纳米防尘自洁表层结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了纳米防尘自洁表层结构，是利用表面形貌在纳米或者亚微米尺度上的设计构造，生产产生纳米结构多孔层，达到：防尘、增透、自洁的目的。利用纳米疏水或者亲水的粒子，使其成为胶体乳液，能够比较均匀的分散在玻璃表面，构成较均匀的纳米结构。也可以利用模版法光刻或者能量粒子束（光子束、电子束或者离子束）刻蚀来构造纳米尺度的尖端结构表面，这样构造的表面具有很好的表面尖端，使得沉积在表面的大的颗粒与表面的接触面积明显减小。接触面积的减小，能够减小接触物与表面的作用力，达到防灰尘的目的。特别是由于沙尘等在其表面的沉积，导致玻璃表面透光率的下降，进而导致太阳能光伏发电板发电能力的降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属玻璃表面防尘和自洁
，具体地涉及纳米防尘自洁表层结构及其制备方法。
技术介绍
表面防尘和自洁是建筑、幕墙玻璃、汽车和太阳能光伏玻璃、以及光学镜头和电子显示器等应用领域十分关心的问题之一。目前主要是通过光触媒和表面疏水处理来获得自洁的目的（荷叶效应）。对于光伏玻璃来说，在大多数少雨水的或者无雨水的地区，一个星期不清洁的光伏玻璃板的发电能力损失可以达到10%，而一个月的灰尘污染引起的发电能力损失达20%。因此，光伏玻璃的防尘和自洁是光伏太阳能后期发电运营中最为关心的问题之一。本专利技术主要为光伏太阳能发电板和幕墙玻璃的防尘自洁提供技术和设计方法。也可以用于光伏热能转换表面的防尘自洁。中国专利CN 201020547731（技术）报道了一种在太阳能光伏玻璃表面涂覆超亲水氧化硅和添加纳米氧化钛的涂层。主要利用氧化钛的光致分解（光催化）达到分解吸附于玻璃表面有机物。文献[Nakajima, Akira, Kazuhito Hashimoto, Toshiya Watanabe, Kennichi Takai, Goro Yamauchi, and Akira Fujishima. \Transparent superhydrophobic thin films with self-cleaning properties.\ Langmuir 16, no. 17 (2000): 7044-7047]报道了利用纳米氧化钛的光催化致表面自洁的功能。中国专利CN103617847A则报道了一种利用真空沉积技术将玻璃纤维素、硅素聚合物和氟素聚合物安装与玻璃绝缘子表面，具有良好的绝缘性能，同时在风雨天气，能够有一定的自洁能力，起到防尘作用。幕墙玻璃的防尘和自洁可能都面临同样的问题。真空沉积TiO2薄膜法虽有一定的作用，但成本太高，很难使用。目前玻璃自洁，包括用在太阳能光伏和幕墙玻璃多用真空或者溶胶凝胶法沉积一层二氧化钛薄膜，利用其光催化的作用分解表面的有机吸附，利用其亲水性能达到自洁的目的。此外，还有利用疏水剂（如全氟硅烷或者16烷基3甲基氧基硅烷等）修饰表面，通过水滴与表面接触性能差的效应达到自洁的目的。对于有大量的雨水的区域,或者通过水洗涤，这些表面的确有很好的自洁作用，但对于小雨滴，自洁作用很弱，或者能把表面吸附物汇集到局部，显得更脏。而且这些处理 基本没有防尘的作用。据报道，我国西北大部分地区及其中东地区，虽然太阳能辐射极强，但缺水，风沙大, 太阳能光伏板玻璃表面灰尘的沉积，导致太阳能板发电损失高达10-50%。造成极大的能源浪费。为此，防尘和自洁的作用非常重要。另外，光伏玻璃表面由于积雪、结霜等导致大量的发电量的损失。纳米微刻技术包括纳米压印光刻技术、离子束刻蚀主要应用到电子行业。