紅茶菌纖維素膜在生活家居產(chǎn)品中的研究應(yīng)用

湯斌

中國(guó)美術(shù)學(xué)院 創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)院 浙江 杭州 310000

紅茶菌是一種菌類共生生物由乳酸菌、醋酸菌和酵母菌等菌體發(fā)酵生成，英文翻譯為kombucha。這種菌類通過(guò)糖茶水或者其他溶液發(fā)酵后產(chǎn)生的對(duì)人體有益的液體可供食用，表面形成一層纖維素膜。紅茶菌纖維素膜因?yàn)榕嘤绞胶?jiǎn)單上、手難度低等原因，人們可以通過(guò)在家培育發(fā)酵自制，也有不少工廠量化生產(chǎn)由公司進(jìn)行商業(yè)銷售。近幾年來(lái)，國(guó)外開始興起對(duì)紅茶菌纖維素膜的研究潮。由于在培養(yǎng)過(guò)程中，培養(yǎng)液表面形成的纖維素膜隨著培養(yǎng)時(shí)間不斷變厚，因此這纖維素膜也慢慢的開始被當(dāng)作新材料研發(fā)。

據(jù)二手資料的研究分析發(fā)現(xiàn)，該材料是一種有望代替塑料制品或者皮革類制品的新型材料。而在塑料問(wèn)題日趨嚴(yán)重和生態(tài)問(wèn)題凸顯的當(dāng)下，對(duì)這種新型材料的研究就顯得尤為重要。紅茶菌纖維素膜作為新型材料符合“Cradle to Cradle”理念中提到的生物循環(huán)模型（如圖1所示），它滿足材料的健康性與可循環(huán)性，以及產(chǎn)品的功能性和無(wú)污染性，與技術(shù)循環(huán)模型相比，它更具有生態(tài)環(huán)保價(jià)值。因此，該材料具有一定研究?jī)r(jià)值與意義。

圖1 生物與技術(shù)循環(huán)模型

一、 紅茶菌纖維素膜的研究方法與實(shí)驗(yàn)

筆者查閱大量現(xiàn)有文獻(xiàn)資料并進(jìn)行整理分析，歸納總結(jié)紅茶菌纖維素膜有以下幾個(gè)特征與可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究方向：特征一：吸附性強(qiáng)。紅茶菌的細(xì)菌纖維對(duì)金屬離子具有吸附作用，在治理污水方面具有一定的應(yīng)用前景；由于較高的吸附性，紅茶菌可以在培養(yǎng)期使用含有不同色素的培養(yǎng)液或者在后期添加色素達(dá)到染色目的，所以可對(duì)其進(jìn)行著色實(shí)驗(yàn)。 特征二：紅茶菌纖維素膜具有極高的含水量，脫水后的紅茶菌纖維素膜在一定濕度下會(huì)吸收空氣中的水分從而達(dá)到“膨脹”效果。因此在后期實(shí)驗(yàn)中將對(duì)其進(jìn)行提升防水防潮效果的實(shí)驗(yàn)來(lái)達(dá)到提升材料的穩(wěn)定性和適用性；特征三：延展性強(qiáng)。紅茶菌纖維素膜富含本身質(zhì)量90%以上的水分，在未經(jīng)干燥情況下是一種濕潤(rùn)的膜狀物，在顯微鏡下呈現(xiàn)多層次的網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜交錯(cuò)的纖維結(jié)構(gòu)具有超強(qiáng)的延展性。并且這種纖維結(jié)構(gòu)在干燥后仍然存在。脫水后的紅茶菌纖維素膜具有類皮革的質(zhì)感，是可以作為一種新片材應(yīng)用于產(chǎn)品上，因此，可以對(duì)該材料進(jìn)行物理特性試驗(yàn)分析其強(qiáng)度與適用性；特征四：天然、有機(jī)和可降解。紅茶菌屬于真菌類生物，因此可在自然界中無(wú)污染的分解。這種可再利用的、再循環(huán)的材料能夠減少能源消耗和改善環(huán)境污染問(wèn)題，應(yīng)該充分發(fā)揮紅茶菌纖維素膜作為可循環(huán)材料的價(jià)值。

