CN103131285B - 一种光热转换涂料组合物及其制备方法 - Google Patents

一种光热转换涂料组合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光热转换涂料组合物及其制备方法，该涂料组合物由以下按重量份数计的原料组成：50份丙烯酸树脂、25-35份二甲苯、1-4份光热转换纳米材料、3-5份分散剂、0.5-1份消泡剂、0.5-1份流平剂及1-3份附着力促进剂；该光热转换纳米材料为CuS半导体纳米颗粒或CuS半导体纳米颗粒与红外吸收材料的混合物；其中，红外吸收材料为纳米碳化锆、纳米碳化硅、纳米γ氧化铝的一种或几种的混合物。本发明采用了具有超级纳米显微结构的CuS半导体颗粒，以制备光热转换材料有机涂料组合物。该涂料组合物用作涂层具有光热转换效率高，蓄热保温性好等优点，且原料来源广泛、易于制备、绿色环保；可运用于太阳能光热转换利用领域。

Description

一种光热转换涂料组合物及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能光热转换利用领域，涉及一种新型光热转换材料，具体来说，涉及一种光热转换涂料组合物及其制备方法。
背景技术
由于人类对能源需求的日益增长，常规能源的日益短缺，石油价格不断上涨，全球气候变暖以及环境的压力，世界各国为寻求能源安全和人类社会的可持续发展，将战略目光转向可再生能源的开发。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有清洁、无污染、辐射总功率巨大且取之不尽的优点，开发和利用太阳能是人类社会可持续发展的重要举措。人类利用太阳能的历史非常悠久，太阳能技术也最为成熟。太阳能利用的基本方式是利用光热转换材料将太阳辐射转换为热能。
光热转换材料是一种能吸收近红外光，通过等离子体共振或者能量跃迁带产生的热，从而实现光热转换的新型功能材料。二十世纪五十年代，太阳能光热转换利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研究出了6%的实用型单晶硅电池；二是1955年以色列的Tabor提出了选择性吸收表面概念和理论基础，并成功研制了实用的黑镍光热转换材料。我国在传统光热转换材料的研究与运用方面做了很多工作，利用太阳能光热转换材料制备出了太阳能电池、太阳能热水器、太阳能光热转换蓄热纤维等，但其光热转换效率低，蓄热持久性差成为了难以攻克的技术难题。而新型的光热转换材料，例如：贵金属纳米材料、碳纳米材料、半导体纳米材料在光热转换方面的运用也有报道。厦门大学制备出一种蓝色的新型纳米钯材料，实现光致发热，直接应用于肿瘤的近红外光热疗。AdvancedMaterials期刊报道：纳米金壳材料可将近红外激光光能转化为热能，高效低毒杀死肿瘤细胞。
总之，我国研制的传统光热转换材料存在着光热转换效率低，蓄热持久性差等技术缺陷。而国内外对于新型的光热转换材料的报道，大多是侧重于在光热治疗等生物医学方面运用，其成本高昂，且在实践生产中未见应用。
发明内容
本发明的目的是克服以上现有的技术缺陷，采用了一种具有超级纳米显微结构的CuS半导体纳米颗粒，从而制备出一种光热转换材料有机涂料组合物。该涂料用作涂层具有光热转换效率高，蓄热保温性好等优点，且原料来源广泛、易于制备、绿色环保。
为达到上述目的，本发明提供了一种光热转换涂料组合物，该涂料组合物由以下按重量份数计的原料组成：
丙烯酸树脂50份；
二甲苯25-35份；
光热转换纳米材料1-4份；
分散剂3-5份；
消泡剂0.5-1份；
流平剂0.5-1份；
附着力促进剂1-3份；
所述的光热转换纳米材料为CuS半导体纳米颗粒或CuS半导体纳米颗粒与红外吸收材料的混合物；其中红外吸收材料为纳米碳化锆、纳米碳化硅、纳米γ氧化铝的一种或几种。
上述的光热转换涂料组合物，其中，所述的CuS半导体纳米颗粒具有超级纳米显微结构。
