菌丝木屑复合材料的性能.docx

第 42 卷 第 6 期东 北 林 业 大 学 学 报Vol 42 No 62014 年 6 月JOUNAL OF NOTHEAST FOESTY UNIVESITYJun 2014DOI:10.13759/ki.dlxb.20140523.025菌丝 / 木屑复合材料的性能于博张显权邹莉孙婷婷吕海翔( 东北林业大学，哈尔滨，150040)摘 要 利用真菌菌丝、阔叶木屑制备菌丝 / 木屑复合材料，考察了平菇菌丝 / 木屑、香菇菌丝 / 木屑 2 种复合 材料的静态压缩、吸声等物理力学性能，并结合 FTI、SEM 对其化学官能团、微观形貌进行了分析。结果表明: 菌 丝 / 木屑复合材料是一种新型轻质、多孔、可降解木质复合材料; 两种菌丝 / 木屑复合材料，均具有良好的吸声性能 和压缩性能。关键词 真菌菌丝; 木屑; 复合材料; 物理力学性能分类号 S781Properties of Mycelium / Sawdust Composites / Yu Bo，Zhang Xianquan，Zou Li，Sun Tingting，L Haixiang( Northeast Forestry University，Harbin 150040，P China) / / Journal of Northeast Forestry University 2014，42( 6) 95 98We 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-I and SEM，respectively The fungal mycelium has a polysaccharide struc- ture Mycelium / sawdust composite is a new lightweight，porous，and degradable wood composites Two kinds of myceli- um / sawdust composites both have good sound absorption properties and compression performanceKeywords Fungal mycelium; Sawdust; Composites; Physical and mechanical properties近年来，随着人们环保意识的不断增强以及对 能源危机和资源约束认识的不断加深，木质复合材 料中挥发性物质对人体的伤害逐渐引起人们的关 注。用木材、农作物秸秆等植物纤维材料与其他可 生物 降 解 材 料，制备环境友好的生物质复合材 料12成为复合材料研究发展的必然趋势。菌糠，是食用菌栽培后培养基的固体剩余物，其 主要成分为阔叶木屑，内部含有大量菌丝体，可视为 一种以阔叶木屑为基体，菌丝为不连续相的新型木 质复合材料菌丝 / 木屑复合材料。不同于一些 传统的木质复合材料( 使用合成树脂胶黏剂将木质 材料胶结在一起) 。在菌丝 / 木屑复合材料中，菌丝 作为不连续相将散碎的木屑紧密结合在一起，是一 种基体相和不连续相都可生物降解的完全生物降解 复合材料3，从根本上消除了化学合成胶黏剂的引 入对环境造成的污染。目前，针对菌丝 / 木屑复合材 料的研究，主要集中在两大方面: 一是利用菌丝 / 木 屑复合材料含有的糖类、蛋白质及其它营养成分，作 为食用菌再生产配料、饲料、肥料、生物农药等; 二是 利用菌丝 / 木屑复合材料，作为生物活性材料，应用 于修复受苯环类结构有机物以及 Pb2+ 污染的土壤 及水体45。菌丝 / 木屑复合材料应用于人造木质第一作者简介: 于博，男，1987 年 12 月生，东北林业大学材料科 学与工程学院，硕士研究生。Email: yubo5210 qq com。通信作者: 张显权，东北林业大学材料科学与工程学院，副教授。