CN102702806A

CN102702806A - 自洁增效太阳能涂料的制备及应用

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Publication number: CN102702806A
Application number: CN2012101820634A
Authority: CN
Inventors: 罗志河; 张安杰; 陈丽丽; 张海银
Original assignee: NORTH WEST YONGXIN GROUP CO Ltd
Current assignee: NORTH WEST YONGXIN GROUP CO Ltd
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明提供一种自洁增效太阳能涂料的制备方法及其应用，属于化工技术领域。本发明以钛酸丁酯为前躯体，直接加入硅溶胶，采用溶胶-凝胶法共水解形成纳米TiO₂/SiO₂溶胶，该溶胶涂覆在太阳能光伏电板上，所形成薄膜的接触角为2.1～15度，薄膜非常稳定，具有良好的光催化性能、亲水性、透光性和自清洁性能，太阳能光伏电板的防雾、防污自清洁的效果显著提高；而且可以有效提高太阳能光伏电板的发电效率2.5%以上。在常温下自然干燥后便可形成具有光催化活性的薄膜，降低了生产管理成本，有利于实现工业化生产。

Description

自洁增效太阳能涂料的制备及应用

技术领域

本发明属于化工技术领域，涉及一种自洁增效太阳能涂料的制备方法，同时还涉及该涂料的应用。

背景技术

太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。2009年全球太阳能电池产量为10.66吉瓦（GW），多晶硅产量为11万吨，截止2010年，我国累计光伏装机量达到800MW，当年新增装机容量达到500MW，同比增长166%。“十一五”末期，我国晶硅电池占太阳能电池总产量的95%以上。太阳能电池产品质量逐年提升，尤其是在转换效率方面，骨干企业产品性能增长较快，单晶硅太阳能电池转换效率达到17～19%，多晶硅太阳能电池转换效率为15～17%，薄膜等新型电池转换效率约为6～8%。虽然发电效率增加较快，但转换效率还是比较低，并且随着光伏产业的发展，同时出现了太阳能电池板表面积尘和其他污染物影响透光率，需要频繁清洗或难以清洗，导致管理成本上升、工作难度加大、设计性能难以充分发挥、发电效率下降等实际问题。

目前提高涂层的耐沾污性主要有三类方法：1、降低漆膜表面能，提高漆膜与水、油的接触角，使得污染物难以附着；2、通过添加亲水化助剂，使得漆膜表面产生亲水性基团，降低漆膜与水接触角，使得油性污物附着不牢，容易被雨水冲刷掉；3、通过添加光催化剂的方法，分解漆膜表面污染物。

目前市场上自洁涂料多不胜数，总体上可以分为三类：疏水自洁涂料、纳米TiO₂自洁涂料、亲水自洁涂料。疏水自洁涂料的设计思路是，使用该涂料后在玻璃或陶瓷表面会出现一种荷叶效应，也叫做疏水效应，表现为水在物体表面呈水珠状，并向低处滑动，水珠会把灰尘等细小杂物裹走，从而达到清洁的效果。由于疏水产品一般亲油的有机高分子材料，由于静电吸附作用易粘灰，污染物沉积后难以用水冲洗干净，尤其不适于在北方雨水较少的地区使用。

纳米TiO₂自洁涂料的禁带宽度为3.2eV，激发光的波长要在385nm以下，仅采用紫外线才能起光催化作用，而太阳辐射能量中紫外线只占4%～6%，因此，只有在太阳光直射条件下下，光触媒自洁的功效才能发挥，在室外背光及室内需要自洁功能的地方无法使用。

亲水自洁涂料主要有两种：一是无机亲水自洁涂料，二是有机亲水自洁涂料。无机亲水自洁涂料是以纳米氧化物为主要原料，通过一种喷涂在玻璃表面的亲水涂层，在涂布面和脏污之间迅速形成一层亲水水膜，使脏污剥离涂布面，利用自然雨水的冲刷，使脏污随水膜在重力的作用下被冲洗下来，达到自洁的目的。这种涂料也容易吸附油性污染物，难以清洗，并且本身在玻璃上的附着力不好。有机亲水自洁涂料通过添加合适的亲水化剂可以使涂膜形成亲水化表面，赋予涂层自洁性，但形成的涂层接触角较大，自洁效果不是很明显。

因此，将疏水性与光催化活性或亲水性与光催化活性相结合是非常必要的。由于纳米TiO₂具有活性高、稳定性好、无毒、价格低廉等优点，是目前使用最广泛的光催化材料；以钛酸丁酯和正硅酸乙酯为前躯体，水解形成纳米TiO₂/SiO₂复合薄膜，使得涂层具有较好的抗沾污性能。但目前常温下以钛酸丁酯和正硅酸乙酯为前躯体，水解形成的纳米二氧化钛为无定型，只有经过500^oC以上的高温处理才能形成锐钛型的二氧化钛，具有光催化活性，并且涂层亲水性保持期较短，这成为实际应用的瓶颈因素，很难实现工业化的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种自洁增效太阳能涂料的制备方法。

