CN109054557A - 一种新型太阳能集热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型太阳能集热材料及其制备方法，由以下成分制备而成：改性丙烯酸酯乳液、有机硅树脂、对苯二甲酸酯、填料、石墨、碳纤维、有机溶剂、纳米尖晶石材料、聚乙二醇、硝酸铁、硝酸锰、硅油、固化剂、流平剂、偶联剂、吸光剂、润湿剂、成膜助剂和去离子水。本发明制备的集热材料具有优异的太阳能吸收性能，不仅能够增大太阳能吸收范围，同时也能增强集热材料的导热性能，使集热材料具有较高的使用寿命，且反应工艺条件温和，生产成本低，易于进行工业化大规模生产。

Description

一种新型太阳能集热材料及其制备方法
技术领域
本发明属于集热材料技术领域，具体涉及一种新型太阳能集热材料及其制备方法。
背景技术
太阳能热利用是太阳能利用的一种重要形式，是指用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用的过程。随着能源短缺的问题日益严重，企业对节能减排措施的投入越来越大，使得人们对太阳能热利用的研究越来越广泛和深入，太阳能热利用将会有更加广阔的发展前景。
太阳能集热材料是太阳光吸收体系中用于吸收光能的核心功能部分，通常用于太阳能集热元件或太阳能选择性吸收材料体系中。良好的吸热效率是太阳能集热材料的基本要求。目前，市面上普遍采用的是在平板集热器的吸热板芯上喷涂黑色有机涂层，如黑色氟碳树脂、黑色环氧树脂、黑色聚氨酯树脂等，由于此类涂层采用普通树脂材料作为粘合剂，并以普通碳黑或者黑色颜料作为发色体，因此存在以下问题：1.材料不耐候，容易过早粉化和退色；2.无光谱选择性，使得其材料发射率很高，造成太阳能平板集热器的热效率较低。
此外，现有的太阳能集热材料制备时，多选择铝作为溅射阴极，与氮气进行反应生成渐变膜形式的薄膜，这种薄膜仅适合在低温真空环境下使用，而抗烘烤性差；采用干涉膜制备的薄膜抗烘烤性优于渐变膜制备的薄膜，但制备时要求对各层的光学常数、厚度等进行精确控制，因而制备工艺复杂且原材料价格昂贵。
公开号为CN104446489A，公开了一种太阳能热发电用吸热体基体材料及其制备方法，组分及各组分质量分数如下：碳化硅25-50份，二氧化硅8-15份，三氧化二铝1-6份，碳化铝2-5份，氧化钡BaO0.12-0.36份，表面活性剂3-6份，SiAlON0.1-0.6份，碳酸铯0.22-0.84份，三氧化钼0.45-1.35份，玻璃纤维0.18-1.25份。公开号为CN107815241A，公开了一种太阳能板选择性吸热材料及其制备方法，由以下质量份数的原料制备而成：纳米级尖晶石型颜料5-10份、镍粉4-8份、亚麻油基水性聚氨酯-聚丙烯酸树脂30-50份、干性油醇酸树脂8-12份、无水丙酮4-8份、EFKA35704-8份、SN-50274-12份、聚醚改性硅油消泡剂8-20份；所述亚麻油基水性聚氨酯-聚丙烯酸树脂合成的主要原料为羟基化亚麻油、异氟尔酮二异氰酸酯、聚醚N210（Mn=1000）、2,2-二羟甲基丙酸、一缩二乙二醇、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、丙酮、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、十二烷基硫酸钠、过硫酸钾和碳酸氢钠。以上两种现有技术制备的太阳能集热材料，虽然具有很好的吸热效果，但是其制备工艺复杂并且所涉及的材料相对昂贵，而且吸热材料的耐候性并不理想，导致其使用寿命不长。
综上所述，因此需要一种更好的太阳能集热材料，来改善现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型太阳能集热材料及其制备方法，本发明制备的集热材料具有优异的太阳能吸收性能，不仅能够增大太阳能吸收范围，同时也能增强集热材料的导热性能，使集热材料具有较高的使用寿命，且反应工艺条件温和，生产成本低，易于进行工业化大规模生产。
本发明提供了如下的技术方案：
一种新型太阳能集热材料，包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液12-18份、有机硅树脂22-25份、对苯二甲酸酯17-21份、填料10-14份、石墨5-9份、碳纤维8-12份、有机溶剂4-7份、纳米尖晶石材料8-11份、聚乙二醇4-7份、硝酸铁5-9份、硝酸锰3-8份、硅油3-6份、固化剂2-5份、流平剂3-6份、偶联剂3-5份、吸光剂7-11份、润湿剂4-7份、成膜助剂5-8份和去离子水9-14份。
