CN107532015A - 具有防腐保护的高温吸光涂层及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于日光接收器流体输送构件的高温涂层包括底层涂层和顶层涂层。底层涂层包括可选择使用的打底层和防腐保护层，防腐保护层包括陶瓷先驱体粘合剂、陶瓷先驱体聚合物粘合剂或其前体、以及作为填料的玻璃粒子。顶层涂层包括重叠的平面粒子，构成平面粒子的材料具有高热导率，其还有助于减小辐射率，还包括无机颜料，在电磁波谱太阳光部分中具有高的能量吸收率。

Description

具有防腐保护的高温吸光涂层及其使用方法

技术领域

本公开大体涉及涂层的配方，更具体的，涉及在太阳塔系统的部件中使用的可吸收太阳辐射的耐热性防腐蚀导热涂层。

发明内容

用于日照接收表面的涂层，尤其是用于发电厂或将太阳能转化成其他能量形式(例如，热或电)的工业系统中的涂层，如果涂层具有一种或多种理想特性可以特别有用，例如，电磁波谱太阳光部分中的高吸收率(例如，AM 1.5光谱)、黑体辐射的低辐射率、高耐热性(例如，在空气中，在高温如550摄氏度或者高于650摄氏度或者高于750摄氏度下长时间例如1000小时、2000小时、甚至长于2000小时保持固态和化学稳定性)，以及良好的导热性。其他的理想特性可包括对于所施涂的金属基底的良好附着性、机械耐久性和环境耐久性、以及对金属基底和涂层本身腐蚀的防护。可通过提供完备的涂层系统来实现防腐保护，所述涂层系统包括保护基底免受腐蚀的底层涂料层和增强热导率、减小辐射率及提高太阳光谱吸收率的顶层。这种完备的涂层系统可以抑制含钢基底出现氧化物结垢(高温氧化)，因此保护了含钢基底，延长其使用寿命。

在实施方案中，用于日照接收金属表面的涂层系统可包括底层涂层和顶层涂层，所述底层涂层包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂及其前体，例如陶瓷先驱体聚合物粘合剂，其可以是含硅聚合物，或者任意一种这种粘合剂的前体；所述顶层涂层包括平面粒子，构成平面粒子的材料具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率，以及无机颜料，例如氧化物基颜料或其前体。含硅聚合物可以是，例如，聚硅烷、聚硼硅烷、聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷或聚硅亚甲基中的一种或任意组合。玻璃粒子可包括玻璃化温度TG在200℃-900℃范围内的玻璃料粒子、玻璃珠、玻璃片和玻璃粉中的至少一种。在一些实施方案中，底层涂层可包括多层，例如，至少一层打底层和至少一层保护层，所述保护层包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂或陶瓷先驱体聚合物粘合剂或含硅聚合物或其前体。在其他实施方案中，保护层可包括有机粘合剂，其中，有机材料无法承受固化的高温，但玻璃粒子烧结起到粘合作用。在一些实施方案中，顶层涂层可包括第一层和第二层，第一层包括重叠的平面粒子，构成平面粒子的材料具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率，第二层包括氧化物基颜料。平面粒子可具有大于650摄氏度或大于750摄氏度的熔点，可选自以下各项组成的集合：具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率的含陶瓷粒子，以及含金属或合金的粒子。将涂层施涂到一个表面上时，平面粒子可以形成重叠基层。在一些实施方案中，至少95％的平面粒子在至少一个维度上大于30微米，而在一些实施方案中，至少50％的平面粒子可在至少一个维度上大于150微米。在一些实施方案中，至少95％的平面粒子在两个维度中的每一个维度上都大于30微米，而在一些实施方案中，至少50％的平面粒子可在两个维度中的每个维度上都大于150微米。至少95％的平面粒子中所有粒子的最小尺寸可在0.5微米至20微米之间，包括0.5微米和20微米。至少95％的平面粒子中所有粒子的最小尺寸可在1微米至10微米之间，包括1微米和10微米。在一些实施方案中，顶层涂层的热导率可以是至少每米每开氏度0.5瓦特。在金属表面上施涂并固化后的涂层系统的辐射率可小于70％。

在实施方案中，传热构件具有日照接收表面，所述传热构件可包括金属基底、底层涂层和顶层涂层，底层涂层至少覆盖日照接收表面的一部分，顶层涂层覆盖底层涂层，底层涂层包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂，顶层涂层包括平面粒子重叠基层，所述重叠基层增大涂层热导率并减小涂层辐射率。顶层涂层可由至少两层构成，此时至少距离底层涂层最远的那层包括氧化物基颜料，至少距离底层涂层最近的那层包括平面粒子重叠基层，所述重叠基层增大涂层热导率并减小涂层辐射率。重叠基层可覆盖施涂了顶层涂层的金属基底至少90％、或至少95％、或至少99％的表面面积。在一些实施方案中，至少50％、或至少75％、或至少95％的平面粒子可在至少一个维度上大于含有这些粒子的涂料层的厚度。在一些实施方案中，至少50％、或至少75％、或至少95％的平面粒子在两个维度上大于含有这些粒子的涂料层的厚度。传热构件的金属基底可包括选自以下各项的金属合金：钢、合金钢和镍超级合金。传热构件的内体积可包括流体管道。在一些实施方案中，被施涂的传热构件的AM 1.5光谱吸收率为至少90％以及辐射率小于80％。在一些实施方案中，所施涂的传热构件的AM1.5光谱吸收率为至少95％，以及/或者辐射率小于70％。在另一些实施方案中，传热构件还可包括至少一种以下涂层：选择性涂层、抗污染涂层、抗反射涂层以及为顶层涂层提供环境保护的涂层。

