CN112993069B - 一种透明显色光学膜层及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学膜层制备技术领域，具体公开一种透明显色光学膜层及其制备方法与应用。本发明控制显色颗粒内的纳米结构层不同折射率材质，不同层厚度及层叠数量，可以获得不同的颜色。通过将显色颗粒与玻璃粉以及其他连接材料配制成溶液，并涂刷在基材表面，通过高温加热熔融制备所述光学膜层。所述光学膜层可应用于制备光学建材，光线经过玻璃到达光学膜层，光学膜层中的显色颗粒具有不同折射率的纳米层交替排布的层状结构，入射光线因不同波长光相互作用形成干涉、衍射或散射而产生颜色，色彩相比普通颜料寿命更长，颜色饱和度更高，而且对光线的吸收低，从而提高了光伏电池对光线的利用率，提高了光伏发电量。
Description
技术领域
本发明涉及光学膜层制备技术领域，特别是涉及一种透明显色光学膜层及其制备方法与应用。
背景技术
全世界超过三分之一的最终能源消耗来自于建筑，降低其最终能源消耗已成为一项重大挑战。建筑集成光伏(BIPV)集发电能源和建筑材料的功能于一体。这在能源系统脱碳方面尤为重要，尤其是在传统的地面光伏(PV)系统无法轻易使用的密集建筑环境中。
由于BIPV模块决定了整个建筑的美观，色彩对BIPV应用的接受起着重要的作用。到目前为止，光伏产品的颜色，被认为是市场接受光伏外墙的基本要求。
彩色BIPV技术目前主要有两种方式，一是采用彩色封装胶膜，二是采用在光伏前盖板玻璃表面涂敷彩色颜料的技术达到所要求的颜色。采用封装胶膜技术是通过在封装胶膜内添加色素改变原本透明材料。但是由于光伏电池并不透光，造成了彩色被光伏电池分割为单个模块，外观效果一致性差，颜色亮度低。颜料分为有机颜料和无机颜料。有机颜料：色调鲜艳，着色力强，放干时间短，所以在油墨中应用较广，如偶氮系、酞青系颜料等。无机颜料：耐光性、耐热性、耐溶剂性、隐蔽力均较好，如钛白、镉红、铬绿、群青等。
现有光伏产品可以通过以上技术手段制备出色彩，但是仍存在以下问题：
现有彩色BIPV因为颜料透光率低，导致光伏发电损失大。现有彩色BIPV组件的彩色原理是使用了含有金属络合物的颜料，自然光入射到颜料上，颜料内分子通过有选择性的吸收、反射和透射特定波长(频率)的光线而展现出不同的颜色。颜料对可见光的反射和吸收，光线透过率降低到40％，大大降低了入射到光伏电池表面的可见光，光伏发电量大大降低。
提高透光率，光伏电池遮盖效果差。如果将BIPV使用的彩色颜料厚度减薄，透光率提高到50-60％，颜料对底部光伏电池的遮盖力降低，整体颜色失真。
颜料长期户外使用变色问题。彩色BIPV使用的颜料户外长时间使用后，因为吸收光能后化学结构激化，进而产生氧化、还原、异构等作用导致发色团结构的改变乃至破坏，出现色变。
所以彩色BIPV产品既要有鲜亮的外观，同时要有高的发电效率，才能满足零碳建筑的发展需求，现有的有机颜料和无机颜料制备的BIPV产品均不能很好的满足建筑要求，因此急需研发一种新的透明显色的光学膜层，既能提供鲜亮、高饱和度的色彩，同时具有高光线透过率，满足高效光伏发电的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种透明显色光学膜层及其制备方法与应用，以解决上述现有技术存在的问题。本发明设计了一种透明显色的光学膜层，光学膜层具备高透光，低吸收并显色的特性。将其应用于光伏建材中，让光伏建筑一体化产品具有高亮度、高色彩饱和度、无毒、不褪色、耐高温、环保等一系列重要的优点，同时更多的光线到达光伏电池芯片表面，光伏发电的效率较其他彩色颜料制备的产品具有更高的发电效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种透明显色光学膜层，按照重量份数计，包括以下原料：40％-85％的玻璃粉、1％-20％的显色颗粒和10％-50％的连接材料。
