CN115717005A - 一种超亲水自清洁涂层组合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超亲水自清洁涂层组合物及其制备方法，该超亲水自清洁涂层组合物包括以下组分：纳米管、表面活性剂、阳离子单体、光转化剂、光引发剂、交联剂、溶剂。本发明中，通过加入纳米管有助于提高涂层的减反射效果，降低光线的反射，阳离子单体和交联剂通过聚合和交联形成网状结构，用于固定纳米管，将纳米管、阳离子单体和交联剂复配，实现超亲水，提高与基材的附着力，提升涂层的硬度及耐候性，同时增强导电性，减少由于静电吸附造成的灰尘积聚，有助于提高材料的透光率，通过光转化剂的加入，将无法发电的紫外光转化为可以发电的蓝光或红光，在实现自清洁的同时，最大限度利用太阳光，提升发电效率。

Description

一种超亲水自清洁涂层组合物及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种超亲水自清洁涂层组合物及其制备方法。

背景技术

光伏组件是通过光能转化为电能的装置，我国是当今世界上最大的光伏组件制造国。光伏组件在户外使用过程中，灰尘的积累会造成组件发电功率的严重衰减，定期的清理维护将会浪费巨大的人力和物力成本。

将自清洁涂层涂布于光伏玻璃上后，雨水、露水可以将灰尘带走，从而减少或消除灰尘的积聚，是一种简单有效的减少光伏组件灰尘的方法。自清洁涂层根据其原理不同可以分为超疏水自清洁涂层和超亲水自清洁涂层。

超疏水自清洁涂层的自清洁作用机理，类似于荷叶表面去污的原理，涂层表面需要具有适度的粗糙度和较低的表面能。但是超疏水表面通常只能防水，无法防尘，在使用过程中，往往由于表面油性污染物的附着，使得疏水角度降低，水珠无法滚落，这样大水珠的形成反而会造成更多灰尘的积聚。

超亲水自清洁涂层的自清洁作用机理，是指涂层表面的水接触角非常小，通常小于5°，这样少量的雨水或露水便可在玻璃表面形成水膜，从而阻止了灰尘或污染物与材料表面的接触，而且水膜的流动更容易将灰尘带走。因此，相比超疏水自清洁涂层，超亲水自清洁涂层是更有效的自清洁涂层。但是，现有的超亲水自清洁涂层在玻璃上使用时，通常会造成玻璃透光率的下降，而且大多数超亲水自清洁涂层中加入了二氧化钛，二氧化钛的折光系数远大于玻璃，使得光线被反射，这造成了光伏组件发电功率的下降。

因此，亟需开发一种不损失玻璃透光率的自清洁涂层来解决现有技术中存在的难题。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种超亲水自清洁涂层组合物及其制备方法。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种超亲水自清洁涂层组合物，按重量份数计，包括以下组分：

纳米管0.1-3份

表面活性剂1-5份

阳离子单体1-5份

光转化剂0.5-5份

光引发剂0.1-2份

交联剂0.1-5份

溶剂80-100份。

进一步的，所述为埃洛石纳米管和/或硅纳米管。

进一步的，所述纳米管的外径40-60nm，内径10-20nm，长度100-1500nm，比表面积>30m²/g。

进一步的，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种的组合。

进一步的，所述阳离子单体选自二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或多种的组合。

进一步的，所述光转化剂为有机稀土配合物。

进一步的，所述有机稀土配合物为Eu³⁺、Tb³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Pr³⁺、Yb²⁺、Eu²⁺、Ce³⁺中的一种或多种的组合，有机稀土配合物的配体选自含有以下官能团或其衍生物或类化合物中的一种或多种的组合：β-二酮、羧酸、磺酸、苯甲酸、卟啉、吡啶、冠醚基、穴醚基芳香环、联吡啶、邻菲罗啉、8-羟基喹啉、吲哚、三苯基杨膦、多烯化合物。

进一步的，所述光引发剂选自二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、α，α-二乙氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮、安息香双甲醚、二苯基乙酮、重氮盐、二芳基碘鎓盐、三芳基硫鎓盐、烷基硫鎓盐、铁芳烃盐、磺酰氧基酮、三芳基硅氧醚中的一种或多种的组合。

进一步的，所述交联剂选自三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯、季戊四醇-三(3-氮丙啶基)丙酸酯、三羟甲基丙烷-三[3-(2-甲基氮丙啶基)]丙酸酯中的一种或多种的组合。

