CN109423068A - 超疏水耐磨石墨烯复合涂层及应用其的太阳能集热管 - Google Patents

Abstract

本发明为一种超疏水耐磨石墨烯复合涂层及应用其的太阳能集热管，超疏水耐磨石墨烯复合涂层由氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料经紫外光固化形成，太阳能集热管包含玻璃外管及套设于其内的金属内管，二者之间形成密闭空腔，玻璃外管的内、外壁分别涂覆有增透涂层，在各增透涂层外覆有上述超疏水耐磨石墨烯复合涂层，通过石墨烯和二氧化钛自身的疏水性和透光性等物化性质，使得涂覆其的太阳能集热管具有耐磨、耐候性强、透光性强、有良好自清洁能力的效果，能有效抵御沙尘对集热管的侵蚀，适用于光照资源丰富的荒漠区域。

Description

超疏水耐磨石墨烯复合涂层及应用其的太阳能集热管

技术领域

本发明关于一种超疏水耐磨石墨烯复合涂层及应用该涂层的耐磨损自清洁太阳能集热管。

背景技术

采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。太阳能热发电系统一般包括四个子系统：集热系统、蒸汽发生系统、发电系统和储热系统。太阳光聚集在集热管上，使管内的介质加热，然后被加热到接近400度的热交换介质经热交换器使水变成蒸汽，再由过热器对蒸汽进一步加热，推动常规汽轮发电机组发电。集热管是整个太阳能热发电系统的核心，一般内管采用金属管，管内走加热介质，金属管外涂覆选择性吸收涂层，外面为玻璃管，玻璃管与金属管间抽真空以抑制对流和传导热损失。

集热管的问题：(a).根据真空集热管在国内外的实际工作环境的经验表明，风沙是导致集热管的玻璃外管透过率衰减的最重要的一个因素。由于光热发电项目一般都是安装在沙漠、戈壁、荒滩等地方，灰尘风沙大，长期沙尘的冲击会使得玻璃表面变得粗糙，导致透射率降低，大幅降低太阳能转换效率。(b). 集热管外部都为玻璃管，玻璃与水的接触角为30°～40°，所以玻璃很容易形成水珠，并且水珠不易滑落，在水干燥过程中，又极易吸附空气中的沙尘，干燥后形成水痕，长期积累形成污垢，从而降低光透射率，也就会降低太阳能的转化率，所以必须保证玻璃表面清洁，否则会影响透光率和热吸收能力、降低太阳能的转化效率。

现有的解决方案：对集热管玻璃表面易脏的问题，增加超疏水涂层是一种解决方案。超疏水涂层能增加玻璃与水的接触角，物体表面的污染物（主要是油和灰尘、砂），在风、雨（水）、雪等外力作用下能够自行掉落，实现自清洁效能。如改性水性聚氨酯涂料能一定程度上实现超疏水能力，但是其光学透过率约为78%~87%。具有一定透明度的硅氟改性聚甲基丙烯酸酯在制备疏水性自清洁涂料时也有着广泛应用。但是都存在着透光度较低的问题。另外含聚酯类材料的超疏水涂层还存在另外一个问题，耐候性差和耐磨性能差，在长时间太阳光的照射下和沙尘冲击下易老化，不能达到商业太阳能系统20年以上寿命的要求。还有现有技术提出在真空管罩玻璃管外表面粘合一层光催化膜（如二氧化钛）实现对污物的分解，并通过水淋实现集热管自清洁的目的。二氧化钛光催化技术对有机物的分解清洁能力不错，但是对沙尘的清洁能力很弱。从商用集热太阳能系统的应用来看，主要应用区域是在光照资源丰富的荒漠区域，需要对沙尘有良好的清洁能力，因此光催化技术达不到自清洁的效能。

对集热管玻璃不耐沙尘冲击的问题：增加保护套管是一种方案，但是保护套管本身的耐冲击能力和透光率性能较差，导致实用性不强。

发明内容

本发明所解决的技术问题即在提供一种超疏水耐磨石墨烯复合涂层及应用该涂层的太阳能集热管，其同时具有高耐磨、耐冲击、耐候性强的特征，能满足商业太阳能光热系统在沙尘恶劣环境下实现长期稳定高效的运作。所谓“自清洁”，是指物体表面的污染物，在风、雨、雪等外力作用下能够自行掉落或分解。

