一种多孔吸收涂层及其制备方法
阅读说明：本技术 一种多孔吸收涂层及其制备方法 (Porous absorption coating and preparation method thereof ) 是由 朱丽慧 何志聪 黄颖璞 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及太阳能吸收涂层,特指一种多孔吸收涂层及其制备方法。本发明将不同形状的无机填料与树脂溶剂混合均匀得到混合溶液,采用高压静电喷涂技术将制备的混合溶液制备为多孔吸收涂层。在喷涂过程中,无机填料带相同电荷,产生相互排斥的作用,形成均匀多孔的涂层,多孔的结构可对光起到多次内反射作用,而纳米颗粒以及管会引起光散射效应,增大了光在涂层内的传播路径,由此提高涂层的吸收性能。(The invention relates to a solar energy absorbing coating, in particular to a porous absorbing coating and a preparation method thereof. The invention mixes inorganic fillers with different shapes and resin solvent evenly to obtain mixed solution, and prepares the prepared mixed solution into the porous absorption coating by adopting high-voltage electrostatic spraying technology. In the spraying process, the inorganic filler is charged the same to generate mutual repulsion action to form a uniform porous coating, the porous structure can play a role in multiple internal reflection of light, and the nano particles and the tube can cause a light scattering effect to increase the propagation path of the light in the coating, so that the absorption performance of the coating is improved.)
技术领域
本发明涉及太阳能吸收涂层，特指一种多孔吸收涂层及其制备方法。
背景技术
众所周知，石油、天然气和煤等化石燃料是不可再生能源，并且这些化石燃料的燃烧会对环境造成严重的污染。因此利用新能源替代这些化石燃料是非常必要的，而太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色环保能源，因此将太阳能转化成热能的研究有重要的意义。
在太阳能热技术中，聚光太阳能技术是最成熟的技术之一，而太阳能吸收涂层在聚光太阳能技术中起到不可替代的作用。太阳能吸收涂层对太阳光的吸收效果直接影响太阳能转化为热能的效率，因此获得一种在较宽波段范围内对太阳光有较高的吸收率的涂层至关重要。在此之前，关于太阳能吸收涂层已经有许多研究成果，但大都在窄带范围内(1000nm波段内)且只能达到90％左右的吸收率。
目前，太阳能吸收涂层的制备方法主要包括：磁控溅射法、电化学沉积法、溶胶凝胶法、涂料涂覆法、高压静电喷涂法等。其中高压静电喷涂法具有成本较低、操作简单、条件容易控制、可以获得较均匀的涂层、可大规模进行生产且生产效率高等优势。其原理是根据电泳的物理现象，以被涂物作为阳极，一般情况下接地，涂料雾化机构作为阴极，接上电源负高压，这样在两极就形成了高压静电场。由于在阴极产生电晕放电，可使喷出涂料介质带电，并进一步雾化。按照“同性相斥，异性相吸”的原理，已带电的涂料介质受电场力的作用，在电场力作用下沿着电场方向定向地流向带正电的被涂物表面。
因此，利用一种简单的方法制备一种在较宽波段内拥有高吸收率的吸收涂层具有重大意义。
发明内容
本发明在于提供一种多孔吸收涂层及其制备方法，目的在于提供一种简单的制备方法，获得一种在200-1400nm波段范围内拥有高吸收率的多孔吸收涂层。
