一种甲基硅烷改性超疏水增透涂层材料及制备方法和应用

本发明涉及自清洁材料，具体的说涉及一种甲基硅烷改性超疏水增透涂层材料及制备方法和应用。

背景技术：

1、目前光伏发电已成为重要的绿色能源，在实际应用中，由于光伏板上的污垢、沙尘等沉积，会导致光伏板的发电效率降低。根据相关调查报告，这种发电量的损失达25-30％，在某些自然环境更恶劣的地区，光伏板在室外运行6个月后，发电效率分别下降40％和17-65％。制备性能优异的超疏水自清洁增透涂层已成为光伏板降本增效的核心任务之一。

2、超疏水材料，是指水接触角大于150°，滚动角小于10°的一种特殊材料。涂层的疏水性基于表面微纳结构的设计，在基材表面引入低表面能微纳米级结构，实现了表面的超疏水效果。这些微纳结构使得水珠在表面上无法附着，迅速形成球状并发生滚动，将表面上的尘埃等污染物清洗带走。这种超疏水性不仅提高了涂层的自洁效果，还减小了水珠在表面停留的可能性，进一步减少了表面吸附的颗粒。增透性方面的技术特点主要体现在优化光学性能上。采用高透明度的材料，并通过设计特殊的光学结构，使得涂层对可见光的透过率最大化，这在确保了透明度的同时，不影响涂层的其他功能。

3、hung等2014年在journal ofsol-gel science and technology报道，配制出硅溶胶，使用甲氧基三甲基硅烷作为改性剂，存放一定时间后获得表面改性的二氧化硅颗粒溶液，使用喷涂法并干燥，获得增透超疏水涂层，水接触角为152.8°，透光率最高为93％。shing-dar等2013在journal ofcoatings technology and research报道，通过聚烯丙基胺盐酸盐/聚丙烯酸(pah/paa)聚电解质的lbl沉积工艺制备出增透层，再以溶胶作为涂层材料使用旋涂工艺在增透涂层的基础上构筑超疏水涂层，该涂层的透光率达到97％，接触角达到163°。上述两篇文献报道采用溶液的配制方法，存在制作周期长、工序复杂、不同批次统一性较低等问题。左志平等公开了一种透明超疏水薄膜及其制备方法及应用(专利申请公布号：cn109338304a)，该透明超疏水薄膜包括氧化锌薄膜及负载在氧化锌薄膜表面的十六烷基三甲氧基硅烷薄膜，在玻璃基底上的最高透光率为50-90％，水接触角达到165°，水滚动角在2°以下，他们先使用磁控溅射系统进行锌薄膜制备，然后进行锌薄膜退火处理，最终得到氧化锌薄膜。chuan等2019年在colloids and surfacesa报道：疏水性二氧化硅纳米粒子和无氟树脂组成的超疏水悬浮液，引入聚合抑制剂，使用喷涂法制备超疏水增透涂层，在500-800nm波段拥有增透性能，透光率略高于裸玻璃。王艳艳等2021年公开了一种pdms单层超疏水柔性薄膜及其制备方法(专利申请公布号：cn113968991a)，由pdms橡胶及其表面粗糙结构组成薄膜，粗糙结构为纳米褶皱或者纳米褶皱与二氧化硅粉末，水接触角达155°，透光率最高达83％。陈智2021年发明了一种透明疏水涂料、透明自清洁薄膜及其制备方法和应用(专利号：cn110144163b)，以树脂为主体，通过交联反应，获得具有疏水性能的透明涂料，水接触角为112°，滚动角低至8.0°，具有增透效果，透光率最高为94％。ping等2022年在applied surface science报道，使用牺牲模板法，将peg-1000作为造孔剂模板，500℃煅烧后peg-1000蒸发形成带有微纳空隙的基层，再引入三甲基乙氧基硅烷改性的二氧化硅纳米颗粒和长链二氧化硅纳米颗粒，使玻璃的透光率提升5％，水接触角达到153°，得到结构稳定、性能优异的自清洁增透涂层。

