CN115537046A - 高耐候高吸热水性无机陶瓷涂料及其制备和施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐候高吸热水性无机陶瓷涂料及其制备和施工方法；以100％计，涂料组成如下：硅溶胶：25‑27％，硅烷：30‑33％，无机黑颜料：13‑15％，填料：13‑15％，泡沫石墨烯：1‑2％，分散剂：1‑2％，25％甲酸：0.7‑0.8％，乙醇：余量。本发明的陶瓷涂料通过加入黑颜料、加入泡沫石墨烯、形成具有微小孔隙的陶瓷涂层结构、基材表面形成粗糙度梯度等手段制备出太阳能吸热水性无机陶瓷涂料，由于几种技术手段的协同效应，使得涂层的太阳光吸收率可达到90％以上。
Description
技术领域
本发明属于涂料技术领域，涉及一种水性无机陶瓷涂料及其制备和施工方法，尤其涉及一种耐候性好的高吸热水性无机陶瓷涂料及其制备方法和施工方法。
背景技术
太阳能光热电站根据太阳能光热发电原理采用"光-热-电"的发电方式，成千上万的定日镜把太阳光反射到位于太阳塔顶的吸热器表面，形成800℃以上的高温。通过传热介质产生500℃以上的蒸汽，推动蒸汽轮机发电。在这个光热转换过程中，位于塔顶的吸热器表面涂有一层太阳能吸热涂层，该吸热涂层对于太阳能的吸收率是比较关键的技术。它对提高太阳能热转换效率，进而提高发电效率起着至关重要的作用。
吸热器表面的太阳能吸热涂层，需要长期在800℃以上的高温下工作，并且需要长期接受太阳光的照射，现有的太阳能吸热涂层多数为有机涂层，由于涂层耐高温性、耐候性均不理想，使用寿命较短，一般1-2年涂层就会出现脱落，需要对吸热器表面处理后涂敷新的涂层。
通过对现有专利文献的检索发现，申请号为201911211290.3、201911423226.1、201911246679.1的中国专利公开了太阳能吸热涂料的技术方案，均是以氟碳树脂、氨基树脂、环氧聚氨酯树酯、改性丙烯酸树脂等有机树脂作为成膜物质的，这些太阳能吸热涂层都会存在耐高温性不好，耐候性不好的问题。
太阳能吸热涂料是一种功能性涂料，其中良好的吸热性能是必要的条件，现有吸热涂层的太阳光吸收率不到90％，还有进一步提升的空间。碳基材料，特别是石墨烯，具有宽光谱吸收性质和优异的光热转换性能等优点，被看作是一种理想的太阳光吸收和热转换材料，将其应用于太阳能吸热涂层中有望使太阳光吸收效率得到进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于现有技术中存在的现有太阳能吸热涂料成膜物质为有机树脂，有机树脂耐高温性、耐候性均不理想，使用寿命较短，一般1-2年涂层就会出现脱落；以及现有吸热涂层对太阳光的吸收率不足90％等缺陷，提供一种高耐候高吸热水性无机陶瓷涂料及其制备方和施工方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
<第一方面>
本发明涉及一种太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物，以100％计，组成如下：硅溶胶：25-27％，硅烷：30-33％，无机黑颜料：13-15％，填料：13-15％，泡沫石墨烯：1-2％，分散剂：1-2％，25％甲酸：0.7-0.8％，乙醇：余量；所述无机黑颜料包括质量比为1：2的炭黑和铜铬黑。加入少量炭黑可以提高涂层黑度，提高对光的吸收。炭黑的添加量太高，会使涂料干燥速度减慢，粘度增高，分散困难。因而优选质量比为1：2的炭黑和铜铬黑。
本发明体系中，硅溶胶为主要成膜物质，常见市售产品，例如：阿克苏硅溶胶Bindzil2034DI、日产化学的ST-30、格雷斯AS-40等。
作为一个实施方案，所述硅烷含甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷的混合物。本发明体系中，硅烷为辅助成膜物质。本发明利用三官能团的硅烷与二官能团的硅烷特定搭配使用，可以形成更加规整的交联结构。而且甲基三甲氧基硅烷水解速度较快，而甲基三乙氧基硅烷的水解速度较慢，两者搭配使用可以使反应更加温和，也有利于形成较为规整的交联结构。并且，如甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷配比不当，反应速度过快或过慢，形成的结构不够规整，孔隙率低，吸热效果不好；优选由甲基三甲氧基硅烷：甲基三乙氧基硅烷：二甲基二甲氧基硅烷＝(60-70)：(15-20)：(15-20)组成。
本发明体系中，无机黑颜料可吸收光谱内所有可见光，可以带来最大的热效应，故吸热涂料均使用黑色颜料；无机颜料耐候性较好，所以配方中选用黑色无机颜料。铜铬黑是所有黑色颜料中，各项牢度性能最优异的一种颜料，具有环保无毒、耐高温、耐晒、耐候、耐酸碱、耐溶剂、不迁移、易分散等优点，是使用最广泛的黑颜料。炭黑选用高色素槽黑(HCC)，具有粒度小，黑度指数高，对光的吸收更多的特点。本发明体系中，加入少量炭黑可以提高涂层黑度，提高对光的吸收。炭黑的添加量太高，会使涂料干燥速度减慢，粘度增高，分散困难。
作为本发明的一个实施方案，所述填料选自云母粉、硅微粉、高岭土、氧化铝粉、有机膨润土中至少一种。
