Мицелните композити като нов екологичен строителен материал

Инж. Александър Николов, инж. Димитър Пашов, УАСГ В това проучване е изследван нов екологичен материал, направен от смляно сено, колонизирано от мицел. Мицелните композитни материали са съставени от растителен материал (субстрат), който е колонизиран от мицел. Той представлява вегетативната част на гъбите. В конкретен етап от своя жизнен цикъл се размножава чрез спори, произведени от плодни тела, които хората разпознават като гъби. Състои се от множество разклонени нишковидни филаменти (хифи), който обикновено са бели на цвят. Те, подобно на свързващо вещество, слепват субстрата, като така той запазва своята цялост дори след умирането на гъбата. За разлика от материята на растенията, която е базирана на целулоза и лигнин, здравината на мицела е благодарение на хитина, който е съставен от полизахариди, като така формира скелетната структура на гъбите и определя мицелната клетъчна структура (7). Гъбите не са фотосинтезиращи организми и набавят всички необходими вещества от хранителната среда домакин. Обикновено това е биоматерия, като дърво, листа или друго въглерод съдържащо вещество. Мицелната структура често е скрита в приемащата материя и става видима чак когато гъбата навлезе в плододаваща фаза. При изготвянето на мицелни композити тази фаза не трябва да се достига. Хранителната среда на гъбите зависи от вида на гъбата колонизатор. Успешно са използвани смляно сено и отпадни продукти, като оризови люспи (2). В последните десетилетия човечеството отделя все по-голямо внимание на материалите, които се използват, и техния отпечатък върху природата. В рамките на концепцията за устойчиво развитие е необходимо да се направи рационален подбор на материалите. Композитните материали са предпочитани за редица приложения, но тяхната висока цена, сложността при производството им и влиянието им върху природата отварят нов път за нови устойчиви композити. Естествените мицелни композити имат редица преимущества, като независимост от петрол и ниски производствени разходи. Те са напълно био­разградими, като имат неутрален въглероден отпечатък (7). Свойства и приложения До момента мицелните блокове намират комерсиално приложение като удароустойчив опаковъчен материал (фиг. 1, вляво) (6). Еластичното поведение на материала позволява той да абсорбира енергията от удари и така да запази опакования товар. Те заместват конвенционалния експандиран полистирен, който е петролен продукт. След като излезе извън употреба, полистиренът е отпадък, който сериозно вреди на околната среда поради бавното си разграждане и изпускането на различни химикали, като флуорокарбон (3). Като строителен материал мицелните композити все още са в експериментален етап. Могат да се приготвят мицелни градивни блокове. Поради бързия растеж, нетоксичността и устойчивостта на мицелните композити те са приложени за изграждането на авангардни конструкции, като проекта Мусоtechure (фиг. 1, вдясно) (4) или прототипната устойчива сграда в Кунминг, Южен Китай (5). Някой източници твърдят, че мицелните композити са устойчиви на вода, мухъл и огън (4). Приготвяне на материала и пробни тела За приготвянето на мицелните блокове са използвани сламени бали, които се смилат, след което се пастьоризират. Блоковете се формуват, като към обработената слама се добавя и вече развит мицел. След отлежаване мицелът колонизира целия блок. Блоковете се изсушават и обработват с пчелен восък. Методиката е експериментална и подлежи на оптимизиране по отношение на качеството на произведените блокове и времето за приготвянето им. Пробни тела (ПТ) за лабораторни изпитвания са изрязани от блокове с размери 200 на 200 на 100 mm. Оформени са кубчета и призми с подходящи размери за определяне на физични и хидрофизични характеристики (фиг. 2). След разрязване на мицелните блокове се забелязва по-плътен външен слой. Този слой действа като черупка и осигурява по-добра цялостност и здравина на блока, същевременно затруднява миграцията на водни пари. При изрязването на ПТ този слой е премахнат. Част от материала е заснет с любителски електронен микроскоп Bresser (фиг. 3). Определяне на физични и хидрофизични свойства Предварителните проучвания на материала започват с определяне на основни свойства на материала. За всяко изпитване са използвани поне 2 ПТ, като при разлика в резултатите повече от 15% е изпитано 3 ПТ. Определени са следните физични и хидрофизични свойства: Обемна плътност – тя е определена с ПТ кубчета с ръб 100 mm. Използван е метод за определяне на обемна плътност за тела с правилна геометрична форма. Обемът е изчислен, като всяка от страните е измерена с шублер на 4 места, след което пробното тяло е претеглено на везна с точност 0,1 g. Плътността е определена в сухо и водонапито състояние. Таблица 1. Обемна