4、目前公开的现有技术中，使用得较多的是浸涂法、喷涂法、磁控溅射法或是需要高温加热的牺牲模板法。就制备工艺的角度而言：浸涂法作为较为简单的制备途径，需要将整片玻璃浸入到溶液中，对安装好的玻璃而言，浸涂法在这些玻璃片上制备涂层极大增加人力成本和施工步骤，甚至难以实施。喷涂法作为适应性强的制备方法，面临涂层成膜性差、透光率偏低、涂层厚度不易控制、均匀性差等问题，难以大规模应用在光伏板上。牺牲模板法通常需要高温加热玻璃基底得到疏水所需的微纳米级粗糙结构，得到粗糙结构后还需引入低表面能基团对粗糙结构进行表面改性，这个过程步骤繁琐、耗时长，不适用于户外大面积的涂层制备。磁控溅射制备疏水涂层，透光率高、稳定性优异，但是涂层制备速度慢、设备购置和维护成本高，操作磁控溅射设备需要高度技术熟练度，难以大规模使用。刮涂法则是一种简单、经济且易于实施的涂层制备方法，尤其适用于大面积涂层的制备，刮涂法低成本，无需昂贵的设备，操作相对简单方便。刮涂法制备的涂层均匀性好，对于光伏板等大规模商业应用具有极大的潜力。从制备流程的角度而言：本发明生产效率和实用性优势明显，前期的气相二氧化硅改性工作可以在工厂中完成，随后的溶液配制可在施工现场进行，极大简化了制备过程。通过在工厂中完成气相二氧化硅改性的工作，可以更好地控制材料的质量和性能，从而确保涂层具有一致的优异性能。在施工现场，操作人员只需进行简单的溶液配制工作即可完成自清洁增透涂料的制备。这一步骤的简易性使得制备工作更加灵活，适用于各种不同的施工环境，同时，将溶液配制工作移至施工现场，可减少运输和储存成本，提高整个制备过程的灵活性和操作简便性。

5、因此，如何提供一种制备简单、成本低廉、大面积应用、无毒、高透明度、稳定并具有超疏水性的自清洁涂层是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种一种应用于光伏板上的自清洁增透涂层材料及其制备方法，该自清洁增透涂层能够有效减少灰层、污垢附着，同时能够在下雨天对封装玻璃表面的灰尘杂质等进行自我清洁，使光伏板表面长期保持整洁。该自清洁增透涂层能有效提高光的透射率，进而提高光伏板的发电效率。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种甲基硅烷改性超疏水增透涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)一次改性溶液的配制：取二甲基二甲氧基硅烷溶入无水乙醇溶剂中，搅拌均匀后加入气相二氧化硅，再次搅拌均匀，得到一次改性溶液；

5、(2)一次改性疏水二氧化硅颗粒制备：将一次改性溶液放入干燥箱中干燥至溶剂完全挥发，将剩余白色块状物研磨，得到蓬松的一次改性疏水二氧化硅颗粒；

6、(3)配制二次改性二氧化硅疏水溶液：取二甲基亚砜加入到无水乙醇中，搅拌均匀后加入二甲基二甲氧基硅烷，搅拌均匀，再加入有机硅改性丙烯酸树脂，搅拌均匀，再加入步骤中制备的一次改性疏水二氧化硅颗粒，搅拌均匀，得到甲基硅烷改性超疏水增透涂层材料。

7、在本发明中经过二甲基二甲氧基硅烷改性后的气相二氧化硅具有优异的疏水性，有机硅改性丙烯酸树脂502提供粘附性，通过刮涂工艺就可以制备得具有光学增透性能的超疏水涂层，通过低成本和简便的制备工艺制备一种新自清洁增透涂层。本发明的超疏水自清洁增透涂层能够使表面对水产生极强的疏水性，从而在雨水中自我清洁，同时通过优化光学设计，实现更高的透光率。可解决现有技术中存在的问题，不仅适用于光伏发电领域，还可应用于光学器件、建筑、汽车等。

