CN116041998B - 超亲水涂层组合物、超亲水涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超亲水涂层组合物、超亲水涂层及其制备方法，该超亲水涂层组合物的制备原料包括以下组分：阳离子单体、介孔材料、光敏半导体、光引发剂、交联剂、表面活性剂和溶剂，该超亲水涂层通过超亲水涂层组合物制备而成。本发明提供的超亲水涂层组合物、超亲水涂层及其制备方法中，采用介孔材料作为光敏半导体的载体，应用于超亲水涂层中，介孔材料因具有巨大的比表面积，可以实现较高的光敏半导体的负载，并能通过缓释慢慢将其释放出来，延长了涂层的使用寿命，同时还能降低材料自身的折光系数，降低涂层对光线的遮挡，实现自清洁的同时，降低光线反射，具有减反射效果，提高了透光率和发电功率。
Description
技术领域
本发明属于超亲水新材料技术领域，具体涉及超亲水涂层组合物、超亲水涂层及其制备方法。
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，定期的清理维护则会浪费巨大的人力及物力成本。
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°，若在光伏玻璃上涂布超亲水自清洁涂层，少量的雨水或露水便可在玻璃表面形成水膜，阻止了灰尘或污染物与玻璃表面的接触，而且水膜的流动更容易将灰尘带走，从而减少或消除了灰尘的积聚，是一种简单有效的减少光伏组件灰尘的方法。
现有超亲水的技术路线多利用光敏半导体材料(二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、硫化镉等)的光催化活性分解有机物实现自清洁效果，而且随着光敏半导体材料用量的增加，光催化活性增加，但是，过多使用光敏半导体材料将会使涂层变得不稳定，易产生裂纹，影响使用效果。而且，这些材料暴露于涂层表面，随着其在光照下逐渐消耗，自清洁涂层会很快失去自清洁效果，涂层寿命通常较短。
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超亲水涂层组合物、超亲水涂层及其制备方法。
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：
超亲水涂层组合物，所述超亲水涂层组合物的制备原料包括以下组分：阳离子单体、介孔材料、光敏半导体、光引发剂、交联剂、表面活性剂和溶剂。
超亲水涂层，所述超亲水涂层通过如上所述的超亲水涂层组合物制备而成，所述超亲水涂层包括底层和面层，所述底层包括以下组分：阳离子单体、光引发剂、交联剂和溶剂，所述面层包括以下组分：介孔材料、光敏半导体、表面活性剂和溶剂。
在本发明的超亲水涂层中，按重量份数计，所述底层包括以下组分：
阳离子单体1-5份
光引发剂0.1-2份
交联剂0.1-2份
溶剂50-100份。
在本发明的超亲水涂层中，按重量份数计，所述面层包括以下组分：
介孔材料0.1-3份
表面活性剂1-2份
光敏半导体0.5-2份
溶剂50-100份。
在本发明的超亲水涂层中，所述阳离子单体为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。
在本发明的超亲水涂层中，所述光引发剂为二苯甲酮、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；所述交联剂为三羟甲基丙烷-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；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁烷、己烷中的一种或多种的组合。
在本发明的超亲水涂层中，所述介孔材料为多孔埃洛石纳米管、介孔二氧化硅、介孔沸石中的一种；所述多孔埃洛石纳米管的比表面积>300m2/g，孔径5-20nm；所述介孔二氧化硅为孔径10-20nm的笼型介孔二氧化硅；所述介孔沸石为孔径5-20nm的介孔沸石。
在本发明的超亲水涂层中，所述多孔埃洛石纳米管的制备步骤包括：
先将外径40-60nm、内径10-20nm、长度100-1500nm、比表面积>30m2/g的埃洛石纳米管进行清水洗涤，再加入3mol/L的硫酸或盐酸，于50-100℃条件下搅拌8-10h，随后使用清水多次洗净、烘干，得到所需多孔埃洛石纳米管。
在本发明的超亲水涂层中，所述光敏半导体为二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、硫化镉中的一种或多种的组合；所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、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；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁烷、己烷中的一种或多种的组合。
超亲水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)底层制备：将阳离子单体和交联剂加入溶剂中，室温下搅拌均匀，备用；
2)面层制备：配置介孔材料水分散液，超声搅拌后加入表面活性剂，在50-80℃条件下搅拌均匀，加入光敏半导体，在50-80℃条件下继续搅拌2-10h，备用；
