一种太阳能吸热材料技术领域
本发明涉及吸热材料,尤其涉及一种太阳能吸热材料。
背景技术
能源利用在人类社会发展中占有举足轻重的地位,但过度的开发资源和低效率的
资源利用,使人类面临着严峻的考验。众所周知,太阳能是一种来源最丰富和可广泛获取的
可再生能源,对解决能源危机和环境问题具有重大的作用,且太阳能以独具的储量无限性、
存在的普遍性、开发利用的清洁性,使其成为了各国竞相研究的热点。我国蕴藏着丰富的太
阳能资源,太阳能利用前景广阔,目前已是世界上太阳能热水器的第一使用国和生产国。
太阳能光热应用是人类利用太阳能最简单、最直接、最有效的方法之一,但由于太
阳能到达地球后能量密度较小又不连续,因此,为大规模的开发利用带来了困难。长期以
来,如何将低品位的太阳能转换成高品位的热能,并对太阳能进行富集,以便最大限度地利
用太阳能,成为研究的热门话题。在现有的光热应用技术当中,选择性吸收涂层技术被公认
为是其中较为核心的技术,它对提高太阳能热转换效率,大规模推广太阳能光热应用起着
至关重要的作用。
众所周知,太阳能吸收涂层主要分为光谱选择性吸收涂层和高吸收率吸收涂层,
光谱选择性吸热涂层是一种具有对可见- 近红外光高吸收,对红外光高反射的特种涂层,
即它能有效地吸收太阳能,而受热后自身长波造成的热损失很小,广泛应用于太阳能光热
转换,如太阳能热水器、太阳能发电等。太阳能吸热涂层担负着接收并吸收太阳能量的重要
作用,影响着整个太阳能吸热系统的稳定性及效率的高低。太阳能吸热涂料是一种功能性
涂料,用它制成的膜将太阳辐射能转化为热能,膜在室外条件下工作,必须具有良好的耐候
性和防水性。
现在的太阳能吸热涂料,专门针对太阳能涂料的耐候性和防水性的研究比比皆
是,现今利用纳米材料作为吸热材料的原料,能提高涂层的耐候性和吸热效率,例如中国专
利CN 102286243 A,但是成本极高;也有利用改变颜料的配方来改善制备成的涂料的耐候
性能,例如中国专利CN 102134428 B,但其制备的工艺流程复杂,要求较高。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种太阳能涂料,通过将对成
膜剂进行改性后作为制备本申请涂料的重要原料,不仅能使得制成的涂料在室外条件下具
有良好的耐候性和防水性,且制备的工艺简单易懂,并且能保证吸热涂料的吸热效率,具有
极大的推广价值。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种太阳能吸热材料,包括成膜剂、吸光剂、成膜助剂、溶剂和助剂,将吸光剂与成膜
剂、溶剂和助剂利用球磨的方法分散均匀后,再加入成膜助剂混合均匀,即可得到太阳能吸
热材料;所述成膜剂、吸光剂、成膜助剂、溶剂和助剂按照重量份数比计为:成膜剂50-100
份;成膜助剂10-30份;吸光剂35-55份;溶剂20-50份;助剂10-30份;所述吸光剂为使用氧化
铬绿纳米粉末、永固大红调配成黄色;或者使用氧化铁黄、钴蓝粉、铅白粉调配成绿色;或者
使用四氧化三铁粉末、八羟基喹啉酮、氧化铁红、硫化镉粉调配成棕红色;所述成膜剂为改
性酪素-明胶;所述成膜剂的制备方法为:将按照重量比蚕蛋白:明胶为5-10:2-3进行混合,
然后加入水,在15℃-22℃条件下浸泡一段时间后,移至常温后加入按照重量份比丙烯酸甲
酯:聚硅氧烷季铵钾=1-2:1-3的混合液,反应一段时间后,冷却至常温,然后在200-300℃条
件下煅烧5-10h,并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级,控制D50为10-25μm,再在400-500
℃高温煅烧8-15h,煅烧后进行球磨1-3h,即可得到改性蚕蛋白-明胶。
在本发明中,进一步地,所述成膜剂的制备方法为:所述搅拌的速度为50-100r/
min;所述搅拌的时间为1-5 min。
在本发明中,进一步地,所述加入水的重量为酪素与明胶总重量的1/10-1/5。
在本发明中,进一步地,所述浸泡的时间为10-15min;所述反应的时间为5-15min,
反应的温度为70℃-80℃。
在本发明中,进一步地,所述成膜助剂为丙二醇特丁醚、二乙二醇单乙醚、丙二醇
甲醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚中的至少一种混合物。
在本发明中,进一步地,所述溶剂为乙酸、无水醋酸丁酯、丙三醇、四氢呋喃-氧化
丙烯共聚二醇和聚氨酯聚醚多元醇中的一种或几种。
在本发明中,进一步地,所述助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂,增
塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂的重量比为2-3:3-5:3-5:2-5:1-3。
