Experimental and numerical characterization of mycelium-based bio-composites as building insulation materials

Motamedi, Seyedsina (2026). Experimental and numerical characterization of mycelium-based bio-composites as building insulation materials. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis introduces and characterizes mycelium-based composites (MBCs) through multi scale experimental and numerical analyses. These composites combine plant aggregates with a fungal matrix, creating a natural insulation material with net-zero carbon potential. For practical applications in building envelopes, a detailed understanding of their hygrothermal properties is crucial, as thermal and moisture behaviors are strongly interdependent. An integrated analysis of heat and moisture transfer, including property measurement, correlation analysis, and simulation, was therefore undertaken.

Research gaps remain in the measurement covering the spectrum of hygric behavior, in their relevance to thermal and microstructural properties, and in the development of numerical models that incorporate sorption–desorption patterns, hysteresis, and coupled heat–mass transfer. To address this, a three-stage methodology was applied. First, fabrication trials explored substrates, fungi, additives, and processing methods to optimize homogeneity and fungal growth, considering the compatibility of constituents such as the cellulose-lignin composition of the substrate, their interaction with mycelium, and the types of incorporated mycelium and additives. Second, experimental campaigns evaluated insulation performance, moisture buffering, thermal conductivity, and selected microstructural properties. Third, a coupled heat and mass transfer model was implemented in COMSOL, with sorption models calibrated using the experimental results and validated against the measured moisture buffer value (MBV), an index that quantifies a material’s capacity to moderate indoor humidity fluctuations. Both isothermal and non-isothermal simulations, including hysteresis effects, were performed.

The results confirm the suitability of MBCs as sustainable replacements for carbon-intensive insulation materials such as Styrofoam. The developed fabrication practices, the obtained range of experimental results, and the highly accurate and reliable numerical model provide a foundation for future research on alternative formulations and performance predictions under diverse climatic and envelope conditions.

Titre traduit

Caractérisation expérimentale et numérique des biocomposites à base de mycélium en tant que matériaux d'isolation pour la contruction

Résumé traduit

Cette thèse introduit et caractérise des composites à base de mycélium (MBC) au moyen d’analyses expérimentales et numériques multi-échelles. Ces composites associent des agrégats végétaux à une matrice fongique, créant un matériau isolant naturel au potentiel de neutralité carbone. Pour une application dans les enveloppes de bâtiments, une compréhension détaillée de leurs propriétés hygrothermiques est essentielle, car les comportements thermiques et hydriques sont fortement interdépendants. Une analyse intégrée des transferts de chaleur et d’humidité, incluant la mesure des propriétés, l’analyse de corrélation et la simulation, a donc été réalisée.

Des lacunes de recherche subsistent dans la connaissance de l’ensemble du spectre du comportement hygrique, de leur pertinence vis-à-vis des propriétés thermiques et microstructurales, ainsi que dans le développement de modèles numériques intégrant les phénomènes d’adsorption–désorption, l’hystérésis et le couplage des transferts de chaleur et de masse. Pour répondre à ces enjeux, une méthodologie en trois étapes a été appliquée. Premièrement, des essais de fabrication ont exploré divers substrats, champignons, additifs et procédés afin d’optimiser l’homogénéité et la croissance fongique, en tenant compte de la compatibilité des constituants tels que la composition cellulose-lignine du substrat, leur interaction avec le mycélium et les types de mycélium et d’additifs incorporés. Deuxièmement, des campagnes expérimentales ont évalué la performance isolante, la capacité de régulation hygrique, la conductivité thermique et certaines propriétés microstructurales. Troisièmement, un modèle couplé de transfert de chaleur et de masse a été implémenté dans COMSOL, avec des modèles de sorption calibrés à partir des résultats expérimentaux et validés par rapport à la valeur mesurée du tampon hygrique (MBV), un indice qui quantifie la capacité d’un matériau à modérer les fluctuations d’humidité intérieure. Des simulations isothermes et non isothermes, incluant les effets d’hystérésis, ont été réalisées.

Les résultats confirment l’aptitude des MBC à remplacer de manière durable les matériaux isolants à forte intensité carbone tels que le polystyrène expansé. Les pratiques de fabrication développées, la gamme de résultats expérimentaux obtenus et le modèle numérique précis et fiable constituent également une base solide pour de futures recherches sur des formulations alternatives et des prédictions de performance dans divers climats et configurations d’enveloppe du bâtiment.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Dissertation presented to École de technologie supérieure in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 161-173).
Mots-clés libres:	matériaux biosourcés, isolation, caractérisation hygrothermique expérimentale, simulations numériques, neutralité carbone, carbone incorporé, efficacité énergétique, tampon d'humidité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Codirecteur:	Codirecteur Promis, Geoffrey
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 mars 2026 14:17
Dernière modification:	13 mars 2026 14:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3847

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