CN111205740A - 一种纳米陶瓷黑色涂料、涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米陶瓷黑色涂料，是由以下原料制成的：25％～30％粘结剂，35％～40％黑色着色剂，3％～5％消光剂，20％～25％有机溶剂，5％～10％水。其制备方法为：(1)将粘结剂和消光剂混合，混匀；(2)加入有机溶剂，充分混合反应，得水性树酯涂料；(3)将黑色着色剂加入水性树脂涂料中，常温常压下搅拌5～10分钟均质化，加入水，即得。本发明还公开了一种纳米陶瓷黑色涂层，是由纳米陶瓷黑色涂料喷涂于基材上，经250～400℃高温固化后形成的纳米黑瓷吸热涂层。本发明的黑色涂层，阳光吸收率高达0.95，反射率不高于0.1，具有高阳光吸收率和低反射率的优点，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、工艺简单和成本低廉等特点。

Description

一种纳米陶瓷黑色涂料、涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米陶瓷黑色涂料、涂层及其制备方法，属于太阳能吸收涂层用水性涂料技术领域。

背景技术

黑色涂层由于具有良好的光热转化性能和遮光作用等，在封装材料、太阳能等领域得到了广泛的应用。国内外常见黑色涂层的制造方法主要是由磁控溅射的真空镀膜技术和微弧氧化的化学镀膜技术等。

目前，通过微弧氧化技术在基材表面制备黑色涂层的文献及专利报道较多，例如：(1)中国发明专利申请CN 103834978A公开了一种铝合金黑色微弧氧化膜的制备方法，其在铝合金表面制备了黑色涂层，其工艺是在磷酸钠、硼酸钠和硅酸钠组成的碱性电解液中，添加乙酸钴等着色盐，在一定的电参数范围内采用微弧氧化技术制备了铝合金黑色微弧氧化膜；(2)中国发明专利CN 101748468A公开了一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方法，其采用微弧氧化的方法在镁合金表面制备了黑色涂层，具体工艺为磷酸盐或硅酸盐为主要成膜剂，辅助成膜剂为硼砂或氟铝酸钠，着色盐为可溶性含钴的无机盐或有机盐以及可溶性含锰的无机盐或有机盐，结合剂为乙二胺或乙二酸四乙酸，氢氧化钾为pH调节剂，采用恒电流模式在镁合金表面得到黑色涂层。上述微弧氧化的化学镀膜技术都是采用基础电解液填加着色盐添加剂的工艺，通过调控电参数在特定的基材表面得到微弧氧化黑色陶瓷层。由于微弧氧化工艺只能在特定的基材表面得到黑色陶瓷层，因此这种技术存在制备工艺适应范围窄的问题，并且形成的涂层结合力不高，耐磨性不够，涂层厚度难以控制，同时对环境能够产生污染。

磁控溅射的真空镀膜技术在制备工艺过程中，基材一般需要加温到600℃以上，并且需在真空状态下形成黑色涂层，涂层还需在真空中使用，真空一旦泄露，涂层就会老化脱落。这无疑将该技术的制备工艺复杂化，并且在工业生产中增加成本。

上述两种技术制成的涂层均存在结构不稳定性，与基材结合力弱，空间耐候性较差，使用寿命短等缺陷。因此，如何使得黑色涂层的制备工艺简单，成本低，寿命长，成为目前研究的重要课题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种普适性好、稳定性高的纳米陶瓷黑色涂料，及涂层，及其制备方法。本发明的黑色涂层，阳光吸收率高达0.95，反射率不高于0.1，具有高阳光吸收率和低反射率的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种纳米陶瓷黑色涂料，是由以下重量百分数的原料制成的：25％～30％粘结剂，35％～40％黑色着色剂，3％～5％消光剂，20％～25％有机溶剂，5％～10％水；其中，

所述粘结剂，选自酚醛树脂、脲醛树脂、不饱和聚酯树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等热固性树脂中的任意一种或两种以上的组合；

