BRPI0619925A2 - espelhos de prata resistentes à luz ultravioleta, avançados, para uso em refletores solares - Google Patents

Abstract

ESPELHOS DE PRATA RESISTENTES à LUZ ULTRAVIOLETA, AVANçADOS, PARA USO EM REFLETORES SOLARES. Uma construção de espelho de prata que mantém uma percentagem elevada de refletância hemisférica por todo o espectro UV e visível quando usada em refletores solares, compreendendo: a) uma camada de adesivo sensível à pressão posicionada embaixo de uma cobertura de prata; b) uma película de polímero disposta sobre a cobertura de prata; c) uma camada de adesivo posicionada sobre a película de polimero; e d) uma película de acrilico de proteção contra UV disposta sobre a camada de adesivo.

Description

ESPELHOS DE PRATA RESISTENTES À LUZ ULTRAVIOLETA, AVANÇADOS, PARA USO EM REFLETORES SOLARES Origem Contratual da Invenção

O Governo dos Estados Unidos tem direitos sobre essa invenção de acordo com o Contrato N0 DE-AC36-99G010337 entre o Departamento de Energia dos Estados Unidos e o Laboratório de Energia Renovável Nacional, divisão do Midwest Research Institute.

Campo Técnico

A invenção se refere aos espelhos de prata especulares, resistentes à luz ultravioleta, avançados, para uso em refletores solares, e é uma continuação-em- parte do Pedido de Patente dos Estados Unidos 09/762.719 depositado em 9 de fevereiro de 2001. Mais especificamente, a invenção se refere aos espelhos de prata, especulares, resistentes à luz ultravioleta, avançados, para uso em refletores solares, os espelhos sendo caracterizados por durabilidade ótica substancialmente aperfeiçoada e resistência à falha por separação em lâminas e formação de túneis sob condições ambientais ao ar livre.

Fundamentos da Técnica Proteção insuficiente contra a ação do tempo e degradação por luz ultravioleta são problemas encontrados ao se utilizar os refletores solares feitos de um espelho de prata, especular, flexível. Quando utilizados externamente, esses espelhos devem ser duráveis e resistentes à luz ultravioleta (UV) para manter a sua estabilidade dimensional, aparência estética, e refletância especular nos comprimentos de ondas visíveis, ultravioletas, e quase-infravermelhas. Refletância especular é provida em um espelho de prata, flexível, através de uma lâmina compósita prateada, tendo uma camada fina de prata depositada por vácuo sobre a superfície do substrato de polímero, flexível. A prata é um metal preferido devido ao fato de sua ref letividade ser substancialmente superior àquela de outros metais, tal como o alumínio. Para manter a refletância especular com o passar do tempo, a técnica anterior se concentrou na aplicação de adesivos avançados e camadas protetoras, revestidas sobre o substrato de polímero e a camada de prata, para proteger os espelhos contra abrasão, ação do tempo, e degradação por luz ultravioleta.

Técnicas antigas usadas para proteger os espelhos solares contra abrasão, condições climáticas, e degradação por luz ultravioleta foram desenvolvidas com espelhos de alumínio. Por exemplo, na Patente dos Estados Unidos 4.3 07.150, é revelado um refletor solar em que uma superfície de alumínio, opaca, depositada por vácuo sobre uma folha de suporte de poliéster, flexível, é protegida contra a corrosão e a ação do tempo com uma camada de copolímeros de acrilato ou metacrilato entre polímeros. A folha de suporte consiste em uma lâmina de tereftalato de polietileno, biaxialmente orientada, tendo agentes de deslizamento convencionais para facilitar enrolamento, e uma segunda lâmina de tereftalato de polietileno que não contém agente de deslizamento.

