CN108359375A - 一种中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层由以下重量份配比的原料制成：有机硅树脂30‑40份，CuCoMnOX功能粉30‑40份，二甲苯10‑20份，润湿分散剂2.5‑5份，防沉剂2.5‑5份，流平剂3‑5份，消泡剂1‑3份，硅烷偶联剂1‑2份。本发明中的太阳能选择性吸收涂层具有高吸收率、高导热率、低辐射率、高稳定性，有效提高了吸热涂料对太阳能的选择吸收性，且本发明制备工艺简单，成本低廉，设备要求低，生产过程环保，易于工业化生产，适于大范围推广应用。

Description

一种中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及光热太阳能技术领域，具体是一种中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
随着国内能源、环保问题，太阳能作为一种来源最丰富、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。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。太阳能光谱选择性吸收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领域，如太阳能热水器、太阳能发电等。太阳能吸收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。
太阳能吸收涂层在自然环境中使用，受环境中温度、湿度、酸碱性等因素影响，使用条件较极端，一般需综合考虑涂层的选择性吸收性能、耐候性能、规模化生产成本、现场施工及维护成本等。现有的太阳能选择性吸收涂层技术类别主要有:涂料法、电化学法、离子镀、磁控溅射技术、热喷涂技术、化学法、气相沉积法和溶胶凝胶法等。精密的磁控溅射或离子镀技术等成本高，不适用于温度较高的环境；热喷涂技术容易受到生产环境及设备因素的影响；电化学法，电镀法等生产过程中容易产生环境污染；溶胶凝胶法在烧结过程出现大量有毒有害气体冒出，并且形成的膜对基材的附着力较差等问题。将高选择性吸收的颜料通过涂料法制成太阳能选择性吸收涂料，直接涂刷基材的表面制备成涂层，可以实现有效地将太阳辐射能转化为热能。并且这种技术，制备方法简单，实验条件要求低，施工方便，维护简单，使成本大大降低，，适于大规模化生产，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。在不同的利用类型中，涂料型的太阳能吸收涂层是具有开发前景的。现有的涂料通常包括以下组分：成膜剂、固化剂、吸收剂、溶剂、助剂。不同的原料的选择，会使涂料的光学性能有着很大的区别，导致涂层的性能有很大差异。
厚度敏感的光谱选择(TSSS)涂层能够吸收大量的太阳能，即它们表现出高的太阳能吸收率。由于它们对厚度的敏感性，要制备均匀，光滑，薄且分布密集的涂层是比较困难的。涂层的厚度与光学性能密切相关，涂层厚度增加，吸收率有一定的增加，但是发射率增加的更为明显，所以对厚度进行调控具有一定意义。TSSS涂料是非常复杂的体系，其由粘合剂，添加剂，溶剂和颜料颗粒等组成，它们能够均匀分布(分散)在聚合物树脂粘合剂中。影响涂料流变性能和最终涂层质量的因素有颗粒体积分数，颗粒形状，颗粒之间的相互作用，涂膜内颗粒的分布以及体相流场的性质等。该涂层通过改变这些参数来优化厚度，调控吸收率和发射率，以及不同工况下的耐磨，耐候性等。
具有光谱选择性吸收特性的材料，必须是一种复合材料，即由吸收太阳光辐射和反射红外光谱两部分材料组成。吸收辐射是指当辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。吸收辐射的实质，是物质粒子发生由低能级(一般为基态)向高能级(激发态)的跃迁。在太阳光谱区，波长在0.3-2.5μm的太阳辐射强度最大，对该光谱区的光量子吸收是关键，因此，涂层材料中只有存在与波长0.3-2.5μm光子的能量相对应的能级跃迁，才具有较好的选择吸收性。太阳能选择性吸收光谱涂层中所用的颜料大部分是利用不同种类的元素进行复合，来吸收太阳光中能量集中分布的可见和近红外光的能量。在复合的金属氧化物中，不同的组分吸收不同波段的光谱，集中以后达到全部吸收的目的。