优选的，所述集热材料包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液14-18份、有机硅树脂23-25份、对苯二甲酸酯17-20份、填料12-14份、石墨7-9份、碳纤维9-12份、有机溶剂4-6份、纳米尖晶石材料9-11份、聚乙二醇5-7份、硝酸铁5-8份、硝酸锰5-8份、硅油4-6份、固化剂2-4份、流平剂4-6份、偶联剂4-5份、吸光剂9-11份、润湿剂5-7份、成膜助剂5-7份和去离子水11-14份。
优选的，所述集热材料包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液17份、有机硅树脂24份、对苯二甲酸酯19份、填料13份、石墨8份、碳纤维11份、有机溶剂5份、纳米尖晶石材料10份、聚乙二醇6份、硝酸铁7份、硝酸锰6份、硅油5份、固化剂3份、流平剂4份、偶联剂5份、吸光剂10份、润湿剂6份、成膜助剂5份和去离子水13份。
一种新型太阳能集热材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将石墨、碳纤维混合导入有机溶剂中浸泡3-3.5h，再加入填料，混合均匀后导入球磨机中，进行湿磨2.2-2.5h，得到混合物一；
b、将改性丙烯酸酯乳液、有机硅树脂和对苯二甲酸酯混合导入反应釜中，在125-138℃下，缓慢搅拌反应1.5-1.8h，再加入纳米尖晶石材料、聚乙二醇和吸光剂，降温至45-50℃，反应15-18min，冷却后，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二、润湿剂、成膜助剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在80-83℃下，以240-280r/min的转速搅拌反应0.5-0.6h，再自然冷却至常温，超声分散8-10min，得到分散料；
d、将分散料、硝酸铁、硝酸锰、硅油、固化剂、流平剂和偶联剂导入双螺杆挤出机中，熔融挤出，再经减压蒸馏、调节粘度，即可得到成品。
优选的，所述步骤a的有机溶剂为丙三醇、环己酮和乙酸丁酯按质量比1:2:4混合而成。
优选的，所述步骤a的填料为纳米二氧化钛、纳米氧化铜和纳米氮化硅按质量比3:1:3混合而成。
优选的，所述步骤b的改性丙烯酸酯乳液的制备方法为：将丙烯酸酯和去离子水混合导入搅拌机中，在85℃下加热并搅拌反应50min，再加入膨润土粉末、酚醛环氧树脂、聚二甲基硅氧烷醇，继续保温并搅拌反应1.2h，即可得到改性丙烯酸酯乳液。
优选的，所述步骤b的有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂、聚酯改性有机硅树脂和高光有机硅树脂按质量比5:3:1混合而成。
优选的，所述步骤b的吸光剂为钴锰铜氧化物和炭黑按质量比3:2混合而成。
优选的，所述步骤c的成膜助剂为丙二醇单甲醚、二丙二醇单丙醚和三丙二醇单丁醚按质量比1:2:1混合而成。
本发明的有益效果是：
本发明制备的集热材料具有优异的太阳能吸收性能，不仅能够增大太阳能吸收范围，同时也能增强集热材料的导热性能，使集热材料具有较高的使用寿命，且反应工艺条件温和，生产成本低，易于进行工业化大规模生产。
本发明中的有机溶剂为丙三醇、环己酮和乙酸丁酯的配比，在该比例下，其溶解度高，可以有效材料的溶解效率，从而提高成品的制备效率。
本发明中的填料为纳米二氧化钛、纳米氧化铜和纳米氮化硅的配比们可以有效提高成品的耐磨性、耐高温性、耐酸碱腐蚀性，从而延长成品的使用寿命。
本发明中的改性丙烯酸酯乳液，具有较好的疏水性和化学稳定性，而其中加入的膨润土粉末具有很高的孔隙率，其可以有效的防止光照产生的热量的传导，从而将光热更好的聚集。
本发明中的有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂、聚酯改性有机硅树脂和高光有机硅树脂的配比，以上树脂原料均具有优异的热氧化稳定性和电绝缘性能，并在耐候性与防水性能方面具有突出优势；另外，当发生热氧化时，三者的协同作用下，进一步缩聚，形成高度交联的立体网络结构，从而使得耐候性会得到进一步提高，从而进一步提高成品与之相应的性能。
