CN106366821A - 一种太阳能吸热材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种太阳能吸热材料，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，再入成膜助剂混合均匀，即得到太阳能吸热材料；各原料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；吸光剂为使用氧化铬绿纳米粉末、永固大红调配成黄色等；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，然后用丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾=1‑2:1‑3的混合液进行化学变性，再用煅烧的物理方法进行变性，即可得到改性蚕蛋白‑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

一种太阳能吸热材料
技术领域
本发明涉及吸热材料，尤其涉及一种太阳能吸热材料。
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CN 102286243 A，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CN 102134428 B，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：
一种太阳能吸热材料，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，即可得到太阳能吸热材料；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；所述吸光剂为使用氧化铬绿纳米粉末、永固大红调配成黄色；或者使用氧化铁黄、钴蓝粉、铅白粉调配成绿色；或者使用四氧化三铁粉末、八羟基喹啉酮、氧化铁红、硫化镉粉调配成棕红色；所述成膜剂为改性酪素-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15℃-22℃条件下浸泡一段时间后，移至常温后加入按照重量份比丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾=1-2:1-3的混合液，反应一段时间后，冷却至常温，然后在200-300℃条件下煅烧5-10h，并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级，控制D50为10-25μm，再在400-500℃高温煅烧8-15h，煅烧后进行球磨1-3h，即可得到改性蚕蛋白-明胶。
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1-5 min。
在本发明中，进一步地，所述加入水的重量为酪素与明胶总重量的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，所述成膜助剂为丙二醇特丁醚、二乙二醇单乙醚、丙二醇甲醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚中的至少一种混合物。
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、EFKA 3580、YCK-1360、BYK-333 和TEGO Glide100 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，即为改性酪素-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，得到太阳能吸热材料。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、物理改性将酪素和明胶进行改性，得到的改性酪素-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，能使得改性酪素-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酪素、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，降低了改性后的酪素-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，可以使用氧化铬绿纳米粉末、永固大红调配成黄色；使用氧化铁黄、钴蓝粉、铅白粉调配成绿色；或者使用四氧化三铁粉末、八羟基喹啉酮、氧化铁红、硫化镉粉调配成棕红色；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（改性酪素-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，是理想的太阳能吸热材料，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：
一种太阳能吸热材料，原料为：
成膜剂：改性酪素-明胶50kg；
成膜助剂：丙二醇特丁醚4kg二乙二醇单乙醚6kg；
吸光剂：使用氧化铬绿纳米粉末25kg、永固大红10kg调配成黄色；
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：EFKA3570 2kg、EFKA 3580 1kg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。
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下：
（1）将酪素与明胶按照重量比为5：2进行混合，即为酪素35.7 kg、明胶14.3 kg，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甲酯：聚硅氧烷季铵钾= 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1 min，然后在200℃条件下煅烧5h，并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级，控制D50为10μm，再在400℃高温煅烧8h，煅烧后进行球磨1h，即可得到改性蚕蛋白-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，即可得到太阳能吸热材料。
实施例2：
一种太阳能吸热材料，原料为：
成膜剂：改性酪素-明胶100kg；
成膜助剂：二乙二醇单乙醚10kg、丙二醇甲醚乙酸酯10kg、二乙二醇单丁醚10kg；
吸光剂：使用氧化铁黄15kg、钴蓝粉20kg、铅白粉10kg调配成绿色；
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-1360 5kg；
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；
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下：
（1）将酪素与明胶按照重量比为10： 3进行混合，即为酪素77 kg、明胶23 kg，然后加入水20 kg，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丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾=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5 min，然后在300℃条件下煅烧10h，并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级，控制D50为25μm，再在500℃高温煅烧15h，煅烧后进行球磨3h，即可得到改性蚕蛋白-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，即可得到太阳能吸热材料。
