CN105504635A - 一种选择性吸热材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了选择性吸热材料，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂利用球磨的方法分散均匀后，再加入成膜助剂混合，即得选择性吸热材料；各原料按照重量份数比计：成膜剂50-100份；成膜助剂10-30份；吸光剂35-55份；溶剂20-50份；助剂10-30份；吸光剂为使用三氧化四铁粉末、硫化铅与钴蓝粉调配成蓝色等；成膜剂的制备方法为：将按照重量比蚕蛋白：明胶为5-10：2-3进行混合，然后加入水，在15℃-22℃浸泡后，再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=1-2:1-3的混合液，再搅拌后通过紫外光照射10-15？min后，得到改性蚕蛋白-明胶。本发明通过对成膜剂进行改性后作为制备本申请涂料的重要原料，能使制成的涂料在室外条件下具有良好的耐候性和防水性，且制备工艺简单易懂，还保证吸热涂料的吸热效率。
Description
技术领域
本发明涉及吸热材料，尤其涉及一种选择性吸热材料。
背景技术
能源利用在人类社会发展中占有举足轻重的地位，但过度的开发资源和低效率的资源利用，使人类面临着严峻的考验。众所周知，太阳能是一种来源最丰富和可广泛获取的可再生能源，对解决能源危机和环境问题具有重大的作用，且太阳能以独具的储量无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性，使其成为了各国竞相研究的热点。我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔，目前已是世界上太阳能热水器的第一使用国和生产国。
太阳能光热应用是人类利用太阳能最简单、最直接、最有效的方法之一，但由于太阳能到达地球后能量密度较小又不连续，因此，为大规模的开发利用带来了困难。长期以来，如何将低品位的太阳能转换成高品位的热能，并对太阳能进行富集，以便最大限度地利用太阳能，成为研究的热门话题。在现有的光热应用技术当中，选择性吸收涂层技术被公认为是其中较为核心的技术，它对提高太阳能热转换效率，大规模推广太阳能光热应用起着至关重要的作用。
众所周知，太阳能吸收涂层主要分为光谱选择性吸收涂层和高吸收率吸收涂层，光谱选择性吸热涂层是一种具有对可见-近红外光高吸收，对红外光高反射的特种涂层，即它能有效地吸收太阳能，而受热后自身长波造成的热损失很小，广泛应用于太阳能光热转换，如太阳能热水器、太阳能发电等。太阳能吸热涂层担负着接收并吸收太阳能量的重要作用，影响着整个太阳能吸热系统的稳定性及效率的高低。太阳能吸热涂料是一种功能性涂料，用它制成的膜将太阳辐射能转化为热能，膜在室外条件下工作，必须具有良好的耐候性和防水性。
现在的太阳能吸热涂料，专门针对太阳能涂料的耐候性和防水性的研究比比皆是，现今利用纳米材料作为吸热材料的原料，能提高涂层的耐候性和吸热效率，例如中国专利CN102286243A，但是成本极高；也有利用改变颜料的配方来改善制备成的涂料的耐候性能，例如中国专利CN102134428B，但其制备的工艺流程复杂，要求较高。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种太阳能涂料，通过将对成膜剂进行改性后作为制备本申请涂料的重要原料，不仅能使得制成的涂料在室外条件下具有良好的耐候性和防水性，且制备的工艺简单易懂，并且能保证吸热涂料的吸热效率，具有极大的推广价值。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种选择性吸热材料，包括成膜剂、吸光剂、成膜助剂、溶剂和助剂，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂利用球磨的方法分散均匀后，再加入成膜助剂混合均匀，即可得到选择性吸热材料；所述成膜剂、吸光剂、成膜助剂、溶剂和助剂按照重量份数比计为：成膜剂50-100份；成膜助剂10-30份；吸光剂35-55份；溶剂20-50份；助剂10-30份；所述吸光剂为使用三氧化四铁粉末、硫化铅与钴蓝粉调配成蓝色；或使用有机黑、八羟基喹啉酮、氧化铁红、硒化镉调配成棕红色，或使用有机黑、八羟基喹啉酮、二氧化锰、硒化镉、钴蓝调配成深绿；所述成膜剂为改性蚕蛋白-明胶；所述成膜剂的制备方法为：将按照重量比蚕蛋白：明胶为5-10：2-3进行混合，然后加入水，在温度为15℃-22℃条件下浸泡一段时间后，移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=1-2:1-3的混合液，反应一段时间后，冷却至常温，再搅拌后通过紫外光照射10-15min后，得到改性蚕蛋白-明胶。
