一种超疏水沙子的制备方法与流程

本发明属于超疏水材料制备技术领域，特别涉及将亲水沙子转变成耐高温的超疏水沙子的方法。

背景技术：

自1997年，超疏水表界面现象首次被揭示，仿生超疏水材料的研究已经经历了近20年的发展，在很多领域都表现出重要的应用价值，尤其在防水、自清洁、抗结冰和油水分离等领域。与此同时，科研工作者们也一直在寻找新的廉价易得的可用材料及应用领域。尤其是，如何实现超疏水材料于环境于资源利用问题的结合被认为是一个富有前景的研究课题。然而一直没有得到突破性的进展。

众所周知，沙子作为沙漠中丰富的自然资源的同时，也给沙漠地区带来了水资源短缺和沙尘暴等问题。由于沙子自身的超亲水特性，水在沙子表面会被快速的吸收。从而导致缺少可灌溉和饮用的明水，动植物难以生存。沙漠地区的人们为了获得新鲜的水必须挖很深的井和地窖。因此，如何通过改变沙子表面的结构和成分来实现沙子的超疏水性，将是一个极有意义和价值的工作。其意义不仅体现在可以使雨水在沙子表面储存和滚动而不被吸收，同时可实现沙漠地区的引水工程。另一方面，超疏水的沙子还可以应用到混凝土建筑工程，构筑具有防水、防渗透、自清洁的墙壁。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种丰富易得的材料和简单方便、可大面积制备超疏水沙子的方法，实现了亲水沙子向超疏水的转变，解决超疏水材料的资源不足、生产成本高、耐热性能差、基材单一等问题。拥有微/纳米结构的超疏水沙子其对水的接触角大于150°，滚动角小于10°，可以使水滴在沙子表面保持球形并自由滚动，类似荷叶表面。不仅如此，所制备的超疏水沙子不仅具有很好的机械强度和耐高温性能，还具有很好的蓄水和水流减阻的性能。实验表明，在400℃下依然可以保持很好的疏水性和蓄水能力。

本发明所采用的技术方案是：一种超疏水沙子的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A.沙子的预处理：将一定量的沙子先用100mL去离子水进行清洗3次，然后烘干待用；

B.表面包覆二氧化硅沙子的制备：将5～10g洗净的沙子加入到100mL乙醇溶剂中，再加入50mL一定浓度的十六烷基三甲基溴化铵，充分搅拌1h后，用氨水将溶液的PH值调至12～13；然后，在搅拌的过程中，将10～15mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反应6～12h；然后静置，去除沙子上层白色分散液，用去离子水对下层沙子充分洗涤3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子；

C.低表面能修饰：将步骤B制备的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL一定浓度的含氟修饰剂的乙醇混合溶液中，搅拌，待反应3～6h以后，通过去除上清液、水洗涤过程得到修饰后的沙子；最后，将修饰后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水沙子。

进一步地，步骤A中，所用的沙子粒径在80～120μm。

进一步地，所用的沙子来自库布奇沙漠。

进一步地，沙子表面纳米结构的构筑材料为二氧化硅。

进一步地，所得超疏水沙子的粒径为100～200μm。

进一步地，步骤B中，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.14M。

进一步地，步骤C中，含氟修饰剂为全氟癸基三乙氧基硅烷，浓度为0.5％～1％。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.工艺简单，原料易得，成本低廉；

2.制备的超疏水沙子的粒径在100～200μm之间，且拥有微纳米表面结构，经全氟癸基三乙氧基硅烷修饰后，具有稳定的超疏水性，水的接触角大于150°，滚动角小于10°；

3.具有很强的耐高温性能，温度达到400℃时仍然可以保持超疏水性；

4.具有很好的蓄水、减阻和水输送能力；

5.机械强度大，使用寿命长。

附图说明

图1：实施例1所得超疏水沙子的光学照片和扫描电镜图，其中：图(a)是超疏水沙子的光学照片，图(b)是超疏水沙子在显微镜下的图片，图(c)超疏水沙子的低倍扫描电镜图片，图(d)超疏水沙子的高倍扫描电镜图片。

图2：实施例1所得超疏水沙子表面的润湿性，其中：图(a)是水滴在超疏水沙子表面的润湿状态照片，图(b)是超疏水沙子表面上水滴的接触角和滚动角图片。

图3：实施例1所得超疏水沙子的蓄水能力和耐高温性能，其中：图(a)是水在原始沙子的沙坑中被完全吸收的照片，图(b)是水在超疏水沙子的沙坑中不被吸收的状态照片，图(c)超疏水沙子的沙坑在不同高温下依然保持很好的超疏水性和蓄水能力的照片。

