一种太阳能光热转换材料的生产方法.pdf

本发明公开了一种太阳能光热转换材料的生产方法。现有技术生产的太阳能光热转换材料存在热稳定性、抗紫外线性能、耐蚀性较差，采光面积小，不能实现太阳能热利用系统与建筑结构的一体化等缺陷。本发明采用铬合金钢为基体，然后对其进行前处理；经过前处理的铬合金钢进行化学抛光处理；将抛光后的铬合金钢进行化学氧化着色处理，其所用的化学着色溶液包括硫酸、硝酸盐、硫酸铵和羟基苯甲酸；将上步得到的表面有黑色转化膜的铬合金钢进行化学封闭处理；烘干成品。本发明采用低铬合金钢进行酸性化学着色得到一种新型的太阳能光热转换材料，适宜生产大面积太阳能光热转换材料，能实现太阳能热利用系统与建筑结构的一体化。

1、  一种太阳能光热转换材料的生产方法，采用低铬合金钢为基体，通过化学氧化制备具有太阳能选择吸收涂层的光热转换材料，其具体步骤如下：1)将铬合金钢进行前处理，其包括喷砂、除油、热水洗、流动水洗、活化、流动水洗；2)经过前处理的铬合金钢进行化学抛光处理；3)将抛光后的铬合金钢进行化学氧化着色处理，其所用的化学着色溶液包括硫酸、硝酸盐、硫酸铵和羟基苯甲酸；4)将上步得到的表面有黑色转化膜的铬合金钢进行化学封闭处理；5)烘干成品。

2、  根据权利要求1所述的太阳能光热转换材料的生产方法，其特征在于所述的化学抛光处理所用的抛光溶液包括浓度为1-10克/升的硫酸和浓度为100-200克/升的双氧水，抛光处理的温度为25-45℃，时间为5-10分钟。

3、  根据权利要求1或2所述的太阳能光热转换材料的生产方法，其特征在于所述化学着色溶液中的硫酸浓度为10-200克/升、硝酸盐浓度为1-35克/升、硫酸铵浓度为3-60克/升、羟基苯甲酸浓度为0.03-1克/升。