3)清洁基材表面，在步骤1)的溶液中加入光引发剂，混匀后涂布到基材表面，紫外光照射1-3s或日光照射1-3h进行预固化，然后涂布步骤2)的溶液，涂布后进行紫外光照射1-3s或日光照射1-3h，完成固化。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)采用介孔材料作为光敏半导体的载体，应用于超亲水涂层中，由于介孔材料具有巨大的比表面积，可以实现较高的光敏半导体材料负载，并能通过缓释慢慢将其释放出来，延长了涂层的使用寿命，多孔埃洛石纳米管的使用可提升涂层的硬度、耐磨性和附着力，涂层的耐候性也更优；
2)介孔材料的多孔洞效果，除了能够缓释光敏半导体，还能降低材料自身的折光系数，降低涂层对光线的遮挡，实现自清洁的同时，降低光线反射，具有减反射效果，有助于提高了透光率和发电功率。
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。
实施例1
超亲水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)底层制备：将阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵1g和交联剂三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯1g加入到50g质量比7：3的水与丙酮的混合溶剂中，在室温下搅拌30min，备用；
2)面层制备：
将埃洛石纳米管先进行清水洗涤，再加入3mol/L的硫酸或盐酸，在80℃条件下，搅拌10h后，用清水多次洗净、烘干，得到比表面积>300m2/g，孔径5-10nm的多孔埃洛石纳米管。取制备好的多孔埃洛石纳米管1g，加入80g去离子水中，超声搅拌30min，加入1g表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌30min后，加入光敏半导体二氧化钛0.5g，在50℃下继续搅拌10h；
3)清洁玻璃基材表面，在步骤1)的溶液中加入光引发剂二苯甲酮0.1g，涂布到玻璃表面，紫外光照射2s进行预固化，然后涂布步骤2)的溶液，涂布后再紫外光照射3s，完成固化。
实施例2
超亲水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)底层制备：将阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵1g和交联剂三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯1g加入到50g质量比7：3的水与丙酮的混合溶剂中，在室温下搅拌30min，备用；
2)面层制备：
取10-20nm孔径的笼型介孔二氧化硅3g，加入80g去离子水中，超声搅拌30min，加入1g表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌30min后，加入光敏半导体二氧化钛2g，在50℃下继续搅拌10h；
3)清洁玻璃基材表面，在步骤1)的溶液中加入光引发剂二苯甲酮0.1g，涂布到玻璃表面，紫外光照射2s进行预固化，然后涂布步骤2)的溶液，涂布后再紫外光照射3s，完成固化。
余同实施例1。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例未加介孔材料。本对比例的涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)底层制备：将阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵1g和交联剂三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯1g加入到50g质量比7：3的水与丙酮的混合溶剂中，在室温下搅拌30min，备用；
2)面层制备：取80g去离子水中，超声搅拌30min，加入1g表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌30min后，加入光敏半导体二氧化钛0.5g，在50℃下继续搅拌10h；
3)清洁玻璃基材表面，在步骤1)的溶液中加入光引发剂二苯甲酮0.1g，涂布到玻璃表面，紫外光照射2s进行预固化，然后涂布步骤2)的溶液，涂布后再紫外光照射3s，完成固化。
余同实施例1。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例加入非介孔材料(无介孔的二氧化硅)。本对比例的涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)底层制备：将阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵1g和交联剂三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯1g加入到50g质量比7：3的水与丙酮的混合溶剂中，在室温下搅拌30min，备用；
