一种原位转化吸热涂层的方法

1.本发明涉及吸热涂层技术领域，具体涉及一种原位转化吸热涂层的方法。


背景技术：

2.随着世界范围内的能源短缺和环境危机，新能源技术受到了越来越多的关注。太阳能作为取之不尽用之不竭的纯净能源，被认为是21世纪最重要的新能源。太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种，太阳能热水器中的吸热涂层是其核心器件。
3.太阳能热水器吸热涂层的制备方法主要有三种：阳极氧化法、电镀黑铬法和磁控溅射法，其中阳极氧化法属于化学镀法。化学镀和电镀法工艺复杂、手工操作多，工艺不易控制。更为麻烦的是，其产生的废液容易造成严重的环境污染；磁控溅射制备太阳能热水器吸热涂层的方法近年来研究较多，具有无污染，适合批量生产等优点，但是磁控溅射法也存在许多问题,如需采用磁控溅射设备，设备要求和环境要求较高等，另外由于磁控溅射制备的涂层与基底的结合力不够高，时间久了可能会出现涂层剥落的现象。所以需要一种简单便捷的方法来制备太阳能热水器的吸热涂层，还能使吸热涂层兼具防腐和光热吸收功能，且涂层不易脱落。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种原位转化吸热涂层的方法。本发明采用激光直写涂覆了透明有机物保护层的金属片，使得金属片粗化的同时，表面有机物质碳化，得到了兼具防腐和光热吸收功能的吸热涂层；通过原位转化直接制备得到含有涂层的基底，涂层不易脱落。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一方面，提供一种原位转化吸热涂层的方法，包括以下步骤：
7.(1)先将基底进行清洗、干燥，再将保护材料紧密的固定在基底的表面；
8.(2)设定激光直写的参数，对固定好的保护材料和基底进行扫描照射，得到吸热涂层。
9.激光光束透过保护材料聚焦到基底表面，对基底表面进行粗化，粗化时产生的热量使保护材料碳化，得到了兼具耐腐功能的吸热涂层。
10.粗化后的基底呈现黑色具有良好的吸热效果，与此同时，本方法激光原位转化过程中保护材料碳化后变为碳微米球附着在粗化后的基底表面，具有更好的吸热效果。这是因为粗化后的基底呈现黑色具有良好的吸热效果，与此同时，本方法激光原位转化过程中保护材料碳化后变为碳微米球附着在粗化后的基底表面，具有更好的吸热效果。这是因为碳材料具有sp3和sp2、π电子结构，光波中光子都被其吸收，产生跃迁然后回到基态放出能量，产生热量；同时碳微米球为黑色，具有更好的光热转换性能；从热辐射的角度来说，碳防腐层的热散射低，热量损失小，这使得带有碳微米球的粗化基底表现出更优异的光热转化效果。碳材料化学性质稳定，不易与酸碱发生化学反应，同时由于本发明提出的方法是原位
转化，不锈钢粗化层和碳微米球紧密结合，不易脱落，具有良好的耐腐性能。因此本发明提出的原位转化制备的吸热涂层具有优异的吸热和耐腐性能。
11.优选的，步骤(1)中，所述清洗为：将基底依次浸于丙酮、乙醇、di水中，分别超声清洗5分钟，然后用di水冲洗。
12.优选的，步骤(1)中，所述基底材料选自铜、钛、铁、钴、镍、钼、钨、钽、锆、铬或者上述金属的合金。
13.优选的，步骤(1)中，所述保护材料为可以透光的有机材料。如塑料片、胶带、pdms片、pvp片。
14.优选的，所述保护材料的厚度为0.2～1mm。
15.优选的，步骤(2)中，激光直写：以激光速度为500-2000mm/s和激光功率为10-30w的线扫模式处理样品10-40s。
16.激光的参数的设置对碳化程度的影响：激光功率较低时，激光与基底作用较弱，对基底的粗化效果较弱，同时不能产生较高的能量对保护材料进行完全碳化。激光功率过高时，激光与基底材料作用较强会产生较强的溅射效应将会擦除掉表面的碳层。
17.本发明的第二方面，提供上述方法制备得到的吸热涂层。
18.本发明的第三方面，提供吸热涂层在制备太阳能热水器中的应用。
19.本发明的有益效果：
20.(1)本发明采用激光直写方法原位转化吸热涂层，一步原位实现金属基底表面吸热涂层转化，具有工艺简单，环境友好的特点，同时方法简单适合大批量生产。
21.(2)本发明采用激光直写方法原位转化吸热涂层，设备方面只采用激光光源，相比较磁控溅射制备吸热涂层的方法，具有设备简单，成本低廉的特点。
