CN109988506B - 一种太阳能吸热材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能吸热材料及其制备方法，所述太阳能吸热材料包括：成膜剂，成膜助剂，吸光剂，溶剂，助剂；所述吸光剂原料为氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑、细菌纤维素；所述成膜剂的原料为蚕蛋白，明胶，低聚肽粉，多聚磷酸，丙烯酸甲酯，聚硅氧烷季铵钾。本发明通过采用吸光剂中添加永固紫、炭黑、细菌纤维素，成膜剂中添加低聚肽粉，多聚磷酸作为补强，提高了太阳能吸热材料的吸热性能和耐候性。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种太阳能吸热材料及其制备方法。
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***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。
中国专利文献“一种太阳能吸热材料(专利号：CN106366821A)”公开了一种太阳能吸热材料，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，再入成膜助剂混合均匀，即得到太阳能吸热材料；各原料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；吸光剂为使用氧化铬绿纳米粉末、永固大红调配成黄色等；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，然后用丙烯酸甲酯：聚硅氧烷季铵钾＝1-2:1-3的混合液进行化学变性，再用煅烧的物理方法进行变性，即可得到改性蚕蛋白-明胶。该发明通过对成膜剂进行改性后作为制备本申请涂料的重要原料，能使制成的涂料在室外条件下具有良好的耐候性和防水性，且制备工艺简单易懂，还保证吸热涂料的吸热效率，但是其耐候性和吸热性能还有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能吸热材料及其制备方法，以解决在专利文献“一种太阳能吸热材料(专利号：CN106366821A)”公开的基础上，优化太阳能吸热材料的组分、用量、方法等，提高太阳能吸热材料的耐候性和吸热性能。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种太阳能吸热材料，所述太阳能吸热材料包括：成膜剂，成膜助剂，吸光剂，溶剂，助剂；所述吸光剂原料为氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑、细菌纤维素；所述吸光剂的制备方法为将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑在乙醇溶液中充分搅拌30-60分钟后，滴加到细菌纤维素水溶液中，600-800转/分钟搅拌4-6小时后离心过滤即可；所述成膜剂的原料为蚕蛋白，明胶，低聚肽粉，多聚磷酸，丙烯酸甲酯，聚硅氧烷季铵钾；所述成膜剂的制备方法为：将按照重量比蚕蛋白，明胶，低聚肽粉，多聚磷酸为8-10：2-4：:1-3:0.4-0.6进行混合，然后加入水，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，然后在100-150℃条件下搅拌4-6小时后，过滤干燥后气流粉碎、分级，控制D50为10-25μm。
进一步地，所述太阳能吸热材料以重量份为单位，包括以下原料：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。
进一步地，所述太阳能吸热材料以重量份为单位，包括以下原料：成膜剂75份，成膜助剂20份，吸光剂40份，溶剂35份，助剂20份。
进一步地，所述成膜剂以重量份为单位，包括以下原料：蚕蛋白8-10份，明胶2-4份，低聚肽粉1-3份，多聚磷酸0.4-0.6份，丙烯酸甲酯1-2份，聚硅氧烷季铵钾1-3份。
进一步地，所述吸光剂以重量份为单位，包括以下原料：氧化铬绿纳米粉末3-4份、永固大红3-4份、永固紫3-4份、炭黑1-3份、细菌纤维素4-6份。
进一步地，所述成膜助剂为丙二醇特丁醚、二乙二醇单***、丙二醇甲醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚中的至少一种混合物。
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。
进一步地，所述助剂为邻苯二甲酸二丁酯、硅烷偶联剂、聚氧乙烯氧丙烯甘油中至少一种。
一种上述的太阳能吸热材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑在乙醇溶液中充分搅拌30-60分钟后，滴加到细菌纤维素水溶液中，600-800转/分钟搅拌4-6小时后离心过滤干燥后制成吸光剂；(2)将按照重量比蚕蛋白，明胶，低聚肽粉，多聚磷酸为8-10：2-4：:1-3:0.4-0.6进行混合，然后加入水，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，然后在100-150℃条件下搅拌4-6小时后，过滤干燥后气流粉碎、分级，控制D50为10-25μm；(3)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。
本发明具有以下有益效果：
原技术中利用化学改性、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。但是蚕蛋白，明胶是不耐温材料，原技术在改性过程中利用高温下煅烧将使成膜剂发生碳化崩解，起不到相应的成膜效果，但是如果不采用酪素、明胶，则不能实现很好的耐候性和防水性能。
