CN109456696A - 一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集热材料技术领域，具体涉及一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物。该组合物用于平板集热器表面涂层使用；吸热层材料包括位于集热面板表面的吸热膜，以及位于吸热膜上方的储能膜，吸热膜为通过电镀形成的黑铬镀层，储能膜的膜层厚度为3.5‑5μm。储能膜的原料组分包括：有机溶剂、粘合剂、辐射蓄能剂、纳米碳化硅、铁锰黑、亚硝酸钠和硅烷偶联剂。其中，粘合剂为丙烯酸树脂改性硅氧烷聚合物；有机溶剂为异丙醇、乙酸乙酯和二甲苯的混合物。该型组合物通过提高吸热层的太阳能辐射吸收率，并降低自身反射率和辐射强度的方式，显著提高了平板集热器的太阳能转化率。

Description

一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物
技术领域
本发明涉及集热材料技术领域，具体涉及一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物。
背景技术
太阳能热水器是将太阳的光能转化为热能的加热装置，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关零配件组成，把太阳能转换成热能主要依靠真空集热管，真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而得到所需热水。真空管热水器虽然具有较高的能量转化效率，但是由于热水器的体积较大，并且只能安装在屋顶，因此对于很多高层建筑，这种热水器并不适用。
平板式太阳能热水器是专门为高层、小高层住宅配套设计开发的产品，弥补了传统的真空管式太阳能热水器无法实现与建筑及环境完美结合的遗憾，这一开发真正体现了太阳能与建筑及环境一体化的完美结合。平板式太阳能热水器包括平板集热器、电加热模块、循环***和水箱等结构。使用时通过平板集热器将光能转化为水的内能，在太阳光照不足时，可以采用电加热进行辅助加热，从而实现热水的不间断供应。
平板式集热器由于结构方面的差异，因此在辐射转化率上与真空管集热器存在一定的差距。其中，两种集热器的工作原理都是通过集热器表面的吸热涂层，吸收太阳能中的辐射能然后将辐射能转化为水或其他介质的内能。这种方式中，对于太阳能的转化率主要取决于对太阳光辐射能的吸收率以及将辐射能转化为内能的转化率。目前市场上的太阳能热水器生产企业主要将研发精力投入在提高太阳光辐射能的吸收率上，目前最好的吸热层材料为黑铬镀层，这种镀层材料的吸热效果好，对辐射能的吸收率高，吸收率可以达到0.92-0.94。
太阳光的辐射能被吸热材料吸收后，吸热涂层的温度会升高，大部分内能通过热传导的方式传递至内部的水或介质中，但是除此之外，吸热涂层自身还也会发生热辐射，这部分热量不仅会传递至介质中，大部分能量反而会传递给空气或以其他形式散失掉，这重情况导致吸热层吸收的辐射能转化为水的内能时的转化率降低，而且在吸热层吸热升温后，吸热涂层的的吸收率越高，涂层的温度也越高；而根据热辐射规律得知，吸热涂层的温度越高，其产生的热辐射量也越大，因此对于吸收的辐射能的转化率也就越低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，该型组合物通过提高吸热层的太阳能辐射吸收率，并降低自身反射率和辐射强度的方式，显著提高了平板集热器的太阳能转化率。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种高转化率的太阳能热水器吸热层材料，用于平板集热器表面涂层使用；吸热层材料包括位于集热面板表面的吸热膜，以及位于吸热膜上方的储能膜，吸热膜为通过电镀形成的黑铬镀层，储能膜的膜层厚度为3.5-5μm。
按照质量份数，储能膜的原料组分包括：有机溶剂14-16份，粘合剂25-35份，辐射蓄能剂6.2-8.5份，纳米碳化硅2-4份，铁锰黑8-10份，亚硝酸钠2.5-5.5份，硅烷偶联剂0.5-1.2份。
优选地，按照质量份数，储能膜的原料组分包括：有机溶剂14.5-15.7份，粘合剂29-32份，辐射蓄能剂6.8-7.4份，纳米碳化硅2.6-3.4份，铁锰黑8.6-9.2份，亚硝酸钠3.4-4.7份，硅烷偶联剂0.8-1.1份。
