溶胶-凝胶法制备太阳能光热转换膜玻璃.pdf

玻璃深加工溶胶-凝胶法制备太阳能光热转换膜玻璃李彩苓（中国耀华玻璃集团有限公司秦皇岛0 6 6 0 0 0）摘要将光热转换材料与玻璃结合起来制作成太阳能光热转换膜玻璃，可以提高玻璃对太阳能的吸收率。用溶胶-凝胶法将纳米光热转换材料Cu,S制备成复合涂料，在玻璃上形成一层具有光热转换功能的复合涂层。通过进行试验测试，制备得到的太阳能光热转换膜玻璃在保证透过率的前提下，涂层均匀、稳定性良好，与玻璃结合力强，具有良好的升温效果。关键词光热转换膜；玻璃温室；溶胶-凝胶法中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-1 9 8 7（2 0 2 4）0 4-0 0 55-0 4Preparation of Photothermal Conversion Film on Solar Glass by Sol-gel ProcessLI Cailing(China Yaohua Glass Group Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066000,China)Abstract:The absorption rate of solar energy can be improved by combining the photothermal conversionmaterial with glass to make solar photothermal conversion film on glass.The composite coating material ofCu,S4 was prepared by sol-gel method,and a nano-scale composite coating with photothermal conversionfunction was formed on glass.Under the premise of ensuring the transmittance,the prepared solarphotothermal conversion film on glass has uniform coating,good stability,strong bonding force with glass,and good heating effect.Key Words:photothermal conversion film,glass house,sol-gel method材料，其种类丰富、易于合成、成本低、对光的0引言吸收强度易于调节、不易被光漂白、光降解和在玻璃温室是以玻璃为主要透光覆盖材料的温室，具有透光性好、采收期长、病虫害发生少、使用寿命长以及外形美观等特点，是现代温室发展的主要趋势之一。玻璃温室中的热量主要来自太阳能，但由于玻璃对太阳能的吸收率有限，加上太阳能易受天气、季节等因素的影响，导致冬季玻璃温室的热稳定性能较差。光热转换材料是一种可以高效吸收太阳能并转换为热能的材料，将光热转换材料与玻璃结合起来制作成太阳能光热转换膜玻璃，可以提高玻璃对太阳能的吸收率，进而提升玻璃温室的温度，降低能源消耗。半导体类光热材料作为一种新型的光热转换近红外区域具有大消光系数而在光热领域受到广泛的关注 。本文应用的二维铜基超薄纳米片在可见光-近红外光区表现出了大于9 7%的吸收率和小于1 0%的反射率，并拥有出色的光热转换能力，在一个太阳照度下可达到1 0 0 以上，有良好的开发前景。溶胶-凝胶法工艺简单，稳定性较好，具有能耗低、镀膜均匀、生产成本低、镀膜效率高、可在镀体两面同时镀膜等优点，并可对大面积玻璃板和直径较小的管状镀体进行浸镀，已广泛用于玻璃表面纳米功能膜的制备2 。