一种全天然植物基隔音材料及其制备方法

1.本发明涉及植物基复合材料技术领域，具体涉及一种全天然植物基隔音材料及其制备方法。


背景技术：

2.在“双碳”目标和“限塑令”背景下，植物生物质作为后石油时代的关键材料，因其具有低碳、环境友好、可再生、可降解等优点已成为各行各业关注的焦点。近年来植物基多孔复合材料作为多孔塑料制品的替代品得到了广泛的研究，并展示了优异的力学、保温、隔音性能。制备植物基多孔复合材料主要有“自上而下”和“自下而上”两种方式。“自下而上”的方式通常需要复杂的物理化学处理过程和后续的组装过程，所得到的多孔材料力学性能比较差，成本比较高，从而限制了大规模的制备。“自上而下”的方式可以直接经过处理将植物生物质材料制备成高孔隙率的多孔材料，但由于植物的尺寸各异，从而限制了工业化生产。
3.目前，基于真菌菌丝体的植物基复合材料由于具有低成本、良好机械性能、可循环回收和可生物降解等特性而受到广泛关注，在建筑材料、包装材料、日用品等领域展示出巨大的应用潜力。当菌丝体和植物生物质复合后，菌丝体可在几天内渗透到植物生物质颗粒的缝隙里，并将其黏结在一起，从而形成具有一定力学性能的块状植物基复合材料。
4.然而，由于菌丝体和植物生物质颗粒之间的界面相互作用比较弱，植物生物质颗粒的孔隙率偏低，使得上述获得的植物基复合材料的力学、隔音、保温性能比较差，从而限制了菌丝体植物基多孔材料的应用范围。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：菌丝体和植物生物质颗粒之间的界面相互作用比较弱，生物质颗粒孔隙率偏低，导致常规获得的植物基菌丝体复合材料的力学、隔音、保温性能比较差，从而限制了菌丝体植物基多孔复合材料的应用范围，本发明提供了解决上述问题的一种植物基隔音保温材料及其制备方法，获得的复合材料，不仅具有良好的隔音、保温效果，同时还表现出优异的力学性能。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种全天然植物基隔音材料的制备方法，包括以下步骤：
8.先采用预处理溶液对植物生物质进行脱木质素预处理，控制植物生物质中木质素的含量为5％-15％；然后采用脱木质素后的植物生物质作为原料制备培养基，培养真菌菌丝体，获得菌丝体-植物复合材料作为全天然植物基隔音材料；所述预处理溶液采用包括亚氯酸钠、氢氧化钠/亚硫酸钠、双氧水或过氧乙酸中至少一种在内的溶液。如采用亚氯酸钠溶液，或采用双氧水溶液，或采用过氧乙酸溶液，或采用氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液。若采用氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液，优选氢氧化钠和亚硫酸钠的质量配比为1:15-15:1。
9.采用现有常规方法制备的菌丝体-植物复合材料，由于菌丝体和植物生物质颗粒之间的界面相互作用比较弱，所得到的复合材料的力学性能比较差，孔隙率偏低，从而限制了菌丝体植物基多孔材料的应用范围。
10.研究发现，植物生物质中木质素的存在使得植物生物质颗粒表面具有一定的化学惰性，因此需要通过对植物生物质进行预处理，例如采用亚氯酸钠进行部分脱除木质素。一方面，通过亚氯酸钠脱木质素处理后，植物生物质的孔隙率增加，会出现很多微米级、纳米级小孔。这些孔隙通过增加气-孔壁摩擦，有效地衰减声能，并通过减小材料的横截固体面积和增加传热路径的曲折度，减少热量传输，从而提升隔音和保温性能；另一方面，脱木质素处理后，植物生物质表面羟基活性基团增多，同时植物生物质表面粗糙度增大，使得菌丝体和植物生物质颗粒接触面积增加，界面处的氢键的数量提高，使得界面结合力增强，整体力学性能得到提升。
11.此外，采用预处理溶液对生物质颗粒预处理，优选控制植物生物质中木质素含量在5％-15％(质量百分含量)，无需将植物生物质中的木质素全部或接近全部脱除，最终获得的复合材料，不仅具有良好的隔音效果，同时还表现出优异的力学性能；若木质素含量进一步降低，在干燥过程中会导致生物质颗粒内部的孔收缩，降低复合材料的孔隙率，从而导致隔音性能下降，而且还会增大制备过程中的化学品的用量，不利于环保。如果木质素含量过高，生物质颗粒的孔隙率偏低，从而会导致复合材料的隔音性能表现不佳。
12.进一步可选地，所述植物生物质包括木材、竹子、小麦秸秆、玉米秸秆、麻和草中的至少一种。
13.进一步可选地，取粒径为5目-100目的植物生物质颗粒进行预处理。
14.制备过程中，可采用尺寸未经加工的植物生物质；为了增大接触面积，提高反应效率，方便操作，可将植物生物质加工为小尺寸状态，优选如采用粒径为5目-100目的植物生物质颗粒。
15.粒径过大，导致生物质颗粒之间的缝隙过大，菌丝体无法填充完全，从而降低生物质菌丝体复合材料的力学性能和隔音性能，如果粒径过小，颗粒之间的缝隙过小，影响菌丝体的生长贯穿行为，不利于制备生物质菌丝体复合材料。
16.进一步可选地，采用预处理溶液预处理植物生物质包括步骤：
17.取植物生物质加入预处理溶液中，在设定温度搅拌处理，进行脱木质素反应，最后经过滤、洗涤、烘干获得具有木质素含量在控制范围内的植物生物质。
18.进一步可选地，所述预处理溶液的质量浓度为0.1％-10％。
19.进一步可选地，反应温度为50℃-100℃，搅拌时间为0.5h-8h。
20.采用预处理溶液预处理植物生物质，通过对预处理溶液浓度、反应温度、反应时间等参数控制，实现植物生物质中木质素含量控制在设定范围内。
21.进一步可选地，真菌菌丝体包括trametes versicolo菌丝体或ganoderma sp.spawn菌丝体。
22.通过研究发现，采用ganoderma sp.spawn菌丝体与植物生物质复合，可获得同时兼具良好的隔音、保温效果和较高的力学性能的复合材料。
23.进一步可选地，所述培养基原料组成包括：1000份预处理后的植物生物质，10份-100份硫酸钙，10份-100份面粉，0.5l-5l水。
24.优选地，如1000g预处理后的植物生物质，10g-100g硫酸钙，10g-100g面粉，0.5l-5l水。其中，面粉包括但不限于例如玉米面粉、小麦面粉，可以是一种或多种的组合。
25.菌丝体的接种量控制为：菌丝体的量为植物生物质质量的1％-10％，更优选为5％。
26.进一步可选地，在培养结束后，取出菌丝体-植物复合材料，经烘干获得全天然植物基隔音材料。
27.一种全天然植物基隔音材料，采用上述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法获得。
28.本发明具有如下的优点和有益效果：
