油菜籽秸秆和 树脂灵芝 菌丝体生物复合材料水分行为和热性能的生产和测试

摘要

在这里，我们提出了一种优化的方法，用于从石化产品和污染材料中生产菌丝体复合材料（MBC），用于隔热应用。为了实现碳中和和可持续，菌丝体生物复合材料等生物基和可堆肥材料可能是解决方案。为了确定它们是否符合施工标准，进行了几项实验。

摘要

这项研究旨在通过开发菌丝体生物复合材料作为创新的生物基隔热材料来满足对可持续建筑材料不断增长的需求。它们利用与菌丝体结合的当地农业木质纤维素残留副产品，为化石材料提供了一种有前途的循环替代品。本手稿是Mythic项目的浓缩视图，重点是优化生长技术和材料特性，以确保技术可行性。

在生长优化阶段，一种使用再生纤维素代替谷粒接种剂的新型接种方法显着提高了生长速度和底物定植，减少了孵育时间并符合工业生产需求。

材料性能优化侧重于热性能、耐火性和防潮行为——绝缘材料的关键属性。菌丝体生物复合材料的导热系数值为0.034-0.039 W/m·K，与传统绝缘体相当。水分行为特性被认为足以用作绝缘材料。通过涂层增强了疏水性能，提高了潮湿条件下的耐用性。这些创新确保菌丝体生物复合材料符合各种应用的行业基准。

引言

2022 年，建筑业占全球温室气体排放量的 21%，产生的废物占欧盟总废物的 38.4% ^1,2。这种影响的很大一部分来自发泡聚苯乙烯 （EPS） 和聚异氰脲酸酯 （PIR） 泡沫等传统绝缘材料的生产和处置。这些材料以石化为基础，生产能源密集型，并且由于生物降解性差和隐含碳高而存在长期环境风险 ^3,4。

为了应对这些挑战，目前的研究提出了一种用于隔热应用的菌丝体复合材料 （MBC） 的优化方法。该方法的主要目标是使用在油菜籽秸秆 （RS） 上生长的 灵芝 （GR），建立一种可重复的实验室规模方法，可以扩展到工业环境。该技术旨在生成一种完全生物基的负碳绝缘材料，具有具有竞争力的热调节和湿度调节性能。

与传统绝缘材料相比，MBC 具有引人注目的优势。它们由农业废弃物生产，需要最少的能源输入，在其使用寿命期间充当碳汇，并在报废阶段自然分解，使其成为循环建筑系统的有力候选者 ^5,6。与纤维素或大麻等其他生物基替代品相比，MBC独特地将低导热性与结构内聚力和疏水调节相结合，这可以通过生长控制和后处理技术来实现^7,8。

更广泛的文献越来越多地支持MBC的相关性。综述和实证研究强调了它们对隔热和隔音的适用性，它们对不同基质-真菌配对的适应性，以及它们在建筑规模上模块化或原位生产的潜力^6,9,10。例如，在受控条件下测试的GR-RS MBC的导热系数约为0.045 W/m·K，比热容为1800 J/kg·K，抗压强度高达0.5 MPa，表明性能水平适用于墙壁和屋顶中的非承重保温板^6,7,8。此外，仿生方法已经出现，将 MBC 视为建筑研究中的响应式设计材料¹¹。然而，确保跨尺度的机械一致性和耐用性仍然是一个活跃的研究领域¹²。

MNEXT 启动了 Mythic 项目——用于建筑隔热的菌丝体材料（Mytherials）。该举措扩展了先前的发现，即 GR 和 RS 在 MBC 开发中形成了一个有前途的组合，重点是改进生长条件、根据与绝缘应用相关的 ISO 标准进行材料测试，以及评估未来升级的经济和用户接受参数。

这项技术对于研究人员、建筑师和制造商探索具有循环生命周期的低影响建筑材料尤为重要。该方法侧重于墙壁、屋顶和地板的隔热应用，其中低密度、热调节和湿度行为至关重要。关键的背景因素包括基质和真菌物种的当地可用性、接种和生长过程的可扩展性以及对建筑性能标准的遵守。该方法包括对导热系数、比热容、水分响应和防水性的评估，使用户能够根据环境条件和监管要求评估其适用性。