22.(3)本发明采用激光透过保护材料表面对金属基底进行粗化，产生的热量使保护材料碳化，原位实现金属基底的粗化和保护材料的碳化，由于是原位粗化和碳化实现材料的吸热，因此吸热材料和金属基底的结合力高，避免了磁控溅射制备吸热材料中易脱落的问题。
23.(4)本发明采用激光直写方法原位转化得到吸热涂层，激光器和金属基底是分立的系统，金属片基底和保护材料不需要固定的腔体或者容器装载，因此可以适用于不同尺寸不同状态的金属基底的原位转化吸热涂层。
24.(5)本发明通过简单地在金属基底覆盖保护层的方法，实现了金属基底和空气的隔绝。不需要抽真空等特殊操作就避免了金属基底粗化时的氧化。同时激光透过有机保护层实现金属基底粗化的同时，产生的热量使表面的保护层碳化，碳化的保护层起到了防腐的效果，本发明原位实现了防腐的吸热涂层。
25.(6)本发明采用激光粗化实现金属基底表面吸热涂层转化，可以简单地通过调节激光参数得到不同粗化程度的吸光涂层。
附图说明
26.图1：实施例1激光不锈钢表面原位转化吸热涂层的示意图，其中，1、不锈钢片，2、透明胶带，3、激光光束。
27.图2：实施例1不锈钢表面原位转化吸热涂层的光学照片。
28.图3：实施例1不锈钢表面原位转化吸热涂层的扫描电镜图，(a)标尺为50μm的扫描电镜图，(b)标尺为1μm的扫描电镜图。
29.图4为实施例1中的不锈钢表面原位转化吸热涂层的光热性能对比测试图。
30.图5为实施例1中的不锈钢表面原位转化吸热涂层的耐腐蚀性能图。
31.图6为实施例2中采用不同金属片表面原位转化吸热涂层的光学照片。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.正如背景技术所述，现有技术中太阳能吸热涂层的制备都需要在不锈钢等基底上通过不同方法覆上一层涂层，这种方法涂层是二次制备的，结合力弱，使得基底与涂层之间容易脱落。基于此，本发明提供一种原位转化制备吸热涂层的方法。本发明将透明的有机材料紧密贴合在基底表面，通过激光聚焦基底不仅能实现基底的粗化，还能同时在粗化层上覆盖碳微米球，碳材料具有良好的耐腐性能；不锈钢粗化实现了吸热效果，不存在结合力弱吸热涂层脱落的问题；同时由于是原位转化的，不锈钢粗化层和碳微米球紧密结合，制得的材料兼具吸热和防腐性能。本发明中用的是纳秒激光器，价格低廉，成本低，通用性高。
34.粗化后的基底呈现黑色具有良好的吸热效果，与此同时，本方法激光原位转化过程中保护材料碳化后变为碳微米球附着在粗化后的基底表面，具有更好的吸热效果。这是因为碳材料具有sp3和sp2、π电子结构，光波中光子都被其吸收，产生跃迁然后回到基态放出能量，产生热量；同时碳微米球为黑色，具有更好的光热转换性能；从热辐射的角度来说，碳防腐层的热散射低，热量损失小，这使得带有碳微米球的粗化基底表现出更优异的光转化效果。碳材料化学性质稳定，不易与酸碱发生化学反应，同时由于本发明提出的方法是原位转化，不锈钢粗化层和碳微米球紧密结合，具有良好的耐腐性能。因此本发明提出的原位转化制备的吸热涂层具有优异的吸热和耐腐性能。
35.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本技术的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本技术的技术方案。
36.本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
37.说明：pdms溶液包括聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂，均为外购的商用套装，生产厂家为上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
38.实施例1：
39.本实施例公开了一种激光原位转化不锈钢表面吸热涂层的方法，如图1所示，具体实施步骤如下：
40.1)将不锈钢片顺序浸于丙酮、乙醇、di水中超声清洗5分钟，di水冲洗。清洗完后进行烘干处理。
41.2)将厚度为0.2mm的pet透明胶带紧密贴合在不锈钢片表面。不锈钢片在下面，透明胶带在上面。
42.3)将覆盖了透明胶带的不锈钢片放在激光器的实验台上，设定激光直写的参数，
采用1000mm/s的激光速度和20w的激光功率线扫模式处理样品20s。
