本發明屬于太陽能熱利用
技術領域：
，涉及一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料及其制備方法。
背景技術：
：太陽能熱利用是太陽能利用的一種重要形式，是指用太陽能集熱器將太陽輻射能收集起來，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用的過程。隨著能源短缺的問題日益嚴重，國家對節能減排措施的投入越來越大，使得人們對太陽能熱利用的研究越來越廣泛和深入，太陽能熱利用將會有更加廣闊的發展前景。太陽能吸熱涂層是太陽光吸收體系中用于吸收光能的核心功能部分，通常用于太陽能集熱元件或太陽能選擇性吸收涂層體系中。良好的吸熱效率是太陽能吸熱涂層的基本要求。目前，市面上普遍采用的是在平板集熱器的吸熱板芯上噴涂黑色有機涂層，如黑色氟碳樹脂、黑色環氧樹脂、黑色聚氨酯樹脂等，由于此類涂層采用普通樹脂材料作為粘合劑，并以普通碳黑或者黑色顏料作為發色體，因此存在以下問題：1.涂層不耐候，容易過早粉化和退色；2.無光譜選擇性，使得其涂層發射率很高，造成太陽能平板集熱器的熱效率較低。此外，現有的太陽能吸熱涂層材料制備時，多選擇鋁作為濺射陰極，與氮氣進行反應生成漸變膜形式的薄膜，這種薄膜僅適合在低溫真空環境下使用，而抗烘烤性差；采用干涉膜制備的薄膜抗烘烤性優于漸變膜制備的薄膜，但制備時要求對各層的光學常數、厚度等進行精確控制，因而制備工藝復雜且原材料價格昂貴。技術實現要素：本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種吸熱性能好且易于制備的納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料及其制備方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，該涂層材料由包括以下重量份含量的組分制備而成：有機硅樹脂40-50份、固化劑2-7份、吸收劑11-12份、吸收增強劑2-4份、助劑33-45份、金屬陶瓷材料13-17份及導熱材料7-13份，所述的吸收劑為摻雜改性納米二氧化鈦。作為優選的技術方案，該涂層材料包括以下組分及重量份含量：有機硅樹脂42-48份、固化劑4-5份、吸收劑11-12份、吸收增強劑2-4份、助劑35-40份、金屬陶瓷材料14-16份及導熱材料9-11份。所述的有機硅樹脂包括環氧改性有機硅樹脂、聚酯改性有機硅樹脂或高光有機硅樹脂中的一種或多種。有機硅樹脂屬于熱固性材料，具有優異的熱氧化穩定性和電絕緣性能，并在耐候性與防水性能方面具有突出優勢；另外，當發生熱氧化時，有機硅樹脂進一步縮聚，形成高度交聯的立體網絡結構，耐候性會得到進一步提高。所述的固化劑包括間苯二甲胺、二乙胺或二氨基二苯基甲烷中的一種或多種。所述的摻雜改性納米二氧化鈦為摻雜二氧化硅和碳酸鈣的納米二氧化鈦。二氧化鈦對太陽光具有良好的吸收效果，但其吸收范圍較窄，通過二氧化硅和碳酸鈣的改性能夠將其吸收范圍增大，同時向可見光偏移。所述的摻雜改性納米二氧化鈦中，二氧化硅的質量百分含量為5-11％，碳酸鈣的質量百分含量為1-3％。作為優選的技術方案，所述的納米二氧化鈦的粒徑為50-500nm，所述的二氧化硅為納米二氧化硅，所述的碳酸鈣為納米碳酸鈣。所述的吸收增強劑為2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮。吸收增強劑能夠在將吸收劑半包覆的同時，促進納米二氧化鈦之間的吸收傳導，防止二氧化鈦表面的電子與空穴的快速閉合。所述的助劑包括乙酸乙酯或正庚烷中的一種或兩種。助劑具有良好的溶解性能，同時也具有較佳的揮發性，有利于后續的回流與減壓蒸餾反應。所述的金屬陶瓷材料包括硼化鎢金屬陶瓷材料、碳化鈦金屬陶瓷材料或硅化鉬金屬陶瓷材料中的一種或多種。該類金屬陶瓷材料具有優異的耐磨性能與耐高溫性能，且原材料來源廣泛并方便獲取。所述的導熱材料包括石墨烯、碳纖維或導熱硅脂中的一種或多種。一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料的制備方法，該方法具體包括以下步驟：(1)將有機硅樹脂、吸收劑及吸收增強劑混合后，在溫度60-80℃、壓力7-13MPa、攪拌速率800-1400r/min下反應3-7h，得到反應液；(2)將固化劑與助劑混合后，加入至反應液中，并攪拌均勻；(3)分別加入金屬陶瓷材料及導熱材料，在溫度90-105℃、回流速率10-30mL/min、攪拌速率400-700r/min下回流3-5h，之后在70-90℃下減壓蒸餾反應1-2h，即得到所述的納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料。