4、  根据权利要求3所述的太阳能光热转换材料的生产方法，其特征在于着色处理的温度为45-85℃，时间为20-300分钟，着色溶液需搅拌。

5、  根据权利要求4所述的太阳能光热转换材料的生产方法，其特征在于所述铬合金钢的化学成份中含有锰元素，其含量在0.5％-17％。

一种太阳能光热转换材料的生产方法
技术领域
本发明涉及太阳能吸收涂层材料的制备领域，具体地说是一种太阳能光热转换材料的生产方法。
背景技术
大阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破，这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念及理论基础并研制成实用的黑镍光热转换材料。太阳能光热转换材料对太阳能热利用的技术经济性能影响很大，为提高太阳能热利用效率、降低成本，各国太阳能科技工作者对研究、开发太阳能光热转换材料都十分重视，研制出许多种选择性吸收黑色涂层光热转换材料：(1)黑铬涂层光热转换材料，现采用的电镀黑铬工艺，电流密度大(15～200A/dm2)，溶液导电性差，电镀时会产生大量的焦耳热，需要冷却和通风排气才能维持正常生产。另外，黑铬镀在非铜件上，需要先预镀铜，再镀光亮镍，最后镀黑铬；该技术要生产大面积太阳能光热转换材料比较困难，且成本较高，污染严重。(2)黑镍涂层光热转换材料，黑镍涂层很薄，耐蚀性较差，为了提高涂层与基体的结合力和耐蚀性，需要中间涂层(如Ni，Cu，Cd)或双层镍涂层，所以生产成本比较高；黑镍涂层的热稳定性较差，通常只适用于低温太阳能热利用。(3)黑钴涂层光热转换材料，黑钴涂层的主要成分是CoS，具有蜂窝型网状结构，其吸收率α可达0.94～0.96，发射率e为0.12～0.14，α/e为6.7～8。但是，该技术要生产大面积太阳能光热转换材料比较困难，且工艺不够成熟，技术较难掌握，生产成本也高。(4)涂料型PbS涂层光热转换材料，该涂层制备简单，光学性能较好，但枝蔓状PbS会逐渐氧化变成白色PbSO₄，从而失去光热转换功能。同时PbS的防锈能力也较差，通常只适用于低温太阳能热利用。(5)过渡金属复合氧化物涂层光热转换材料，这种涂料型涂层制备简单，光学性能较好，成本较低，但涂层附着性较差，易发生剥落。通常只适用于低温太阳能热利用。(6)不锈钢黑色膜层光热转换材料，具有优良的光谱选择性，热稳定性和抗高温性能也很好，但采用高浓度的铬酸和硫酸，需在高温下操作，存在生产设备要求高，生产环境恶劣、污染严重，操作困难，溶液不稳定，颜色控制难等问题。(7)我国广泛应用的真空镀涂层光热转换材料，采用真空蒸发和磁控溅射技术制备选择吸收涂层，性能十分良好，但基体材料采用真空玻璃管，真空玻璃管应用于建筑结构中存在困难，而且收集太阳能的面积较小。
总之，现有技术生产的太阳能光热转换材料存在热稳定性、抗紫外线性能、耐蚀性较差，采光面积小，不能实现太阳能热利用系统与建筑结构的一体化等缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种新型的太阳能光热转换材料的生产方法，该方法操作简单，适宜生产大面积太阳能光热转换材料，实现太阳能热利用系统与建筑结构的一体化。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种太阳能光热转换材料的生产方法，采用低铬合金钢为基体，通过化学氧化制备具有选择吸收黑色膜的光热转换材料，其具体步骤如下：1)将铬合金钢进行前处理，其包括喷砂、除油、热水洗、流动水洗、活化、流动水洗；2)经过前处理的铬合金钢进行化学抛光处理；3)将抛光后的铬合金钢进行化学氧化着色处理，其所用的化学着色溶液包括硫酸、硝酸盐、硫酸铵和羟基苯甲酸；4)将上步得到的表面有黑色转化膜的铬合金钢进行化学封闭处理；5)将封闭好的黑色表面铬合金钢烘干，成为一种新型的太阳能光热转换材料。
本发明选用的基体材料属于低铬合金钢，耐蚀性较差。高铬合金钢是因为钢中铬含量高，抗蚀性能好，这是由于铬能够有效地降低氧化电极电位，使原来纯铁(或低碳钢)的电极电位由正值变为负值；高铬合金钢的耐蚀性好，其表面用高温、强酸、强氧化剂的着色液处理。利用现有的高铬合金钢化学着色液处理低铬合金钢，只能得到无光亮、表面有腐蚀倾向的转化膜。本发明采用低温、低浓度酸和一般氧化剂对低铬合金进行表面处理，在化学着色溶液中低铬合金表面的铁的氧化速度大大地高于铬，使合金表面铬的含量出现富集，这样相当于提高了铬在合金表层的含量，能使低铬合金表面产生出外观致密、有光泽的转化膜，并达到高铬合金钢耐蚀性一样的效果。
所述的太阳能光热转换材料的生产方法，化学抛光处理所用的溶液包括浓度为1-10克/升的硫酸和浓度为100-200克/升的双氧水，抛光时间在5-10分钟，抛光温度25-45℃。由于低铬合金钢的耐腐蚀性较差，选用低浓度硫酸的化学抛光溶液进行抛光，将能达到很好的效果。
所述的太阳能光热转换材料的生产方法，化学着色溶液中硫酸浓度为10-200克/升，所述的硝酸盐浓度为1-35克/升，所述的硫酸铵浓度为3-60克/升，所述的羟基苯甲酸浓度为0.03-1克/升；硫酸能使溶液保持一定的酸度，可以增加溶液活性，硫酸太低，反应速度较慢，黑色膜起色时间推迟，硫酸含量太高，黑色膜光泽差；硝酸盐是化学着色液中的氧化剂，含量太低，易造成过腐蚀，含量太高，黑色膜起色时间推迟；硫酸铵是化学着色液中的稳定剂，能络合溶解下来的金属离子，使化学着色液稳定；羟基苯甲酸是化学着色液中的光亮剂；化学着色液中的硫酸和其它成分的浓度，是根据铬合金钢化学成分和着色工艺条件来选择的，着色工艺条件具体是指铬合金钢的工件外形、大小、重量及化学着色液的体积、温度和选择何种搅拌方式。
