李 彬, 王 玲

(中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100024)

淀粉普遍存在于植物的根、莖及果實(shí)中,是玉米、小麥、木薯等植物的主要成分[1-3].自然界中,淀粉作為除纖維素以外儲(chǔ)量最大的碳水化合物,其分子結(jié)構(gòu)主要有直鏈和支鏈.直鏈淀粉是脫水葡萄糖通過(guò)α-1,4糖苷鍵連接起來(lái)的線性分子鏈;支鏈淀粉中脫水葡萄糖除了通過(guò)α-1,4糖苷鍵連接起來(lái)外,還在分支位置通過(guò)α-1,6糖苷鍵連接[4-5].由于支鏈淀粉與直鏈淀粉的聚合度不同,用碘液可以對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分：支鏈淀粉遇碘液顯紫紅色,直鏈淀粉遇碘液則顯深藍(lán)色.不同來(lái)源的淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例有所不同.常見的玉米淀粉、木薯淀粉及馬鈴薯淀粉以支鏈淀粉為主,其含量為70%～83%[6-7].淀粉屬于可再生材料,其原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉,對(duì)各種淀粉進(jìn)行物理改性和化學(xué)改性后,可以制備出多種淀粉基新材料[8-10].

化學(xué)外加劑的出現(xiàn)和發(fā)展促進(jìn)了混凝土性能的明顯提升,如流動(dòng)性改善、強(qiáng)度和耐久性提升等.由此,一系列通過(guò)外加劑改性研制得到的水泥基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生,如自密實(shí)混凝土(SCC)、高性能混凝土(HPC)和超高性能混凝土(UHPC)等.化學(xué)外加劑品種繁多,它們大多以石化產(chǎn)品為主要原料,通過(guò)溶液聚合、乳液聚合和本體聚合等方法制備得到.

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,資源和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯,人類面臨更加嚴(yán)峻的資源短缺問(wèn)題.解決好資源問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展.用淀粉替代石化產(chǎn)品原材料制備淀粉基混凝土外加劑,對(duì)提升混凝土應(yīng)用性能具有重要意義.淀粉作為綠色可再生材料,展現(xiàn)出石油資源難以比擬的優(yōu)勢(shì)：(1)淀粉基化學(xué)功能材料的性能能夠與石油基化學(xué)功能材料相媲美,同時(shí)還具有無(wú)毒、無(wú)污染的特點(diǎn);(2)中國(guó)擁有豐富的淀粉資源,其中玉米淀粉是中國(guó)淀粉產(chǎn)業(yè)最大的品類,2019年產(chǎn)量達(dá)到3097.4萬(wàn)t,豐富的淀粉資源也面臨著資源過(guò)剩的問(wèn)題,對(duì)淀粉進(jìn)行改性,賦予其新的性能是對(duì)過(guò)剩資源的“變廢為寶”;(3)就市場(chǎng)角度而言,石油價(jià)格受國(guó)際市場(chǎng)的影響變化幅度較大,而中國(guó)作為淀粉大國(guó),淀粉價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定,隨國(guó)際市場(chǎng)的波動(dòng)較小.

本文介紹國(guó)內(nèi)外針對(duì)幾種淀粉基化學(xué)功能材料最新的研究進(jìn)展,包括淀粉基黏度改性劑、淀粉基減水劑、淀粉基水化溫升抑制劑,以及淀粉基高吸水性材料.

1 淀粉基黏度改性劑

黏度改性劑(viscosity modifying agent,VMA)是用來(lái)提高水泥基膠凝材料黏聚性和穩(wěn)定性的一類材料.針對(duì)混凝土由于配合比不當(dāng)、骨料級(jí)配較差等原因?qū)е碌碾x析、泌水現(xiàn)象,黏度改性劑能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混凝土均勻性和穩(wěn)定性(阻止泌水、離析)的改善.

黏度改性劑常常通過(guò)多種作用機(jī)制的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土穩(wěn)定性的改善:(1)黏度改性劑的親水端吸附、固定自由水分子,通過(guò)溶脹作用增加自身表觀體積,增加拌和水的黏度;(2)黏度改性劑分子鏈相互吸引纏繞,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),阻止自由水遷移,增加體系的黏度;(3)水泥漿體中黏度改性劑分子吸附到水泥顆粒的表面,增加水泥顆粒的表觀粒徑(水膜層厚度)、降低聚合物分子鏈的移動(dòng)能力.