因此，本发明拟提供一种中高温太阳能选择性吸收涂层，对涂料中吸收剂进行了研究，采用过渡金属氧化物复合制备CuCoMnOx功能粉体。由于过渡金属的3d轨道电子没有排满，并且3d轨道的电子在晶体场的作用下伴随有能级的分裂，而该能级的能量范围和可见光的能量范围较吻合，导致对可见光有较大的吸收，且这些复合氧化物对红外光部分没有吸收。另外，过渡金属氧化物也是一种较好的本征吸收材料，具有合适的禁带宽度，其可以通过电子在价带与导带之间的跃迁来吸收特定波长范围的光，从而实现选择性吸收。
以CuCoMnOx功能粉体作为吸收剂制备的涂层对0.3-2.5μm光子的能量高吸收，2.5-25μm红外光谱部分高反射，具有优异的光谱选择吸收性。且涂层具有良好的厚度敏感性，通过厚度的优化，可调控吸收率和发射率，以及不同工况下的耐候性能。以有机硅树脂作为粘结剂，通过高温固化使之形成陶瓷型涂层，在室外条件下具有良好的耐候性和防水性，涂层的耐高温性能好，适合用于高温的太阳能光热领域，且制备的工艺简单易行成本低，具有极大的推广价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种中高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，由以下重量份配比的原料制成：有机硅树脂30-40份，CuCoMnOX功能粉30-40份，二甲苯10-20份，润湿分散剂2.5-5份，防沉剂2.5-5份，流平剂3-5份，消泡剂1-3份，硅烷偶联剂1-2份。
优选的，各原料重量份配比为：有机硅树脂35份，CuCoMnOX功能粉35份，二甲苯15份，润湿分散剂3.75份，防沉剂3.75份，流平剂4份，消泡剂2份，硅烷偶联剂1.5份。
一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、吸收剂颜料的制备：将原料粉CuO、CoO、MnO2进行砂磨混合，采用喷雾造粒法制备得到复合团聚型粉末，将复合团聚型粉末置于马弗炉中进行焙烧后，得到CuCoMnOX复合团聚功能粉；
步骤2、按本发明中高温太阳能选择性吸收涂层的重量份数配比称取原料，备用；
步骤3、将消泡剂、流平剂、润湿分散剂，防沉剂，硅烷偶联剂等助剂加入容器中，再加入二甲苯，搅匀备用，为A液；
步骤4、将步骤1中制成的CuCoMnOX复合团聚功能粉，以及有机硅树脂和二甲苯加入到锥体磨中，在200-300转/min的转速搅拌20-60min，倒入干净的容器中备用，为B液；
步骤5、将A液和B液加入锥体磨中高速混合，搅拌3-4h，然后用球磨机或砂磨机进行分散，将细度分散至20-50μm，即得调好的漆液，备用；
步骤6、将步骤5中调制好的漆液用100-200目丝网进行过滤，将过滤后的漆液装入容器中，密封即可；
步骤7、将上述制备好的涂料采用涂刷/喷涂方法制备得到涂层。
所述步骤1中烧结的温度是1000-1400℃，时间是5-6h。
所述步骤3中润湿分散剂是disponer 904s、583、9250中的一种或多种。
所述步骤3中消泡剂为FL-504s，流平剂为聚醚改性有机硅氧烷，防沉剂为有机膨润土，硅烷偶联剂为苯氧基二甲基硅烷化合物。
经步骤6制备得到的涂料粘度是110-150mpa·s，经步骤7制备得到的涂层粗糙度为0.87-2.5μm，经步骤8制备得到的涂层厚度为1.3-4.8μm。
本发明具有如下优点：
1、本发明中的太阳能选择性吸收涂层具有高吸收率、高导热率、低辐射率、高稳定性，有效提高了吸热涂料对太阳能的选择吸收性，且有机硅树脂具有良好的耐热、抗氧化、耐沾污、耐辐射等性能，因此制得的太阳能涂料具有良好的成膜性，提高了涂层的附着力、抗老化性、抗沾污性、耐水性以及机械强度；
2、本发明制备的涂层厚度可控，具有厚度敏感的光谱选择吸收性，通过优化涂层的厚度，可调控吸收发射率，及不同工况下耐候性；
3、本发明涂料中加入了铜钴锰氧尖晶石颜料作为吸收剂，过渡金属复合氧化物合适的禁带宽度，有高的本征吸收以及其3d轨道在晶体场作用下，分裂成不同能量的能级，对可见光有较大的吸收，使涂料具有较高的太阳能选择吸收性，因此该涂料提高光热效率比较显著，且高温下Co、Cu、Mn热处理过程中形成尖晶石结构，尖晶石结构在高温下成分不会发生变化，具有优良的热稳定性；