作為優選的技術方案，步驟(3)所述的減壓蒸餾反應中，減壓壓力為大氣壓的60-75％。納米粉體材料是介于固體與分子之間的具有納米數量級(0.1-100nm)尺寸的亞穩態中間物質。隨著粉體的超細化，其表面電子結構和晶體結構會發生變化，產生了塊狀材料所不具有的特殊效應。納米粉體材料的粒徑極小、比表面積大、化學性能優異，還具有以下優良性能：能夠顯著降低材料的燒結溫度，節約能源；能夠使材料的組成結構致密化、均勻化，改善材料的性能，提高其使用可靠性；能夠從納米材料的結構層次(1-100nm)上控制材料的成分和結構，有利于充分發揮材料的潛在性能。本發明中，吸收劑采用摻雜改性納米二氧化鈦，能夠顯著提高材料對太陽能的吸收效率，改善對太陽能的吸收范圍，并同時具有良好的熱傳導效率。金屬陶瓷材料是指復合材料中金屬和陶瓷相在三維空間上都存在界面的一類材料。金屬陶瓷材料通常具有耐高溫、強度高、密度小、易加工、耐腐蝕、導熱性好等特點，金屬陶瓷材料能夠增強吸熱涂層的穩定性、強度及耐高溫耐腐蝕性能，同時也能提高其導熱性能，以防止二氧化鈦表面溫度過高而影響吸熱涂層材料的吸熱性能。與現有技術相比，本發明具有以下特點：1)采用摻雜改性納米二氧化鈦作為吸收劑，2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮作為吸收增強劑，使涂層材料具有優異的太陽能吸收性能，且性能穩定，提高了涂層材料的吸熱率；采用具有光催化遷移性能的金屬陶瓷材料及導熱材料，不僅能夠增大太陽能吸收范圍，同時也能增強涂層材料的導熱性能，降低涂層材料局部溫度，使涂層材料具有較高的使用壽命；2)采用耐腐蝕耐高溫的固化劑，與有機硅樹脂混合后，能夠使涂層材料具有良好的耐腐蝕性能，擴展了涂層材料的應用領域，延長了涂層材料的使用壽命；3)制備方法簡便，反應工藝條件溫和，由于反應溫度適中，避免了對物質結構的破壞，并降低了生產成本，易于進行工業化生產。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1：一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，其配方如下：有機硅樹脂40份、固化劑2份、吸收劑11份、吸收增強劑2份、助劑33份、金屬陶瓷材料13份、導熱材料7份。樹脂采用環氧改性有機硅樹脂；固化劑采用間苯二甲胺；吸收劑采用摻雜二氧化硅和碳酸鈣的納米二氧化鈦，其中，二氧化硅的質量百分含量為5％，碳酸鈣的質量百分含量為1％，納米二氧化鈦的粒徑為50nm，二氧化硅與碳酸鈣的粒徑均屬于納米級；吸收增強劑采用2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮；助劑采用乙酸乙酯；金屬陶瓷材料采用硼化鎢陶瓷材料；導熱劑采用石墨烯。其制備方法如下：步驟1，將有機硅樹脂、吸收劑和吸收增強劑加入至反應釜中，加壓攪拌反應3h，其中，壓力為7MPa，攪拌速率為800r/min，攪拌反應的溫度為60℃；步驟2，將固化劑和助劑混合均勻后，加入至反應釜中，攪拌至混合均勻；步驟3，將導熱材料與金屬陶瓷材料加入至反應釜中，回流攪拌3h得到混合液，其中，回流速率為10mL/min，攪拌速率為400r/min，回流溫度為90℃；步驟4，將步驟3中混合液加入水浴鍋中，進行減壓蒸餾反應1h，即得到納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，其中，減壓壓力為大氣壓的60％，減壓蒸餾的溫度為70℃。實施例2：一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，其配方如下：有機硅樹脂50份、固化劑7份、吸收劑12份、吸收增強劑4份、助劑45份、金屬陶瓷材料17份、導熱材料13份。樹脂采用聚酯改性有機硅樹脂；固化劑采用二乙胺；吸收劑采用摻雜二氧化硅和碳酸鈣的納米二氧化鈦，其中，二氧化硅的質量百分含量為11％，碳酸鈣的質量百分含量為3％，納米二氧化鈦的粒徑為500nm，二氧化硅與碳酸鈣的粒徑均屬于納米級；吸收增強劑采用2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮；助劑采用正庚烷；金屬陶瓷材料采用碳化鈦金屬陶瓷材料；導熱劑采用碳纖維。