CN110304837A - 一种具有防静电、疏水、增透功能的玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有防静电、疏水、增透功能的玻璃及其制备方法。首先采用溶胶凝胶法分别制备增透溶胶和防静电疏水溶胶，然后利用提拉镀膜法在玻璃表面镀上一定层次、数量的增透膜、防静电疏水膜即可。在这一过程中，控制薄膜厚度、改性剂掺量以及热处理制度，可调控薄膜的折射率、透过率、反射率等性能指标，由此制得的玻璃同时具有防静电、疏水、增透多重功能，尤其适合作为免清洗维护的太阳能电池盖板，应用于干旱、多尘地区。

Description

一种具有防静电、疏水、增透功能的玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及玻璃材料技术领域，具体涉及一种具有防静电、疏水、增透等多重功能的玻璃及其制备方法。
背景技术
近年来光伏产业发展越来越迅速，在化石能源短缺的背景下，对太阳能资源的充分利用显得尤为重要。太阳能电池的发电效率主要取决于单晶硅的光能转化率，单晶硅的光能转化率由光伏芯片的性能决定，然而目前光伏芯片的性能已很难在技术上取得更大的突破。也就是说单晶硅对光能的转化率已经接近极限，想要进一步提升太阳能电池的发电效率只能另辟蹊径。
作为光伏电池的重要组成部分之一，玻璃盖板除了保护内部组件免受雨水侵害以外，其对太阳光透过率的高低也能对光伏电池的发电效率产生直接影响。因此从光伏电池玻璃盖板入手，提高玻璃对光的透过率是一种进一步提升光伏电池发电效率的可行方法。除此之外，户外大型高清LED显示屏玻璃也需要较高的透过率，并且户外大型玻璃清洗步骤繁琐、成本较高，若该玻璃具有表面疏水性和防静电功能，则灰尘和液体不会在玻璃表面聚集，并且液体在移动的过程中可带走玻璃表面的污渍，从而起到自清洁、免维护的效果。
提高玻璃盖板透过率可从以下三方面入手。第一，在玻璃表面制备增透膜。玻璃自身对光的反射约为8％，纳米二氧化硅薄膜具有减反射的效果，其折射率介于空气和基板之间，能减少或消除玻璃表面的反射光，从而增加透光量。此外，二氧化硅薄膜还可以有效降低光在传播过程中的损耗，有效提高太阳能电池系统的能量利用效率。第二，在玻璃表面制备防静电膜。玻璃是绝缘体，与干燥的空气摩擦之后会产生大量静电且不易释放掉，空气中的灰尘很容易被静电吸附到玻璃表面，显著降低了光的透过率。当在玻璃表面镀覆防静电薄膜后，由于防静电薄膜的电阻率低于玻璃，电荷无法在玻璃表面聚集使得灰尘不会被吸附，玻璃对光的透过率不会降低。第三，在玻璃表面制备疏水层。疏水表面具有良好的自清洁性能，液体不容易润湿玻璃表面且容易移动，移动过程中又能带走玻璃表面的灰尘，从而进一步防止灰尘积累而降低玻璃透过率。
现有技术中，CN108383396A公开了一种具有增透膜和防静电自清洁膜的双层膜玻璃，该玻璃包括以二氧化硅为主要成分的增透膜层和以导电纳米微粒为主要成分的防静电自清洁膜层，其整体表现出亲水性。这样一来存在一个很大的问题：由于该玻璃表面亲水，水将促进污垢沉积并且容易产生水渍，这将在很大程度上抵消由防静电膜层带来的自清洁作用。一个解决办法是在玻璃表面额外增设疏水膜层，这样不仅工艺复杂、成本较高，而且新增加的膜层会显著降低玻璃整体的抗静电性、透光率，得不偿失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有防静电、疏水、增透功能的玻璃，在玻璃表面镀有增透膜和防静电疏水膜，所述增透膜、防静电疏水膜的数量为1-20层。
进一步的，增透膜和防静电疏水膜的层数具体为3层和1层，排列方式为增透膜-增透膜-增透膜-防静电疏水膜。
上述玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：(a)利用水、乙醇、正硅酸四乙酯、pH调节剂、甲酰胺配制增透溶胶，利用水、乙醇、正硅酸四乙酯、pH调节剂、导电剂、疏水改性剂配制防静电疏水溶胶；(b)根据膜层结构，分别利用增透溶胶和防静电疏水溶胶在清洁的玻璃表面镀膜即可。
