CN113185859B - 纳米SiO2/TiO2复合材料、基于该复合材料的减反射自清洁涂层及其制备方法 - Google Patents

纳米SiO2/TiO2复合材料、基于该复合材料的减反射自清洁涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纳米SiO2/TiO2复合材料、基于该复合材料的减反射自清洁涂层及其制备方法。本发明通过水热法制得了纳米SiO2/TiO2复合材料，其粒径在10～90nm之间。将该复合材料涂覆在透明基底表面后制得了减反射自清洁涂层，该涂层具有1～20°之间的水接触角，具有超亲水自清洁性能。并且，在涂层厚度介于100～900nm之间时具有最佳的增透效果，可增加1.2～2.3％的光透过率。

Description

纳米SiO2/TiO2复合材料、基于该复合材料的减反射自清洁涂 层及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及纳米SiO2/TiO2复合材料的减反射自清洁涂层及其制备方法。
背景技术
太阳能组件表面的玻璃常年处于户外环境中，非常容易受到环境影响，而在玻璃表面积聚灰尘、鸟粪等污染物。这些污染物一方面会降低发电效率。根据研究，在沙尘大的地区，如中东沙漠，灰尘对太阳能发电效率的减少最多可达50％。另一方面这些污染物有可能引起太阳能组件的热斑效应，严重者有可能发热，并会直接引起火灾，造成巨大的经济、社会乃至人身损失。对于大面积的太阳能电站，对太阳能组件进行人为清洗需要耗费大量的人力成本及水资源。
采用自清洁涂层可以有效减少太阳能组件表面的灰尘沉积，进而增加发电量。然而，一般的自清洁涂层采用TiO2为主要原材料，但是其折射率较高，很难做到减反射的效果。涂覆到太阳能组件表面后，这样的涂层将会减少组件的可见光透射率，对发电量有一定损失。因此需要对TiO2的折射率进行调整，配合调整膜层厚度达到增加透过率减少反射率的效果。
目前大部分SiO2/TiO2增透膜制备方法为溶胶凝胶法，需要分别制备SiO2及TiO2的溶胶，在分别涂覆到玻璃基体后还需要加温退火处理，步骤繁琐，并且很难控制厚度。本发明直接水热合成SiO2/TiO2复合纳米材料，此复合材料可以直接分散在水相分散剂中，并使用精密滚涂机控制涂层厚度，在工业化应用方面有巨大的优势。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种纳米SiO2/TiO2复合材料的制备方法，这种方法包括：
①准备正硅酸乙酯与钛酸四丁酯混合溶液，包括混合200～350ml钛酸四丁酯与150～300ml正硅酸乙酯，之后搅拌直至混合均匀；
②在步骤①准备好的混合溶液中加入400～700ml乙醇，继续搅拌直至混合均匀；
③在步骤②准备好的混合液中加入100～200ml例如37％的盐酸，继续搅拌直至混合均匀；
④将步骤③的混合液转移到高温高压反应釜中，设定反应温度为180～220℃，反应6～9 小时；和
⑤步骤④反应结束后，将所得的固液混合物在例如70～90℃的真空烘箱内烘干，得到目标产物。
本发明的目的之二是提供一种纳米SiO2/TiO2复合材料，该纳米SiO2/TiO2复合材料通过前述方法制备。
进一步地，该纳米SiO2/TiO2复合材料由无定型SiO2纳米颗粒与锐钛矿型TiO2复合而成。
进一步地，该纳米SiO2/TiO2复合材料的粒径为10～90nm。
本发明的目的之三是提供一种制备涂覆于透明基底表面的基于纳米SiO2/TiO2复合材料的自清洁减反射涂层的方法，该方法包括：
①提供透明基底；
②将本发明的纳米SiO2/TiO2复合材料分散在水中，配制成质量分数为0.15～0.55％的水性分散液；
③将步骤②中的分散液例如使用高精密滚涂机滚涂至步骤①中提供的透明基底上，形成涂层；和
④将涂覆纳米SiO2/TiO2复合材料的透明基底放置于例如60～80℃的烘箱内烘例如 30～60分钟直至烘干，从而获得涂覆于透明基底表面的基于纳米SiO2/TiO2复合材料的自清洁减反射涂层。
进一步地，透明基底优选为玻璃。
进一步地，在涂覆之前可以利用清洗液处理透明基底。
进一步地，处理透明基底包括配制透明清洗液，其组分例如为质量分数98％的H2SO4溶液与质量分数为30％的H2O2溶液，二者体积比例如为7:3；将透明基底浸入配制的透明清洗液中，浸泡5～20分钟，取出后用蒸馏水洗涤，之后用惰性气体吹干。
进一步地，在步骤③中形成的涂层的厚度为100～900nm。
本发明的目的之四是提供一种涂覆于透明基底表面的基于纳米SiO2/TiO2复合材料的自清洁减反射涂层。该自清洁减反射涂层由上述方法制备。该涂层具有超亲水特性，水接触角在1～20°之间；该涂层的平均厚度在100～900nm的范围内；该涂层具有减反射性能，对于波长为550～620nm的入射光，可将透明基底的光透过率增加1.2～2.3％。
本发明的优点在于：提供了一种简单易行的方法合成纳米SiO2/TiO2复合材料，并且在水性分散液中具有非常好的相容性。另外，通过对涂层厚度精确调节，可以获得增加光透过率的效果。
附图说明
图1为实施例1中制备的纳米SiO2/TiO2复合材料的透射电镜图像。
图2为显示测试实施例2中制备的纳米SiO2/TiO2复合材料涂层的水接触角的图像。
图3为显示实施例2中制备的涂覆有纳米SiO2/TiO2复合材料涂层的玻璃和玻璃原片的光透过率曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
纳米SiO2/TiO2复合材料的制备：
①：准备正硅酸乙酯与钛酸四丁酯混合溶液，其用量为200ml钛酸四丁酯与150ml正硅酸乙酯。混合之后搅拌2个小时保证混合均匀；
②：在步骤①准备好的混合溶液中加入400ml乙醇，继续搅拌1小时保证混合均匀；
③：在步骤②准备好的混合液中加入100ml 37％的盐酸，继续搅拌2小时保证混合均匀；
④：将步骤③的混合液转移到高温高压反应釜中，设定反应温度为180℃，反应6小时；
⑤：步骤④的反应结束后，将所得固液混合物在70℃真空烘箱内烘干，得到目标产物。
由图1的透射电子显微镜的图像可以看出，制备的纳米SiO2/TiO2复合材料具有10-90 nm的粒径。
实施例2
纳米SiO2/TiO2复合材料的减反射自清洁涂层的制备：
①配制玻璃清洗液，其组分为质量分数98％的H2SO4溶液与质量分数为30％的H2O2溶液，二者体积比为7:3；
②将玻璃片浸入步骤①中配制的溶液中，浸泡时间15分钟，取出后用蒸馏水洗涤，之后用惰性气体吹干；
③将实施例1中制备的纳米SiO2/TiO2复合材料分散在水中，配制成质量分数为0.15％的水性分散液；
④使用高精密滚涂机将步骤③中的分散液滚涂至步骤②中准备的玻璃片中，涂层厚度为300nm；
⑤将涂覆纳米SiO2/TiO2复合材料的玻璃片放置于70℃的烘箱内烘60分钟直至烘干。
测试了涂层的水接触角，如图2所示，其中水接触角为1.25°，具有极好的超亲水性。
分别测试了实施例2中清洗后的玻璃片以及涂覆纳米SiO2/TiO2复合材料的玻璃片的光透过率，结果如图3所示，其中上曲线是涂覆纳米SiO2/TiO2复合材料的玻璃片的光透过率，下曲线是清洗后的玻璃原片的光透过率。
水接触角测定仪器为Goniometer Sindatek Model 100SB，测试条件为室温。
光透过率测试仪器为Hitachi UH4150，使用积分球测试，测试波长为380-1100nm。涂覆有SiO2/TiO2复合材料玻璃片的透过率比未涂覆的提高了1.2％。