所述黑色着色剂，选自二氧化锰、氧化铁、黑钴黑色剂、石墨烯、钒钛黑渣等各种无机黑色颜料中的任意一种或两种以上的组合；

所述消光剂，选自超细二氧化硅、滑石粉、硬脂酸铝、硬脂酸钙、炭黑、带有环氧基的聚丙烯酸脂等中的任意一种或两种以上的组合；

所述有机溶剂，选自丙酮、甲乙酮、环己酮、苯、甲苯、二甲苯、正丁醇、苯乙烯等有机溶剂中的任意一种或两种以上的组合。

所述纳米陶瓷黑色涂料的制备方法如下：

(1)将粘结剂和消光剂混合，混匀(在常温常压下机械搅拌10～20分钟)；

(2)加入有机溶剂，充分混合、反应，得水性树酯涂料；

(3)将黑色着色剂加入水性树脂涂料中，常温常压下搅拌5～10分钟均质化，根据浓稠度加入适量的水，即得纳米陶瓷黑色涂料。

进一步地，所述黑色着色剂，加入前研磨至纳米级别。

上述纳米陶瓷黑色涂料在制备太阳能热水器中的应用，在制备太阳能热水器的吸热涂层中的应用。

一种纳米陶瓷黑色涂层，是由上述纳米陶瓷黑色涂料喷涂于基材上，经250～400℃高温固化后形成的纳米黑瓷吸热涂层，其厚度一般为0.1～0.5mm。

上述纳米陶瓷黑色涂层在制备太阳能热水器中的应用，在制备/作为太阳能热水器的吸热涂层中的应用。

一种具有纳米黑瓷吸热涂层的太阳能热水器，包括基材(比如铝合金板、不锈钢板、铜板或陶瓷板)，基材上喷涂有上述纳米陶瓷黑色涂料，经250～400℃高温固化后形成纳米黑瓷吸热涂层。

本发明具有以下优点：

1、本发明实现了黑色涂层制造工艺的普适性，即在不同的基材表面均可以通过同一种工艺流程得到同种性能的黑色涂层，解决了不同基材应用过程中因不同的表面处理工艺而产生的复杂性和稳定性问题。

2、本发明制备的纳米陶瓷黑色涂层具有较高的太阳吸收率和较低的发射率，其太阳光吸收率高达0.95，反射率不高于0.1。

3、本发明制备的纳米陶瓷黑色涂层均匀性好，结合力强，耐腐蚀，耐老化，耐高温，成本低，寿命长(陶瓷材料耐腐蚀，不老化，其寿命可比混凝土、砂石等无机非金属材料，涂层寿命最短在10年以上)，制造工艺简单，适用于规模化生产。

4、本发明适用范围广，适用于各种复杂形状的基材，可对各种型号的基材表面进行黑色陶瓷化处理。

本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。

附图说明

图1：阳光吸收率曲线。

图2：涂层太阳吸收比的检测报告。

图3：涂层200h耐盐雾检验的检测报告。

图4：三种太阳能热水器的照片,其中，DPCP solar collector、PACP solarcollector、CACP solar collector分别指磁控溅射涂层热水器、纳米黑瓷涂层热水器和微弧氧化涂层热水器。

图5：在铝合金板、不锈钢板、铜板和陶瓷板上喷涂黑瓷涂层的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。