Email: zhangxianquan2013 aliyun com。 收稿日期: 2013 年 12 月 16 日。 责任编辑: 张 玉。复合材料领域的研究，很 少有人报道。 本研究考 察了平菇菌丝 / 木屑、香 菇菌 丝 / 木 屑 2 种 复 合 材 料的静态压缩、吸声等物理力学性能，并利用傅立 叶红外光谱( FT I) 、扫 描电镜( SEM) 等方法对 其进行表征，初步探讨分析菌丝 / 木屑复合材料的 成型机理，及其作为轻质环保材料应 用在包装等 领域的可行性，以期对木质复合材料 的加工制备 提供新的研究思路。1材料和方法1 1原料香菇菌种、平菇菌种，由东北林业大学林学院森 林保护实验室提供; 杨树木屑与桦树木屑，收集于哈 尔滨某木制品加工厂; 其它辅助实验用品，采购于市 场或由东北林业大学林学院森林保护实验室提供。 1 2 菌丝 / 木屑复合材料成型方法香菇、平菇菌丝母种在 PDA 培养基( 马铃薯葡 萄糖琼脂培养基) 中培养 10 15 d，待 真菌菌丝长 满试管斜面后将其扩接至木屑培养基中。木屑培 养基组成成分及其所占质量比例: 阔叶木屑( 杨木 50 0 % 、桦木 50 0% ) 75 0% 、麸皮 23 0% 、玉米粉1 0% 、黄豆粉 0 5% 、碳酸钙粉末 0 5% ，将各组分 混合均匀并加水搅拌至质量含水量约为 60% ，装入 聚丙烯袋( 直径 100 mm，高 150 mm) ，并分别编号。 高温高压灭菌( 121 ) 4 h，冷却至室温后，在无菌 条件下分别接种平菇菌丝与香菇菌丝，重复 5 组。 接种完毕后，将菌袋置于恒温恒湿控制室内培养，对96东 北 林 业 大 学 学 报第 42 卷出菇后的 2 种菌丝 / 木屑复合材料烘干并进行各项 性能检测。1 3性能测试采用美国 FEI 公司 QuanTa200 型环境扫描电子 显微镜( SEM) ，观察真菌菌丝以及菌丝复合材料的 微观形貌，放大倍率为 100 5 000 倍不等。用美国尼高力公司的 Magna I560 傅立叶变 换红外光谱仪，波数范围在 400 4 000 cm1 ，产生红 外光谱图。静态压缩性能，参照 GB / T81682008包装用 缓冲材料静态压缩试验方法进行测试，试件尺寸: 100 mm100 mm25 mm。压缩速度为 12 mm / min， 记录一系列压缩载荷以及相应的变形，计算压缩应 力、应变，绘制应力应变( ) 曲线。采用 AWA6122A 型 驻 波 管，参 照 标 准 GB / J 8885驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范 测量 125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz 频率下吸 声系数，材料尺寸: 直径 100 mm、高 9 5 mm。计算 平均吸声系数 = ( 1 +2 +3 +4 +5 +6 ) /6、降噪系数 Nrc = ( 2 +3 +4 +5 ) /4，式中: 1 、2 、3 、4 、5 、6 ，分别为 125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz 频率 下吸声系数。2结果与分析2 1菌丝 / 木屑复合材料基本信息菌丝 / 木屑复合材料表观特征及基本物理信息 如图 1 和表 1 所示，菌丝 / 木屑复合材料呈圆柱型。 两种真菌菌丝生物学特性不同，尤 其生长速度差丝在生长过程中都有分枝现象( 如图 2 a、图 2 b 圆 圈部分) ，且 部分菌丝相互交叉、搭接进而形成节 点( 如图 2 a、图 2 b 六边形部分) ，最终使原本单一 的菌丝聚集成为含有节点的三维网状结构的菌丝 团，增加了 菌丝 / 木屑复合材料的稳定性。 