此外，本发明的制备工艺简单，成本低廉，设备要求低，生产过程环保，易于工业化生产，适于大范围推广应用。
附图说明
图1为不同厚度涂层对应的吸收率和发射率。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
实施例1
一种中高温太阳能选择性吸收涂层，按照重量份由以下原料组成：有机硅树脂30份，CuCoMnOx功能粉30份，二甲苯20份，润湿分散剂(disponer 904s与583为1：1)5份，防沉剂5份，流平剂5份，消泡剂3份，硅烷偶联剂2份。
该中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法如下：
(1)吸收剂颜料的制备：将原料粉CuO、CoO、MnO2进行砂磨混合，采用喷雾造粒法制备得到复合团聚型粉末，将复合团聚型粉末置于马弗炉中1000℃焙烧5h后，得到CuCoMnOx复合团聚功能粉；
(2)按上述重量份配比称取原料，备用；
(3)将消泡剂、流平剂、润湿分散剂，防沉剂，硅烷偶联剂等助剂加入容器中，再加入二甲苯，搅匀备用，为A液；
(4)将(1)制成的CuCoMnOX复合团聚功能粉，以及有机硅树脂和二甲苯加入到锥体磨中，在300转/min的转速搅拌60min，，倒入干净的容器中备用，为B液；
(5)将A液和B液加入锥体磨中高速混合，搅拌4h，然后用球磨机或砂磨机进行分散，将细度分散至20μm，即得调好的漆液，备用；
(6)将步骤(5)调制好的漆液用200目丝网进行过滤，将过滤后的漆液装入容器中，密封即可；
(7)将上述制备好的涂料采用涂刷/喷涂方法制备得到涂层。
采用DV1型数字旋转式粘度仪测量涂料的粘度为110mpa·s。使用厚度仪测得涂层的厚度为1.3μm，粗糙度仪测得粗糙度为0.87μm。使用紫外-可见-近红外分光光度计测试涂层吸收率，傅里叶变换红外光谱仪测试发射率。并在500℃下保温50h来测试涂层的高温稳定性。实施例1的测试结果见下表1：
表1涂层的吸收发射率及热稳实验前后的吸收发射率
实施例2
一种中高温太阳能选择性吸收涂层配方，按照重量份由以下原料组成：有机硅树脂40份，CuCoMnOx功能粉30份，二甲苯20份，润湿分散剂(disponer 904s与9250为1:1)2.5份，流平剂2.5份，流平剂2份，消泡剂1.5份，硅烷偶联剂1.5份。
该中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法如下：
(1)吸收剂颜料的制备：将原料粉CuO、CoO、MnO2进行砂磨混合，采用喷雾造粒法制备得到复合团聚型粉末，将复合团聚型粉末置于马弗炉中1000℃焙烧6h后，得到CuCoMnOx复合团聚功能粉；
(2)按上述重量份配比称取原料，备用；
(3)将消泡剂、流平剂、润湿分散剂，防沉剂，硅烷偶联剂等助剂加入容器中，再加入二甲苯，搅匀备用，为A液；
(4)将步骤(1)中制成的CuCoMnOX复合团聚功能粉，以及有机硅树脂和二甲苯加入到锥体磨中，在300转/min的转速搅拌50min，，倒入干净的容器中备用，为B液；
(5)将A液和B液加入锥体磨中高速混合，搅拌4h，然后用球磨机或砂磨机进行分散，将细度分散至30μm，即得调好的漆液，备用；
(6)将步骤(5)调制好的漆液用200目丝网进行过滤，将过滤后的漆液装入容器中，密封即可；
(7)将上述制备好的涂料采用涂刷/喷涂方法制备得到涂层。
采用DV1型数字旋转式粘度仪测量步骤6中得到涂料的粘度为123mpa·s。使用厚度仪测得步骤7中涂层的厚度为2.1μm，粗糙度仪测得粗糙度为1.06μm。使用紫外-可见-近红外分光光度计测试涂层吸收率，傅里叶变换红外光谱仪试发射率。并在500℃下保温50h来测试涂层的高温稳定性。实施例2的测试结果见下表2：
表2涂层的吸收发射率及热稳实验前后的吸收发射率
实施例3
一种中高温太阳能选择性吸收涂层配方，按照重量份由以下原料组成：有机硅树脂35份，CuCoMnOx功能粉35份，二甲苯15份，润湿分散剂(disponer 904s)3.75份，防沉剂3.75份，流平剂4份，消泡剂2份，硅烷偶联剂1.5份。