因此本申请还添加了低聚肽粉，多聚磷酸，通过多聚磷酸促进酪素、明胶的反应，提高反应的活性，同时利用低聚肽粉的活性氨基进一步稳定酪素、明胶构成的凝胶体系，形成的空间网络状大分子结构具有更强的牢固度，促进成膜的稳定性，低聚肽粉同时具有更多的暴露的活性氨基，在通过温度较低下进行聚二甲基硅氧烷对氨基的封闭，同时促进体系的交联度，促进成膜后的稳定性和耐候性，而多聚磷酸能够促进活性氨基与聚二甲基硅氧烷片段的反应，同时其自身能够部分与氨基进行反应，从而进一步封闭氨基，反应上磷酸酯的形成，能够增强耐化学性能和防水性能，提高耐候性。
原技术中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；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。但只使用原技术中的组分吸热效果还有提升空间，因此本发明中通过将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑、细菌纤维素作为吸光剂组分，其中氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑预先在乙醇中分散后，能够使部分的有机颜料溶解，纳米粉末形成悬浮液，从而被炭黑吸附后，形成分散性很好的悬浮液，然后滴加到细菌纤维素的水溶液中，乙醇被稀释后，有机颜料也能随着析出，同时悬浮液中的组分能够充分与细菌纤维素接触，从而利用细菌纤维素的纳米微孔道和高比表面积，使吸收剂主体成分充分分散到细菌纤维素的表面和孔道中，具有良好的耐候性和高的吸热效率，同时利用炭黑和细菌纤维素形成的空间结构，降低光的反射，具有高的保热性，从而使热量不易散出，通过氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫进行颜色配比，利用永固紫的大平面分子结构和特有的颜色，对长波长进行吸收，对永固大红和氧化铬绿的吸收波长进行补充，同时提高色素的耐候性和稳定性，利用炭黑的黑色进一步提高对各波段波长的补充吸收，同时提高保热性，同时当分散吸附到细菌纤维素中后，吸光剂形成纤维状的网络结构，能够在成平面膜时，具有更好的取向度，从而增大与太阳光的有效吸收面积，增大吸热效率。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
实施例1
一种太阳能吸热材料，所述太阳能吸热材料包括：成膜剂75份，成膜助剂20份，吸光剂40份，溶剂35份，助剂20份。所述成膜剂以重量份为单位，包括以下原料：蚕蛋白9份，明胶3份，低聚肽粉2份，多聚磷酸0.5份，丙烯酸甲酯1.5份，聚硅氧烷季铵钾2份。所述吸光剂以重量份为单位，包括以下原料：氧化铬绿纳米粉末3.5份、永固大红3.5份、永固紫3.5份、炭黑2份、细菌纤维素5份。
所述成膜助剂为丙二醇特丁醚。所述溶剂为乙酸。所述助剂为邻苯二甲酸二丁酯。
一种上述的太阳能吸热材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑在乙醇溶液中充分搅拌45分钟后，滴加到细菌纤维素水溶液中，700转/分钟搅拌5小时后离心过滤干燥后制成吸光剂；(2)将按照重量比蚕蛋白，明胶，低聚肽粉，多聚磷酸进行混合，然后加入水，加入按照重量份比丙烯酸甲酯，聚硅氧烷季铵钾的混合液，然后在130℃条件下搅拌5小时后，过滤干燥后气流粉碎、分级，控制D50为15μm；(3)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。
实施例2
一种太阳能吸热材料，所述太阳能吸热材料包括：成膜剂75份，成膜助剂20份，吸光剂40份，溶剂35份，助剂20份。所述成膜剂以重量份为单位，包括以下原料：蚕蛋白10份，明胶2份，低聚肽粉3份，多聚磷酸0.4份，丙烯酸甲酯2份，聚硅氧烷季铵钾1份。所述吸光剂以重量份为单位，包括以下原料：氧化铬绿纳米粉末4份、永固大红3份、永固紫4份、炭黑1份、细菌纤维素6份。
所述成膜助剂为二乙二醇单***。所述溶剂为无水醋酸丁酯。所述助剂为聚氧乙烯氧丙烯甘油。
一种上述的太阳能吸热材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑在乙醇溶液中充分搅拌30分钟后，滴加到细菌纤维素水溶液中，800转/分钟搅拌4小时后离心过滤干燥后制成吸光剂；(2)将按照重量比蚕蛋白，明胶，低聚肽粉，多聚磷酸进行混合，然后加入水，加入按照重量份比丙烯酸甲酯，聚硅氧烷季铵钾的混合液，然后在150℃条件下搅拌4小时后，过滤干燥后气流粉碎、分级，控制D50为25μm；(3)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。
实施例3
一种太阳能吸热材料，所述太阳能吸热材料包括：成膜剂75份，成膜助剂20份，吸光剂40份，溶剂35份，助剂20份。所述成膜剂以重量份为单位，包括以下原料：蚕蛋白8份，明胶4份，低聚肽粉1份，多聚磷酸0.6份，丙烯酸甲酯1份，聚硅氧烷季铵钾3份。所述吸光剂以重量份为单位，包括以下原料：氧化铬绿纳米粉末3份、永固大红4份、永固紫3份、炭黑3份、细菌纤维素4份。
所述成膜助剂为二乙二醇单丁醚。所述溶剂为丙三醇。所述助剂为聚氧乙烯氧丙烯甘油。