作为本发明的进一步优化，所述玻璃粉包括二氧化硅；所述连接材料包括水性树脂、助剂以及水；所述显色颗粒具有高折射率层与低折射率层交替排布的层状结构；
所述高折射率层或所述低折射率层单层厚度均为30nm-1000nm。
所述水性树脂为水性改性丙烯酸聚合物；所述助剂包括氨基树脂，流平剂，润湿剂，消泡剂。
所述水性改性丙烯酸聚合物、氨基树脂、流平剂、润湿剂、消泡剂和水的质量比依次为5∶1.4∶0.2∶0.2∶0.2∶3。
光学膜层中的显色颗粒具有不同折射率的纳米层交替排布的层状结构，入射光线因不同波长光相互作用形成干涉、衍射或散射而产生颜色，通过控制显色颗粒内的纳米层中不同折射率材质，不同层厚度及层叠数量，可以使光学膜层获得不同的颜色。显色颗粒本身不具有颜色，而是通过纳米结构显色，光学膜层的色彩相比普通颜料寿命更长，颜色饱和度更高，而且对光线的吸收低。
作为本发明的进一步优化，所述显色颗粒的制备方法，包括以下步骤；在基底材料表面镀膜，形成由高折射率层与低折射率层依次交替排布的层状结构膜，然后进行脱膜处理，将脱离下来的膜通过粉碎制备成直径10μm-30μm颗粒，即得显色颗粒。所述高折射率层或低折射率层单层厚度均为30nm-1000nm。
作为本发明的进一步优化，镀膜方法包括真空蒸镀、溅射镀膜或等离子体镀膜中的一种。
作为本发明的进一步优化，所述基底材料包括透明玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)硬质材料中的一种。
作为本发明的进一步优化，所述脱膜处理包括，在镀膜前基底材料表面刷涂脱模剂，或将镀膜后的基底材料放入剥离液中。
作为本发明的进一步优化，所述粉碎为超声粉碎。
作为本发明的进一步优化，所述高折射率层包括以下高折射率材质原料：钛酸镧、五氧化三钛、五氧化二铌、硫化锌、氧化锌、氧化锆、二氧化钛、碳、氧化铟、氧化铟锡、五氧化二钽、氧化铈、氧化钇、氧化铕、氧化铁、四氧化三铁、氮化铪、碳化铪、氧化铪、氧化镧、氧化镁、氧化钕、氧化镨、氧化钐、三氧化锑、碳化硅、氮化硅、一氧化硅、三氧化硒、氧化锡和或三氧化钨中的至少一种；
所述低折射率层包括以下低折射率材质原料：二氧化硅、氧化铝、氟化镁、氟化铝、氟化铈、氟化镧、氟化钕、氟化钐、氟化钡、氟化钙或氟化锂中的至少一种。
本发明提供了所述的一种透明显色光学膜层的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取显色颗粒、玻璃粉以及连接材料，将以上原料混匀配制成混合溶液A；
(2)将混合溶液A涂刷在基材表面，然后在600-740℃加热1-120s；
(3)将步骤(2)高温处理后的基材表面快速降温，然后在基材表面形成厚度10μm-30μm的稳定无机涂层，即透明显色光学膜层。
本发明还提供了所述的透明显色光学膜层在制备光伏建材中的应用。
作为本发明的进一步优化，所述光伏建材包括：包括盖板玻璃、设置在所述盖板玻璃下方的光学膜层、设置在所述光学膜层下方的光伏电池及设置在所述光伏电池下方的封底玻璃；
所述盖板玻璃远离所述光学膜层的表面设有漫反射结构。
优选的，所述漫反射结构与所述盖板玻璃一体成型。
优选的，所述漫反射结构为蜂窝状结构。
优选的，所述光学膜层熔接在所述盖板玻璃下表面，所述光学膜层与所述光伏电池之间设置有前封装胶膜，所述前封装胶膜为高透光性高分子薄膜，所述高透光性高分子薄膜为EVA或PVB，以保证光线的高度透过率，同时保护光伏电池。
优选的，所述光伏电池与所述封底玻璃之间设置有后封装胶膜，所述后封装胶膜为黑色或深色胶膜，降低对显色膜层的颜色干扰。
优选的，所述封底玻璃为钢化玻璃，保护光伏电池板。
优选的，所述盖板玻璃为低铁玻璃。
