CN110002767B - 一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅源与有机溶剂混合，在酸催化进行一次溶胶凝胶反应得到混合溶胶A；(2)向混合溶胶A中加入有机硅氧烷和表面活性剂，搅拌下进行二次溶胶凝胶反应得到混合溶胶B；(3)陈化混合溶胶B，再涂覆、热处理即得到所述疏水涂膜。本发明通过两步溶胶凝胶法和优选的有机溶剂制备涂膜前驱体(即混合溶胶B)，涂覆后得到的薄膜具有高疏水性且透光率高，还具有防雾性能，可以提高太阳能光伏玻璃的透光率，并提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法
技术领域
本发明属于涂层材料领域，尤其涉及一种用于光伏玻璃的涂膜的制备方法。
背景技术
太阳能是现在及未来最清洁、安全和可靠的能源之一。随着世界范围内石油、煤炭等传统能源供应的持续紧张，太阳能的高效利用显得极为重要。我国光照资源充沛，相关应用技术比较成熟，很大程度的满足了现在以及未来的能源需求。当前，我国太阳能产品的年产量约占全球45％左右，是世界上最大的太阳能产品生产国及出口国，产品主要包括高纯多晶硅、太阳能电池、太阳能电池组件等。目前，太阳能的利用主要有太阳能光热转换和光伏转换两种方式，而光热转换组件和光伏发电组件都需要用光伏玻璃封装。光伏玻璃的作用主要是封装保护和固定支撑(盖板光伏玻璃，如超白压延玻璃)、传递和控制光线(透明光伏玻璃，如ITO镀膜玻璃)和传输光伏转换电流(聚光组件光伏玻璃，如抛物面反光玻璃)等。要提高太阳能电池的转换效率，必须要提高光伏玻璃的透光率，因此需要在光伏玻璃表面镀一层膜，使其能够减少太阳光在玻璃表面的反射，即增加玻璃的透过率。
太阳能装置在长时间工作过程中，会一直受到阳光曝晒、风雪侵袭、有害气体腐蚀、灰尘冲击等不利因素的影响，而且太阳能装置经常在湿工况下进行工作，如热空气流经转换组件时，会导致大量水分在组件表面冷凝。由于太阳能转换组件之间排列距离很小，冷凝的水珠很难排除，凝结水越积越多从而形成较厚的水膜，不仅导致光伏玻璃的透光率和光通量较快地降低，而且会缩短其使用寿命。因此，需要对光伏玻璃进行表面处理。
目前，最有发展前景和性价比最高的方法是在光伏玻璃表面涂覆一层高透光率的疏水涂膜，其不仅可以保护光伏玻璃免受各种外源因素的侵害，而且能够尽快疏导凝结水，使其不滞留在组件片间。目前所用到的涂膜在透光率、疏水性方面的效果有待进一步提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，该涂膜具有优异的疏水性且透光率高，还具有防雾性能。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅源与有机溶剂混合，在酸催化进行一次溶胶凝胶反应得到混合溶胶A；上述酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、甲酸和乙酸中的一种或几种；
(2)向混合溶胶A中加入有机硅氧烷和表面活性剂(如果需要，还要补充加入有机溶剂)，搅拌下进行二次溶胶凝胶反应得到混合溶胶B；
(3)陈化混合溶胶B，再涂覆、热处理即得到所述疏水涂膜。上述涂覆方式可以采用旋涂、辊涂、喷涂、刷涂或浸渍提拉法涂覆。
上述制备方法中，优选的，所述硅烷为正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯。
上述制备方法中，优选的，所述的有机溶剂为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙二醇丁醚、乙二醇二丁醚和乙酸乙酯中的一种或多种。有机溶剂的使用可以使膜层在热处理后具有更高的孔隙率，从而具有更高的透光率。本实施例中，优选的有机溶剂的用量与硅源的用量需要得到合理的控制，我们研究表明，控制硅源与有机溶剂的摩尔比为1：(8-10)，更优选的，控制硅源与有机溶剂的摩尔比为1：10。上述摩尔比的控制对混合溶胶A粒径性质有较大的影响，最终得到的疏水涂膜的疏水性和透光率高。
上述制备方法中，优选的，所述有机硅氧烷为全氟癸基三乙氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷和六甲基二硅胺烷中的一种或多种。发明人研究表明，采用上述特定的有机硅氧烷可以与混合溶胶A进行二次溶胶凝胶反应得到混合溶胶B，经涂膜后，涂膜的综合性能更好。更优选的，本发明中的有机硅氧烷采为全氟癸基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和正癸基三甲氧基硅烷按摩尔比为1：(1-3)：(2-4)(进一步优选的为1：2：2)混合后得到的混合有机硅氧烷，发明人研究表明，采用多种特定的有机硅氧烷，并控制其摩尔比，相比于采用单一有机硅氧烷的情况，薄膜具有更高的孔隙率，增透效果及防雾性能更优。
上述制备方法中，优选的，所述表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚和/或十六烷基三甲基溴化铵。本发明中，我们研究表明，聚乙二醇辛基苯基醚为更优选的表面活性剂，聚乙二醇辛基苯基醚与上述混合有机硅氧烷相互协同作用更优，制备得到的疏水涂膜的疏水性和透光率更优。
上述制备方法中，优选的，控制所述硅源和有机硅氧烷的质量比为(10-13)：(0.1-10)。发明人研究表明，硅源和有机硅氧烷的质量比对疏水涂膜的综合性能有非常大的影响，有机硅氧烷加入量过多，混合溶胶B后期的涂覆性能差，有机硅氧烷加入量过少，疏水涂膜的疏水性、透光率等性能难以保证。