上述的光热转换涂料组合物，其中，所述丙烯酸树脂为快干型油性丙烯酸树脂，颜色透明，玻璃化温度为58℃，固体含量50%。
上述的光热转换涂料组合物，其中，所述的分散剂为水性分散剂，所述的消泡剂为有机硅消泡剂，所述的流平剂为有机硅酮流平剂，所述的附着力促进剂为无色高性能附着力促进剂，密度为1.02g/cm3。
本发明还提供了一种上述的光热转换涂料组合物的制备方法，该方法为：将50份丙烯酸树脂、25-35份二甲苯、1-4份光热转换纳米材料、3-5份分散剂、0.5-1份消泡剂、0.5-1份流平剂及1-3份附着力促进剂一起混合，机械搅拌均匀得到光热转换涂料组合物；
其中，所述的光热转换纳米材料为CuS半导体纳米颗粒或CuS半导体纳米颗粒与红外吸收材料的混合物；其中红外吸收材料为纳米碳化锆、纳米碳化硅、纳米γ氧化铝的一种或几种。
上述的光热转换涂料组合物的制备方法，其中，所述的CuS半导体纳米颗粒需进行预处理，其具体步骤为：将CuS半导体纳米颗粒放入40℃烘箱内干燥半小时，随后将其取出倒入研钵，再加入二甲苯分散研磨以备用。
进一步地，所述的光热转换纳米材料复合工艺是将红外吸收材料与超级纳米显微结构CuS半导体颗粒按1:1的比例添加至玛瑙研钵，再加入二甲苯分散研磨，得到光热转换纳米材料。
使用喷涂的方法将不同配方的光热转换涂料组合物涂覆于8立方厘米的有机玻璃盒内墙表面，在室温环境下放置2天，使涂层自然固化。在环境温度20度的条件下，先将一支温度计放入有机玻璃盒内，然后在距玻璃盒上表面25cm处放置一只中心波长1-2.5μm的200W红外灯，进行光热效果测试，每隔十分钟测一次温，光照30分钟后停止照射。
本发明提供的涂料组合物用作涂层具有光热转换效率高，蓄热保温性好等优点，且原料来源广泛、易于制备、绿色环保，可运用于太阳能光热转换利用领域，例如：制备温室暖棚用光热转换复合薄膜，研发光热转换能量收集系统等，具有非常大的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的CuS半导体纳米颗粒场发射透射电镜（TEM）图，其具有超级纳米针片状结构，厚度约为20nm。
图2为本发明制备的CuS半导体纳米颗粒粉末衍射（XRD）图谱。
图3为本发明制备的光热转换材料有机涂层的光热效果测试曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步说明，但下述实施例不用于限制本发明的实施范围。
本发明提供的光热转换涂料组合物，是由以下原料一次投料，通过机械搅拌制备而成：50份树脂、1-4份吸收剂、25-35份溶剂、5-10份添加剂；所述的树脂为快干型油性丙烯酸树脂，颜色透明，玻璃化温度为58℃，固体含量50%；所述的吸收剂为光热转换纳米材料，具体来说是超级纳米显微结构的CuS半导体纳米颗粒或其与红外吸收材料的混合物，其中，红外吸收材料为纳米碳化锆、纳米碳化硅、纳米γ氧化铝的一种或几种；所述的溶剂为二甲苯；所述的添加剂包括：3-5份水性分散剂，淡黄色粘稠液体；0.5-1份有机硅消泡剂，呈半透明液体；0.5-1份有机硅酮流平剂，呈半透明液体；1-3份PN-700无色高性能附着力促进剂，密度为1.02g/cm3。
所述的吸收剂为具有超级纳米显微结构的CuS半导体颗粒，其具体的制备方法是：向2000ml烧杯中依次加入2000ml蒸馏水、CuCl2·2H20（0.34g，2mmol）、柠檬酸三钠（0.4g，1.36mmol）、Na2S·9H20（0.4824g，2mmol），在室温下搅拌5分钟后升温至90℃，并用磁力搅拌器搅拌15分钟后得到深绿色的产物。将其用乙醇离心分离洗涤数次，自然干燥后，加入至玛瑙研钵里研磨成极微细的粉末状，得到具有超级纳米显微结构的CuS半导体纳米颗粒0.34g。该制得的CuS半导体纳米颗粒场的发射透射电镜（TEM）图如图1所示，其具有超级纳米针片状结构，厚度约为20nm。从该TEM图（图1）可见其形貌特征：尺寸均匀且达到纳米级，形状特殊，因此判断其具有超级纳米显微结构。该制得的CuS半导体纳米颗粒的粉末衍射（XRD）图谱如图2所示，该谱图的衍射峰与六方结构的CuS的标准谱线图有很好的重合，没有其它杂质峰存在。但衍射峰的强度略有减弱，且发生相对宽化现象，这是由CuS晶体的纳米化引起的。