1.天然染料染色研究分析

根據(jù)這種纖維素膜的良好吸附特性，挑選以下幾種天然染料進(jìn)行著色實(shí)驗(yàn)，分別為藍(lán)靛、蘇木染料、槐花染料、柿漆、紫薯提取液等。研究時(shí)記錄和控制染色液體的濃度配比、浸染方式和時(shí)間長(zhǎng)度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為獲得良好著色效果，對(duì)纖維素膜的著色時(shí)間也進(jìn)行多次測(cè)試。如：在蘇木染料中浸染時(shí)間相對(duì)較短，僅5～10秒就可以達(dá)到較好的著色效果；在紫薯提取液浸染時(shí)間需要10～15分鐘；在藍(lán)靛染料中浸染時(shí)間需要3～5分鐘才能達(dá)到最佳效果，時(shí)間過(guò)久會(huì)導(dǎo)致樣本顏色過(guò)深導(dǎo)致材料通透度下降?？椢镱惡图t茶菌纖維素膜使用同一種染料時(shí)呈現(xiàn)在樣本上的顏色略有區(qū)別，對(duì)此通過(guò)制作了纖維素膜的樣本圖冊(cè)，包含了本次研究的所有顏色樣本（如圖2所示），為后期設(shè)計(jì)提供樣本參考。

圖2 不同染色與處理樣本的效果（圖片來(lái)源：作者）

2.纖維素膜防水性能研究分析

自然干燥后的紅茶菌纖維素膜在潮濕環(huán)境下具有一定的吸水性。據(jù)筆者觀察空氣濕度大于75%時(shí)呈現(xiàn)下會(huì)出現(xiàn)纖維素膜吸收空氣中水分的現(xiàn)象。因此需要對(duì)紅茶菌纖維素膜的防水性問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)和探究。研究方法如下：使用相同培養(yǎng)模式下的若干自然干燥脫水的紅茶菌纖維素膜，纖維素膜表面添加不同防水涂料處理后，進(jìn)行防水測(cè)試與分析并得出最佳防水防潮方式（如表1）。根據(jù)可持續(xù)性材料的特點(diǎn)，選擇以下具環(huán)保且具有防水作用的涂料，如：桐油、蜂蠟、蟲膠和柿漆等。通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)法對(duì)比上完涂料的纖維素膜的防水時(shí)間，得出最佳天然防水涂料與處理方式。其中浸泡桐油的纖維膜與浸泡蟲膠的纖維素膜具有較好的防水防潮效果；表面涂抹這兩種涂料干燥后只能起到暫時(shí)的防水效果。表面涂抹蜂蠟的防水效果一般。與此同時(shí)，不同的涂料對(duì)纖維素膜的表面質(zhì)感也有著不同的影響程度。使用桐油、環(huán)保清漆和蟲膠涂層的紅茶菌纖維素膜樣本呈現(xiàn)高亮效果，而使用蜂蠟涂層的樣本則呈現(xiàn)表面磨砂質(zhì)感。

表1 不同防水涂層處理實(shí)驗(yàn)

