DE2608960A1 - Selektiver schwarzer belag fuer aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf selektive Beläge zur Nutzbarmachung von Sonnenenergie. Im spezielleren bezieht sich die Erfindung auf einen selektiven schwarzen Belag für Aluminium.

Die Nutzbarmachung von Sonnenenergie durch Wärmeabsorption ist bekannt. Die Umwandlung erfordert jedoch besondere Materialien oder Systeme, die nicht leicht erhältlich sind oder zu kostspielig sind, um von praktischem Wert zu sein. Ein derartiges System beruht auf Linsen zum Bündeln von Sonnenstrahlen unter Verwendung von Parabolreflektoren oder dergleichen. Bei einem anderen System, das einen gewissen begrenzten praktischen Erfolg hatte, sind Sonnenstrahlenauffangplatten mit Materialien beschichtet, die die Sonnenstrahlung absorbieren. Im allgemeinen sind solche Materialien Metallplatten, die mit einer schwarzen Grundierfarbe bestrichen sind, welche die Sonnenstrahlung absorbiert und die Wärme (über das Metall) zu geeigneten Wärmeumwandlungsmitteln abführt, die z.B. Wasser erwärmen, das dann zur Verbrauchsstelle gepumpt wird. Es ist allgemein bekannt, dass geschwärzte Oberflächen bessere Sonnenenergieabsorber sind, doch ist für derartige Oberflächen ein hohes Emissionsvermögen charakteristisch. Dieses ist besonders bezüglich der Emission von Energie längerer Wellenlänge, wie z.B. im Infrarotbereich über 6 Mikron, unerwünscht, weil dadurch absorbierte Energie verloren geht.

Es besteht daher der Wunsch, dass ein Belag eine hohe Absorption von Sonnenenergie im sichtbaren Lichtbereich und im nahen Infrarotbereich (von 0,38 bis 1,9 Mikron), die einen Hauptteil des Sonnenspektrums ausmachen, zeigt. Der Belag sollte außerdem durch ein geringes Emissionsvermögen insbesondere in dem Bereich längerer Wellenlängen (im Infrarotbereich), d.h. über 6 Mikron, ausgezeichnet sein.

Die Erfindung schlägt einen selektiven schwarzen Belag auf Aluminium vor. Der selektive schwarze Belag ist durch ein großes Absorptionsvermögen von Wellen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (von 0,38 bis 1,9 Mikron) und durch ein geringes Emissionsvermögen von Strahlung mit Wellenlängen im Infrarotbereich über 6 Mikron ausgezeichnet. Der Belag wird durch Eintauchen von Aluminium in ein Borat- und Silikatsalze enthaltenes wässriges Bad für eine zur Bildung des selektiven schwarzen Belags auf dem Aluminium ausreichenden Dauer aufgebracht.

Die Zeichnung gibt ein Fließschema wieder, das das Verfahren zur Bildung des selektiven schwarzen Belags erläutert.

Gemäß der Erfindung wird der selektive schwarze Belag auf einer Aluminiumoberfläche durch Behandlung der Oberfläche mit einer wässrigen Lösung von Borat- und Silikatsalzen erhalten.

Unter dem Ausdruck "selektiver schwarzer Belag" ist ein dunkler Belag zu verstehen, der schwarz oder nahezu schwarz aussieht und ein Absorptionsvermögen im sichtbaren und nahen Infrarotwellenlängenbereich (d.h. von 0,38 bis 1,9 Mikron) von mindestens 80 % hat und ein Emissionsvermögen in dem Infrarotwellenlängenbereich (d.h. über 6 Mikron) von weniger als 45 % hat.

Die Aluminiumoberfläche, die die Unterlage für den selektiven schwarzen Belag bildet, enthält Aluminium mit mindestens 90 %iger und vorzugsweise 95 %iger Reinheit. Die Unterlage kann massives Aluminiummaterial oder eine Aluminiumoberfläche auf einem anderen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Stahl, enthalten. In dem letzteren Fall kann die Aluminiumoberfläche auf dem zweiten Material durch irgendeine geeignete Technik zur Bildung einer Bindung, wie z.B. Plattieren, Galvanisieren usw., die eine geeignete Wärmeleitungsbahn zwischen dem Aluminiummetall und dem zweiten Material ergibt, angebracht werden.