进一步地,所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。
进一步地,所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶
联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂中的一种或者至少两种的混合物。
进一步地,所述流平剂为EFKA3570、EFKA 3580、YCK-1360、BYK-333 和TEGO Glide
100 中一种或至少二种混配。
进一步地,所述润湿剂为聚硅氧烷、聚醚改性的聚二甲基聚硅氧烷和聚酯改性的
聚二甲基硅氧烷中的一种。
进一步地,所述消泡剂为聚氧乙烯氧丙烯甘油、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚
氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚或聚氧丙烯。
在本申请中涉及的原料与器材均能在市面上采购得到。
本与现有技术相比较,本发明具有的有益效果为:
1、本发明通过将改性后的成膜剂,即为改性酪素-明胶与吸光剂、溶剂和助剂利用球磨
的方法分散均匀,再加上成膜助剂混合均匀后,得到太阳能吸热材料。该原料制备出来的吸
热涂料利用球磨的方法能使得原料充分分散,无需再添加分散剂,进而降低制备成本;先后
利用化学改性、物理改性将酪素和明胶进行改性,得到的改性酪素-明胶作为吸热涂料原料
中的成膜剂,能使得制备出来的吸热涂料在-30℃下不断裂,延伸性增强,耐寒性能、耐热性
能显著改善,且降低了着火的可能性,通过化学反应,控制反应的温度,能使得改性酪素-明
胶在适合的温度下反应,避免反应过慢,增加制备的时间或者反应过快,改性过火出现结块
的问题,且在反应过程中将聚二甲基硅氧烷段引入酪素、明胶结构中,同时封闭了及性强对
谁敏感的氨基,羧基和羟基等基团上,降低了改性后的酪素-明胶的亲水性,提高了成膜的
防水性能。
2、本发明选的吸光剂可以调配出多种颜色,可以使用氧化铬绿纳米粉末、永固大
红调配成黄色;使用氧化铁黄、钴蓝粉、铅白粉调配成绿色;或者使用四氧化三铁粉末、八羟
基喹啉酮、氧化铁红、硫化镉粉调配成棕红色;增加了涂料的多色性,解决了色彩单一,装饰
性差的问题,使得本申请制备出来的涂料适用于多种环境下,具有较大的推广性;且调配成
黑色、红色、蓝色或者绿色都使用了短波区颜色与长波区颜色相结合,能够显著提高太阳光
的吸收率。
3、本发明中选用的溶剂是专门针对本申请中的成膜剂(改性酪素-明胶)设计的,
能够快速将成膜剂溶解,然后与其他原料一起进行球磨,混合均匀分散,使得制备得到的吸
光涂料的成分分布均匀,密度相近,使用本申请制备的太阳光吸热涂料对底材进行涂布后,
吸热更加均匀。
4、本申请使用的助剂能够整体的完善本发明涂料的各种性能,针对本申请选用的
成膜剂与颜料类型,专门选用相配合的助剂,增强本发明涂料的各种性能,例如选用的偶联
剂能提高涂料的延伸性,防止涂布后的底材爆裂;选用的湿润剂能够降低涂料的表面张力,
增加了涂料在涂布的时候湿润底材的表面的能力;选用的流平剂能够在进行底材涂布的时
候得到一个平整、光滑、均匀的涂膜;选用的消泡剂能够抑制泡沫产生的物质,它与液体起
泡物质一同吸附于气泡上,使表面张力降低,泡膜变薄,导致破损,可预防起泡现象。
5. 本发明的制备工艺简单、易懂,可行性高,且经过试验证明涂料进行涂布后吸
收可见光与红外光性能高,导热性高,防水性强,耐高温,耐腐蚀,稳定性能高,发射率低,透
射率高,涂层附着力强,密度高,是理想的太阳能吸热材料,具有极大的推广价值。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥
的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可
被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列
等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1:
一种太阳能吸热材料,原料为:
成膜剂:改性酪素-明胶50kg;
成膜助剂:丙二醇特丁醚4kg二乙二醇单乙醚6kg;
吸光剂:使用氧化铬绿纳米粉末25kg、永固大红10kg调配成黄色;
溶剂:乙酸6kg、无水醋酸丁酯8kg、丙三醇6kg;
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂,其中,
增塑剂:邻苯二甲酸二丁酯2kg;
