傳統保溫材料的隱含環境影響與建筑運行能耗，使建筑業成為全球碳排放的重要來源之一。本綜述聚焦于作為碳中和建筑圍護結構應用生物基絕緣材料的菌絲體基復合材料(MBCs)。研究結果表明，MBCs具有低密度、可生物降解、可再生原料利用和良好的熱性能的特點，其中菌絲體-大麻復合材料表現出最佳的保溫絕緣性能(0.0404 W/m?K)，保溫表現最優。然而，標準化缺失、濕度敏感性、耐久性證據有限以及大規模成本效益不明確等問題阻礙了其更廣泛的應用。總體而言，MBCs在半防護和非承重建筑圍護結構絕緣應用中展現出巨大潛力。

1. 保溫絕緣材料概況

建筑保溫絕緣材料分為無機和有機兩大類，如圖1所示。無機材料(玻璃棉、巖棉、硅酸鈣)具有良好的熱性能和耐火性，但生產能耗高。有機材料包括石油基(發泡聚苯乙烯EPS、擠塑聚苯乙烯XPS、聚氨酯PUR)和可再生生物基(纖維素、大麻、羊毛)兩類。石油基保溫絕緣材料熱性能優異，但不可生物降解且碳密集，而生物基替代品環境足跡更低。

圖1 建筑保溫絕緣材料分類

菌絲體基復合材料是通過真菌菌絲體在木質纖維素農業廢棄物中生長形成的輕質多孔結構。主要分為菌絲體基泡沫(MBFs)和菌絲體基夾層復合材料(MBSCs)，如圖2所示。

圖2 (A)生物復合材料夾層結構橫截面示意圖；(B)菌絲體基復合材料：(I)橫截面；(II)示意圖

決定MBCs性能的關鍵因素包括：

1)真菌種類：

三系菌絲真菌(如彩絨革蓋菌)產生的菌絲網絡更致密，力學性能優于單系菌絲真菌(如糙皮側耳)。

2)底物類型：

大麻、秸稈和亞麻是最有效的木質纖維素底物，其組成直接影響菌絲體生長和復合材料性能。

3)壓制技術：

冷壓保留孔隙率以用于絕緣；熱壓增加密度以用于半結構用途；無壓可實現復雜幾何形狀。

2. 核心性能特征

2.1 熱絕緣性能

導熱系數是絕緣材料的關鍵指標。表1對比了MBCs與傳統絕緣材料，顯示菌絲體-大麻復合材料在99 kg/m3密度下達到最低導熱系數(0.0404 W/m?K)，其次是菌絲體-秸稈(0.0419 W/m?K密度94 kg/m3)。這些數值與玻璃棉(0.033–0.045 W/m?K)和洋麻(0.034–0.043 W/m?K)相當，高于擠塑聚苯乙烯XPS (0.025–0.035 W/m?K)。

表1 傳統保溫材料與菌絲體基復合材料的密度及導熱系數對比概況

2.2 力學與功能特性

MBCs適用于非承重應用，其拉伸強度為0.03–0.18 MPa，壓縮強度為0.17–1.1 MPa，彎曲強度為0.05–0.29 MPa(與聚苯乙烯泡沫相當)。它們具有良好的吸聲性能(1000 Hz時為70%–75%)，添加50 wt%二氧化硅可提高耐火性。主要局限性是高吸濕性(40–580 wt%)，這會降低熱性能和耐久性。

2.3 成本與耐久性

由于利用農業廢棄物，MBCs的原材料成本極低(0.07–0.17美元/千克)，顯著低于XPS(2.1–2.3美元/千克)和聚氨酯(8.2–10.4美元/千克)。其預計使用壽命約為20年，與玻璃棉(20–30年)相當，但短于羊毛(60–100年)和XPS(50年)。

3. 可持續性與循環經濟

3.1 隱含碳與生命周期評估

與傳統建筑材料相比，MBCs的隱含碳極低，如圖3所示。

圖3 各種建筑材料生產中的凈CO2排放量

菌絲體基復合材料的凈CO2排放量為0.005 kg CO2/千克，遠低于混凝土(約0.95 kg CO2/千克)和原生鋼(約1.3 kg CO2/千克)。生命周期評估結果(表2)證實，菌絲體-大麻復合材料每功能單位的全球變暖潛能值(0.3668 kg CO2當量)和能耗(0.0568–0.0677 MJ當量)最低，而XPS分別為13.22 kg CO2當量和127.31 MJ當量。

表2 基于選定生命周期影響指標的菌絲體基與傳統絕緣材料對比評估

3.2 循環性與生物降解性

MBCs通過廢物資源化和完全生物降解支持循環經濟。與可持續存在數百年的合成絕緣材料不同，MBCs在土壤中數周至數月內即可生物降解(一項概念驗證研究顯示，菌絲體-大麻復合材料16周后重量損失43%)。如圖4所示，它們在生命周期末期的可持續性優于大多數傳統材料。

圖4 絕緣材料生產的累計溫室氣體排放量

4. 局限性與未來工作

MBCs應用的主要障礙包括：

1)缺乏標準化的制造和測試方法

2)長期耐久性和耐濕性數據有限

3)大規模成本效益不明確

4)與合成材料相比生產周期較慢

未來研究應重點：建立標準化制備流程、提升材料耐濕性能、開展全生命周期成本分析、開發高效規模化制備工藝，以及與行業利益相關者合作解決市場和監管障礙。

結論

本綜述證實了MBCs作為碳中和建筑圍護結構可持續絕緣材料的巨大潛力。它們具有低密度、可生物降解、可再生原料利用和有競爭力的熱性能，其中菌絲體-大麻復合材料表現出最佳的絕緣性能。盡管存在挑戰，但MBCs非常適合非承重、半防護應用。分階段實施方法將促進其在可持續建筑中的更廣泛應用。

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。