二氧化硅透明疏水涂层及其自清洁性能_周婧.pdf
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1、第4 1卷 第3期V o l.4 1 N o.3材 料 科 学 与 工 程 学 报J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g总第2 0 3期J u n.2 0 2 3文章编号:1 6 7 3-2 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 4 4 5-0 6二氧化硅透明疏水涂层及其自清洁性能周 婧,孙凯雯,陈 鑫,王镇波(浙江警察学院交通管理工程系,浙江省毒品防控技术研究重点实验室,浙江 杭州3 1 0 0 5 3)【摘 要】针对太阳能光伏组件盖板玻璃等户外玻璃在使用中容易被灰尘污染,造成产品性能下降或
2、损伤的问题,利用溶胶-凝胶法在玻璃表面制备了二氧化硅透明疏水自清洁涂层,研究其透过率、反射率、疏水性及除尘性能。研究结果表明,涂层具有优良的透光性和减反射效果,在可见光范围内透过率接近9 0%,涂层玻璃的反射率低于空白玻璃。通过水滴冲洗、机械振动、干燥空气流三种方法可将涂层玻璃表面的灰尘清除干净,三种方法分别模拟自然环境中的雨水、振动和风吹条件。与空白玻璃相比,涂层玻璃表面的灰尘更容易被清除干净,且残留灰尘少。这主要得益于涂层表面优良的疏水性能和粗糙结构。这种自清洁涂层适用于大面积玻璃,且操作简单、成本低,可有效减少户外玻璃的清洗次数和成本,具有环保效益、经济意义和应用前景。【关键词】二氧化硅
3、;疏水涂层;透光率;自清洁中图分类号:T B 3 4 文献标志码:AD O I:1 0.1 4 1 3 6/j.c n k i.i s s n 1 6 7 3-2 8 1 2.2 0 2 3.0 3.0 1 7收稿日期:2 0 2 1-0 7-1 3;修订日期:2 0 2 1-1 1-0 3基金项目:浙江警察学院科研资助项目(2 0 2 0 X J Y 0 2 2)作者简介:周 婧(1 9 8 5),副教授,博士,研究方向:纳米材料及其在公安技术中的应用。E-m a i l:z h o u j i n g z j j c x y.c n。T r a n s p a r e n tH y d r
4、 o p h o b i cS i l i c aC o a t i n g sw i t hS e l f-c l e a n i n gP e r f o r m a n c eZ H O UJ i n g,S U NK a i w e n,C H E NX i n,WA N GZ h e n b o(D e p a r t m e n t o fT r a f f i cM a n a g e m e n tE n g i n e e r i n g,Z h e j i a n gP o l i c eC o l l e g e,K e yL a b o r a t o r yo fD
5、r u gP r e v e n t i o na n dC o n t r o lT e c h n o l o g yo fZ h e j i a n gP r o v i n c e,H a n g z h o u3 1 0 0 5 3,C h i n a)【A b s t r a c t】O u t d o o rg l a s s e ss u c ha sg l a s sp a n e l s i ns o l a rc e l l sa r ee a s i l yc o n t a m i n a t e db yd u s t,r e s u l t i n gi nt h
6、 ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no f t h ep r o d u c t so rd e v i c ed a m a g e.T r a n s p a r e n th y d r o p h o b i cs e l f-c l e a n i n gs i l i c ac o a t i n g so ng l a s s e sa r ep r e p a r e db ys o l-g e lm e t h o d.T r a n s m i t t a n c e,r e f l e c t a n c e,h y d
7、 r o p h o b i c i t y,a n dd u s td e t a c h m e n tp e r f o r m a n c eo ft h ec o a t i n g sa r es t u d i e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a t i n g sh a v ee x c e l l e n tl i g h tt r a n s m i t t a n c ea n da n t i r e f l e c t i o ne f f e c t.T h et r a n s m i t t a n c