Die Aluminiumoberfläche muß von Fremdmaterialien frei sein, wozu äußerer Schmutz, Erde oder Schmiermittel gehören, die die Bildung des selektiven schwarzen Belags stören können. Gewöhnlicher Aluminiumwerkstoff z.B. kann zum Auftragen des selektiven schwarzen Belags durch übliche, dem Fachmann bekannte Reinigungsmaßnahmen hergerichtet werden, wie sie z.B. zur Bearbeitung einer Aluminiumoberfläche zum Anodisieren benutzt werden.

Zu solchen Maßnahmen bzw. Verfahrensstufen gehören das Reinigen der Oberfläche mit einem guten alkalischen Reinigungsmittel und das nachfolgende Spülen mit Wasser zur Entfernung von Erde, Schmutz und Fremdmaterialien. Die Oberfläche wird dann einer Behandlung zur Entfernung von Oberflächenoxiden unterworfen, und zwar z.B. unter Verwendung von Chromschwefelsäure, die 3,5 Gew.-% Chromsäure und 16,5 Gew.-% Schwefelsäure enthält, oder einer Salpetersäure-Phosphorsäurelösung, die 3 Gew.-% Salpetersäure und
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Gew.-% Phosphorsäure enthält, wobei in jedem Fall der Rest Wasser ist.

Nach dem Spülen mit Wasser wird die Oberfläche mit einer alkalischen Lösung, wie z.B. einer 5-Gew.-%igen Natriumhydroxidlösung, geätzt. Nach dem erzeugten Spülen mit Wasser wird irgendein bei der Ätzstufe etwa entstandener Schmutzfleck unter Verwendung z.B. der oben beschriebenen Chromschwefelsäure oder einer Salpetersäurelösung, die 35 Gew.-% Salpetersäure, Rest Wasser, enthält, entfernt. Nach dem erneuten Spülen mit Wasser ist die Oberfläche für ein Auftragen des Belags fertig.

Zur Bildung des selektiven schwarzen Belags wird die Aluminiumoberfläche in ein wässriges Bad eingetaucht, das lösliche Borat- und Silikatsalze enthält. Das Boratsalz ist vorzugsweise
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in entweder der wasserfreien oder der hydratisierten Form, und das Silikatsalz ist vorzugsweise Natriummetesilikat (Na2SiO3?9H2O). Das Bad soll bei der Betriebstemperatur einen basischen pH-Wert in dem Bereich von etwa 8,0 bis etwa 10,0 und vorzugsweise von etwa 8,6 bis 8,7 haben. Dieses kann durch periodisches Zugeben von frischer Lösung oder erforderlichenfalls durch Zugabe einer Base, wie z.B. Natriumhydroxid, erreicht werden. Solche periodischen Zugaben finden vorzugsweise nach jeder Behandlung von Aluminiumplatten in der Lösung statt.

Gemäß der Erfindung soll das Aluminium für eine Dauer von etwa 45 Minuten behandelt werden. Bei frischen Lösungen kann die erforderliche Eintauchdauer länger sein und z.B. 75 bis 90 Minuten betragen. Umgekehrt kann nach mehreren Verfahrensfolgen die erforderliche Eintauchdauer für eine Aluminiumplatte min. 30 bis 35 Minuten betragen. Das Bad wird im allgemeinen bei einer Temperatur von etwa 66 bis 100°C und vorzugsweise zwischen etwa 93 bis 100°C gehalten.

Nach dem Eintauchen der Aluminiumplatte in die Lösung wir die Platte herausgenommen und an der Luft getrocknet. Die Platte kann gegebenenfalls vor oder nach dem Lufttrocknen mit Wasser gewaschen werden. Es ist festgestellt worden, dass die erhaltene beschichtete Platte ein Absorptionsvermögen in dem sichtbaren und nahen Infrarotwellenlängenbereich (0,38 bis 1,9 Mikron) von über 80 % und im allgemeinen von etwa 90 bis 96 % und gleichzeitig ein Emissionsvermögen in dem Infrarotwellenlängenbereich (über 6 Mikron) von im allgemeinen unter etwa 45 %, vorzugsweise unter 40 % und insbesondere unter 20 % hat. Die Infrarotwellenlängen, auf die sich die vorstehend angegebenen Zahlenwerte für das Emissionsvermögen beziehen, sind solche von etwa 6 bis 9 Mikron.