为了实现上述目的，本发明公开的一种多孔吸收涂层及其制备方法，将不同形状的无机填料与树脂溶剂混合均匀得到混合溶液，采用高压静电喷涂技术将制备的混合溶液制备为多孔吸收涂层。其中，无机填料中，石墨烯(RG)和碳微米颗粒(CMP)的尺寸均为500nm，碳纳米颗粒(CNP)、TiN纳米颗粒的粒径均为20nm，碳纳米管(CNT)的直径约10nm，树脂溶剂为溶剂型丙烯酸树脂。喷涂枪容积5μl，喷涂电压10kv，喷涂高度2cm，喷射速率1μl/min，喷涂时间为5min。
本发明所述的多孔吸收涂层的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
步骤1：按比例称取三种或三种以上无机填料。
步骤2：将称取的其中两种或三种无机填料逐一加入到分散剂中，并采用机械搅拌与超声分散，形成粉体溶液。
步骤3：将其余的无机填料以溶液形式加入到分散的粉体溶液中，再次采用机械搅拌与超声分散，形成分散的浆料。
步骤4：将树脂分散在有机溶剂中，采用机械搅拌至完全溶解，静置一段时间后形成分散均匀的树脂溶液。
步骤5：将浆料与树脂溶液按一定比例混合，并采用机械搅拌均匀得到混合溶液。
步骤6：吸取混合溶液至喷涂枪，调节喷涂高度、喷涂电压与喷涂速率，在预先清洗干净的工件上进行喷涂。
步骤7：将喷涂后的工件放入烘箱，在一定温度下烘烤一定的时间，取出并冷却。
步骤1中，不同种类的无机填料的加入质量相同；所述无机填料为RG、CMP、CNP、CNT或TiN。
无机填料与分散剂的质量比为1:7-1：13，所述分散剂为天那水。
步骤4中，树脂溶剂与有机溶剂的质量比为1:1，有机溶剂为天那水。
步骤5中，浆料与树脂溶液的质量比为6.75:1。
步骤6中，预制涂层的厚度控制在6～10μm。
步骤7中，烘烤温度为110℃，烘烤时间为30min。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)加入了不同粒径、尺寸以及材质的无机填料，能获得在较宽波段范围具有高吸收的多孔涂层；(2)选择了高强度、高模量、低收缩率、高粘结性且具有优异的抗化学腐蚀性能的环氧树脂作为涂层的粘结剂，从而制备的吸收涂层具有良好的热稳定性以及耐候性；(3)采用高压静电喷涂技术，其工艺简单，工艺条件易于控制，能够显著降低生产成本。
附图说明
图1为多孔吸收涂层在200-1400nm内的吸收光谱图及其平均吸收率；(a)从下至上依次为为RG/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层、CNT/CNP-TiN多孔吸收涂层、CMP/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层；(b)为实施例1-3在200-1400nm处的吸收率。
图2为多孔吸收涂层的微观结构图。
其中(a)和(a’)为RG/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层。(b)和(b’)为CMP/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层。(c)和(c’)为CNT/CNP-TiN多孔吸收涂层。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
制备例1
本发明中图1的涂层结构的通用制备流程为：
步骤1：称取0.25g TiN颗粒，粒径为20nm；称取0.25g CNP颗粒，粒径为20nm；
步骤2：将称取的粉体倒入装有13g分散剂的烧杯中，分散剂为天那水，磁力搅拌30min，再用超声分散30min至粉体分散均匀，形成粉体溶液。
步骤3：称取6.25g质量分数为4％的石墨烯溶液(RG)于烧杯中，石墨烯尺寸为500nm；再称取6.25g质量分数为4％的碳纳米管溶液(CNT)于烧杯中，碳纳米管直径为10nm；磁力搅拌30min，再用超声分散30min得到分散均匀的浆料。
步骤4：将1g的溶剂型丙烯酸树脂分散在1g有机溶剂中，有机溶剂为天那水，磁力搅拌30min至完全溶解，静置30min，形成分散均匀的树脂溶液。
步骤5：将步骤3中的分散好的浆料与分散均匀的树脂溶液按质量比6.75:1混合，继续搅拌30min至完全混合得到混合溶液；
步骤6：将铝板在乙醇溶液中超声清洗15min后取出干燥处理，待用；
步骤7：吸取5μl混合溶液至喷涂枪，调节喷涂高度至2cm，喷涂电压至10kv，控制喷涂速率为1μl/min，喷涂时间为5min。
步骤8：将喷涂后的衬底，放入烘箱，在110℃下烘烤30min。
制备例2
本发明中图1的涂层结构的通用制备流程为：
步骤1：称取0.25g TiN颗粒，粒径为20nm；称取0.25g CNP颗粒，粒径为20nm；