在实施方案中，太阳能加热流体的方法可以包括以下步骤：控制照射到传热构件表面上的日照强度达到至少100太阳常数，传热构件包括金属基底和涂层，涂层的AM1.5光谱吸收率为至少90％、辐射率小于80％；以及输送流体通过传热构件的内体积，其中，涂层至少包括两层，涂层的至少一层包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂，涂层的至少一层包括平面粒子的重叠基层，其增大涂层的热导率并减小涂层的辐射率。涂层可包括底层涂层和顶层涂层，其中，底层涂层由至少一层构成，包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂，顶层涂层包括至少一层，其包括平面粒子的重叠基层，而且还包括氧化物基颜料。在一些实施方案中，所施涂的基底的辐射率小于70％。

当结合附图来考虑时，所公开主题的实施方案的目的和优势将从下面的说明中变得显而易见。

附图说明

下文将参考附图来描述实施方案，附图不必是按照比例尺寸绘制的。如情形适用，可能没有示出一些特征来协助对基本特征的说明与描述。在所有附图中，相同的附图标号表示相同的元件。

图1A是一个简图，显示了根据所公开主题实施方案的具有单个太阳塔的太阳热力系统的正视图。

图1B是一个简图，显示了根据所公开主题实施方案的具有多个太阳塔的太阳热力系统的正视图。

图2A是一个简图，显示了根据所公开主题实施方案的太阳塔接收器中管子的俯视图。

图2B是一个简图，显示了根据所公开主题实施方案的图2A的接收器管子的等距视图。

图3是一个简图，显示了根据所公开主题实施方案的施涂后的传热构件的等距剖视图。

图4A、图4B、图4C和图4D是根据所公开主题实施方案的平面粒子的示例性平面视图和正视图。

图5是根据所公开主题实施方案的施涂后的传热构件的纵向剖面的剖视图。

图6是根据所公开主题实施方案的重叠的平面粒子的平面视图。

图7是根据所公开主题实施方案的具有示例性角定位的平面粒子的示例性平面视图和正视图。

具体实施方式

日照可在太阳热力系统中被利用来加热流体，例如生成蒸汽，或者用来加热熔盐、气体或超临界流体，随后可用于发电或工业应用。参考图1A，图中显示了使用单个太阳塔的太阳热力系统。该系统可包括太阳塔100，其具有接受反射自日光场104的日照110的靶子102，其至少部分地包围着太阳塔100。太阳塔100的高度可以是例如至少25米、或至少100米、或至少200米。靶子102可以是太阳能接收器系统，其可以包括例如一种或多种日光接收器的日照接收表面，所述日光接收器被配置为将日照的热能传送到流过其中的工作流体或传热流体。靶子102可包括一个或多个独立的日光接收器(例如蒸发用日光接收器和过热用日光接收器)，所述日光接收器排列在相同或者不同的高度或位置。日光场104可包括多个日光反射装置106，其每个都被配置为控制(direct)太阳塔100中靶子102处的日照。当太阳108经过空中时，日光场内的日光反射装置106调整自己的角度以跟踪太阳108，由此持续地将日照反射到与靶子102相关的一个或多个目标点上。日光场104可包括例如布置在数平方公里面积上的数万个日光反射装置。

图1B显示了“多塔”形式的太阳热力系统。每个塔可具有各自的靶子，其可以包括一个或多个日光接收器。第一太阳塔100A在其上具有靶子102A，并且至少部分地被日光场104包围，用于接收从其中反射的日照。类似的，第二太阳塔100B在其上具有靶子102B，并且至少部分地被日光场104包围，用于接收从其中反射的日照。例如其中一个塔中的日光接收器可以被配置为从日照产生蒸汽(即，蒸发用日光接收器)，而另一个塔中的日光接收器可以被配置为使用日照来过热所述蒸汽(即，过热用日光接收器)。在另一实例中，一个或多个太阳塔可以兼具蒸发用日光接收器和过热用日光接收器。为清晰和讨论起见，图1A和图1B中显示了有限数量的部件。应当明白的是，太阳热力系统实际的实施方案可以包括例如光学元件、控制系统、传感器、管线、发电机和/或涡轮。

日光接收器可以包括多个传热构件，例如具有金属表面的管202，所述金属表面用于传送来自集中的和/或反射的日照的热量，以加热正流过传热构件内体积的流体。每个太阳塔中的接收器可以包括数十个或者数百个或者更多的这种传热构件，所述传热构件可以包括流体管道或管，其被配置为传送处于高温和/或高压的工作流体或者传热流体。例如，管可以被配置为传送温度超过500℃和压力超过160bar的加压水和/或加压蒸汽、或近似大气压下温度在270℃至600℃之间的熔盐混合物或熔融金属。参见图2A和图2B，图中显示了日光接收器的一个部分200的示意性构造。传热构件，例如接收器部分200的管202，可以按照特定几何构造例如圆形、六边形或者矩形来排列成单行(如图2A中所示)，或者以任何其他合适的构造来排列。每个管202的至少一部分外表面可以设置为接收日光场中日光反射装置反射到接收器上的日照。所述太阳日照能够加热管202，由此加热流过其中的流体，用于发电或者其他用途。