本手稿介绍了这项工作的成果：一种用于生产 GR-RS MBC 的实验室规模但可扩展的方法，包括优化的生长参数和材料测试协议。虽然 GR-RS 是重点，但该协议适用于其他真菌物种和基质，使其与不同的地理位置和原料可用性相关。尽管该方法在实验室或中点规模上是有效的，但大规模实施可能需要进一步调整以确保一致性和成本效益。

方案

本文中使用的材料、设备、机器和相关软件列在 材料表中。该协议分为两大部分，MBC 生产和材料测试。

1. MBC生产

1. 生成准备
   1. 将 20 克麦芽提取物肉汤粉末溶解在 1 L 软化水中（或每 100 mL 肉汤 2 g）中，放入 1 L 锥形瓶中。使用150°C的加热搅拌装置混合锥形瓶中的内容物。
   2. 用可渗透的盖子盖住烧瓶，例如铝箔塞中的棉球纱布，并将混合物在121°C下高压灭菌25分钟。麦芽提取物肉汤 （MEB） 即可使用。
      注意：对于使用高压灭菌器的每一步，检查高压灭菌器和排气管内的水位，确保水位在最低和最高水平之间。添加到高压灭菌器中的任何水（或进入高压灭菌器的任何水）都应进行软化，以确保最佳运行，因为矿物质可能会导致机器运行出现问题。所有可高压灭菌物品均标有高压灭菌指示胶带，灭菌后会形成黑色条纹，确认高压灭菌过程成功。在开始下一步之前，请务必让内容物冷却至室温 （RT）。
   3. 将纤维素加入可高压灭菌袋中，每克软化水纤维素 1：1.32。
   4. 手动按摩袋子 2 分钟，以确保纤维素内水均匀分布。
   5. 给袋子贴上标签（接种培养基-真菌类型-日期-重量-姓名首字母研究人员）并将高压灭菌器胶带粘贴在袋子上。
   6. 将袋子在121°C下高压灭菌25分钟，其中含有纤维素与水混合。
   7. 高压灭菌循环完成后，将纤维素袋放入层流罩（LAF）中直至冷却。
      注意：在 LAF 中作时，保持严格的无菌至关重要。在这种环境中执行的程序非常敏感，处理不当会显着增加污染率。建议在手术前后先用medicarine溶液（每10升水1片）擦拭LAF柜和所有要放入其中的物品，然后用70%乙醇擦拭。
   8. 使用无菌接种环或无菌抹刀将完全定植的 100 毫米直径的 GR 培养皿切成四个相等的部分。
      注意：GR 板是作为母子购买的。生物实验室技术人员可以在实验室中复制母卵;但是，该过程超出了本手稿的范围。
   9. 通过在121°C下高压灭菌25分钟对实验室搅拌杯进行消毒，然后将其放入LAF中，用medicarine溶液和70%乙醇擦拭外部。
   10. 将两部分转移到无菌实验室搅拌杯中，并加入 50 mL MEB（在 1.1.2 中制备）。
   11. 将杯子放在旋转器上并低速运行 30 秒，通过目视检查混合物确保整个培养皿已充分修剪。
   12. 将接种的肉汤混合物倒入装有高压灭菌纤维素+水混合物的袋子中，并手动按摩内容物2分钟。
   13. 将袋子转移到气候室中，在 30 °C 和 80% 相对湿度 （RH） 下放置 5 天。
   14. 3 天后轻轻摇晃并按摩袋子 2 分钟。放回培养箱中。生长 5 ± 1 天后，产卵就准备好了。
2. 制备基材
   1. 将一个空碗或水桶放在秤上并去皮。然后将基板转移到桶中并记录基板的重量。
      注意：建议每袋使用不超过 160 克（530 毫米 x 370 毫米），以确保对袋子内容物进行充分消毒。由于大体积（或体积与表面比较大）的热渗透缓慢，使用大量可能需要更长的灭菌时间。
   2. 称量要添加的水，比例为 1.65：1 RS 基质：软化水，并用手彻底混合，或者如果数量较多，则使用水泥搅拌机彻底混合。