泡沫石墨烯是一种多孔的三维结构石墨烯材料，内部具有连续孔隙结构；在光学上，这种结构即使在小角度入射角下，仍可保持高效的光吸收和很小的反射，加入后有利于涂层在真实自然环境下更高效的进行太阳光的吸收。
作为本发明的一个实施方案，所述分散剂选自BYK180、BYK190、BYK2010、BYK2001等。
本发明体系中25％甲酸为溶胶-凝胶反应催化剂，用于调节反应后涂料的pH值为4.0-5.0之间。
<第二方面>
本发明涉及一种太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1、泡沫石墨烯分散液制备：将泡沫石墨烯、乙醇混合，研磨至细度为20±2μm，超声分散，得泡沫石墨烯分散液；
S2、色浆的制备：将硅溶胶、无机黑颜料、填料、分散剂、剩余乙醇混合均匀，研磨至细度为20±2μm，加入所述泡沫石墨烯分散液，继续搅拌得到色浆；
S3、吸热涂料的制备：将25％的甲酸加入硅烷中，混合均匀，再加入所述色浆，反应得到所述太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物。
步骤S1中，超声分散的功率为900-1100W，分散时间为200-240分钟。该过程是利用高能高振荡降低石墨烯的表面能，从而达到改善分散效果的目的。
步骤S2中，研磨时间为1-2小时，继续搅拌的时间为20-30分钟。
步骤S3中，所述反应是在100-180转/分下反应8-12小时。
本发明的陶瓷涂料的溶胶-凝胶反应过程如下：首先，硅烷在酸的催化下发生水解生成硅醇，然后硅醇与硅溶胶反应生成陶瓷涂料，固化后最终形成具有Si-O-Si交联结构的无机涂层。
<第三方面>
本发明涉及一种太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物的施工方法，所述方法包括如下步骤：
A1、基材前处理：基材为304镍基钢，采用金刚砂进行喷砂处理至形成粗糙度为2.5-4μm的表面；
A2、涂敷：将基材预热后进行涂敷；
A3、固化。
步骤A1中，首先用60目金刚砂进行喷砂处理，喷砂后基材表面粗糙度可达到4-8μm，然后用100目金刚砂再进行一次喷砂处理，形成粗糙度为2.5-4μm的表面。经过两次喷砂可使基材表面具有粗糙度不同的结构，形成粗糙度梯度。该步骤作用有2个：一是增加涂层与基材的附着力；二是采用喷砂的方式使涂层表面粗糙度增加，且形成粗糙度不同的表面，使得太阳光照射到表面时会产生多次反射和吸收，从而增加基材表面对光的有效吸收。
步骤A2中，基材预热至40-60℃。所处涂覆采用喷涂或者刷涂的方式；涂敷厚度为20-30μm。膜厚太薄，黑色颜料遮盖力不够，不能发挥黑色颜料对光的全吸收；涂层太厚，表面无法形成一定的粗糙度梯度，会降低涂层表面对太阳光的吸收。
步骤A3中，所述固化是先80-100℃固化8-12min，然后230-260℃固化15-25min。陶瓷涂料固化时，由于硅醇(含有-OH)与硅溶胶表面的-OH发生聚合反应而脱去小分子H2O，所以交联结构大分子中间会形成许多微小的孔隙结构，由于孔隙的存在使得太阳光照射到涂层表面时，会提高对光的有效吸收。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的陶瓷涂料通过加入黑颜料、加入泡沫石墨烯、形成具有微小孔隙的陶瓷涂层结构、基材表面形成粗糙度梯度等手段制备出太阳能吸热水性无机陶瓷涂料，由于几种技术手段的协同效应，使得涂层的太阳光吸收率可达到90％以上。
(2)该涂料主要成膜物质为无机物，最终形成Si-O-Si的无机交联结构，与现有有机涂料相比，耐高温性好，耐候性好，使用寿命可延长至5年左右。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种太阳能吸热水性无机陶瓷涂料，其组成如表1所示。
本实施例的涂料制备步骤如下：
(1)石墨烯泡沫分散液制备：将石墨烯泡沫、约占乙醇总量50％的无水乙醇混合后，用球磨机研磨至细度为20μm，然后转入超声波(1000W)，再分散220分钟，制得石墨烯泡沫分散液；
(2)色浆的制备：将硅溶胶、无机黑颜料、填料、分散剂、剩余乙醇混合均匀，球磨机研磨1.5小时，待细度达到20μm后，加入步骤(1)制得的石墨烯泡沫分散液，继续搅拌30分钟后，得到色浆；
(3)吸热涂料的制备：将25％的甲酸加入硅烷中，混合均匀，再加入步骤(2)得到的色浆中，混合均匀，在150转/分下反应10小时后得到吸热涂料。
本实施例的涂料施工步骤如下：
(1)基材前处理：首先用60目金刚砂对304镍基钢基材进行喷砂处理，喷砂后基材表面粗糙度达到6μm，然后用100目金刚砂再进行一次喷砂处理，形成粗糙度为3μm的表面，经过两次喷砂可使基材表面具有粗糙度不同的结构，形成粗糙度梯度；
(2)涂敷：先将基材预热至50℃，再进行喷涂，涂敷厚度为30μm；
(3)固化：先90℃010min，然后250℃020min。
实施例2～4
实施例2～4提供一种太阳能吸热水性无机陶瓷涂料，其组成如表1所示。涂料制备、施工同实施例1。
对比例1～8
对比例1～8提供一种太阳能吸热水性无机陶瓷涂料，其组成如表1所示。涂料制备同实施例1。对比例1～6涂料的施用同实施例1；对比例7涂料的施用如下：
