近日，海南大学化学化工学院潘莉莎教授团队在化工领域三大刊《Industrial & Engineering Chemistry Research》（ACS Publications）上公开发表了题为 “Structural Regulation, Structure—Activity Relationship, and Dispersion Mechanism of Sodium Alginate-Modified Polycarboxylate Ether Superplasticizers” 的研究论文。
聚羧酸型高效减水剂（PCE）作为应用最广泛的混凝土外加剂之一，因其用量少、减水率高、环境友好和分子可设计等特点，已成为混凝土外加剂领域的研究热点。传统梳型聚羧酸减水剂（TPCE）以异戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG）或甲基烯丙基聚氧乙烯醚（HPEG）为大单体，通过与丙烯酸（AA）等羧酸单体进行自由基共聚形成梳型线性结构，同时引入磺酸根、磷酸根等功能单体改善PCE的性能。然而，TPCE聚醚侧链的空间位阻效应受限于线性构象，侧链过长易产生分子间缠绕，空间位阻作用有限，导致分散性能降低及施工适配性差等问题；此外，磺酸基、磷酸基等功能单体（如石油磺酸盐、烷基苯磺酸盐等）依赖于石油基原料。
SA作为一种从褐藻中提取的天然可再生阴离子多糖，其β-D-甘露糖醛酸（M单元）间以 β-1,4 糖苷键相互连接，呈现线性和柔性构象；而α-L-古露糖醛酸（G单元）间以 α-1,4 糖苷键相互连接，呈现折叠和刚性构象，从而使SA分子具有较大的空间体积，其结构式如图1所示。
图1 SA G/M嵌段的代表结构
同时，SA分子上分布着丰富的羧基，在水泥体系的碱性环境下可解离成带负电的羧酸根，具有较高的负电荷密度。若将具有刚性结构和高负电荷密度的SA作为侧链引入PCE的分子结构中，突破TPCE的线性构象极限。此外，SA所含的羧基与Ca2+的络合作用促进PCE的吸附。
鉴于此，海南大学化学化工学院潘莉莎教授团队提出 “刚性侧链支撑-多齿配位锚定-两亲性调控” 策略，利用可再生天然多糖海藻酸钠（SA）作为功能单体，经过改性接枝（Ugi-SA）后，成功合成出海藻酸钠改性聚羧酸减水剂（SA-PCE）。
图2 作用机理示意图
引入Ugi-SA功能单体后， SA-PCE打破了TPCE线性构象局限，具有更高的分散性能，同时减轻了功能单体对石油原料的依赖。并阐述了其作用机制，如图2所示：引入的侧链结构Ugi-SA中的SA结构使SA-PCE具有刚性侧链支撑、更强的Ca2+多齿螯合作用和空间位阻、更高的羧酸根密度和静电斥力，同时疏水基团环己基的引入使SA-PCE具有可调控的两亲结构和更高的表面活性及润湿性。SA的刚性结构支撑和多齿配位锚固协同环己基的两亲性调节，发挥优良的分散性能。
本研究打破TPCE的线性构象限制，以来源丰富的绿色多糖海藻酸钠为功能单体，成功合成具有大空间位阻、强静电斥力和高润湿性的新型聚羧酸减水剂。该研究为海藻酸钠的推广应用和高性能减水剂的绿色化发展提供了新的思路。
海南大学化学化工学院博士生姚方为论文第一作者，海南大学化学化工学院潘莉莎教授和林常副教授为论文共同通讯作者。该研究获国家自然科学基金（22268017, 52268041）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5c03902
撰稿人：潘莉莎
审核人：潘福生