29.1本发明提供的全天然植物基隔音材料的制备方法，针对现有技术中菌丝体-植物生物质颗粒复合材料的力学性能较差，孔隙率偏低，采用预处理溶液预处理植物生物质，调控植物生物质中木质素的含量，增大表面的活性基团密度、比表面积和孔隙率，从而改善菌丝体植物生物质颗粒复合材料的力学、保暖、隔音性能。
30.2本发明提供的全天然植物基隔音材料的制备方法，操作简单，易于大规模生产，制备工艺经济环保。
31.3本发明获得的全天然植物基隔音材料全部由天然的物质组成，在使用过程中或者废弃后不会对生态环境和人类健康产生有毒有害影响。
附图说明
32.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
33.图1为亚氯酸钠处理的植物生物质-菌丝体多孔复合材料。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
35.实施例1
36.本实施例提供了一种全天然植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
37.步骤1，将1000g 10目的杨木颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌4h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
38.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
39.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
40.步骤4，培养结束后，取出菌丝体-植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料，如图1所示。
41.实施例2
42.步骤1，将1000g 50目的杨木颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅
拌4h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
43.步骤2，将1000g步骤1得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
44.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
45.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。
46.实施例3
47.本实施例提供了一种全天然植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
48.步骤1，将1000g 100目的杨木颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌4h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
49.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
50.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
51.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。
52.实施例4
53.本实施例提供了一种全天然植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
54.步骤1，将1000g 100目的竹颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌4h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
55.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
56.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
57.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。
58.实施例5
59.本实施例提供了一种全天然植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
60.步骤1，将1000g 100目的竹颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌2.5h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：10％。
61.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
62.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
63.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。
64.实施例6
65.本实施例提供了一种全天然植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
66.步骤1，将1000g 100目的竹颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌1h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：15％。
67.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
68.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
69.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。
70.实施例7
71.本实施例提供了一种全天然植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
72.步骤1，将1000g 100目的小麦秸秆颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌3h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