进一步优选地，按照质量份数，储能膜的原料组分包括：有机溶剂15份，粘合剂31份，辐射蓄能剂7.2份，纳米碳化硅3.1份，铁锰黑9份，亚硝酸钠4.2份，硅烷偶联剂0.9份。
本发明中，辐射蓄能剂的制备方法包括如下步骤：
(1)按照质量份数，将12.5份二甲基丁硫醚加入到100份正己烷中，水浴加热至45-50℃并充分溶解，得到溶液；按照质量比100:35:4的质量比将云母粉、纳米硅酸钙和纳米二氧化钛混合，将60份混合粉体加入到前述溶液中，在分散釜中以600-650r/min的转速分散处理，然后将2.4份月桂酸聚氧乙烯酯和5份纳米氧化锌加入到分散釜中，超声分散处理15-20min，然后将分散液以大于95℃的温度喷雾干燥处理，得到所需填充剂A；
(2)向聚合反应釜内充入氮气气氛进行保护，并加入300份庚烷溶剂，然后将15份异戊二烯单体加入到反应釜中，并加入占单体质量0.25％的四氢呋喃和0.1％的甲基吡咯烷酮，分散均匀后将聚合反应釜内的温度升高至70-73℃，然后向反应釜内滴加占单体质量0.5％的正丁基锂引发聚合反应发生，反应15-18min后，继续加入60份1，3-己二烯单体和2.5份四氢呋喃，绝热反应30-40min，反应结束后，向反应釜内加入占物料质量0.1％的叔丁基三氯硅烷偶联剂，继续反应25-30min，得到第一聚合物B；
(3)将聚合反应釜内的物料温度升高至80-82℃，加入占物料质量0.15％的2-氯甲基呋喃和0.1％的正丁基锂，以1.0MPa的压强保温保压反应1.5-2h，然后将产物抽出，加入到等质量的去离子水中，冷却至室温后，再以105-110℃的温度蒸馏，除去溶剂，得到所需嵌段聚合物C；
(4)将35份填充剂，50份嵌段聚合物C，300份正十八烷，5.8份聚乙烯醇，3.2份2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和1.5份抗氧剂1076混合，加入到反应釜中，在真空状态下，加热至110-125℃，以800-900r/min的转速，保温分散反应10-15min，反应产物冷却至室温后，得到所需辐射蓄能剂。
其中，步骤(1)中的非离子表面活性剂为月桂酸聚氧乙烯酯。
辐射蓄能剂的粘度为820-850cp。
优选地，粘合剂为丙烯酸树脂改性硅氧烷聚合物。
优选地，有机溶剂为异丙醇、乙酸乙酯和二甲苯按照3:2:3的质量比混合的混合物。
本发明提供的储能膜通过涂料喷膜的方式形成，喷膜涂层采用多次喷涂，加热固化的工艺处理，涂层加热固化的温度为110-120℃。
本发明具有如下的有益效果：
本发明的平板集热器中，在集热面板的铜质基材表面镀有黑铬镀层，黑铬镀层作为吸热层材料，在吸热膜表面还涂布有储能膜，储能膜是本发明提供的一种特殊的功能膜，这种功能膜具有与吸热膜相近的吸热率，还具有良好的储热性能，对辐射能的反射率较低，并且对吸热膜的辐射吸收性能影响较小；储能膜和吸热膜吸收辐射能之后，因为储能膜具有良好的蓄热性能，因为可以将部分辐射能进行吸收，并且由于自身比热容较大，材料的温度升幅度较小，因此通过储能膜产生的辐射耗能也相应降低，这使集热器的太阳能转化率得到很大提升。
其中，储能材料中的亚硝酸钠和纳米碳化硅材料的添加，使得储能膜还具有很好热传导率，可以将内能迅速传递至内部的水或介质中，进一步提升平板集热器的太阳能转化率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以下实施例中，辐射蓄能剂的制备方法包括如下步骤：
(1)按照质量份数，将12.5份二甲基丁硫醚加入到100份正己烷中，水浴加热至48℃并充分溶解，得到溶液；按照质量比100:35:4的质量比将云母粉、纳米硅酸钙和纳米二氧化钛混合，将60份混合粉体加入到前述溶液中，在分散釜中以600r/min的转速分散处理，然后将2.4份月桂酸聚氧乙烯酯和5份纳米氧化锌加入到分散釜中，超声分散处理20min，然后将分散液以大于95℃的温度喷雾干燥处理，得到所需填充剂A；
(2)向聚合反应釜内充入氮气气氛进行保护，并加入300份庚烷溶剂，然后将15份异戊二烯单体加入到反应釜中，并加入占单体质量0.25％的四氢呋喃和0.1％的甲基吡咯烷酮，分散均匀后将聚合反应釜内的温度升高至72℃，然后向反应釜内滴加占单体质量0.5％的正丁基锂引发聚合反应发生，反应16min后，继续加入60份1，3-己二烯单体和2.5份四氢呋喃，绝热反应35min，反应结束后，向反应釜内加入占物料质量0.1％的叔丁基三氯硅烷偶联剂，继续反应30min，得到第一聚合物B；