当管202或其他具有同等功能的传热构件由金属构成时，所述金属的自然表面可至少部分地反射太阳辐射，因此降低了将日照作为热能传输到流过管202的流体的效率。因此可以对金属管202进行处理、或者涂抹、或者覆盖涂层来使管202的太阳能吸收率最大化或者至少得以改进。但是，太阳热力系统的高温运行(例如在超过550℃、或650℃、或750℃的温度)和环境曝露(例如曝露于太阳热力系统所处的沙漠大气)会对管202的金属表面的外层产生不利的影响和腐蚀，包括施涂到其上的任何涂层。

在一些实施方案中，理想的可以是使用本领域内已知的底层涂层作为具有本文中各种实施方案所描述特征的涂层下面的保护层，构成包括底层涂层和顶层涂层的涂层系统的一部分。在一些实施方案中，底层涂层可以包括一层包含陶瓷先驱体粘合剂的保护层。陶瓷先驱体粘合剂可以是陶瓷先驱体聚合物粘合剂或其前体，例如，比如聚硅烷、聚硼硅烷、聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷或聚硅亚甲基或者它们的任意组合。底层涂层还可以包括玻璃粒子，例如，比如作为填料的珠子、琉璃料或粉末。陶瓷先驱体粘合剂可以是基于二氧化钛、氧化锆和氧化铝其中之一的溶胶凝胶涂层。在一些实施方案中，底层涂层可以包括适合用于保护涂层的组合物，例如，比如美国专利8153199、美国专利8247067或已公布的美国申请20050279255中公开的那些组合物。在一些实施方案中，底层涂层可以包括市售的高温保护涂层，例如，比如50，由荷兰阿姆斯特丹的阿克苏诺贝尔公司市售；PPG HI-TEMP 1027，由美国宾夕法尼亚州匹兹堡的PPG防护及船舶涂料市售；以及Thurma 240，由美国马萨诸塞州埃弗雷特的Dampney有限责任公司市售。玻璃填料可以是，例如，硅酸钡、或硅酸钠、或任意其它适于作为填料粒子的玻璃。可选的，底层涂层可以包括多个保护层、或者位于一个或多个保护层下面的打底层。

在实施方案中，顶层涂层可以包括(1)粘合剂，如金属醇盐粘合剂或高温无机粘合剂，其在高温加热(例如，200℃或更高温度、或者310℃或更高温度)后不可逆转地转化成无机粘合剂(例如二氧化硅或玻璃)，(2)有机溶剂系统，其可包括载液溶剂和助溶剂，以及(3)无机填料或金属填料。如果选择无机填料，其可以包括陶瓷材料，例如滑石，对其进行施涂或者用导热金属(例如金)进行处理，这种施涂或处理可以提高陶瓷材料的晶体结构表面或周围的热导率。如果顶层涂层只施涂为顶层涂层中只有一层，则其还可以包括无机黑色颜料，例如氧化物基涂料或其前体，如果该涂层被施涂为多层涂层系统中的顶层，则其也可以包括无机黑色颜料。

适宜的粘合剂可以是耐热聚合物粘合剂。适宜的粘合剂可以包括硅树脂、硅树脂共聚物、硅酮－聚酯树脂和硅酮－环氧树脂中的至少一种。例如，粘合剂可以包括选自以下各项中的硅树脂：甲基聚硅氧烷、苯基聚硅氧烷、中等硬度的苯甲基硅树脂、中等硬度的高固体型苯甲基硅树脂、软苯甲基硅树脂、二甲基聚硅氧烷、苯基－甲基聚硅氧烷、丙基－苯基硅树脂、或以上各项的任意组合，或者聚二甲基硅氧烷。在一个实例中，可以使用在二甲苯中的30-80％(wt/wt)苯甲基聚硅氧烷树脂。在另一个实例中，可以使用在二甲苯中的60-70％(wt/wt)苯甲基聚硅氧烷树脂。适宜的粘合剂可以包括基于玻璃料的粘合剂、氧化铝基粘合剂、磷酸盐基粘合剂、氧化锆基粘合剂、或者以上各项的前体或任意组合。

在一些实施例中，适宜的粘合剂可以包括以下示例性粘合剂中的至少一种：在硅烷中，Poly(苯基－甲基硅烷——(由美国Gelest市售)；在硼硅氧烷中，Poly(硼－二苯基硅氧烷)，PBDS，(由美国Gelest作为SSP-040市售)；在聚硅氧烷中，Poly 1，1二甲基硅氧烷调聚物(由美国Gelest作为SN-2M01-1市售)，或者Poly 1，1－二甲基硅氧烷交联(由美国Gelest作为PSN-2M02市售)，或者Ceraset PSZ-20(由德国AZ电子材料公司市售)，或者Ceraset PURS 20(由德国AZ电子材料公司市售)，或者KiON HTT 1800(由德国AZ电子材料公司市售)，或者KiON HTA 1500快速固化(由德国AZ电子材料公司市售)；在硅氧烷中，二甲苯中的甲基－苯基聚硅氧烷(由Wacker Chemie AG作为 REN 60或 REN80市售)，或者丙基－苯基聚硅氧烷(由Wacker Chemie AG作为 REN 100市售)，或者聚甲基硅氧烷(由Wacker Chemie AG作为SILRES Ren KX或SILRES Ren 46市售)；在二氧化钛中(溶胶凝胶)，TitaniaTyzor TE前体(三乙醇胺钛络合物，由美国杜邦市售)；在无机粘合剂中，溶胶凝胶，例如氧化铝溶胶凝胶，比如Bohamit或Disperal或Disperal P3，AlO(OH)(由德国Sasol市售)。