本发明中的吸光剂为钴锰铜氧化物和炭黑的配比，在该比例下配制的成品显示为黑色外观，有利于提高对太阳光的吸收率，从而提高吸热率。
具体实施方式
实施例1
一种新型太阳能集热材料，包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液18份、有机硅树脂25份、对苯二甲酸酯21份、填料10份、石墨5份、碳纤维8份、有机溶剂7份、纳米尖晶石材料11份、聚乙二醇7份、硝酸铁9份、硝酸锰8份、硅油6份、固化剂2份、流平剂3份、偶联剂5份、吸光剂7份、润湿剂4份、成膜助剂5份和去离子水9份。
一种新型太阳能集热材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将石墨、碳纤维混合导入有机溶剂中浸泡3.5h，再加入填料，混合均匀后导入球磨机中，进行湿磨2.5h，得到混合物一；
b、将改性丙烯酸酯乳液、有机硅树脂和对苯二甲酸酯混合导入反应釜中，在138℃下，缓慢搅拌反应1.8h，再加入纳米尖晶石材料、聚乙二醇和吸光剂，降温至50℃，反应18min，冷却后，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二、润湿剂、成膜助剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在83℃下，以280r/min的转速搅拌反应0.6h，再自然冷却至常温，超声分散10min，得到分散料；
d、将分散料、硝酸铁、硝酸锰、硅油、固化剂、流平剂和偶联剂导入双螺杆挤出机中，熔融挤出，再经减压蒸馏、调节粘度，即可得到成品。
步骤a的有机溶剂为丙三醇、环己酮和乙酸丁酯按质量比1:2:4混合而成。
步骤a的填料为纳米二氧化钛、纳米氧化铜和纳米氮化硅按质量比3:1:3混合而成。
步骤b的改性丙烯酸酯乳液的制备方法为：将丙烯酸酯和去离子水混合导入搅拌机中，在85℃下加热并搅拌反应50min，再加入膨润土粉末、酚醛环氧树脂、聚二甲基硅氧烷醇，继续保温并搅拌反应1.2h，即可得到改性丙烯酸酯乳液。
步骤b的有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂、聚酯改性有机硅树脂和高光有机硅树脂按质量比5:3:1混合而成。
步骤b的吸光剂为钴锰铜氧化物和炭黑按质量比3:2混合而成。
步骤c的成膜助剂为丙二醇单甲醚、二丙二醇单丙醚和三丙二醇单丁醚按质量比1:2:1混合而成。
实施例2
一种新型太阳能集热材料，包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液18份、有机硅树脂23份、对苯二甲酸酯17份、填料14份、石墨9份、碳纤维12份、有机溶剂4份、纳米尖晶石材料9份、聚乙二醇5份、硝酸铁5份、硝酸锰8份、硅油6份、固化剂2份、流平剂6份、偶联剂5份、吸光剂9份、润湿剂5份、成膜助剂7份和去离子水14份。
一种新型太阳能集热材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将石墨、碳纤维混合导入有机溶剂中浸泡3.5h，再加入填料，混合均匀后导入球磨机中，进行湿磨2.2h，得到混合物一；
b、将改性丙烯酸酯乳液、有机硅树脂和对苯二甲酸酯混合导入反应釜中，在125℃下，缓慢搅拌反应1.5h，再加入纳米尖晶石材料、聚乙二醇和吸光剂，降温至45℃，反应15min，冷却后，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二、润湿剂、成膜助剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在80℃下，以240r/min的转速搅拌反应0.5h，再自然冷却至常温，超声分散8min，得到分散料；
d、将分散料、硝酸铁、硝酸锰、硅油、固化剂、流平剂和偶联剂导入双螺杆挤出机中，熔融挤出，再经减压蒸馏、调节粘度，即可得到成品。
步骤a的有机溶剂为丙三醇、环己酮和乙酸丁酯按质量比1:2:4混合而成。
步骤a的填料为纳米二氧化钛、纳米氧化铜和纳米氮化硅按质量比3:1:3混合而成。
步骤b的改性丙烯酸酯乳液的制备方法为：将丙烯酸酯和去离子水混合导入搅拌机中，在85℃下加热并搅拌反应50min，再加入膨润土粉末、酚醛环氧树脂、聚二甲基硅氧烷醇，继续保温并搅拌反应1.2h，即可得到改性丙烯酸酯乳液。