本发明的另一个目的是提供该自洁增效太阳能涂料涂覆在太阳能光伏电板表面的具体应用。

本发明自洁增效太阳能涂料的制备方法，包括以下工艺步骤：

自洁增效太阳能涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

①钛溶胶的制备：在5～40℃下，将无水乙醇用盐酸或冰醋酸调节至pH=2.0～4.5，搅拌10～30min，加入无水乙醇体积0.02～1%的乙酰丙酮，继续搅拌10～30min，再加入无水乙醇体积2～10%的钛酸丁酯，搅拌10～20min；然后再加入无水乙醇体积2～10%的水，搅拌20～40min，得到无色透明的钛溶胶；

②硅钛复合溶胶的制备：将中性硅溶胶与所述钛溶胶混合，使体系中TiO₂和SiO₂质量比为0.25～1.5:1，搅拌1.5～2.5 h，得到无色透明的硅钛复合溶胶，再加入无水乙醇体积1～5%的成膜助剂，搅拌混合均匀后，即为自洁增效太阳能涂料。

本发明以钛酸丁酯为前躯体，直接加入硅溶胶，采用溶胶-凝胶法共水解形成纳米TiO₂/SiO₂溶胶，该溶胶涂覆在太阳能光伏电板上，在常温下自然干燥后可以快速形成一层亲水性涂层，这种涂层在自然光照射下，可以将粘附在其上的油污分解为无机物，在雨水或人工冲洗下，将污染物冲洗掉，使太阳能光伏电板或玻璃板清洁如新，且可长期保持。该涂层有效的提高了太阳光的透过率，可以提高光伏电板发电效率2.5%以上。

下面通过实验对本发明制备的涂料的性能进行具体说明。

图1是本发明制备的自洁增效太阳能涂料的红外谱图，由图1可以看出，该自洁增效太阳能涂料中TiO₂和SiO₂既独立成相，也存在TiO₂和SiO₂的复合物。将本发明制备的涂料，在室温下采用喷涂、淋涂或浸涂的涂覆方式在太阳能光伏电板的表面，在常温下自然干燥。图2为TiO₂/SiO₂复合薄膜的干胶凝粉的X-ray衍射图谱。从图2可以看出，在25.3 度出现又高又宽的峰，该峰为锐钛矿(101)面，在38.1 度出现又高又窄的峰，该峰为锐钛矿(004)面，说明TiO₂/SiO₂薄膜中TiO₂为锐钛矿相。图3为TiO₂/SiO₂复合薄膜的SEM谱图。由图3可以看出，所形成的TiO₂/SiO₂的粒径在20 nm左右，说明本发明制备的自洁增效太阳能涂料涂覆后所形成薄膜为纳米级。因此，本发明制备的涂料具有光催化活性。

图4是在太阳能光伏玻璃电板表面涂覆本发明制备的涂料后在玻璃表面形成TiO₂/SiO₂复合薄膜和纯玻璃的透光率曲线。由图4可以看出，在380 nm ～400 nm的波长范围内，自洁增效太阳能涂料对紫外线有一定的吸收作用，而在400 nm～1100 nm范围内有一定的增透作用。自洁增效太阳能涂料应用在太阳能光伏电板上可以有效吸收对发电量有负面效应的紫外线，由于紫外线具有较高的能量，使得产生的电子流发生紊乱，导致发电量下降；并且涂覆自洁增效太阳能涂料后，可以有效提高太阳光的透过率，从而提高太阳能光伏电板的发电效率。

TiO₂/SiO₂复合薄膜的亲水性能测试：将本发明制备的涂料采用浸涂方式涂覆在太阳能光伏玻璃电板上，常温下自然干燥。使用微型吸液管每次吸取2μL 二次蒸馏水，滴在用自洁增效太阳能涂料浸涂过的太阳能光伏玻璃电板上，采用接触角测定仪测定接触角。检测结果：水滴在薄膜上的接触角为2.1～15度，此时的薄膜非常稳定，水在薄膜的表面朝各个方向均匀铺展为一个圆圈，即在亲水性能上表现为各向同性。并且光照一分钟后小水滴会完全铺展均匀，可以满足防雾、防污自清洁的需求。图5是TiO₂/SiO₂复合薄膜上的接触角图。