盖板玻璃为经过钢化处理的低铁玻璃，可保证高的太阳光透过率，还具有更强的抗风压和承受昼夜温差变化大的能力。盖板玻璃其中一个表面具备蜂窝状漫反射结构，利用玻璃含有SiO2网状结构和金属碱性氧化物的特点，采用酸蚀液溶解玻璃表面金属元素的化学蚀刻技术，破坏硅氧网状结构，改变表面的平整度、光滑度，使玻璃表面产生漫反射的效果。经过化学蚀刻的玻璃，会在表面形成蜂窝状漫反射结构，将入射光线分割成无数个虚像点的同时，提高了玻璃捕捉光线的能力，从而提高了光线透过率，增加了入射光线到光伏电池表面。同时在盖板玻璃的另一表面为所述光学膜层，称取一定比例的显色颗粒、玻璃粉、水性树脂，助剂以及水，将以上原料混匀配制成溶液；利用丝网，通过涂刷将其配置好的溶液印制在玻璃未进行化学蚀刻的另一表面上；然后将玻璃放置在600-740℃加热1-120s；最终对玻璃表面快速降温形成厚度10μm-30μm的透明显色光学膜层，即得盖板玻璃。
本发明公开了以下技术效果：
本发明的采用显色颗粒、玻璃粉以及连接材料，通过限定工艺获得可以在玻璃表面结合牢固的透明显色光学膜层，显色颗粒中具有高折射率层与低折射率层交替排布的层状结构，入射光线因不同波长光相互作用形成干涉、衍射或散射而产生颜色，色彩饱和度高，亮度高，采用非颜料方式的显色原理，没有褪色的问题。本发明采用透明显色光学膜层制备光伏建材，对光线的吸收率低，光线透过率高，光伏电池发电量更高。本发明公开的制备方法简单易行，适用于在工业上进行广泛推广。
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2制备的盖板玻璃的光照路径图,其中，1为盖板玻璃，101为漫反射结构，102为光学膜层；
图2为实施例2制备的光伏建材的结构示意图，其中，1为盖板玻璃，101为漫反射结构，102为光学膜层，2为前封装胶膜，3为光伏电池，4为后封装胶膜，5为封底玻璃；
图3为实施例2制备的光伏建材的透光率曲线图；
图4位实施例2制备的盖板玻璃表面漫反射结构观察图；
图5为实施例2制备的光伏建材的外观观察图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
蓝色显色颗粒的制备：
(1)在透明玻璃表面刷涂氯化钠作为脱膜剂。
(2)利用溅射镀膜方法采用高折射率材料二氧化钛与低折射率材料二氧化硅，在步骤(1)刷涂脱模剂的玻璃表面进行镀膜，形成由二氧化钛组成的厚度为120nm高折射率层与二氧化硅组成的厚度为100nm低折射率层依次交替排布的层状结构膜，膜厚度为30μm。
(3)然后进行脱膜处理，将脱离下来的膜通过超声粉碎粉制备成直径10μm颗粒，经过测试颗粒的最大反射波长在450nm左右，说明该显色颗粒为蓝色系颗粒，即得蓝色显色颗粒。
实施例2
本实施例中选用的显色颗粒即为实施例1制备的蓝色显色颗粒。
盖板玻璃1的制备：
(1)选取钢化处理的低铁玻璃，采用酸蚀液溶解玻璃表面金属元素的化学蚀刻技术，使玻璃其中一个表面形成蜂窝状漫反射结构，盖板玻璃表面漫反射结构观察图，见图4。
(2)按重量百分比称取5％显色颗粒、85％二氧化硅、5％水性改性丙烯酸聚合物，1.4％氨基树脂，0.2％流平剂，0.2％湿润剂，0.2％消泡剂和3％水，将以上原料混匀配制成混合溶液A。
(3)利用丝网，通过涂刷将混合溶液A印制在步骤(1)玻璃未进行化学蚀刻的另一表面上，厚度为10μm，然后将其放置在700℃加热80s。
(4)将步骤(3)高温处理后的玻璃快速降温，然后玻璃表面形成厚度10μm的透明显色光学膜层，即得盖板玻璃1。
所制备的盖板玻璃1上表面为一体成型的蜂窝状漫反射结构101，盖板玻璃1下表面为透明显色光学膜层102。在盖板玻璃1的下方靠近透明显色光学膜层102一侧设置EVA材料组成的前封装胶膜2,在前封装胶膜2下方设置光伏电池板3，在光伏电池板3下方设置黑色胶膜组成的后封装胶膜4，在后封装胶膜4下方设置钢化玻璃作为封底玻璃5，通过高温高压热复合，即得光伏建材。
本实施例制备的盖板玻璃1的光照路径示意图，见图1。
本实施例制备的光伏建材结构示意图，见图2。
