本發(fā)明屬于超疏水材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及將親水沙子轉(zhuǎn)變成耐高溫的超疏水沙子的方法。

背景技術(shù)：

自1997年，超疏水表界面現(xiàn)象首次被揭示，仿生超疏水材料的研究已經(jīng)經(jīng)歷了近20年的發(fā)展，在很多領(lǐng)域都表現(xiàn)出重要的應用價值，尤其在防水、自清潔、抗結(jié)冰和油水分離等領(lǐng)域。與此同時，科研工作者們也一直在尋找新的廉價易得的可用材料及應用領(lǐng)域。尤其是，如何實現(xiàn)超疏水材料于環(huán)境于資源利用問題的結(jié)合被認為是一個富有前景的研究課題。然而一直沒有得到突破性的進展。

眾所周知，沙子作為沙漠中豐富的自然資源的同時，也給沙漠地區(qū)帶來了水資源短缺和沙塵暴等問題。由于沙子自身的超親水特性，水在沙子表面會被快速的吸收。從而導致缺少可灌溉和飲用的明水，動植物難以生存。沙漠地區(qū)的人們?yōu)榱双@得新鮮的水必須挖很深的井和地窖。因此，如何通過改變沙子表面的結(jié)構(gòu)和成分來實現(xiàn)沙子的超疏水性，將是一個極有意義和價值的工作。其意義不僅體現(xiàn)在可以使雨水在沙子表面儲存和滾動而不被吸收，同時可實現(xiàn)沙漠地區(qū)的引水工程。另一方面，超疏水的沙子還可以應用到混凝土建筑工程，構(gòu)筑具有防水、防滲透、自清潔的墻壁。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種豐富易得的材料和簡單方便、可大面積制備超疏水沙子的方法，實現(xiàn)了親水沙子向超疏水的轉(zhuǎn)變，解決超疏水材料的資源不足、生產(chǎn)成本高、耐熱性能差、基材單一等問題。擁有微/納米結(jié)構(gòu)的超疏水沙子其對水的接觸角大于150°，滾動角小于10°，可以使水滴在沙子表面保持球形并自由滾動，類似荷葉表面。不僅如此，所制備的超疏水沙子不僅具有很好的機械強度和耐高溫性能，還具有很好的蓄水和水流減阻的性能。實驗表明，在400℃下依然可以保持很好的疏水性和蓄水能力。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種超疏水沙子的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

A.沙子的預處理：將一定量的沙子先用100mL去離子水進行清洗3次，然后烘干待用；

B.表面包覆二氧化硅沙子的制備：將5～10g洗凈的沙子加入到100mL乙醇溶劑中，再加入50mL一定濃度的十六烷基三甲基溴化銨，充分攪拌1h后，用氨水將溶液的PH值調(diào)至12～13；然后，在攪拌的過程中，將10～15mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反應6～12h；然后靜置，去除沙子上層白色分散液，用去離子水對下層沙子充分洗滌3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子；

C.低表面能修飾：將步驟B制備的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL一定濃度的含氟修飾劑的乙醇混合溶液中，攪拌，待反應3～6h以后，通過去除上清液、水洗滌過程得到修飾后的沙子；最后，將修飾后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水沙子。

進一步地，步驟A中，所用的沙子粒徑在80～120μm。

進一步地，所用的沙子來自庫布奇沙漠。

進一步地，沙子表面納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑材料為二氧化硅。

進一步地，所得超疏水沙子的粒徑為100～200μm。

進一步地，步驟B中，十六烷基三甲基溴化銨的濃度為0.14M。

進一步地，步驟C中，含氟修飾劑為全氟癸基三乙氧基硅烷，濃度為0.5％～1％。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1.工藝簡單，原料易得，成本低廉；

2.制備的超疏水沙子的粒徑在100～200μm之間，且擁有微納米表面結(jié)構(gòu)，經(jīng)全氟癸基三乙氧基硅烷修飾后，具有穩(wěn)定的超疏水性，水的接觸角大于150°，滾動角小于10°；

3.具有很強的耐高溫性能，溫度達到400℃時仍然可以保持超疏水性；

4.具有很好的蓄水、減阻和水輸送能力；

5.機械強度大，使用壽命長。

附圖說明

圖1：實施例1所得超疏水沙子的光學照片和掃描電鏡圖，其中：圖(a)是超疏水沙子的光學照片，圖(b)是超疏水沙子在顯微鏡下的圖片，圖(c)超疏水沙子的低倍掃描電鏡圖片，圖(d)超疏水沙子的高倍掃描電鏡圖片。

圖2：實施例1所得超疏水沙子表面的潤濕性，其中：圖(a)是水滴在超疏水沙子表面的潤濕狀態(tài)照片，圖(b)是超疏水沙子表面上水滴的接觸角和滾動角圖片。

圖3：實施例1所得超疏水沙子的蓄水能力和耐高溫性能，其中：圖(a)是水在原始沙子的沙坑中被完全吸收的照片，圖(b)是水在超疏水沙子的沙坑中不被吸收的狀態(tài)照片，圖(c)超疏水沙子的沙坑在不同高溫下依然保持很好的超疏水性和蓄水能力的照片。