3.纖維素膜材料復(fù)合化研究分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于培養(yǎng)容器的截面面積直接決定了纖維素膜形成的面積，而且容器的截面積越大培養(yǎng)的纖維素膜越容易產(chǎn)生氣泡，并在整體厚度上也很不均勻，即培養(yǎng)容器截面面積越大培養(yǎng)形成良好的纖維素膜的概率也越低。而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有很多余料產(chǎn)生，為了充分利用這些余料，筆者根據(jù)制作傳統(tǒng)水抄紙的方式，將其解構(gòu)后融入水中，并用特制抄網(wǎng)模具重組，從而形成一張更完整面積更大且厚度均勻的纖維素膜。用這種方式來(lái)控制并獲得穩(wěn)定的、均衡可控的纖維素膜材料。在打碎重組的過(guò)程中可以通過(guò)多材料組合的方式，產(chǎn)生新的質(zhì)感與材料特性。如將竹篾、刀麻絲、桑蠶絲、瓊脂等天然材料進(jìn)行材料復(fù)合化實(shí)驗(yàn)。其中疊加蠶絲后的紅茶菌纖維素膜復(fù)合材料質(zhì)感最佳且具有良好的韌性與強(qiáng)度。選擇蠶絲作為復(fù)合材料的原因如下：一是桑蠶絲屬于天然有機(jī)材料，符合可循環(huán)材料的設(shè)計(jì)理念；二是拉蠶絲需要一定的技術(shù)與方式屬于中國(guó)傳統(tǒng)工藝，現(xiàn)存信息和處理方式有跡可尋，為結(jié)合桑蠶絲后的新型材料提升文化氣質(zhì)；三是蠶絲和紅茶菌都具有自然偶然性肌理，這種不規(guī)律性帶來(lái)隨機(jī)美感；四是添加蠶絲后使得新型材料在光照下更具細(xì)節(jié)感（如圖3所示）；五是桑蠶絲本身具有良好的韌性，可增加新材料的整體韌性和強(qiáng)度。

圖3 紅茶菌纖維素膜與蠶絲進(jìn)行材料復(fù)合化樣品（圖片來(lái)源：作者）

由于常規(guī)培養(yǎng)的纖維素膜帶有淡黃色，使用亞氯酸鈉對(duì)其進(jìn)行褪色處理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使得該復(fù)合材料的質(zhì)感產(chǎn)生一定的變化，處于紙和皮革之間的質(zhì)感，且根據(jù)不同濕度可呈現(xiàn)不同質(zhì)感。據(jù)觀察，空氣濕度為50%以下時(shí)，該材料偏紙質(zhì)的觸感；空氣濕度為50%-60%左右時(shí)，該材料具有棉制品的觸感；空氣濕度為60%以上時(shí)，該材料偏皮質(zhì)的觸感?？諝鉂穸韧瑯右沧鳛橛绊憦?fù)合材料材質(zhì)的重大因素，在后期設(shè)計(jì)制作過(guò)程通過(guò)對(duì)該材料添加涂層來(lái)控制其穩(wěn)定性。用破壁機(jī)打碎纖維素膜大小的程度也影響著重構(gòu)后纖維素材料的肌理和質(zhì)感，打碎后片材越小纖維素膜表面肌理越光滑微妙，反之，纖維素膜表面肌理越明顯粗糙。重組后的纖維素面積與厚度可以根據(jù)模具隨意設(shè)定，這極大的提升了新材料的標(biāo)準(zhǔn)化屬性。