步骤b的有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂、聚酯改性有机硅树脂和高光有机硅树脂按质量比5:3:1混合而成。
步骤b的吸光剂为钴锰铜氧化物和炭黑按质量比3:2混合而成。
步骤c的成膜助剂为丙二醇单甲醚、二丙二醇单丙醚和三丙二醇单丁醚按质量比1:2:1混合而成。
实施例3
一种新型太阳能集热材料，包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液17份、有机硅树脂24份、对苯二甲酸酯19份、填料13份、石墨8份、碳纤维11份、有机溶剂5份、纳米尖晶石材料10份、聚乙二醇6份、硝酸铁7份、硝酸锰6份、硅油5份、固化剂3份、流平剂4份、偶联剂5份、吸光剂10份、润湿剂6份、成膜助剂5份和去离子水13份。
一种新型太阳能集热材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将石墨、碳纤维混合导入有机溶剂中浸泡3h，再加入填料，混合均匀后导入球磨机中，进行湿磨2.5h，得到混合物一；
b、将改性丙烯酸酯乳液、有机硅树脂和对苯二甲酸酯混合导入反应釜中，在125℃下，缓慢搅拌反应1.8h，再加入纳米尖晶石材料、聚乙二醇和吸光剂，降温至50℃，反应15min，冷却后，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二、润湿剂、成膜助剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在80℃下，以280r/min的转速搅拌反应0.6h，再自然冷却至常温，超声分散10min，得到分散料；
d、将分散料、硝酸铁、硝酸锰、硅油、固化剂、流平剂和偶联剂导入双螺杆挤出机中，熔融挤出，再经减压蒸馏、调节粘度，即可得到成品。
步骤a的有机溶剂为丙三醇、环己酮和乙酸丁酯按质量比1:2:4混合而成。
步骤a的填料为纳米二氧化钛、纳米氧化铜和纳米氮化硅按质量比3:1:3混合而成。
步骤b的改性丙烯酸酯乳液的制备方法为：将丙烯酸酯和去离子水混合导入搅拌机中，在85℃下加热并搅拌反应50min，再加入膨润土粉末、酚醛环氧树脂、聚二甲基硅氧烷醇，继续保温并搅拌反应1.2h，即可得到改性丙烯酸酯乳液。
步骤b的有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂、聚酯改性有机硅树脂和高光有机硅树脂按质量比5:3:1混合而成。
步骤b的吸光剂为钴锰铜氧化物和炭黑按质量比3:2混合而成。
步骤c的成膜助剂为丙二醇单甲醚、二丙二醇单丙醚和三丙二醇单丁醚按质量比1:2:1混合而成。
对比例1
采用现有技术中的普通太阳能集热材料进行检测对比。
检测以上实施例和对比例制备的成品，得到以下检测数据：
表一：
检测项目 检测标准 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
外观 目测 平整、色泽均匀 平整、色泽均匀 平整、色泽均匀 平整、色泽均匀
耐磨性（L/μm） SY/T0315 16.5 17.1 17.2 13.3
防水性（24h） 目测 不起泡、不脱落 不起泡、不脱落 不起泡、不脱落 不起泡、不脱落
抗冲击性（-30℃/J） SY/T0315 4.1 4.2 4.7 3.6
抗弯曲性（-30℃） SY/T0315 无裂纹 无裂纹 无裂纹 轻微裂纹
附着力（级） SY/T0315 1 1 1 1
粘接强度（MPa） GB/T6329 88 86 88 79
耐高温性（1000℃，7天） 无 无变化 无变化 无变化 无变化
透射率（%） 无 97 97 97 93
发射率（%，1000℃） 无 8 7 7 12
红外吸收率（%，800℃） 无 91 93 93 91
由表一所得的实验数据，可以得出，本发明的制备方法制备的成品的各项性能显著优异于现有技术中的普通产品，并且在本发明的实施例3中优选的制备方案，其得到的成品性能最为优异。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型太阳能集热材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液12-18份、有机硅树脂22-25份、对苯二甲酸酯17-21份、填料10-14份、石墨5-9份、碳纤维8-12份、有机溶剂4-7份、纳米尖晶石材料8-11份、聚乙二醇4-7份、硝酸铁5-9份、硝酸锰3-8份、硅油3-6份、固化剂2-5份、流平剂3-6份、偶联剂3-5份、吸光剂7-11份、润湿剂4-7份、成膜助剂5-8份和去离子水9-14份。