плътност в сухо и водонапито състояние Състояние Обемна плътност, д/ст Сухо 0,207 Водонапито 0,657 Хигроскопичност – определена е, като пробите са предварително изсушени и претеглени, след което поставени в ексикатор, в който се поддържа температура 20±3 °С и влажност приблизително 100%. След 72 h пробите са извадени от ексикатора и отново претеглени. Водопоглъщането е основна характеристика, тъй като погълнатата влага променя механичните и топлотехническите показатели и създава предпоставки за процеси на гниене. Абсорбция на вода – пробите са изсушени и претеглени, след което са водонапити до постоянна маса. Подобно на изпитване на топлоизолационни материали, ПТ са затиснати с тежест, тъй като те „плуват“. Дори след водонапиване ПТ са по-леки от водата (табл. 1). Водонасищането е способността на материала при специални условия да запълва целия обем на откритите си пори с вода. За да се реализират специалните условия, при които всички отворени пори на материала се запълват с вода, е използвана вакуумпомпа. ПТ са изсушени до постоянна маса. Поставени са под вода в съд, който е свързан с вакуумпомпа. Вакуумпомпата работи и поддържа понижено налягане дотогава, докато спре отделянето на мехурчета въздух. ПТ престояват под вода при нормално атмосферно налягане още 24 часа, след което е опредена масата им във водонаситено състояние. Коефициент на водонасищане е отношението на водопопиваемостта Wm към абсолютната водопопиваемост Wm,a се нарича коефициент на водонасищане. Този коефициент характеризира до каква степен са изпълнени порите на материала при обикновено водонапиване. Косвен метод за определяне на мразоустойчивостта е чрез коефициента на водонасищане. Известно е, че при замразяване водата увеличава обема си с около 9%. Теоретично, ако в материала има 10% незапълнени с вода пори, ледът и изтласканата от него незамръзнала вода ще навлязат в тези пори и няма да създават вътрешни напрежения в материала. Поради нееднородността на порите и неравномерното им запълване с вода в практиката се приема, че материалът е мразоустойчив, ако поне 20% от обема на порите при обикновени условия не се запълват с вода, т.е. ако Кв≤0,8 (1). След като Кв=0,64, може да се направи теоретично предположение, че материалът е мразоустойчив, въпреки че не е желателно да се допуска материалът да се мокри. Капилярната водопопиваемост е опредена с призматични ПТ с височина 4 пъти по-голяма от страната на напречното сечение. Пробите са изсушени до постоянна маса и претеглени, след което са поставени във вана върху скара, така че дълбочината на потапянето да бъде 1 см. Във ваната се пуска да тече вода, като излишъкът от нея се излива през преливник, с което се осигурява постоянна дълбочина на потапянето. Пробите престояват във ваната до водонапиване до постоянна маса. Капилярната водопопиваемост се характеризира с количеството вода, намиращо се в порите и празнините на частта от материала, разположена над водното ниво, отнесено към масата на сухия материал. Wm,k = 205,2% Заключение Мицелните композитни материали представляват смлян растителен материал, който е колонизиран от мицел. Мицелът, съставен от нишковидни фибри (хифи), подобно на свързващо вещество, слепва частиците на растителния материал. Мицелните композити са потенциален екологичен заместител на синтетичните полимери. Приложението им в строителството е в експериментална фаза, като са необходими по-задълбочени и мащабни изследвания, които да разяснят поведението на мицелните композити като строителен материал. Изследваните мицелни блокове се характеризират със значително водопоглъщане и хигроскопичност. Препоръчително е материалът да се предпазва от влага или директен досег с вода. ЛИТЕРАТУРА 1. Ростовски И. „УАСГ - Преподаватели - Преподавателски състав - доц. д-р инж. Иван Ростовски“, 11.2014, https://uacg.bg/filebank/att_5664.pdf. [Accessed 11 2014]. 2. Arifin Y., Yusuf Y. Mycelium Fibers as New Resource for Environmental Sustainability, Elsevier, 2012 3. Berge B. The ecology of building materials, Elsevier, ISBN: 978-1-85617-537-1, 2009. 4. Boyer M. “Phillip Ross Molds Fast-Growing Fungi Into Mushroom Building Bricks That Are Stronger than Concrete | Inhabitat - Sustainable Design Innovation, Eco Architecture, Green Buildin”, 25.06.2014. https://inhabitat.com/phillip-ross-molds-fastgrowing-fungi-into-mushroom-building-bricks-that-are-stronger-than-concrete/. [Accessed 11.2014]. 5. Phiriyaphongsak W. “mycoFARMX_Living Architecture,” 2013. https://issuu.com/mycofarmx/docs/mycofarmx. [Accessed June 2013]. 6. Schiffman R. Packing materials grown from mushrooms, New Scientist, Volume 218, Issue 2921, 15 June 2013, Page 29 7. Travaglini S. Noble J., Ross PG, Dharan CKH. Mycology Matrix Composites, American Society for Composites—Twenty-Eighth Technical Conference.