Die Konzentration des Boratsalzes, wie z.B. von Natriumtetraborat, braucht nur etwa 200 bis 250 ppm (bezogen auf die Gesamtteile der Lösung) zu betragen, kann aber auch etwa 1000 ppm ausmachen.

Obwohl etwas höhere Konzentrationen bis herauf zum Sättigungspunkt der Lösung benutzt werden können, konnte nicht festgestellt werden, dass höhere Anteile irgendeinen größeren Vorteil ergeben.

Die Konzentration des Silikatsalzes soll, wie festgestellt worden ist, etwa 1/8 bis ½ und am geeignetsten etwa ¼ der Konzentration des Beratsalzes ausmachen. Die Konzentration des Natriumhydroxids oder einer anderen Base kann zusammen mit der hauptsächlich zur pH-Einstellung benutzten Base etwa 0 bis 250 ppm ausmachen.

Es ist außerdem gefunden worden, dass die Behandlungslösung durch den die Lösungsvolumen behandelten Oberflächenanteil beeinflusst wird. Es ist z.B. festgestellt worden, dass der im Lösungsvolumen zu behandelnde Mindestoberflächenbereich etwa 0,120 cm2 in ml beträgt. Aus noch nicht völlig geklärten Gründen hat sich kein guter Belag entwickelt, wenn das Verhältnis stark unter dem angegebenen Verhältnis liegt.

Wenn eine einzelne Platte z.B. in die Lösung gelegt wird und eine Fläche in Volumeneinheit von weniger als 0,120 cm2 je ml gegeben ist, wird, wie festgestellt worden ist, ein geeigneter Belag durch Zugabe weiterer Platten zu der Lösung erreicht. Wenn dieses Verhältnis von Fläche zu Volumen einmal erreicht ist, kann die Fläche der Platten bei nachfolgenden Ansätzen mit der gleichen Lösung geringer sein.

Obwohl nicht völlig geklärt ist, was zu diesem Phänomen führt, wird angenommen, dass die Lösung vielleicht mit Aluminiumverbindungen (wie z.B. Al2O3) vorkonditioniert worden sein muß, das der gewünschte Belag erzielt wird.

Es ist z.B. gefunden worden, dass die Lösungen durch Zugabe von feingepulvertem bzw. zerstäubtem Aluminium vorkonditioniert werden kann. Es wird angenommen, dass vor dem Erreichen der Sättigung oder der Gleichgewichtszustands die Lösung zu reaktionsfähig ist und einen Belag ergibt, der schmierig oder unsauber ist.

Zur Erläuterung des Verfahrens der Erfindung wurde ein Bad unter Benutzung eines Behälters mit einer Breite von 91 cm und einer Länge von 427 cm, der bis zu einer Tiefe von 162 cm gefüllt wurde, hergestellt. 6302 l reionisiertes Wasser mit einem spezifischen Widerstand von oder größer als 1 Menphm gemäß Bestimmung durch übliche Messungen wurden zusammen mit 5,449 kg Natriumtetreborat (Na2B4O7), 1,362 kg Natriummetasilikat (Na2SiN3?9H2O) und 1,589 kg Natriumhydroxid eingetragen.

Eine Reihe von Platten mit einer Größe von 81 cm mal 244 cm wurden in Gruppen aus 9 Stück behandelt. Nach jeder Gruppe wurde die Höhe der Lösung in dem Behälter durch Zugabe von frischer Lösung und gegebenenfalls weiterem Natriumhydroxid zum Einhalten eines pH-Werts von 8,7 wieder eingestellt.