图4：实施例1所得超疏水沙子与原始沙子输水能力的对比，其中：图(a)是水在原始沙子表面流动的状态照片，图(b)是水在超疏水沙子表面流动的状态照片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

实施例1：

(1)沙子的预处理：将一定量的沙子先用100mL去离子水进行清洗3次，然后烘干待用。

(2)表面包覆二氧化硅沙子的制备：将5g洗净的沙子加入到100mL乙醇溶剂中，再加入50mL浓度为0.14M的十六烷基三甲基溴化铵，充分搅拌1h后，用氨水将溶液的PH值调至13。然后，在搅拌的过程中，将10mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反应12h。然后静置，去除沙子上层白色分散液，用去离子水对下层沙子充分洗涤3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子(如图1所示)。

(3)低表面能修饰：将步骤B制备的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL浓度为0.5％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，搅拌，待反应6h以后，通过去除上清液、水洗涤过程得到修饰后的沙子。最后，将修饰后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水沙子(如图2所示)。

从图3可以看出，水在原始沙子的沙坑中会被完全吸收(如图3a所示)，而在超疏水沙子的沙坑中不会被吸收而保持椭球形状态(如图3a所示)，说明了超疏水沙子具有蓄水能力。不仅如此，当温度升到400℃时，超疏水沙子依然可以保持很好的疏水性和蓄水能力(如图3c所示)，说明了超疏水沙子极好的耐高温性能。

从图4可以看出，水在原始沙子表面是会完全渗透下去，且在流动的过程中会将沙子带走，形成流沙(如图4a所示)。然而，水会在超疏水沙子的表面流动且不会渗透下去，在流动的过程中也不会将沙子带走(如图4b所示)，说明了超疏水沙子具有很好的输水、减阻和固沙的能力。

实施例2：

(1)沙子的预处理：将一定量的沙子先用100mL去离子水进行清洗3次，然后烘干待用。

(2)表面包覆二氧化硅沙子的制备：将10g洗净的沙子加入到100mL乙醇溶剂中，再加入50mL浓度为0.14M的十六烷基三甲基溴化铵，充分搅拌1h后，用氨水将溶液的PH值调至13。然后，在搅拌的过程中，将15mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反应12h。然后静置，去除沙子上层白色分散液，用去离子水对下层沙子充分洗涤3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子。

(3)低表面能修饰：将步骤B制备的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL浓度为0.5％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，搅拌，待反应6h以后，通过去除上清液、水洗涤过程得到修饰后的沙子。最后，将修饰后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水的沙子。

实施例3：

(1)沙子的预处理：将一定量的沙子先用100mL去离子水进行清洗3次，然后烘干待用。

(2表面包覆二氧化硅沙子的制备：将10g洗净的沙子加入到100mL乙醇溶剂中，再加入50mL浓度为0.14M的十六烷基三甲基溴化铵，充分搅拌1h后，用氨水将溶液的PH值调至12。然后，在搅拌的过程中，将10mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反应10h。然后静置，去除沙子上层白色分散液，用去离子水对下层沙子充分洗涤3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子。

(3)低表面能修饰：将步骤B制备的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL浓度为0.5％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，搅拌，待反应6h以后，通过去除上清液、水洗涤过程得到修饰后的沙子。最后，将修饰后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水的沙子。

实施例4：

(1)沙子的预处理：将一定量的沙子先用100mL去离子水进行清洗3次，然后烘干待用。

(2表面包覆二氧化硅沙子的制备：将10g洗净的沙子加入到100mL乙醇溶剂中，再加入50mL浓度为0.14M的十六烷基三甲基溴化铵，充分搅拌1h后，用氨水将溶液的PH值调至12。然后，在搅拌的过程中，将10mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反应10h。然后静置，去除沙子上层白色分散液，用去离子水对下层沙子充分洗涤3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子。

(3)低表面能修饰：将步骤B制备的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL浓度为1％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，搅拌，待反应3h以后，通过去除上清液、水洗涤过程得到修饰后的沙子。最后，将修饰后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水的沙子。

本发明主要包括了沙子表面的结构化处理和低表面能物质修饰等步骤。所制备出的超疏水沙子的水接触角均大于150°，水在沙子表面可以自由滚动而不会渗透下去。而且，该超疏水沙子具有极好的热稳定性，在400℃下依然具有很好的疏水性。同时，这种超疏水沙子可以实现水的储存和运输，具有很好减阻效果。本发明制备工艺较简单，原料易得，无毒环保，成本低廉，热稳定性强，适合大面积制备和应用，既可以应用到建筑物表面实现超疏水的墙壁，也可应用于沙漠水的储存和运输，从而实现水在沙漠的灌溉和运输工程。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。