该中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法如下：
(1)吸收剂颜料的制备：将原料粉CuO、CoO、MnO2进行砂磨混合，采用喷雾造粒法制备得到复合团聚型粉末，将复合团聚型粉末置于马弗炉中1200℃焙烧5.5h后，得到CuCoMnOx复合团聚功能粉；
(2)按上述重量份配比称取原料，备用；
(3)将消泡剂、流平剂、润湿分散剂，防沉剂，硅烷偶联剂等助剂加入容器中，再加入二甲苯，搅匀备用，为A液；
(4)将步骤(1)中制成的CuCoMnOX复合团聚功能粉，以及有机硅树脂和二甲苯加入到锥体磨中，在250转/min的转速搅拌40min，，倒入干净的容器中备用，为B液；
(5)将A液和B液加入锥体磨中高速混合，搅拌3.5h，然后用球磨机或砂磨机进行分散，将细度分散至35μm，即得调好的漆液，备用；
(6)将步骤(5)调制好的漆液用200目丝网进行过滤，将过滤后的漆液装入容器中，密封即可；
(7)将上述制备好的涂料采用涂刷/喷涂方法制备得到涂层。
采用DV1型数字旋转式粘度仪测量步骤6得到的涂料的粘度为135mpa·s。使用厚度仪测得步骤7得到的涂层的厚度为2.8μm，粗糙度仪测得粗糙度为1.31μm。使用紫外-可见-近红外分光光度计测试涂层吸收率，傅里叶变换红外光谱仪测试发射率。并在500℃下保温50h来测试涂层的高温稳定性。本实施例的测试结果见下表3：
表3涂层的吸收发射率及热稳实验前后的吸收发射率
实施例4
一种中高温太阳能选择性吸收涂层配方，按照重量份由以下原料组成：有机硅树脂30份，CuCoMnOx功能粉40份，二甲苯20份，润湿分散剂(disponer 9250)2.5份，防沉剂2.5份，流平剂2份，消泡剂1.5份，硅烷偶联剂1.5份。
该中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法如下：
(1)吸收剂颜料的制备：将原料粉CuO、CoO、MnO2进行砂磨混合，采用喷雾造法制备得到复合团聚型粉末，将复合团聚型粉末置于马弗炉中1400℃焙烧5h后，得到CuCoMnOx复合团聚功能粉；
(2)按上述重量份配比称取原料，备用；
(3)将消泡剂、流平剂、润湿分散剂，防沉剂，硅烷偶联剂等助剂加入容器中，再加入二甲苯，搅匀备用，为A液；
(4)将步骤1中制成的CuCoMnOX复合团聚功能粉，以及有机硅树脂和二甲苯加入到锥体磨中，在200转/min的转速搅拌30min，，倒入干净的容器中备用，为B液；
(5)将A液和B液加入锥体磨中高速混合，搅拌3h，然后用球磨机或砂磨机进行分散，将细度分散至40μm，即得调好的漆液，备用；
(6)将步骤(5)调制好的漆液用120目丝网进行过滤，将过滤后的漆液装入容器中，密封即可；
(7)将上述制备好的涂料采用涂刷/喷涂方法制备得到涂层。
采用DV1型数字旋转式粘度仪测量步骤6得到的涂料的粘度为144mpa·s。使用厚度仪测得步骤7得到的涂层的厚度为3.4μm，粗糙度仪测得粗糙度为1.96μm。使用紫外-可见-近红外分光光度计测试涂层吸收率，傅里叶变换红外光谱仪测试发射率。并在500℃下保温50h来测试涂层的高温稳定性。本实施例的测试结果见下表4：
表4涂层的吸收发射率及热稳实验前后的吸收发射率
实施例5
一种中高温太阳能选择性吸收涂层配方，按照重量份由以下原料组成：有机硅树脂40份，CuCoMnOx功能粉40份，二甲苯10份，润湿分散剂(disponer 583)2.5份，防沉剂2.5份，流平剂3份，消泡剂1份，硅烷偶联剂1份。
该中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法如下：
(1)吸收剂颜料的制备：将原料粉CuO、CoO、MnO2进行砂磨混合，采用喷雾造粒法制备得到复合团聚型粉末，将复合团聚型粉末置于马弗炉中1400℃焙烧6h后，得到CuCoMnOx复合团聚功能粉；
(2)按上述重量份配比称取原料，备用；
(3)将消泡剂、流平剂、润湿分散剂，防沉剂，硅烷偶联剂等助剂加入容器中，再加入二甲苯，搅匀备用，为A液；
(4)将步骤1中制成的CuCoMnOX复合团聚功能粉，以及有机硅树脂和二甲苯加入到锥体磨中，在200转/min的转速搅拌20min，，倒入干净的容器中备用，为B液；
