菌絲/木屑復(fù)合材料的性能

于 博 張顯權(quán) 鄒 莉 孫婷婷 呂海翔

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

菌絲/木屑復(fù)合材料的性能

于 博 張顯權(quán) 鄒 莉 孫婷婷 呂海翔

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

利用真菌菌絲、闊葉木屑制備菌絲/木屑復(fù)合材料，考察了平菇菌絲/木屑、香菇菌絲/木屑2種復(fù)合材料的靜態(tài)壓縮、吸聲等物理力學(xué)性能，并結(jié)合FT-IR、SEM對(duì)其化學(xué)官能團(tuán)、微觀形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：菌絲/木屑復(fù)合材料是一種新型輕質(zhì)、多孔、可降解木質(zhì)復(fù)合材料；兩種菌絲/木屑復(fù)合材料，均具有良好的吸聲性能和壓縮性能。

真菌菌絲；木屑；復(fù)合材料；物理力學(xué)性能

近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)以及對(duì)能源危機(jī)和資源約束認(rèn)識(shí)的不斷加深，木質(zhì)復(fù)合材料中揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)人體的傷害逐漸引起人們的關(guān)注。用木材、農(nóng)作物秸稈等植物纖維材料與其他可生物降解材料，制備環(huán)境友好的生物質(zhì)復(fù)合材料[1-2]成為復(fù)合材料研究發(fā)展的必然趨勢。

菌糠，是食用菌栽培后培養(yǎng)基的固體剩余物，其主要成分為闊葉木屑，內(nèi)部含有大量菌絲體，可視為一種以闊葉木屑為基體，菌絲為不連續(xù)相的新型木質(zhì)復(fù)合材料——菌絲/木屑復(fù)合材料。不同于一些傳統(tǒng)的木質(zhì)復(fù)合材料(使用合成樹脂膠黏劑將木質(zhì)材料膠結(jié)在一起)。在菌絲/木屑復(fù)合材料中，菌絲作為不連續(xù)相將散碎的木屑緊密結(jié)合在一起，是一種基體相和不連續(xù)相都可生物降解的完全生物降解復(fù)合材料[3]，從根本上消除了化學(xué)合成膠黏劑的引入對(duì)環(huán)境造成的污染。目前，針對(duì)菌絲/木屑復(fù)合材料的研究，主要集中在兩大方面：一是利用菌絲/木屑復(fù)合材料含有的糖類、蛋白質(zhì)及其它營養(yǎng)成分，作為食用菌再生產(chǎn)配料、飼料、肥料、生物農(nóng)藥等；二是利用菌絲/木屑復(fù)合材料，作為生物活性材料，應(yīng)用于修復(fù)受苯環(huán)類結(jié)構(gòu)有機(jī)物以及Pb2+污染的土壤及水體[4-5]。菌絲/木屑復(fù)合材料應(yīng)用于人造木質(zhì)復(fù)合材料領(lǐng)域的研究，很少有人報(bào)道。本研究考察了平菇菌絲/木屑、香菇菌絲/木屑2種復(fù)合材料的靜態(tài)壓縮、吸聲等物理力學(xué)性能，并利用傅立葉紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)等方法對(duì)其進(jìn)行表征，初步探討分析菌絲/木屑復(fù)合材料的成型機(jī)理，及其作為輕質(zhì)環(huán)保材料應(yīng)用在包裝等領(lǐng)域的可行性，以期對(duì)木質(zhì)復(fù)合材料的加工制備提供新的研究思路。

1 材料和方法

1.1 原料

香菇菌種、平菇菌種，由東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林保護(hù)實(shí)驗(yàn)室提供；楊樹木屑與樺樹木屑，收集于哈爾濱某木制品加工廠；其它輔助實(shí)驗(yàn)用品，采購于市場或由東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林保護(hù)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 菌絲/木屑復(fù)合材料成型方法