   3. 将混合物放入可高压灭菌袋中。
   4. 用袋子密封剂或胶带封闭袋子。
   5. 在袋子上贴上标签（基材类型 - 日期 - 重量 - 首字母缩写）并粘贴高压灭菌胶带。
   6. 将袋子放入高压灭菌器中，开始121°C的循环25分钟。
3. 底物接种
   1. 从高压灭菌器中取出袋子并将它们放入 LAF 柜中。
   2. 将接种的纤维素与厨房棒搅拌机以最低强度（用medicarine溶液和乙醇清洗）混合30秒，以确保均匀的颗粒尺寸。
   3. 称重产卵：基材总重量的10%+水（湿重）用秤倒入袋内。
      注意：10% 的生成量可能会因无菌条件而异。在实验室条件下，10% 被确定为产卵量和污染之间的最佳折衷方案。在升级条件下，产卵数量越大，充分生长所需的无菌/清洁度水平就越低。
   4. 用密封剂或胶带密封袋子，轻轻摇晃/按摩 2 分钟，以确保均匀分布。
   5. 再次给袋子贴上标签（基质类型 - 真菌类型 - 日期 - 基质重量 - 产卵重量 - 首字母缩写）。
4. 模制
   注意：此步骤可以在底物接种后立即执行，也可以在五天内执行。在这个协议中，它立即进行以加速整个过程。虽然时间不会影响最终结果，但 5 天后，材料变得难以成型，因为它往往会紧密地粘合在一起。
   1. 先用medicarine溶液清洁模具以使MBC成型，然后再用70%乙醇，然后将其放在LAF柜下。
      注意：本研究中使用的模具为方形 200 mm x 200 mm x 50 mm，符合计划测试的 ISO 标准中规定的尺寸。
   2. 在秤上去皮，并用接种的基质填充它。确保将材料均匀地分布在模具上，使其完全平坦。
   3. 记录重量以确保其余模具的生产密度相等（如果适用）。
   4. 剪下穿孔箔纸以覆盖模具的顶面，并用medicarine溶液和70%乙醇擦拭。
   5. 用穿孔箔覆盖模具并用胶带固定。
   6. 标记模具（基材类型 - 真菌类型 - 日期 - 重量 - 首字母）。
   7. 将填充的模具放入 25 °C 和 80% RH 的气候室中 7 ± 1 天。
   8. 生长3天后，将样品从LAF中的模具中取出，轻轻翻转180°（倒置），然后再次用穿孔箔覆盖模具。
5. 失活和干燥
   1. 通过观察均匀的菌丝体定植和白度来目视检查样品的生长。
   2. 充分生长后，通常为7±1天，将样品脱模并使其在65°C的烤箱中干燥24小时，并在下面放置烘焙纸以吸收水分并防止其粘在烤箱表面。
      注意： 如果干燥较大的面板，请在顶部放一个重物以防止翘曲（中间放上烘焙纸）。考虑到对于厚面板，需要超过 24 小时的干燥时间。要验证样品是否完全干燥，请在烘箱干燥期间监测其重量。当 24 小时内重量变化小于 0.1% 时，样品可被视为干燥。
   3. 将袋子标签放在烤箱中的样品附近，或将胶带粘在样品上。
   4. 在干燥过程结束时称量样品并贴上标签（基材类型 - 真菌类型 - 日期 - 重量 - 首字母）。
6. 后期制作
   1. 使用低压喷雾均匀涂抹10mL，添加疏水涂层，并在通风空间中干燥24小时。
   2. 将样品浸入 50 mL 涂层中以涂上第二层，并在通风空间中再干燥 24 小时。
   3. 使用秤称量样品，并将涂层类型和最终重量添加到标签上。

2. 材料测试

注意： 补充文件，包括分步屏幕截图，用于软件在热性能（补充文件 1）和抗压强度测量（补充文件 2）中的使用。测试前，用于测试的样品均在稳定的室温（23 ± 5）°C 和 50 ± 20% 相对湿度下调节 48 小时。

