阅读说明：本技术 通过菌丝表面微结构的机械改变而具有经减小的摩擦系数和耐磨性的菌丝体 (Mycelium with reduced coefficient of friction and resistance to abrasion by mechanical modification of the surface microstructure of the mycelium ) 是由 M·L·斯卡林 J·蔡斯 N·温纳 Q·米勒 P·罗斯 于 2019-07-19 设计创作，主要内容包括：一种用于减小和确定菌丝体的摩擦系数以用于改进菌丝体的多个机械性质的方法。在该方法中,第一菌丝体层与磨损和压力设备相接触,以使菌丝体的微结构平滑并改变菌丝体的微结构。菌丝体微结构的平滑减小了菌丝体的摩擦系数,从而增强了菌丝体的耐磨性。利用倾斜角机制确定通过使菌丝体表面平滑而减小的菌丝体表面的摩擦系数。(A method for reducing and determining the coefficient of friction of mycelium for improving various mechanical properties of the mycelium. In this method, a first mycelium layer is contacted with an abrasion and pressure device to smooth and alter the microstructure of the mycelium. The smoothness of the microstructure of the mycelium reduces the coefficient of friction of the mycelium, thereby enhancing the wear resistance of the mycelium. The friction coefficient of the mycelium surface reduced by smoothing the mycelium surface was determined using the inclination angle mechanism.)

通过菌丝表面微结构的机械改变而具有经减小的摩擦系数和 耐磨性的菌丝体

优先权

本申请要求于2018年7月19日提交的序列号为62/700486的美国临时申请的优先权。该临时申请的公开内容通过引用的方式全文并入本文，就如全文列出一样。

技术领域

本实施例通常涉及用于改进菌丝体(mycelium)的机械性质的方法，更具体地，涉及用于改进菌丝体的耐磨性并确定用于改进菌丝体的耐磨性的摩擦系数的降低的方法。

背景技术

菌丝体已经成为具有多种机械和物理用途的多功能生物材料。菌丝体的一个这样的表现形式是织物，诸如在制造诸如鞋、箱包、衣服等制成品时使用的薄片材中。为了使菌丝体在这些应用中有用，必须对其进行加工以体现若干机械性质、包括但不限于耐磨性、饰面附着力、色牢度、摩擦脱色(crocking)和染料转移。

已经开发了若干方法来改进菌丝体的机械性质。在这些方法之中，降低菌丝体的摩擦系数是提高耐磨性、对摩擦脱色的色牢度、染料转移以及其他性质的非常有效和可靠的方法。图1示出了摩擦的示意性表示的显微视图，其图示出了两个粗糙表面S1、S2彼此接触以增加摩擦系数。粗糙表面的接触产生了容易被这种粗糙性磨损或移除的区域。

一种用于减小材料的摩擦系数的常用技术是使该材料的表面更平滑。即使可以使许多材料平滑以减小它们的摩擦系数，菌丝体材料也无法通过在给定的力下表现出更好的耐磨性而从这种作用中受益。这是因为，菌丝体是一种柔软的生物材料，主要由聚合物几丁质和各种蛋白质组成，这些蛋白质仅需几吨的力就可以轻易地从其他柔软的材料(如棉，亚麻或菌丝体)上被磨损(abraded)。而且，这种磨损过程不会导致材料的表面粗糙度变平滑。如此，菌丝体在期望耐磨性的应用中的有效性受到限制。由于菌丝体是一种柔软的、自然粗糙的材料，在切割后不会发生脆性断裂或分裂，因此很难通过用于硬质材料的典型方法(诸如砂纸、泥浆或其他磨损剂)对其进行擦光。这样的磨损过程很容易从菌丝体表面不均匀地移除大(直径大于10μm)的材料颗粒，从而导致表面更粗糙。此外，这样的磨损过程不能提供将要从任何菌丝体产品中磨损掉的材料的量。