下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。

实施例1制备纳米陶瓷黑色涂料、涂层

原料组成为：如表1所示。其中，粘结剂为环氧树脂，黑色着色剂为钒钛黑渣，消光剂为聚丙烯酸脂树脂，有机溶剂为苯乙烯。

制备方法如下：

(1)将环氧树脂和聚丙烯酸脂树脂混合，在常温常压下机械搅拌15分钟；

(2)加入苯乙烯有机溶剂，经过充分混合反应后，形成水性树酯涂料；

(3)将无机钒钛黑渣经过筛杂质、高速研磨后，再过筛至纳米级别；

(4)将纳米级钒钛黑渣加入水性树脂涂料中，常温常压下混合搅拌10分钟均质化，加入水进行稀释，即得纳米陶瓷黑色涂料；

(5)将纳米陶瓷黑色涂料喷涂于铝合金基材上，涂层厚度为0.2mm，经300℃高温固化后即形成纳米黑瓷吸热涂层。

本实施例采用配方原料在不同配比情况下配制纳米陶瓷黑色涂料，喷涂固化后形成的纳米陶瓷黑色涂层，经国家权威机构进行太阳吸收比和发射率测试，各配方测试的参数条件相同。通过测定涂层的太阳吸收比和发射率能够对本发明方法的检验结果进行验证，其验证结果如表2所示。

表1纳米陶瓷黑色涂料配方

涂料配方	环氧树脂wt％	聚丙烯酸脂树脂wt％	苯乙烯wt％	钒钛黑渣wt％	水wt％
						1#	25	3	22	40	10
2#	26	3	23	39	9
						3#	27	4	23	38	8
4#	28	4	24	37	7
						5#	29	5	24	36	6
6#	30	5	25	35	5

表2纳米陶瓷黑色涂层的太阳吸收比及发射率

涂料配方	太阳吸收比	反射率	性能
				1#	0.93	0.05	良
2#	0.94	0.04	良
				3#	0.95	0.02	优
4#	0.95	0.03	优
				5#	0.94	0.05	良
6#	0.93	0.08	良

其中，3#配方所得涂层效果最优，经国家节能产品质量监督检验中心检验，该纳米陶瓷黑色涂层的太阳吸收比高达0.95,反射率低至0.02。阳光吸收率曲线及检验报告如图1和2所示。对该纳米陶瓷黑色涂层进行200h耐盐雾检验，涂层、基材及焊缝等处无裂纹、起泡、剥落及腐蚀。耐盐雾检验报告如图3所示。

按照3#配方在铝合金板上喷涂黑瓷涂层，并制成太阳能热水器，将其与传统的两种太阳能热水器进行对比试验(这三种热水器的性能参数如表3所示，照片如图4所示)，结果如表3所示。本发明太阳能热水器所采用的黑瓷涂层改变了传统太阳能热水器所用涂层的制造原料和生产工艺，试验结果表明本发明的太阳能集热器的热效率比其他两种太阳能集热器高8％～9％。

表3三种太阳能热水器的性能参数对比

按照3#配方，分别在铝合金板、不锈钢板、铜板和陶瓷板上喷涂黑瓷涂层，效果如图5所示，说明本发明的纳米陶瓷黑色涂料具有普适性，可在不同的基材表面通过同一种工艺流程得到同种性能的黑色涂层，解决了不同基材应用过程中因不同的表面处理工艺而产生的复杂性和稳定性问题。

实施例2制备纳米陶瓷黑色涂料、涂层

原料组成为：如表4所示。其中，粘结剂为酚醛树脂，黑色着色剂为二氧化锰，消光剂为硬脂酸铝，有机溶剂为甲苯。

制备方法如下：

(1)将酚醛树脂和硬脂酸铝按配方混合，在常温常压下机械搅拌10分钟；

(2)加入甲苯有机溶剂，经过充分混合反应后，形成水性树酯涂料；

(3)将二氧化锰黑色粉末经过筛杂质、高速研磨后，再过筛至纳米级别；

(4)将纳米级氧化锰黑色粉末按配方加入步骤(2)形成的水性树脂涂料中，常温常压下混合搅拌5分钟均质化，加入5％的水进行稀释，即得纳米陶瓷黑色涂料；

(5)将纳米陶瓷黑色涂料喷涂于陶瓷板基材上，经350℃高温固化后即形成纳米黑瓷吸热涂层。

本实施例采用配方原料在不同配比情况下配制纳米陶瓷黑色涂料，喷涂固化后形成的纳米陶瓷黑色涂层，经国家权威机构进行太阳吸收比和发射率测试，各配方测试的参数条件相同。通过测定涂层的太阳吸收比和发射率能够对本发明方法的检验结果进行验证，其验证结果如表5所示。