进一步的，配制增透溶胶的过程具体如下：按照3-5:30-40:1-8的摩尔比将水、乙醇、正硅酸四乙酯混合，然后加入适量pH调节剂使溶液的pH维持在3-8，再加入相当于溶液总体积0.05％-2％的甲酰胺，接着加热至40-75℃磁力搅拌4-8h，最后将混合液转入室温环境下静置陈化24-48h即可。
进一步的，配制防静电疏水溶胶的过程具体如下：按照3-5:30-40:1-8的摩尔比将水、乙醇、正硅酸四乙酯混合，然后加入适量pH调节剂使溶液的pH维持在3-8，接着加热至40-75℃磁力搅拌4-8h，将混合液转入室温环境下静置陈化6-24h得到硅溶胶，依次向硅溶胶中滴加相当于正硅酸四乙酯摩尔数5％-40％、30％-70％的导电剂、疏水改性剂即可。其中导电剂一次性滴加，且滴加完成后需继续搅拌30-120min；疏水改性剂分多次滴加，且滴加时间控制在90min-150min。
进一步的，所述pH调节剂具体为稀盐酸溶液，所述导电剂具体为3％-5％(摩尔百分数)锑掺杂的氧化锡，所述疏水改性剂具体为六甲基二硅氮烷(HMDS)。正硅酸四乙酯提供硅源，由此形成的SiO2薄膜更加均匀能够使玻璃增透，且硅溶胶内存在大量羟基可以与六甲基二硅氮烷反应，被替换成疏水基团甲基。甲酰胺能促进溶胶的形成，在烧结中能减少薄膜开裂，并且具有廉价易得的优点。
进一步的，采用提拉镀膜法在玻璃表面镀膜，提拉速度控制在20-100mm/min，浸渍时间为5-200s。
进一步的，每次用增透溶胶在玻璃表面完成镀膜后，需将玻璃置于300-500℃环境中热处理10-60min；每次用防静电疏水溶胶在玻璃表面完成镀膜后，需将玻璃置于150-350℃环境中热处理15-60min。
进一步的，玻璃在镀膜之前需进行充分的清洗并烘干，包括去离子水超声清洗、无水乙醇超声清洗。
进一步的，步骤(b)中镀膜完成后还需要将玻璃置于由疏水改性剂和醇溶剂组成的混合溶液中浸泡12-36h，然后取出干燥。
与现有技术尤其是CN108383396A相比，本发明具有以下有益效果：(1)防静电疏水溶胶中的导电剂经热处理后，变为导电性优异的纳米微粒并均匀附着在玻璃表面使其具有导电性，能将想要积聚在玻璃表面的电荷迅速导出，使灰尘无法通过静电吸附作用附着于玻璃上，这对于提高光伏玻璃的透光率具有重要作用。
(2)在玻璃表面形成防静电膜的同时赋予其疏水功能，一步到位，既不会增加膜层厚度又显著提高了玻璃表面疏水性，使其自清洁能力得到了极大加强。利用该玻璃制得的光伏太阳能电池板在干旱、多尘地区的使用结果表明，太阳能玻璃面板的清洗次数显著降低，只需通过少量水滴的滚落将灰尘冲刷带走。
(3)本发明提供的镀膜方法只需将玻璃浸入溶胶-凝胶法制备得到的增透膜溶胶和防静电疏水溶胶中，通过很短时间的表面处理结合热固化即可，整个工艺流程具有简单、快速、易于操作等特点，在工业生产中具有良好的前景。
(4)在制备增透膜的过程中加入了成膜剂，有利于促进薄膜在玻璃表面形成，且镀膜更加均匀。实验表明该玻璃在380-840nm波长范围内具有90％以上的透过率，最高透过率达95％，运用于光伏电池玻璃盖板显著提高了光伏电池对光的利用率。
附图说明
图1为本发明镀膜玻璃结构示意图；
图2为实施例1制得的双层镀膜玻璃、空白玻璃透射光谱测试结果对照图；
图3为实施例2制得的双层镀膜玻璃、空白玻璃水接触角测试结果对照图。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
本发明所使用的锑掺杂氧化锡导电剂为自制，具体制备过程如下：将4.38g五水氯化锡溶于40mL无水乙醇中，常温下磁力搅拌30min；将0.0855g三氯化锑溶于10mL无水乙醇中，常温下磁力搅拌30min；将上述两种溶液混合后磁力搅拌30min，接着转移至压力釜中于200℃下反应2h。本发明所使用的其他原料均为普通市售。
实施例1