改进菌丝体的耐磨性的另一种方法包括在菌丝体表面上施加不同的涂料，以产生耐水性、耐磨性或以其他方式增强表面性质。常见的涂料(诸如聚氨酯)需要额外的成本和加工工艺，而同时会贬低菌丝体材料的自然品质并消除其生物降解性。此外，在菌丝体表面上施加涂料是一种具有尚未解决的主要缺点的方法。类似地，由于其与诸如聚氨酯和丙烯酸类的普通涂料不同的化学和功能一致性，难以使典型的涂料复合物粘附到菌丝体上，因此尚未开发出一种将涂料施加于菌丝体上的新方法。

此外，用于减小摩擦系数的某些常规方法，诸如通过冷压、热压或砂纸打磨和擦光，具有有限的效果，并且可能严重磨损材料。这样的减法过程将从材料的表面移除菌丝体，但不会导致表面比尝试该过程之前更平滑。

因此，需要一种有效且可靠的方法来增强菌丝体材料的机械性质。这种方法将减小菌丝体材料的摩擦系数，以增强菌丝体表面的耐磨性。此外，这种方法将增强菌丝体表面的耐磨性，而不会从菌丝体表面移除很多颗粒。这种方法不会破坏菌丝体材料的自然品质和生物降解性。类似地，需要一种通过在菌丝体材料上施加少量力来使菌丝体表面平滑的方法。这种方法将提供将从任何菌丝体产品被磨损的量的菌丝体材料。而且，这种所需的方法将不需要额外的成本和处理。本实施例实现了这些目的。

发明内容

为了最小化现有技术中发现的限制，并且最小化阅读说明书后显而易见的其他限制，本发明的优选实施例提供了一种用于减小和确定菌丝体(或菌丝体复合物)的微结构的摩擦系数以改进菌丝体表面的多个机械性质的方法。

在优选实施例中，菌丝体包括具有第一表面的第一菌丝体层。第一菌丝体层与施加压力和动摩擦力的设备相接触。力的组合包括沿着小于垂直且也不完全平行于第一菌丝体表面的矢量施加的定向力。前述设备施加沿着表面的摩擦力和垂直于菌丝体的压力的同时组合。对菌丝体微结构产生的效果是引起菌丝体表面的平滑的磨损。与典型的磨损擦光方法不同，菌丝体的表面材料不会被移除，而是在施加摩擦力和压力时通过菌丝体细丝和已经存在于菌丝体中的增塑剂的结合而被致密化和平滑；因此，改变了菌丝体表面的微结构。菌丝体表面的平滑降低了摩擦系数并增强了菌丝体微结构的耐磨性。摩擦系数的这种减小改进了菌丝体的多个机械性质，包括但不限于耐磨性、饰面附着力、色牢度、摩擦脱色和染料转移。优选方法利用倾斜角机制来测量通过菌丝体表面的平滑而被减小的摩擦系数的量。

在倾斜角机制中，将第一菌丝体片展平并附接到平表面。然后将第二菌丝体片松散地放置在第一菌丝体片的顶部分上。利用倾斜力使平表面/倾斜表面倾斜，直到第二菌丝体片自由滑离第一菌丝体片。通过测量第二菌丝体片自由滑离第一菌丝体片所处的角度来确定通过菌丝体表面的平滑而被减小的摩擦系数的量。利用等式μ_s＝tan(θ)计算出静摩擦系数，其中μ_s为计算出的摩擦系数，tan(θ)为第二菌丝体片自由滑动所处的角度的正切值。

在本发明的一个实施例中，菌丝体样品从真菌孢子生长至在干燥和加工之后约0.9至2.5mm的均匀厚度。可以使用标准的马丁代尔耐磨性测试仪使用协议ISO 12947-1：1998来表征耐磨性。