实施例3：
一种太阳能吸热材料，原料为：
成膜剂：改性酪素-明胶80kg；
成膜助剂：二乙二醇单乙醚5kg、二乙二醇单乙醚10kg、丙二醇甲醚乙酸酯10kg；
吸光剂：使用四氧化三铁粉末10kg、八羟基喹啉酮10kg、氧化铁红30kg、硫化镉粉10kg调配成棕红色；
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2 kg；
偶联剂：磷酸酯偶联剂2 kg、硼酸酯偶联剂2 kg的混合物；
流平剂：BYK-333 2 kg和TEGO Glide 100 2 kg混配；
润湿剂：聚酯改性的聚二甲基硅氧烷3 kg；
消泡剂：聚氧丙烯2 kg。
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下：
（1）将酪素与明胶按照重量比为2：1进行混合，即为酪素53 kg、明胶27 kg，然后加入水10 kg，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丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾=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2 min，然后在220℃条件下煅烧6h，并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级，控制D50为12μm，再在420℃高温煅烧10h，煅烧后进行球磨1.5h，即可得到改性蚕蛋白-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，即可得到太阳能吸热材料。
实施例4：
一种太阳能吸热材料，原料为：
成膜剂：改性酪素-明胶60kg；
成膜助剂：丙二醇特丁醚15kg、二乙二醇单乙醚15kg、丙二醇甲醚乙酸酯15kg、二乙二醇单丁醚15kg；
吸光剂：使用氧化铁黄15kg、钴蓝粉30kg、铅白粉10kg调配成绿色；
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2 kg；
偶联剂：磷酸酯偶联剂1 kg、硼酸酯偶联剂2 kg；
流平剂：TEGO Glide 100 2 kg；
润湿剂：聚酯改性的聚二甲基硅氧烷2 kg；
消泡剂：聚氧丙烯甘油醚1 kg；
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下：
（1）将酪素与明胶按照重量比为4：1进行混合，即为酪素48 kg、明胶12 kg，然后加入水6.7 kg，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丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾=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3 min，然后在250℃条件下煅烧7h，并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级，控制D50为16μm，再在460℃高温煅烧12h，煅烧后进行球磨2h，即可得到改性蚕蛋白-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，即可得到太阳能吸热材料。
实施例5：
一种太阳能吸热材料，原料为：
成膜剂：改性酪素-明胶75kg；
成膜助剂：丙二醇特丁醚7kg、二乙二醇单乙醚10kg、丙二醇甲醚乙酸酯5kg；
吸光剂：者使用四氧化三铁粉末5kg、八羟基喹啉酮8kg、氧化铁红12kg、硫化镉粉10kg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：EFKA3570 1 kg、YCK-1360 1 kg、BYK-333 1kg；
润湿剂：聚硅氧烷5kg；
消泡剂：聚氧丙烯甘油醚1kg。
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下：
（1）将酪素与明胶按照重量比为9：2进行混合，即为酪素61 kg、明胶14 kg，然后加入水的重量为8.3 kg，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丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾= 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4 min，然后在280℃条件下煅烧9h，并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级，控制D50为19μm，再在475℃高温煅烧13h，煅烧后进行球磨2.5h，即可得到改性蚕蛋白-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，即可得到太阳能吸热材料。
对实施例1-5中所制备的太阳能吸热材料，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制备得到的太阳能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，是理想的太阳能吸热材料。
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 (7)

1.一种太阳能吸热材料，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，即可得到太阳能吸热材料；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；所述吸光剂为使用氧化铬绿纳米粉末、永固大红调配成黄色；或者使用氧化铁黄、钴蓝粉、铅白粉调配成绿色；或者使用四氧化三铁粉末、八羟基喹啉酮、氧化铁红、硫化镉粉调配成棕红色；所述成膜剂为改性酪素-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15℃-22℃条件下浸泡一段时间后，移至常温后加入按照重量份比丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾=1-2:1-3的混合液，反应一段时间后，冷却至常温，然后在200-300℃条件下煅烧5-10h，并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级，控制D50为10-25μm，再在400-500℃高温煅烧8-15h，煅烧后进行球磨1-3h，即可得到改性蚕蛋白-明胶。
2.根据权利要求2所述一种太阳能吸热材料，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1-5 min。
3.根据权利要求2所述一种太阳能吸热材料，其特征在于，所述加入水的重量为酪素与明胶总重量的1/10-1/5。
4.根据权利要求2所述一种太阳能吸热材料，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℃。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热材料，其特征在于，所述成膜助剂为丙二醇特丁醚、二乙二醇单乙醚、丙二醇甲醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚中的至少一种混合物。
6.根据权利要求1所述一种太阳能吸热材料，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。
7.根据权利要求1所述一种太阳能吸热材料，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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