良好的亲水性能，将赋予太阳能光伏电板良好的性能，一是表面污染物难以附着，即使附着在表面的污染物也可以在风力或雨水的作用下，清洗干净，定期用水冲洗效果更佳。二是，下雨或喷水后，水在表面铺展均匀，不会出现水珠，避免水珠对太阳光进行聚焦，烧损太阳能光伏电板，从而导致发电效率下降或缩短太阳能光伏电板的使用寿命。

光催化活性试验：在太阳能光伏玻璃电板上淋涂一层本发明制备的自洁增效太阳能涂料，待自然干燥后，在漆膜表面倒10 ml甲基橙溶液（浓度为0.02 mg/ml），待干燥后，继续倒甲基橙溶液直到干燥后的甲基橙颜色较为明显时，将该太阳能光伏玻璃电板放入紫外灯下照射，观察颜色变化。结果发现，经过紫外灯照射1.5h后，甲基橙颜色消失，表明自洁增效太阳能涂料具有较好的光催化活性。良好的光催化性能，可以将附着在电池板表面的有机污染物分解为小分子，在风力或雨水的作用下，或定期用水冲洗，可以使太阳能光伏电板表面清洁如新，提高太阳能光伏电板的有效发电量。

TiO₂/SiO₂复合薄膜的抗沾污能力测试：在太阳能光伏玻璃电板上淋涂一层本发明制备的自洁增效太阳能涂料，待自然干燥后，在太阳能光伏玻璃表面上喷洒模拟灰尘（按照质量比痱子粉、炭黑、淀粉=1:1:1模拟灰尘）。喷洒模拟灰尘以后，喷涂自洁增效太阳能涂料后，涂层表面基本不吸附灰尘，而未喷涂自洁增效太阳能涂料的玻璃表面沾满灰尘，这主要是由于涂层表面具有抗静电的效果，灰尘难以吸附，但由于灰尘的重力作用，涂层表面也会降落一定的灰尘，这些灰尘在风力或雨水的作用下，可以冲洗干净。由此可见，本发明制备的涂料具有较好的抗沾污能力。

发电量试验：在自组装的400W太阳能光伏电板上喷涂本发明制备的自洁增效太阳能涂料，进行累积发电量实验，测量结果见表1。由表1可以看出，在喷涂自洁增效太阳能涂料前，两组太阳能光伏电板的各项数据比较接近，平行性较好。发电半年后，喷涂自洁增效太阳能涂料的电池板，发电量明显较未喷涂自洁增效太阳能涂料的电池板发电量高，喷涂自洁增效太阳能涂料后，可以有效提高2.5% 以上的发电量。

表1：太阳能光伏电板实验参数测试表

综上所述，本发明的涂料在常温下涂在太阳能光伏电板玻璃上，可以通过以下三个方面有效提高光伏电板发电量2.5%以上，第一，可以有效吸收对发电量有负面效应的紫外线，由于紫外线具有较高的能量，使得产生的电子流发生紊乱，导致发电量下降；第二，可以有效提高太阳光的透过率，通过测试，喷涂自洁增效太阳能涂料后可以有效提高太阳光的透过率1%以上；第三，在太阳能光伏玻璃表面快速形成一层亲水性涂层，这种涂层在自然光照射下，可以将粘附在太阳能光伏电板或玻璃板上的油污分解为无机物，在雨或人工冲洗下，将污染物冲洗掉，使太阳能光伏玻璃清洁如新，且可长期保持。因此，可将其涂覆太阳能光伏电板的表面，使其具有自清洁功能，以克服现有太阳能电池板表面积尘和其他污染物而影响透光率及发电效率的问题，从而减少清洗周期，有效提高太阳能光伏电板的发电效率。

本发明制备的涂料用于涂覆太阳能光伏电板的具体应用方法：是采用常规的涂覆方法（喷涂、淋涂或浸涂），在太阳能光伏电板表面形成一层薄膜。薄膜的厚度一般控制在0.2～2.0μm。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、本发明制备的自洁增效太阳能涂料在常温下涂在太阳能光伏电板上，所形成薄膜涂层的接触角为2.1～15度，薄膜非常稳定，防雾、防污自清洁的效果显著提高。涂层具有良好的光催化性能、亲水性、透光性和自清洁性能，降低了生产管理成本。