本发明的第一目的是提供一种用于减小菌丝体的摩擦系数的方法。

本发明的第二目的是提供一种用于对菌丝体的摩擦系数的减小进行定量的方法。

本发明的第三目的是提供一种用于增强菌丝体的多个机械性质的方法。

本发明的第四目的是提供一种用于通过使菌丝体的微结构平滑来改进菌丝体的耐磨性的方法。

本发明的第五目的是提供一种用于利用倾斜角机制来计算菌丝体表面的经减小的摩擦系数的量的方法。

本发明的第六目的是提供一种不破坏菌丝体材料的自然品质或生物降解性的方法。

本发明的这些和其他优点和特征被具体地描述，以使本发明对本领域普通技术人员来说是可理解的。

附图说明

附图中的元素不一定按比例绘制，以增强其清晰度并改进对本发明的这些各种元素和实施例的理解。此外，为了提供对本发明的各种实施例的清晰理解，未描绘对于本领域技术人员来说是众所周知的并且容易理解的元件，因此出于清楚和简洁的目的，在形式上对附图进行了概括。

图1示出了摩擦的示意表示，图示出了用于利用两个粗糙表面来增加摩擦系数的现有方法；

图2示出了根据本发明的优选实施例的用于确定摩擦系数并改进菌丝体微结构的耐磨性的方法的框图；

图3示出了根据本发明的优选实施例的用于确定菌丝体微结构的摩擦系数的方法的流程图；

图4示出了数据图，其图示出了根据本发明的优选实施例的通过马丁代尔测试所测得的耐磨性的改进；

图5示出了数据图，其图示出了根据本发明的优选实施例的通过压力和光磨损的组合而实现的菌丝体的摩擦系数的减小；

图6A示出了根据本发明的优选实施例的未被抛光的菌丝体样品；

图6B示出了根据本发明的优选实施例的在马丁代尔测试下被抛光的菌丝体样品；

图7示出了根据本发明的优选实施例的在图6B中所示的菌丝体样品的磨损区域的特写视图的照片；

图8A示出了根据本发明的优选实施例的被利用以用于菌丝体的摩擦系数的倾斜角测量的第一菌丝体片的照片；

图8B示出了根据本发明的优选实施例的分别被利用以用于菌丝体的摩擦系数的倾斜角测量的第二菌丝体片的照片；

图9A示出了在进行抛光之后的第一菌丝体片的照片，其用于利用倾斜角测量来测量菌丝体的摩擦系数；和

图9B示出了在进行抛光之后的第二菌丝体片的照片，其用于利用倾斜角测量来测量菌丝体的摩擦系数。

具体实施方式

在解决本发明的多个实施例和应用的以下讨论中，对形成其一部分的附图进行参考，并且在附图中通过图示的方式示出了可以在其中实践本发明的特定实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行改变。

下面描述了各种发明特征，其可以彼此独立地使用或与其他特征组合使用。然而，任何单个发明特征都不能解决以上讨论的任何问题或仅解决以上讨论的问题之一。此外，下面描述的任何特征可能无法完全解决上面讨论的一个或多个问题。

如在本文中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指示物。除非另有明确表述，否则在本文中所用的“和”可与“或”互换使用。如本文中所使用的，术语“大约”意指所述参数的+/-5％。除非上下文另外明确指出，否则本发明的任何方面的所有实施例可以组合使用。

除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，“包括”、“包含”等词语应以包容性的含义进行解释，而不是排他性或穷举性的含义；也就是说，以“包括但不限于”的含义进行解释。使用单数或复数的词语也分别包括复数和单数。另外，当在本申请中使用时，词语“本文”、“其中”、“然而”、“以上”和“以下”以及类似含义的词语应整体上指本申请，而不是本申请的任何特定部分。

本公开的实施例的描述并非旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了本公开的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的那样，在本公开的范围内可以进行各种等效修改。

参考图2-图9B，图示出了一种用于确定菌丝体的微结构的摩擦系数以改进多个机械性质的方法。如图2中所示，菌丝体包括第一菌丝体层10。在本发明的一个实施例中，菌丝体样品从真菌孢子生长至干燥和加工后大约0.9至2.5mm的均匀厚度。在另一个实施例中，样品从灵芝孢子生长。利用定向力使第一菌丝体层10与磨损和压力设备12接触。磨损和压力设备12同时将使菌丝体表面变平滑的磨损和压力的组合施加到菌丝体上，从而改变了菌丝体的微结构，如框14处所示。菌丝表面的平滑降低了摩擦系数，如框16处所指示，这继而又增强了菌丝体微结构的耐磨性。如框18处所示，摩擦系数的这种降低改进了菌丝体的多个机械性质，而不仅仅是耐磨性。多个机械性质包括但不限于拉伸强度、撕裂强度、可编织性、色牢度和染料转移。该优选的方法利用倾斜角机制测量通过菌丝体表面的平滑而减少的摩擦系数的量，如框20处所示。