(3)将聚合反应釜内的物料温度升高至80℃，加入占物料质量0.15％的2-氯甲基呋喃和0.1％的正丁基锂，以1.0MPa的压强保温保压反应2h，然后将产物抽出，加入到等质量的去离子水中，冷却至室温后，再以110℃的温度蒸馏，除去溶剂，得到所需嵌段聚合物C；
(4)将35份填充剂，50份嵌段聚合物C，300份正十八烷，5.8份聚乙烯醇，3.2份2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和1.5份抗氧剂1076混合，加入到反应釜中，在真空状态下，加热至120℃，以850r/min的转速，保温分散反应15min，反应产物冷却至室温后，得到所需辐射蓄能剂。
其中，步骤(1)中的非离子表面活性剂为月桂酸聚氧乙烯酯。
辐射蓄能剂的粘度为820-850cp。
实施例1
一种高转化率的太阳能热水器吸热层材料，用于平板集热器表面涂层使用；吸热层材料包括位于集热面板表面的吸热膜，以及位于吸热膜上方的储能膜，吸热膜为通过电镀形成的黑铬镀层，储能膜的膜层厚度为3.5μm。
按照质量份数，储能膜的原料组分包括：有机溶剂14份，粘合剂25份，辐射蓄能剂6.2份，纳米碳化硅2份，铁锰黑8份，亚硝酸钠2.5份，硅烷偶联剂0.5份。
其中，粘合剂为丙烯酸树脂改性硅氧烷聚合物。
有机溶剂为异丙醇、乙酸乙酯和二甲苯按照3:2:3的质量比混合的混合物。
本实施例提供的储能膜通过涂料喷膜的方式形成，喷膜涂层采用多次喷涂，加热固化的工艺处理，涂层加热固化的温度为110℃。
实施例2
一种高转化率的太阳能热水器吸热层材料，用于平板集热器表面涂层使用；吸热层材料包括位于集热面板表面的吸热膜，以及位于吸热膜上方的储能膜，吸热膜为通过电镀形成的黑铬镀层，储能膜的膜层厚度为5μm。
按照质量份数，储能膜的原料组分包括：有机溶剂16份，粘合剂35份，辐射蓄能剂8.5份，纳米碳化硅4份，铁锰黑10份，亚硝酸钠5.5份，硅烷偶联剂1.2份。
其中，粘合剂为丙烯酸树脂改性硅氧烷聚合物。
有机溶剂为异丙醇、乙酸乙酯和二甲苯按照3:2:3的质量比混合的混合物。
本实施例提供的储能膜通过涂料喷膜的方式形成，喷膜涂层采用多次喷涂，加热固化的工艺处理，涂层加热固化的温度为120℃。
实施例3
一种高转化率的太阳能热水器吸热层材料，用于平板集热器表面涂层使用；吸热层材料包括位于集热面板表面的吸热膜，以及位于吸热膜上方的储能膜，吸热膜为通过电镀形成的黑铬镀层，储能膜的膜层厚度为4μm。
按照质量份数，储能膜的原料组分包括：有机溶剂15份，粘合剂31份，辐射蓄能剂7.2份，纳米碳化硅3.1份，铁锰黑9份，亚硝酸钠4.2份，硅烷偶联剂0.9份。
其中，粘合剂为丙烯酸树脂改性硅氧烷聚合物。
有机溶剂为异丙醇、乙酸乙酯和二甲苯按照3:2:3的质量比混合的混合物。
本实施例提供的储能膜通过涂料喷膜的方式形成，喷膜涂层采用多次喷涂，加热固化的工艺处理，涂层加热固化的温度为115℃。
性能测试
1、分别以铜和铝作为基材，测试本实施例中储能材料的辐射吸收率和发射率；并测试储能膜层的热老化和耐腐蚀等耐候性能；得到如下测试结果：
表1：本实施例中储能膜材料的性能测试结果
分析以上实验结果发现本发明的储能膜的热辐射吸收率与常规的吸热材料较为接近，但是其辐射发射率非常低，因此可显著降低吸热材料热辐射耗散，而且该功能材料还具有良好的热老化性能和耐腐蚀性能，材料在250℃高温状态下的光学性能依然稳定，材料在经过盐雾试验后，也不会发生脱落、起泡或开裂问题，储能层材料的耐候性能非常突出。
2、以市场上常规的使用黑铬镀层作为吸热层材料的平板集热器为对照组，与使用本实施例中的吸热层材料的平板集热器进行能量转化对比试验，分别在连续三天的时间内测试水箱的水温变化，其中，以早晨8时的水温为初始水温，以晚上6点的水温为结束水温，每次试验结束后更换水箱内的水；得到如下试验数据：
表2：本实施例与对照组中平板集热器的能量转化试验结果
分析以上实验结果发现，本发明提供的平板集热器的太阳能转化率要高于对照组，其中在相同的初始温度下，本发明的平板集热器在采光结束时，水温温差比对照组高出7-11℃，因此可以看出，本发明中的储能层材料对于平板集热器的太阳能转化率提升确实具有明显效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高转化率的太阳能热水器吸热层材料，用于平板集热器表面涂层使用；其特征在于：所述吸热层材料包括位于集热面板表面的吸热膜，以及位于吸热膜上方的储能膜，吸热膜为通过电镀形成的黑铬镀层，储能膜的膜层厚度为3.5-5μm。
