菌丝体基复合材料：碳中和建筑围护结构的可持续保温解决方案

传统保温材料的隐含环境影响与建筑运行能耗，使建筑业成为全球碳排放的重要来源之一。本综述聚焦于作为碳中和建筑围护结构应用生物基绝缘材料的菌丝体基复合材料(MBCs)。研究结果表明，MBCs具有低密度、可生物降解、可再生原料利用和良好的热性能的特点，其中菌丝体-大麻复合材料表现出最佳的保温绝缘性能(0.0404 W/m・K)，保温表现最优。然而，标准化缺失、湿度敏感性、耐久性证据有限以及大规模成本效益不明确等问题阻碍了其更广泛的应用。总体而言，MBCs在半防护和非承重建筑围护结构绝缘应用中展现出巨大潜力。

1. 保温绝缘材料概况

建筑保温绝缘材料分为无机和有机两大类，如图1所示。无机材料(玻璃棉、岩棉、硅酸钙)具有良好的热性能和耐火性，但生产能耗高。有机材料包括石油基(发泡聚苯乙烯EPS、挤塑聚苯乙烯XPS、聚氨酯PUR)和可再生生物基(纤维素、大麻、羊毛)两类。石油基保温绝缘材料热性能优异，但不可生物降解且碳密集，而生物基替代品环境足迹更低。

图1 建筑保温绝缘材料分类

菌丝体基复合材料是通过真菌菌丝体在木质纤维素农业废弃物中生长形成的轻质多孔结构。主要分为菌丝体基泡沫(MBFs)和菌丝体基夹层复合材料(MBSCs)，如图2所示。

图2 (A)生物复合材料夹层结构横截面示意图；(B)菌丝体基复合材料：(I)横截面；(II)示意图

决定MBCs性能的关键因素包括：

1)真菌种类：

三系菌丝真菌(如彩绒革盖菌)产生的菌丝网络更致密，力学性能优于单系菌丝真菌(如糙皮侧耳)。

2)底物类型：

大麻、秸秆和亚麻是最有效的木质纤维素底物，其组成直接影响菌丝体生长和复合材料性能。

3)压制技术：

冷压保留孔隙率以用于绝缘；热压增加密度以用于半结构用途；无压可实现复杂几何形状。

2. 核心性能特征

2.1 热绝缘性能

导热系数是绝缘材料的关键指标。表1对比了MBCs与传统绝缘材料，显示菌丝体-大麻复合材料在99 kg/m³密度下达到最低导热系数(0.0404 W/m・K)，其次是菌丝体-秸秆(0.0419 W/m・K密度94 kg/m³)。这些数值与玻璃棉(0.033–0.045 W/m・K)和洋麻(0.034–0.043 W/m・K)相当，高于挤塑聚苯乙烯XPS (0.025–0.035 W/m・K)。

表1 传统保温材料与菌丝体基复合材料的密度及导热系数对比概况

2.2 力学与功能特性

MBCs适用于非承重应用，其拉伸强度为0.03–0.18 MPa，压缩强度为0.17–1.1 MPa，弯曲强度为0.05–0.29 MPa(与聚苯乙烯泡沫相当)。它们具有良好的吸声性能(1000 Hz时为70%–75%)，添加50 wt%二氧化硅可提高耐火性。主要局限性是高吸湿性(40–580 wt%)，这会降低热性能和耐久性。

2.3 成本与耐久性

由于利用农业废弃物，MBCs的原材料成本极低(0.07–0.17美元/千克)，显著低于XPS(2.1–2.3美元/千克)和聚氨酯(8.2–10.4美元/千克)。其预计使用寿命约为20年，与玻璃棉(20–30年)相当，但短于羊毛(60–100年)和XPS(50年)。

3. 可持续性与循环经济

3.1 隐含碳与生命周期评估

与传统建筑材料相比，MBCs的隐含碳极低，如图3所示。

图3 各种建筑材料生产中的净CO2排放量

菌丝体基复合材料的净CO2排放量为0.005 kg CO2/千克，远低于混凝土(约0.95 kg CO2/千克)和原生钢(约1.3 kg CO2/千克)。生命周期评估结果(表2)证实，菌丝体-大麻复合材料每功能单位的全球变暖潜能值(0.3668 kg CO2当量)和能耗(0.0568–0.0677 MJ当量)最低，而XPS分别为13.22 kg CO2当量和127.31 MJ当量。

表2 基于选定生命周期影响指标的菌丝体基与传统绝缘材料对比评估

3.2 循环性与生物降解性

MBCs通过废物资源化和完全生物降解支持循环经济。与可持续存在数百年的合成绝缘材料不同，MBCs在土壤中数周至数月内即可生物降解(一项概念验证研究显示，菌丝体-大麻复合材料16周后重量损失43%)。如图4所示，它们在生命周期末期的可持续性优于大多数传统材料。

图4 绝缘材料生产的累计温室气体排放量

4. 局限性与未来工作

MBCs应用的主要障碍包括：

1)缺乏标准化的制造和测试方法

2)长期耐久性和耐湿性数据有限

3)大规模成本效益不明确

4)与合成材料相比生产周期较慢

未来研究应重点：建立标准化制备流程、提升材料耐湿性能、开展全生命周期成本分析、开发高效规模化制备工艺，以及与行业利益相关者合作解决市场和监管障碍。

结论

本综述证实了MBCs作为碳中和建筑围护结构可持续绝缘材料的巨大潜力。它们具有低密度、可生物降解、可再生原料利用和有竞争力的热性能，其中菌丝体-大麻复合材料表现出最佳的绝缘性能。尽管存在挑战，但MBCs非常适合非承重、半防护应用。分阶段实施方法将促进其在可持续建筑中的更广泛应用。

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。