淀粉含有大量的活性基團(tuán),通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)改性或者降解就可制備得到淀粉基VMA,其作用機(jī)制包含上述3個(gè)方面.淀粉基VMA含有大量的羥基親水基團(tuán),水分子常以包膜形式吸附在淀粉基VMA的表面[11],從而提升水溶液的黏度.相比其他常見的VMA(如膨潤(rùn)土和硅灰等),淀粉基VMA由于特殊的分子結(jié)構(gòu),使添加有淀粉基VMA的漿體具備更好的剪切觸變性,在靜止或者緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下漿體就具有較大的黏度[12],而在高剪切速率條件下,淀粉分子發(fā)生重排,分子鏈解纏繞,從而降低溶液黏度,使?jié){體獲得較小的黏度.在實(shí)際的工程應(yīng)用中,可以利用淀粉基VMA的這個(gè)特點(diǎn),通過(guò)轉(zhuǎn)化剪切速率實(shí)現(xiàn)對(duì)漿體黏度的調(diào)整,以滿足混凝土泵送(泵送前可對(duì)混凝土進(jìn)行高剪切速率的攪拌,以降低漿體的黏度)和自密實(shí)混凝土的制備需求.

淀粉醚(羥烷基淀粉、羧甲基淀粉、陽(yáng)離子淀粉等)是一種淀粉基VMA,常常作為建筑砂漿中的增稠劑.當(dāng)?shù)矸勖延昧繛?.03%～0.05%時(shí)就能影響以石膏、水泥和石灰為基料的砂漿稠度,改善砂漿的施工性,提高砂漿抗流掛性,降低濕砂漿的黏著性,延長(zhǎng)開放時(shí)間等.

淀粉基VMA對(duì)漿體黏度和穩(wěn)定性的影響受多個(gè)因素,如凝膠材料種類[13-14]、用水量[15]、混合方式[16],以及淀粉基黏度改性劑聚合度[17]的制約.Lachemi 等[13]制備了4種多糖VMA,來(lái)調(diào)節(jié)摻有萘系減水劑水泥漿體的黏度,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)多糖VMA摻量為0.025%～0.075%時(shí),隨著多糖VMA摻量的增加,水泥漿體黏度不斷增大,離析現(xiàn)象得到明顯遏制,同時(shí)淀粉基VMA的加入未對(duì)水泥漿體的水化造成明顯影響.Izaguirre等[14]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)矸刍鵙MA摻量在0.3%以內(nèi)時(shí),石灰漿體的黏度隨其摻量增大不斷增加,而當(dāng)?shù)矸刍鵙MA摻量大于0.3%時(shí),石灰漿體的黏度隨其摻量增大而下降;當(dāng)?shù)矸刍鵙MA摻量小于0.3%時(shí),淀粉基VMA作為絮凝基團(tuán),石灰漿體顆粒的粒徑隨其摻量的增加不斷增大(淀粉基VMA摻量分別為0%和0.15%～0.30%時(shí),對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑分布分別為10～100μm和100～1000μm),從而提升了漿體的穩(wěn)定性.

制備特殊性能混凝土?xí)r,淀粉基VMA往往與減水劑復(fù)配使用,漿體的流動(dòng)性與穩(wěn)定性會(huì)相互制約,因此淀粉基VMA與減水劑的匹配性至關(guān)重要.Lachemi等[18]制備自密實(shí)混凝土?xí)r,發(fā)現(xiàn)多糖VMA與減水劑的配比發(fā)揮著重要作用,只有在合理的配比條件下才能兼顧漿體的穩(wěn)定性和流動(dòng)性.Isik等[19]將淀粉醚作為VMA,與聚羧酸減水劑互配使用來(lái)制備自密實(shí)混凝土,發(fā)現(xiàn)淀粉醚的加入能夠保證自密實(shí)混凝土最小坍落擴(kuò)展度為600mm，且不出現(xiàn)分離現(xiàn)象,淀粉醚未對(duì)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展造成不利影響.