(1)制备增透溶胶：将86.5mL无水乙醇、10.2mL正硅酸四乙酯、3.3mL去离子水混合，用稀盐酸调节混合液的pH至4，再加入0.1mL甲酰胺，将所得混合液加热至40℃并保温磁力搅拌4h，最后降至室温静置陈化24h，备用。
(2)制备防静电疏水溶胶：将86.5mL无水乙醇、10.2mL正硅酸四乙酯、3.3mL去离子水混合，用稀盐酸调节溶液pH至4，将所得混合液加热至40℃并保温磁力搅拌4h，最后降至室温静置陈化24h得到硅溶胶。将25.9mL导电剂逐滴加入到硅溶胶中，滴加过程持续1h左右。导电剂滴加完成后，将3mL六甲基二硅氮烷分4批逐滴加入到溶胶中，滴加过程持续2h左右。导电剂和六甲基二硅氮烷滴加过程中保持磁力搅拌。
(3)将待镀的太阳能光伏电池玻璃盖板依次用去离子水、无水乙醇超声洗洗干净后烘干，采用提拉镀膜仪以增透溶胶为原料在玻璃盖板表面进行镀膜，提拉速度40mm/min，静止时间30s，重复提拉次数为3次。镀膜完成后，将玻璃盖板置于马弗炉内进行热处理，热处理温度500℃，热处理时间15min。
(4)以防静电疏水溶胶为原料，同样的采用提拉镀膜仪在镀有增透膜的玻璃上进行二次镀膜。提拉速度40mm/min，静止时间30s，重复提拉次数为5次。二次镀膜完成后，将玻璃盖板置于马弗炉内进行热处理，热处理温度200℃，热处理时间30min，最终在镀有增透膜的玻璃表面再镀覆上一层防静电疏水薄膜，其结构如图1所示。
对制得的双镀层玻璃以及空白玻璃(经表面清洗干净、未镀任何膜层的玻璃)进行了透射光谱测试，采用可见分光光度计测试玻璃对380-900nm波长光的透过率，结果如图2所示。图2表明，本实施例制得的双镀层玻璃峰值透过率接近95％，而空白玻璃的峰值透过率仅在91％左右，说明该双层薄膜具有提高玻璃通过率的效果。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(2)中六甲基二硅氮烷的用量为4mL，步骤(c)中所使用的玻璃为普通建筑玻璃，在防静电疏水膜形成之后，还需要将玻璃置于15％(质量分数)HMDS的乙醇溶液中浸泡24h。
分别对实施例2制得的双镀层玻璃及空白玻璃进行了接触角测试，结果如图3所示。图3表明空白玻璃表面亲水，镀覆双层薄膜后的玻璃接触角增大(提高了94.3°)，表明该双层薄膜的确赋予玻璃较好的疏水性。常温下对该玻璃进行了耐摩擦性能测试，将其表面的薄膜用酒精反复擦拭，擦拭1000次后薄膜在380-900nm波长光下的平均透过率仅下降0.4％。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(2)中导电剂的用量为30.2mL，六甲基二硅氮烷的用量为3.3mL，步骤(c)中所使用的玻璃为户外LED显示屏玻璃。测试结果表明，该双层镀膜玻璃具有与实施例1和2相同或类似的防静电、疏水、高透过率性能。
实施例4
(1)制备增透溶胶：将86.5mL无水乙醇、10.2mL正硅酸四乙酯、3.3mL去离子水混合，用稀盐酸调节混合液的pH至4，再加入0.1mL甲酰胺，将所得混合液加热至40℃并保温磁力搅拌4h，最后降至室温静置陈化24h，备用。
(2)制备防静电疏水溶胶：将86.5mL无水乙醇、10.2mL正硅酸四乙酯、3.3mL去离子水混合，用稀盐酸调节溶液pH至4，将所得混合液加热至40℃并保温磁力搅拌4h，最后降至室温静置陈化24h得到硅溶胶。将25.9mL导电剂逐滴加入到硅溶胶中，滴加过程持续1h左右。导电剂滴加完成后，将3mL六甲基二硅氮烷分4批逐滴加入到溶胶中，滴加过程持续2h左右。导电剂和六甲基二硅氮烷滴加过程中保持磁力搅拌。
(3)将待镀的太阳能光伏电池玻璃盖板依次用去离子水、无水乙醇超声洗洗干净后烘干，采用提拉镀膜仪以增透溶胶为原料在玻璃盖板表面进行镀膜，提拉速度40mm/min，静止时间30s，重复提拉次数为3次。镀膜完成后，将玻璃盖板置于马弗炉内进行热处理，热处理温度500℃，热处理时间15min。按照上述方法，依次在镀覆有一层增透膜的玻璃表面再次镀覆第二层、第三层增透膜。