A prata é superior em reflexão especular ao alumínio. Desse modo, a suposição lógica foi a de colocar a prata no lugar do alumínio no refletor solar descrito acima. Contudo, essa abordagem foi reportada, na Patente dos Estados Unidos 4.645.714, como resultando em dois fenômenos indesejados. Em primeiro lugar, a prata é suscetível de corrosão seja pelo desenvolvimento de pontinhos pretos no revestimento de acrilato ou ao longo das porções periféricas da película revestida com prata. Em segundo lugar, uma camada fina de prata, ao contrário de uma camada fina de alumínio, tem uma janela espectral através da qual passa facilmente a luz ultravioleta ("UV"). A transmissão máxima dessa luz está em 320 nm, e a luz solar contém luz ultravioleta nesse comprimento de onda. A transmissão de luz ultravioleta através da camada de prata degrada o substrato de poliéster subjacente formando bolhas nos adesivos, comumente usado para aderir o substrato a um suporte rígido. Essa degradação, e a formação de bolhas,, reduzem as propriedades funcionais estéticas e especulares do espelho solar.

Inibidores de corrosão e absorvedores de UV, incorporados nos adesivos ou nos revestimentos de película de proteção, sobrepostos a um substrato de espelho de poliéster e prata, têm sido utilizados para manter essas propriedades funcionais. Contudo, embora os inibidores de corrosão reduzam a corrosão, eles freqüentemente transmitem, com o passar do tempo, uma cor inaceitável para o espelho, e não bloqueiam a luz ultravioleta. Ao contrário, quando absorvedores de luz ultravioleta são incorporados em uma cobertura protetora de polímero, a taxa de degradação do suporte de poliéster é diminuída, porém, a corrosão da prata é agravada. Desse modo, foram feitas tentativas para se isolar o inibidor de corrosão e os elementos absorvedores de luz ultravioleta a partir dos componentes reativos do espelho para eliminar esses efeitos indesej áveis.

Na Patente dos Estados Unidos 4.64 5.714, da Roche, é revelado um espelho de prata resistente à corrosão em que um inibidor de corrosão, e um absorvedor de luz ultravioleta, são incorporados individualmente em coberturas finas separadas de uma tinta de acrilato entre polímeros. Os espelhos refletivos, especulares, são formados mediante deposição por vácuo de prata sobre uma película de suporte e poliéster. A degradação por luz ultravioleta do suporte de poliéster, e conseqüentemente formação de bolhas na camada subjacente, são reduzidas mediante incorporação dos absorvedores de UV em um segundo revestimento de polímero que é aplicado sobre um primeiro revestimento de polímero, o qual incorpora um inibidor de corrosão. 0 primeiro revestimento de polímero é aplicado diretamente sobre a superfície refletiva de prata. 0 substrato polimérico, uma folha de poliéster coextrudada, biaxialmente orientada, compreende: (1) uma lâmina de tereftalato de polietileno contendo agentes de deslizamento convencionais para facilitar enrolamento em rolos; e (2) uma lâmina de tereftalato de polietileno não contendo agente de deslizamento, o que resulta em uma superfície exposta oticamente lisa. A camada refletiva especular de prata cobre a superfície lisa, da película co-extrusada, e é ligada a ela. Disposto em camadas sobre a prata está um primeiro revestimento de acrilato ou metacrilato entre polímeros, tendo um dispersante de glicol dimercaptoacetato a 0,5 a 2,5%, o qual serve como um agente de ligação, base, e inibidor de corrosão. Esse revestimento pesa 1-4 g/m2. Sobreposto ao primeiro revestimento de acrilato está um segundo revestimento de acrilato contendo um absorvedor de luz ultravioleta eficaz por toda uma faixa de 300-400 nanômetros. O peso do segundo revestimento é de 4-8 g/m2. A inclusão do inibidor de corrosão e do absorvedor de UV em camadas separadas é projetada para manter o absorvedor de UV fora de contato com a prata, e para evitar qualquer efeito de corrosão. No lado oposto do suporte de poliéster coextrudado está um revestimento uniforme, pesando aproximadamente 10-15 g/m2, de um adesivo grudento e sensível ã pressão (copolímero de isooctil acrilato: acrilamida a 95:5). Um revestimento de desprendimento convencional, tal como uma película de poliéster revestida com silicone, pode ser usado para proteger o adesivo antes do uso. A revelação da Patente dos Estados Unidos 4.645.714 é incorporada como referência como se integralmente aqui demonstrada.