2 淀粉基減水劑

常見的混凝土減水劑包括木質(zhì)素磺酸鹽類減水劑、萘系高效減水劑、三聚氰胺系高效減水劑及聚羧酸系高性能減水劑等.其分散機(jī)理因自身分子結(jié)構(gòu)不同而異.通常分散機(jī)理包括：(1)吸附分散機(jī)理 減水劑分子的陰離子基團(tuán)吸附到水泥顆粒表面,親水基團(tuán)朝向水溶液中,使水泥顆粒的表面覆蓋一層溶劑化水膜，提升水泥顆粒表面的潤(rùn)濕性,提高新拌混凝土的和易性.(2)靜電斥力機(jī)理 該類減水劑分子定向吸附到水泥顆粒的表面,親水基團(tuán)伸向水溶液中,水泥顆粒的表面帶有相同電荷,在靜電斥力的作用下,破壞絮凝結(jié)構(gòu)釋放水泥顆粒包裹的自由水,提高混凝土的流動(dòng)度.(3)空間位阻機(jī)理 減水劑分子吸附到水泥顆粒表面形成一定厚度的吸附層,吸附層能夠使相互靠近的水泥顆粒產(chǎn)生斥力作用,阻止水泥顆粒的團(tuán)聚,提高混凝土漿體的流動(dòng)性.

淀粉由于分子鏈上含有大量羥基,易通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改性,從而賦予新的性能.關(guān)于采用淀粉基減水劑提升混凝土和易性的研究早在20世紀(jì)70年代就已開始,常見的淀粉基減水劑包括磺化淀粉[20-21]、琥珀酸淀粉酯[22]、淀粉磺丙基酯[23]和羧甲基淀粉[24]等.

與木質(zhì)素磺酸鹽類減水劑和萘系減水劑相比,淀粉基減水劑往往展現(xiàn)出更優(yōu)越的分散性能.相同摻量條件下?lián)接谢腔矸跾S與萘系減水劑FDN的水泥漿體流動(dòng)度對(duì)比如圖1所示[20].

圖1 摻不同減水劑水泥漿體的流動(dòng)度對(duì)比Fig.1 Comparision of the fluidity of cement paste with different water reducing agents[20]

除此之外,淀粉基減水劑的制備流程也比常見的減水劑更加簡(jiǎn)便、成本更加低廉.如程發(fā)等[25]將氯磺酸與少量的二氯甲烷混合制備得到磺化試劑,用磺化試劑噴灑淀粉反應(yīng)30min左右,即可得到磺化淀粉減水劑(半干法).

減水劑最重要的性能就是分散性能,相對(duì)分子質(zhì)量及取代基團(tuán)的種類是決定淀粉基減水劑分散性能好壞的重要參數(shù).Vieira等[26]針對(duì)不同相對(duì)分子質(zhì)量改性淀粉的分散性能進(jìn)行研究,揭示了淀粉基減水劑聚合度對(duì)其分散性能的影響.當(dāng)磺化淀粉分子的重均聚合度為50～230時(shí),減水劑表現(xiàn)出較佳的分散性能(砂漿的流動(dòng)度可達(dá)224mm以上),而當(dāng)其重均聚合度大于500時(shí),減水劑不具備分散性能(相同摻量條件下砂漿流動(dòng)度低于143mm).Jean-Yves系統(tǒng)比較了不同取代基團(tuán)、不同取代度淀粉基減水劑分散性能的強(qiáng)弱[23],相同摻量條件下,磺化淀粉衍生物表現(xiàn)出更佳的分散性能(當(dāng)改性淀粉摻量為1%時(shí),琥珀酸淀粉酯、淀粉馬來(lái)酸酯對(duì)應(yīng)的坍落擴(kuò)展度在85mm以內(nèi),而磺化淀粉衍生物對(duì)應(yīng)的坍落擴(kuò)展度在133mm以上).