在倾斜角机制中，将第一菌丝体片40(参见图8A)展平。第一菌丝体片40与平表面附接。然后将第二菌丝体片42(参见图8B)松散地放置在第一菌丝体片40的顶部分上。利用倾斜力使平表面倾斜，直到第二菌丝体片42自由滑离第一菌丝体片40为止。通过测量第二菌丝体片42从第一菌丝体片40自由滑离的角度来确定通过使菌丝体表面平滑而减小的摩擦系数的量。利用等式μ_s＝tan(θ)计算出静摩擦系数，其中μ_s是计算出的摩擦系数，并且“θ”是第二菌丝体片42处于自由滑动的角度。用于确定摩擦系数的上述等式被制定如下：

克服静摩擦的力f_s＝f_{s max}＝μ_sN，其中μ_s是静摩擦系数，N是所施加的力。之后，我们发现：

ΣF_x＝ma_x＝0|ΣF_y＝ma_y＝0

mg sin(θ)-f_s＝0|N-mg cos(θ)＝0

mg sn(θ)＝μ_sN|N＝mg cos(θ)

从以上等式可以清楚，静摩擦系数μ_s等于第二菌丝体片42自由滑动的测量角的正切值“tan(θ)”。因此，计算出的静摩擦系数提供了在日常使用中将从任何菌丝体产品中磨损掉多少材料。实际上，滑动角可以优选为23.1％或大约23.1％。在其他实施例中，滑动角小于30％、小于40％或小于23.1％。在其他实施例中，滑动角在23.1％和40％之间。

优选的方法增强了菌丝体的耐磨性(诸如利用典型的马丁代尔或装置所测得的)和对摩擦脱色的色牢度(诸如利用Crockmeter^TM所测得的)。磨损和压力设备12包括但不限于釉机。在本发明的一个实施例中，在干燥和加工之后，菌丝体样品生长至大约0.9至2.5mm的均匀厚度。可以使用标准的马丁代尔耐磨性测试仪使用协议ISO12947-1：1998来表征耐磨性。

图3示出了用于确定菌丝体的摩擦系数的方法的流程图。该方法开始于提供具有第一菌丝体层的菌丝体，如框30处所指示。接下来，使得第一菌丝体层能够与磨损和压力设备相接触，从而改变菌丝体微结构，如框32处所示。然后，减小菌丝体表面的摩擦系数，从而改进菌丝体的微结构的耐磨性，如框34处所指示。最后，确定通过菌丝体表面的平滑而减小的菌丝体表面的摩擦系数，如框36所示。

图4示出了经验数据图，该经验数据图图示出了通过马丁代尔测试所测量的耐磨性的改进，其与菌丝体的摩擦系数的降低相关。

在一个实施例中，根据优选实施例的倾斜角机制，菌丝体的第一菌丝体层10的静摩擦系数小于0.393。在其他实施例中，静摩擦系数大于0.300。第一菌丝体层10的微结构的密度比密度至少为20kg/m³的菌丝体的其余部分高至少10％，并且表面粗糙度比具有任何表面粗糙度的菌丝体的其余部分低至少10％。在通过抛光(burnish)来减小菌丝体的静摩擦系数的优选方法中，菌丝体在10到10,000N/(平方英尺)的力下被磨损，其表面比600目砂纸更平滑。

图5示出了另一经验数据，其图示出了通过压力和光磨损的组合而实现的菌丝体的摩擦系数的减小。

图6A示出了未被抛光以减小其摩擦系数的菌丝体样品。图6B示出了在5,000次循环后在马丁代尔测试(ISO 12947-1：1998)下的磨损，其中磨损的开始在10次以下的循环中发生。