再称取0.25gCMP颗粒，粒径为500nm；
步骤2：将称取的粉体倒入装有7g分散剂的烧杯中，分散剂为天那水，磁力搅拌30min，再用超声分散30min至粉体分散均匀，形成粉体溶液。
步骤3：再称取6.25g质量分数为4％的碳纳米管溶液(CNT)于烧杯中，碳纳米管直径为10nm；磁力搅拌30min，再用超声分散30min得到分散均匀的浆料。
步骤4：将1g的溶剂型丙烯酸树脂分散在1g有机溶剂中，有机溶剂为天那水，磁力搅拌30min至完全溶解，静置30min，形成分散均匀的树脂溶液；
步骤5：将步骤3中的分散好的浆料与分散均匀的树脂溶液按质量比6.75:1混合，继续搅拌30min至完全混合得到混合溶液；
步骤6：将铝板在乙醇溶液中超声清洗15min后取出干燥处理，待用；
步骤7：吸取5μl混合溶液至喷涂枪，调节喷涂高度至2cm，喷涂电压至10kv，控制喷涂速率为1μl/min，喷涂时间为5min。
步骤8：将喷涂后的衬底，放入烘箱，在110℃下烘烤30min。
制备例3
本发明中图1的涂层结构的通用制备流程为：
步骤1：称取0.25g TiN颗粒，粒径为20nm；称取0.25g CNP颗粒，粒径为20nm；步骤2：将称取的粉体倒入装有6.75g分散剂的烧杯中，分散剂为天那水，磁力搅拌30min，再用超声分散30min至粉体分散均匀，形成粉体溶液。
步骤3：再称取6.25g质量分数为4％的碳纳米管溶液(CNT)于烧杯中，碳纳米管直径为10nm；磁力搅拌30min，再用超声分散30min得到分散均匀的浆料。
步骤4：将1g的溶剂型丙烯酸树脂分散在1g有机溶剂中，有机溶剂为天那水，磁力搅拌30min至完全溶解，静置30min，形成分散均匀的树脂溶液；
步骤5：将步骤3中的分散好的浆料与分散均匀的树脂溶液按质量比6.75:1混合，继续搅拌30min至完全混合得到混合溶液；
步骤6：将铝板在乙醇溶液中超声清洗15min后取出干燥处理，待用；
步骤7：吸取5μl混合溶液至喷涂枪，调节喷涂高度至2cm，喷涂电压至10kv，控制喷涂速率为1μl/min，喷涂时间为5min。
步骤8：将喷涂后的衬底，放入烘箱，在110℃下烘烤30min。
实施例1
按照制备例1的方法制备得到的RG/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层，在高压静电喷涂过程中，环氧树脂浆料中的RG带上同种电荷，产生相互排斥的作用，石墨烯片相互堆叠形成多孔骨架，同时一部分CNT、CNP纳米颗粒以及纳米TiN颗粒附着在石墨烯片的表面，在一定程度提供了对光的多次反射以及散射，一部分CNT、CNP纳米颗粒以及纳米TiN颗粒嵌入石墨烯片之间，提高石墨烯骨架的孔隙率，优化了涂层的空间结构。但由于形成的石墨烯骨架拥有的孔隙率较低，并且石墨烯为亮片，对光有反射作用，因此该涂层仍然存在较大的优化空间，本实施例1公开的RG/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层在200-1400nm处的吸收率可以达到93.4％。
实施例2
按照制备例2的方法制备得到的CMP/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层，在高压静电喷涂过程中，环氧树脂浆料中的CMP颗粒带上同种电荷，产生相互排斥的作用，形成多孔骨架，采用CMP充当涂层的骨架使涂层具有更好的空间结构；同时，细长的碳纳米管与纳米颗粒相互间形成了蜂窝状的细小的多孔结构，并附着在CMP多孔骨架上，提高了涂层的孔隙率，增加了涂层对光的俘获能力，因此该涂层能获得优异的吸收性能。本实施例2公开的CMP/CNT-CNP-TiN多孔吸收涂层在200-1400nm处的吸收率可以达到96.8％。
实施例3
按照制备例3的方法制备得到的CNT/CNP-TiN多孔吸收涂层，在高压静电喷涂过程中，环氧树脂浆料中的CNT之间形成了的多孔的网状骨架，与RG、CMP形成的骨架相比，CNT骨架的孔隙率更高，孔洞更小；同时，CNP、TiN纳米颗粒嵌入网状的CNT骨架中，形成了类似蜂窝状的结构，起到了支撑CNT骨架的作用，优化涂层的空间结构，使涂层对光有更好的俘获能力。本实施例3公开的CNT/CNP-TiN多孔吸收涂层在200-1400nm处的吸收率可以达到97.1％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
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