關(guān)于淀粉基減水劑的分散機(jī)理,Zhang等[20,22]通過(guò)X射線光電子能譜(XPS)對(duì)比淀粉基減水劑(磺化淀粉)與萘系高效減水劑的Zeta電位和水泥顆粒的吸附層厚度(見表1)后發(fā)現(xiàn)，淀粉基減水劑除了通過(guò)靜電斥力實(shí)現(xiàn)分散性能外,其自身較大的空間位阻效應(yīng)才是具備較強(qiáng)分散性能的根本原因.

表1 磺化淀粉與萘系減水劑在水泥漿體中的Zeta電位和吸附層厚度

淀粉基減水劑還常常兼具緩凝性能.不少研究者對(duì)淀粉基緩凝型減水劑進(jìn)行研究,如石從黎[27]研究了磺化淀粉的緩凝性能,發(fā)現(xiàn)磺化淀粉摻量為0.6%～0.8%時(shí),水泥漿體的流動(dòng)度最大可達(dá)260mm,且水泥漿體的初凝時(shí)間大于15h;趙平等[28]制備了一種淀粉基緩凝減水劑,發(fā)現(xiàn)當(dāng)其摻量為0.3%時(shí),水泥漿體的流動(dòng)度最大可達(dá)270mm,同時(shí)水泥漿體的凝結(jié)時(shí)間超過(guò)24h.

由于淀粉的樹枝狀結(jié)構(gòu)具備較大的空間效應(yīng),加之淀粉低廉的價(jià)格,不少研究者嘗試用改性淀粉部分取代聚羧酸高性能減水劑(PCE)[29]制備中的大單體,來(lái)減低PCE的生產(chǎn)成本,從而擴(kuò)展淀粉在減水劑領(lǐng)域的應(yīng)用.曲烈等[30]和廖國(guó)勝等[31]的相關(guān)工作見表2.

表2 淀粉改性PCE后的分散性能

圍繞淀粉基減水劑這一方向已經(jīng)開展了近50年的研究,但依然處在初級(jí)階段：從制備技術(shù)看,還未能實(shí)現(xiàn)對(duì)淀粉基減水劑分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),大部分淀粉基減水劑僅通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)改性來(lái)實(shí)現(xiàn),所得到的淀粉基減水劑性能相對(duì)單一;從分散機(jī)理研究進(jìn)展看,目前尚未能明確地表征改性淀粉的結(jié)構(gòu)(改性基團(tuán)取代的位置、改性后支鏈淀粉和直鏈含量等),尚未建立起“樹枝”結(jié)構(gòu)與分散性能的關(guān)系.目前開發(fā)的淀粉基減水劑的減水率僅介于萘系減水劑與聚羧酸減水劑之間,且相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)規(guī)程尚為空白.以上這些因素導(dǎo)致淀粉基減水劑還未能得到廣泛應(yīng)用.

3 淀粉基水化溫升抑制劑

近幾年,淀粉基化學(xué)功能材料作為水化溫升抑制劑(temperature rise inhibitor,TRI)出現(xiàn)在大眾視野中,成為淀粉基化學(xué)功能材料在建材行業(yè)應(yīng)用的新方向.

溫升抑制劑是針對(duì)大體積混凝土由于散熱較慢所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題而開發(fā)的一種新型混凝土外加劑.混凝土水化過(guò)程中溫度會(huì)持續(xù)升高,當(dāng)散熱速率等于水化放熱速率時(shí),混凝土溫度達(dá)到峰值,隨后溫度下降.由于溫度降低會(huì)導(dǎo)致混凝土熱收縮,并產(chǎn)生收縮應(yīng)力,而當(dāng)熱應(yīng)力大于拉應(yīng)力時(shí),混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂紋[32-33].

在不犧牲混凝土性能、不提高施工難度的前提下,使用溫升抑制劑是一種更加簡(jiǎn)便、相對(duì)經(jīng)濟(jì)的新措施.已見報(bào)道的溫升抑制劑產(chǎn)品有羥基羧酸酯類化合物、緩凝劑與早強(qiáng)劑的復(fù)合物[34]和淀粉衍生物.其中的淀粉基水化溫升抑制劑常常被誤認(rèn)為是淀粉基緩凝劑,其實(shí)二者是有區(qū)別的.圖2為淀粉基水化溫升抑制劑與緩凝劑對(duì)水泥水化的影響對(duì)比.由圖2可見：(1)根據(jù)水泥的水化放熱速率可以將水泥水化過(guò)程分為溶解期、誘導(dǎo)期、加速期及衰退期4個(gè)階段[35-37].(2)淀粉基緩凝劑主要影響水泥水化的第2階段(誘導(dǎo)期),而對(duì)主要的水化熱快速產(chǎn)生階段——加速期沒(méi)有明顯影響[38-42];淀粉基TRI則主要降低加速期的水化放熱速率,降低整體水化熱的峰值溫度.