香菇、平菇菌絲母種在PDA培養(yǎng)基(馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基)中培養(yǎng)10～15 d，待真菌菌絲長滿試管斜面后將其擴(kuò)接至木屑培養(yǎng)基中。木屑培養(yǎng)基組成成分及其所占質(zhì)量比例：闊葉木屑(楊木50.0%、樺木50.0%)75.0%、麩皮23.0%、玉米粉1.0%、黃豆粉0.5%、碳酸鈣粉末0.5%，將各組分混合均勻并加水?dāng)嚢柚临|(zhì)量含水量約為60%，裝入聚丙烯袋(直徑100 mm，高150 mm)，并分別編號(hào)。高溫高壓滅菌(121 ℃)4 h，冷卻至室溫后，在無菌條件下分別接種平菇菌絲與香菇菌絲，重復(fù)5組。接種完畢后，將菌袋置于恒溫恒濕控制室內(nèi)培養(yǎng)，對(duì)出菇后的2種菌絲/木屑復(fù)合材料烘干并進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測。

1.3 性能測試

采用美國FEI公司QuanTa200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察真菌菌絲以及菌絲復(fù)合材料的微觀形貌，放大倍率為100～5 000倍不等。

用美國尼高力公司的Magna-IR560傅立葉變換紅外光譜儀，波數(shù)范圍在400～4 000 cm-1，產(chǎn)生紅外光譜圖。

靜態(tài)壓縮性能，參照GB/T8168—2008《包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試，試件尺寸：100 mm×100 mm×25 mm。壓縮速度為12 mm/min，記錄一系列壓縮載荷以及相應(yīng)的變形，計(jì)算壓縮應(yīng)力、應(yīng)變，繪制應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線。

采用AWA6122A型駐波管，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/J 88—85《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》測量125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz頻率下吸聲系數(shù)，材料尺寸：直徑100 mm、高9.5 mm。計(jì)算平均吸聲系數(shù)α=(α1+α2+α3+α4+α5+α6)/6、降噪系數(shù)Nrc=(α2+α3+α4+α5)/4，式中：α1、α2、α3、α4、α5、α6，分別為125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz頻率下吸聲系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌絲/木屑復(fù)合材料基本信息

菌絲/木屑復(fù)合材料表觀特征及基本物理信息如圖1和表1所示，菌絲/木屑復(fù)合材料呈圓柱型。兩種真菌菌絲生物學(xué)特性不同，尤其生長速度差別較大。平菇菌絲生長較快，其菌絲/木屑復(fù)合材料表面菌絲稀?。幌愎骄z生長周期為平菇菌絲2倍，香菇菌絲/木屑材料表面菌絲濃密，并且白色菌絲經(jīng)過生物學(xué)轉(zhuǎn)色過程變?yōu)楹诤稚?。干燥至含水率約為8%，測得平菇菌絲/木屑、香菇菌絲/木屑復(fù)合材料密度，兩者密度相差10%。香菇菌絲漲勢濃密，結(jié)合木屑能力強(qiáng)，木屑之間孔隙小，材料密度大。

表1 菌絲/木屑復(fù)合材料基本物理信息

2.2 菌絲/木屑復(fù)合材料微觀形態(tài)表征

圖2是兩種菌絲/木屑復(fù)合材料的SEM圖，其中圖2a、圖2b，分別是平菇、香菇菌絲體原始形態(tài)。兩種菌絲均呈扁平狀，菌絲直徑在0.8～2.0 μm之間，平菇菌絲直徑較香菇菌絲直徑略大。兩種菌絲在生長過程中都有分枝現(xiàn)象(如圖2a、圖2b圓圈部分)，且部分菌絲相互交叉、搭接進(jìn)而形成節(jié)點(diǎn)(如圖2a、圖2b六邊形部分)，最終使原本單一的菌絲聚集成為含有節(jié)點(diǎn)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的菌絲團(tuán)，增加了菌絲/木屑復(fù)合材料的穩(wěn)定性。圖2c、圖2d，分別是平菇菌絲/木屑、香菇菌絲/木屑復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。木屑表面附著大量菌絲，菌絲在吸收營養(yǎng)過程中會(huì)粘附在木屑表面(如圖2c、圖2d四邊形部分)，進(jìn)而纏繞并包裹住原本獨(dú)立存在的木屑，將分散的木屑結(jié)合在一起。在這種結(jié)構(gòu)中，木屑作為骨架起到支撐作用，菌絲團(tuán)則相當(dāng)于粘結(jié)物質(zhì)，兩者共同構(gòu)成了木屑/菌絲復(fù)合材料。