8、进一步，步骤(1)中所述二甲基二甲氧基硅烷与气相二氧化硅的质量比为8-14:1-7。

9、采用上述进一步技术方案的有益效果在于，通过引入二甲基二甲氧基硅烷，在气相二氧化硅表面枝接上甲基，可以达到优化气相二氧化硅疏水性的目的。

10、更进一步，步骤(1)中所述搅拌速率为200-500r/min，搅拌时间为30min以上。

11、进一步，步骤(2)中所述干燥温度为50-70℃，干燥时间为48-72h；

12、所述研磨为采用磁力搅拌研磨，磁力搅拌转速为200-500r/min，研磨时间为10-20min。

13、采用上述进一步技术方案的有益效果在于：在本发明的方案中研磨使用磁力转子进行边搅拌边研磨，磁力转子转速为转速为200-500r/min，其可以确保制备的一次改性疏水二氧化硅颗粒具有高蓬松度，减少一次改性疏水二氧化硅颗粒团聚，达到提升气相二氧化硅溶解性的目的，从而提升涂层成膜性，进而提升涂层透光率。

14、进一步，步骤(3)中所述二甲基亚砜、二甲基二甲氧基硅烷、有机硅改性丙烯酸树脂和次改性疏水二氧化硅颗粒的质量比为9-39:1-7：0.2-1.4:0.2-1.4。

15、采用上述进一步技术方案的有益效果在于：二甲基亚砜可显著减少一次改性疏水二氧化硅颗粒在溶液中的团聚，通过调整二甲基亚砜的加入量调整二次改性二氧化硅疏水溶液的表面张力，从而调控二次改性二氧化硅疏水涂料的成膜性，使涂层更均匀、平滑、透光率得到提升。

16、进一步，步骤(3)中所述搅拌速率为200-500r/min；二甲基亚砜加入到无水乙醇中时搅拌时间为5-10min；加入二甲基二甲氧基硅烷时搅拌时间为5-10min；加入有机硅改性丙烯酸树脂时搅拌时间为5-10min；加入一次改性疏水二氧化硅颗粒时搅拌时间为1-2h。

17、进一步，步骤(3)中所述有机硅改性丙烯酸树脂为有机硅改性丙烯酸树脂502。

18、本发明还提供了一种甲基硅烷改性超疏水增透涂层材料在光伏板玻璃上制备自清洁增透涂层的应用，其使用方法为：

19、首先将甲基硅烷改性超疏水增透涂层材料滴加到完成清洗的光伏板玻璃表面，滴加的量为，刮刀和玻璃的间隙调整为0.05-0.2mm，刮刀移动速度1cm/s，将玻璃上的液体均匀摊开，完成刮涂后对涂层在50-100℃下干燥固化1-2h，或者常温干燥固化24h形成自清洁涂层。

20、进一步，所述基硅烷改性超疏水增透涂层材料的滴加量为1.5-1.8μl/cm2。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

22、1、本发明通过简单的刮涂工艺在玻璃上涂覆一层涂料，使得玻璃表面具有超疏水的效果，且透光率高达95％，制备涂层后，玻璃的透光率增加4-5％，显著高于未涂覆涂料的玻璃，具有一定的稳定性，在长时间内保持疏水性，不易被外力所破坏。

23、2、此刮涂为间隙刮涂，此方法操作简单，涂层制备效率高，尤其适合大面积平面的表面涂层制备，使用此方法制备的涂层均一性好、可重复性高、成本低廉。

24、3、本发明前期的气相二氧化硅改性工作可以在工厂中完成，随后的溶液配制工作则可在施工现场进行，简化了涂层制备过程，在实际生产中具有更高的灵活性、可行性、经济效益。

25、4、本发明只不需要太多复杂的工艺流程，只需要原料改性制备、溶液配制、刮涂、这几个步骤，所需要的机械设备和工艺流程已经成熟。可以满足不同使用场景的需要，具备有极强的实用性。