Die Temperatur der Lösungen wurde zwischen 93°C und dem Siedepunkt gehalten. Die durchschnittliche Eintauchdauer der Platten in die Lösung betrug etwa 45 Minuten. Nach der Behandlung wurden die Platten untersucht, und es wurde festgestellt, dass sie einen dünnen dunklen Belag mit einem Absorptionsvermögen in dem Wellenlängenbereich von 0,38 bis 1,9 Mikron von etwa 90 bis 96 % und einem Emissionsvermögen in dem Infrarotbereich von über 6 Mikron von etwa 20 bis 40 % aufwiesen.

Die Analyse mittels Elektronenmikrosonde (electron mirconrobe analysis) der beschichteten Proben ergab, dass der Belag fast vollständig aus Aluminium und Sauerstoff bestand.

Nachfolgend werden die Analysewerte in Prozenten vom Gesamtbelag angegeben:

Al - 70 % Fe - 1,1 % O - 29 % S - 0,1 % Si - 1,5 % Na - 0,3 %

Die zweite Probe wurde analysiert, und es wurde festgestellt, dass sie 64 % Aluminium, 32 % Sauerstoff, 1,8 % Silicium, 1,2 % Eisen, 0,3 % Schwefel, 0,6 % Natrium und 0,9 % Kohlenstoff enthielt.

Eine spezielle Untersuchung auf Bor hin ergab, dass kein Bor in dem Belage vorhanden war, zumindest in den untersuchten Proben. Der hohe Aluminiumanteil kann als Messwert für die Unterlage sowie auch für den Belag gelten. Die quantitative Analyse von als Auslaugflüssigkeit verwendetem heißem Wasser ergab, dass keine löslichen Materialien in dem Belag vorhanden waren.

Obwohl die Erfindung hier anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, sind für den Fachmann Abwandlungen und Modifizierungen im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims (11)

1. Verfahren zum Aufbringen eines selektiven schwarzen Belags mit einem hohen Absorptionsvermögen in dem sichtbaren und nahen Infrarotwellenlängenbereich von 0,38 bis 1,9 Mikron und einer geringen Emissionsfähigkeit von Infrarotwellen mit Wellenlängen über 6 Mikron auf eine Aluminiumoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Aluminium für mindestens 30 Minuten in ein Bad eintaucht, das den besagten selektiven schwarzen Belag zu bilden vermag, mindestens 200 ppm von einem löslichen Boratsalz und ein lösliches Silikatsalz mit einer Konzentration von mindestens 1/8 der Konzentration des Boratsalzes enthält und einen pH-Wert in dem Bereich von 8 bis 10 hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Boratsalz in dem Bad in einer Konzentration von etwa 200 bis 1000 ppm vorhanden ist und die Konzentration des Silikatsalzes etwa 1/8 bis ½ der Konzentration des Boratsalzes beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Bads bei 8,6 bis 8,7, gemäß Messung bei der Betriebstemperatur des Bads, gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium in das Bad für eine Dauer von etwa 30 bis etwa 90 Minuten eingetaucht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Bads bei etwa 66° bis etwa 100 °C gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der Aluminiumfläche in dem Bad zu dem Badvolumen mindestens 0,129 cm2 je ml beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine zuvor gereinigte Aluminiumoberfläche in dem Bad behandelt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Boratsalz ein lösliches Tetraboratsalz ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bad 200 bis 1000 ppm Natriumtetraborat enthält.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikatsalz ein lösliches Metesilikatsalz ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bad 50 bis 250 ppm Natriummetesilikat enthält.

Leerseite

Aluminiumoberfläche 5 Minuten in alkalischem Reinigungsmittel 1 Minute spülen mit kaltem Leitungswasser 5 Minuten in saurer Desoxidationslösung 1 Minute spülen mit kaltem Leitungswasser 2-4 Minuten in alkalischer Ätzlauge 1 Minute spülen mit kaltem Leitungswasser 1 Minute in saurer Entfleckungslösung 1 Minute spülen mit kaltem Leitungswasser 30-90 Minuten in Borat-Silikat-Beschichtungslösung bei 66°-100° C mit einem pH von 8,0-10,0 Aluminiumoberfläche mit selektivem schwarzem Belag