其制備方法如下：步驟1，將有機硅樹脂、吸收劑和吸收增強劑加入至反應釜中，加壓攪拌反應7h，其中，壓力為13MPa，攪拌速率為1400r/min，攪拌反應的溫度為80℃；步驟2，將固化劑和助劑混合均勻后，加入至反應釜中，攪拌至混合均勻；步驟3，將導熱材料與金屬陶瓷材料加入至反應釜中，回流攪拌5h得到混合液，其中，回流速率為30mL/min，攪拌速率為700r/min，回流溫度為105℃；步驟4，將步驟3中混合液加入水浴鍋中，進行減壓蒸餾反應1.5h，即得到納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，其中，減壓壓力為大氣壓的75％，減壓蒸餾的溫度為90℃。實施例3：一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，其配方如下：有機硅樹脂45份、固化劑5份、吸收劑12份、吸收增強劑3份、助劑39份、金屬陶瓷材料15份、導熱材料9份。樹脂采用高光有機硅樹脂；固化劑采用二氨基二苯基甲烷；吸收劑采用摻雜二氧化硅和碳酸鈣的納米二氧化鈦，其中，二氧化硅的質量百分含量為8％，碳酸鈣的質量百分含量為2％，納米二氧化鈦的粒徑為300nm，二氧化硅與碳酸鈣的粒徑均屬于納米級；吸收增強劑采用2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮；助劑采用正庚烷；金屬陶瓷材料采用硅化鉬金屬陶瓷材料；導熱劑采用導熱硅脂。其制備方法如下：步驟1，將有機硅樹脂、吸收劑和吸收增強劑加入至反應釜中，加壓攪拌反應5h，其中，壓力為10MPa，攪拌速率為1200r/min，攪拌反應的溫度為75℃；步驟2，將固化劑和助劑混合均勻后，加入至反應釜中，攪拌至混合均勻；步驟3，將導熱材料與金屬陶瓷材料加入至反應釜中，回流攪拌3h得到混合液，其中，回流速率為15mL/min，攪拌速率為600r/min，回流溫度為101℃；步驟4，將步驟3中混合液加入水浴鍋中，進行減壓蒸餾反應2h，即得到納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，其中，減壓壓力為大氣壓的65％，減壓蒸餾的溫度為80℃。對比例：將現有的太陽能吸熱涂層材料AlN/Al漸變涂層作為對比例，與實施例1-3制備得到的納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料一起進行性能測試，結果如下表所示：檢測項目實施例1實施例2實施例3對比例電阻率(Ω·cm)41433750粘度(s)15161322附著力(1mm)3級3級3級3級鉛筆硬度3H3H3H3H膜層厚度1800nm1500nm1000nm400nm總吸收率96.6％96.3％97.1％94％總反射率3.4％3.7％2.9％4.2％上表中，電阻率采用歐姆表檢測，粘度采用涂四杯粘度計測量，附著力采用GB/T9286-1988標準測試，鉛筆硬度采用GB/T6739-2006標準測試，吸收率采用UV-365型紫外-可見-近紅外分光光度計測定，發射率采用5DX傅立葉變換紅外光譜儀測定。由上表數據可以看出，納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料的總吸收率大于95％，具有較高的吸熱性能；用涂四杯測得的材料粘度在20s以下，具有良好的流平性，可有效控制漆膜厚度，防止吸熱涂層因厚度不均勻而發生龜裂；電阻率在43Ω·cm以下，表明制備得到的納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料不僅適用于傳統的手工涂刷、輥涂和空氣噴涂，同時還適用于靜電噴涂，提高了噴涂的便捷性。此外，納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料還具有較高的附著力，使用穩定性好。實施例4：一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，該涂層材料由包括以下重量份含量的組分制備而成：有機硅樹脂40份、固化劑7份、吸收劑11份、吸收增強劑4份、助劑33份、金屬陶瓷材料17份及導熱材料7份。