1. 测量导热系数
   注意：在本研究中，使用基于标准 NEN-EN ISO 8301 的热流量计 （HFM） 测量热导率和比热容，该标准专门用于确定绝缘材料的热性能¹³。
   1. 启动 HFM 软件并左键单击 “自动校准 ”选项卡。
   2. 左键单击 高频交易校准 按钮。
   3. 在表格中输入基本数据并配置设定点。将上板温度设置为 17.5 °C，将下板温度设置为 2.5 °C，平均温度为 10 °C。
   4. 左键单击 参考 描述。称重和测量校准标准 Netzsch EPS 200 mm，并将其输入软件。
   5. 将 EPS 件放入 HFM，关上门，左键单击以勾选 2.1 kPa 的负载设定点，然后左键单击“ 开始 ”按钮。
      注意： 一旦达到稳定性，校准和测试将自动停止。
   6. 在 HFM 软件中，左键单击 向导 按钮，然后左键单击热 导率测试。
   7. 输入基本数据和试样描述。设置与设定点表中的 2.1.3 相同的值。使用内置测厚仪测量样品的厚度。
      注意：输入基本数据时，请确保更改每个样品的样品 ID、文件名和目标
   8. 将 MBC 样品放入 HFM 中并关闭门，确保样品保持居中。
   9. 选择之前执行的校准，然后左键单击以勾选 2.1 kPa 处的负载设定点，然后左键单击 “开始 ”按钮。
2. 测量比热容
   1. 左键单击 “自动校准 ”按钮。
   2. 左键单击“ 空堆栈校正 ”按钮。
   3. 输入基本数据，设置表1所示的三步温度，驱动板厚度为0.25 cm。然后按开始。
   4. 空堆栈校准完成后，左键单击 “向导 ”按钮，然后左键单击“ 比热测试”。
   5. 将MBC样品放入HFM内并关上门。
   6. 输入基本数据和试样描述。使用内置测厚仪测量样品的厚度。
   7. 在设定点表中设置与 2.2.3 相同的值，并选择之前执行的空堆栈校准。左键单击以勾选 2.1 kPa 处的负载设定点，然后左键单击 “开始” 按钮。
   8. 通过左键单击 “报告” 按钮访问每个样本的数据。
3. 吸湿/解吸
   注意：该标准 ISO 23327：2021 与绝缘材料相关¹⁴.
   1. 准备一个装满水的水箱，如 图1所示。放置三条塑料胶带将样品固定到位，确保其保持悬浮状态并且不会与水接触。设置类似于 图 1。
   2. 将塑料盒在温度为23±5°C的房间中预处理，等待24小时后再开始实验。
   3. 24小时后，将样品放在塑料胶带的顶部。
   4. 以0小时（实验前）的间隔，0.5小时，1小时，2小时，4小时，8小时，24小时和48小时将MBC样品从盒子中取出，在秤上称重，并根据 图2测量其尺寸。称重后，再次放入盒子内并盖上盖子。
      注意： 在称重和测量步骤中尽可能快，以避免水分流失。
   5. 48小时后，将样品从盒子中取出，将样品置于25°C和40%RH的气候室中。
   6. 以与 2.3.5 相同的间隔称量样品以确定失重。
   7. 48小时后，实验完成并产生曲线：重量（kg）的吸收/解吸，随时间的变化（h）和随时间的尺寸稳定性（%）（h）。
   8. 通过以下方式计算质量变化 （%）：
      
      M0 是样品的初始质量
      Mf 是吸收测试后的最终质量
   9. 计算每个维度的平均值：每个区间的长度 （）、底数 （） 和厚度 （）。
      对于每个维度：
      
