一种高效抗氧化硅晶纳米表面处理剂、制备方法及其应用与流程

本发明涉及光伏，更具体地，涉及一种高效抗氧化硅晶纳米表面处理剂、制备方法及其应用。

背景技术：

1、近年来，光伏发电正成为新能源发展热点，光伏面板是太阳能光伏发电系统中的核心部分。为提高光伏玻璃面板的使用寿命，常常采用表面处理剂对光伏玻璃面板进行保护。另外，目前影响光伏发电整体发电效率的重要因素主要是外部环境，包括灰尘、雪、鸟粪等遮盖物影响太阳对光伏面板的辐射，降低光伏发电的效率，因此制备一种有效抗氧化硅晶纳米表面处理剂能够提高光伏玻璃面板的使用寿命的同时提高光伏发电的发电效率具有重要的意义。

2、公开号为cn117210036a的中国专利公开了一种耐候性光伏玻璃面板镀膜液的制备方法，所述基于原料的总质量各组分的质量百分比如下：溶解型硅溶胶10％40％、丙烯酸树脂6％～20％、硅烷偶联剂0.5％～1％、正硅酸乙酯0.5％～2％、甲基三乙氧基硅烷0.5％～2％、无水乙醇1％～3％、异丙醇0.5％～2％、添加剂0.2％～0.8％和去离子水30％～50％，该技术方案所提供的耐候性光伏玻璃面板镀膜液，防止漆面氧化、老化作用，真正的玻璃镀膜不含石油成分，而且施工后会在光伏玻璃表面形成坚硬的无机膜层，与光伏玻璃紧密结合，永不脱落，将光伏玻璃与空气完全隔绝，能有效防止外界因素导致的光伏玻璃氧化、变色等，耐盐雾，坚硬的非有机膜层自身不会氧化的同时也防止外界的酸雨、飞虫、鸟粪等对光伏玻璃的盐雾致密的玻璃晶体膜具有超强抗盐雾性。但是该技术方案中所存在的成膜物质丙烯酸树脂会导致膜层的柔韧性和耐温性差。

3、公开号为cn115873430a的中国专利公开了一种光伏自清洁防尘防反光纳米涂料及其使用方法，所述纳米材料包括有以下组分：无定型二氧化硅5％重量份、脱离子水70％重量份、聚乙醇18％重量份和表面活性剂6％重量份。先对等离子水进行加热，将无定型二氧化硅放入到脱离子水中进行搅拌混合，得到混合后的溶液；再将聚乙醇和表面活性剂混合溶液中并接着进行搅拌混合，完全混合之后进行冷却降温。该光伏自清洁防尘防反光纳米涂料及其使用方法，制成的产品使用擦涂或喷涂的方式在玻璃的表面进行涂抹，本产品适用于光伏玻璃、光伏面板等表面，通过纳米涂层的作用，使其表面拥有自我清洁，防尘，防反光的功能，而且有效保护玻璃表面，提高发电效率。但是该技术方案得到的纳米涂料遇水或空气中的水蒸汽会影响其效果。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高效抗氧化硅晶纳米表面处理剂、制备方法及其应用，提高光伏玻璃面板的使用寿命，解决外部环境影响光伏发电整体发电效率等问题。

2、本发明第一方面提供了一种高效抗氧化硅晶纳米表面处理剂，按质量份计，包括40-60份复合改性硅酸盐、10-20份聚合物溶液、10-20份金属氧化物纳米颗粒分散液、1-5份消泡剂、30-60份水；

3、所述复合改性硅酸盐为改性粒子包覆的硅酸盐；所述硅酸盐包括碱金属硅酸盐、层状结构硅酸盐；

4、所述改性粒子的制备方法包括以下步骤：将粒子于乙醇中超混合搅拌30-60min，然后加入n-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和乙酸铝，在60-70℃下反应30-60min，即得；

5、所述粒子包括石墨烯、碳纳米管、稀土氧化物，质量比为(10-20)∶(2-5)∶(0.05-2)；

6、所述石墨烯为褶皱结构，厚度为1-5nm；

7、所述碳纳米管为直径为8-20nm的多壁碳纳米管和直径为30-60nm的多壁碳纳米管复配，质量比为(5-10)∶(2-5)；

8、所述稀土氧化物为粒径为30-50nm的球形氧化镧和粒径为0.5-2μm的不规则氧化钇，质量比为(2-3)∶1；

9、所述粒子、乙醇、n-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和乙酸铝的质量比为(15-25)∶150∶(0.2-0.6)∶(0.1-0.5)。