73.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与50g硫酸钙，50g玉米面粉，3l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
74.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到2中混合物中，在20℃下培养4天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
75.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。
76.实施例8
77.本实施例提供了一种全天然植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
78.步骤1，将1000g 100目的小麦秸秆颗粒加入到5％的氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液中(氢氧化钠和亚硫酸钠的质量配比为1:1)；加热至100℃并搅拌3h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
79.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与50g硫酸钙，50g玉米面粉，3l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
80.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到2中混合物中，在20℃下培养4天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
81.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。
82.对比例1
83.本对比例提供了一种植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
84.将1000g 5目杨木颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1000l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到上述混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到高强度植物基多孔保温、隔音材料。杨木颗粒木质素质量含量为：25％。
85.对比例2
86.本对比例提供了一种植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
87.步骤1，将1000g 200目的杨木颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌4h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
88.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1000l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
89.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
90.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到植物基隔音材料。
91.对比例3
92.本对比例提供了一种植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
93.步骤1，将1000g 2-3cm的杨木颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌4h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
94.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1000l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
95.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
96.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到植物基隔音材料。
97.对比例4
98.本对比例提供了一种植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
99.步骤1，将1000g 100目的竹颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌0.5h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：20％。
100.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
101.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
102.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到植物基隔音材料。
103.对比例5
104.本对比例提供了一种植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
105.步骤1，将1000g 100目的竹颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃并搅拌6h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：1％。
106.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与10g硫酸钙，20g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