表4纳米陶瓷黑色涂料配方

涂料配方	酚醛树脂wt％	硬脂酸铝wt％	甲苯wt％	二氧化锰wt％	水wt％
						7#	25	5	20	40	10
8#	26	5	21	39	9
						9#	27	5	21	39	8
10#	28	4	22	38	8
						11#	29	4	22	38	7
12#	30	4	23	37	6

表5纳米陶瓷黑色涂层的太阳吸收比及反射率

涂料配方	太阳吸收比	反射率	性能
				7#	0.94	0.06	良
8#	0.95	0.05	优
				9#	0.95	0.04	优
10#	0.94	0.05	良
				11#	0.93	0.06	良
12#	0.93	0.07	良

给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种纳米陶瓷黑色涂料，其特征在于：是由以下重量百分数的原料制成的：25％～30％粘结剂，35％～40％黑色着色剂，3％～5％消光剂，20％～25％有机溶剂，5％～10％水；其中，

所述粘结剂，选自酚醛树脂、脲醛树脂、不饱和聚酯树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂中的任意一种或两种以上的组合；

所述消光剂，选自超细二氧化硅、滑石粉、硬脂酸铝、硬脂酸钙、炭黑、聚丙烯酸脂中的任意一种或两种以上的组合。

2.根据权利要求1所述的纳米陶瓷黑色涂料，其特征在于：所述黑色着色剂，选自二氧化锰、氧化铁、黑钴黑色剂、石墨烯、钒钛黑渣中的任意一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的纳米陶瓷黑色涂料，其特征在于：所述有机溶剂，选自丙酮、甲乙酮、环己酮、苯、甲苯、二甲苯、正丁醇、苯乙烯中的任意一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的纳米陶瓷黑色涂料，其特征在于：所述粘结剂选自环氧树脂；所述黑色着色剂选自钒钛黑渣；所述消光剂选自聚丙烯酸脂；所述有机溶剂选自苯乙烯；

或：所述粘结剂选自酚醛树脂；所述黑色着色剂选自二氧化锰；所述消光剂选自硬脂酸铝；所述有机溶剂选自甲苯。

5.根据权利要求4所述的纳米陶瓷黑色涂料，其特征在于：所述纳米陶瓷黑色涂料是由以下重量百分数的原料制成的：27％粘结剂，38％黑色着色剂，4％消光剂，23％有机溶剂，8％水；

或：27％粘结剂，39％黑色着色剂，5％消光剂，21％有机溶剂，8％水。

6.权利要求1～5中任一项所述的纳米陶瓷黑色涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将粘结剂和消光剂混合，混匀；

(2)加入有机溶剂，充分混合、反应，得水性树酯涂料；

(3)将黑色着色剂加入水性树脂涂料中，常温常压下搅拌5～10分钟均质化，加入水，即得纳米陶瓷黑色涂料。

7.权利要求1～5中任一项所述的纳米陶瓷黑色涂料在制备太阳能热水器中的应用，或：在制备太阳能热水器的吸热涂层中的应用。

8.一种纳米陶瓷黑色涂层，其特征在于：是由权利要求1～5中任一项所述的纳米陶瓷黑色涂料喷涂于基材上，经250～400℃高温固化后形成的纳米黑瓷吸热涂层。

9.权利要求8所述的纳米陶瓷黑色涂层在制备太阳能热水器中的应用，或：在制备/作为太阳能热水器的吸热涂层中的应用。

10.一种具有纳米黑瓷吸热涂层的太阳能热水器，其特征在于：包括基材，基材上喷涂有权利要求1～5中任一项所述的纳米陶瓷黑色涂料，经250～400℃高温固化后形成纳米黑瓷吸热涂层。

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