本发明所采用的技术手段如下所述。

一种制造氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料的方法，包括以下步骤：

a. 配置氧化石墨烯分散液：在乙醇溶液或去离子水中配制氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯的浓度为0.05- 0.5mg/ml，经超声波振荡后制备得到氧化石墨烯分散液；

b. 配置二氧化钛分散液：在乙醇溶液或去离子水中配制二氧化钛分散液，二氧化钛的浓度为0.05- 0.5mg/ml，经超声波振荡后制备得到二氧化钛分散液；

c. 将二氧化钛分散液与石墨烯分散液共混，超声波震荡处理后，得到二氧化钛-石墨烯溶液分散液，其重量比例为二氧化钛：石墨烯=1:5-1:30 , 得到氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料。

所述二氧化钛-石墨烯溶液分散液中，二氧化钛与石墨烯优选的重量比例为1:15。

一种由上述复合涂料制备得到的超疏水耐磨石墨烯复合涂层，由二氧化钛和石墨烯组成疏水表面，其重量比在1: 5-1:30之间，所述石墨烯为双层或少层石墨烯，复合涂层的厚度在15nm-50nm之间，透光率>95%，该疏水表面与水滴的接触角在145°-160°之间，水滴在该疏水表面的滚动角<8°。

所述二氧化钛与石墨烯的优选重量比为1:15，所述石墨烯层为双层石墨烯，复合涂层的厚度在20-30nm之间。

一种制备超疏水耐磨石墨烯复合涂层的方法，步骤如下：

a. 预清洁：清洗真空玻璃管，清洗先采用氨水、双氧水和去离子水的混合溶液煮沸处理，再采用盐酸、双氧水和去离子水的混合溶液煮沸处理，最后用乙醇冲洗干净；

b. 喷涂：取氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛的复合涂料加入喷枪或喷雾设备或喷涂设备中，在玻璃上进行喷射或喷涂，喷射距离为5-8cm，均匀制备氧化石墨烯基涂层;

c. 固化和还原：将涂覆后的玻璃放入烘箱，调节烘箱温度为55-65℃，烘干30分钟，烘干后对玻璃上的复合涂层用紫外光进行照射，灯管和样品的距离为10-15cm，照射时间超过12 小时，对复合涂层进行还原氧化石墨烯，得到超疏水耐磨石墨烯复合涂层。

一种包含超疏水耐磨石墨烯复合涂层的耐磨损自清洁太阳能集热管，包含玻璃外管及套设于其内的金属内管，二者之间形成密闭空腔，所述玻璃外管的内、外壁分别涂覆有增透涂层，在各增透涂层外覆有超疏水耐磨石墨烯复合涂层，复合涂层的厚度在15nm-50nm之间。

所述金属内管外涂覆有选择性吸收涂层。

所述金属内管和玻璃外管的两端通过端盖、波纹管和金属玻璃封接环密封连接，所述密闭空腔为真空空腔。

所述增透涂层为纳米粒子二氧化硅，其厚度为15nm-2000nm，优选为20-1000nm。

本发明所产生的技术效果如下。

1、从商用集热太阳能系统的应用来看，主要应用区域是在光照资源丰富的荒漠区域，需要对沙尘有良好的清洁能力，同时能抵御沙尘对表面的侵蚀。因此选用超疏水性石墨烯复合涂层，选择双层或少层（3-5层）石墨烯涂料，优选双层石墨烯，其具有很高的透光率（>95%）。同时石墨烯具有高导热能力，对玻璃的热传输或热反射不会产生负面的影响。石墨烯的高耐候性和高硬度，使其表面有很好的抗侵蚀、耐沙尘刮擦能力。