10、所述复合改性硅酸盐的制备方法包括以下步骤：将硅酸盐于60-80vol％乙醇水溶液中超声分散，在搅拌下加入改性粒子，在50-70℃下反应6-8h后干燥即得；

11、所述硅酸盐、乙醇水溶液、改性粒子质量比为(5-10)∶100∶(2-5)。

12、优选的，所述石墨烯的厚度为2±1nm。

13、优选的，所述碳纳米管为直径为11.5±3.5nm的多壁碳纳米管和直径为40±10nm的多壁碳纳米管复配，质量比为8∶5。

14、优选的，所述稀土氧化物为粒径为40nm的球形氧化镧和粒径为1μm的不规则氧化钇，质量比为2∶1。

15、优选的，所述硅酸盐、乙醇水溶液、改性粒子的质量比为8∶100∶4。

16、本发明将石墨烯、碳纳米管、稀土氧化物引入表面改性剂中，可以提高光伏玻璃的发电效率和使用寿命。但是本发明人在实验过程中发现，当简单的将石墨烯、碳纳米管、稀土氧化物与硅酸盐混合时，得到的表面改性剂应用于光伏玻璃时，会导致光伏玻璃表面涂层在湿冻条件下易脱落的同时太阳光有效透射比下降。为解决上述问题，本发明人发现，将采用特定制备方法的改性粒子包覆在硅酸盐表面，有效解决了表面改性剂会导致光伏玻璃表面涂层在湿冻条件下易开裂的同时太阳光有效透射比下降问题。本发明人猜测是因为采用特定方法得到的改性粒子为多相包覆结构，当其包覆在硅酸盐表面时，改性粒子与硅酸盐相互结合更加紧密，增加了体系之间的亲和力，有利于改性粒子在体系中的均匀分散，有效阻止改性粒子之间的团聚；与此同时，得到的复合改性硅酸盐的结构稳定性更好，可以避免复合改性硅酸盐结构被破坏，进而避免光伏玻璃表面涂层脱落，提高耐湿冻性。

17、本发明人进一步研究发现，当石墨烯、碳纳米管、稀土氧化物，质量比为(10-20)∶(2-5)∶(0.05-2)，石墨烯为褶皱结构，厚度为1-5nm，碳纳米管为直径为8-20nm的多壁碳纳米管和直径为30-60nm的多壁碳纳米管复配，稀土氧化物为粒径为30-50nm的球形氧化镧和粒径为0.5-2μm的不规则氧化钇时，得到的表面改性剂在用于光伏玻璃时，可以提高光伏玻璃的耐盐雾性和抗氧化性，与此同时表面改性剂具有良好的亲水性。本发明人猜测是因为特定结构和粒径的石墨烯、碳纳米管、稀土氧化物得到的改性粒子能够形成包覆的多相复合多孔结构，当其包覆的碱金属硅酸盐和层状硅酸盐在光伏玻璃表面形成一层致密的保护膜，减少涂层中的微孔和裂隙，减少涂层的渗透性，有效阻止氧气或盐雾介质渗入涂层内部；与此同时，改性粒子包覆的碱金属硅酸盐和层状硅酸盐降低表面改性剂的表面能的同时增加了表面改性剂表面的微观粗糙度，有效提高了涂层的亲水性，但是未能实现超亲水性，自清洁性能有待提高。

18、优选的，所述碱金属硅酸盐和层状结构硅酸盐的质量比为(1-3)∶1。

19、优选的，所述碱金属硅酸盐选自硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂中的至少一种，优选为硅酸钾和硅酸钠。

20、优选的，所述硅酸钾和硅酸钠的质量比为(5-15)∶(2-8)，优选为12∶5。

21、优选的，所述层状结构硅酸盐选自滑石粉、蒙脱土、云母粉、高岭石中的至少一种，优选为滑石粉和云母粉，质量比为(1-2)∶(1-2)。

22、优选的，所述滑石粉d50为5-10μm，优选为6.1±0.1μm。

23、优选的，所述云母粉的径厚比≥50，d50≤20μm。

24、优选的，所述云母粉的径厚比为80，d50为12±2μm。

25、本发明人进一步发现，当碱金属硅酸盐为硅酸钾和硅酸钠，并且控制硅酸钾和硅酸钠的质量比为(5-15)∶(2-8)，层状结构硅酸盐为d50为5-10μm的滑石粉和径厚比≥50，d50≤20μm的云母粉时，可以提高表面改性剂的耐湿热性，避免光伏玻璃的使用寿命受到影响。

26、优选的，所述复合改性硅酸盐和聚合物溶液的质量比为(45-55)∶(10-15)，优选为50∶12。

27、优选的，所述聚合物溶液选自聚乙烯醇水溶液、聚乙二醇水溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液中的至少一种。

28、优选的，所述聚合物溶液为聚乙烯醇水溶液。

29、优选的，所述聚乙烯醇选自聚乙烯醇pva100-78、聚乙烯醇pva100-60、聚乙烯醇pva100-27中的至少一种。

30、优选的，所述聚乙烯醇为聚乙烯醇pva100-60。

31、优选的，所述聚乙烯醇pva100-60的醇解度为91-100mol％，粘度为10-30mpa.s。

32、优选的，所述聚乙烯醇pva100-60的醇解度为95±1mol％，粘度为25±3mpa.s。

33、优选的，所述聚乙烯醇水溶液由质量比为(10-15)∶1000的聚乙烯醇和水组成，优选为12∶1000。

34、本发明人发现，当引入醇解度为91-100mol％，粘度为10-30mpa.s的聚乙烯醇pva100-60水溶液，并且控制复合改性硅酸盐和聚合物溶液的质量比为(45-55)∶(10-15)时，得到的表面改性剂能够解决单独使用复合改性硅酸盐无法实现的表面改性剂的超亲水性，实现自清洁性的同时能够提高表面改性剂在低温下的开裂性能。本发明人猜测可能是因为聚乙烯醇与复合改性硅酸盐发生交联反应，进而形成更加稳定的网络结构，进而实现超亲水性，实现自清洁性同时，这种交联网络结构可以有效防止低温下表面改性剂的裂纹和剥落。