上述制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，一次溶胶凝胶反应在室温下进行，反应时间为4-6h，pH控制为2-3，并控制混合溶胶A中溶胶粒径为10-30nm。上述反应过程中的pH值与粒径控制可以便于后期形成更均匀的薄膜。
上述制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，二次溶胶凝胶反应在60-80℃下进行，反应时间为4-6h，并控制混合溶胶B中溶胶粒径为30-50nm，固含量为10-20％。上述反应过程中的pH值、粒径和固含量的控制可以便于后期形成更均匀的薄膜。
上述制备方法中，优选的，所述步骤(3)中，陈化时间为1-7d，热处理温度为120-200℃。
发明人研究表明，单独的二氧化硅溶胶也具有增透能力，但是二氧化硅属于无机物，无机薄膜脆性大，易开裂，不耐久。本发明中通过在二氧化硅溶胶中加入优选的有机硅氧烷，有机硅氧烷与二氧化硅溶胶通过溶胶凝胶反应得到混合溶胶，不仅可以改善疏水涂膜的开裂现象，还能提高透光率，增加膜层硬度和韧性。值得强调的是，考虑到本申请中采用的优选有机硅氧烷碳链较长等因素，本申请采用两步溶胶凝胶法制备混合溶胶B，相比于常规的一步溶胶法或其他制备方法，两步溶胶凝胶法最终涂覆后得到的涂膜的综合性能更好，涂膜的稳定性更好，透光率与疏水性更优。同时由于涂膜的疏水性好，水汽不易在薄膜表面聚集，使得涂膜还具备防雾性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过两步溶胶凝胶法和优选的有机溶剂制备涂膜前驱体(即混合溶胶B)，涂覆后得到的薄膜具有高疏水性且透光率高，还具有防雾性能，可以提高太阳能光伏玻璃的透光率，并提高太阳能电池的光电转换效率。
2、本发明得到的混合溶胶B的稳定性高，可保存半年及以上，溶胶不发生凝胶，具有持久增透能力。
3、本发明的制备方法流程简单，设备单一，成本低，性能好，安全环保，易于实现工业生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中两次溶胶凝胶法的流程示意图。
图2为实施例1中疏水涂膜的接触角测试图。
图3为实施例1中疏水涂膜的原子力显微镜图。
图4为实施例1中疏水涂膜的透过率图。
图5为实施例1中疏水涂膜的防雾测试图(图中左边为空白玻璃、右边为涂膜玻璃)。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明中采用的硅源、有机溶剂、酸、有机硅氧烷均为市售化学纯试剂，去离子水为实验室自制。
实施例1：
如图1所示，一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，异丙醇120.2g(2mol)，去离子水9g(0.5mol)混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到平均粒径为10nm左右的二氧化硅溶胶；
(2)升高温度至60℃，加入全氟癸基三乙氧基硅烷3.1g，异丙醇146.9g，乙二醇丁醚4.8g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，搅拌下反应6h后停止反应，待温度降至室温，取出过滤，得到固含量10％-20％，平均粒径为15nm的混合溶胶B(适用期为6-8个月)；
(3)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使混合溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚约30nm。
本实施例中透光率采用紫外可见分光光度计测试样品在400nm-800nm的可见光范围内的透过率，采用静态接触角仪测试涂膜与水的接触角，表征其亲疏水性。采用原子力显微镜AFM测试涂膜表面形貌及粗糙度。
本实施例中利用涂膜在热水表面起雾情况(即透过涂膜观察事物的清晰度)表征其防雾性能，并测试其在防雾前后透过率的变化情况，具体测试步骤为：将混合溶胶B涂在30mm×30mm的玻璃片，干燥后测试其透过率，用T1表示。在盛有80℃热水的烧杯底部放一张印有英文的纸片，将空白玻璃与涂膜后的玻璃分别置于的烧杯表面，涂膜的一面朝下，涂膜距水面的距离约3cm，透过涂膜观察纸片的清晰程度并与未涂膜玻璃的情况对比，在玻璃变模糊后取下，干燥后测试它的透过率，并用T2表示。用T2-T1表示防雾前后透过率的变化值。
如图2-5所示，经测定，本实施例中，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在可见光范围内透过率增加5.9％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角为107.5°，防雾时间可达5min以上，且防雾前后透过率减少(T2-T1)小于1％。，AFM测试结果显示薄膜的均方根粗糙度为0.62nm，说明薄膜表面非常均匀，这样的表面不易引起散射，具有高透过率。
实施例2：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，异丙醇108.2g(1.8mol)，去离子水9g(0.5mol)混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到平均粒径为20nm左右的二氧化硅溶胶；
(2)升高温度至60℃，加入全氟癸基三乙氧基硅烷3.1g，异丙醇146.9g，乙二醇丁醚4.8g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g搅拌下反应6h后停止反应，待温度降至室温，取出过滤，得到固含量10％-20％，平均粒径为25nm的混合溶胶B(适用期为6-8个月)；