离子束刻蚀以离子束为刻蚀手段达到刻蚀目的的技术，其分辨率限制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。目前聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻蚀，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构。玻璃材料具有良好的微加工性能，利用氢氟酸对玻璃的腐蚀作用，对精密、复杂玻璃元器件表面进行化学蚀刻、化学抛光等加工，则不仅精度高，还可避免产生加工缺陷，同时，加工不受器件表面形状限制、加工效率较高。随着纳米技术发展，人们可以使用化学方法制备多孔纳米涂料、纳米颗粒涂料，能相对准确地控制其表面微观结构，生产出了多孔纳米超疏水涂料及多孔纳米超亲水涂料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决干旱少雨地区，风沙大, 太阳能光伏板玻璃表面灰尘的沉积，导致太阳能板发电损失的问题，而提供一种纳米防尘自洁表层结构及其加工方法。纳米防尘自洁表层结构，其表层为多孔纳米结构层，厚度小于200纳米，所述的孔为按间距d排列的颗粒构成，灰尘粒子直径设为D，并满足下述条件：或者基底与颗粒的接触面积为s:这里p是圆周率常数，可以定义有效接触面为，表观接触面积为，其具有防尘的基本条件为：所述的间距d为5-100纳米；所述的颗粒为球状体、柱状体、锥形体或网格状；所述的纳米防尘自洁表层结构的厚度小于100纳米；所述的纳米防尘自洁表层结构为超疏水表面，其静态接触角大于150度，滚动角小于10度或者超亲水表面，其静态接触角小于10度；所述的纳米防尘自洁表层结构，在忽略表面液体的存在情况下，它们之间的摩擦系数为m,则滑落的灰尘粒子i必须满足条件:其中，m是粒子的质量，g是重力加速度。因为颗粒和接触面的作用与有效接触面积直接相关，或者这里是比例系数，这样在给定的倾角下，最小防尘接触面：由于一般情况下，摩擦系数m小于1，所以最小有效接触面积对于给定的材料正比于颗粒的重量（质量）,倾角。防尘效率h可以写成：其中，N0是所沉积的颗粒的总数目，是停留在表面的粒子数目。基于有机硅纳米多孔防尘超疏水涂层纳米防尘自洁表层结构的制备方法，它包括：(A)制备纳米多孔涂层的胶体：取水4-6份，氨水5-7份，1摩尔的草酸溶液8-12份，乙醇或者甲醇80-120份搅拌均匀混合，并加热到40-70摄氏度，再加入6-10份甲基三甲基氧基硅烷和正硅酸乙酯1-3份，搅拌均匀，并保持40-70摄氏度静置3-5天，后自然冷却至室温；(B)分散胶体：取出上述产物1份，加入3-6份甲醇、乙醇或 异丙醇，超声波分散器分散10-40分钟；(C)涂装：将分散好的纳米胶体，喷涂或者浸涂于玻璃表面，自然干燥后在100-300度温度下固化0.2-2个小时，冷却后取出。以树脂为粘接剂的纳米多孔防尘超疏水涂层纳米防尘自洁表层结构的制备方法，它包括：(A)取30份乙醇、甲醇或异丙醇，加入20份乙酸丁酯，搅拌均匀后分别加入6-10份甲基三甲基氧基硅烷和3-5份正硅酸乙酯，再加入1摩尔/升的氨水2-3份，搅拌并保持3-5小时，再加入2-7份氟碳树脂和氨水10-15份搅拌均匀，在摄氏50度下静置反应2-7天，得到淡黄色的凝胶；(B)去除凝胶，加入5-11倍的乙醇稀释，得到超疏水胶体；(C)涂装：可将胶体喷涂、浸涂或提拉法在玻璃表面形成薄膜；在室温下固化48小时或者在100-250度内加热固化30分钟，得到多孔超疏水防尘涂层纳米防尘自洁表层结构。