2)取无介孔的二氧化硅1g，加入80g去离子水中，超声搅拌30min，加入1g表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌30min后，加入光敏半导体二氧化钛0.5g，在50℃下继续搅拌10h；
3)清洁玻璃基材表面，在步骤1)的溶液中加入光引发剂二苯甲酮0.1g，涂布到玻璃表面，紫外光照射2s进行预固化，然后涂布步骤2)的溶液，涂布后再紫外光照射3s，完成固化。
余同实施例1。
对比例3
未涂布任何超亲水涂层的玻璃基材。
将实施例1-2以及对比例1-3的玻璃基材按照光伏组件封装的顺序，选用相同的EVA、电池、焊带、背板、接线盒等基材进行层压封装，对玻璃基材上的涂层的透光率、发电功率、水接触角、灰尘累积等进行表征。得出测试结果如下表1所示。
透光率参考GB/T 37240-2018标准测试380-1100nm范围的透光率。
发电功率参考IEC 61730标准进行测试。
水接触角参考GB/T 24368-2009标准测试水接触角。
灰尘积累的操作方法为：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，符号+表示玻璃表面灰尘的含量，+越多代表灰尘累积越多。
表1
由表1可知，与实施例1相比，对比例1未加入介孔材料，除影响透光率外，也使得光敏半导体缺少负载，很快被消耗或被污染而失去自清洁效果，所以对比例1在长期使用中，会很快失去自清洁效果，灰尘依旧会聚积，长期使用后发电功率衰减约9.9％，而对比例2加入的是非介孔材料，非介孔材料无法负载光敏半导体，透光率损失较大，长期使用中灰尘聚积情况也较差，自清洁效果较差，长期使用后发电功率衰减约8.9％，对比例3未进行涂层保护，长期使用后表面灰尘聚积较多，发电功率衰减最大。与对比例相比可知，本发明的实施例1和2采用介孔材料作为光敏半导体的载体，多孔洞效果降低了材料自身的折光系数，透光率比对比例1-3有明显提升，发电功率可提升1.5W以上，通过12个月灰尘积累测试后发现，实施例1-2具备自清洁效果，长期使用后发电功率衰减较小，<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 (4)
1.超亲水涂层，其特征在于，所述超亲水涂层包括底层和面层，所述底层包括以下组分：阳离子单体、光引发剂、交联剂和溶剂，所述面层包括以下组分：介孔材料、光敏半导体、表面活性剂和溶剂；
按重量份数计，所述底层包括以下组分：
阳离子单体1-5份
光引发剂0.1-2份
交联剂0.1-2份
溶剂50-100份；
所述面层包括以下组分：
介孔材料0.1-3份
表面活性剂1-2份
光敏半导体0.5-2份
溶剂50-100份；
所述介孔材料为多孔埃洛石纳米管，所述多孔埃洛石纳米管的比表面积>300m2/g，孔径5-20nm；
所述多孔埃洛石纳米管的制备步骤包括：
先将外径40-60nm、内径10-20nm、长度100-1500nm、比表面积>30m2/g的埃洛石纳米管进行清水洗涤，再加入3mol/L的硫酸或盐酸，于50-100℃条件下搅拌8-10h，随后使用清水多次洗净、烘干，得到所需多孔埃洛石纳米管；
所述光敏半导体为二氧化钛、氧化锌、硫化镉中的一种或多种的组合；
所述超亲水涂层的制备方法包括以下步骤：
1)底层制备：将阳离子单体和交联剂加入溶剂中，室温下搅拌均匀，备用；
2)面层制备：配置介孔材料水分散液，超声搅拌后加入表面活性剂，在50-80℃条件下搅拌均匀，加入光敏半导体，在50-80℃条件下继续搅拌2-10h，备用；
3)清洁基材表面，在步骤1)的溶液中加入光引发剂，混匀后涂布到基材表面，紫外光照射1-3s或日光照射1-3h进行预固化，然后涂布步骤2)的溶液，涂布后进行紫外光照射1-3s或日光照射1-3h，完成固化；
采用介孔材料作为光敏半导体的载体，介孔材料的多孔洞效果，除了能够缓释光敏半导体，还能降低材料自身的折光系数，降低涂层对光线的遮挡，实现自清洁的同时，降低光线反射，具有减反射效果，多孔埃洛石纳米管的使用提升涂层的硬度、耐磨性和附着力。
2.根据权利要求1所述的超亲水涂层，其特征在于，所述阳离子单体为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。
3.根据权利要求1所述的超亲水涂层，其特征在于，所述光引发剂为二苯甲酮、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；所述交联剂为三羟甲基丙烷-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；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁烷、己烷中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的超亲水涂层，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、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；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁烷、己烷中的一种或多种的组合。
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