在本发明中，进一步地，所述紫外光照射的波长为200nm-400nm。
在本发明中，进一步地，所述成膜剂的制备方法为：所述搅拌的速度为50-100r/min；所述搅拌的时间为1-5min。
在本发明中，进一步地，所述加入水的重量为蚕蛋白与明胶总重量的1/10-1/5。
在本发明中，进一步地，所述浸泡的时间为10-15min；所述反应的时间为5-15min，反应的温度为70℃-80℃。
在本发明中，进一步地，所述成膜助剂为二乙二醇单乙醚、丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇苯醚、苯甲醇、乙二醇丁醚、十二碳醇酯和邻苯二甲酸二丁酯中至少两种以上的混合物。
在本发明中，进一步地，所述溶剂为乙酸、无水醋酸丁酯、丙三醇、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇和聚氨酯聚醚多元醇中的一种或几种。
在本发明中，进一步地，所述助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂，增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂的重量比为2-3:3-5:3-5:2-5:1-3。
进一步地，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。
进一步地，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂中的一种或者至少两种的混合物。
进一步地，所述流平剂为EFKA3570、EFKA3580、YCK-1360、BYK-333和TEGOGlide100中一种或至少二种混配。
进一步地，所述润湿剂为聚硅氧烷、聚醚改性的聚二甲基聚硅氧烷和聚酯改性的聚二甲基硅氧烷中的一种。
进一步地，所述消泡剂为聚氧乙烯氧丙烯甘油、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚或聚氧丙烯。
在本申请中涉及的原料与器材均能在市面上采购得到。
本与现有技术相比较，本发明具有的有益效果为：
1、本发明通过将改性后的成膜剂，即为改性蚕蛋白-明胶与吸光剂、溶剂和助剂利用球磨的方法分散均匀，再加上成膜助剂混合均匀后，得到选择性吸热材料。该原料制备出来的吸热涂料利用球磨的方法能使得原料充分分散，无需再添加分散剂，进而降低制备成本；先后利用化学改性、物理改性将蚕蛋白和明胶进行改性，得到的改性蚕蛋白-明胶作为吸热涂料原料中的成膜剂，能使得制备出来的吸热涂料在-30℃下不断裂，延伸性增强，耐寒性能、耐热性能显著改善，且降低了着火的可能性，通过化学反应，控制反应的温度，能使得改性蚕蛋白-明胶在适合的温度下反应，避免反应过慢，增加制备的时间或者反应过快，改性过火出现结块的问题，且在反应过程中将聚二甲基硅氧烷段引入蚕蛋白、明胶结构中，同时封闭了及性强对谁敏感的氨基，羧基和羟基等基团上，降低了改性后的蚕蛋白-明胶的亲水性，提高了成膜的防水性能。
2、本发明选的吸光剂可以调配出多种颜色，可以使用三氧化四铁粉末、硫化铅与钴蓝粉调配成蓝色；或使用有机黑、八羟基喹啉酮、氧化铁红、硒化镉调配成棕红色，或使用有机黑、八羟基喹啉酮、二氧化锰、硒化镉、钴蓝调配成深绿；增加了涂料的多色性，解决了色彩单一，装饰性差的问题，使得本申请制备出来的涂料适用于多种环境下，具有较大的推广性；且调配成黑色、红色、蓝色或者绿色都使用了短波区颜色与长波区颜色相结合，能够显著提高太阳光的吸收率。
3、本发明中选用的溶剂是专门针对本申请中的成膜剂（改性蚕蛋白-明胶）设计的，能够快速将成膜剂溶解，然后与其他原料一起进行球磨，混合均匀分散，使得制备得到的吸光涂料的成分分布均匀，密度相近，使用本申请制备的太阳光吸热涂料对底材进行涂布后，吸热更加均匀。