基于纳米粒子的防尘超亲水涂层纳米防尘自洁表层结构的制备方法，它包括：(A)将5-20纳米氧化钛1份和5-20纳米氧化锡2份，利用超声波分散器，按照0.2-0.8wt%的浓度分散在甲醇或者乙醇中，形成胶体溶液；(B)利用刷涂或者浸涂，或者喷涂方式将纳米胶体均匀涂敷于其表面。(C)室温干燥1-2个小时或者100摄氏度下处理10到30分钟。柱状纳米多孔表面结构纳米防尘自洁表层结构的制备方法，它包括：（1）选择含钠玻璃；（2）表面用有机溶剂清洁；（3）在其表面用气象化学反应法沉积一层0.5-2微米的SiO2层；（4）然后通入CF4气体，在1-3x10-4托的工作压力下，给基底加500到60本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米防尘自洁表层结构，其表层为多孔纳米结构层，厚度小于200纳米，所述的孔为按间距d排列的颗粒构成，灰尘粒子直径设为D，并满足下述条件：或者基底与颗粒的接触面积为s:这里（是圆周率常数，可以定义有效接触面为，表观接触面积为其具有防尘的基本条件为：（3） 。

【技术特征摘要】
1.纳米防尘自洁表层结构，其表层为多孔纳米结构层，厚度小于200纳米，所述的孔为按间距d排列的颗粒构成，灰尘粒子直径设为D，并满足下述条件：或者基底与颗粒的接触面积为s:这里（是圆周率常数，可以定义有效接触面为，表观接触面积为其具有防尘的基本条件为：（3） 。2.根据权利要求1所述的纳米防尘自洁表层结构，其特征在于：所述的间距d为5-100纳米。3.根据权利要求1或2所述的纳米防尘自洁表层结构，其特征在于：所述的颗粒为球状体、柱状体、锥形体或网格状。4.根据权利要求3所述的纳米防尘自洁表层结构，其特征在于：所述的纳米防尘自洁表层结构的厚度小于100纳米。5.根据权利要求4所述的纳米防尘自洁表层结构，其特征在于：所述的纳米防尘自洁表层结构为超疏水表面，其静态接触角大于150度，滚动角小于10度或者超亲水表面，其静态接触角小于10度。6.根据权利要求1或5所述的纳米防尘自洁表层结构，其特征在于：所述的纳米防尘自洁表层结构，在忽略表面液体的存在情况下，它们之间的摩擦系数为m,则滑落的灰尘粒子i必须满足条件:其中，m是粒子的质量，g是重力加速度；因为颗粒和接触面的作用与有效接触面积直接相关，或者这里是比例系数，这样在给定的倾角下，最小防尘接触面：由于一般情况下，摩擦系数m小于1，所以最小有效接触面积对于给定的材料正比于颗粒的质量,倾角；防尘效率h可以写成：其中，N0是所沉积的颗粒的总数目，是停留在表面的粒子数目。7.基于有机硅纳米多孔防尘超疏水涂层纳米防尘自洁表层结构的制备方法，它包括：(A)制备纳米多孔涂层的胶体：取水4-6份，氨水5-7份，1摩尔的草酸溶液8-12份，乙醇或者甲醇80-120份搅拌均匀混合，并加热到40-70摄氏度，再加入6-10份甲基三甲基氧基硅烷和正硅酸乙酯1-3份，搅拌均匀，并保持40-70摄氏度静置3-5天，后自然冷却至室温；(B)分散胶体：取出上述产物1份，加入3-6份甲醇、乙醇或 异丙醇，超声波分散器分散10-40分钟；(C)涂装：将分散好的纳米胶体，喷涂或者浸涂于玻璃表面，自然干燥后在100-300度温度下固化0.2-2个小时，冷却后取出。8.以树脂为粘接剂的纳米多孔防尘超疏水涂层纳米防尘自洁表层结构的制备方法，它包括：(A)取30份乙醇、甲醇或异丙醇，加入20份乙酸丁酯，搅拌均匀后分别加入6-10份甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨得全，
申请(专利权)人：杨得全，
类型：发明
国别省市：江苏;32