(4)以防静电疏水溶胶为原料，同样的采用提拉镀膜仪在镀有三层增透膜的玻璃上进行第四次镀膜。提拉速度40mm/min，静止时间30s，重复提拉次数为5次。镀膜完成后，将玻璃盖板置于马弗炉内进行热处理，热处理温度200℃，热处理时间30min，最终在镀有三层增透膜的玻璃表面再镀覆上一层防静电疏水薄膜。
对镀覆有三层增透膜和一层导电膜的玻璃进行测试，测得该玻璃对380-780nm波长光的平均透过率为93％，峰值透过率为94.6％；其接触角为95.2°，薄膜方块电阻为1.42×105Ω/□。

Claims (10)

1.一种具有防静电、疏水、增透功能的玻璃，其特征在于在该玻璃表面镀有增透膜和防静电疏水膜，所述增透膜、防静电疏水膜的数量为1-20层。
2.如权利要求1所述的玻璃，其特征在于：增透膜和防静电疏水膜的层数具体为3层和1层，排列方式为增透膜-增透膜-增透膜-防静电疏水膜。
3.权利要求1或2所述具有防静电、疏水、增透功能的玻璃的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)利用水、乙醇、正硅酸四乙酯、pH调节剂、甲酰胺配制增透溶胶，利用水、乙醇、正硅酸四乙酯、pH调节剂、导电剂、疏水改性剂配制防静电疏水溶胶；
(b)根据膜层结构，分别利用增透溶胶和防静电疏水溶胶在清洁的玻璃表面镀膜即可。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于配制增透溶胶的过程具体如下：按照3-5:30-40:1-8的摩尔比将水、乙醇、正硅酸四乙酯混合，然后加入适量pH调节剂使溶液的pH维持在3-8，再加入相当于溶液总体积0.05％-2％的甲酰胺，接着加热至40-75℃磁力搅拌4-8h，最后将混合液转入室温环境下静置陈化24-48h即可。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于配制防静电疏水溶胶的过程具体如下：按照3-5:30-40:1-8的摩尔比将水、乙醇、正硅酸四乙酯混合，然后加入适量pH调节剂使溶液的pH维持在3-8，接着加热至40-75℃磁力搅拌4-8h，将混合液转入室温环境下静置陈化6-24h得到硅溶胶，依次向硅溶胶中滴加相当于正硅酸四乙酯摩尔数5％-40％、30％-70％的导电剂、疏水改性剂即可。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：导电剂一次性滴加，且滴加完成后需继续搅拌30-120min；疏水改性剂分多次滴加，且滴加时间控制在90min-150min。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述pH调节剂具体为稀盐酸溶液，所述导电剂具体为3％-5％锑掺杂的氧化锡，所述疏水改性剂具体为六甲基二硅氮烷。
8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：采用提拉镀膜法在玻璃表面镀膜，提拉速度控制在20-100mm/min，浸渍时间为5-200s；每次用增透溶胶在玻璃表面完成镀膜后，需将玻璃置于300-500℃环境中热处理10-60min；每次用防静电疏水溶胶在玻璃表面完成镀膜后，需将玻璃置于150-350℃环境中热处理15-60min。
9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：玻璃在镀膜之前需进行充分的清洗并烘干，包括去离子水超声清洗、无水乙醇超声清洗。
10.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(b)中镀膜完成后还需要将玻璃置于由疏水改性剂和醇溶剂组成的混合溶液中浸泡12-36h，然后取出干燥。
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