      
      
      n 是测量次数
      L_I， B_I， T_I  = 单个测量值
   10. 使用公式计算每个间隔的尺寸变化 （%）。
       
       是 l、 b 或 t。
   11. 计算初始体积 （^{cm 3}） 和每个间隔。
       
       
   12. 计算每个区间的体积尺寸变化 （V%）。
       
4. 抗压强度（水分行为）
   注意：使用了遵循标准 ISO 29469 的 10% 应变抗压强度测试，因为它适用于绝缘材料¹⁵。使用带有方形压缩板（250 mm x 250 mm）的万能试验机（UTM）装置。这台机器可以进行广泛的机械测试，包括压缩、拉伸和剪切测试。在干燥、潮湿和干燥后测量抗压强度，以了解 MBC 的水分行为。
   1. 根据 图 2，使用游标卡尺测量 MBC 样品的尺寸。
   2. 将样品放入UTM中，位于下压缩板上方的中心。
   3. 先打开UTM，然后启动软件。请遵循此顺序;否则，机器将无法正确连接并保持演示模式。
   4. 在 UTM 软件中，左键单击“ 库工具 ”选项卡，然后左键单击“ 库方法 ”子选项卡。
   5. 在搜索工具中搜索 ISO 29469，然后右键单击标准并按编辑方法。
      注意：并非所有 UTM 软件库都有此标准。该测试的配置需要将UTM段设置为5 mm / min的速度，并将实验极限设置为10%应变（样品初始厚度的10%）。
   6. 按 UTM 软件上的开始 实验 。
   7. 使用以下公式计算 10% 的抗压强度，单位为帕斯卡 （Pa） （σ₁₀）：
      
      F₁₀ 是应变为 10% 时的力，单位为牛顿 （N）
      0 是试样的初始横截面积，单位为平方米 （m²）。
   8. 计算以 Pa 为单位的压缩模量。
      
      Δσ 是抗压强度的变化，单位为 Pa。
      Δε 是应变的变化，以 % 为单位。
   9. 在 图1 中的水箱中调节新样品24小时，然后对潮湿样品重复步骤2.4.1至2.4.8。
      注意：在水箱中调节 2.4.9 中的额外样品，然后将它们干燥以用于 2.4.10。
   10. 将未经测试的潮湿样品转移到50°C的烘箱中12小时，并用风扇通风，然后对干燥后的样品重复步骤2.4.1至2.4.8。
5. 防水性
   1. 使用 10 mL 量筒将 9 mL 水与 1 mL 红色水着色剂混合，制备溶液。用勺子搅拌均匀。
   2. 如 图3所示，使用细胶带或细毡尖笔将样品表面分成四个象限。
   3. 使用微量移液器测量 100 μL 红色染色水，并将一个液滴放入样品的每个象限中。确保液滴放置在每个象限的平坦表面区域上。
      注意： 确保液滴在一次动作中释放;否则，它会扰乱表面张力并给出无效的结果。如果液滴以此体积分散，请改用 50 μL 并注意变化。
   4. 使用三脚架相机与样品顶面齐平，拍摄每个液滴的照片。
   5. 使用开源图像处理软件，测量每个液滴两侧的接触角。使用以下公式计算平均接触角：
      
   6. 测量所有四个象限后，使用以下方法计算样品的总体平均接触角：
      

表 1：比热容的阶跃温度。 该表列出了用于评估 MBC 样品比热容的定义温度间隔（以 °C 为单位）。每个步骤代表受控加热期间使用的范围，必须用作 HFM 的输入。 请按此下载此表。

图 1：吸湿-解吸设置。 该图显示了用于测试MBCs吸湿和解吸行为的实验装置。将样品置于受控的温度和湿度条件下。不需要比例尺，因为设置概述是定性的。 请点击此处查看此图的大图。

图 2：测量 MBC 的尺寸。 该图显示了在湿度循环前后测量 MBC 尺寸变化的位置。使用游标卡尺在每个样品的多个等距点 （n = 5） 测量长度、底面和厚度（精度± 0.1 mm）。 请点击此处查看此图的大图。

图 3：防水测试的表面划分。 该图说明了如何将每个样品细分为等距象限以进行系统水滴测试。 请点击此处查看此图的大图。

结果

MBC生产
MBC 表面应该大部分是白色的。样品应类似于 图 4 和 图 5 中样品的结构、颜色和均匀性。

图 4：足够 MBC 的示例 - 示例 1。 根据白度水平和表面均匀性被归类为结构足够的 MBC 标本的图像。表面看起来完好无损、均匀且不变形，代表了高品质 MBC 的理想外观。