Claims (10)

1.一种纳米SiO2/TiO2复合材料的制备方法，所述方法包括：
①准备正硅酸乙酯与钛酸四丁酯混合溶液，其包括混合200～350ml钛酸四丁酯与150～300ml正硅酸乙酯，之后搅拌直至混合均匀；
②在步骤①准备好的混合溶液中加入400～700ml乙醇，继续搅拌直至混合均匀；
③在步骤②准备好的混合液中加入100～200ml盐酸，继续搅拌直至混合均匀；
④将步骤③的混合液转移到反应釜中，设定反应温度为180～220℃，反应6～9小时；和
⑤步骤④反应结束后，将所得的固液混合物在真空烘箱内烘干，得到目标产物。
2.一种纳米SiO2/TiO2复合材料，所述纳米SiO2/TiO2复合材料根据权利要求1所述的方法制备。
3.根据权利要求2所述的纳米SiO2/TiO2复合材料，其中所述纳米SiO2/TiO2复合材料由无定型SiO2纳米颗粒与锐钛矿型TiO2复合而成。
4.根据权利要求2所述的纳米SiO2/TiO2复合材料，其中所述纳米SiO2/TiO2复合材料的粒径为10～90nm。
5.一种制备涂覆于透明基底表面的基于纳米SiO2/TiO2复合材料的自清洁减反射涂层的方法，所述方法包括：
①提供所述透明基底；
②将根据权利要求2-4所述的纳米SiO2/TiO2复合材料分散在水中，配制成质量分数为0.15～0.55％的水性分散液；
③将步骤②中的水性分散液滚涂至步骤①中提供的所述透明基底上，形成涂层；和
④将涂覆有纳米SiO2/TiO2复合材料的透明基底放置于烘箱内烘干，从而获得涂覆于透明基底表面的基于纳米SiO2/TiO2复合材料的自清洁减反射涂层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤③中形成的所述涂层的厚度为100～900nm。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述透明基底为玻璃。
8.根据权利要求5所述的方法，其中在涂覆之前可以利用清洗液处理所述透明基底。
9.根据权利要求8所述的方法，其中处理所述透明基底包括配制清洗液；和将所述透明基底浸入配制的清洗液中，浸泡5～20分钟，取出后用蒸馏水洗涤，之后用惰性气体吹干。
10.一种涂覆于透明基底表面的基于纳米SiO2/TiO2复合材料的自清洁减反射涂层，所述自清洁减反射涂层根据权利要求5-6所述的方法制备，其中所述涂层具有超亲水特性，其水接触角在1～20°之间。
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