8、ei sc l o s et o9 0%i nt h ev i s i b l el i g h tr a n g e,a n dt h er e f l e c t a n c eo f t h ec o a t e dg l a s s i s l o w e rt h a nt h a to f t h eb a r eg l a s s.D u s to nt h es u r f a c eo fc o a t e dg l a s sc a nb er e m o v e db yw a t e rd r o pw a s h i n g,m e c h a n i c a lv
9、i b r a t i o n,a n dd r ya i rs t r e a m.T h e s et h r e em e t h o d ss i m u l a t et h er a i n,v i b r a t i o n,a n dw i n d i nt h en a t u r a l e n v i r o n m e n t,r e s p e c t i v e l y.C o m p a r e dw i t hb a r eg l a s s,t h ed u s to nt h es u r f a c eo f c o a t e dg l a s si s
10、e a s i e rt ob er e m o v e d,a n dt h e r ei sl e s sr e s i d u a ld u s t,w h i c hi sm a i n l yd u et ot h ee x c e l l e n th y d r o p h o b i cp e r f o r m a n c ea n dr o u g hs t r u c t u r eo ft h ec o a t i n g.S e l f-c l e a n i n gc o a t i n g sa r es u i t a b l ef o rl a r g e-a
11、 r e ag l a s s,a n dh a v e t h ea d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o na n dl o wc o s t.I tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h et i m e sa n dc o s t o f c l e a n i n go f o u t d o o r g l a s s e s,p r o v i d i n ge n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb e n e f i t s,e
12、c o n o m i c s i g n i f i c a n c e,a n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s.【K e yw o r d s】S i l i c a;H y d r o p h o b i cc o a t i n g;T r a n s m i t t a n c e;S e l f-c l e a n i n g1 引 言 玻璃因其透明度和防护性被广泛应用于太阳能光伏、建筑、汽车等领域。在太阳能光伏组件中,玻璃盖板可有效保护组件抵御沙尘暴、狂风、暴雨、潮湿等恶劣的自然环境。环境中的灰尘会对光伏组件产生负面影响1-3,因此
13、玻璃的清洁问题至关重要。一方面,灰尘颗粒沉积在太阳能组件的表面会降低太阳能电池的透射率,长期积累还会形成非透明覆盖层,降低实际受光面积和总体输出量。灰尘覆盖部位还会产生阴影,造成局部温度过高,形成热斑,严重时会破坏整个光伏组件4。另一方面,灰尘吸附空气中的污染物,与雨水混合后形成酸碱性物质会腐蚀玻璃盖板5。目前,光伏组件的防污除尘技术主要有自防护技术和后防护技术两种。自防护技术是指在光伏组件玻璃表面涂覆具有自清洁功能的涂层,利用降雨等方式自行将污染物清除,具有成本低廉、操作简便、适用范围广等优势。后防护技术包括人工清洗和清扫机器人等机械装置清洗等6。虽然清洁装置智能化程度逐步提高,但与自清洁涂
14、层相比,存在运维成本高和制约因素多等劣势7。在自防护涂层方面,二氧化硅等超疏水材料在疏水性、自清洁性等方面表现优异,获得广泛关注8-1 2。这类疏水涂层的自清洁功能主要是通过构筑微纳结构和降低表面能等方式,降低涂层对灰尘的附着力,同时水滴极易在超疏水表面上滚动,从而带走灰尘和污垢1 3-1 4。与蒸发、溅射等镀膜法相比,溶胶-凝胶法制备超疏水图层具有制作成本低、工艺控制简单、便于大规模应用等优点1 4-1 5。本研究利用溶胶-凝胶法在玻璃表面制备二氧化硅疏水防护涂层,考察硅溶胶老化天数、溶胶浓度等条件对涂层透过率、反射率、疏水性和除尘性能的影响。低成本的透明疏水自清洁防污涂层可以减少灰尘的黏附