2.根据权利要求1所述的一种新型太阳能集热材料，其特征在于，所述集热材料包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液14-18份、有机硅树脂23-25份、对苯二甲酸酯17-20份、填料12-14份、石墨7-9份、碳纤维9-12份、有机溶剂4-6份、纳米尖晶石材料9-11份、聚乙二醇5-7份、硝酸铁5-8份、硝酸锰5-8份、硅油4-6份、固化剂2-4份、流平剂4-6份、偶联剂4-5份、吸光剂9-11份、润湿剂5-7份、成膜助剂5-7份和去离子水11-14份。
3.根据权利要求1所述的一种新型太阳能集热材料，其特征在于，所述集热材料包括以下重量份的原料：改性丙烯酸酯乳液17份、有机硅树脂24份、对苯二甲酸酯19份、填料13份、石墨8份、碳纤维11份、有机溶剂5份、纳米尖晶石材料10份、聚乙二醇6份、硝酸铁7份、硝酸锰6份、硅油5份、固化剂3份、流平剂4份、偶联剂5份、吸光剂10份、润湿剂6份、成膜助剂5份和去离子水13份。
4.权利要求1-3任一项所述的一种新型太阳能集热材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
a、将石墨、碳纤维混合导入有机溶剂中浸泡3-3.5h，再加入填料，混合均匀后导入球磨机中，进行湿磨2.2-2.5h，得到混合物一；
b、将改性丙烯酸酯乳液、有机硅树脂和对苯二甲酸酯混合导入反应釜中，在125-138℃下，缓慢搅拌反应1.5-1.8h，再加入纳米尖晶石材料、聚乙二醇和吸光剂，降温至45-50℃，反应15-18min，冷却后，得到混合物二；
c、将混合物一、混合物二、润湿剂、成膜助剂和去离子水混合，导入搅拌机中，在80-83℃下，以240-280r/min的转速搅拌反应0.5-0.6h，再自然冷却至常温，超声分散8-10min，得到分散料；
d、将分散料、硝酸铁、硝酸锰、硅油、固化剂、流平剂和偶联剂导入双螺杆挤出机中，熔融挤出，再经减压蒸馏、调节粘度，即可得到成品。
5.根据权利要求4所述的一种新型太阳能集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的有机溶剂为丙三醇、环己酮和乙酸丁酯按质量比1:2:4混合而成。
6.根据权利要求4所述的一种新型太阳能集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的填料为纳米二氧化钛、纳米氧化铜和纳米氮化硅按质量比3:1:3混合而成。
7.根据权利要求4所述的一种新型太阳能集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b的改性丙烯酸酯乳液的制备方法为：将丙烯酸酯和去离子水混合导入搅拌机中，在85℃下加热并搅拌反应50min，再加入膨润土粉末、酚醛环氧树脂、聚二甲基硅氧烷醇，继续保温并搅拌反应1.2h，即可得到改性丙烯酸酯乳液。
8.根据权利要求4所述的一种新型太阳能集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b的有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂、聚酯改性有机硅树脂和高光有机硅树脂按质量比5:3:1混合而成。
9.根据权利要求4所述的一种新型太阳能集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b的吸光剂为钴锰铜氧化物和炭黑按质量比3:2混合而成。
10.根据权利要求4所述的一种新型太阳能集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c的成膜助剂为丙二醇单甲醚、二丙二醇单丙醚和三丙二醇单丁醚按质量比1:2:1混合而成。
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