Acredita-se, contudo, de acordo com Hutchinson, Patente dos Estados Unidos 5.118.540, que as películas refletivas descritas nas Patentes dos Estados Unidos 4.317.150 e 4.64 5.714 sejam geralmente inadequadas para aplicações de energia solar. Sob condições ao ar livre, o revestimento abundante de acrilato, fino, dessas películas, tende a resistir insuficientemente à ação do tempo e a erodir rapidamente. Esses revestimentos, assim, oferecem uma barreira de proteção insuficiente contra abrasão e umidade. Onde o espelho solar compreende um substrato tendo uma folha de suporte de poliéster e uma camada de prata, como o revestimento abundante de acrilato externo, contendo absorvedores de UV, a luz ultravioleta erode e degrada o suporte de poliéster, e fracassam, tanto a aparência estética do espelho como a eficiência ótica. Para minorar esse problema, Hutchinson revela o uso em um adesivo, de inibidores de corrosão, e absorvedores ultravioletas, o qual é usado para ligar um revestimento de proteção de fluorocarboneto resistente a abrasão e umidade sobre um substrato de espelho de poliéster e prata. A modalidade relevante, nesse sentido, descreve uma película refletiva flexível resistente à luz ultravioleta e resistente à corrosão, onde os inibidores e absorvedores respectivos são incorporados em revestimentos separados de um adesivo. Uma camada fina de prata é depositada por vácuo sobre uma folha de suporte de poliéster, flexível, produzindo a superfície de prata especular. O adesivo é usado para ligar uma película de fluorocarboneto, tendo uma função de resistência à abrasão e às condições climáticas, com uma superfície da prata. 0 adesivo é aplicado em duas camadas separadas. A primeira camada de adesivo está adjacente à camada fina de prata e contém um inibidor de corrosão. A segunda camada de adesivo contém um absorvedor de UV e está sobreposta à primeira camada de adesivo para uso na ligação da película protetora de fluorocarboneto com a superfície de prata. 0 uso de adesivos para ligar a película de fluorocarboneto à superfície de prata é um elemento exigido dessa construção porque as películas de fluorocarboneto não se ligam às superfícies de metal. Contudo, essa construção não deixa de ter suas deficiências quando utilizada, com o passar do tempo, como um espelho solar. Sob luz ultravioleta, a aplicação de adesivos avançados (aqueles incorporando absorvedores de UV e inibidores de corrosão) diretamente sobre um substrato de prata tem resultado na degradação da interface de prata/adesivo. Quando a prata é aderida diretamente às películas acrílicas, falhas por separação em lâminas também têm ocorrido. Além disso, películas protetoras de fluorocarboneto, sem absorvedores de UV, freqüentemente proporcionam uma proteção insuficiente de resistência à ação do tempo. Por essas razões, acredita-se que esses espelhos de prata quando aplicados como refletores solares continuam insuficientes em termos de durabilidade de longo prazo, o que resulta em uma perda de eficiência ótica e em aparência estética.

Existe a necessidade de um espelho de prata avançado, resistente à luz ultravioleta, o qual efetivamente filtre a luz ultravioleta, mantenha a sua eficiência ótica especular e a aparência estética, demonstre durabilidade ótica substancialmente aperfeiçoada em comparação com os espelhos refletores poliméricos. anteriores, e exiba resistência extraordinária à falha por delaminação.

Revelação da Invenção

Um objetivo da invenção é o de prover uma construção de um material de refletor solar avançado tendo durabilidade ótica aperfeiçoada em comparação com as construções de refletores poliméricos da técnica anterior.

Outro objetivo da invenção é o de prover uma construção de um material de refletor solar avançada tendo resistência aperfeiçoada à falha por formação de túnel ou separação em lâminas.

Um objetivo adicional da invenção é o de prover uma construção de um espelho refletor solar, avançada, na qual a camada de prata está localizada sob uma camada de película de poliéster para manter o lado superior da camada de prata fora de contato com o adesivo para permitir proteção extensiva contra UV pela camada superior, de modo a proteger ambos, o poliéster e a interface de prata/polímero, contra degradação por UV.