图7示出了在图6B中所示被抛光以减小摩擦系数的菌丝体样品的磨损区域的特写视图。在这种情况下，在相同的马丁代尔测试下，在10,000次循环后没有发生磨损。

图8A和图8B示出了根据本发明的优选实施例的分别被利用以用于菌丝体的静摩擦系数的倾斜角测量的第一菌丝体片40和第二菌丝体片42。滑动开始的倾斜角是第一菌丝体片滑离第二菌丝体片所处的角度。

图9A和图9B分别示出了在进行抛光之后用于利用倾斜角测量来测量菌丝体的摩擦系数的第一菌丝体片40和第二菌丝体片42。如图9A和图9B中所示，耐磨性与图8A和图8B中所示的菌丝体样品相比而言改进了1000倍。在优选实施例中，充分抛光的菌丝体样品将展现出比未抛光的样品高得多的光泽度和反射度。在一个示例中，镜面反射大于0.05，而在另一个示例中，该值为0.075。与未抛光的样品相比，经过抛光的样品展现出扩散率和表面散射系数的降低。此外，疏水性和针对水的接触角增加后处理。

在本发明的一个实施例中，通过同时用纸磨料(诸如极平滑的高粒度砂纸或标准白纸)磨损菌丝体并施加大于10N/(平方英尺)的压力来减小摩擦系数。在这种方法中，摩擦系数降低了39.4％，而耐磨性提高了1000倍。

在另一个实施例中，可以通过利用压力大于10N/(平方英尺)但不大于10,000N/(平方英尺)的坚硬材料(诸如玻璃物体(例如：玻璃釉机))磨损菌丝体来减小摩擦系数。在这种情况下，通过使用动摩擦进行的磨损过程和压力的施加被同时执行，从而减小了摩擦系数并提高了耐磨性。

在又一个实施例中，可以通过同时用诸如金属之类的硬质材料磨损菌丝体并施加大于10N/(平方英尺)但不大于10,000N/(平方英尺)的压力来减小摩擦系数，从而降低了摩擦系数并提高了耐磨性。

在本发明的另一个实施例中，菌丝体的抛光或磨损是在水、油、蜡或一些其他液体、乳液、分散液或软固体中进行的。在这种情况下，抛光需要在1平方英尺的面积上施加至少5N的力。

在优选实施例中，菌丝体表面的微结构改变是通过机械过程和在轻压下的磨损相结合而发生的。另外，菌丝体表面展现出光彩并且即使针对诸如黑色等深色也容易以大于10％的反射率反射光。因此，由光学性质的变化所证明的菌丝体微结构的变化已经标志着静摩擦系数的降低，并导致耐磨性的多个数量级的改进。

在一个实施例中，生产改进了的菌丝体材料的方法包括：提供具有第一菌丝体层的菌丝体；利用定向力使得第一菌丝体层能够与磨损和压力设备相接触；向菌丝体同时施加磨损和压力以使菌丝体表面平滑，从而改变菌丝体的微结构；减小菌丝体表面的摩擦系数，从而改进菌丝体的微结构的耐磨性；利用倾斜角机制确定减小的摩擦系数的量，该摩擦系数由以下步骤确定：展平第一菌丝体片；将第一菌丝体片与平表面附接；将第二菌丝体片松散地放置在第一菌丝体片的顶部分上；利用倾斜力使平表面倾斜直到第二菌丝体片自由滑离第一菌丝体片；通过测量第二菌丝体片自由滑离第一菌丝体片所处的角度来确定通过使菌丝体表面平滑而减小的摩擦系数的量，其中利用等式μ_s＝tan(θ)计算出静摩擦系数，其中“θ”是第二菌丝体片自由滑动所处的角度，而μ_s是计算出的摩擦系数。

摩擦系数的减小改进了菌丝体的多个机械性质，包括但不限于拉伸强度、撕裂强度、可编织性、耐磨性、色牢度和染料转移。

为了说明和描述的目的，已经呈现了本发明的优选实施例的前述描述。其不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。其意图是：本发明的范围不由该详细描述来限制，而是由所附权利要求和权利要求的等同物来限制。