圖4：實施例1所得超疏水沙子與原始沙子輸水能力的對比，其中：圖(a)是水在原始沙子表面流動的狀態(tài)照片，圖(b)是水在超疏水沙子表面流動的狀態(tài)照片。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣在本申請所列權(quán)利要求書限定范圍之內(nèi)。

實施例1：

(1)沙子的預處理：將一定量的沙子先用100mL去離子水進行清洗3次，然后烘干待用。

(2)表面包覆二氧化硅沙子的制備：將5g洗凈的沙子加入到100mL乙醇溶劑中，再加入50mL濃度為0.14M的十六烷基三甲基溴化銨，充分攪拌1h后，用氨水將溶液的PH值調(diào)至13。然后，在攪拌的過程中，將10mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反應12h。然后靜置，去除沙子上層白色分散液，用去離子水對下層沙子充分洗滌3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子(如圖1所示)。

(3)低表面能修飾：將步驟B制備的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL濃度為0.5％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，攪拌，待反應6h以后，通過去除上清液、水洗滌過程得到修飾后的沙子。最后，將修飾后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水沙子(如圖2所示)。

從圖3可以看出，水在原始沙子的沙坑中會被完全吸收(如圖3a所示)，而在超疏水沙子的沙坑中不會被吸收而保持橢球形狀態(tài)(如圖3a所示)，說明了超疏水沙子具有蓄水能力。不僅如此，當溫度升到400℃時，超疏水沙子依然可以保持很好的疏水性和蓄水能力(如圖3c所示)，說明了超疏水沙子極好的耐高溫性能。

從圖4可以看出，水在原始沙子表面是會完全滲透下去，且在流動的過程中會將沙子帶走，形成流沙(如圖4a所示)。然而，水會在超疏水沙子的表面流動且不會滲透下去，在流動的過程中也不會將沙子帶走(如圖4b所示)，說明了超疏水沙子具有很好的輸水、減阻和固沙的能力。

實施例2：

(1)沙子的預處理：將一定量的沙子先用100mL去離子水進行清洗3次，然后烘干待用。

(2)表面包覆二氧化硅沙子的制備：將10g洗凈的沙子加入到100mL乙醇溶劑中，再加入50mL濃度為0.14M的十六烷基三甲基溴化銨，充分攪拌1h后，用氨水將溶液的PH值調(diào)至13。然后，在攪拌的過程中，將15mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反應12h。然后靜置，去除沙子上層白色分散液，用去離子水對下層沙子充分洗滌3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子。

(3)低表面能修飾：將步驟B制備的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL濃度為0.5％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，攪拌，待反應6h以后，通過去除上清液、水洗滌過程得到修飾后的沙子。最后，將修飾后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水的沙子。

實施例3：

(1)沙子的預處理：將一定量的沙子先用100mL去離子水進行清洗3次，然后烘干待用。

(2表面包覆二氧化硅沙子的制備：將10g洗凈的沙子加入到100mL乙醇溶劑中，再加入50mL濃度為0.14M的十六烷基三甲基溴化銨，充分攪拌1h后，用氨水將溶液的PH值調(diào)至12。然后，在攪拌的過程中，將10mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反應10h。然后靜置，去除沙子上層白色分散液，用去離子水對下層沙子充分洗滌3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子。

(3)低表面能修飾：將步驟B制備的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL濃度為0.5％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，攪拌，待反應6h以后，通過去除上清液、水洗滌過程得到修飾后的沙子。最后，將修飾后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水的沙子。

實施例4：

(1)沙子的預處理：將一定量的沙子先用100mL去離子水進行清洗3次，然后烘干待用。

(2表面包覆二氧化硅沙子的制備：將10g洗凈的沙子加入到100mL乙醇溶劑中，再加入50mL濃度為0.14M的十六烷基三甲基溴化銨，充分攪拌1h后，用氨水將溶液的PH值調(diào)至12。然后，在攪拌的過程中，將10mL正硅酸乙酯逐滴加入到上述溶液中，充分反應10h。然后靜置，去除沙子上層白色分散液，用去離子水對下層沙子充分洗滌3次，干燥后得到表面包覆有二氧化硅的沙子。

(3)低表面能修飾：將步驟B制備的表面包覆有二氧化硅的沙子加入到100mL濃度為1％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇混合溶液中，攪拌，待反應3h以后，通過去除上清液、水洗滌過程得到修飾后的沙子。最后，將修飾后的沙子在60℃下干燥1h，得到超疏水的沙子。

本發(fā)明主要包括了沙子表面的結(jié)構(gòu)化處理和低表面能物質(zhì)修飾等步驟。所制備出的超疏水沙子的水接觸角均大于150°，水在沙子表面可以自由滾動而不會滲透下去。而且，該超疏水沙子具有極好的熱穩(wěn)定性，在400℃下依然具有很好的疏水性。同時，這種超疏水沙子可以實現(xiàn)水的儲存和運輸，具有很好減阻效果。本發(fā)明制備工藝較簡單，原料易得，無毒環(huán)保，成本低廉，熱穩(wěn)定性強，適合大面積制備和應用，既可以應用到建筑物表面實現(xiàn)超疏水的墻壁，也可應用于沙漠水的儲存和運輸，從而實現(xiàn)水在沙漠的灌溉和運輸工程。

最后應當說明的是，以上內(nèi)容僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案進行的簡單修改或者等同替換，均不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。