4、本申请使用的助剂能够整体的完善本发明涂料的各种性能，针对本申请选用的成膜剂与颜料类型，专门选用相配合的助剂，增强本发明涂料的各种性能，例如选用的偶联剂能提高涂料的延伸性，防止涂布后的底材爆裂；选用的湿润剂能够降低涂料的表面张力，增加了涂料在涂布的时候湿润底材的表面的能力；选用的流平剂能够在进行底材涂布的时候得到一个平整、光滑、均匀的涂膜；选用的消泡剂能够抑制泡沫产生的物质，它与液体起泡物质一同吸附于气泡上，使表面张力降低，泡膜变薄，导致破损，可预防起泡现象。
5.本发明的制备工艺简单、易懂，可行性高，且经过试验证明涂料进行涂布后吸收可见光与红外光性能高，导热性高，防水性强，耐高温，耐腐蚀，稳定性能高，发射率低，透射率高，涂层附着力强，密度高，是理想的选择性吸热材料，具有极大的推广价值。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1：
一种选择性吸热材料，原料为：
成膜剂：改性蚕蛋白-明胶50kg；
成膜助剂：二乙二醇单乙醚4kg；丙二醇甲醚醋酸酯6kg；
吸光剂：使用三氧化四铁粉末8kg、硫化铅12kg、钴蓝粉15kg调配成蓝色；
溶剂：乙酸6kg、无水醋酸丁酯8kg、丙三醇6kg；
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂，其中，
增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯2kg；
偶联剂：硅烷偶联剂1kg、钛酸酯偶联剂2kg；
流平剂：EFKA35702kg、EFKA35801kg进行均匀混配；
润湿剂：聚硅氧烷2kg；
消泡剂：聚氧乙烯氧丙烯甘油1kg。
依上述的原料制备选择性吸热材料的步骤如下：
（1）将蚕蛋白与明胶按照重量比为5：2进行混合，即为蚕蛋白35.7kg、明胶14.3kg，然后加入水25kg，在温度为15℃条件下浸泡10min后，移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=1:1的混合液，在温度为70℃条件下反应5min后，冷却至常温，再以速度为50r/min搅拌1min后通过波长为200nm紫外光照射10min后，得到改性蚕蛋白-明胶；
（2）按照重量份数比，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内，启动球磨机进行球磨作业5min将各个原料球磨分散均匀后，再加入成膜助剂混合均匀后，即可得到选择性吸热材料。
实施例2：
一种选择性吸热材料，原料为：
成膜剂：改性蚕蛋白-明胶100kg；
成膜助剂：丙二醇苯醚10kg、苯甲醇10kg、乙二醇丁醚10kg；
吸光剂：使用有机黑10kg、八羟基喹啉酮10kg、氧化铁红10kg、硒化镉25kg调配成棕红色；
溶剂：丙三醇15kg、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇15kg和聚氨酯聚醚多元醇25kg；
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂，其中，
增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯3kg；
偶联剂：铝酸酯偶联剂2kg；
流平剂：YCK-13605kg；
润湿剂：聚醚改性的聚二甲基聚硅氧烷2kg；
消泡剂：聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚3kg；
依上述的原料制备选择性吸热材料的步骤如下：
（1）将蚕蛋白与明胶按照重量比为10：3进行混合，即为蚕蛋白77kg、明胶23kg，然后加入水20kg，在温度为22℃条件下浸泡15min后，移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=1:3的混合液，在温度为72℃条件下反应15min后，冷却至常温，再以速度为100r/min搅拌5min后通过波长为400nm紫外光照射15min后，得到改性蚕蛋白-明胶；
（2）按照重量份数比，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内，启动球磨机进行球磨作业15min将各个原料球磨分散均匀后，再加入成膜助剂混合均匀后，即可得到选择性吸热材料。
实施例3：
一种选择性吸热材料，原料为：
成膜剂：改性蚕蛋白-明胶80kg；