15、和户外玻璃的清洁次数,在太阳能电池、太阳能集热器、建筑外墙窗户、显示设备等众多领域具有广阔的应用前景。2 实验材料与方法2.1 样品制备 将2.1m L的硅酸乙酯加入到3 0m L无水乙醇中,剧烈搅拌1 0m i n。将2.0m L六甲基二硅氮烷缓慢滴入其中,搅拌3 0m i n。再将3.0m L去离子水滴入上述混合物中,搅拌2h,形成透明硅溶胶。将制备的硅溶胶分别老化3、6、1 0及1 7d后,将0.2g二氧化硅纳米颗粒(粒径3 0n m)加入1 0m L硅溶胶中,搅拌至均匀。在1m L无水乙醇中分别滴入x滴(x=5、1 0、2 0、3 0)上述溶胶,形成不同浓度的分散液,超声波振动5m i
16、 n,形成均匀的溶胶,然后将其滴至载玻片上形成均匀的透明涂层。2.2 表征与测试 使用A g i l e n tC a r y5 0 0 0型紫外-可见分光光度计(UV-V i s)测试样品的透过率和反射率。使用H i t a c h iQ u a n t a 2 0 0型扫描电子显微镜(S EM)观察涂层的微观形态。样品的接触角由D a t a p h y s i c sO C A 2 0型接触角测试仪测量。使用P AN a l y t i c a lEm p y r e a nX射线衍射仪(X R D)表征样品的晶体结构。除尘性能实验分别通过水滴冲洗、机械振动、干燥空气流三种方法来清除附着
17、在玻璃表面的灰尘,模拟自然环境中雨水、振动、风吹的过程,以此考察涂层的防污除尘性能。每个样品分为两个区域,一部分为空白玻璃,另一部分为有涂层的玻璃。灰尘自由沉积至玻璃片表面后,水滴冲洗法是将玻璃片倾斜2 0 放置,使用滴管将水逐滴加至玻璃表面,利用水滴冲洗去除附着在玻璃表面的灰尘颗粒,模拟自然环境中雨水冲洗的过程。机械振动法用手拍打玻璃片背面,以模仿自然环境中的振动。干燥空气流法是将鼓风机置于离样品1 5c m位置处,样品倾斜4 0 放置,用干燥空气 流模拟自然 环境中的风。3 结果与讨论3.1 样品表征与形貌观察 用于太阳能电池组件等领域的涂层要求有高透光性和低反射率。硅溶胶老化3、6、1
18、0、1 7d制得的不同浓度涂层的透过率和反射率分别如图1和图2所示。在3 0 08 0 0n m波长范围内,空白玻璃的透过率约为9 0%,涂层玻璃的透过率接近或略低于空白玻璃。老化时间从3d延长至1 0d时,涂层玻璃的透过率逐渐提高。老化时间进一步延长至1 7d,在低浓度范围(x=5、1 0)内透过率继续提高,接近甚至超过空白玻璃,而在高浓度范围(x=2 0、3 0),透过率出现下降。此外,低浓度样品(x=5、1 0)的透过率均稍好于高浓度样品(x=2 0、3 0)。硅溶胶老化不同天数后不同浓度涂层玻璃的照片如图1(e)所示,进一步说明涂层优良的透明性。由图2可知,涂层玻璃的反射率低于空白玻璃
19、,说明涂层玻璃具有一定的减反射效果,且呈现低浓度样品(x=5、1 0)的反射率低于高浓度样品(x=2 0、3 0)的特点。这主要是因为加入适量的二氧化硅纳米颗粒可以起到增加光的反射次数的作用,从而获得644材料科学与工程学报2 0 2 3年6月 图1 硅溶胶老化(a)3d、(b)6d、(c)1 0d及(d)1 7d制得的不同浓度涂层的透过率,(e)硅溶胶老化不同天数后不同浓度涂层玻璃的照片F i g.1 T r a n s m i t t a n c eo f c o a t i n g sp r e p a r e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t
20、 r a t i o n sa f t e ra g i n gf o r(a)3d a y s,(b)6d a y s,(c)1 0d a y sa n d(d)1 7d a y s,a n d(e)p h o t oo f c o a t e dg l a s s e sw i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n sa f t e ra g i n gf o rd i f f e r e n td a y s图2 硅溶胶老化(a)3d、(b)6d、(c)1 0d和(d)1 7d制得的不同浓度涂层的反射率F i g.2 R e f l
21、 e c t a n c eo f c o a t i n g sp r e p a r e dw i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n sa f t e ra g i n gf o r(a)3d a y s,(b)6d a y s,(c)1 0d a y sa n d(d)1 7d a y s744第4 1卷第3期周 婧,等.二氧化硅透明疏水涂层及其自清洁性能低反射特性。透过率和反射率实验结果表明,涂层玻璃具有良好的透光性和减反射性能。涂层玻璃的接触角测试结果如图3所示。空白玻璃的接触角为4 3,而涂层玻璃的接触角均大于1 2 0,
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