2、超疏水性能减少了集热管的脏污，能很大程度上实现自清洁的功能即不粘尘、耐油污。在自然雨水的冲刷下，因其疏水性能强，可以实现达到灰尘随雨水自行流淌。可显著减少集热管玻璃的清洗工作量和清洗用水量，提升热电转换效率，实现槽式太阳能核心部件集热系统长期稳定工作。

3、石墨烯具有超高硬度，能抵抗沙尘对槽式太阳能核心部件集热系统表面的侵蚀，保护玻璃表面，耐酸碱、耐候性强，适应恶劣环境。纳米二氧化钛的加入能够增加表面的接触角，同时减小滚动角，进一步提升疏水性能，二氧化钛还可以通过光催化降解油性有机污染物，从而实现涂层的长效自清洁功能，从而达到更加好的自清洁效果。

4、超疏水耐磨石墨烯复合涂层具有很强的超疏水能力、高透光率、高耐候性、高硬度的性能。石墨烯复合涂层的高透光率和增透功能涂层的结合使用，可以综合提升光热转换效率，在长期使用中保持集热管稳定的性能。

附图说明

图1为本发明的集热管结构示意图。

图2为本发明的玻璃及玻璃表面涂层的截面示意图。

图3为本发明的金属内管及其表面涂层的截面示意图。

具体实施方式

本发明保护一种氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛的复合涂料、用该复合涂料制备获得的超疏水耐磨石墨烯复合涂层及涂覆该涂层的太阳能集热管。

制造氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料的方法，包括以下步骤：

a. 配置氧化石墨烯分散液：在乙醇溶液或去离子水中配制氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯的浓度为0.05- 0.5mg/ml，经超声波振荡后制备得到氧化石墨烯分散液；

b. 配置二氧化钛分散液：在乙醇溶液或去离子水中配制二氧化钛分散液，二氧化钛的浓度为0.05- 0.5mg/ml，经超声波振荡后制备得到二氧化钛分散液；

c. 将二氧化钛分散液与石墨烯分散液共混，超声波震荡处理后，得到二氧化钛-石墨烯溶液分散液，其重量比例为二氧化钛：石墨烯=1:5-1:30，优选控制在1:15, 即得到氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料。

一种由上述复合涂料为原料制备得到的超疏水耐磨石墨烯复合涂层，由二氧化钛和石墨烯组成疏水表面，其重量比在1: 5-1:30之间，优选控制在1:15，石墨烯可选双层或少层石墨烯（3-5层），优选双层石墨烯，复合涂层的厚度在15nm-50nm之间，优选在20-30nm之间，透光率>95%，该疏水表面与水滴的接触角在145°-160°之间，水滴在该疏水表面的滚动角<8°。

本发明还保护用上述复合涂料制备而得的超疏水耐磨石墨烯复合涂层的方法，其制备步骤如下：

a. 预清洁：清洗真空玻璃管，清洗先采用氨水、双氧水和去离子水的混合溶液煮沸处理，再采用盐酸、双氧水和去离子水的混合溶液煮沸处理，最后用乙醇冲洗干净；

b. 喷涂：取氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛的复合涂料加入喷枪或喷雾设备或喷涂设备中，在玻璃上进行喷射或喷涂，喷射距离为5-8cm，均匀制备氧化石墨烯基涂层;

c. 固化和还原：将涂覆后的玻璃放入烘箱，调节烘箱温度为55-65℃，烘干30分钟，烘干后对玻璃上的复合涂层用紫外光进行照射，灯管和样品的距离为10-15cm，照射时间超过12 小时，二氧化钛将氧化石墨烯还原为石墨烯，得到超疏水耐磨石墨烯复合涂层。

该超疏水耐磨石墨烯复合涂层，其基体为石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛。纳米二氧化钛的加入能够增加表面的接触角，同时减小滚动角，进一步提升疏水性能。另外二氧化钛还可以通过光催化降解油性有机污染物，从而实现涂层的长效自清洁功能，从而达到更加好的自清洁效果。

另外，本发明还重点保护涂覆有超疏水耐磨石墨烯复合涂层的耐磨损自清洁太阳能集热管，结合图1及图2所示，其包含玻璃外管4及套设于其内的金属内管7，二者之间形成密闭真空空腔。玻璃外管4的内、外壁上分别涂覆有增透涂层3，在各增透涂层3外涂覆有超疏水耐磨石墨烯复合涂层2。金属内管7和玻璃外管4的两端通过端盖11、波纹管10和金属玻璃封接环9密封连接。