35、优选的，所述金属氧化物纳米颗粒分散液中的金属氧化物纳米颗粒选自二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化铝中的至少一种。

36、优选的，所述金属氧化物纳米颗粒为二氧化钛和氧化锌的组合。

37、优选的，所述二氧化钛和氧化锌的质量比为(15-20)∶(10-15)，优选为18∶12。

38、优选的，所述二氧化钛选自锐钛型二氧化钛、金红石型二氧化钛、混晶型二氧化钛中的至少一种，优选为混晶型二氧化钛。

39、优选的，所述混晶型二氧化钛的粒径为10-30nm，优选为20nm。

40、优选的，所述氧化锌的粒径为30-80nm，优选为50nm。

41、优选的，所述金属氧化物纳米颗粒分散液的制备方法包括以下步骤：将金属氧化物纳米颗粒、高分子分散剂、水按质量比为(20-30)∶(1-3)∶100混合进行超声分散均匀即得。

42、优选的，所述高分子分散剂为含有颜料亲和基团的高分子量共聚物。

43、本发明中的复合改性硅酸盐与聚合物溶液能够实现表面改性剂的超亲水性，但是聚乙烯醇对紫外线敏感，在一定程度上会影响表面改性剂应用于光伏玻璃表面时的透光率，影响光电转换效率，为解决上述问题，本发明引入金属氧化物纳米颗粒分散液，本发明人意外发现，当金属氧化物纳米颗粒为二氧化钛和氧化锌的组合，二氧化钛为粒径为10-30nm的混晶型二氧化钛，氧化锌的粒径30-80nm，并且控制二氧化钛和氧化锌的质量比为(15-20)∶(10-15)时，得到的表面改性剂用于光伏玻璃时，能够改善光伏玻璃的透光率，本发明人猜测是因为该条件下的二氧化钛和氧化锌在提高表面改性剂的吸收紫外线的同时能够与石墨烯共同作用在表面改性剂表面形成细微凸凹结构，进一步增加了表面改性剂的表面粗糙度，降低反射率，提高透光性。

44、优选的，所述消泡剂选自有机硅消泡剂、氟碳消泡剂中的至少一种，优选为有机硅消泡剂。

45、本发明第二方面提供了一种高效抗氧化硅晶纳米表面处理剂的制备方法，包括以下步骤：将复合改性硅酸盐、聚合物溶液、金属氧化物纳米颗粒分散液、消泡剂、水混合搅拌均匀即得。

46、本发明第三方面提供了一种高效抗氧化硅晶纳米表面处理剂的应用，用于光伏玻璃的防护。

47、有益效果：

48、1、本发明将采用特定制备方法的改性粒子包覆在硅酸盐表面，有效解决了表面改性剂会导致光伏玻璃表面涂层在湿冻条件下易开裂的同时太阳光有效透射比下降问题。

49、2、本发明当石墨烯、碳纳米管、稀土氧化物，质量比为(10-20)∶(2-5)∶(0.05-2)，石墨烯为褶皱结构，厚度为1-5nm，碳纳米管为直径为8-20nm的多壁碳纳米管和直径为30-60nm的多壁碳纳米管复配，稀土氧化物为粒径为30-50nm的球形氧化镧和粒径为0.5-2μm的不规则氧化钇时，得到的表面改性剂在用于光伏玻璃时，可以提高光伏玻璃的耐盐雾性和抗氧化性，与此同时表面改性剂具有良好的亲水性。

50、3、本发明当碱金属硅酸盐为硅酸钾和硅酸钠，并且控制硅酸钾和硅酸钠的质量比为(5-15)∶(2-8)，层状结构硅酸盐为d50为5-10μm的滑石粉和径厚比≥50，d50≤20μm的云母粉时，可以提高表面改性剂的耐湿热性，避免光伏玻璃的使用寿命受到影响。

51、4、本发明当引入醇解度为91-100mol％，粘度为10-30mpa.s的聚乙烯醇pva100-60水溶液，并且控制复合改性硅酸盐和聚合物溶液的质量比为(45-55)∶(10-15)时，得到的表面改性剂能够解决单独使用复合改性硅酸盐无法实现的表面改性剂的超亲水性，实现自清洁性的同时能够提高表面改性剂在低温下的开裂性能。

52、5、本发明当金属氧化物纳米颗粒为二氧化钛和氧化锌的组合，二氧化钛为粒径为10-30nm的混晶型二氧化钛，氧化锌的粒径30-80nm，并且控制二氧化钛和氧化锌的质量比为(15-20)∶(10-15)时，得到的表面改性剂用于光伏玻璃时，能够改善光伏玻璃的透光率。

53、6、本发明制备得到的表面改性剂还具有优异的防静电性。