微纳米复合硅微珠及其超疏水性表面的制备与性能表征

本项目以微米级高纯球形硅微珠为原料，利用化学沉积包覆方法制备微纳米复合硅微珠，通过表面有机改性技术使其具有疏水特征，采用耐水超薄涂敷工艺制备超疏水性微纳米结构表面；利用现代测试技术对复合硅微珠与微纳米结构表面的几何特征、界面结合强度以及微纳米结构表面的浸润性进行检测与表征，从而对上述颗粒及其表面的制备工艺进行优化设计。本项目涉及硅微珠高纯化、化学反应控制、表面化学修饰以及微纳米结构表面制备等多种工艺，目的是探索微纳米复合硅微珠及其超疏水性表面的制备新工艺，进而为这种表面的大面积制备与应用提供必要的理论依据。特别是从固体废弃物(如粉煤灰)中纯化制备球形硅微珠，量大面广、成本低、环境友好，将具有显著的经济效益与社会效益。

利用从固体废弃物粉煤灰中提取的高纯球形硅微珠和工业水玻璃为原料，对其进行无机包覆改性，制备具有“核－壳”结构的微珠/纳米SiO2复合颗粒。创新性地采用化学沉淀法和二氧化碳气体酸化法，在微珠表面均匀沉积纳米SiO2颗粒包覆层。实现了对硅微珠的功能化设计、提高了颗粒表面粗糙度。同时希望用这种微纳复合微珠制备超疏水性表面,而且成本低易操作。. 为制备包覆完整且表面粗糙度高、纳米颗粒感明显的复合微珠，分别确定两种方法的最优试验方案。通过优化温度、pH值、反应时间、水玻璃浓度等反应条件可以实现包覆层形貌以及厚度的可控性。经SEM, XPS, XRD, FTIR分析确定复合微珠包覆层的主要化学成分为非晶态SiO2。沉淀反应开始阶段大量活性硅酸晶核生成，并以Si－O－Si键合的方式优先生长于微珠表面。包覆在微珠表面的纳米SiO2颗粒平均粒径20-100nm，比表面积从原料的1.003m2/g提高到49.055m2/g。复合颗粒表面的微纳结构与荷叶表面乳突微纳结构非常接近，这种复合结构对构建超疏水性表面奠定了基础。. 以包覆后微珠颗粒为原料、采用涂覆工艺制备超疏水表面，10μL水滴的接触角与滚动角分别达到150°和1.9°。 . 这种超疏水性表面的水流减阻实验研究表明：聚氟硅氧烷处理的微纳结构复合微珠制备的宏观尺度超疏水性表面槽道与相同尺寸的普通表面槽道相比，当雷诺数Re＜1500时，层流减阻为25.6％，而Re＞1500时，湍流减阻达到76.5％。分析其内在本质表现在：纳米颗粒包覆在微珠表面产生的微米-纳米阶层微结构，在槽道内形成的超疏水性表面降低了液体流动的摩擦阻力，达到了流动减阻的效果。