Ainda um objetivo adicional da invenção é o de prover uma construção de um espelho refletor solar, avançada, no qual a camada de prata está localizada sob uma camada de película de poliéster para manter o lado superior da camada de prata fora de contato com o adesivo para permitir proteção extensiva contra UV pela camada, superior, de modo a proteger ambos, o poliéster e a interface de prata/polímero, contra degradação por UV; e em que uma camada de cobre é adicionada sob a camada de prata para permitir a separação do lado posterior da prata a partir do adesivo sensível à pressão.

Resumidamente, a invenção provê uma construção de um espelho refletor solar, avançada, no qual a camada de prata está localizada sob uma camada de película de poliéster para manter o lado superior da camada de prata fora de contato com o adesivo para permitir proteção extensiva contra UV pela camada superior, para proteger ambos, o poliéster e a interface de prata/polímero contra degradação por UV.

Os objetivos e vantagens específicos anteriormente mencionados da invenção são ilustrativos daqueles que podem ser obtidos pela presente invenção e não pretendem ser exaustivos ou limitadores das possíveis vantagens que podem ser realizadas. Desse modo, esses e outros objetivos e vantagens da invenção serão evidentes a partir da presente descrição ou podem ser aprendidos a partir da prática da invenção, ambos, conforme aqui incorporados ou conforme modificados à luz de quaisquer variações que possam ser evidentes para aqueles versados na técnica.

A menos que especificamente definido ao contrário, todos os termos técnicos ou científicos aqui usados têm o mesmo significado, como comuraente entendido por aqueles de conhecimento comum na técnica a qual pertence esta invenção. Embora quaisquer métodos e materiais similares ou equivalentes àqueles descritos aqui possam ser usados na prática ou em testes da presente invenção, os métodos e materiais preferidos são agora descritos.

Descrição Resumida dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista em seção transversal mostrando o refletor solar avançado no qual a camada de prata está localizada sob uma camada de película de poliéster de acordo com a construção da invenção.

A Figura 2 é uma vista em seção transversal mostrando uma modalidade alternativa do refletor solar avançado no qual a camada de prata está localizada sob uma camada de película de poliéster, e uma camada de cobre está disposta sob a camada de prata.

A Figura 3 é um gráfico mostrando Refletância Hemisférica (%) versus Exposição em Tempo Equivalente durante anos empregando "Ação do Tempo Acelerada ao Ar Livre de Materiais Não-metálicos Utilizando Luz Solar Concentrada" sobre a construção avançada de espelho de prata resistente a UV da invenção e a construção de espelho SS-95 da 3M conforme revelado na Patente dos Estados Unidos 4.645.714.

A Figura 4 é um gráfico mostrando a percentagem de área que não foi submetida à falha por delaminação como uma função do tempo de imersão em água sobre a construção de espelho de prata, avançada, resistente à luz UV, da invenção, e amostras de espelhos de acrílico, grossos, revestidos com prata.

Melhor Modo para a Realização da Invenção

A presente invenção provê espelhos avançados de prata, especulares, resistentes à luz ultravioleta para uso em refletores solares, em que os espelhos são caracterizados por durabilidade ótica substancialmente aperfeiçoada e resistência superior à falha por formação de túnel ou separação em lâminas, sob condições ambientais ao ar livre.

Faz-se agora referência às figuras de desenho, nas quais numerais semelhantes representam elementos semelhantes, e onde é mostrado, geralmente, o espelho de prata 10, na Figura 1, em sua configuração mais básica. O espelho de prata 10 é compreendido de uma película de acrílico de proteção contra UV 11, disposta sobre uma camada de adesivo 12, depositada sobre uma película de poliéster 13. A cobertura de prata 14 está localizada sob a camada de película de poliéster, desse modo mantendo o lado iluminado superior da camada de prata fora de contato com o adesivo, o qual é um material que pode causar a degradação da camada de prata. Uma camada de adesivo sensível à pressão 15 é posicionada sob a cobertura de prata 14.