对本实施例制备的光伏建材的性能进行测试，本实施例光学建材的透光率曲线，见图3。通过性能测试发现本实施例制作的蓝色透明的盖板玻璃380-1100纳米波段光线透过率达到83％，而目前普通颜料透光率只能达到55％。本实施例制备光学建材组件，光伏转换效率17.3％，高于目前采用普通颜料制备的彩色光伏建材的光伏转换效率12-14％。
本实施例制备的光伏建材的外观观察图，见图5。
实施例3
显色颗粒的制备：
(1)在透明玻璃表面刷涂氯化钠作为脱模剂。
(2)利用真空蒸镀方法采用高折射率材料二氧化钛与低折射率材料二氧化硅，在步骤(1)刷涂脱模剂的玻璃表面进行镀膜，形成由二氧化钛组成的厚度为150nm的高折射率层与二氧化硅组成的厚度为140nm的低折射率层依次交替排布的层状结构膜，膜厚度为30μm。
(3)然后进行脱膜处理，将脱离下来的膜通过超声粉碎粉制备成直径20μm颗粒，经过测试颗粒的最大反射波长在550nm左右，说明该显色颗粒为绿色系光学颗粒，即得绿色显色颗粒。
实施例4
本实施例中选用的显色颗粒即为实施例3制备的显色颗粒。
盖板玻璃1的制备：
(1)选取钢化处理的低铁玻璃，采用酸蚀液溶解玻璃表面金属元素的化学蚀刻技术，使玻璃其中一个表面形成蜂窝状漫反射结构。
(2)按重量百分比称取20％显色颗粒、40％二氧化硅、20％水性改性丙烯酸聚合物，5.6％氨基树脂，0.8％流平剂，0.8％湿润剂，0.8％消泡剂和12％水，将以上原料混匀配制成混合溶液A。
(3)利用丝网，通过涂刷将混合溶液A印制在步骤(1)玻璃未进行化学蚀刻的另一表面上，厚度为20μm，然后将其放置在720℃加热100s。
(4)将步骤(3)高温处理后的玻璃快速降温，然后玻璃表面形成厚度20μm的透明显色光学膜层，即得盖板玻璃1。
所制备的盖板玻璃1上表面为一体成型的蜂窝状漫反射结构101，盖板玻璃1下表面为透明显色光学膜层102。在盖板玻璃1的下方靠近透明显色光学膜层102一侧设置EVA材料组成的前封装胶膜2,在前封装胶膜2下方设置光伏电池板3，在光伏电池板3下方设置黑色胶膜组成的后封装胶膜4，在后封装胶膜4下方设置钢化玻璃作为封底玻璃5，通过高温高压热复合，即得光伏建材。
实施例5
本实施例中选用的显色颗粒即为实施例1制备的蓝色显色颗粒。
盖板玻璃1的制备：
(1)选取钢化处理的低铁玻璃，采用酸蚀液溶解玻璃表面金属元素的化学蚀刻技术，使玻璃其中一个表面形成蜂窝状漫反射结构。
(2)按重量百分比称取8％显色颗粒、70％二氧化硅、11％水性改性丙烯酸聚合物，3.08％氨基树脂，0.44％流平剂，0.44％湿润剂，0.44％消泡剂和6.6％水，将以上原料混匀配制成混合溶液A。
(3)利用丝网，通过涂刷将混合溶液A印制在步骤(1)玻璃未进行化学蚀刻的另一表面上，厚度为30μm，然后将其放置在740℃加热120s。
(4)将步骤(3)高温处理后的玻璃快速降温，然后玻璃表面形成厚度30μm的透明显色光学膜层，即得盖板玻璃1。
所制备的盖板玻璃1上表面为一体成型的蜂窝状漫反射结构101，盖板玻璃1下表面为透明显色光学膜层102。在盖板玻璃1的下方靠近透明显色光学膜层102一侧设置EVA材料组成的前封装胶膜2,在前封装胶膜2下方设置光伏电池板3，在光伏电池板3下方设置黑色胶膜组成的后封装胶膜4，在后封装胶膜4下方设置钢化玻璃作为封底玻璃5，通过高温高压热复合，即得光伏建材。
实施例6
显色颗粒的制备：
(1)在聚对苯二甲酸乙二醇酯表面，利用等离子体镀膜方法采用高折射率材料二氧化钛与低折射率材料二氧化硅进行镀膜，形成由二氧化钛组成的厚度为120nm高折射率层与二氧化硅组成的厚度为100nm低折射率层依次交替排布的层状结构膜。膜厚度为30μm。
(2)将经过步骤(1)处理后的聚对苯二甲酸乙二醇酯放入剥离液中，进行脱膜处理。
(3)将步骤(2)脱离下来的膜通过超声粉碎粉制备成直径10μm颗粒，经过测试颗粒的最大反射波长在450nm左右，说明该显色颗粒为蓝色系颗粒，即得蓝色显色颗粒。
实施例7
本实施例中选用的显色颗粒即为实施例7制备的显色颗粒。
盖板玻璃1的制备：