(1)基材前处理：用100目金刚砂对304镍基钢基材进行喷砂处理，形成粗糙度为3μm的表面；
(2)涂敷：先将基材预热至50℃，再进行喷涂，涂敷厚度为30μm；
(3)固化：先90℃010min，然后250℃020min。
对比例8涂料的施用如下：
(1)基材前处理：首先用60目金刚砂对304镍基钢基材进行喷砂处理，喷砂后基材表面粗糙度达到6μm，然后用100目金刚砂再进行一次喷砂处理，形成粗糙度为3μm的表面，经过两次喷砂可使基材表面具有粗糙度不同的结构，形成粗糙度梯度；
(2)涂敷：先将基材预热至50℃，再进行喷涂，涂敷厚度为50μm；
(3)固化：先90℃010min，然后250℃020min。
表1实施例与对比例的涂料组成以及用量(wt.％)
表1中，硅胶选择日产化学的ST-30；分散剂为BYK180。
主要性能测试
对以上实施例和对比例的涂覆固化在基材上的涂料进行主要性能测试，检测项目以及方法见表2，检测结果如表3-6所示：
表2
| 序号 | 检测项目 | 检测标准或方法 |
| 1 | 附着力 | 百格法 |
| 2 | 耐热性(800℃028，10个循环) | GB/T 1735-79(89) |
| 3 | 太阳光吸收率 | GB/T17683.1-1999 |
| 4 | 耐人工老化(40008r) | GB/T 23443-2009 |
| 5 | 耐湿热(40008r) | GB/T 1740-2007 |
| 6 | 耐水性(728) | GB 5209 |
表3
表4
表5
表6
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物，其特征在于，以100％计，所述涂料组合物组成如下：硅溶胶：25-27％，硅烷：30-33％，无机黑颜料：13-15％，填料：13-15％，泡沫石墨烯：1-2％，分散剂：1-2％，25％甲酸：0.7-0.8％，乙醇：余量。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物，其特征在于，所述硅烷含甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷的混合物。
3.根据权利要求2所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物，其特征在于，所述硅烷由质量比为(60-70):(15-20):(15-20)的甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和二甲基二甲氧基硅烷组成。
4.根据权利要求1所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物，其特征在于，所述无机黑颜料包括质量比为1：2的炭黑和铜铬黑。
5.根据权利要求1所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物，其特征在于，所述填料选自云母粉、硅微粉、高岭土、氧化铝粉、有机膨润土中至少一种。
6.一种根据权利要求1所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、泡沫石墨烯分散液制备：将泡沫石墨烯、乙醇混合，研磨至细度为20±2μm，超声分散，得泡沫石墨烯分散液；
S2、色浆的制备：将硅溶胶、无机黑颜料、填料、分散剂、剩余乙醇混合均匀，研磨至细度为20±2μm，加入所述泡沫石墨烯分散液，继续搅拌得到色浆；
S3、吸热涂料的制备：将25％的甲酸加入硅烷中，混合均匀，再加入所述色浆，反应得到所述太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物。
7.一种根据权利要求1所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物的施工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
A1、基材前处理：基材为304镍基钢，采用金刚砂进行喷砂处理至形成粗糙度为2.5-4μm的表面；
A2、涂敷：将基材预热后进行涂敷；
A3、固化。
8.根据权利要求7所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物的施工方法，其特征在于，步骤A1中，首先用60目金刚砂进行喷砂处理，喷砂后基材表面粗糙度可达到4-8μm，然后用100目金刚砂再进行一次喷砂处理，形成粗糙度为2.5-4μm的表面。
9.根据权利要求7所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物的施工方法，其特征在于，步骤A2中，基材预热至40-60℃。所处涂覆采用喷涂或者刷涂的方式；涂敷厚度为20-30μm。
10.根据权利要求7所述的太阳能吸热水性无机陶瓷涂料组合物的施工方法，其特征在于，步骤A3中，所述固化是先80-100℃固化8-12min，然后230-260℃固化15-25min。
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