偶联剂:硅烷偶联剂1kg、钛酸酯偶联剂2kg;
流平剂:EFKA3570 2kg、EFKA 3580 1kg进行均匀混配;
润湿剂:聚硅氧烷2kg;
消泡剂:聚氧乙烯氧丙烯甘油1kg。
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下:
(1)将酪素与明胶按照重量比为5:2进行混合,即为酪素35.7 kg、明胶14.3 kg,然后加
入水25kg,在温度为15℃条件下浸泡10min后,移至常温后再加入按照重量份比甲基丙烯酸
甲酯:聚硅氧烷季铵钾= 1:1的混合液,在温度为70℃条件下反应5min后,冷却至常温,再以
速度为50r/min搅拌1 min,然后在200℃条件下煅烧5h,并将煅烧后的产物进行气流粉碎、
分级,控制D50为10μm,再在400℃高温煅烧8h,煅烧后进行球磨1h,即可得到改性蚕蛋白-明
胶;
(2)按照重量份数比,将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内,启动球磨机进行
球磨作业5min将各个原料球磨分散均匀后,再加入成膜助剂混合均匀后,即可得到太阳能
吸热材料。
实施例2:
一种太阳能吸热材料,原料为:
成膜剂:改性酪素-明胶100kg;
成膜助剂:二乙二醇单乙醚10kg、丙二醇甲醚乙酸酯10kg、二乙二醇单丁醚10kg;
吸光剂:使用氧化铁黄15kg、钴蓝粉20kg、铅白粉10kg调配成绿色;
溶剂:丙三醇15kg、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇15kg和聚氨酯聚醚多元醇25kg;
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂,其中,
增塑剂:邻苯二甲酸二丁酯3kg;
偶联剂:铝酸酯偶联剂2kg;
流平剂:YCK-1360 5kg;
润湿剂:聚醚改性的聚二甲基聚硅氧烷2kg;
消泡剂:聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚3kg;
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下:
(1)将酪素与明胶按照重量比为10: 3进行混合,即为酪素77 kg、明胶23 kg,然后加入
水20 kg,在温度为22℃条件下浸泡15min后,移至常温后再加入按照重量份比丙烯酸甲酯:
聚硅氧烷季铵钾=1:3的混合液,在温度为72℃条件下反应15min后,冷却至常温,再以速度
为100r/min搅拌5 min,然后在300℃条件下煅烧10h,并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分
级,控制D50为25μm,再在500℃高温煅烧15h,煅烧后进行球磨3h,即可得到改性蚕蛋白-明
胶;
(2)按照重量份数比,将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内,启动球磨机进行
球磨作业15min将各个原料球磨分散均匀后,再加入成膜助剂混合均匀后,即可得到太阳能
吸热材料。
实施例3:
一种太阳能吸热材料,原料为:
成膜剂:改性酪素-明胶80kg;
成膜助剂:二乙二醇单乙醚5kg、二乙二醇单乙醚10kg、丙二醇甲醚乙酸酯10kg;
吸光剂:使用四氧化三铁粉末10kg、八羟基喹啉酮10kg、氧化铁红30kg、硫化镉粉10kg
调配成棕红色;
溶剂:乙酸20kg、和聚氨酯聚醚多元醇20kg;
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂,其中,
增塑剂:邻苯二甲酸二丁酯2 kg;
偶联剂:磷酸酯偶联剂2 kg、硼酸酯偶联剂2 kg的混合物;
流平剂:BYK-333 2 kg和TEGO Glide 100 2 kg混配;
润湿剂:聚酯改性的聚二甲基硅氧烷3 kg;
消泡剂:聚氧丙烯2 kg。
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下:
(1)将酪素与明胶按照重量比为2:1进行混合,即为酪素53 kg、明胶27 kg,然后加入水
10 kg,在温度为18℃条件下浸泡12min后,移至常温后再加入按照重量份比丙烯酸甲酯:聚
硅氧烷季铵钾=2:1的混合液,在温度为75℃条件下反应9min后,冷却至常温,再以速度为
60r/min搅拌2 min,然后在220℃条件下煅烧6h,并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级,控
制D50为12μm,再在420℃高温煅烧10h,煅烧后进行球磨1.5h,即可得到改性蚕蛋白-明胶;