成膜助剂：丙二醇苯醚5kg、十二碳醇酯10kg和邻苯二甲酸二丁酯10kg；
吸光剂：使用有机黑11kg、八羟基喹啉酮11kg、二氧化锰10kg、硒化镉10kg、钴蓝8kg调配成深绿；
溶剂：乙酸20kg、和聚氨酯聚醚多元醇20kg；
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂，其中，
增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯2kg；
偶联剂：磷酸酯偶联剂2kg、硼酸酯偶联剂2kg的混合物；
流平剂：BYK-3332kg和TEGOGlide1002kg混配；
润湿剂：聚酯改性的聚二甲基硅氧烷3kg；
消泡剂：聚氧丙烯2kg。
依上述的原料制备选择性吸热材料的步骤如下：
（1）将蚕蛋白与明胶按照重量比为2：1进行混合，即为蚕蛋白53kg、明胶27kg，然后加入水10kg，在温度为18℃条件下浸泡12min后，移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=2:1的混合液，在温度为75℃条件下反应9min后，冷却至常温，再以速度为60r/min搅拌2min后通过波长为250nm紫外光照射12min后，得到改性蚕蛋白-明胶；
（2）按照重量份数比，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内，启动球磨机进行球磨作业8min将各个原料球磨分散均匀后，再加入成膜助剂混合均匀后，即可得到选择性吸热材料。
实施例4：
一种选择性吸热材料，原料为：
成膜剂：改性蚕蛋白-明胶60kg；
成膜助剂：丙二醇甲醚醋酸酯苯甲醇15kg、乙二醇丁醚15kg、十二碳醇酯15kg和邻苯二甲酸二丁酯15kg的混合物；
吸光剂：使用三氧化四铁粉末10kg、硫化铅15kg与钴蓝粉15kg调配成蓝色；
溶剂：无水醋酸丁酯10kg、丙三醇5kg和聚氨酯聚醚多元醇15kg；
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂，其中，
增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯2kg；
偶联剂：磷酸酯偶联剂1kg、硼酸酯偶联剂2kg；
流平剂：TEGOGlide1002kg；
润湿剂：聚酯改性的聚二甲基硅氧烷2kg；
消泡剂：聚氧丙烯甘油醚1kg；
依上述的原料制备选择性吸热材料的步骤如下：
（1）将蚕蛋白与明胶按照重量比为4：1进行混合，即为蚕蛋白48kg、明胶12kg，然后加入水6.7kg，在温度为19℃条件下浸泡14min后，移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=2:3的混合液，在温度为80℃条件下反应12min后，冷却至常温，再以速度为70r/min搅拌3min后通过波长为300nm紫外光照射14min后，得到改性蚕蛋白-明胶；
（2）按照重量份数比，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内，启动球磨机进行球磨作业13min将各个原料球磨分散均匀后，再加入成膜助剂混合均匀后，即可得到选择性吸热材料。
实施例5：
一种选择性吸热材料，原料为：
成膜剂：改性蚕蛋白-明胶75kg；
成膜助剂：丙二醇甲醚醋酸酯10kg、苯甲醇7kg、邻苯二甲酸二丁酯5kg。
吸光剂：使用有机黑8kg、八羟基喹啉酮5kg、氧化铁红22kg、硒化镉15kg调配成棕红色；
溶剂：乙酸12kg、无水醋酸丁酯8kg、丙三醇7kg、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇5kg和聚氨酯聚醚多元醇6kg；
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂，其中，
增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯3kg；
偶联剂：硅烷偶联剂2kg硼酸酯偶联剂2kg；
流平剂：EFKA35701kg、YCK-13601kg、BYK-3331kg；
润湿剂：聚硅氧烷5kg；
消泡剂：聚氧丙烯甘油醚1kg。
依上述的原料制备选择性吸热材料的步骤如下：