其中，有機硅樹脂為環氧改性有機硅樹脂；固化劑為二乙胺；吸收劑為摻雜改性納米二氧化鈦，摻雜改性納米二氧化鈦為摻雜二氧化硅和碳酸鈣的納米二氧化鈦，摻雜改性納米二氧化鈦中，二氧化硅的質量百分含量為7％，碳酸鈣的質量百分含量為2％；吸收增強劑為2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮；助劑為乙酸乙酯；金屬陶瓷材料為碳化鈦金屬陶瓷材料；導熱材料為石墨烯。一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料的制備方法，該方法具體包括以下步驟：(1)將有機硅樹脂、吸收劑及吸收增強劑混合后，在溫度80℃、壓力7MPa、攪拌速率1400r/min下反應7h，得到反應液；(2)將固化劑與助劑混合后，加入至反應液中，并攪拌均勻；(3)分別加入金屬陶瓷材料及導熱材料，在溫度90℃、回流速率30mL/min、攪拌速率400r/min下回流5h，之后在80℃下減壓蒸餾反應1.5h，即得到納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料。實施例5：一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，該涂層材料由包括以下重量份含量的組分制備而成：有機硅樹脂50份、固化劑2份、吸收劑12份、吸收增強劑2份、助劑45份、金屬陶瓷材料13份及導熱材料13份。其中，有機硅樹脂為聚酯改性有機硅樹脂；固化劑包括二乙胺和二氨基二苯基甲烷；吸收劑為摻雜改性納米二氧化鈦，摻雜改性納米二氧化鈦為摻雜二氧化硅和碳酸鈣的納米二氧化鈦，摻雜改性納米二氧化鈦中，二氧化硅的質量百分含量為11％，碳酸鈣的質量百分含量為1％；吸收增強劑為2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮；助劑為正庚烷；金屬陶瓷材料包括碳化鈦金屬陶瓷材料和硅化鉬金屬陶瓷材料；導熱材料包括碳纖維和導熱硅脂。一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料的制備方法，該方法具體包括以下步驟：(1)將有機硅樹脂、吸收劑及吸收增強劑混合后，在溫度70℃、壓力9MPa、攪拌速率1100r/min下反應5h，得到反應液；(2)將固化劑與助劑混合后，加入至反應液中，并攪拌均勻；(3)分別加入金屬陶瓷材料及導熱材料，在溫度105℃、回流速率10mL/min、攪拌速率700r/min下回流3h，之后在90℃下減壓蒸餾反應1h，即得到納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料。實施例6：一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料，該涂層材料由包括以下重量份含量的組分制備而成：有機硅樹脂45份、固化劑5份、吸收劑11.5份、吸收增強劑3份、助劑38份、金屬陶瓷材料15份及導熱材料9份。其中，有機硅樹脂包括環氧改性有機硅樹脂和高光有機硅樹脂；固化劑為間苯二甲胺；吸收劑為摻雜改性納米二氧化鈦，摻雜改性納米二氧化鈦為摻雜二氧化硅和碳酸鈣的納米二氧化鈦，摻雜改性納米二氧化鈦中，二氧化硅的質量百分含量為5％，碳酸鈣的質量百分含量為3％；吸收增強劑為2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環丙基乙酮；助劑包括乙酸乙酯和正庚烷；金屬陶瓷材料為硼化鎢金屬陶瓷材料；導熱材料為導熱硅脂。一種納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料的制備方法，該方法具體包括以下步驟：(1)將有機硅樹脂、吸收劑及吸收增強劑混合后，在溫度60℃、壓力13MPa、攪拌速率800r/min下反應3h，得到反應液；(2)將固化劑與助劑混合后，加入至反應液中，并攪拌均勻；(3)分別加入金屬陶瓷材料及導熱材料，在溫度98℃、回流速率20mL/min、攪拌速率500r/min下回流4h，之后在70℃下減壓蒸餾反應2h，即得到納米級金屬陶瓷太陽能吸熱涂層材料。上述的對實施例的描述是為便于該
技術領域：
的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3