一种上述的太阳能吸热材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑在乙醇溶液中充分搅拌60分钟后，滴加到细菌纤维素水溶液中，600转/分钟搅拌6小时后离心过滤干燥后制成吸光剂；(2)将按照重量比蚕蛋白，明胶，低聚肽粉，多聚磷酸进行混合，然后加入水，加入按照重量份比丙烯酸甲酯，聚硅氧烷季铵钾的混合液，然后在100℃条件下搅拌6小时后，过滤干燥后气流粉碎、分级，控制D50为10μm；(3)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。
对比例1
与实施例1的生产工艺基本相同，唯有不同的是制备太阳能吸热材料的原料中缺少永固紫，炭黑，细菌纤维素。
对比例2
与实施例1的生产工艺基本相同，唯有不同的是制备太阳能吸热材料的原料中缺少永固紫。
对比例3
与实施例1的生产工艺基本相同，唯有不同的是制备太阳能吸热材料的原料中缺少炭黑。
对比例4
与实施例1的生产工艺基本相同，唯有不同的是制备太阳能吸热材料的原料中缺少细菌纤维素。
对比例5
采用中国专利文献“一种太阳能吸热材料(专利号：CN106366821A)”中具体实施例1所述的方法生产太阳能吸热材料。
对比例6
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备太阳能吸热材料的原料中缺少低聚肽粉，多聚磷酸。
对比例7
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备太阳能吸热材料的原料中缺少低聚肽粉。
对比例8
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备太阳能吸热材料的原料中缺少多聚磷酸。
根据实施例1-3和对比例1-8的工艺生产太阳能吸热材料，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，涂刷该涂料厚60μm涂层。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，测试结果如下表所示。
由上表可知：由实施例1和对比例1-5的数据可见，永固紫，炭黑，细菌纤维素在生产太阳能吸热材料中起到了协同作用，协同提高了太阳能吸热材料的吸热性能和耐候性；由对比例6-8的数据可见，低聚肽粉，多聚磷酸提高了太阳能吸热材料的耐候性。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳能吸热材料，其特征在于，所述太阳能吸热材料以重量份为单位，包括以下原料：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；所述吸光剂原料为氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑、细菌纤维素；所述吸光剂的制备方法为将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑在乙醇溶液中充分搅拌30-60分钟后，滴加到细菌纤维素水溶液中，600-800转/分钟搅拌4-6小时后离心过滤即可；所述成膜剂的原料为蚕蛋白、明胶、低聚肽粉、多聚磷酸、丙烯酸甲酯、聚硅氧烷季铵钾；所述成膜剂的制备方法为：将按照蚕蛋白、明胶、低聚肽粉、多聚磷酸重量比为8-10：2-4：1-3：0.4-0.6进行混合，然后加入水，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，然后在100-150℃条件下搅拌4-6小时后，过滤干燥后气流粉碎、分级，控制D50为10-25μm。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸热材料，其特征在于，所述太阳能吸热材料以重量份为单位，包括以下原料：成膜剂75份，成膜助剂20份，吸光剂40份，溶剂35份，助剂20份。
3.根据权利要求1所述的太阳能吸热材料，其特征在于，所述成膜剂以重量份为单位，包括以下原料：蚕蛋白8-10份，明胶2-4份，低聚肽粉1-3份，多聚磷酸0.4-0.6份，丙烯酸甲酯1-2份，聚硅氧烷季铵钾1-3份。
4.根据权利要求1所述的太阳能吸热材料，其特征在于，所述吸光剂以重量份为单位，包括以下原料：氧化铬绿纳米粉末3-4份、永固大红3-4份、永固紫3-4份、炭黑1-3份、细菌纤维素4-6份。
5.根据权利要求1所述的太阳能吸热材料，其特征在于，所述成膜助剂为丙二醇特丁醚、二乙二醇单***、丙二醇甲醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的太阳能吸热材料，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的太阳能吸热材料，其特征在于，所述助剂为邻苯二甲酸二丁酯、硅烷偶联剂、聚氧乙烯氧丙烯甘油中至少一种。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的太阳能吸热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将氧化铬绿纳米粉末、永固大红、永固紫、炭黑在乙醇溶液中充分搅拌30-60分钟后，滴加到细菌纤维素水溶液中，600-800转/分钟搅拌4-6小时后离心过滤干燥后制成吸光剂；（2）将按照蚕蛋白、明胶、低聚肽粉、多聚磷酸重量比为8-10：2-4：1-3：0.4-0.6进行混合，然后加入水，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，然后在100-150℃条件下搅拌4-6小时后，过滤干燥后气流粉碎、分级，控制D50为10-25μm；（3）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。
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