所述的太阳能光热转换材料的生产方法，着色处理的温度为45-85℃，不需通电电解，能节约能耗，低温处理可减少溶液蒸发且有利于操作工人的健康；着色时间为20-300分钟，着色过程中，颜色变化缓慢；着色溶液经过搅拌，可使化学着色液的浓度均匀，温差小。
所述的太阳能光热转换材料的生产方法，铬合金钢的化学成份中含有锰元素，锰含量在0.5％-17％。铬合金钢中的锰元素是得到纯黑着色膜所必需的一种成分，在着色处理时，铬合金钢中的锰元素被化学着色液溶解成为锰离子，锰离子能参与成膜，并能加快黑色膜的形成(即起催化作用)，是得到铬合金钢表面纯黑色的关键。如果缺少锰元素，只能得到灰黑色或蓝黑色转化膜。
利用本发明得到的太阳能光热转换材料具有下列特点：
1、化学转化膜表面均匀致密，黑度深，抗指纹或污垢的能力强；其吸收率高和发射率低，具有优良的光谱选择性。
2、化学转化膜具有良好的加工成形性能，可承受一般的模压加工，深拉延、弯曲加工和加工硬化。黑色膜均无损伤，表现出良好的可加工性。
3、化学转化膜具有良好的耐磨性能，黑色着色膜与基体材料的结合力良好，具有很好的耐磨和耐刻划性能。
4、化学转化膜具有良好的耐腐蚀性能，中性盐雾试验(Nacl 5％温度35度)24小时色泽无变化；中性盐雾试验达到48小时以上。
5、化学转化膜具有良好的耐热性能。
6、化学转化膜具有良好的抗紫外线性能，在太阳下长期照射，其表面色泽均无明显变化。
所述的太阳能光热转换材料的生产方法，采用低铬合金钢进行酸性化学着色是一种新型的表面处理技术，填补了表面处理领域的一项空白，具有以下有益效果：1、化学着色液能使低铬合金钢表面铬含量出现富集，表面铬含量的提高，表面耐腐蚀能力就增强，能达到高铬合金钢耐蚀性一样的效果；2、化学着色液中组分的浓度低，不含六价铬之类有毒物质，操作方便，能达到环境保护的要求；3、化学转化膜的颜色与铬合金钢中化学成分的铬、锰含量有关，相同材质的铬合金钢，其颜色随着着色时间的增加，由浅黑至深黑，基本上没有颜色差异，重现性好；4、化学着色液在低于70℃的标准大气压下有极好的使用效果，溶液蒸发少，有利于操作工人的健康；5、化学着色液的溶液稳定，组分浓度范围大，使用温度范围宽；6、化学着色过程中，颜色变化缓慢，重现性好，使本发明特别适宜生产大面积太阳能光热转换材料，实现了太阳能热利用系统与建筑结构的一体化。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
准备工作：
(1)生产试验设备：1台单槽超声波清洗机(工作槽最好用316不锈钢或钛金板加固加密焊接)。
(2)配制化学抛光溶液500升。
(3)配制化学着色溶液500升在超声波清洗机的工作槽中。
(4)配制饱和硅酸钠溶液500升。
(5)准备低铬合金钢板。
实施例1
第一步，选用铬含量为12.5％、锰含量为16.28％的铬合金钢板，对其进行前处理，依次经过喷砂、除油、热水洗、流动水洗、活化、流动水洗；
第二步，将前处理好的铬合金钢板浸入化学抛光溶液中进行抛光处理，化学抛光溶液由5克/升硫酸和双氧水150克/升组成，抛光时间10分钟，抛光温度35℃。抛光后取出用热水洗，再用流动水洗清。
第三步，将抛光好的铬合金钢板浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸50克/升、硝酸盐5克/升、硫酸铵20克/升、羟基苯甲酸0.1克/升；采用超声波搅拌方式，化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢板的面积：0.4平方米；着色温度60℃。40分钟开始起色，60分钟得到光亮淡黑色，90分钟得到光亮纯黑色。
第四步，着色好的表面黑色的铬合金钢板进行冷水洗，再进行封闭处理，封闭液为硅酸钠20克/升，封闭温度70℃，封闭时间10分钟。
第五步，封闭后的铬合金钢黑板用热水洗，再用流动水洗，150℃热气烘干得到带有黑色化学转化膜的铬合金钢板，即太阳能光热转换材料。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面均匀致密、黑度深并不容易沾染指纹或污垢。
实施例2
按实施例1的工艺步骤进行着色处理，选用铬含量为12.6％、锰含量为14.37％的铬合金钢板，将其浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸100克/升、硝酸盐5克/升、硫酸铵20克/升、羟基苯甲酸0.1克/升；化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢板的面积：0.4平方米；着色温度70℃；30分钟开始起色，50分钟得到光亮淡黑色，80分钟得到光亮纯黑色。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面均匀致密、黑度深并不容易沾染指纹或污垢。