图 2 c、 图 2 d，分别是平菇菌丝 / 木 屑、香 菇 菌 丝 / 木 屑 复 合材料微观结构形态。 木屑表面附着大量菌丝， 菌丝在吸收营养过程中会粘附在木屑表面( 如图 2 c、图 2 d 四边 形 部 分) ，进 而 缠绕并包裹住原本 独立存在的木屑，将分散的木屑结合在一起。 在 这 种 结 构 中，木屑作为骨架起到支撑作用，菌 丝 团则相当 于 粘 结 物 质，两者共同构成了木屑 / 菌 丝复合材料。图 1 菌丝 / 木屑复合材料表观特征2 3真菌菌丝红外光谱分析图 3 为两种真菌菌丝体 FT I 谱图。两者均 在 3 270、2 925、1 633、1 583、1 384、1 245、1 149、1 0241 处 出 现 吸 收 峰 ，说明菌丝含有多糖类物质 。别较大。平菇菌丝生长较快，其菌丝 / 木屑复合材 料表面菌丝稀薄; 香菇菌丝生长周期为平菇菌丝 2cm3 270 cm1的强宽吸收峰，推测为是由分子间氢键倍，香菇菌 丝 / 木屑材料表面菌丝浓密，并 且白色和分子内氢键共同引起的 OH 的 伸 缩 振 动 所菌丝经过生物学转色过程变为黑褐色。干燥至含致6。2 925 cm1处的吸收峰，是饱和 CH 键伸缩水率约为 8 % ，测 得平菇菌丝 / 木屑、香 菇菌丝 / 木 屑复合材料密度，两 者密度相差 10 % 。香菇菌丝振动峰，是糖类的特征吸收峰。1 633、1 384、1 583cm1 ，分别是 C O、CN 伸缩振动峰和 NH 弯涨势浓密，结合木屑能力强，木 屑之间孔隙小，材曲振动峰7，香菇菌丝在 1 633、1 384 cm1两处的吸料密度大。表 1 菌丝 / 木屑复合材料基本物理信息收峰均强于平菇，说明香菇菌丝体这两种官能团含量高于平菇菌丝体。1 149、1 024 cm1 两处吸收峰，材料尺寸 / mm 培养时 复合材料种类 菌丝生含水密度 /为吡喃糖环的特征吸收峰，是 糖苷键 COC 的1直径高间 / d长情况率 /%gcm3非对称振动峰，香菇菌丝在 1 024 cm处吸收峰远平菇菌丝 / 木屑10015030 40稀薄80 18 香菇菌丝 / 木屑 100150 60 80浓密80 20 2 2菌丝 / 木屑复合材料微观形态表征图 2 是两种菌丝 / 木屑复合材料的 SEM 图，其 中图 2a、图 2b，分别是平菇、香菇菌丝体原始形态。 两种菌丝均呈扁平状，菌丝直径在 0 8 2 0 m 之 间，平菇菌丝直径较香 菇菌丝直径略大。 两种菌强于平菇菌丝。2 4菌丝 / 木屑复合材料应力应变曲线分析缓冲包装材料受到一定的静压负荷时，会随时 间的延长发生形变，静态压缩性能是缓冲包装材料 的重要评价指标。静态压缩试验，主要用于评定在 静载荷作用下，缓冲材料的缓冲性能及其在流通过 程中对内装产品的保护能力。第 6 期于 博等: 菌丝 / 木屑复合材料的性能97图 3 菌丝 FTI 谱图图 2 菌丝 / 木屑复合材料 SEM 图复合材料，在各阶段所承载应力高于平菇菌丝 / 木屑 复合材料。香菇菌丝 / 木屑复合材料曲线，在 应变 0 5 之后应力急剧升高，材料内部孔隙几乎被压实， 此后，压缩阶段是依靠已致密化的木屑实现缓冲。 平菇菌丝 / 木屑复合材料，是在应变 0 6 时进入材料 致密化阶段，较香菇菌丝 / 木屑复合材料推迟 10% 位移距离。产生此种差异，主要是由于两者孔隙率 的不同而导致。香菇菌丝生长浓密，菌丝结合木屑 能力强，木屑与木屑之间联系紧密，且部分孔隙被菌 丝填充，导致菌丝 / 木屑复合材料孔隙率下降，产生木屑在菌丝的粘结下，在材料内部互相交错，起 到骨架支撑作用; 菌丝体填充在木屑之间的孔隙之 中，降低了材料的密度，并增加了缓冲能力。由图 4 可见: 两种材料曲线趋势相似，均较为平滑，没有明 显的弹性阶段、平台阶段和屈服阶段的过渡。由图 4 可看出: 在产生相同应变条件下，香菇菌丝 / 木屑相同位移形变情况下所需应力增加，缓冲性能下降。