二、研究成果的設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐

1. 研究成果與設(shè)計(jì)實(shí)踐

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，筆者對(duì)紅茶菌纖維素膜這種新材料得出以下結(jié)論：第一，纖維素膜具有很好的固色性能與在液體中吸附細(xì)小顆粒的性能。筆者使用含有色素的培養(yǎng)基底液或?qū)⒗w維素膜浸泡在有色溶液中，纖維素膜都能吸附液體中的色素達(dá)到著色效果，且纖維素膜的著色強(qiáng)度與溶液濃度和著色時(shí)間成正比。第二，纖維素膜具有良好的吸水性和透氣性?，F(xiàn)有二手資料中并未發(fā)現(xiàn)改善纖維素膜防水效果的方式，因此通過(guò)使用五種涂層來(lái)提升其防水效果，分別為桐油、蜂蠟、蟲膠、環(huán)保清漆和柿漆。經(jīng)過(guò)對(duì)比后四種涂層都有疏水性，表面涂有桐油的纖維素膜賦予纖維素膜啞光質(zhì)感，可以短時(shí)間防水；表面涂有蜂蠟的纖維素膜也可以短暫防水；表面涂有蟲膠的纖維素膜呈現(xiàn)金棕色且有光澤，可以較長(zhǎng)時(shí)間防水；表面涂有清漆的纖維素膜也呈現(xiàn)光澤，可以長(zhǎng)時(shí)間防水。第三，纖維素膜具有良好的重構(gòu)性。由于培養(yǎng)纖維素膜的容器切面積決定了自然生成的纖維素膜面積，這限制了纖維素膜作為材料使用的面積大小與適用性。將纖維素膜用破壁機(jī)打碎后用特制模具重新組合可得到標(biāo)準(zhǔn)化尺寸。且在重組的過(guò)程中添加其他豐富肌理的材料，來(lái)增加質(zhì)感和機(jī)理的表現(xiàn)，而這個(gè)過(guò)程中不需要添加其他粘合劑就可以讓纖維素膜與桑蠶絲良好的組合起來(lái)。

根據(jù)研究的成果，對(duì)該材料進(jìn)行生活家居產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)踐（如圖4所示）。選擇屏風(fēng)、坐具和燈具作為實(shí)踐載體來(lái)體現(xiàn)該新材料的美感、強(qiáng)度與透光性。結(jié)構(gòu)造型上參考傳統(tǒng)繡花方式中的繡花框來(lái)固定纖維素膜材料，既可以很好的展現(xiàn)這種材料質(zhì)感與美感也起到了固定材料的功能。根據(jù)改進(jìn)傳統(tǒng)造紙方式來(lái)解決了因培養(yǎng)條件限制的尺寸問(wèn)題，用金屬作為輔助材料制作外框來(lái)提升產(chǎn)品感，結(jié)合這種自然的不規(guī)律的菌類復(fù)合材料作為大面積呈現(xiàn)的面料，給人們展現(xiàn)出一種簡(jiǎn)約大氣卻又有豐富變化的視覺感受，通過(guò)藍(lán)染與肌理表現(xiàn)營(yíng)造出一種安靜、寧和的空間氛圍（如圖5所示）。制作工藝上也融合了傳統(tǒng)手工藝與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，既融合了文化感也提升了產(chǎn)品使用感和規(guī)范性。

圖4 以紅茶菌纖維素膜為原材料的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐（圖片來(lái)源：作者）

圖5 產(chǎn)品細(xì)節(jié)與色彩（圖片來(lái)源：作者）

結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)對(duì)紅茶菌的研究大部分為食品工程領(lǐng)域，缺少對(duì)其纖維素膜的研究與開發(fā)。紅茶菌只是萬(wàn)千菌類中的一種，菌類作為材料也只是眾多環(huán)保材料中的一類。作為設(shè)計(jì)從業(yè)者，筆者在研究與分析紅茶菌纖維素膜的過(guò)程中也更深刻的體會(huì)到了環(huán)境問(wèn)題與可持續(xù)設(shè)計(jì)之間關(guān)聯(lián)。大眾不僅應(yīng)該重新認(rèn)識(shí)了解這種新型環(huán)保材料，更應(yīng)該去接受它、傳播它帶來(lái)的影響與意義。相信會(huì)有越來(lái)越多的新型環(huán)保材料會(huì)被關(guān)注和發(fā)掘，來(lái)緩解甚至解決日趨嚴(yán)重的塑料污染問(wèn)題。紅茶菌纖維素膜復(fù)合材料的研究在使用廢棄后也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，很有可能是一種塑料或者皮革的代替品，因此菌類材料是一種極具潛力和探討性的研究對(duì)象。若有機(jī)會(huì)我將在未來(lái)一段時(shí)間里與跨學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的從業(yè)人員進(jìn)行進(jìn)一步合作。