太阳能光伏玻璃用纳米二氧化硅改性丙烯酸高透明亲水性涂料的研制

data-full-width-responsive="true"> 太阳能光伏玻璃用纳米二氧化硅改性丙烯酸高透明亲水性涂料的研制聂建华 1, *，陈泽成2，李洲祥3（1中山职业技术学院，广东中山 528404；2广州市建研环境监测有限公司，广东广州 510520；3中山市汉科精细化工有限公司，广东中山 528414）太阳能是现在及未来最清洁、安全和可靠的能源之一。随着世界范围内石油、煤炭等传统能源供应的持续紧张，太阳能的高效利用显得极为重要。我国光照资源充沛，相关应用技术比较成熟，很大程度地满足了现在以及未来的能源需求。当前，我国太阳能产品的年产量约占全球45%左右，是世界上最大的太阳能产品生产国及出口国，产品主要包括高纯多晶硅、太阳能电池、太阳能电池组件等。目前，太阳能的利用主要有太阳能光热转换和光伏转换两种方式，而光热转换组件和光伏发电组件都需要用光伏玻璃封装。光伏玻璃的作用主要是封装保护和固定支撑(盖板光伏玻璃，如超白压延玻璃)、传递和控制光线(透明光伏玻璃，如ITO 镀膜玻璃)和传输光伏转换电流(聚光组件光伏玻璃，如抛物面反光玻璃)等。太阳能装置在长时间工作过程中，会一直受到阳光曝晒、风雪侵袭、有害气体腐蚀、灰尘冲击等不利因素的副作用，而且太阳能装置经常在湿工况下进行工作，如热空气流经转换组件时，会导致大量水分在组件表面冷凝。由于太阳能转换组件之间排列距离很小，冷凝的水珠很难排除，凝结水越积越多从而形成较厚的水膜，不仅导致光伏玻璃的透光率和光通量较快地降低，而且会缩短其使用寿命。因此，需要对光伏玻璃进行表面处理。目前，最有发展前景和性价比最高的方法是在光伏玻璃表面涂覆一层高透光率的亲水涂膜，其不仅可以保护光伏玻璃免受各种外源因素的侵害，而且能够尽快疏导凝结水，使其不滞留在组件片间。鉴于此，本文将溶胶凝胶法与自由基聚合相结合，首先以正硅酸乙酯(TEOS)为无机水解前驱体，乙烯基三乙氧基硅烷(ETES)和邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)为交联剂，制备出乙烯基改性纳米SiO2 溶胶；然后将其与丙烯酸(AA)混合发生自由基共聚反应。考察了TEOS/ETES 摩尔比、水量、pH、AA 用量以及DAP 用量对涂膜的透光率、亲水性以及耐水性的影响，从而制备出具有轻微交联度的太阳能光伏玻璃用纳米SiO2 改性丙烯酸高透明亲水杂化涂料。1 实验1 1 主要化学试剂与材料TEOS，分析纯，广东东华化工厂有限公司；ETES，分析纯，山东曲阜晨光化工有限公司；AA、乙酸丁酯、浓盐酸及无水乙醇(EtOH)，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)，化学纯，纯度990%，国药集团化学试剂有限公司；偶氮二异丁腈(AIBN)，分析纯，天津市大茂试剂有限公司，经无水乙醇重结晶提纯后使用。光伏玻璃(超白压延玻璃)，厚度为(32 015) mm，河北保定东发天英新能源有限公司。1 2 一步溶胶凝胶法制备乙烯基改性SiO2 溶胶称取一定量 TEOS、ETES、去离子水与EtOH 混合均匀，用05 mol/L 稀盐酸调节体系pH，于50 C 下水浴恒温冷凝回流，搅拌至完全均质透明，并且溶胶体系透光率没有明显变化，从而制备出均质透明的乙烯基改性SiO2 溶胶。其基本工艺参数为：n(EtOH)∶n(Si)= 6∶1，n(TEOS)∶n(ETES)= 1∶1，n(H2O)∶n(Si)= 3∶1，pH = 32。其中，n(TEOS)+ n(ETES)记为n(Si)。