实施例1
取一只200ml小烧杯，向其中依次投入：油性丙烯酸树脂50g、吸收剂2g、二甲苯30g，HP-731水性分散剂2.5g，HP-512有机硅消泡剂0.5g，HP-868有机硅酮流平剂0.5g，PN-700高性能附着力促进剂3g，不断机械搅拌分散均匀后，用喷涂的方法将其涂覆于8立方厘米的有机玻璃盒内墙表面，在室温环境下放置2天，使涂层自然固化。在环境温度20℃的条件下进行光热效果测试，测试结果见图3与表1。所述的吸收剂为上述方法制得的具有超级纳米显微结构的CuS半导体纳米颗粒。
实施例2
取一只200ml小烧杯，向其中依次投入：油性丙烯酸树脂50g、吸收剂2g、二甲苯30g，HP-731水性分散剂2.5g，HP-512有机硅消泡剂0.5g，HP-868有机硅酮流平剂0.5g，PN-700高性能附着力促进剂3g，不断机械搅拌分散均匀后，用喷涂的方法将其涂覆于8立方厘米的有机玻璃盒内墙表面，在室温环境下放置2天，使涂层自然固化。在环境温度20℃的条件下进行光热效果测试，测试结果见图3与表1。
所述的吸收剂为具有超级纳米显微结构的CuS半导体颗粒与纳米碳化锆的混合物，且需进行预处理，具体步骤为：先将1g上述方法制得的CuS半导体纳米颗粒放入40℃烘箱内干燥半小时，随后将其取出倒入玛瑙研钵，再加入1g纳米碳化锆，并用二甲苯分散研磨以备用。
实施例3
取一只200ml小烧杯，向其中依次投入：油性丙烯酸树脂50g、吸收剂2g、二甲苯30g，HP-731水性分散剂2.5g，HP-512有机硅消泡剂0.5g，HP-868有机硅酮流平剂0.5g，PN-700高性能附着力促进剂3g，不断机械搅拌分散均匀后，用喷涂的方法将其涂覆于8立方厘米的有机玻璃盒内墙表面，在室温环境下放置2天，使涂层自然固化。在环境温度20℃的条件下进行光热效果测试，测试结果见图3与表1。
所述的吸收剂为具有超级纳米显微结构的CuS半导体颗粒与纳米碳化硅的混合物，且需进行预处理，具体步骤为：先将1g上述方法制得的CuS半导体纳米颗粒放入40℃烘箱内干燥半小时，随后将其取出倒入玛瑙研钵，再加入1g纳米碳化硅，并用二甲苯分散研磨以备用。
实施例4
取一只200ml小烧杯，向其中依次投入：油性丙烯酸树脂50g、吸收剂2g、二甲苯30g，HP-731水性分散剂2.5g，HP-512有机硅消泡剂0.5g，HP-868有机硅酮流平剂0.5g，PN-700高性能附着力促进剂3g，不断机械搅拌分散均匀后，用喷涂的方法将其涂覆于8立方厘米的有机玻璃盒内墙表面，在室温环境下放置2天，使涂层自然固化。在环境温度20℃的条件下进行光热效果测试，测试结果见图3与表1。
所述的吸收剂为具有超级纳米显微结构的CuS半导体颗粒与纳米γ氧化铝的混合物，且需进行预处理，具体步骤为：先将1g上述方法制得的CuS半导体纳米颗粒放入40℃烘箱内干燥半小时，随后将其取出倒入玛瑙研钵，再加入1g纳米γ氧化铝，并用二甲苯分散研磨以备用。
实施例5
取一只200ml小烧杯，向其中依次投入：油性丙烯酸树脂50g、吸收剂2.35g、二甲苯30g，HP-731水性分散剂2.5g，HP-512有机硅消泡剂0.5g，HP-868有机硅酮流平剂0.5g，PN-700高性能附着力促进剂3g，不断机械搅拌分散均匀后，用喷涂的方法将其涂覆于8立方厘米的有机玻璃盒内墙表面，在室温环境下放置2天，使涂层自然固化。在环境温度20℃的条件下进行光热效果测试，测试结果见图3与表1。
所述的吸收剂为具有超级纳米显微结构的CuS半导体纳米颗粒与纳米碳化锆、纳米γ氧化铝的混合物，且需进行预处理，具体步骤为：先将0.75g上述方法制得的CuS半导体纳米颗粒放入40℃烘箱内干燥半小时，随后将其取出倒入玛瑙研钵，再加入纳米碳化锆、纳米γ氧化铝各0.75g，并用二甲苯分散研磨以备用。