2 5两种菌丝 / 木屑复合材料吸声性能吸声材料是将声音能量转化为热能，一般为轻 质、疏松、多孔结构。菌丝 / 木屑复合材料内部含有 大量孔隙，这些微小细孔相互连通并直接通向材料 的表面。当声波入射到这种开孔性材料表面时，透 入材料内部的声波在孔隙中传播时，空气运动会产98东 北 林 业 大 学 学 报第 42 卷生黏滞和摩擦作用，从而使声能逐渐转变成热能所 消耗，这种能量的转变是不可逆的，因此材料具有了 吸声作用。工程上常取 125、250、500、1 000、2 000、 4 000 Hz 等 6 个频率的吸声系数，表示材料的吸声 性 能8 。一 般 把 6 个频率下平均吸声系数大于 0 20 的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于 0 56 的材料称为高效吸声材料9。图 5 是两种木屑 / 菌 丝复合材料在 6 种声音频率下的吸声系数。平菇菌 丝 / 木屑材料、香菇菌丝 / 木屑材料，吸声系数分别为 0 360、0 265，均在 0 20 0 56 之间，属于吸声材料 定义范畴。两种材料在低频区( 200 300 Hz) 吸声 系数均较小( 0 2) ，且数值接近; 在中高频区( 500 4 000 Hz) ，吸声系数较高。可解释为，多孔性吸声 材料要求有一定的孔隙通道以便让声波进入体内被 吸收，高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加 快，空气与孔壁的热交换也加快，使多孔材料具有良 好的高频吸声性能10。图 4 菌丝 / 木屑复合材料 曲线图 5 菌丝 / 木屑材料吸声系数同时，可计算出平菇菌丝 / 木屑复合材料平均吸 声系数，较香菇菌丝 / 木屑复合材料高 33% 。平菇 菌丝结合木屑能力弱于香菇菌丝，导致平菇菌丝 / 木 屑复合材料内部木屑之间的孔隙率，大于香菇菌丝 / 木屑复合材料，增加其吸声性能。在对材料吸声性 能进行单值评价时，一般均采用降噪系数 ( Nrc ) 对 材料的吸声性能进行分级。两者降噪系数分别为 0 367、0 262，满足 0 40 Nrc 0 20，符合国家标准GB / T16731建筑吸声产品的吸声性能分级规定的级降噪性能。3结束语环境友好型生物质复合材料，是复合材料领域 未来研究的重点。本研究以木屑为基质，真菌菌丝 作为连接物质制备菌丝 / 木屑复合材料，对材料成型 机理、微观形貌、缓冲性能及吸声性能进行了分析与 测试。平菇菌丝 / 木屑复合材料、香菇菌丝 / 木屑复 合材料密度分别为 0 18、0 20 g / cm3 ，材料内部多孔 隙，属轻质、多孔、可降解复合材料。SEM 观察到两 种菌丝均呈扁平状，有分枝现象，以三维网状结构存 在木屑孔隙中，将分散木屑有效结合成为整体。FT I 分析显示，两种菌丝均含有 OH、CH、C O、 CN、NH、COC 官能团，具有多糖物质的一 般特征，且香菇菌丝在 1 024、1 633、1 384 cm1 附近 的吸收峰均强于平菇菌丝，说明香菇菌丝含有的 COC、C O、CN 官能团可能多于平菇菌丝。 静态压缩性能测试表明: 平菇菌丝 / 木屑复合材料， 缓冲性能优于香菇菌丝 / 木屑复合材料。吸声系数 结果显示: 两种材料在 6 个频率下，平均吸声系数分 别为: 平菇菌丝 / 木屑复合材料 = 0 360、香 菇 菌 丝 / 木屑复合材料 = 0265 ，均在吸声材料定义的 0 2 0 56 之间，属于多孔吸声材料范畴，具有较好 的高频吸声性能。鉴于此，可在以后研究中，将从原 材料含量配比、成型工艺条件、真菌菌种等方面，对 菌丝 / 木屑复合材料进行研究，以期使菌丝 / 木屑复 合材料，在缓冲、吸声性能有所提高，并探索菌丝 / 木 屑复合材料保温隔热等其它性能，将材料应用于缓 冲包装材料、吸声材料等更多领域。参考文献1