涂層及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種涂層，所述涂層具有特定的吸收來(lái)自太陽(yáng)光波長(zhǎng)光譜的電磁輻射的性質(zhì)，且本發(fā)明還涉及所述涂層的制備方法和其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]特別地，當(dāng)利用太陽(yáng)輻射來(lái)產(chǎn)生能量或熱時(shí)可以使用所述涂層。在這方面可以按波長(zhǎng)選擇性和有針對(duì)性的方式使用所述波長(zhǎng)光譜。在這方面，特別是到表面的由太陽(yáng)發(fā)出的輻射光譜的電磁輻射的吸收起著重要的作用。
[0003]因此通常在用于槽式拋物面集熱器(parabolic trough collector)的吸收管的制備中提供吸收涂層。在這方面實(shí)際吸收層是由金屬陶瓷形成的。此外，進(jìn)一步的還需要阻擋層和反射層及通常還需要這種吸收涂層。所有這些層在這方面都是利用已知的真空鍍膜工藝形成的，這導(dǎo)致相應(yīng)的高生產(chǎn)勞動(dòng)和成本。此外，還需要以這種方式對(duì)待涂覆的基底進(jìn)行復(fù)雜和/或昂貴的表面處理。使用的層的數(shù)目越多，輻射損失的比例越高，以致有用的輻射能量的比例因此減少。
[0004]這些吸收涂層的吸收和發(fā)射性質(zhì)是由所使用的材料和層厚度所決定的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此本發(fā)明的目的是提供可以形成簡(jiǎn)單和低廉涂層的可能性，所述涂層的吸收和/或發(fā)射性質(zhì)可以預(yù)先設(shè)定，特別是關(guān)于具體選定的波長(zhǎng)或電磁輻射的波長(zhǎng)范圍。
[0006]這一目的是依照本發(fā)明的具有權(quán)利要求1的特征的涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所述涂層是使用依照權(quán)利要求9的方法制備的。權(quán)利要求11提供了應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的有利的實(shí)施例和進(jìn)一步的發(fā)展可以通過(guò)從屬權(quán)利要求限定的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的涂層是通過(guò)在基底的表面上形成的層而形成的。所述涂層還可以在所述基底的表面上形成的反射層上形成。
[0009]所述層中包含碳納米管。在這方面，所述層的每單位表面或體積中包含的碳納米管的比例和/或?qū)雍穸冗x擇為，使得來(lái)自太陽(yáng)光的波長(zhǎng)光譜的電磁輻射以可預(yù)先設(shè)定的比例被吸收。來(lái)自溫度超過(guò)50 °C，優(yōu)選超過(guò)200 °C，特別優(yōu)選超過(guò)350 °C的黑輻射體的波長(zhǎng)光譜的電磁輻射的比例應(yīng)該相當(dāng)少。該比例應(yīng)小于25%，優(yōu)選小于15%。
[0010]在這方面，所述層吸收的比例應(yīng)該顯著大于這些輻射的發(fā)出比例。
[0011]在這方面，所述輻射可以是熱輻射，具有上述太陽(yáng)的波長(zhǎng)光譜的波長(zhǎng)。在這方面，所述層吸收的比例應(yīng)該顯著地大于這些輻射的發(fā)出比例。
[0012]所述層吸收由太陽(yáng)發(fā)出的到所述層上的大部分輻射，并且特別有利的是，來(lái)自由黑輻射體發(fā)出的輻射的波長(zhǎng)光譜的輻射發(fā)射比例比較小，由此可以減少由輻射導(dǎo)致的熱損失。
[0013]在這方面，顯著較大的比例應(yīng)理解為至少75%，優(yōu)選至少90%的比例。這應(yīng)該適用于由太陽(yáng)發(fā)出的輻射的整個(gè)光譜范圍。選定的波長(zhǎng)范圍應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地幾乎完全被吸收。
[0014]所述層由碳納米管形成，且所述層的吸收性質(zhì)、發(fā)射性質(zhì)和/或透射性質(zhì)，特別是輻射的吸收比例，受到基底表面上的每單位表面或單位體積的碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(massport1n)的影響。