(2)按照重量份数比,将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内,启动球磨机进行
球磨作业8min将各个原料球磨分散均匀后,再加入成膜助剂混合均匀后,即可得到太阳能
吸热材料。
实施例4:
一种太阳能吸热材料,原料为:
成膜剂:改性酪素-明胶60kg;
成膜助剂:丙二醇特丁醚15kg、二乙二醇单乙醚15kg、丙二醇甲醚乙酸酯15kg、二乙二
醇单丁醚15kg;
吸光剂:使用氧化铁黄15kg、钴蓝粉30kg、铅白粉10kg调配成绿色;
溶剂:无水醋酸丁酯10kg、丙三醇5kg和聚氨酯聚醚多元醇15kg;
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂,其中,
增塑剂:邻苯二甲酸二丁酯2 kg;
偶联剂:磷酸酯偶联剂1 kg、硼酸酯偶联剂2 kg;
流平剂:TEGO Glide 100 2 kg;
润湿剂:聚酯改性的聚二甲基硅氧烷2 kg;
消泡剂:聚氧丙烯甘油醚1 kg;
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下:
(1)将酪素与明胶按照重量比为4:1进行混合,即为酪素48 kg、明胶12 kg,然后加入水
6.7 kg,在温度为19℃条件下浸泡14min后,移至常温后再加入按照重量份比丙烯酸甲酯:
聚硅氧烷季铵钾=2: 3的混合液,在温度为80℃条件下反应12min后,冷却至常温,再以速度
为70r/min搅拌3 min,然后在250℃条件下煅烧7h,并将煅烧后的产物进行气流粉碎、分级,
控制D50为16μm,再在460℃高温煅烧12h,煅烧后进行球磨2h,即可得到改性蚕蛋白-明胶;
(2)按照重量份数比,将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内,启动球磨机进行
球磨作业13min将各个原料球磨分散均匀后,再加入成膜助剂混合均匀后,即可得到太阳能
吸热材料。
实施例5:
一种太阳能吸热材料,原料为:
成膜剂:改性酪素-明胶75kg;
成膜助剂:丙二醇特丁醚7kg、二乙二醇单乙醚10kg、丙二醇甲醚乙酸酯5kg;
吸光剂:者使用四氧化三铁粉末5kg、八羟基喹啉酮8kg、氧化铁红12kg、硫化镉粉10kg
调配成棕红色;
溶剂:乙酸12kg、无水醋酸丁酯8kg、丙三醇7kg、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇5kg和聚
氨酯聚醚多元醇6kg;
助剂为增塑剂、偶联剂、流平剂、润湿剂和消泡剂,其中,
增塑剂:邻苯二甲酸二丁酯3kg;
偶联剂:硅烷偶联剂2kg硼酸酯偶联剂2kg;
流平剂:EFKA3570 1 kg、YCK-1360 1 kg、BYK-333 1kg;
润湿剂:聚硅氧烷5kg;
消泡剂:聚氧丙烯甘油醚1kg。
依上述的原料制备太阳能吸热材料的步骤如下:
(1)将酪素与明胶按照重量比为9:2进行混合,即为酪素61 kg、明胶14 kg,然后加入水
的重量为8.3 kg,在温度为20℃条件下浸泡13min后,移至常温后再加入按照重量份比丙烯
酸甲酯:聚硅氧烷季铵钾= 2: 3的混合液,在温度为78℃条件下反应11min后,冷却至常温,
再以速度为80r/min搅拌4 min,然后在280℃条件下煅烧9h,并将煅烧后的产物进行气流粉
碎、分级,控制D50为19μm,再在475℃高温煅烧13h,煅烧后进行球磨2.5h,即可得到改性蚕
蛋白-明胶;
(2)按照重量份数比,将吸光剂与成膜剂、溶剂和助剂投入球磨机内,启动球磨机进行
球磨作业13min将各个原料球磨分散均匀后,再加入成膜助剂混合均匀后,即可得到太阳能
吸热材料。
对实施例1-5中所制备的太阳能吸热材料,在常温下直接喷涂或涂刷在吸热真空
玻璃管内层表表面或平板太阳能集热器的吸热金属层表面,喷刷涂料前,需要将玻璃或金
属表面进行洁净处理、金属表面达到金属本色,并将涂料搅拌均匀,然后根据集热器类型涂
刷该涂料厚40-160μm 涂层或更厚。
按上述涂装操作工艺步骤,对得到的厚度60μm 的本涂料太阳能吸热涂层进行技
术指标检验测试,测试结果如表1 所示:
表1测试结果情况表
由上表可知,本发明实施例1-5制备得到的太阳能吸热材料吸收可见光与红外光性能
高,导热性高,防水性强,耐高温,耐腐蚀,稳定性能高,发射率低,透射率高,涂层附着力强,
密度高,是理想的太阳能吸热材料。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的
新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。