另外，或者可选的，可以使用以下粘合剂中的一种或多种：二甲苯中的苯基－甲基硅树脂(由EvonikTegoChemie GmbH作为 P 80/X市售)、具有大于95％固体的苯基－甲基硅树脂、2－丙醇、1-甲氧基、乙酸酯(由EvonikTegoChemieGmbH作为 P 80/MPA市售)、苯基-甲基硅树脂(由EvonikTegoChemieGmbH作为 P 40/W或者 P 50/X市售)、甲基聚硅氧烷(由Wacker ChemieAG作为 KX市售)、苯基聚硅氧烷(由Wacker Chemie AG作为601市售)、含有苯基的硅树脂(由Wacker Chemie AG作为SILRES市售)；苯基甲基硅树脂(由GEBayer Silicones作为SRP150市售)；中等硬度的苯基甲基硅树脂(由GE Bayer Silicones作为SRP501市售)；中等硬度的高固体型苯基甲基硅树脂(由GE Bayer Silicones作为SRP576市售)；软苯基甲基硅树脂(由GE Bayer Silicones作为SRP851市售)。其他厂商生产的二甲苯中的苯基－甲基硅树脂或者其他硅氧烷粘合剂组合物也是适宜的。

在实施方案中，顶层涂层包括基于聚合物的粘合剂，聚合物的类型以及聚合物与其他组分的比率可以影响涂层的最终性能，例如，比如附着性、光学性能(例如光吸收和光反射)、耐腐蚀性、以及长期耐高温性和抗热震性。粘合剂在涂层中的浓度可以在5％至80％(wt/wt)范围内，或者在其他实施方案中，可以在20％至70％(wt/wt)范围内。粘合剂与固体(例如填料和颜料)的比率可以在1：1至3：1之间，在其他实施方案中，可以在1：1至2：1之间，所述比率皆为重量比。

在优选实施方案中，添加耐高温的大致似片状(或似小片状或平面状)的填料粒子可以提高顶层涂层抗腐蚀性以及/或者对高温所产生不利影响的抵抗能力。当具有耐高温填料材料的平面粒子保持大体黑色时，在前述温度下，在500小时、1000小时、或2000小时或更长时间以后，这一点尤为明显，而没有这种粒子的涂层将不那么“黑”或者更显得“灰”。

在实施方案中，添加填料的平面粒子(其可以大致为平面状)可增大涂层的热导率，尤其是当填料材料包括金属或金属合金或陶瓷材料(热导率为至少每米每开氏度3瓦特)时。可选的，在金属基底上施涂和固化后，涂层的热导率可以为至少每米每开氏度0.5瓦特、或者至少每米每开氏度1.0瓦特。

在实施方案中，在将涂层施涂到金属基底并固化以后，添加填料的平面粒子可以降低涂层的辐射率，所述金属基底是日照接收表面的一部分。没有这种粒子的涂层的辐射率会大于80％或大于90％，而具有这种粒子的涂层的辐射率可小于80％、或小于75％、或小于70％。

在实施方案中，可通过加入平面粒子填料来增强抗腐蚀性、抗磨损性、抗热氧化性、提高热导率和高温稳定性、以及降低辐射率，所述平面粒子在施涂到金属基底时形成重叠的粒子基层。应提供足够的这种材料以确保重叠基层覆盖大部分被施涂的金属基底表面。如果在施涂和固化后，粒子大于或接近一层涂层的厚度，则有很可能粒子将在大致与基底平行的基层中稳定下来，而不是以其边缘稳定。

在实施方案中，金属填料或含陶瓷填料可以巩固施涂到金属基底的一层或多层涂层。具体的，由于平面粒子形成重叠基层，这种直线排列可提高作为独立涂层或作为打底的涂层的附着强度。干燥和/或固化过程中，小片的重叠可加固涂层。小片还可降低由热胀冷缩引起的内应力，并增强干燥涂层和/或固化涂层的柔韧性和抗裂性。平面粒子可提供屏障保护措施，这是因为小片平行于制品表面成直线排列，降低湿度和气体穿过小片基层的渗透性。单个小片相对较高的长宽比可提供有益的流变性并提高抗流挂性。平面粒子的重叠基层可防止或减缓金属基底在施涂以后在干燥和/或固化过程发生氧化。

填料(即平面粒子)及其在涂层中浓度的选择可以影响所得到的涂层性能，例如但不限于：辐射性、光学性能、耐热性、附着性、耐腐蚀性、耐磨损性和抗热氧化性。例如，填料的浓度可以在大约1％(wt/wt)至大约60％(wt/wt)之间。

根据实施方案，顶层涂层可以是液体组合物形式，例如漆，可以包括溶液和/或胶体和/或悬液。顶层涂层可以包括载液，例如水溶剂或者有机溶剂，以便于施涂到制品的表面，例如日光接收器中传热构件的日照接收表面。溶剂可以用作液体涂层不同组分的载体。另外，溶剂能够使粘合剂在涂层中溶解或有助于使粘合剂在涂层中溶解，因而将其粘度降低到适于施涂的水平。施涂模式可以包括但不限于刷涂、辊涂、压力喷涂、超声喷涂、静电喷涂和无气喷涂。在施涂涂层以后，溶剂可以蒸发掉，因此留下漆制剂的其他组分在期望的制品上形成涂层。