戴琦等 3 用溶胶-凝胶法在不锈钢保温杯内表面制备SiO,无机作者简介：李彩苓（1 9 9 0-），女，中级工程师，主要从事玻璃镀膜工作。55全国性建材科技期刊一一玻璃玻璃涂层，并与无涂层的不锈钢水杯进行重金属析出比较，发现具有无机玻璃涂层的不锈钢水杯明显降低了重金属铅、镉的析出，而且涂层颗粒分布均匀，附着力较好。顾剑东等4 用溶胶-凝胶法制备一种应用于有机玻璃镀膜板表面的高透光率耐磨涂层，通过对比试验，确定MTES（乙基三甲氧基硅烷）与TEOS（正硅酸乙酯）的质量比，纳米氧化锌及碱性硅溶胶的添加量，得到耐磨性、光透过率良好的保护膜。1试验方法1.1材料和设备试验所用化学试剂及规格如表1 所示。表1 试验所需试剂及规格试剂名称分子式正硅酸乙酯C,H.O,Si光热转换纳米材料Cu,S.醋酸CH,COOH氨水NH,H,O水性聚氨酯CioH,N,O,:C,H,O,乙醇C,H,OH试验及检验所需材料和设备：超白玻璃、烧杯、磁力搅拌器、手动移液器、电热鼓风干燥箱、UA-603迷你空气压缩机、PHSJ-4F型实验室pH计、CME-So18100-3A太阳光模拟器、UV-3600PLUS紫外可见分光光度计、接触角测量仪、扫描电子显微镜（SEM）。1.2试验过程1.2.1制备硅溶胶混合1 8 mL去离子水、9.3 2 mL乙醇、4.47 5mL正硅酸乙酯，用冰醋酸调节pH至45，40 搅拌2h，加入修饰后的光热转换纳米材料，然后用1mol/L氨水调节溶液pH至8 9，搅拌0.5h，使光热转换颗粒均匀分散，最后加入少量的有机连接剂水性聚氨酯。562024年第4期总第3 9 1 期1.2.2样品制备取2 mL硅溶胶，采用喷涂的方式均匀喷涂到玻璃表面，在鼓风干燥机中8 0 干燥后，重复喷涂2 4次，然后1 2 0 固化，得到表面掺有光热转换纳米材料的硅凝胶涂层。1.3测试与分析使用扫描电子显微镜观察涂层表面形貌；使用CME-So18100-3A太阳光模拟器照射涂有光热转换膜的玻璃，与原片进行对比，分析其升温效果；使用UV-3600PLUS紫外可见分光光度计测试其透过率。2结果与讨论2.1表面形貌光热涂层SEM示意图见图1。从图1 中可以看规格出，光热转换颗粒在涂层中分布均匀，仅有极少许分析纯团聚的现象，链状结构的聚氨酯可以很好地在硅凝中科院制备胶中分散，并起到类似于骨架支撑的作用。基于水分析纯性聚氨酯良好的延展性和相容性，可以有效地增强分析纯涂层的机械强度与连续性，增强涂层表面的光滑度，降低涂层表面的漫反射，增加整体透过率。固含量6 0%分析纯2m图1 光热涂层SEM示意图2.2透过率测试光热转换纳米颗粒在40 0 1 2 0 0 nm的可见光区和近红外光区有较强的光吸收作用，因此需要保证涂层在这一范围内有足够的透过率以保证等离子共振效应。为了验证掺杂浓度对光透过率的影响，本文做了不同掺杂浓度的对比试验，对掺玻璃深加工杂量为5mg/mL、1 0 mg/mL、2 0 mg/mL、50 mg/mL图2 为光热转换纳米颗粒的浓度与光热涂层的涂层检测其光透过率。紫外-可见光-红外透过率表征，从图2 中可以看出，随着光热转换纳米颗粒的浓度增加，可见光100区的透过率逐渐下降。光热转换纳米颗粒的聚集80以及光线在涂层中的散射是造成可见光区透过率60下降的主要原因。%/率到9040200-20500图2 光热涂层紫外-可见光一红外透过率表征一5 mg/mL一1 0 mg/mL一2 0 mg/mL6050 mg/mL400500波长/nm10001500波长/nm2.3膜层稳定性为了测试太阳能光热转换膜玻璃的稳定性能，将光热膜玻璃放在不同条件下进行试验。