(3)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使混合溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚为50nm。
本实施例的测定方法与实施例1相同，经测定，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在400nm-800nm的可见光范围内透过率增加4.7％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角为104.3°，防雾时间可达5min以上，且防雾前后透过率减少(T2-T1)小于1％。
实施例3：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，无水乙醇73.6g(1.6mol)，去离子水9g(0.5mol)混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到平均粒径为15nm左右的二氧化硅溶胶；
(2)升高温度至60℃，加入正癸基三甲氧基硅烷13.12g，无水乙醇35.43g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，搅拌下反应6h后停止反应，待温度降至室温，取出过滤，得到固含量10％-20％，平均粒径为20nm的混合溶胶B(适用期为6-8个月)；
(3)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使混合溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚约为40nm。
本实施例的测定方法与实施例1相同，经测定，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在400nm-800nm的可见光范围内透过率增加4.9％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角为102.3°。防雾时间可达5min以上，且防雾前后透过率减少(T2-T1)小于1％。
实施例4：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，异丙醇108.2g(1.8mol)，去离子水9g(0.5mol)混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到平均粒径粒径为10nm左右的二氧化硅溶胶；
(2)升高温度至60℃，按照摩尔比1：1加入正癸基三甲氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的混合物12.8g，异丙醇34.5g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，搅拌下反应6h后停止反应，待温度降至室温，取出过滤，得到固含量10％-20％，平均粒径为15nm左右的混合溶胶B(适用期为6-8个月)；
(3)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使混合溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚约为30nm。
本实施例的测定方法与实施例1相同，经测定，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在400nm-800nm的可见光范围内透过率增加5.5％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角为99.6°。防雾时间可达5min以上，且防雾前后透过率减少(T2-T1)小于1％。
实施例5：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，异丙醇120.2g(2mol)，去离子水9g(0.5mol)混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到平均粒径为10nm左右的二氧化硅溶胶；
(2)升高温度至60℃，按照摩尔比1：2：2加入全氟癸基三乙氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的混合物16.3g，无水乙醇44.01g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，搅拌下反应6h后停止反应，待温度降至室温，取出过滤，得到固含量10％-20％，平均粒径为15nm左右的混合溶胶B(适用期为6-8个月)；
(3)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使混合溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚约为30nm。
本实施例的测定方法与实施例1相同，经测定，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在400nm-800nm的可见光范围内透过率增加6.5％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角为107.8°。防雾时间可达5min以上，且防雾前后透过率减少(T2-T1)小于1％。