进一步的，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁烷、己烷中的一种或多种的组合。

一种超亲水自清洁涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)配置纳米管水分散液，加入表面活性剂，在50-80℃下搅拌2-5h；

2)将光转化剂溶解到水和有机溶剂的混合溶剂中，加入至步骤1)制备的溶液中，依次加入阳离子单体和交联剂，搅拌均匀，备用；

3)使用前，加入光引发剂，然后涂布到已清洁的基材表面，紫外光照射5-10s或阳光下照射2-5h，完成固化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了一种超亲水自清洁涂层组合物及其制备方法，该超亲水自清洁涂层组合物，按重量份数计，包括以下组分：埃洛石纳米管0.1-3份、表面活性剂1-5份、阳离子单体1-5份、光转化剂0.5-5份、光引发剂0.1-2份、交联剂0.1-5份、溶剂80-100份。本发明中，通过加入埃洛石纳米管有助于提高涂层的减反射效果，降低光线的反射，阳离子单体和交联剂能够通过聚合和交联形成网状结构，用于固定纳米管，将纳米管、阳离子单体和交联剂复配，键合在纳米管表面上的表面活性剂和聚合的阳离子聚合物共同作用，实现了超亲水，而且提高了与基材的附着力，提升了涂层的硬度及耐候性，同时增强导电性，抗静电性强，从而减少由于静电吸附造成的灰尘积聚，有助于提高材料的透光率，避免使用高折射率的二氧化钛等材料，降低反射带来的光损失；通过光转化剂的加入，将无法发电的紫外光转化为可以发电的蓝光或红光，在实现自清洁的同时，最大限度利用太阳光，提升发电效率，并且纳米管的孔径和较大的比表面积可以对光转化剂实现很好的固定作用，避免其团聚，增强了热稳定性。

具体实施方式

下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

一种超亲水自清洁涂层组合物，按重量份数计，包括以下组分：

纳米管0.1-3份

表面活性剂1-5份

阳离子单体1-5份

光转化剂0.5-5份

光引发剂0.1-2份

交联剂0.1-5份

溶剂80-100份

其中，纳米管为埃洛石纳米管和/或硅纳米管；纳米管的外径40-60nm，内径10-20nm，长度100-1500nm，比表面积>30m²/g；

表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种的组合；

阳离子单体选自二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或多种的组合；

光转化剂为有机稀土配合物，有机稀土配合物为Eu³⁺、Tb³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Pr³⁺、Yb²⁺、Eu²⁺、Ce³⁺中的一种或多种的有机稀土配合物，有机稀土配合物的配体选自含有以下官能团或其衍生物或类化合物中的一种或多种的组合：β-二酮、羧酸、磺酸、苯甲酸、卟啉、吡啶、冠醚基、穴醚基芳香环、联吡啶、邻菲罗啉、8-羟基喹啉、吲哚、三苯基杨膦、多烯化合物；

光引发剂选自二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、α，α-二乙氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮、安息香双甲醚、二苯基乙酮、重氮盐、二芳基碘鎓盐、三芳基硫鎓盐、烷基硫鎓盐、铁芳烃盐、磺酰氧基酮、三芳基硅氧醚中的一种或多种的组合；

交联剂选自三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯、季戊四醇-三(3-氮丙啶基)丙酸酯、三羟甲基丙烷-三[3-(2-甲基氮丙啶基)]丙酸酯中的一种或多种的组合；

溶剂选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁烷、己烷中的一种或多种的组合。

一种超亲水自清洁涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)配置纳米管水分散液，加入表面活性剂，在50-80℃下搅拌2-5h；

2)将光转化剂溶解到水和有机溶剂的混合溶剂中，加入至步骤1)制备的溶液中，依次加入阳离子单体和交联剂，搅拌均匀，备用；

3)使用前，加入光引发剂，然后涂布到已清洁的基材表面，紫外光照射5-10s或阳光下照射2-5h，完成固化。

实施例1

一种超亲水自清洁涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)取埃洛石纳米管1克，加入至50g去离子水中，搅拌或超声震荡30min，配置成埃洛石纳米管水分散液，随后加入1g十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌5h；

2)将0.5g光转化剂Eu³⁺-β-二酮稀土配合物溶解到50g质量比1:3的水和丙酮的混合溶剂中，在40-60℃搅拌1h，加入至步骤1)制备的溶液中，依次加入1g阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和0.5g交联剂三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯，室温下搅拌均匀，备用；

