一种具有疏水性、可修复和可回收的多功能隔热复合材料

来源 | Small

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背景介绍

轻质隔热材料对于运输和储存温度敏感的物品、电子设备热管理、优化建筑物内部的舒适性至关重要。常用的商业绝缘隔热材料包括聚合物基隔热泡沫，如膨胀聚苯乙烯(EPS)和膨胀聚乙烯(EPE)。诸如此类的塑料是造成碳排放的核心因素之一，占全球碳排放量的15%。因此，利用天然可生物降解的聚合物制造高度可持续和节能的材料可以最大限度地减少对化石燃料的依赖，并抑制人类活动产生的温室气体排放。

木材是一种绿色环保的材料，具有可再生性和丰富的可用性，它的层状结构和定向纤维排列使其重量轻，具有各向异性机械强度。基于木材制备的隔热材料，如透明木材和木材气凝胶已得到了大量研究。为了最大限度地减少固体的贡献并增强孔隙结构的弯曲性，所有木质素和部分半纤维素都通过化学处理从木材中去除，这减少了木材内固体和气体的传导。

然而，化学预处理木质素脱除策略能耗高，制造过程复杂，经济效益低。在环境条件下，活细胞可以从有机或无机基质中制造化学物质、药物和复杂分子。例如，活细胞可以在有机物中定植，产生具有特定功能的水塑、生物支架和细菌纤维素。真菌是一类生长在有机基质上的活细胞，它分泌一系列酶，将纤维素等复杂成分分解成易于吸收的营养物质分子。

真菌子实体和菌丝已被制成纳米弹性材料，其抗拉强度可达36.6 MPa，弹性模量可达8.0 GPa。但是，仍然需要物理和化学后处理方法。最近，通过直接将真菌定植在木质纤维素材料上，开发了天然复合材料。菌丝通过在基质颗粒之间建立稳定的网状结构并穿透细胞壁来调节基质的自组装，从而形成具有确定形状和强度的多孔材料。因此，开发一种不经化学处理而具有优异机械性能的轻质保温菌丝复合材料是一项具有挑战性的工作。

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成果掠影

近期，北京林业大学曹金珍教授在开发替代泡沫基隔热材料方面的研究工作取得新进展，该成果有助于实现碳中和目标。该团队展示了一种由多个高级菌丝网络(弹性模量为1.2 GPa)结合松散分布的木屑产生的具有层次多孔结构的菌丝复合材料，包括宏观和微观孔隙。讨论了丝状菌丝和复合材料的形态、生物学和物理化学性质，包括它们如何受到真菌菌丝系统的影响以及它们与底物相互作用的方式。该复合材料的孔隙率为0.94，在250-3000 Hz频率范围内(对于15mm厚的样品)的降噪系数为0.55，导热系数为0.042 W/mK。它也是疏水的，可修复的，可回收的。预计这种具有优异隔热性能和机械性能的分层多孔结构复合材料将对轻质泡沫塑料的高度可持续替代品的未来发展产生重大影响。研究成果以“Mycelium Composite with Hierarchical Porous Structure for Thermal Management ”为题发表于《Small》。

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图文导读

图1.复合材料制备过程的图解和形态学照片。

图2.复合材料的力学性能和结构示意图。

图3.天然和真菌处理木屑的结构特征。。

图4.菌丝复合材料的保温性能。

图5.有限元建模分析。

图6.菌丝复合材料的疏水性。

图7.菌丝复合材料的可修复性和可回收性。

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