圖2 淀粉基水化溫升抑制劑與緩凝劑對(duì)水泥水化的影響對(duì)比Fig.2 Comparison of the effects of starch-based temperature rise inhibitor and retarder on cement paste hydration[35-42]

常見的淀粉基TRI是淀粉酸解后得到的低相對(duì)分子質(zhì)量的淀粉[43-44].研究表明[45],淀粉基TRI在不對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度造成明顯影響的條件下,可使水泥水化最大熱流量從2.65mW/g降低到1.51mW/g,水化熱曲線峰值溫度從36℃降低到25℃,得到的水泥混凝土28d強(qiáng)度可達(dá)空白組的99%.圖3為淀粉基TRI水泥孔隙溶液電阻率(ρ)的變化.由圖3可見：不同淀粉基TRI摻量條件下,水泥漿體水化的第Ⅰ階段溶解過(guò)程所需要的時(shí)間沒(méi)有明顯差異,說(shuō)明淀粉基TRI并不能阻止水泥顆粒的溶解過(guò)程[46-47];水泥漿體水化的第Ⅲ階段電阻率變化率受淀粉基TRI的影響最明顯;隨著淀粉基TRI摻量的增加,體系的電阻率隨之減小,造成該結(jié)果的原因是高硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)與單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)之間的轉(zhuǎn)換受到明顯影響.為了進(jìn)一步明確淀粉基TRI主要影響的礦物種類,研究者對(duì)不同淀粉基TRI摻量的水化產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析,發(fā)現(xiàn)淀粉基TRI摻量越大,相同水化時(shí)間未水化硅酸三鈣(C3S)的含量越高,水化產(chǎn)物水化硅酸鈣(C-S-H)則越少,淀粉基TRI的摻入降低了C-S-H的生成速率,減緩了水化放熱速率.

圖3 在20℃、不同淀粉基TRI摻量條件下水泥漿體水化過(guò)程中漿體的電阻率變化Fig.3 Electrical resistivity development of cement paste with different dosages of TRI during hydration at 20℃[46-47]

采用掃描電子顯微鏡(SEM)追蹤水泥漿體的水化過(guò)程[45],從微觀角度研究分析淀粉基TRI對(duì)水泥漿體水化的影響的研究工作也在深入.淀粉基TRI的摻入未對(duì)C-S-H的生長(zhǎng)造成明顯的影響(在相同的水化時(shí)間添加淀粉基TRI與未添加淀粉基TRI水泥漿體的水化產(chǎn)物尺度并沒(méi)有明顯區(qū)別),但顯著影響其密度.具體來(lái)說(shuō),淀粉基TRI對(duì)水泥漿體水化過(guò)程的影響可分為以下幾步：(1)C-S-H的核(數(shù)量很少)剛剛出現(xiàn)在水泥顆粒的表面,部分淀粉基TRI即吸附到水泥顆粒的表面,抑制了C-S-H的成核.(2)C-S-H的核進(jìn)一步生長(zhǎng),但是剩余的淀粉基TRI會(huì)繼續(xù)吸附到水泥顆粒的表面,抑制C-S-H的成核.(3)進(jìn)入C-S-H快速生長(zhǎng)期,大部分水泥顆粒表面都被針狀C-S-H覆蓋,吸附到水泥顆粒表面的淀粉基TRI阻止C-S-H在其表面生長(zhǎng),C-S-H只能在其他的C-S-H表面重疊生長(zhǎng),降低了C-S-H在水泥顆粒表面的覆蓋率.淀粉基TRI的加入影響了水泥水化產(chǎn)物的成核過(guò)程,改變了水泥漿體的水化動(dòng)力學(xué)[37,48].