[0015]形成所述層的碳納米管應(yīng)該不規(guī)則排列在基底的表面上的反射層中。在這方面它們應(yīng)該大致平行地排列在一平面上，該平面與基底的表面或形成在所述基底的表面上的反射層的表面平行排列。
[0016]由于由碳納米管形成的層特別是沒(méi)有機(jī)械抵抗性，因此可以通過(guò)接觸而移除，在由碳納米管形成的層上覆蓋保護(hù)層是有利的。所述保護(hù)層優(yōu)選由氧化物形成。氧化物可以從Sn02，Ti02, Si02, ZnO, ln203和A1 203中選擇使用。所述保護(hù)層應(yīng)該具有從20nm到lOOOnm范圍的層厚度。所述保護(hù)層應(yīng)該對(duì)由黑輻射體發(fā)出的輻射具有高透過(guò)性和高反射率。它可以例如由Si02、1102或A1 203形成，由此可以在紅外光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高透過(guò)率。Sn02、Sn02:F或其他導(dǎo)電且光透明性的氧化物(TCOs)在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)是可反射的。
[0017]除了機(jī)械保護(hù)作用外，保護(hù)層可以實(shí)現(xiàn)抗熱影響和在這方面特別是抗氧化的保護(hù)作用。
[0018]基底的表面上應(yīng)該涂覆能減少電磁輻射發(fā)射的材料，或者應(yīng)該由這樣的材料形成，使得可以減少由于照射性輻射導(dǎo)致的從所述基底向環(huán)境方向的熱損失。這種材料可以選自鋼、鋁、銅、銀、金、鎳、鉬和鈀。由此可以實(shí)現(xiàn):至少可以顯著降低由于發(fā)射性輻射導(dǎo)致的能量損失。由此特別是可以減少甚至避免從黑輻射體發(fā)出的輻射的波長(zhǎng)范圍發(fā)出電磁輻射，所述電磁輻射的發(fā)出是從熱的基底開始的。
[0019]然而，本發(fā)明中也可以使用用于保護(hù)層的材料，該材料能反射來(lái)自紅外光的波長(zhǎng)范圍的電磁輻射且對(duì)低波長(zhǎng)具有光透過(guò)性。在這方面，所述材料應(yīng)該尤其反射至少50%來(lái)自黑輻射體的波長(zhǎng)光譜的電磁輻射。例如導(dǎo)電性氧化物(TCOs)可用作所述材料。
[0020]碳納米管應(yīng)該以至少0.05g/m2且最多5g/m2，優(yōu)選至少0.25g/m2且最多2.5g/m2比例包含在所述層中。在這方面，當(dāng)所含碳納米管的比例增加時(shí)，預(yù)先設(shè)定的波長(zhǎng)向更高波長(zhǎng)的方向移動(dòng)。
[0021]所述包含碳納米管的層可具有從10nm到2000nm、優(yōu)選從100nm到lOOOnm范圍的層厚度。
[0022]可以使用各種不同的碳納米管，例如單壁碳納米管(SWCNT))或多壁碳納米管(MffCNT) ο根據(jù)本發(fā)明也可以使用不同尺寸的碳納米管。除了壁的數(shù)量，碳納米管的結(jié)構(gòu)(卷起因數(shù))(roll-up factor)、相應(yīng)的直徑、長(zhǎng)度，其純度(純化，未純化)以及可能含有的污染物(不同的金屬、催化劑、有其他修飾的碳)也對(duì)光學(xué)性質(zhì)有影響。
[0023]本發(fā)明涂層的制備可遵循以下過(guò)程:將一種水性分散體施加到基底的表面或施加到形成于所述基底表面上的反射層的表面，所述水性分散體中均勻分散有碳納米管和至少一種表面活性劑，且所述反射層是由能反射至少60 %的波長(zhǎng)大于預(yù)先設(shè)定波長(zhǎng)的電磁輻射的材料形成的。水隨后通過(guò)干燥除去，所述表面活性劑隨后通過(guò)溶劑除去。在分散體中觀察到的碳納米管的比例可影響以這種方式形成的層的吸收性質(zhì)和/或透射性質(zhì)。
[0024]分散體的施用可利用不同的工藝實(shí)施，因此噴霧方法、浸漬方法或印刷方法是尤其合適的。
[0025]前文描述的保護(hù)層可優(yōu)選使用CVD方法在大氣壓力條件下形成或以濕法化學(xué)方法形成。在這方面，形成這種保護(hù)層的可能性將會(huì)在以下實(shí)施方案中描述。
[0026]本發(fā)明的涂層可以用于太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用中的吸收器。這特別是涉及可特別優(yōu)選用于槽式拋物面集熱器的吸收管的制備。
