一种光伏玻璃自清洁纳米涂层及其加工方法

摘要

本发明提供了一种一种光伏玻璃自清洁纳米涂层及其加工方法，加工步骤包括核壳纳米颗粒表面微结构的构建合成，采用有机无机交联掺杂技术，掺杂导电元素中间体和光催化元素中间体，本发明通过有机/无机交联掺杂技术，形成具有三维交联网状结构，构建表面微结构，实现超亲水自清洁界面。同时，具有防静电减少灰尘吸附、增透提升光伏发电效率、光催化降解有机污染物的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米涂层领域，具体涉及一种光伏玻璃自清洁纳米涂层及其加工方法。

背景技术

在户外发电的光伏玻璃的自然污染难以避免，为维持光伏发电板的发电效率，需要定期人工清洁，这存在庞大的清洁费用。而且，太阳能光伏电站基地多数建设在郊外地区(中东国家多数设置与沙漠地带，更是具有沙尘大、雨水少的气候条件)，光伏玻璃因沙尘覆盖大幅度降低发电效率，据统计：美国加尼福利亚洲的某太阳能光伏发电基地因污染，发电率降低了16％。在我国也因太阳能光伏发电基地因灰尘的堆积，发电率普遍降低了5-29％。而要持续保持光伏玻璃表面清洁，在这些环境下的人工清洁是很困难且费用较高。而现有的人工常规清洗、机器人清洗、高压水清洁等方式，会对太阳能光伏发电板的表面增透光涂层造成较快的破坏而致透光率加快衰减。所以，利用自然条件抑制污染——防尘、自洁，已是太阳能光伏发电板的防污的首选方式。

自清洁表面是指表面污染物或灰尘在重力或雨水、风力等外力的作用下能够自动脱落或被降解的一种表面。自清洁表面由于其独特的性能，在现实中的应用非常广泛，例如建筑物玻璃幕墙、光伏玻璃、运输工具玻璃、浴室镜、眼镜、测量玻璃镜片、卫浴瓷砖及其他需要清洁的墙体等。

自清洁玻璃的生产技术主要包括：化学气相沉积法、磁控溅射法、溶胶-凝胶法等生产技术。国外相关技术起步较早，品牌研究较久，技术也比较成熟。采用化学气相沉积法生产自清洁玻璃成本很高、而且会降低玻璃自身的透光率，受制于成本和性能的影响，并未大规模推广，只是应用到了一些对玻璃透光率要求不高的场景上。

国内众多院校和科研机构也在进行相关研究，其中有磁控溅射法生产，溶胶-凝胶法生产。这些技术的特点是可以均匀形成超亲水镀膜层，不影响或较低限度影响玻璃的透光率，但是依旧没有解决工艺成本问题，而且玻璃的大小受限，仅能在玻璃产线去应用，无法应用于玻璃特别是光伏玻璃的后涂装市场。

常温常压喷涂的方法生产自清洁玻璃，其工艺简单、成本低，其代表工程是国家大剧院穹顶6500m2的玻璃。目前，超亲水涂层正在朝着施工工艺简单、适应后涂装市场的常温常压喷涂工艺发展。

在光伏玻璃自清洁领域，目前国内已经几家大型央企在集中式电站以及工商业屋顶分布式开始采用自清洁涂层来应对各类环境污染带来的发电量衰减，同时降低运维人力的消耗和水资源的浪费。据了解，日本信越化学推出了一种水接触角仅为6°的超亲水自清洁涂层，其效果得到了客户的认可，但是存在着成本较高，无法大面积推广的问题。目前国内已经有相关企业开始在这个领域进行研究，但并未有较成熟的产品大规模推广使用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种光伏玻璃自清洁纳米涂层及其加工方法，

包括：

原材料包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、水性聚氨酯、聚合物乳液、分散助剂和硅氧烷，其中纳米二氧化硅含量比例低于4/5，所述纳米二氧化钛含量比例不低于3％；加工步骤包括核壳纳米颗粒表面微结构的构建合成，所述核壳纳米颗粒为复杂核壳微纳米材料，具有多层核壳结构，所述微结构的膜层厚度为1-3微米，所述微结构采用三维交联法来构建，所述三维交联法通过共价键形成所述表面微结构，具有溶胀能力，形成过程中先形成线性聚合物，再通过聚合物之间反应形成交联，所述核壳纳米颗粒通过接枝改性的方式进行量产合成；采用有机无机交联掺杂技术，掺杂导电元素中间体和光催化元素中间体，所述导电元素掺杂致使涂层后的玻璃表面体电阻介于1×104Ω-1×1011Ω之间，所述光催化元素中间体为无机中间体。