(5)将A液和B液加入锥体磨中高速混合，搅拌3h，然后用球磨机或砂磨机进行分散，将细度分散至50μm，即得调好的漆液，备用；
(6)将步骤(5)调制好的漆液用100目丝网进行过滤，将过滤后的漆液装入容器中，密封即可；
(7)将上述制备好的涂料采用涂刷/喷涂方法制备得到涂层。
采用DV1型数字旋转式粘度仪测量步骤6得到的涂料的粘度为150mpa·s。使用厚度仪测得步骤7得到的涂层的厚度为4.8μm，粗糙度仪测得粗糙度为2.50μm。使用紫外-可见-近红外分光光度计测试涂层吸收率，傅里叶变换红外光谱仪测试发射率。并在500℃下保温50h来测试涂层的高温稳定性。本实施例的测试结果见下表5：
表5涂层的吸收发射率及热稳实验前后的吸收发射率
上述各实施例中通过对粉体原料、CuCoMnOx尖晶石制备方法、热处理温度和时间，粘结剂有机硅树脂和各种助剂的比例调节研究得到，实施例3中制备的铜钴锰氧尖晶石颜料，结晶度好，晶体纯净，具有高的本征吸收，且高温热稳定性好。涂料分散性好，黏度适中(135mpa·s)具有良好的成膜性，提高了涂层的附着力、抗老化性、抗沾污性、耐水性以及机械强度；涂层具有厚度敏感的光谱选择吸收性，吸收率为0.920-0.944，发射率为0.137-0.275，通过优化厚度可以一定范围调控吸收率和发射率，得到较好光学性能。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种中高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，由以下重量份配比的原料制成：有机硅树脂30-40份，CuCoMnOX功能粉30-40份，二甲苯10-20份，润湿分散剂2.5-5份，防沉剂2.5-5份，流平剂3-5份，消泡剂1-3份，硅烷偶联剂1-2份。
2.如权利要求1所述的一种中高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：优选的，各原料重量份配比为：有机硅树脂35份，CuCoMnOX功能粉35份，二甲苯15份，润湿分散剂3.75份，防沉剂3.75份，流平剂4份，消泡剂2份，硅烷偶联剂1.5份。
3.如权利要求1或2所述的一种中高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、吸收剂颜料的制备：将原料粉CuO、CoO、MnO2进行砂磨混合，采用喷雾造粒法制备得到复合团聚型粉末，将复合团聚型粉末置于马弗炉中进行焙烧后，得到CuCoMnOX复合团聚功能粉；
步骤2、按本发明中高温太阳能选择性吸收涂层的重量份数配比称取原料，备用；
步骤3、将消泡剂、流平剂、润湿分散剂，防沉剂，硅烷偶联剂等助剂加入容器中，再加入二甲苯，搅匀备用，为A液；
步骤4、将步骤1中制成的CuCoMnOX复合团聚功能粉，以及有机硅树脂和二甲苯加入到锥体磨中，在200-300转/min的转速搅拌20-60min，倒入干净的容器中备用，为B液；
步骤5、将A液和B液加入锥体磨中高速混合，搅拌3-4h，然后用球磨机或砂磨机进行分散，将细度分散至20-50μm，即得调好的漆液，备用；
步骤6、将步骤5中调制好的漆液用100-200目丝网进行过滤，将过滤后的漆液装入容器中，密封即可；
步骤7、将上述制备好的涂料采用涂刷/喷涂方法制备得到涂层。
4.如权利要求3所述的一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中烧结的温度是1000-1400℃，时间是5-6h。
5.如权利要求1所述的一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述润湿分散剂是disponer 904s、583、9250中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述消泡剂为FL-504s，流平剂为聚醚改性有机硅氧烷，防沉剂为有机膨润土，硅烷偶联剂为苯氧基二甲基硅烷化合物。
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