2、本发明制备的自洁增效太阳能涂料在常温下涂在太阳能光伏电板上，可以有效提高发电效率2.5%以上。

3、本发明以钛酸丁酯为前躯体，直接加入硅溶胶，采用溶胶-凝胶法共水解形成纳米TiO₂/SiO₂溶胶，其生产过程简单，成本低，节能、环保、无污染。

4、本发明制备的涂料涂覆在物体表面，在常温下自然干燥后便可形成具有光催化活性的薄膜，有利于实现工业化生产。

附图说明

图1是本发明制备的涂料的红外谱图。

图2是本发明制备的涂料涂覆在物体表面所形成薄膜的干胶凝粉的X-ray衍射图谱。

图3是本发明制备的涂料涂覆在物体表面所形成薄膜的SEM谱图。

图4是本发明制备的涂料涂覆在物体表面所形成的薄膜与纯玻璃的透光率曲线。

图5是TiO₂/SiO₂复合薄膜上的接触角图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例一

①钛溶胶的制备：准确量取100ml无水乙醇置于500ml的烧杯中，在5^oC的水浴中，用质量浓度36～38%的盐酸调节pH=2.0，搅拌10 min（速度为500rad/min）；加入0.02ml的乙酰丙酮，搅拌10 min后，再加入2 ml钛酸丁酯，搅拌10min；加入2 ml二次蒸馏水，继续搅拌20min，得到无色透明的钛溶胶。

②硅钛复合溶胶的制备：将牌号为ZS-30、质量浓度30%的6.3 ml硅溶胶缓慢加入到100ml钛溶胶中，搅拌1.5h后，得到无色透明的硅钛复合溶胶，再加入5 ml乙二醇乙醚，搅拌混合均匀后，即为本发明的自洁增效太阳能涂料。该复合溶胶中，TiO₂含量的质量百分数为20 %。

将该自洁增效太阳能涂料采用淋涂的方法，均匀涂覆在太阳能光伏电板表面，涂层在室温条件下自然干燥2min左右形成薄膜，该薄膜的接触角为4.2度，厚度为0.4μm。

实施例二

①钛溶胶的制备：准确量取100ml无水乙醇置于500ml的烧杯中，在20^oC的水浴中，用质量浓度36～38%的盐酸调节pH=3.0，搅拌20 min（速度为1500rad/min）；加入0.5mL的乙酰丙酮，搅拌20 min后，再加入5 ml钛酸丁酯，搅拌20min；加入5 ml二次蒸馏水，继续搅拌30min，得到无色透明的钛溶胶。

②硅钛复合溶胶的制备：将牌号为ZS-30、质量浓度30%的4.5 ml硅溶胶缓慢加入到100ml钛溶胶中，搅拌2.0h后，得到无色透明的硅钛复合溶胶，再加入2.5 ml异丙醇，搅拌均匀，即为本发明的自洁增效太阳能涂料。该复合溶胶中，TiO₂含量质量百分数为38 %。

将该涂料采用喷涂的方法，均匀涂覆在太阳能光伏电板表面，涂层在室温条件下自然干燥2min左右形成薄膜，该薄膜的接触角为5.0度，厚度为1.0μm。

实施例三

①钛溶胶的制备：准确量取100ml无水乙醇置于500ml的烧杯中，在40^oC的水浴中，用质量浓度36～38%的冰醋酸调节pH=4，搅拌30 min（速度为3000rad/min）；加入1ml的乙酰丙酮，搅拌30 min后，再加入10 ml钛酸丁酯，搅拌20min；加入10 ml二次蒸馏水，继续搅拌40min，得到无色透明的钛溶胶。

②硅钛复合溶胶的制备：将牌号为ZS-30、质量浓度30%的6.0 ml硅溶胶缓慢加入到100ml钛溶胶中，搅拌2.5h后，得到无色透明的硅钛复合溶胶，再加入1.25 ml聚乙烯醇缩丁醛，搅拌混合均匀，即为本发明的自洁增效太阳能涂料。该复合溶胶中，TiO₂含量质量百分数为60 %。

将该涂料采用浸涂的方法，均匀涂覆在太阳能光伏电板表面，涂层在室温条件下自然干燥2min左右形成薄膜，该薄膜的接触角为12.2度，厚度为2.0 μm。

Claims

1.自洁增效太阳能涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述自洁增效太阳能涂料的制备方法，其特征在于：所述成膜助剂为乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、异丙醇、聚乙烯醇缩丁醛或对尼龙表面树脂。

3.根据权利要求1所述自洁增效太阳能涂料的制备方法，其特征在于：所述中性硅溶胶为质量百分比为20～40%的中性硅溶胶。

4.根据权利要求1所述自洁增效太阳能涂料的制备方法，其特征在于：所述搅拌速度为500～3000rad/min。

5.根据权利要求1所述方法制备的自洁增效太阳能涂料用于涂覆太阳能光伏电板的表面。

6.根据权利要求5所述自洁增效太阳能涂料用于涂覆太阳能光伏电板的表面，其特征在于：采用常规的涂覆方法，使太阳能光伏电板表面形成厚度为0.2～2.0 μm的薄膜。