3)将玻璃基材进行清洁后，在上述溶液中加入0.2g光引发剂2,4-二羟基二苯甲酮，搅拌均匀后，通过滚涂或喷涂的方式涂布到玻璃表面，涂布厚度为10g/m²，紫外光照射5s，完成固化，也可在天气晴朗时涂布，在阳光下照射2-5h完成固化。

实施例2

一种超亲水自清洁涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)取硅纳米管3克，加入至50g去离子水中，搅拌或超声震荡30min，配置成埃洛石纳米管水分散液，随后加入1g十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌5h；

2)将1g光转化剂Eu³⁺-苯甲酸-邻菲罗啉三元稀土配合物溶解到50g质量比1:3的水和丙酮的混合溶剂中，在40-60℃搅拌1h，加入步骤1)制备的溶液中，依次加入2g阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和1g交联剂三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯，室温下搅拌均匀，备用；

3)将玻璃基材进行清洁后，在上述溶液中加入0.2g光引发剂2,4-二羟基二苯甲酮，搅拌均匀后，通过滚涂或喷涂的方式涂布到玻璃表面，涂布厚度为10g/m²，紫外光照射5s，完成固化，也可在天气晴朗时涂布，在阳光下照射2-5h完成固化。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，本对比例未使用纳米管，本对比例的自清洁涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)取50g去离子水中加入1g十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌5h；

2)将0.5g光转化剂Eu³⁺-β-二酮稀土配合物溶解到50g质量比1:3的水和丙酮的混合溶剂中，在40-60℃搅拌1h，加入步骤1)制备的溶液中，依次加入1g阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和0.5g交联剂，室温下搅拌均匀，备用；

3)将玻璃基材进行清洁后，在上述溶液中加入0.2g光引发剂2,4-二羟基二苯甲酮，搅拌均匀后，通过滚涂或喷涂的方式涂布到玻璃表面，涂布厚度为10g/m²，紫外光照射5s，完成固化，也可在天气晴朗时涂布，在阳光下照射2-5h完成固化。

余同实施例1。

对比例2

本对比例未使用阳离子单体和交联剂，本对比例的自清洁涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)取埃洛石纳米管2克，加入50g去离子水中，搅拌或超声震荡30min，配置成埃洛石纳米管水分散液，加入1g表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌5h；

2)将光转化剂Eu³⁺-β-二酮稀土配合物0.5g溶解到50g质量比1:3的水和丙酮的混合溶剂中，在40-60℃搅拌1h，备用；

3)将玻璃基材进行清洁后，在上述溶液中加入0.2g光引发剂2,4-二羟基二苯甲酮，搅拌均匀后，通过滚涂或喷涂的方式涂布到玻璃表面，涂布厚度为10g/m²，紫外光照射5s，完成固化，也可在天气晴朗时涂布，在阳光下照射2-5h完成固化。

余同实施例1。

对比例3

本对比例未使用光转化剂，本对比例的自清洁涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)取埃洛石纳米管2克，加入50g去离子水中，搅拌或超声震荡30min，配置成埃洛石纳米管水分散液，加入1g表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌5h；

2)在上述溶液中依次加入1g阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和0.5g交联剂，室温下搅拌均匀，备用；

3)将玻璃基材进行清洁后，在上述溶液中加入0.2g光引发剂2,4-二羟基二苯甲酮，搅拌均匀后，通过滚涂或喷涂的方式涂布到玻璃表面，涂布厚度为10g/m²，紫外光照射5s，完成固化，也可在天气晴朗时涂布，在阳光下照射2-5h完成固化。

余同实施例1。

对比例4

未涂布自清洁涂层组合物的玻璃基材。

将实施例1-2得到的涂布有超亲水自清洁涂层组合物的玻璃基材以及对比例1-4得到的涂布有自清洁涂层组合物的玻璃基材分别按照光伏组件封装的顺序，选用相同的EVA、电池、焊带、背板、接线盒等进行层压封装，随后分别对涂层的硬度、透光率、发电功率、导电率、水接触角、灰尘累积等进行表征，测试标准如下：