Na construção mostrada na Figura 1, a camada de prata está localizada sob uma camada de película de poliéster, e embora isso resulte em uma refletância ligeiramente inferior em comparação com uma construção na qual a camada de prata está acima da camada de poliéster, essa construção mantém o lado superior da camada de prata (o lado iluminado) e, portanto, o lado mais sujeito à degradação ativada por UV (fora de contato com o adesivo), o qual é um material que pode promover a degradação da prata. 0 adesivo é altamente transmissível oticamente para luz visível, ultravioleta, e quase-infravermelha. O aspecto indispensável para a durabilidade e resistência a ação do tempo, ao ar livre, dessa construção, é a filtração extensiva de UV pela camada superior que protege ambos, o poliéster (contra degradação por UV) e a interface de prata/polímero (a qual também está sujeita à degradação por UV) .

A invenção se baseia na forma novel previamente revelada de construir um espelho de prata avançado onde materiais comercialmente disponíveis, que são individualmente inadequados como espelhos solares, são combinados em uma forma única para resultar em um refletor solar resistente à ação do tempo, ao ar livre, durável. A construção anterior descreve uma construção de refletor solar no qual SS-95, um material refletivo de baixo custo que foi desenvolvido pela 3M Company, é combinado (através de vários meios de ligação) com uma película de proteção contra UV. 0 SS-95, em si, não possui propriedade de resistência à ação do tempo, ao ar livre, suficiente para ser um material viável para uso em dispositivos solares. A propriedade de resistência à ação do tempo, ao ar livre, do SS-95 é inerentemente muito limitada devido ao fato de que as coberturas muito finas que são usadas para fabricação do produto não podem proporcionar proteção suficiente para a camada refletiva, prateada, subjacente. Contudo, quando protegida com uma película de proteção contra UV, muito mais grossa, obtém-se a propriedade de resistência à ação do tempo, ao ar livre.

Na presente invenção existem aperfeiçoamentos e adições a esse conceito. Uma película de proteção contra UV, à base de acrílico (denominada Korad™), é um produto comercialmente disponível. Esse produto possui propriedades que transformam o mesmo em uma camada superior adequada para o Refletor Solar Avançado. Embora outras películas refletoras de prata (diferentes da SS-95) tenham sido consideradas como comercialmente disponíveis essas outras películas refletoras de prata comercialmente disponíveis não possuem propriedades adequadas de resistência à ação do tempo, ao ar livre, devido às limitações inerentes desses materiais e de suas construções. Essas películas prateadas comercialmente disponíveis são feitas para uso interno, tal como para melhorar o desempenho das instalações de luz de escritórios. Com a adição de uma camada superior da película de proteção contra UV (por exemplo, Korad™), obtém-se um refletor solar adequado, o qual demonstra resistência aperfeiçoada à ação do tempo, ao ar livre.

Com referência à Figura 2, é mostrada uma modalidade adicional do espelho de prata resistente à luz ultravioleta aperfeiçoado para uso em refletores solares. Nessa modalidade, uma camada de cobre 16 está situada abaixo da camada de prata 14 e acima da camada de adesivo sensível à pressão 15. Essa construção produz um espelho de prata resistente à luz ultravioleta, avançado, o qual quando usado em refletores solares, proporciona uma capacidade de resistência à ação do tempo, ao ar livre, ainda maior devido à separação do lado posterior da camada de prata a partir da camada de adesivo sensível à pressão 15.

Teste de exposição acelerada realizado nas construções das Figuras 1 e 2, por exemplo, utilizando teste em ambiente ao ar livre acelerado e controlado - e em laboratório, acelerado, demonstra durabilidade ótica substancialmente aperfeiçoada em comparação com os espelhos refletores poliméricos, em que os espelhos de polímero do estado da técnica estavam especialmente sujeitos à forma de falha conhecida como formação de túnel em que a camada refletiva se separava, catastroficamente, em lâminas a partir da camada de polímero na presença de umidade. Além disso, testes de exposição acelerada à ação do tempo dessa construção nova (que não inclui camadas finas de revestimento abundante com acrílico) mostram que essa construção exibe durabilidade ótica extraordinária em comparação com o material comercial da 3M (SS-95) da Pat. da Roche 4 .465.714.