圖1 菌絲/木屑復(fù)合材料表觀特征

2.3 真菌菌絲紅外光譜分析

圖3為兩種真菌菌絲體FT-IR譜圖。兩者均在3 270、2 925、1 633、1 583、1 384、1 245、1 149、1 024cm-1處出現(xiàn)吸收峰，說明菌絲含有多糖類物質(zhì)。3 270 cm-1的強(qiáng)寬吸收峰，推測為是由分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵共同引起的O—H的伸縮振動(dòng)所致[6]。2 925 cm-1處的吸收峰，是飽和C—H鍵伸縮振動(dòng)峰，是糖類的特征吸收峰。1 633、1 384、1 583 cm-1，分別是CO、C—N伸縮振動(dòng)峰和N—H彎曲振動(dòng)峰[7]，香菇菌絲在1 633、1 384 cm-1兩處的吸收峰均強(qiáng)于平菇，說明香菇菌絲體這兩種官能團(tuán)含量高于平菇菌絲體。1 149、1 024 cm-1兩處吸收峰，為吡喃糖環(huán)的特征吸收峰，是糖苷鍵C—O—C的非對(duì)稱振動(dòng)峰，香菇菌絲在1 024 cm-1處吸收峰遠(yuǎn)強(qiáng)于平菇菌絲。

2.4 菌絲/木屑復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

緩沖包裝材料受到一定的靜壓負(fù)荷時(shí)，會(huì)隨時(shí)間的延長發(fā)生形變，靜態(tài)壓縮性能是緩沖包裝材料的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，主要用于評(píng)定在靜載荷作用下，緩沖材料的緩沖性能及其在流通過程中對(duì)內(nèi)裝產(chǎn)品的保護(hù)能力。

圖2 菌絲/木屑復(fù)合材料SEM圖

圖3 菌絲FT-IR譜圖

木屑在菌絲的粘結(jié)下，在材料內(nèi)部互相交錯(cuò)，起到骨架支撐作用；菌絲體填充在木屑之間的孔隙之中，降低了材料的密度，并增加了緩沖能力。由圖4可見：兩種材料曲線趨勢相似，均較為平滑，沒有明顯的彈性階段、平臺(tái)階段和屈服階段的過渡。由圖4可看出：在產(chǎn)生相同應(yīng)變條件下，香菇菌絲/木屑復(fù)合材料，在各階段所承載應(yīng)力高于平菇菌絲/木屑復(fù)合材料。香菇菌絲/木屑復(fù)合材料曲線，在應(yīng)變0.5之后應(yīng)力急劇升高，材料內(nèi)部孔隙幾乎被壓實(shí)，此后，壓縮階段是依靠已致密化的木屑實(shí)現(xiàn)緩沖。平菇菌絲/木屑復(fù)合材料，是在應(yīng)變0.6時(shí)進(jìn)入材料致密化階段，較香菇菌絲/木屑復(fù)合材料推遲10%位移距離。產(chǎn)生此種差異，主要是由于兩者孔隙率的不同而導(dǎo)致。香菇菌絲生長濃密，菌絲結(jié)合木屑能力強(qiáng)，木屑與木屑之間聯(lián)系緊密，且部分孔隙被菌絲填充，導(dǎo)致菌絲/木屑復(fù)合材料孔隙率下降，產(chǎn)生相同位移形變情況下所需應(yīng)力增加，緩沖性能下降。