实施例6：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，异丙醇120.2g(2mol)，去离子水9g(0.5mol)混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到平均粒径为10nm左右的二氧化硅溶胶；
(2)升高温度至60℃，按照摩尔比1：2：2加入全氟癸基三乙氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的混合物3.1g，无水乙醇44.01g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，搅拌下反应6h后停止反应，待温度降至室温，取出过滤，得到固含量10％-20％，平均粒径为15nm左右的混合溶胶B(适用期为6-8个月)；
(3)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使混合溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚约为30nm。
本实施例的测定方法与实施例1相同，经测定，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在400nm-800nm的可见光范围内透过率增加6.1％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角为107.5°。防雾时间可达5min以上，且防雾前后透过率减少(T2-T1)小于1％。
对比例1：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，全氟癸基三乙氧基硅烷3.1g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，无水乙醇73.6g(1.6mol)，去离子水9g(0.5mol)，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到粒径为10nm-30nm，固含量约为10％的增透溶胶；
(2)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚约为30nm。
本对比例的测定方法与实施例1相同，经测定，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在400nm-800nm的可见光范围内透过率增加3.1％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角为96.8°，防雾时间远小于5min，且防雾前后透过率显著降低。
对比例2：
一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在三口烧瓶中加入正硅酸乙酯41.67g(0.2mol)，异丙醇73.6g(1.6mol)，去离子水9g(0.5mol)混合搅拌，加入盐酸调节pH为2-3，搅拌下反应4h，得到粒径为10nm-30nm，固含量约为10％的增透溶胶；
(2)升高温度至60℃，加入全氟癸基三乙氧基硅烷0.2g，异丙醇146.9g，乙二醇丁醚4.8g，聚乙二醇辛基苯基醚0.03g，搅拌下反应6h后停止反应，待温度降至室温，取出过滤，得到固含量10％-20％，粒径为30-50nm的混合溶胶B(适用期为6-8个月)；
(3)陈化1-7d待用，基底采用30mm×30mm的太阳能光伏玻璃，用匀胶机在5000rpm/min的转速下旋涂60s，使溶胶B均匀涂覆在玻璃表面，薄膜在120-200℃热处理，形成的薄膜膜厚约为30nm。
本对比例的测定方法与实施例1相同，经测定，与未涂膜玻璃相比，涂膜玻璃在400nm-800nm的可见光范围内透过率增加2.8％，涂膜经静态接触角仪测试，结果表明接触角86.8°，无明显防雾效果。

Claims (4)

1.一种用于光伏玻璃的高透光率疏水涂膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将硅源与有机溶剂混合，在酸催化进行一次溶胶凝胶反应得到混合溶胶A；
（2）向混合溶胶A中加入有机硅氧烷和表面活性剂，搅拌下进行二次溶胶凝胶反应得到混合溶胶B；
（3）陈化混合溶胶B，再涂覆、热处理即得到所述疏水涂膜；
所述硅源为正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；
所述有机硅氧烷为全氟癸基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和正癸基三甲氧基硅烷按摩尔比为1：（1-3）：（2-4）混合后的混合有机硅氧烷；
控制所述硅源和有机硅氧烷的质量比为（10-13）：（0.1-10）；
所述步骤（1）中，一次溶胶凝胶反应在室温下进行，反应时间为4-6 h，pH控制为2-3，并控制混合溶胶A中溶胶粒径为10-30 nm；
所述步骤（2）中，二次溶胶凝胶反应在60-80℃下进行，反应时间为4-6 h，并控制混合溶胶B中溶胶粒径为30-50 nm，固含量为10-20%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙二醇丁醚、乙二醇二丁醚和乙酸乙酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚和/或十六烷基三甲基溴化铵。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，陈化时间为1-7 d，热处理温度为120-200 ℃。
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