淀粉基TRI是最近幾年才出現(xiàn)的新產(chǎn)品,關(guān)于其作用機(jī)理依然存在爭(zhēng)議,還需要更加全面深入地研究.

4 淀粉基高吸水性材料

現(xiàn)代混凝土對(duì)強(qiáng)度、耐久性提出了更高的要求,施工、養(yǎng)護(hù)的不當(dāng)使得開裂的現(xiàn)象比過(guò)去更加嚴(yán)重,而產(chǎn)生開裂最主要的原因是混凝土養(yǎng)護(hù)后期內(nèi)部濕度的不足.尤其對(duì)于低水膠比的高強(qiáng)度混凝土,其較高的密實(shí)性導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)水分很難從外部進(jìn)入到混凝土的結(jié)構(gòu)內(nèi)部,傳統(tǒng)的外部養(yǎng)護(hù)方法所產(chǎn)生的效果十分有限.針對(duì)這個(gè)難題,內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.該技術(shù)通過(guò)將預(yù)先吸收一定水分的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料——高吸水聚合物(superabsorbent polymers,SAP)分散到水泥基體當(dāng)中,隨著水化的進(jìn)行,內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料釋放水分到基體中,提高混凝土的內(nèi)部濕度,減少自收縮,提升混凝土的抗裂性能[49-51].

現(xiàn)有SAP是一種具有高交聯(lián)度的水溶脹型高分子,具有較高的吸水率,但價(jià)格相對(duì)較高.內(nèi)養(yǎng)護(hù)產(chǎn)品SAP的一些技術(shù)要求如下：(1)粒徑為75～150μm(100～200目),避免其在混凝土內(nèi)部引起大體積的氣孔而降低混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度;(2)按照在水泥濾液中的吸水率大于10g/g進(jìn)行控制;(3)對(duì)混凝土的流動(dòng)性、強(qiáng)度不造成明顯的影響(摻入后漿體的流動(dòng)度大于空白組的70%,7、28d混凝土強(qiáng)度要大于空白組的80%和90%).

淀粉含有大量親水基團(tuán)羥基,可以用來(lái)制備高吸水性材料,國(guó)內(nèi)外已有不少相關(guān)的報(bào)道.常見的淀粉基高吸水性材料包括：淀粉接枝丙烯腈高吸水性材料[52-53]、淀粉接枝丙烯酰胺高吸水性材料[54-55]、淀粉-丙烯酸-丙烯酰胺接枝共聚高吸水性材料等[53,56].Berlin等[57]以鈰鹽作為引發(fā)劑,實(shí)現(xiàn)了接枝淀粉高吸水性材料的制備;柳明珠[58]以洋芋淀粉為原料,與丙烯酰胺接枝共聚制備得到淀粉基高吸水性材料,其最大吸水率為1085g/g.有研究者利用半互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)淀粉基高吸水性材料進(jìn)行改性[59],例如將淀粉接枝丙烯酸與聚吡咯烷酮互混制備得到半互穿網(wǎng)絡(luò)高吸水性材料,其吸水率可達(dá)2017.8g/g;還有研究者通過(guò)向淀粉基高吸水性材料分子鏈引入親油性單體提升其吸水率,例如引入長(zhǎng)鏈烷烴2-丙烯酰胺基十四烷磺酸鈉[60],得到淀粉- 丙烯酰胺-長(zhǎng)鏈烷烴高吸水性材料,其吸水率可達(dá)2536.77g/g.

上述淀粉基高吸水性材料目前主要應(yīng)用于污水處理、農(nóng)業(yè)及園林等領(lǐng)域[61-62],圍繞淀粉基高吸水性材料作為混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的相關(guān)研究還處于空白階段.從性能上分析,可以看到它們的吸水率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有SAP的相關(guān)技術(shù)要求,具有極大的發(fā)展?jié)摿?但淀粉基高吸水性材料的耐堿性可能是限制其成為水泥混凝土用SAP的關(guān)鍵因素,因?yàn)閺?qiáng)堿性的水泥混凝土漿體環(huán)境會(huì)加速淀粉的糊化,可能會(huì)對(duì)淀粉基高吸水性材料的結(jié)構(gòu)造成影響.一旦結(jié)構(gòu)被破壞,淀粉基高吸水性材料的高吸水率和保水性能也將隨之喪失.因此,還需要進(jìn)一步探索和研究淀粉基高吸水性材料在水泥混凝土漿體中的適應(yīng)性,對(duì)漿體流動(dòng)性及混凝土強(qiáng)度的影響等.相信通過(guò)研究和改進(jìn),淀粉基高吸水性材料會(huì)成為一種新的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料.