Aplicabilidade Industrial

A Figura 3 mostra o aperfeiçoamento dramático em durabilidade ótica da nova construção de refletor da invenção (que não inclui camadas de revestimento de inundação por acrílico) em comparação com o material comercial da 3M (SS-95) com base na patente da Roche. Os símbolos de triângulo não preenchido mostram a mudança na refletância para o refletor de SS-95 como uma função da exposição em tempo real, em Phoenix, AZ. Os símbolos preenchidos ilustram resultados para uma modalidade preferida da construção de refletor de laminado, aperfeiçoada. Esses materiais foram submetidos à exposição ao ar livre, acelerada em, aproximadamente, ~5 vezes, à luz solar natural. Essas exposições foram feitas utilizando um dispositivo de ação do tempo ACUVEX® (Exposição Ultravioleta Controlada Precisa), de acordo com o padrão de teste da ASTM G90, "Ação do Tempo Acelerada ao Ar Livre de Metais Não-metálicos Utilizando Luz Solar Natural Concentrada". Os símbolos quadrados preenchidos são para o refletor aperfeiçoado da presente invenção tendo a construção de filtro de UV acrílico de 60,96 micrometros de espessura/PET/Ag/Cu/PSA, onde PET é tereftalato de polietileno (um poliéster) e PSA é um adesivo sensível à pressão. 0 tempo de exposição equivalente para os materiais expostos ACUVEX® se baseia na dose acumulativa de luz solar ultravioleta.

Como pode ser visto, embora a refletância inicial do material SS-95 seja ligeiramente maior do que a do refletor aperfeiçoado, a refletância do SS-95 diminui muito rapidamente após, aproximadamente, ~2 anos de exposição ao ar livre. O espelho aperfeiçoado da invenção, contudo, mantém sua refletância por mais de 9 anos de exposição equivalente ao ar livre.

Outra deficiência do estado da técnica estava relacionada às construções nas quais películas de acrílico, grossas, prateadas, foram especificadas. A adesão inerente da prata depositada a vácuo com uma película de acrílico é insuficiente. A partir da exposição à umidade durante serviço ao ar livre, os espelhos solares que incorporam uma construção de prata/acrílico mostraram ser particularmente suscetíveis a um modo de falha conhecido como formação de túnel em que a camada de prata se separa catastroficamente, em lâminas, da película de acrílico de base. A película de acrílico grossa absorve a umidade e dilata, produzindo tensões mecânicas que induzem à separação em lâminas com a camada de prata. Esse efeito é mostrado explicitamente na Figura 4. Esses resultados são para os testes nos quais as construções de espelho solar de polímero prateado, candidatas, são imersas em água e a % da área com separação em lâminas é medida como uma função do período de tempo de imersão. Para amostras de películas acrílicas, grossas,, prateadas, conforme especificado na técnica anterior citada, 60% das superfícies de espelho se separou em lâminas após apenas 4 dias. Isso constitui um fracasso completo e inaceitável.

Embora a invenção tenha sido descrita com referência às modalidades específicas, deve ser entendido que diversas modificações e alterações da invenção se tornarão evidentes para aqueles versados na técnica, e que tais modificações e alterações podem ser feitas sem se afastar do escopo e espírito da invenção que são definidos pelas reivindicações a seguir.

Claims (7)

1. Construção de espelho de prata que mantém uma alta percentagem de refletância hemisférica por todo o espectro UV e visível quando utilizada em refletores solares, caracterizada por compreender: (a) uma camada de adesivo sensível à pressão posicionada sob uma cobertura de prata; (b) uma película de polímero disposta sobre a cobertura de prata; (c) uma camada de adesivo posicionada sobre a película de polímero; e (d) uma película de acrílico de proteção contra UV disposta sobre a camada de adesivo.

2. Construção de espelho de prata, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a camada de cobre é interposta sob a cobertura de prata e acima da camada de adesivo sensível à pressão.

3. Construção de espelho de prata, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a película de polímero é um poliéster.

4. Construção de espelho de prata, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a película de poliéster é tereftalato de polietileno.

5. Construção de espelho de prata, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a camada de proteção contra UV tem uma espessura de aproximadamente -60,96 micrometros.

6. Construção de espelho de prata, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a alta percentagem de refletância hemisférica ultrapassa 90% por um período superior a 2 anos.

7. Construção de espelho de prata, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o período superior a aproximadamente 2 anos ultrapassa aproximadamente 9 anos.