[发明专利]水溶胶一次浸涂-提拉制备陶瓷型太阳能吸热膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷型太阳能吸热膜得制备工艺，尤其涉及一种以水为溶剂制成水溶胶，采用一次浸涂-提拉法制备具有外观以及光学性能良好的陶瓷型太阳能吸热膜的方法，属于太阳能光热转化材料应用领域。

背景技术

当今，能源问题和环境恶化已日益成为制约社会经济发展的瓶颈，太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，开发太阳能资源，综合利用太阳能是社会当前和长远发展的需要。目前，实现太阳能热利用最简单、最有效、最直接的技术是通过转化装置把太阳辐射能转化为热能。太阳能吸热膜是太阳能光热转化的核心，要求其具有选择性吸收能力，即在太阳光可见及近红外辐射区表现出较高的吸收率（α），而在红外辐射区具有较低的发射率（ε）。

太阳能吸热膜大致分为两类：无机膜和无机-有机复合膜。其中无机膜多因含有可氧化的金属成分而使得耐候性较差；无机-有机复合膜多指以无机颜料为吸光材料，有机树脂为粘结剂的吸热膜，这种膜层因有机成分的高红外吸收率而具有较高的发射率。尖晶石型过渡金属复合氧化物（AB₂O₄或ABCO₄）是一种由两种及以上过渡金属氧化物复合而成的复杂氧化物陶瓷材料。由于显著的半导体性质和光学特征，尤其是优异的化学稳定性和热稳定性(>1000℃)，使其成为理想的太阳能选择性吸收涂层材料，尤其是在太阳能中高温热利用领域具有巨大的应用潜力，如太阳能工业用热、太阳能热发电、焊接机和高温炉等。

太阳能吸热膜的制备方法有很多，如喷涂法、物理气相沉积（真空蒸镀、磁控溅射、离子镀、阴极电弧蒸发）、化学气相沉积、电化学法、溶胶-凝胶法等。喷涂法操作简单、实验条件要求低、容易实现大面积制膜，但薄膜通常具有较高的热发射率。电化学法、真空沉积和磁控溅射技术制备太阳能吸热薄膜已经被广泛的应用于工业生产中，但是电化学沉积薄膜的过程容易带来严重的环境污染以及材料的消耗；真空沉积和磁控溅射技术需要昂贵的设备及苛刻的实验条件，从而增加了制备薄膜的成本。采用化学气相沉积制备的薄膜尽管具有很高的光谱选择性，但薄膜存在化学稳定性及热稳定性的不足。溶胶-凝胶法是一种工艺操作简单、生产成本低、环境友好、适用于大面积制备太阳能选择性吸收薄膜的技术。专利CN103691647A以乙醇为溶剂，铜、钴、锰的金属盐为溶胶前驱体，将其和多羟基羧酸及聚乙二醇200混合，添加纤维素成膜剂后配制成溶胶，将制得的溶胶在金属基底上提拉、固化、热处理后制备得到CoCuMnO_x尖晶石薄膜，吸收率可达0.90~0.93，发射率0.05~0.07。专利CN101518824A以乙醇为溶剂，分别以无机酸铝盐和镍盐为原料制备出溶胶，混合铝溶胶和镍溶胶制得Ni-Al₂O₃薄膜的吸收率可达0.80。上述专利均采用乙醇为溶剂制备金属溶胶，但由于乙醇的极性比水弱，从而影响其对金属无机盐的溶解性。其次，常温条件下，乙醇的蒸汽压高于水的蒸汽压，以乙醇为溶剂制得的金属溶胶稳定性相对较低，溶胶的重复利用性差。另外，在溶胶凝胶提拉镀膜的过程中，一旦金属基底从溶液中离开，干燥过程立即发生，此时薄膜处于空气流的环境中，溶剂的挥发程度严重影响薄膜最终的外观以及光学性能。水作为最常用的极性溶剂很容易溶解金属无机盐，与乙醇溶剂相比安全系数高、无污染、无毒害、溶解范围广、成本低廉。

发明内容

本发明的目的是提供一种以水为溶剂制成水溶胶，采用一次浸涂-提拉法制备具有外观以及光学性能良好的陶瓷型太阳能吸热膜的方法。

本发明一次浸涂-提拉制备陶瓷型太阳能吸热膜的方法，是以过渡金属盐为溶胶前驱体，水为溶剂，聚乙二醇为酯化剂及分散剂，取代羧酸为络合剂，非离子表面活性剂为润湿剂，制得水溶胶；再将水溶胶通过一次浸涂-提拉法在金属基底上沉积，制得胶膜；胶膜经干燥获得干凝胶膜；然后将干凝胶膜进行热处理制得表面无裂纹，色泽均匀的陶瓷型太阳能吸热膜。

其中水溶胶的制备：将络合剂与聚乙二醇以物质量比为1:3~1:0.3的比例添加到水中，常温条件下搅拌使其充分溶解，溶液中络合剂的浓度为0.1~1.0mol/L；将过渡金属盐添加到上述溶液中，使其中金属离子的总浓度为0.4~2.0mol/L；常温下继续搅拌10~60min后，向溶液中加入润湿剂，常温搅拌10~60min，得到水溶胶。

所述过渡金属盐为镍、钴、铜、锰、铬的硝酸盐、卤化盐、硫酸盐、磷酸盐、羧酸盐、氢氧化盐。