2.5 兩種菌絲/木屑復(fù)合材料吸聲性能

吸聲材料是將聲音能量轉(zhuǎn)化為熱能，一般為輕質(zhì)、疏松、多孔結(jié)構(gòu)。菌絲/木屑復(fù)合材料內(nèi)部含有大量孔隙，這些微小細(xì)孔相互連通并直接通向材料的表面。當(dāng)聲波入射到這種開孔性材料表面時(shí)，透入材料內(nèi)部的聲波在孔隙中傳播時(shí)，空氣運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生黏滯和摩擦作用，從而使聲能逐漸轉(zhuǎn)變成熱能所消耗，這種能量的轉(zhuǎn)變是不可逆的，因此材料具有了吸聲作用。工程上常取125、 250、500、1 000、 2 000、4 000 Hz等6個(gè)頻率的吸聲系數(shù)，表示材料的吸聲性能[8]。一般把6個(gè)頻率下平均吸聲系數(shù)大于0.20的材料稱為吸聲材料，平均吸聲系數(shù)大于0.56的材料稱為高效吸聲材料[9]。圖5是兩種木屑/菌絲復(fù)合材料在6種聲音頻率下的吸聲系數(shù)。平菇菌絲/木屑材料、香菇菌絲/木屑材料，吸聲系數(shù)分別為0.360、0.265，均在0.20～0.56之間，屬于吸聲材料定義范疇。兩種材料在低頻區(qū)(200～300 Hz)吸聲系數(shù)均較小(α<0.2)，且數(shù)值接近；在中高頻區(qū)(500～4 000 Hz)，吸聲系數(shù)較高?？山忉尀?，多孔性吸聲材料要求有一定的孔隙通道以便讓聲波進(jìn)入體內(nèi)被吸收，高頻聲波可使空隙間空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度加快，空氣與孔壁的熱交換也加快，使多孔材料具有良好的高頻吸聲性能[10]。

圖4 菌絲/木屑復(fù)合材料σ-ε曲線

圖5 菌絲/木屑材料吸聲系數(shù)

同時(shí)，可計(jì)算出平菇菌絲/木屑復(fù)合材料平均吸聲系數(shù)，較香菇菌絲/木屑復(fù)合材料高33%。平菇菌絲結(jié)合木屑能力弱于香菇菌絲，導(dǎo)致平菇菌絲/木屑復(fù)合材料內(nèi)部木屑之間的孔隙率，大于香菇菌絲/木屑復(fù)合材料，增加其吸聲性能。在對(duì)材料吸聲性能進(jìn)行單值評(píng)價(jià)時(shí)，一般均采用降噪系數(shù)(Nrc)對(duì)材料的吸聲性能進(jìn)行分級(jí)。兩者降噪系數(shù)分別為0.367、0.262，滿足0.40>Nrc≥0.20，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16731《建筑吸聲產(chǎn)品的吸聲性能分級(jí)》規(guī)定的Ⅳ級(jí)降噪性能。