溶剂可以包括，例如以下各项中的至少一种：二醇醚、芳族石脑油溶剂、二甲苯族的成员(例如间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯和/或其混合物)、醋酸丁酯、甲苯及其组合。例如，有机溶剂可以是以下各项中的至少一种：4-氯代三氟甲苯(4－CBTF)，丙二醇单甲基醚(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TM PM市售)、二丙二醇单甲基醚(由Dow ChemicalCompany作为DOWANOL^TM DPM市售)、二丙二醇(单甲基醚乙酸酯)(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TM DPMA市售)、三丙二醇单甲基醚(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TMTPM市售)、丙二醇单正丁基醚(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TMPnB市售)、二丙二醇单丁基醚(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TMDPnB市售)、三丙二醇单正丁基醚(由DowChemical Company作为DOWANOL^TMTPnB市售)、丙二醇单丙基醚(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TM PnP市售)、二丙二醇单丙基醚(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TMDPnP市售)、丙二醇丁基醚(由Dow Chemical Company作为DOWANOL^TMTPnB-H市售)、丙二醇单甲基醚乙酸酯(由Dow Chemical Company 作为DOWANOL^TM PMA市售)、二甘醇单丁基醚(由DowChemical Company作为DOWANOL^TM DB市售)、其他乙烯或者丙二醇醚、二甲苯(间二甲苯，对二甲苯，邻二甲苯或其任意一种混合物)、醋酸叔丁酯、醋酸正丁酯和甲苯。根据一种或多种预期的实施方案，也可以使用其他溶剂以符合与挥发性有机化合物(VOC)有关的环境要求。

在一些实施方案中，有可能使用溶剂系统，其包括溶剂和助溶剂。在一些实施方案中，助溶剂可用于分散无机填料或金属填料。助溶剂可能具有不受欢迎的高蒸发率。为降低蒸发率，可引入用于降低蒸发率的溶剂。在一些实施方案中，所述溶剂可以是4－氯代三氟甲苯(4－CBTF)，助溶剂可以是二丙二醇甲醚(DPM)和/或乙二醇甲醚乙酸酯(DPMA)。溶剂/助溶剂的总浓度可以在0％(重量比)至80％(重量比)范围内，例如在10％(重量比)至45％(重量比)。

在实施方案中，顶层涂层可以包括润湿剂和分散剂中的至少一种。另外，或者可选的，涂层可以包括增稠剂、消泡剂、防沫剂、静电喷涂剂、喷涂增强剂、抗沉淀剂、流变剂、促附着剂和抗腐蚀剂。分散剂能够将漆制剂中聚集的粒子散开，并且减少漆制剂中的固体沉淀。这种分散剂可以包括例如以下各项中的至少一种：具有酸性基团的嵌段共聚物的烷基铵盐(由BYK Additives作为-180市售)，聚胺酰胺的羧酸盐溶液(由BYKAdditives作为ANTI--204市售)，具有酸性基团的共聚物的溶液(由BYK Additives作为-110市售)和具有酸性基团的共聚物(由BYK Additives作为-111市售)。

润湿剂可以降低漆制剂的表面张力，因此提高了漆膜性能和在制品表面上的附着性。这种润湿剂可以包括聚醚改性的聚二甲基硅氧烷(由BYK Additives作为-333市售)。消泡剂可以包括消泡聚合物的不含硅溶液(由BYK Additives作为-052、-054或-057市售)，聚丙烯酸酯基表面添加剂(由BYK Additives作为-392市售)，或者不含硅的脱气添加剂(由BYK Additives作为-A 535市售)。

增稠剂和/或抗沉降剂能够为打底漆制剂提供期望的粘度，例如基于涂层方法和/或用来降低粒子的沉降。这种增稠剂和/或抗沉降剂可以包括改性脲的溶液(由BYKAdditives作为-410市售)、由BYK Additives市售的-430或-431、膨润土和疏水性热原二氧化硅(由Evonik Industries作为 R 972市售)。静电喷涂剂能够提高漆制剂的导电性来帮助喷涂。这种喷涂剂可以包括阳离子化合物添加剂(由BASFCorporation作为6780市售)或者涂层的导电性促进剂(由Lubrizol DeutschlandGmbH作为LANCO^TM STAT L 80市售)。

根据本公开一些实施方案的顶层涂层可以单独或者与一种或多种表面处理或者其他层相结合来施用。例如，金属制品可具有一种或多种基底表面处理(例如喷钢砂处理、喷丸处理或喷珠处理)以及耐高温耐热吸光涂层(例如即时顶层涂层制剂)作为顶层涂料层(吸收层)。另外，或者可选的，选择性涂层、抗反射涂层和抗污染涂层中有至少一种可以施涂在顶层涂层顶部。另外、或者可选的，可在以顶层涂层施涂一层涂层以保护其免受环境影响。

在实验中，显示出本文所述的涂层系统在抑制高温氧化(氧化物结垢)对含钢基底的影响和保护基底方面是有效的，因此延长了其使用寿命。将三个低合金钢基底实例(含有2％铬的含铁基底)置于标准大气压的600摄氏度下。一个实例未作施涂；第二个实例被施涂了一层包含平面粒子的涂层,构成平面粒子的材料具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率，以及无机颜料；第三个实例被施涂了根据本文实施方案的涂层系统，其包括底层涂层和顶层涂层，底层涂层包含玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂的前体，顶层涂层包含平面粒子和无机颜料，构成平面粒子的材料具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率。第一个实例很快达到了60至100微米厚度的氧化物结垢水平，随后去垢(剥离)。第二个实例在2000小时后达到了60至70微米厚度的氧化物结垢水平，随后也去垢(剥离)。在第三个实例中，在2000小时后达到了20至30微米厚度的氧化物结垢水平，然后在10000小时后达到了30至40微米厚度。