107.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
108.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到植物基隔音材料。
109.对比例6
110.本对比例提供了一种植物基隔音材料，按如下方法制备获得：
111.步骤1，将1000g 100目的小麦秸秆颗粒加入到5％的亚氯酸钠溶液中；加热至50℃
并搅拌3h；将得到的产物过滤、洗涤、烘干。木质素质量含量控制为：5％。
112.步骤2，将1000g步骤1中得到的植物生物质颗粒与5g硫酸钙，5g玉米面粉，1l水均匀混合，然后在121℃下灭菌30分钟。
113.步骤3，将50g ganoderma sp.spawn菌丝体接种到步骤2中混合物中，在20℃下培养3天，然后破碎，放入磨具中继续培养5天。
114.步骤4，培养结束后，取出菌丝体植物颗粒复合材料，在60℃下烘干，得到植物基隔音材料。
115.性能测试
116.测试方法：
117.(1)力学性能测试：拉伸强度通过英斯特朗5565a万能试验机测试。试验在室温下进行，位移率为5.0mm min-1
。所有样品在测试前均在相对湿度为50％的25℃环境下调节24h。每个样品至少测试五次。
118.(2)隔音性能测试：声音吸收测试通过acupro阻抗管(由tfacoustics，llc)测试，测量的样品半径为35mm，厚度10mm。从管另一端的样品反射的声波和回声是使用两个传声器测量。在这些测量的基础上，计算每个样品的吸声系数频率范围为250至3000hz，间隔为6.25hz。每次测量重复3次以增加准确性，所有测量均在相同的湿度(～50％)，气压(～1.0个大气压)和温度(～20℃)下进行。
119.(3)保温性能测试：导热系数通过tps 2500s热盘热常数分析仪执行。将样品放置在～24℃和～50％相对湿度的测量池内测量。两片样品紧紧夹住tps传感器，以确保良好的散热效果。测量条件为10mw，持续20秒。每对个样品进行五次独立测试，每次测试之间保持15分钟的时间间隔。
120.测试结果如表1所示。
121.表1实施例1-8和对比例1-6提供的样品的性能检测结果
122.样品拉伸强度(kpa)导热系数(w m-1
k-1
)隔音系数实施例15330.05340.25实施例24210.04230.28实施例33680.03470.37实施例43350.04780.26实施例53420.05120.23实施例63110.06040.21实施例73470.04360.28实施例83390.04510.27对比例13120.12110.17对比例21450.07120.26对比例31310.08420.21对比例43020.07210.19对比例53460.03250.29对比例61220.04870.24
123.尤其如实施例1和对比例1所示，亚氯酸钠处理后，拉伸强度从312kpa增加到
533kpa。导热系数从0.1211w m-1
k-1
降低到0.0534w m-1
k-1
。隔音系数从0.17增加到0.25。因此植物生物质颗粒经过亚氯酸钠处理后，所得到的菌丝体-植物生物质复合材料的力学、保温、隔音性能均得到极大的改善。
124.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先采用预处理溶液对植物生物质进行脱木质素预处理，控制植物生物质中木质素的含量为5％-15％；然后采用脱木质素后的植物生物质作为原料制备培养基，培养真菌菌丝体，获得菌丝体-植物复合材料作为全天然植物基隔音材料；所述预处理溶液采用包括亚氯酸钠、氢氧化钠/亚硫酸钠、双氧水或过氧乙酸中的至少一种在内溶液。2.根据权利要求1所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，所述植物生物质包括木材、竹子、小麦秸秆、玉米秸秆、麻和草中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，取粒径为5目-100目的植物生物质颗粒进行预处理。4.根据权利要求1所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，采预处理溶液预处理植物生物质包括步骤：取植物生物质加入预处理溶液中，在设定温度搅拌处理，进行脱木质素反应，最后经过滤、洗涤、烘干获得具有木质素含量在控制范围内的植物生物质。5.根据权利要求4所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，所述预处理溶液的质量浓度为0.1％-10％。6.根据权利要求4所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，反应温度为50℃-100℃，搅拌时间为0.5h-8h。7.根据权利要求1至6任一项所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，真菌菌丝体包括trametes versicolo菌丝体或ganoderma sp.spawn菌丝体。8.根据权利要求7所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，所述培养基原料组成包括：1000份预处理后的植物生物质，10份-100份硫酸钙，10份-100份面粉，0.5l-5l水。9.根据权利要求1所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法，其特征在于，在培养结束后，取出菌丝体-植物复合材料，经烘干获得全天然植物基隔音材料。10.一种全天然植物基隔音材料，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的一种全天然植物基隔音材料的制备方法获得。

技术总结
本发明公开了一种全天然植物基隔音材料及其制备方法，制备方法包括：先采用预处理溶液预处理植物生物质，控制植物生物质中木质素的含量为5％-15％；然后采用脱木质素后的植物生物质作为原料制备培养基，培养真菌菌丝体，获得菌丝体-植物复合材料作为植物基隔音材料。本发明获得的复合材料全部由天然物质组成，不仅具有良好的隔音效果，同时还表现出优异的力学性能；且制备工艺简单、环保。环保。环保。


技术研发人员：张伟华 石碧
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/21