43.激光光束透过透明胶带聚焦于不锈钢片上，对不锈钢片的表面进行粗化，粗化时产生的热量使透明胶带碳化，得到了不锈钢基底表面微纳粗化同时表面覆盖碳防腐层(如图3所示)的黑色样品如图2所示。
44.相较于仅激光粗化不锈钢表面的吸热涂层，本实施例采用不锈钢表面涂覆保护材料激光原位转化吸热涂层，具有光热转化性能好以及耐腐蚀的优点。为了验证不锈钢基底粗化、碳防腐层对光热转化的影响，我们采用不锈钢片(样品1)、不锈钢粗化样品(样品2)作为本实施例样品(样品3)的对比样进行光热温度测试实验；为了验证碳防腐层的防腐效果，我们采用不锈钢粗化样品2作为本实施例样品3的对比样进行盐雾实验。
45.不锈钢基底粗化样品2采用如下步骤制备：
46.1)将不锈钢片顺序浸于丙酮、乙醇、di水中超声清洗5分钟，di水冲洗。清洗完后进行烘干处理。
47.2)将不锈钢片放在激光器的实验台上，设定激光直写的参数，采用1000mm/s的激光速度和20w的激光功率以线扫模式聚焦到样品表面处理20s。得到未覆盖碳防腐层的不锈钢基底粗化样品(样品2)。
48.本实施例制备的不锈钢片(样品3)和对比样(样品1和2)各取面积为1cm2的样品，置于氙灯光源下方，然后采用光密度计测定光源的光密度，保证照射在两个样品上的光密度相同，随后打开红外温度测定仪测试光热温度，记录最终光热温度。如图4所示，本实施例样品的吸收光后的温度升高为164℃，而对比样品为46.5℃(样品1)和155℃(样品2)，说明本实施例制备的不锈钢表面涂层具有较好的光热转化性能。同时可以看到，光热转化性能的提高一方面来源于基底材料的粗化处理另一方面来自于碳防腐层的存在。
49.本方法激光原位转化过程中保护材料碳化后变为碳微米球附着在粗化后的基底表面，具有更好的吸热效果。这是因为碳材料具有sp3和sp2、π电子结构，光波中光子都被其吸收，产生跃迁然后回到基态放出能量，产生热量；同时碳微米球为黑色，具有更好的光热转换性能；从热辐射的角度来说，碳防腐层的热散射低，热量损失小，这使得带有碳微米球的粗化基底表现出更优异的光转化效果。
50.采用盐喷雾曝光试验来判定本实施例不锈钢表面涂覆保护材料原位转化吸热涂层的耐腐蚀性能。本实施例制备的不锈钢片(样品3)和对比样(样品2)采用热熔胶密封未处理的地方，各暴露出面积为1cm2的激光处理面积。将两个样品放入到盐雾装置，开始为期两天的盐雾实验。取出金属片干燥，观察表面腐蚀状况。本实施例原位转化的吸热层未出现腐蚀状况，维持黑色表面,对比样吸热层表面出现较大面积的腐蚀，且颜色变为褐色,如图5所示。说明本实施例制备的不锈钢表面涂层具有较好的耐腐蚀性能。
51.这是因为碳材料化学性质稳定，不易与酸碱发生化学反应，同时由于本发明提出的方法是原位转化，不锈钢粗化层和碳微米球紧密结合，具有良好的耐腐性能。因此本发明提出的原位转化制备的吸热涂层具有优异的吸热和耐腐性能。
52.因此，本实施例采用激光光束透过透明胶带对不锈钢片的表面进行粗化，粗化时产生的热量使透明胶带碳化，不锈钢表面粗化结合透明胶带的碳化得到了更易吸热的粗化表面，实现了较好的光热转化；同时碳化的透明胶带覆盖在了粗化的不锈钢表面，起到了保护不锈钢免受腐蚀的作用，因此本实施例采用激光原位转化不锈钢表面吸热涂层的方法，
方法简单，制备的吸热涂层兼具吸热和耐腐蚀的特点。
53.实施例2
54.本实施例与实施例1不同之处在于，步骤(1)中的金属基底变为钛片、铜片、铁片、镍片、铝片和钼片。激光原位转化吸热涂层后，得到了不同金属表面原位转化吸热图片的样品，如图6所示。
55.实施例3
56.与实施例1的区别在于，保护材料为pdms，将pdms溶液均匀旋涂到不锈钢片上，后将pdms烘干，将覆盖了pdms薄膜的不锈钢片放在激光器的实验台上，设定激光直写的参数，采用500mm/s的激光速度和10w的激光功率线扫模式处理样品40s，得到吸热涂层。
57.实施例4
58.与实施例1的区别在于，保护材料为聚乙烯薄膜，将聚乙烯薄膜紧密贴合在基底上，将覆盖了聚乙烯薄膜的不锈钢片放在激光器的实验台上，设定激光直写的参数，采用2000mm/s的激光速度和30w的激光功率以线扫模式处理样品表面10s，得到吸热涂层。
59.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。