（1）将蚕蛋白与明胶按照重量比为9：2进行混合，即为蚕蛋白61kg、明胶14kg，然后加入水的重量为8.3kg，在温度为20℃条件下浸泡13min后，移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=2:3的混合液，在温度为78℃条件下反应11min后，冷却至常温，再以速度为80r/min搅拌4min后通过波长为350nm紫外光照射14min后，得到改性蚕蛋白-明胶；
（2）按照重量份数比，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内，启动球磨机进行球磨作业13min将各个原料球磨分散均匀后，再加入成膜助剂混合均匀后，即可得到选择性吸热材料。
对实施例1-5中所制备的选择性吸热材料，在常温下直接喷涂或涂刷在吸热真空玻璃管内层表表面或平板太阳能集热器的吸热金属层表面，喷刷涂料前，需要将玻璃或金属表面进行洁净处理、金属表面达到金属本色，并将涂料搅拌均匀，然后根据集热器类型涂刷该涂料厚40-160μm涂层或更厚。
按上述涂装操作工艺步骤，对得到的厚度60μm的本涂料太阳能吸热涂层进行技术指标检验测试，测试结果如表1所示：
表1测试结果情况表
由上表可知，本发明实施例1-5制备得到的选择性吸热材料吸收可见光与红外光性能高，导热性高，防水性强，耐高温，耐腐蚀，稳定性能高，发射率低，透射率高，涂层附着力强，密度高，是理想的选择性吸热材料。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种选择性吸热材料，包括成膜剂、吸光剂、成膜助剂、溶剂和助剂，其特征在于，将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂利用球磨的方法分散均匀后，再加入成膜助剂混合均匀，即可得到选择性吸热材料；所述成膜剂、吸光剂、成膜助剂、溶剂和助剂按照重量份数比计为：成膜剂50-100份；成膜助剂10-30份；吸光剂35-55份；溶剂20-50份；助剂10-30份；所述吸光剂为使用三氧化四铁粉末、硫化铅与钴蓝粉调配成蓝色；或使用有机黑、八羟基喹啉酮、氧化铁红、硒化镉调配成棕红色，或使用有机黑、八羟基喹啉酮、二氧化锰、硒化镉、钴蓝调配成深绿；所述成膜剂为改性蚕蛋白-明胶；所述成膜剂的制备方法为：将按照重量比蚕蛋白：明胶为5-10：2-3进行混合，然后加入水，在温度为15℃-22℃条件下浸泡一段时间后，移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸羟甲酯：丙烯酸乙酯=1-2:1-3的混合液，反应一段时间后，冷却至常温，再搅拌后通过紫外光照射10-15min后，得到改性蚕蛋白-明胶。
2.根据权利要求2所述一种选择性吸热材料，其特征在于，所述紫外光照射的波长为200nm-400nm。
3.根据权利要求2所述一种选择性吸热材料，其特征在于，所述成膜剂的制备方法为：所述搅拌的速度为50-100r/min；所述搅拌的时间为1-5min。
4.根据权利要求2所述一种选择性吸热材料，其特征在于，所述加入水的重量为蚕蛋白与明胶总重量的1/10-1/5。
5.根据权利要求2所述一种选择性吸热材料，其特征在于，所述浸泡的时间为10-15min；所述反应的时间为5-15min，反应的温度为70℃-80℃。
6.根据权利要求1所述一种选择性吸热材料，其特征在于，所述成膜助剂为二乙二醇单乙醚、丙二醇甲醚醋酸酯、苯甲醇、乙二醇丁醚、丙二醇苯醚、十二碳醇酯和邻苯二甲酸二丁酯中至少两种以上的混合物。
7.根据权利要求1所述一种选择性吸热材料，其特征在于，所述溶剂为乙酸、无水醋酸丁酯、丙三醇、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇和聚氨酯聚醚多元醇中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述一种选择性吸热材料，其特征在于，所述助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂，增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂的重量比为2-3:3-5:3-5:2-5:1-3。
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