涂层硬度，参考GB6739-2006标准进行测试；

透光率，参考GB/T 37240-2018标准测试380-1100nm范围的透光率；

涂层附着力，参考GB/T9286-1998标准进行测试；

发电功率，参考IEC 61730标准进行测试；

导电率，参考GB/T1410-2006标准测试表面电阻；

水接触角，参考GB/T 24368-2009标准测试水接触角；

灰尘积累，操作方式为：将玻璃倾斜35°放置于灰尘较多的区域，12个月后记录灰尘积聚情况，其中，符号+表示玻璃表面灰尘的含量，+越多代表灰尘累积越多。

测试结果如表1所示。

表1

由表1可知，在涂层硬度的对比中，对比例1未加入纳米管，实施例1和实施例2因纳米管的加入增加了涂层的硬度，，这是由于纳米管的管状结构在提供巨大比表面积同时还可以增强涂层硬度。在透光率的对比中，不加纳米管的对比例1和不加阳离子单体、交联剂的对比例2的透光率比实施例1-2有明显下降，这是因为低折射率的纳米管的存在使涂层具有减反射效果，降低了光线的反射，有助于提高透光率，但是由于纳米管不能直接附着在玻璃基材上，而是需要通过固定在阳离子单体在交联剂的存在下发生聚合和交联而形成的网状结构上才能与基材稳固连接，因此，纳米管、阳离子单体、交联剂配合使用有助于提高透光率。在涂层附着力的对比中，对比例2的涂层附着力较弱，这是因为不加阳离子单体和交联剂，纳米管无法通过网状结构附着到玻璃基材上，这样尽管初始水接触角也较低，但是涂层寿命较短，灰尘依旧很快会富集，失去自清洁效果。在发电功率的对比中，实施例1和不加光转化剂的对比例3相比可知，实施例1发电功率较高，这是由于光转化剂的存在提升了光的利用率。在表面电阻的对比中，对比例2和对比例4均不加阳离子单体、交联剂，对比例2和对比例4测试的表面电阻相比实施例1-2较大，这是因为阳离子单体、交联剂的加入，除可以通过聚合和交联形成网状结构，同时可以提升涂层的导电率，增强导电性，从而减少静电吸附。在水接触角的对比中，对比例1-2相比实施例1-2都会有明显的下降，说明埃洛石纳米管和阳离子单体的结合才能实现最大的亲水角度，从而实现自清洁效果。灰尘累积和发电功率衰减的数据是一致的，实施例1-2的灰尘累积较少，发电功率衰减最少，在长期组件使用过程中，可以利用雨水、露水等的冲刷实现自清洁效果，从而大大减少人工清洗的频率，实现自清洁效果。本发明的实施例1和实施例2的超亲水自清洁涂层组合物具备自清洁能力，可以避免灰尘的积累，在1年的光伏组件使用中，组件功率衰减＜2％。

本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：

纳米管0.1-3份

表面活性剂1-5份

阳离子单体1-5份

光转化剂0.5-5份

光引发剂0.1-2份

交联剂0.1-5份

溶剂80-100份。

2.根据权利要求1所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述纳米管为埃洛石纳米管和/或硅纳米管；所述纳米管的外径40-60nm，内径10-20nm，长度100-1500nm，比表面积>30m²/g。

3.根据权利要求1所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述阳离子单体选自二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述光转化剂为有机稀土配合物。

6.根据权利要求5所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述有机稀土配合物为Eu³⁺、Tb³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Pr³⁺、Yb²⁺、Eu²⁺、Ce³⁺中的一种或多种的组合，有机稀土配合物的配体选自含有以下官能团或其衍生物或类化合物中的一种或多种的组合：β-二酮、羧酸、磺酸、苯甲酸、卟啉、吡啶、冠醚基、穴醚基芳香环、联吡啶、邻菲罗啉、8-羟基喹啉、吲哚、三苯基杨膦、多烯化合物。

7.根据权利要求1所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述光引发剂选自二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、α，α-二乙氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮、安息香双甲醚、二苯基乙酮、重氮盐、二芳基碘鎓盐、三芳基硫鎓盐、烷基硫鎓盐、铁芳烃盐、磺酰氧基酮、三芳基硅氧醚中的一种或多种的组合。

8.根据权利要求1所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述交联剂选自三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯、季戊四醇-三(3-氮丙啶基)丙酸酯、三羟甲基丙烷-三[3-(2-甲基氮丙啶基)]丙酸酯中的一种或多种的组合。

9.根据权利要求1所述的一种超亲水自清洁涂层组合物，其特征在于，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁烷、己烷中的一种或多种的组合。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种超亲水自清洁涂层组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配置纳米管水分散液，加入表面活性剂，在50-80℃下搅拌2-5h；

2)将光转化剂溶解到水和有机溶剂的混合溶剂中，加入至步骤1)制备的溶液中，依次加入阳离子单体和交联剂，搅拌均匀，备用；

3)使用前，加入光引发剂，然后涂布到已清洁的基材表面，紫外光照射5-10s或阳光下照射2-5h，完成固化。