另取1个8立方厘米的有机玻璃盒，在环境温度20℃的条件下进行光热效果测试，作为对比例实验，测试结果见图3与表1。
表1：光热转换材料有机涂层光热效果测试
注：绝对温升是指同一种样品照射30分钟/停止照射10分钟后的温度值减去没有照射时初始温度值得到的结果；相对温升指的是样品照射30分钟/停止照射10分钟后的温度值减去空白对比例照射30分钟/停止照射10分钟后的温度值得到的结果。
由此可见，在中心波长为1-2.5μm的200W红外灯照射30分钟后，涂覆2%CuS半导体纳米颗粒和2%纳米碳化锆有机涂层的玻璃房，其室内环境温度达到30℃，比普通玻璃房高约8.1℃，光热转换效率高；红外灯停止照射10分钟后，其温度相对普通玻璃房提高约4.4℃，蓄热保温性好。而在添加CuS半导体纳米颗粒基础上分别添加纳米碳化硅与纳米γ氧化铝的有机涂层，光热效果相对差一些。因此，在添加超级纳米显微结构CuS半导体颗粒的基础上，适当的添加纳米碳化锆，其光热效果达到最佳，而适当的加入纳米γ氧化铝也可以略微增强其光热转换效果，但纳米碳化硅的加入反而削弱这种效果。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种光热转换涂料组合物，其特征在于，该涂料组合物由以下按重量份数计的原料组成：
丙烯酸树脂50份；
二甲苯25-35份；
光热转换纳米材料1-4份；
分散剂3-5份；
消泡剂0.5-1份；
流平剂0.5-1份；
附着力促进剂1-3份；
所述的光热转换纳米材料为CuS半导体纳米颗粒与红外吸收材料的混合物；其中红外吸收材料为纳米碳化锆、纳米碳化硅、纳米γ氧化铝的一种或几种的混合物。
2.如权利要求1所述的光热转换涂料组合物，其特征在于，所述丙烯酸树脂为快干型油性丙烯酸树脂，颜色透明，玻璃化温度为58℃，固体含量50%。
3.如权利要求1或2所述的光热转换涂料组合物，其特征在于，所述的分散剂为水性分散剂，所述的消泡剂为有机硅消泡剂，所述的流平剂为有机硅酮流平剂，所述的附着力促进剂为无色高性能附着力促进剂，密度为1.02g/cm3。
4.一种根据权利要求1所述的光热转换涂料组合物的制备方法，其特征在于，该方法为：将50份丙烯酸树脂、25-35份二甲苯、1-4份光热转换纳米材料、3-5份分散剂、0.5-1份消泡剂、0.5-1份流平剂及1-3份附着力促进剂一起混合，机械搅拌均匀得到光热转换涂料组合物；
其中，所述的光热转换纳米材料为CuS半导体纳米颗粒与红外吸收材料的混合物；其中红外吸收材料为纳米碳化锆、纳米碳化硅、纳米γ氧化铝的一种或几种。
5.如权利要求4所述的光热转换涂料组合物的制备方法，其特征在于，所述的CuS半导体纳米颗粒需进行预处理，其具体步骤为：将CuS半导体纳米颗粒放入40℃烘箱内干燥半小时，随后将其取出倒入研钵，再加入二甲苯分散研磨以备用。
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Inventor after: Zhang Yingjie

Inventor after: Li Xiaofeng

Inventor after: An Yan

Inventor after: Tao Fujun

Inventor after: Dong Lihua

Inventor after: Yin Yansheng

Inventor before: Zhang Yingjie

COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHANG YINGJIE TO: ZHANG YINGJIE LI XIAOFENG AN YAN TAO FUJUN DONG LIHUA YIN YANSHENG

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Termination date: 20190403