3 結(jié)束語

環(huán)境友好型生物質(zhì)復(fù)合材料，是復(fù)合材料領(lǐng)域未來研究的重點(diǎn)。本研究以木屑為基質(zhì)，真菌菌絲作為連接物質(zhì)制備菌絲/木屑復(fù)合材料，對(duì)材料成型機(jī)理、微觀形貌、緩沖性能及吸聲性能進(jìn)行了分析與測試。平菇菌絲/木屑復(fù)合材料、香菇菌絲/木屑復(fù)合材料密度分別為0.18、0.20 g/cm3，材料內(nèi)部多孔隙，屬輕質(zhì)、多孔、可降解復(fù)合材料。SEM觀察到兩種菌絲均呈扁平狀，有分枝現(xiàn)象，以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在木屑孔隙中，將分散木屑有效結(jié)合成為整體。FT-IR分析顯示，兩種菌絲均含有O—H、C—H、CO、C—N、N—H、C—O—C官能團(tuán)，具有多糖物質(zhì)的一般特征，且香菇菌絲在1 024、1 633、1 384 cm-1附近的吸收峰均強(qiáng)于平菇菌絲，說明香菇菌絲含有的C—O—C、CO、C—N官能團(tuán)可能多于平菇菌絲。靜態(tài)壓縮性能測試表明：平菇菌絲/木屑復(fù)合材料，緩沖性能優(yōu)于香菇菌絲/木屑復(fù)合材料。吸聲系數(shù)結(jié)果顯示：兩種材料在6個(gè)頻率下，平均吸聲系數(shù)分別為：平菇菌絲/木屑復(fù)合材料α=0.360、香菇菌絲/木屑復(fù)合材料α=0265，均在吸聲材料定義的0.2～0.56之間，屬于多孔吸聲材料范疇，具有較好的高頻吸聲性能。鑒于此，可在以后研究中，將從原材料含量配比、成型工藝條件、真菌菌種等方面，對(duì)菌絲/木屑復(fù)合材料進(jìn)行研究，以期使菌絲/木屑復(fù)合材料，在緩沖、吸聲性能有所提高，并探索菌絲/木屑復(fù)合材料保溫隔熱等其它性能，將材料應(yīng)用于緩沖包裝材料、吸聲材料等更多領(lǐng)域。

[1] 郭文靜，鮑甫成，王正.可降解生物質(zhì)復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].木材工業(yè)，2008，22(1)：12-14，18.

[2] Wollerdoder M， Bader H． Influence of natural fibers on the mechanical properties of biodegradable polymers[J]． Industrial Crops and Products，1998，8(2)：105-112．

[3] 陳一民，洪曉斌，張文峰，等．完全生物降解復(fù)合材料的研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2003，17(1)：55-58．

[4] Lau K L， Tsang Y Y， Chiu S W． Use of spent mushroom compost to bioremediate PAH-contaminated samples[J]． Chemosphere，2003，52(9)：1539-1546．

[5] 涂響，曾光明，陳桂秋，等．香菇培養(yǎng)基廢料吸附水體中Pb2+[J]．中國環(huán)境科學(xué)，2006，26(S1)：45-47．

[6] 黃占華，張斌，鄒麗，等．一種潛在新型材料：真菌纖維的晶體結(jié)構(gòu)表征[J]．功能材料，2012，43(7)：940-943，948．

[7] 柏婷婷，錢建亞．真菌多糖摻假檢測方法的研究[D]．揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2008．

[8] 中華人民共和國技術(shù)監(jiān)督局.GB/T3947—1996 聲學(xué)名詞術(shù)語行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[9] 姜繼圣，楊慧玲．建筑功能材料及應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998．

[10] 齊共金，楊盛良，趙恂.泡沫吸聲材料的研究進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2002，17(5)：40-44．

Properties of Mycelium/Sawdust Composites/

Yu Bo, Zhang Xianquan, Zou Li, Sun Tingting, Lü Haixiang(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-95～98

We investigated the static compression, sound absorption and other physical and mechanical properties of oyster mushroom mycelium/sawdust and mushroom mycelium/sawdust composites, and observed the chemical functional groups and micro-morphology of composites by FT-IR and SEM, respectively. The fungal mycelium has a polysaccharide structure. Mycelium/sawdust composite is a new lightweight, porous, and degradable wood composites. Two kinds of mycelium/sawdust composites both have good sound absorption properties and compression performance.

Fungal mycelium; Sawdust; Composites; Physical and mechanical properties

于博，男，1987年12月生，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：yubo5210@qq.com。

張顯權(quán)，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，副教授。E-mail：zhangxianquan2013@aliyun.com。

2013年12月16日。

S781

責(zé)任編輯：張 玉。