讨论

MBC 开发的一个关键步骤是准备产卵，这必须由训练有素的实验室技术人员在严格的无菌条件下进行。该过程对污染很敏感，需要高水平的无菌技术技能。在生物安全和实验室处理方面进行适当的培训至关重要，因为产卵的质量直接影响最终材料的定植效率和均匀性。整个生成准备工作应在单个会话中完成，以保持实验批次之间的一致性。含有新鲜菌丝体的完全定植培养皿至关重要，因为它会显着影响菌丝体通过基质的生长速度。由于不同的物种表现出不同的生长速度，因此提前评估所选物种的生长动态非常重要。即使在同一物种的菌株之间，生长行为也可能出现显着差异。成型阶段也很重要，因为不均匀的平整度和较差的均匀性会影响抗压强度、疏水性和热性能测量。对于热测试，样品必须平坦且尺寸精确（19.8-20.5 cm²），以确保与 HFM 板的准确接触。不符合这些标准的样品应排除在测试之外。

为了适应 MBC 的独特特性，需要进行一些调整和故障排除措施。在抗压强度测试过程中，有必要考虑样品固有的不均匀性，在每个样品的六个不同点测量厚度并取平均值，并在所有样...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1升埃伦迈耶酒壶	Glazen-en-potten.nl	GT00148
1升测量圆筒	西格玛-奥尔德里奇	213905408
50毫升测量圆柱	西格玛-奥尔德里奇	Z740856	Aldrich Essentials 刻度气缸，A类，符合DIN ISO 4788标准
70%乙醇	爆炸实验室	8,00,12,02,72,500
可灭菌袋	SacO2	PPD75/REH6/V37*53
高压 釜	VWR	TUTT210001
高压灭菌带	西格玛-奥尔德里奇	BR61750
封袋机	Profipack	101481	HC-300型号
校准标准Netzsch EPS 200毫米	Netzsch	HFM446S0A95.001-00
纤维素	雷赛尔	https://recell.eu/markets/#recell-compose	由项目合作伙伴交付
灵芝树脂	韦斯特代克研究所	CBS 194.76
热流量计（HFM）	Netzsch	https://analyzing-testing.netzsch.com/en/products/thermal-conductivity/hfm-446-lambda-eco-line-1	HFM 446 Lambda 小型生态线
加热搅拌装置	拉宾科	32000
地平线软件	Horizon 软件	https://www.tiniusolsen.com/product/horizon-software/	用于运行UTM 的软件;
疏水涂层	Impershield欧洲	https://impershield.eu/product/bioseal-mycelium/	Impershield 生物密封菌丝体
图片J	图片J	https://imagej.net/ij/	用于图像处理的软件
接种环	VWR	DIFC220217
厨房棒搅拌机	博世	MSM6M810
实验室搅拌机	Labowebshop	AXMX1000XTEES	2升Waring实验室搅拌机
层流罩（LAF）	MSE供应	LS1309	MSE PRO 43英寸宽度水平层流柜
水平	马努坦	A830619	水钢 - 工字钢基础 - 斯坦利
麦芽提取物汤粉	Boom实验室	7,00,00,05,90,500
美迪卡林	伊可实验室	3021760
微量移液器	西格玛-奥尔德里奇	FA10006M	PIPETMAN P1000L 微量移液器金属弹出
穿孔箔	斯卡布罗	414075
Proteus SmartMode 8.5	Netzsch	https://analyzing-testing.netzsch.com/en/products/thermal-conductivity/hfm-446-lambda-eco-line-1	作HFM的软件
规模	维沃尔	https://www.vevor.nl/analytische-balans-c_11079/vevor-digitale-laboratoriumweegschaal-laboratorium-analytische-weegschalen-5000g-p_010521620455?lang=en&srsltid=AfmBOopchyZ-medHCTmpdHiqjXOtvV7xCOdhXZ VIKi9LowzUk6ibehSx	型号 HZ-B50002
基底	格林波特西荷兰	-	由项目合作伙伴送来的油菜籽秸秆。nbsp;
通用测试机（UTM）	蒂尼乌斯·奥尔森	https://www.tiniusolsen.com/product/model-50st/	50ST型号
游标卡钳	西格玛-奥尔德里奇	Z136115