整，具有灵活性和可塑性。如Ecovative Design使用3D打印技术制造了一种由菌丝体复合材料制成的屋顶瓦片。这种屋顶瓦片具有良好的保温、隔热和防水性能。Mugo使用3D打印技术制造了一批由菌丝体复合材料制成的建筑模型，具有轻质、坚固、环保等特点，可以用于建筑模型和装饰。

3.基于菌丝体复合材料包装的未来展望

3.1设计美学和人类接受度

尽管MBC包装具有许多生态优势，但在人类接受度和设计美学方面却提出了新的挑战。使用活菌丝体和各种基质制成的生长产品是多孔的，具有不规则的形状和颜色。Agata Bonenberg等用MBC制成的原型产品调查了人类对新材料的接受程度，受访者认为熟料粘土覆层更容易融入现代室内美学。虽对比的是MBC在室内的应用，但也一定程度上说明了菌丝包装的劣势之处。尽管MBC在视觉上不那么吸引人，但受访者仍然觉得它更有趣、更新颖、更环保。实验表明，受访者对MBC有双重标准，MBC被普遍认为是生态的，但不是在他们自己的家里，这些结果都支持MBC在当前和未来在制造中需要加强设计美学，以便增加人们的接受度。

3.2基于菌丝体复合材料包装的不足与优化

虽然菌丝体包装具有良好的缓冲性能、可降解性和环境友好性，但也存在一些不足之处。相比于传统的塑料包装材料，菌丝体包装是一种有机材料，在潮湿环境中容易生长霉菌，需要在避光和干燥的环境中储存，以防止包装材料的质量下降。此外，菌丝体包装也容易受到物理损伤，对于需要长时间或远距离运输的物品可能不够耐用。在储存和处理方面，我们可能需要通过技术创新和信息化手段，简化菌丝体包装的储存和处理过程。例如开发智能化的储存和处理设备，以实现自动化管理和控制。在耐久性方面，可以通过改进菌丝体包装的生产工艺和材料组成，增强其耐久性和防潮性。如添加其他天然材料或化学物质，以增强菌丝体的结构强度和防潮性。

尽管存在一些不足之处，基于菌丝体的复合材料包装仍然是一种具有潜力的可持续包装解决方案。随着技术的进一步发展和创新，这些问题可能会得到解决，并进一步推动菌丝体包装的应用。

基金：2023 年四川省大学生创新创业训练计划项目菌丝包蕴——新型环保包装领航者（项目编号S202312642017S）