优选的，所述表面微结构形成小于5°浸润角的超薄超亲水自清洁表面，所述浸润角通过接触角测定仪测定，采用的液体介质包括丙酮、丙二醇以及去离子水。

优选的，所述自清洁纳米涂层固化方式为低温固化。

优选的，所述自清洁纳米涂层的铅笔硬度大于3H。

优选的，所述自清洁纳米涂层湿热老化1000h后，浸润角小于5°。

优选的，所述纳米二氧化钛包括二氧化钛纳米粉体和纳米二氧化钛水分散液。

优选的，所述纳米二氧化硅在超声混合前进行球磨处理。

优选的，所述纳米二氧化钛水分散液的粒径小于50nm。

有益效果：

1、通过有机/无机交联掺杂技术，形成具有三维交联网状结构，构建表面微结构，实现超亲水自清洁界面。同时，具有防静电减少灰尘吸附、增透提升光伏发电效率、光催化降解有机污染物的特点。

2、通过工艺改进，实现低成本规模化量产。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为未涂布本发明的玻璃表面受尘效果示意图；

图2为涂布本发明后的玻璃表面受尘效果示意图。

图中数字表示：

1、玻璃2、自清洁纳米涂层3、污染物4、水膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明原材料包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、水性聚氨酯、聚合物乳液、分散助剂和硅氧烷，其中纳米二氧化硅含量比例低于4/5，所述纳米二氧化钛含量比例不低于3％；加工步骤包括核壳纳米颗粒表面微结构的构建合成，所述核壳纳米颗粒为复杂核壳微纳米材料，具有多层核壳结构，所述微结构的膜层厚度为1-3微米，所述微结构采用三维交联法来构建，所述三维交联法通过共价键形成所述表面微结构，具有溶胀能力，形成过程中先形成线性聚合物，再通过聚合物之间反应形成交联，所述核壳纳米颗粒通过接枝改性的方式进行量产合成；采用有机无机交联掺杂技术，掺杂导电元素中间体和光催化元素中间体，所述导电元素掺杂致使涂层后的玻璃表面体电阻介于1×104Ω-1×1011Ω之间，所述光催化元素中间体为无机中间体。

所述表面微结构形成小于5°浸润角的超薄超亲水自清洁表面，所述浸润角通过接触角测定仪测定，采用的液体介质包括丙酮、丙二醇以及去离子水。所述自清洁纳米涂层固化方式为低温固化，所述自清洁纳米涂层的铅笔硬度大于3H。

所述自清洁纳米涂层湿热老化1000h后，浸润角小于5°，所述纳米二氧化钛包括二氧化钛纳米粉体和纳米二氧化钛水分散液，所述纳米二氧化硅在超声混合前进行球磨处理，所述纳米二氧化钛水分散液的粒径小于50nm。

由于核壳结构纳米粒子合成时极易发生团聚，现在没有大规模量产技术，本项目通过接枝改性技术解决了量产时核壳结构发生团聚的难题，实现了批量生产。并通过构建三维纳米交联体系，实现结构层厚度只需要1-3微米，大大降低了使用成本的同时，能够不影响光伏玻璃的透光率。同时，通过微结构中孔隙的构建，降低了涂层的表面折射率，使之具有减反射功能，可以增加玻璃的透光率，从而提升光伏发电功率。

有机无机交联技术，掺杂导电元素中间体实现抗静电吸附作用，将涂层后的玻璃表面体积电阻介于1×104Ω-1×1011Ω之间，有效降低玻璃表面对灰尘的静电吸附作用。随着无机物的加入，涂层的耐磨性、硬度和耐候性获得提升，从而解决了现有涂层耐磨性、耐候性差的技术难题。

通过掺杂光催化作用无机中间体，使得该涂层可以在太阳光作用下分解有机污染，从而具有表面更新的能力，延长了表面自清洁的能力。现有超亲水涂层技术，通常会在使用过程中，随着涂层表面灰尘的积累，浸润角逐渐增加，慢慢失去超亲水自清洁能力。而本涂层的光催化能力，使之具备了自我更新能力。随着表面污染物的持续分解和自然雨水的冲刷，持久保持自清洁能力。

如图1和2所示，未涂布自清洁纳米涂层2的玻璃1表面被污染物3覆盖，水是直接混合在玻璃表面上的；涂布自清洁纳米涂层2后，水与玻璃1更加亲和，水膜4会介入玻璃1与污染物3之间，将污染物3冲刷掉，光催化作用可以通过光催化降解有机污染物和光致超亲水，玻璃1表面吸附的有机污染物经降解后矿化为二氧化碳和水，灰尘无法牢固附着，在自然雨水的冲刷下，可以保持较高的洁净度。

对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。