2.根据权利要求1所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于：按照质量份数，所述储能膜的原料组分包括：有机溶剂14-16份，粘合剂25-35份，辐射蓄能剂6.2-8.5份，纳米碳化硅2-4份，铁锰黑8-10份，亚硝酸钠2.5-5.5份，硅烷偶联剂0.5-1.2份。
3.根据权利要求2所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于：按照质量份数，所述储能膜的原料组分包括：有机溶剂14.5-15.7份，粘合剂29-32份，辐射蓄能剂6.8-7.4份，纳米碳化硅2.6-3.4份，铁锰黑8.6-9.2份，亚硝酸钠3.4-4.7份，硅烷偶联剂0.8-1.1份。
4.根据权利要求2所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于，按照质量份数，所述储能膜的原料组分包括：有机溶剂15份，粘合剂31份，辐射蓄能剂7.2份，纳米碳化硅3.1份，铁锰黑9份，亚硝酸钠4.2份，硅烷偶联剂0.9份。
5.根据权利要求2所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于，所述辐射蓄能剂的制备方法包括如下步骤：
（1）按照质量份数，将12.5份二甲基丁硫醚加入到100份正己烷中，水浴加热至45-50℃并充分溶解，得到溶液；按照质量比100:35:4的质量比将云母粉、纳米硅酸钙和纳米二氧化钛混合，将60份混合粉体加入到前述溶液中，在分散釜中以600-650r/min的转速分散处理，然后将2.4份月桂酸聚氧乙烯酯和5份纳米氧化锌加入到分散釜中，超声分散处理15-20min，然后将分散液以大于95℃的温度喷雾干燥处理，得到所需填充剂A；
（2）向聚合反应釜内充入氮气气氛进行保护，并加入300份庚烷溶剂，然后将15份异戊二烯单体加入到反应釜中，并加入占单体质量0.25%的四氢呋喃和0.1%的甲基吡咯烷酮，分散均匀后将聚合反应釜内的温度升高至70-73℃，然后向反应釜内滴加占单体质量0.5%的正丁基锂引发聚合反应发生，反应15-18min后，继续加入60份1，3-己二烯单体和2.5份四氢呋喃，绝热反应30-40min，反应结束后，向反应釜内加入占物料质量0.1%的叔丁基三氯硅烷偶联剂，继续反应25-30min，得到第一聚合物B；
（3）将聚合反应釜内的物料温度升高至80-82℃，加入占物料质量0.15%的2-氯甲基呋喃和0.1%的正丁基锂，以1.0MPa的压强保温保压反应1.5-2h，然后将产物抽出，加入到等质量的去离子水中，冷却至室温后，再以105-110℃的温度蒸馏，除去溶剂，得到所需嵌段聚合物C；
（4）将35份填充剂，50份嵌段聚合物C，300份正十八烷，5.8份聚乙烯醇，3.2份2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和1.5份抗氧剂1076混合，加入到反应釜中，在真空状态下，加热至110-125℃，以800-900r/min的转速，保温分散反应10-15min，反应产物冷却至室温后，得到所需辐射蓄能剂。
6.根据权利要求5所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于：所述步骤（1）中的非离子表面活性剂为月桂酸聚氧乙烯酯。
7.根据权利要求5所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于：所述辐射蓄能剂的粘度为820-850cp。
8.根据权利要求2所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于：所述粘合剂为丙烯酸树脂改性硅氧烷聚合物。
9.根据权利要求2所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于：所述有机溶剂为异丙醇、乙酸乙酯和二甲苯按照3:2:3的质量比混合的混合物。
10.根据权利要求1或2所述的一种高转化率的太阳能热水器吸热层组合物，其特征在于：所述储能膜通过涂料喷膜的方式形成，喷膜涂层采用多次喷涂，加热固化的工艺处理，涂层加热固化的温度为110-120℃。
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