在实施方案中，本文公开的涂层系统可以施涂于传热构件或传热构件组件(例如包括一个或多个管的管组件)的外表面(或者至少其一部分)。本文所使用的顶层涂层可以施涂于传热构件或传热构件组件(例如包括一个或多个管的管组件)的外表面，所述外表面已经施涂了本文公开的底层涂层作为防腐保护，该底层涂层可以选择性地包括一个或多个打底层。顶层涂层可以在底层涂层固化之后施涂于底层涂层之上，或者这两个涂层共同形成涂层系统，可以同时固化。

施涂和固化后，顶层涂层的厚度可以最高达到100μm或200μm。另外，或者可选的，顶层涂层的每一层的干厚度都可以小于100μm。涂层的施涂可以包括(1)当分散在涂层内的粘合剂为金属醇盐粘合剂或高温无机粘合剂时，在施涂有底层涂层的金属表面上施涂一层涂层，例如传热构件的金属表面，以及(2)随后加热该层涂层(例如，温度大于200摄氏度或大于350摄氏度)使该涂料层或金属表面上的各层固化，由此不可逆转地将金属醇盐粘合剂或高温无机粘合剂转化成无机粘合剂和/或陶瓷粘合剂。

再次参考附图，金属制品可以是太阳热力系统中接收器200的管202。例如，本文中所述的一个或多个涂层以及涂层系统可施用到管202的至少一部分外表面上，如图3所示。

图3显示了管202的等距横截面图，该管包括图示的涂层系统350，该涂层系统350包括底层涂层360和顶层涂层370。底层涂层360包括打底层361和保护层362。顶层涂层包括导热层371和含颜料层372。所有涂层均未按比例绘制。管202具有金属壁304，其将管202的内部体积301与外部环境隔开。水和/或蒸汽或者其他传热流体或者工作流体，可被预热和/或加压，流过管的内部体积。金属壁304的外表面侧306能够接收反射自日光反射装置场的日照，以加热金属壁304，由此加热流过其中的流体。施涂到外表面306上的涂层能够提高对太阳日照的吸收和/或保护金属表面，并且/或者降低辐射率。

金属壁304的外表面侧306在施涂任何其他层之前可以选择性地进行预处理。例如，表面306可以进行喷钢砂处理、喷丸处理或喷珠处理中的至少一种。

在图3所示的实例中，根据本公开任意实施方案，在管表面306上提供底层涂层360的第一打底层361，然后在第一打底层361的顶上提供涂料保护层362。根据实施方案，可以施涂不止一层打底层361，或者不需要施涂打底层361。类似的，在施涂或不施涂打底层361的情况下，可以施涂多层保护层362。在底层涂层360的最上层保护层362的顶上施涂顶层涂层370的第一导热层371，其可以包括黑色吸光颜料，但如果外层372中含有黑色吸光颜料，这一点可以省去。这一层叫做导热层(此处名称仅表示识别，本术语的使用并非对该顶层涂料层的物理性质做出限制)，其可以具有低辐射率、环境稳定性、防腐性、耐久性和高阳光吸收率。导热层308包括平面粒子的重叠基层，构成平面粒子的材料增大了热导率，并降低了涂层的辐射率，该平面粒子材料通常为金属或者金属合金或者具有高热导率的陶瓷。可以施涂不止一层导热层371。外层372包括黑色吸光颜料，例如无机颜料，比如氧化物基颜料或其前体，所述外层372可选择性地包括类似的导热平面粒子设置。此处为了识别起见，将该层称为吸收层，本术语的使用并非对该顶层涂料层的物理性质做出限制。在没有图示但可以通过图3进行理解的实例中，只有一层顶层涂料层371施涂到底层涂层360顶上，这个一层导热和吸收层包括平面粒子重叠基层和黑色吸光颜料。在另外一个实例中，可提供额外的涂料层，原则上，至少顶层涂层的第一层包括平面粒子重叠基层，以及至少顶层涂层的最外层(其上未施涂任何额外的可选涂层，例如抗污染涂层、抗反射涂层或选择性涂层)包括黑色吸光颜料。

每个涂料层的干厚度可以是5μm或更小、或者小于20μm、50μm或200μm。固化以后，每层的厚度可以在5μm至100μm范围内，例如，在5μm至50μm之间。在固化前，每层的湿膜厚度可以在5μm至100μm范围内。另外，或者可选的，所施涂的每一层漆制剂的湿膜厚度可以约为20-200μm或者约为20-300μm。

图4A、图4B、图4C和图4D显示了不同实施方案所描述的金属材料的平面粒子310或具有热导率和辐射率的含陶瓷材料的平面粒子310的实例。每个实例都以平面视图和正视图显示。从正视图可以看出，平面粒子可以是大体上为平面状，具有一些变化，并且具有变化的厚度和不规则表面。从图4D可以看出，任何粒子都可以具有不定型的或者开放的空间351。从图4C可以看出，粒子不必具有凸起的形状，事实上，图示的形状只是示例性的，粒子可以具有任意的形状。每个粒子都有第一最大尺寸D1、第二最大尺寸D2和第三最大尺寸D3。平面视图是具有最大尺寸D1和D2的各图示粒子的最大“面”或小平面的投影，正视图具有最大尺寸D1和D3的较小“面”的相应投影。不同粒子的D1、D2和D3各不相同。在本文中，将D3定义为各粒子的D1、D2和D3中最小的一个。在一些实施方案中，至少50％平面粒子的D3在1微米至10微米之间，包括1微米和10微米。在一些实施方案中，至少95％平面粒子的D3在0.5微米至20微米之间，包括0.5微米和20微米。尺寸D3相对于其他两个尺寸较小，在向基底施涂涂层时，这使得平面粒子“堆叠起来”并平行于基底“躺下”。