将6007002000光热转换膜玻璃放置在6 0 的温水中烧煮5h2500后，测试其接触角，测试结果见图3，从图3 中可以看出，烧煮前后其接触角未发生明显的变化，膜层稳定性良好。图3 涂层在6 0 温水中烧煮5h后对比接触角的变化2.4光热测试光热转换纳米颗粒的掺杂量提升会引起光热玻璃光热转换能力的提升，但是对应的透过率会下降，根据图2 测试结果，本文采用4%掺杂比进行升温测试。采用太阳光模拟器，室温1 8，在一个太阳照度下（0.1 W/cm），保持玻璃片距离光源2 0 cm，对4%纳米颗粒掺杂量（可见光透过率8 6.3 2%）的光热玻璃和玻璃原片（可见光透过率9 1.3 2%）进行光热测试，测试结果见图4。从图4中可以看出，玻璃原片温度升高至约2 6.7 后保持不变，而光热玻璃在1 5min内温度可升高至3 1，升温幅度可提升约54%。3530-2520150一一原片一一光热玻璃135时间/min图4样品光热测试结果7911131557全国性建材科技期刊一一玻璃3结论本文采用溶胶-凝胶法，以光热转换纳米颗粒和正硅酸乙酯作为主要原料，制备具有光热转换功能的硅溶胶，采用喷涂的方式喷涂到玻璃基体上。通过对膜层进行一系列的试验，得出以下结论：（1）通过试样的SEM图可以看出光热转换纳米颗粒在硅溶胶中均匀分散，成膜连续；（2）可见光与红外光透过率随纳米颗粒的掺杂量增加而降低，可根据需求适当调整掺杂量，进而调节膜层性能；（3）膜层稳定性好，经水煮后膜层连续性不受破坏，与基体结合力良好；（4）通过光照结果可以看出膜层升温效果2024年第4 期总第3 9 1 期较玻璃原片提高约54%。溶胶-凝胶法制备的光热转换膜玻璃升温效果明显，适用于大棚种植、玻璃温室、液体蒸发等行业，具有良好的开发前景。参考文献1 陈宇超，沙畅畅，王心好，等.基于光热转换的吸收材料与转换机理研究进展 J能源研究与利用，2 0 1 9（0 4）：2 3-31+55.D0I:10.16404/ki.issn1001-5523.2019.04.009.【2 覃爽，林健，下元，等.玻璃表面功能化纳米改性技术的研究进展 J.材料导报,2 0 0 8（1 0）：9-1 2.3】戴琦，戴敏俊，邱宇.采用溶胶-凝胶法制备不锈钢保温杯内表面Si0,涂层 玻璃塘瓷与眼镜,2 0 2 2,50（1 2）：1 4-17.D0I:10.13588/ki.g.e.2096-7608.2022.12.003.【4 顾剑东，魏超，王志强，等.溶胶-凝胶法制备有机玻璃镀膜板表面高透光率耐磨涂层 J现代涂料与涂装，2 0 2 1,24(12):11-13.（上接第54 页）能，向同时兼具装饰、降低噪声、控制光线以及节约能源等多种功能转变。在既有建筑及新建建筑中采用薄型中空玻璃或悬膜中空玻璃，不仅能显著降低建筑物自重，还能大幅度提高建筑节能效果。如今，节能政策日趋严格，中空玻璃将继续朝着节能、环保、轻量化等方向发展，以促进建筑行业低碳发展。参考文献1 赵学雷，蔡俊，秦铭，等.中空玻璃微球/丁橡胶-聚氯乙烯复合材料的隔声性能研究 J.功能材料，2 0 2 2,53（3）：3199-3205.【2 王雅婷.持续发展的中空玻璃 .玻璃，2 0 2 2,4 9（0 1）：42-46.【3 李胜杰.爆炸载荷下夹层玻璃的动态响应及裂纹扩展的研究 D.太原理工大学,2 0 1 5.【4 张治权.夹层玻璃落球冲击剥离性能研究 D.浙江大学，2013.5郑金峰.公共建筑节能设计标准与玻璃幕墙 .建设科技，2005（2 0):3 7-3 8.6 何雪萍，刘昌霖，孙江宏.一种新型双悬膜中空玻璃系统设计及性能分析 J.科学技术与工程，2 0 2 2,2 2（3 2）：14353-14359.58