5 水泥混凝土用淀粉基化學(xué)功能材料的發(fā)展展望

國(guó)內(nèi)外關(guān)于淀粉基化學(xué)功能材料在建材行業(yè)應(yīng)用的相關(guān)研究方興未艾,成果琳瑯滿目,證明淀粉基化學(xué)功能材料在建材行業(yè)具有很大潛力,是一個(gè)值得研究的方向.提升淀粉基化學(xué)功能材料在建材行業(yè)的應(yīng)用,還需要在以下方面開展研究工作：

(1)建立材料結(jié)構(gòu)與性能的聯(lián)系,完善淀粉基化學(xué)功能材料的作用機(jī)理.淀粉基減水劑在水泥漿體中的吸附構(gòu)型,淀粉的“樹枝”結(jié)構(gòu)與其分散性能的聯(lián)系還未得到直接的表征驗(yàn)證.淀粉基水化溫升抑制劑的作用機(jī)理還需深入探明.其難點(diǎn)在于對(duì)實(shí)際環(huán)境中的改性淀粉結(jié)構(gòu)的表征,需要在研究手段上有所突破.

(2)保證淀粉基化學(xué)功能材料品質(zhì)的一致性.淀粉作為一種由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成的混合物,且支鏈和直鏈淀粉的聚合度也只是在一定的范圍內(nèi),在進(jìn)行物理或者化學(xué)改性時(shí),可能導(dǎo)致淀粉基化學(xué)功能材料性能的“參差不齊”.保證淀粉基化學(xué)功能材料性能的“一致性”至關(guān)重要,可行的措施是通過(guò)物理或者化學(xué)手段篩選結(jié)構(gòu)類似的淀粉,控制源頭淀粉質(zhì)量均一,配合工藝技術(shù)控制,制備出性能一致性滿足要求的淀粉基化學(xué)功能材料.

(3)提升淀粉基化學(xué)功能材料的“目標(biāo)”性能.隨著工程對(duì)混凝土性能要求的提升,淀粉基黏度改性劑需要具備與減水劑更佳的“匹配性”(在保證漿體穩(wěn)定性的同時(shí),盡可能減低對(duì)漿體流動(dòng)性的影響);淀粉基減水劑需要具備更強(qiáng)的分散性能,利用淀粉的特殊結(jié)構(gòu)制備具有超高分散力的新型淀粉基減水劑將是未來(lái)的發(fā)展方向.

(4)擴(kuò)寬淀粉基化學(xué)功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域.淀粉基高吸水性材料已經(jīng)展現(xiàn)出作為建材行業(yè)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的潛力,但性能上還有待進(jìn)一步開發(fā).開展淀粉基高吸水性材料作為水泥混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的相關(guān)研究,通過(guò)選擇合適的共聚體以及制備手段,使淀粉基高吸水性材料滿足相應(yīng)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的技術(shù)要求(實(shí)現(xiàn)淀粉基高吸水性材料作為混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的目標(biāo))是淀粉基高吸水性材料的發(fā)展方向.

(5)淀粉基化學(xué)功能材料的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè).一些已經(jīng)在建材領(lǐng)域有示范應(yīng)用的淀粉基化學(xué)功能材料,其相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)規(guī)程還是空白,簡(jiǎn)單套用其他產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而未突出其特色性能優(yōu)勢(shì),未明示應(yīng)用注意事項(xiàng)會(huì)限制其推廣.下一步可以制定淀粉基化學(xué)功能材料專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程,以標(biāo)準(zhǔn)帶動(dòng)新產(chǎn)品的市場(chǎng)化和應(yīng)用規(guī)模.