(1)选取钢化处理的低铁玻璃，采用酸蚀液溶解玻璃表面金属元素的化学蚀刻技术，使玻璃其中一个表面形成蜂窝状漫反射结构。
(2)按重量百分比称取8％显色颗粒、70％二氧化硅11％水性改性丙烯酸聚合物，3.08％氨基树脂，0.44％流平剂，0.44％湿润剂，0.44％消泡剂和6.6％水，将以上原料混匀配制成混合溶液A。
(3)利用丝网，通过涂刷将混合溶液A印制在步骤(1)玻璃未进行化学蚀刻的另一表面上，厚度为30μm，然后将其放置在740℃加热100s。
(4)将步骤(3)高温处理后的玻璃快速降温，然后玻璃表面形成厚度30μm的透明显色光学膜层，即得盖板玻璃1。
所制备的盖板玻璃1上表面为一体成型的蜂窝状漫反射结构101，盖板玻璃1下表面为透明显色光学膜层102。在盖板玻璃1的下方靠近透明显色光学膜层102一侧设置EVA材料组成的前封装胶膜2,在前封装胶膜2下方设置光伏电池板3，在光伏电池板3下方设置黑色胶膜组成的后封装胶膜4，在后封装胶膜4下方设置钢化玻璃作为封底玻璃5，通过高温高压热复合，即得光伏建材。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种透明显色光学膜层，其特征在于，按照重量份数计，包括以下原料：40％-85％的玻璃粉、1％-20％的显色颗粒和10％-50％的连接材料；
所述显色颗粒的制备方法，包括以下步骤；在基底材料表面镀膜，形成高折射率层与低折射率层依次交替排布的层状结构膜，然后进行脱膜处理，将脱离下来的膜通过粉碎制备成直径10μm-30μm颗粒，即得显色颗粒；
所述高折射率层包括以下原料：钛酸镧、五氧化三钛、五氧化二铌、硫化锌、氧化锌、氧化锆、二氧化钛、碳、氧化铟、氧化铟锡、五氧化二钽、氧化铈、氧化钇、氧化铕、氧化铁、四氧化三铁、氮化铪、碳化铪、氧化铪、氧化镧、氧化镁、氧化钕、氧化镨、氧化钐、三氧化锑、碳化硅、氮化硅、一氧化硅、三氧化硒、氧化锡或三氧化钨中的至少一种；
所述低折射率层包括以下原料：二氧化硅、氧化铝、氟化镁、氟化铝、氟化铈、氟化镧、氟化钕、氟化钐、氟化钡、氟化钙或氟化锂中的至少一种；
所述透明显色光学膜层的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取显色颗粒、玻璃粉以及连接材料，将以上原料混匀配制成混合溶液A；
(2)将混合溶液A涂刷在基材表面，然后在600-740℃加热1-120s；
(3)将步骤(2)高温处理后的基材表面降温，然后在基材表面形成稳定无机涂层，即透明显色光学膜层。
2.根据权利要求1所述的一种透明显色光学膜层，其特征在于，所述玻璃粉包括二氧化硅；所述连接材料包括水性树脂、助剂以及水；所述显色颗粒具有高折射率层与低折射率层交替排布的层状结构；
所述高折射率层或所述低折射率层单层厚度均为30nm-1000nm。
3.权利要求1-2任一项所述的一种透明显色光学膜层的应用，其特征在于，所述透明显色光学膜层用于制备光伏建材。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述光伏建材包括：包括盖板玻璃(1)、设置在所述盖板玻璃(1)下方的光学膜层(102)、设置在所述光学膜层(102)下方的光伏电池(3)及设置在所述光伏电池(3)下方的封底玻璃(5)；
所述盖板玻璃(1)远离所述光学膜层(102)的表面设有漫反射结构(101)。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述光学膜层(102)在所述盖板玻璃(1)下表面，所述光学膜层(102)与所述光伏电池(3)之间设置有前封装胶膜(2)，所述前封装胶膜(2)为高透光性高分子薄膜；
所述光伏电池(3)与所述封底玻璃(5)之间设置有后封装胶膜(4)，所述后封装胶膜(4)为黑色或深色胶膜。
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