3D打印支架+菌丝体：新型生物复合材料突破建筑减碳难题

融合木质PLA支架与灵芝菌丝，实现高强度、高隔热、防火疏水的可持续建筑材料创新

一、研究背景与行业痛点

建筑行业占全球温室气体排放的37%，传统建材如黏土砖和聚苯乙烯（EPS）隔热材料在生产与使用过程中碳排放高，2050年相关排放可能增加50%。尽管可持续实践可减少40%排放，但现有生物基材料（如竹材、菌丝体）普遍存在质量不稳定、耐久性差、易潮易燃等问题。菌丝体结合复合材料（MBCs）虽具固碳潜力，但其屈服强度仅为0.01–0.72MPa，且菌丝生长不均，难以满足建筑结构需求。

二、研究目标

通过3D打印木质-聚乳酸（PLA）多孔螺旋支架，引导菌丝体均匀生长，提升MBCs的机械强度、隔热性、防火性、疏水性及耐久性，开发可替代传统高污染建材的可持续复合材料。

三、实验设计

材料制备：采用40%木材与60%PLA混合的可回收线材，3D打印TPMS（三重周期极小曲面）螺旋支架，优化表面积与结构强度。选用灵芝菌种，在10w/v%麦芽PMA培养基中，于23℃、80%湿度环境下培养21天，制备“非活性”（烘干终止生长）与“活性”（菌丝存活）样品。

性能测试：涵盖压缩与剪切强度、热导率与红外成像、燃烧面积与重量变化、接触角与吸水率、300天环境暴露耐久性，以及XPS、FTIR化学结构分析。

四、核心成果

菌丝体生长优化：10w/v%麦芽浓度促进菌丝“探索-利用”平衡，14天覆盖70%孔隙率支架，21天形成致密层。90%孔隙率因通风良好，菌丝密度最高；50%孔隙率空气滞留，菌丝稀疏。

力学性能显著提升：50%孔隙率MBCs屈服强度达7.29±0.65MPa，远超传统MBCs；90%孔隙率样品屈服强度提升77.7%，比能量吸收提升133.3%。

优异隔热性能：90%孔隙率MBCs热导率低至0.012W/mK，优于传统PU泡沫；梯度结构设计使温差达到PU房屋的2倍。

防火与疏水性增强：MBCs通过炭化层阻燃，50%孔隙率梯度样品燃烧面积最小；菌丝体使材料接触角从85.5°升至130.9°，吸水率降低2.6倍。

长期稳定性验证：非活性MBCs经300天环境暴露，力学性能无显著下降；活性样品因菌丝持续代谢导致支架降解，100天后强度下降2.82倍。

五、图解展示

六、结论与意义

技术突破：3D打印螺旋支架与菌丝体协同作用，成功解决生物基材料“强度与功能不可兼得”的核心矛盾，实现砖块级强度与泡沫级隔热的统一。

应用前景：该材料可替代黏土砖、PU泡沫，适用于假墙、隔热板等建筑构件，微型“菌丝房屋”实验已验证其卓越隔热性能，为建筑行业低碳转型提供可行路径。

局限与展望：高孔隙率（90%）下性能最优，需进一步优化孔隙率与力学性能的平衡；当前生产周期较长，但物化能耗显著低于传统材料，具备长期可持续优势。