由于 ETES 带有─CH═CH2 基团，因此ETES 自身缩合的产物的亲水性较差，会在纳米SiO2 的杂化网络结构中析出而形成微小晶体独立相(形成过程如图1 所示，图中R 为Et 或H)，从而较大地影响涂膜的透光率。该微晶相化学结构比较复杂， 单位晶胞为CH2═CH─Si─O3/2。ETES 和TEOS及其水解产物彼此之间会发生缩合反应，并且─CH═CH2 不能继续参与缩合反应，因此，纳米SiO2 中有ETES 或其水解产物参与反应的Si─O链至少一端存在─CH═CH2。ETES 和TEOS及其水解产物彼此之间的缩合反应如下：其中，R1 和R2 分别为Et 或H，X 为R1 和R2。由于─OC2H5 和─CH═CH2 吸电子能力的差别，R1 主要为H，R2 主要为Et，X 主要为R2。1 3 自由基共聚反应制备杂化涂料于 N2 保护下将SiO2 溶胶升温至(75 1) C，同时将一定量AA、AIBN 以及交联剂DAP 充分溶于乙酸丁酯与EtOH(质量比为1∶4)的混合溶剂中，形成单体预聚液。然后将预聚液按照一定比例缓慢滴入SiO2 溶胶中，控制滴加时间为1 h 左右，然后恒温反应5 h，即制得具有轻微交联度的纳米SiO2 改性丙烯酸高透明亲水杂化涂料。上述反应中，各物质用量为：预聚液中w(AA)为20%，AIBN 和DAP 的用量分别占AA 总质量的03%及005%，有机组分与无机组分比例m(AA)∶m(Si)为4∶1，m(TEOS)+ m(ETES)记为m(Si)。Si─O 链端部的─CH═CH2 可参与有机单体AA 的自由基聚合反应[8]，使得无机组分Si─O 三维立体网络结构与有机组分聚丙烯酸高分子链紧密相连，从而生成纳米SiO2 改性聚丙烯酸杂化材料。上述自由基聚合反应表示如下：1 4 分析与表征(1) 表面接触角测试：按照 GB/T 17271992《漆膜一般制备法》在约1 mm 厚的高透明度玻璃板上用刮涂法制备10 m 厚的涂膜，并于80 C 下将涂膜完全烘干，然后采用OCA-40 型接触角测定仪(德国DataPhysics 公司)测试涂膜与水的接触角。 越小，涂膜的亲水性越好。(2) 透光率测试：以手动校准方式将玻璃板的透光率校准为100%，采用DR-81 型透光率测试仪(广州市东儒电子科技有限公司)测试有涂膜的玻璃板的透光率，其读数即为涂膜透光率。涂膜的透光率越高，则其对太阳能光伏玻璃的透光率影响越小，即涂膜对太阳能光伏组件能量转换效率的影响越小。(3) 耐水性测试按照 GB/T 17331993《漆膜耐水性测定法》(常温浸水法)进行。首先，用AL204-IC 型电子分析天平(瑞士Mettler Toledo 公司)称量已完全烘干的涂膜玻璃(mo)，再将其2/3 放入25 C 的去离子水中浸泡48 h，然后将其取出完全烘干并称重(mt)，以涂膜水溶率w 衡量涂膜的耐水性(涂膜的耐水性越差，长时间浸泡后被水溶解而流出涂膜的物质越多，则涂膜水溶率w 越大)：式中 mo 为测试前涂膜玻璃板的质量(g)，mt 为测试后涂膜玻璃板的质量(g)。(4) 红外(FT-IR)分析：用洁净的毛细管点取微量的杂化涂料涂覆于KBr 晶片上，再在紫外光灯下干燥至恒重，然后采用370 型傅里叶红外光谱仪(美国Nicolet 公司)进行测试。测试范围为 4 000 ~ 400 cm1，定位精度为4 cm1。2 结果与讨论2 1 乙烯基改性SiO2 溶胶的工艺研究2 1 1 TEOS 和ETES 摩尔比对涂膜性能的影响固定其他工艺条件，改变 TEOS 和ETES 的摩尔比，涂料成膜后相关性能如表1 所示。