图5显示了施涂后管壁304纵向剖面的剖视图，导热涂料层371中的平面粒子370如图所示在重叠基层中稳定下来，大致平行于底部被施涂的管壁380及其外表面385。根据本文所述的任一实施方案，涂料层371具有厚度D4，含有作为填料的平面粒子310以及其他组分。根据一些实施方案，可以施涂第二导热涂料层或更多导热涂料层371或者吸收涂料层372，根据其他实施方案，可以施涂额外的涂料层；在任何情况下，涂料层371都将具有厚度D4，其他涂料层例如第二导热层371或吸收涂料层372将具有另一厚度，这个厚度可以与图示的涂料层371的厚度相同或不同。

如图6所示平面视图，多个大体为平面的粒子310在重叠基层中稳定下来。粒子310的阴影面积是平面视图中表面面积的投影，这取决于向金属基底施涂涂层后(或者施涂和固化后)各粒子的角定位，由于角定位发生变化，阴影面积不必与最大尺寸D1和D2一一对应。在实施方案中，即使基底被涂料层308均匀覆盖，也可有粒子310没有“覆盖”的剩余面积，如图6所示，即粒子310在涂料层371内的分布不完全均匀，各粒子的最终角定位不完全平行。在一些实施方案中，粒子310的重叠基层覆盖了至少90％、或至少95％、或至少99％的底部被施涂的金属基底380的表面面积，所述金属基底用涂层系统350施涂。

为了确保粒子310稳定于重叠基层之中，理想的是两个较大尺寸D1和D2中至少有一个大于涂料层厚度D4。在实施方案中，至少50％的平面粒子310的D1和D2中至少有一个大于D4。在一些实施方案中，至少75％的平面粒子310的D1和D2中至少有一个大于D4。在一些实施方案中，至少50％的平面粒子310的D1和D2都大于D4。在一些实施方案中，至少75％的平面粒子310的D1和D2都大于D4。

在一个实例中，导热涂料层371或吸收涂料层372的厚度D4小于或等于200微米或者小于或等于150微米，对于至少50％的平面粒子310，其D1和D2中至少有一个大于150微米或大于200微米。在另一实例中，导热涂料层371或吸收涂料层372的厚度D4小于或等于200微米或者小于或等于150微米，对于至少50％的平面粒子310，其D1和D2都大于150微米或大于200微米。在另一个实例中，导热涂料层371或吸收涂料层372的厚度D4小于或等于200微米或者小于或等于150微米，对于至少50％的平面粒子310，其D1和D2都大于150微米或大于200微米。在又一个实例中，对于至少95％的平面粒子310，其D1和D2中至少有一个大于30微米。在又一个实例中，对于至少95％的平面粒子310，其D1和D2都大于30微米。

大体为平面的粒子310的最大“面”在x-y平面(平行于底部被施涂的基底380外表面385的平面)中的投影，换句话说是图7所示的粒子310的平面视图的表面面积，具有面积A1。在简化图图7中，粒子310以一条轴线上的角定位角α平行于表面385，在另一条平行于表面385的轴线上(未显示，该轴线与图垂直)，可以看出投影面积A1大致等于粒子310的最大面的实际面积乘以角α的余弦。显然，可以计算出任何角定位的、任何形状的粒子的投影面积。在实施方案中，覆盖了所有或部分施涂基底的涂料层371或372中的平面粒子310的A1之和(各个粒子的投影面积的总合)可以大于施涂面积。

在实施方案中，可使用日照加热流体。太阳能加热流体的方法可以包括控制照射到日光接收器200中传热构件202表面上的高强度日照，例如，超过100太阳常数(每平方米100千瓦)或大于200太阳常数或大于600太阳常数。传热构件可以包括金属基底304和施涂到传热构件外表面306上的底层涂层360以及施涂于底层涂层360上的顶层涂层370。顶层涂层370可以提供高的阳光吸收率，例如，AM 1.5光谱吸收率超过90％，并且在20摄氏度或更高温度下的辐射率小于80％或小于70％。至少导热涂料层371，以及可选的，可选择使用的吸收涂料层372和可选择使用的任何额外涂料层，可以包括平面粒子的重叠基层，其增大了涂层的热导率并降低了涂层的辐射率。不管有多少涂料层，至少最外面的那一涂料层包括增大阳光吸收率的氧化物基颜料。这种方法还可以包括输送流体通过传热构件202的内体积301，使来源于传热构件202的金属基底304的流体加热的热含量得到传送，所述热含量由至少一个涂料层吸收的光子能量转化而来。

此外，以上描述是对图示实施方案在一些情况下的描述，但这些实例可以扩展到生产技术。例如，应用于图示实例的量和技术，不应当理解为是限制性的。另外，虽然本文公开了具体的化学品和材料，但是根据一种或多种预期的实施方案，也可以使用其他的化学品和材料。

所公开的实施方案的特征可以在本公开的范围内进行组合、重排、省略等，以产生另外的实施方案。此外，某些特征有时候可以用于使优点更突出，而不对其他特征做相应的使用。

因此，显而易见的是，根据本公开，提供了具有高热导率和低辐射率的高温吸光涂层及其使用方法。本公开可做出许多变更、修改和变化。虽然已经对具体实施方案做了详细地显示和描述来说明本发明原理的应用，但是应当理解的是，在不脱离这种原则的情况下，本发明可以用其他方式来体现。因此，申请人目的是包含全部这种处于本发明主旨和范围内的变更、修改、等同物和变化。