实施例3
按实施例1的工艺步骤进行着色处理，选用铬含量为12.4％、锰含量为12.48％的铬合金钢板，将其浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸150克/升、硝酸盐10克/升、硫酸铵40克/升、羟基苯甲酸0.1克/升；化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢的面积：0.4平方米；着色温度70℃；20分钟开始起色，35分钟得到光亮淡黑色，60分钟得到光亮纯黑色。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面均匀致密、黑度深并不容易沾染指纹或污垢。
实施例4
按实施例1的工艺步骤进行着色处理，选用铬含量为12.7％、锰含量为8.95％的铬合金钢板，将其浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸180克/升、硝酸盐10克/升、硫酸铵40克/升、羟基苯甲酸0.1克/升；化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢板的面积：0.4平方米；着色温度80℃；15分钟开始起色，28分钟得到光亮淡黑色，50分钟得到光亮纯黑色。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面均匀致密、黑度深并不容易沾染指纹或污垢。
实施例5
按实施例1的工艺步骤进行着色处理，选用铬含量为12.3％、锰含量为8.95％的铬合金钢板，将其浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸100克/升、硝酸盐5克/升、硫酸铵40克/升、羟基苯甲酸0.1克/升；化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢板的面积：0.4平方米；着色温度65℃；45分钟开始起色，90分钟得到光亮淡黑色，120分钟得到光亮纯黑色。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面均匀致密、黑度深并不容易沾染指纹或污垢。
实施例6
按实施例1的工艺步骤进行着色处理，选用铬含量为12.8％、锰含量为7.95％的铬合金钢板，将其浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸180克/升、硝酸盐10克/升、硫酸铵40克/升、羟基苯甲酸0.3克/升；化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢板的面积：0.4平方米；着色温度80℃；30分钟开始起色，60分钟得到光亮淡黑色，90分钟得到光亮黑色。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面均匀致密、黑度深并不容易沾染指纹或污垢。
实施例7
按实施例1的工艺步骤进行着色处理，选用铬含量为12.2％，锰含量为0.64％的铬合金钢板，将其浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸120克/升、硝酸盐8克/升、硫酸铵40克/升、羟基苯甲酸0.3克/升；化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢板的面积：0.4平方米；着色温度70℃；90分钟开始起色，200分钟得到光亮蓝黑色，280分钟得到光亮蓝黑色。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面有均匀和光亮蓝黑色干涉膜，膜层薄。
实施例8
按实施例1的工艺步骤进行着色处理，选用铬含量为12.1％，锰含量为0.64％的铬合金钢板，将其浸入化学着色溶液中进行着色处理，着色溶液配方为硫酸150克/升、硝酸盐5克/升、硫酸铵40克/升、羟基苯甲酸0.3克/升；化学着色液的体积：500升；进行化学着色的铬合金钢板的面积：0.4平方米；着色温度80℃；60分钟开始起色，150分钟得到光亮蓝黑色。
对本实施例所得的太阳能光热转换材料进行观测，材料表面有均匀和光亮蓝黑色干涉膜，膜层薄。
本发明也适用于铬含量小于12％的低铬合金钢的表面处理。
本发明的保护范围并不限于上述实施例，凡与本发明的技术方案相同或等同的技术内容均落入其保护范围内。
太阳能箱体测试记录：
用一个400×600×10的木箱，四周辅保温材料，将一个380×580×8的白铁箱放在木箱里面，白铁箱里面把本实施例8所得的厚为1mm、面积为350×560的铬合金钢黑色板放在白铁箱里面作为太阳能吸热体，温度计放置里面测量里面空气温度，再用玻璃盖板盖住，温度计放置在玻璃盖板上，测量外面空气温度，下面所记录的是晴天日照下的数据。
测试地点：浙江省建德市
测试时间：2006年3月-7月
试验1 2006年3月

试验2 2006年4月

试验3 2006年5月

试验4 2006年6月

试验5 2006年7月

通过上述太阳能箱体测试试验表明，利用本发明得到的太阳能光热转换材料，其吸收率高，发射率低，具有良好的光谱选择性。