纳米自清洁增效涂料的研制及其应用
罗志河，张安杰，陈丽丽，张海银(西北永新化工股份有限公司，兰州745000)

0 引言
根据国家能源产业政策，到2015 年，国内的光伏装机容量目标将达到10 GW，到2020 年，目标至少要到50 GW，太阳能大发展的时机已经来到。但同时，出现了太阳能电池板表面积尘和其他污染物影响透光率，尤其在北方地区，影响发电效率平均达6%以上，并且灰尘难以或需要频繁清洗，导致管理成本上升、工作难度加大、设计性能难以充分发挥、发电效率下降等实际问题，如甘肃敦煌地区光伏发电项目需要每半月清洗一次，宁夏石嘴山光伏电池板表面有难以清洗的工业污染积存。目前提高玻璃表面抗沾污性主要有3 类方法：(1)降低表面能的疏水型自洁涂料。通过提高漆膜与水、油的接触角，使得污染物难以附着；由于静电吸附作用易粘灰，污染物沉积后难以用水冲洗干净，尤其不适于在北方雨水较少的地区使用。(2)提高表面能的亲水型自洁涂料。通过亲水化涂膜结构设计，降低漆膜与水的接触角，表面湿润性好使得污染物易于清洁；(3)光催化型自洁涂料。通过在耐候性好的基础涂料中加入纳米TiO2，利用太阳光分解漆膜表面附着的有机污染物[1-2]，使得处于离散状态的污染物易于清洁。

目前市场上自洁涂料多不胜数，总体上可以分为3 类：疏水自洁涂料、TiO2 自洁涂料、亲水自洁涂料。疏水自洁涂料的设计思路是，使用该涂料后在玻璃或陶瓷表面会出现一种荷叶效应，也叫做疏水效应，表现为水在物体表面呈水珠状，并向低处滑动，水珠会把灰尘等细小杂物裹走，从而达到清洁的效果。由于疏水产品一般是亲油的有机高分子材料，由于静电吸附作用易粘灰，污染物沉积后难以用水冲洗干净，尤其不适于在北方雨水较少的地区使用。纳米TiO2 自洁涂料的禁带宽度为3.2 eV，激发光的波长要在385 nm 以下，仅采用紫外线才能起光催化作用，而太阳辐射能量中紫外线只占4%~6%，因此，只有在太阳光直射条件下，光触媒自洁的功效才能发挥，在室外背光及室内需要自洁功能的地方无法使用。

亲水自洁涂料主要有两种：一是无机亲水自洁涂料，二是有机亲水自洁涂料。无机亲水自洁涂料是以纳米氧化物为主要原料，通过一种喷涂在玻璃表面的亲水涂层，在涂布面和脏污之间迅速形成一层亲水水膜，使脏污剥离涂布面，利用自然雨水的冲刷，使脏污随水膜在重力的作用下被冲洗下来，达到自洁的目的。这种涂料也容易吸附油性污染物，难以清洗，并且本身在玻璃上的附着力不好[1-6]。有机亲水自洁涂料通过添加合适的亲水化剂可以使涂膜形成亲水化表面，赋予涂层自洁性，但形成的涂层接触角较大，自洁效果不是很明显。

着眼于以上问题，为解决目前太阳能光伏电板表面容易吸附灰尘，尤其在重工业区域容易吸附有机污染物，影响电池板表面玻璃的透光率，污染物难以清洗而导致发电效率下降的问题，如在兰州气候条件下直接影响发电效率达6%以上，以钛酸丁酯、硅酸乙酯为前驱体，水解形成锐钛型的纳米氧化钛和纳米氧化硅的复合溶液，制得纳米复合涂料，锐钛型的纳米氧化钛赋予涂料良好的光催化性、而纳米氧化硅赋予涂料良好的亲水性。在此基础上，将亲水性与光催化活性相结合自主研发出掺银纳米自清洁涂料，涂料涂层具有良好的亲水性、光催化性、抗沾污性，并且激发波长可延伸到410 nm。通过对该涂料进行改性处理，制得具有自清洁、提高太阳能发电效率的纳米自清洁增效涂料。通过试验，该涂料可以有效提高发电量2.5%以上。该涂料用于太阳能电池板，可以有效解决太阳能光伏电板表面积尘和其他污染物影响透光率、难以或需要频繁清洗，导致管理成本上升、工作难度加大、设计性能难以充分发挥、发电效率下降等实际问题。

1 实验
1.1 实验原料
钛酸丁酯：化学纯，上海科丰化学试剂有限公司；正硅酸乙酯：化学纯，北京化工厂；无水乙醇：分析纯，烟台市双双化工有限公司；盐酸：分析纯，烟台市双双化工有限公司；乙酰丙酮：分析纯，天津市光复精细化工研究所；蒸馏水：自制。
1.2 实验仪器
接触角测定仪：HARKE-SPCA，北京哈科试验仪器厂；直管形石英紫外线杀菌灯：连云港市东海县创新灯具厂；紫外可分光光度计：UV1800，上海美谱达仪器有限公司；高速分散机：GFJ-0.4，上海现代环境工程有限公司；超纯水发生器：UPD-1-10T，成都超纯科技有限公司。
1.3 实验过程
1.3.1 硅溶胶的制备
准确量取50 mL 无水乙醇置于200 mL 的烧杯中，在搅拌情况下加入一定量的正硅酸乙酯，并用盐酸调节溶液的pH 值至2.0，搅拌10 min 后加入蒸馏水，继续搅拌30 min得到硅溶胶。
1.3.2 硅钛溶胶的制备
准确量取100 mL 无水乙醇置于500 mL 的烧杯中，在搅拌情况下加入一定量的钛酸丁酯和少量乙酰丙酮以及硝酸银溶液，并用盐酸调节溶液的pH 值至2.0，搅拌10 min后加入蒸馏水，搅拌30 min 得到掺银的钛溶胶。并将硅溶胶稀释后缓慢加入掺银的钛溶胶中，继续搅拌一定时间后得到无色透明的硅钛溶胶，加入成膜助剂以及其他助剂，搅拌均匀，制得亲水性纳米自清洁增效涂料。

2 纳米自清洁增效涂料的性能
2.1 纳米自清洁增效涂料涂层的基本性能
纳米自清洁增效涂料按国标制样板，检验涂层的基本性能，测试结果见表1。

2.2 涂层的透光率
图1 分别给出了纳米自清洁增效涂料和纯玻璃的透光率曲线，由图可以看出，在380~400 nm 的波长范围内，纳米自清洁增效涂料对紫外线有一定的吸收作用，而在400~1 100 nm 范围内有一定的增透作用。纳米自清洁增效涂料应用在太阳能光伏电板上可以有效吸收对发电量有负面效应的紫外线，由于紫外线具有较高的能量，使得产生的电子流发生紊乱，可导致发电量下降；并且涂覆纳米自清洁增效涂料后，可以有效提高太阳光的透过率，从而提高太阳能光伏电板的发电效率。