Claims (25)

1.一种用于日照接收金属表面的涂层系统，所述涂层系统包括：

(1)底层涂层，包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂或其前体；

(2)顶层涂层，包括平面粒子，构成平面粒子的材料具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率，以及氧化物基颜料或其前体。

2.根据权利要求1所述的涂层系统，其中，所述陶瓷先驱体粘合剂为陶瓷先驱体聚合物粘合剂或其前体。

3.根据权利要求1-2中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，所述玻璃粒子包括玻璃料粒子、玻璃珠、玻璃片和玻璃粉中的至少一种。

4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，所述底层涂层包括至少一层打底层和至少一层保护层，所述保护层包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂或其前体。

5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，所述顶层涂层包括第一层和第二层，所述第一层包括重叠的平面粒子，构成平面粒子的材料具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率，所述第二层包括氧化物基颜料或其前体。

6.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，所述平面粒子具有大于650摄氏度或大于750摄氏度的熔点，选自以下各项组成的集合：具有至少每米每开氏度3瓦特的热导率的含陶瓷粒子，以及含金属或合金的粒子。

7.根据权利要求1-6中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，将所述涂层施涂到表面上时，所述平面粒子形成重叠基层。

8.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，至少95％的所述平面粒子在至少一个维度上大于30微米，或者至少50％的所述平面粒子在至少一个维度上大于150微米。

9.根据权利要求1-9中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，至少95％的所述平面粒子在两个维度中的每一个维度上都大于30微米，或者至少50％的所述平面粒子在两个维度中的每一个维度上都大于150微米。

10.根据权利要求1-11中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，至少95％的所述平面粒子中所有粒子的最小尺寸在0.5微米至20微米之间，包括0.5微米和20微米，或者在1微米至10微米之间，包括1微米和10微米。

11.根据权利要求1-10中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，所述顶层涂层的热导率是至少每米每开氏度0.5瓦特。

12.根据权利要求1-10中任意一项权利要求所述的涂层系统，其中，在所述金属表面上施涂并固化后的所述涂层系统的辐射率小于70％。

13.一种具有日照接收表面的传热构件，所述传热构件包括：

(1)金属基底；

(2)至少覆盖日照接收表面的一部分的底层涂层；以及

(3)覆盖所述底层涂层的顶层涂层，其中：

所述底层涂层包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂；以及

所述顶层涂层包括平面粒子重叠基层，所述重叠基层增大所述涂层的热导率并减小所述涂层的辐射率。

14.根据权利要求所述13所述的传热构件，所述顶层涂层由至少两层构成，其中：

至少距离所述底层涂层最远的那层包括无机颜料；以及

至少距离所述底层涂层最近的那层包括平面粒子重叠基层，所述重叠基层增大所述涂层的热导率并减小所述涂层的辐射率。

15.根据权利要求13-14中任意一项权利要求所述的传热构件，其中，所述重叠基层覆盖了被施涂了所述涂层的金属基底至少90％、或至少95％、或至少99％的表面面积。

16.根据权利要求13-15中任意一项权利要求所述的传热构件，其中，至少50％、或至少75％、或至少95％的所述平面粒子在至少一个维度上大于包括所述粒子的涂料层的厚度。

17.根据权利要求13-16中任意一项权利要求所述的传热构件，其中，至少50％、或至少75％、或至少95％的所述平面粒子在两个维度上大于包括所述粒子的涂料层的厚度。

18.根据权利要求13-17中任意一项权利要求所述的传热构件，其中，所述金属基底包括选自以下各项的金属合金：钢、合金钢和镍超级合金。

19.根据权利要求13-18中任意一项权利要求所述的传热构件，其中，其内体积包括流体管道。

20.根据权利要求13-19中任意一项权利要求所述的传热构件，其中，所述被施涂的传热构件的AM 1.5光谱吸收率为至少90％以及辐射率小于80％。

21.根据权利要求13-20中任意一项权利要求所述的传热构件，其中，所述被施涂的传热构件至少具有以下各项之一：(1)AM 1.5光谱吸收率为至少95％，以及(2)辐射率小于70％。

22.根据权利要求13-21中任意一项权利要求所述的传热构件，还包括至少一种以下涂层：选择性涂层、抗污染涂层、抗反射涂层以及为所述顶层涂层提供环境保护的涂层。

23.一种太阳能加热流体的方法，包括：

控制照射到传热构件表面的强度为至少100太阳常数的日照，所述传热构件包括金属基底和涂层，所述涂层的AM 1.5光谱吸收率为至少90％以及辐射率小于80％；以及

输送所述流体通过所述传热构件的内体积，其中：

所述涂层包括至少两层，其中：

所述涂层的至少一层包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂；以及

所述涂层的至少一层包括平面粒子的重叠基层，所述重叠基层增大所述涂层的热导率并减小所述涂层的辐射率。

24.根据权利要求23所述的方法，所述涂层包括底层涂层和顶层涂层，其中：

所述底层涂层由至少一层构成，包括玻璃粒子和陶瓷先驱体粘合剂；以及

所述顶层涂层包括至少一层，其包括平面粒子的所述重叠基层，所述顶层涂层还包括无机颜料。

25.根据权利要求23-24中任意一项权利要求所述的方法，其中，所述施涂后的基底的辐射率小于70％。