[0027]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的顯著特征在于，由于至少在很大程度上省去了真空涂覆技術(shù)，生產(chǎn)能力簡(jiǎn)單且低廉。至少實(shí)際吸收層不必用如此復(fù)雜的方法來(lái)形成。
[0028]由于需要的碳納米管比例小，材料成本也相對(duì)較低。
[0029]本發(fā)明將在以下參考實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)地解釋。
【附圖說(shuō)明】
[0030]所示附圖如下:
[0031]圖1是單位表面具有不同比例碳納米管的層在不同波長(zhǎng)下的反射行為圖；
[0032]圖2是單位表面具有不同比例碳納米管的層在不同波長(zhǎng)下的反射行為圖；和
[0033]圖3是在不同基底材料(銅+不銹鋼)上形成的包含單壁碳納米管的層的反射行為。
【具體實(shí)施方式】
[0034]圖1和圖2顯示單位表面具有不同比例碳納米管的層在不同波長(zhǎng)下的反射行為圖。在這方面，經(jīng)證實(shí)，當(dāng)碳納米管的比例增加時(shí)，所含碳納米管的比例對(duì)反射行為具有增強(qiáng)的影響，此時(shí)，預(yù)先設(shè)定的波長(zhǎng)朝著更長(zhǎng)波長(zhǎng)的方向移動(dòng)。
[0035]由多壁碳納米管(MffCNT)形成的層沉積在不銹鋼基底上(SSL 4301IIId)。
[0036]圖3顯示了沉積在不同基底材料(銅+不銹鋼)上的包含單壁碳納米管(SWCNT))的層的反射行為。在這方面，碳納米管(CNT)層決定性地確定了良好的吸收行為。在大約2 μπι處可清楚的看到選擇性邊緣。在更長(zhǎng)波長(zhǎng)處碳納米管層是透明的，這可以通過(guò)不同反射基底顯示出。因此，整個(gè)層系統(tǒng)的發(fā)射是由使用的基底表面決定的。太陽(yáng)能的吸收是通過(guò)涂覆的碳納米管層決定性地產(chǎn)生的。
[0037]實(shí)施例之前，先一般性地解釋如何制備分散體和實(shí)施進(jìn)一步的隨后步驟。這一解釋至少類似地也適用于待描述的具體實(shí)施例。
[0038]在分散體的制備中，向包含液體，優(yōu)選是水的容器中加入碳納米管和合適的表面活性劑。由于碳納米管(CNT)非常傾向于團(tuán)聚，因此通過(guò)超聲處理打破團(tuán)聚或凝聚。通過(guò)表面活性劑，碳納米管可以在液體(水)中穩(wěn)定，可以防止其再次團(tuán)聚。
[0039]在分散體中仍可能含有的團(tuán)聚可通過(guò)離心除去從而獲得均勻分散體。
[0040]以這種方式獲得的分散體具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，可以例如利用噴霧來(lái)施用。在涂覆分散體之后進(jìn)行干燥，干燥可通過(guò)加熱而加速。干燥后，碳納米管和相應(yīng)的表面活性劑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層保留在表面上。由于表面活性劑影響光學(xué)性質(zhì)，因此應(yīng)當(dāng)除去表面活性劑。為此目的，可以使用適于各自的表面活性劑的溶劑(如乙醇)，用所述溶劑通過(guò)洗脫可以除去表面活性劑。洗脫步驟后碳納米管單獨(dú)保留在表面上。所述碳納米管利用微弱的機(jī)械穩(wěn)定性進(jìn)行粘附，可通過(guò)碰觸或其他接觸而輕松除去。此外，不能很好地保護(hù)它們免受熱影響或其他外部影響。
[0041]由于這些原因，碳納米管形成的層可以通過(guò)熱穩(wěn)定且光學(xué)透明的保護(hù)層來(lái)固定和保護(hù)。由此也可以獲得氧化保護(hù)。所述保護(hù)層應(yīng)當(dāng)至少在下述波長(zhǎng)范圍內(nèi)是光學(xué)透明的:在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)，電磁輻射預(yù)先設(shè)定的波長(zhǎng))應(yīng)該以較高水平被吸收，并且還應(yīng)該不反射這種輻射。它可以作為一種抗反射涂層而形成。
[0042]實(shí)施例la:
[0043]通過(guò)噴槍噴嘴在4巴工作壓力下在拋光的不銹鋼1.4301 (Hid)的基底表面上噴涂分