增透涂层3可选用纳米粒子二氧化硅，其厚度为15nm-2000nm，优选的厚度为20-1000nm。

如图3所示，金属内管7可为铜管或不锈钢管或铜铝复合管或铝管，其表面涂覆有选择性吸收涂层6。

Claims (10)

1.一种制造氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a. 配置氧化石墨烯分散液：在乙醇溶液或去离子水中配制氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯的浓度为0.05- 0.5mg/ml，经超声波振荡后制备得到氧化石墨烯分散液；

b. 配置二氧化钛分散液：在乙醇溶液或去离子水中配制二氧化钛分散液，二氧化钛的浓度为0.05- 0.5mg/ml，经超声波振荡后制备得到二氧化钛分散液；

c. 将二氧化钛分散液与石墨烯分散液共混，超声波震荡处理后，得到二氧化钛-石墨烯溶液分散液，其重量比例为二氧化钛：石墨烯=1:5-1:30 , 得到氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料。

2.如权利要求1所述的氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛复合涂料，其特征在于，所述二氧化钛-石墨烯溶液分散液中，二氧化钛与石墨烯重量比例为1:15。

3.一种由权利要求1的复合涂料制备得到的超疏水耐磨石墨烯复合涂层，其特征在于，由二氧化钛和石墨烯组成疏水表面，其重量比在1: 5-1:30之间，所述石墨烯为双层或少层石墨烯，复合涂层的厚度在15nm-50nm之间，透光率>95%，该疏水表面与水滴的接触角在145°-160°之间，水滴在该疏水表面的滚动角<8°。

4.如权利要求3所述的超疏水耐磨石墨烯复合涂层，其特征在于，所述二氧化钛与石墨烯的重量比为1:15，所述石墨烯层为双层石墨烯，复合涂层的厚度在20-30nm之间。

5.一种制备权利要求5的超疏水耐磨石墨烯复合涂层的方法，其特征在于，步骤如下：

a. 预清洁：清洗真空玻璃管，清洗先采用氨水、双氧水和去离子水的混合溶液煮沸处理，再采用盐酸、双氧水和去离子水的混合溶液煮沸处理，最后用乙醇冲洗干净；

b. 喷涂：取氧化石墨烯和光催化活性纳米粒子二氧化钛的复合涂料加入喷枪或喷雾设备或喷涂设备中，在玻璃上进行喷射或喷涂，喷射距离为5-8cm，均匀制备氧化石墨烯基涂层;

c. 固化和还原：将涂覆后的玻璃放入烘箱，调节烘箱温度为55-65℃，烘干30分钟，烘干后对玻璃上的复合涂层用紫外光进行照射，灯管和样品的距离为10-15cm，照射时间超过12 小时，对复合涂层进行还原氧化石墨烯，得到超疏水耐磨石墨烯复合涂层。

6.一种包含权利要求5制得的超疏水耐磨石墨烯复合涂层的耐磨损自清洁太阳能集热管，其特征在于，包含玻璃外管及套设于其内的金属内管，二者之间形成密闭空腔，所述玻璃外管的内、外壁分别涂覆有增透涂层，在各增透涂层外覆有超疏水耐磨石墨烯复合涂层，该复合涂层的厚度在15nm-50nm之间。

7.如权利要求6所述的耐磨损自清洁太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管外涂覆有选择性吸收涂层。

8.如权利要求6所述的耐磨损自清洁太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管和玻璃外管的两端通过端盖、波纹管和金属玻璃封接环密封连接，所述密闭空腔为真空空腔。

9.如权利要求6所述的耐磨损自清洁太阳能集热管，其特征在于，所述增透涂层为纳米粒子二氧化硅，其厚度为15nm-2000nm。

10.如权利要求9所述的耐磨损自清洁太阳能集热管，其特征在于，所述增透涂层厚度为20-1000nm。