抗污组合物、施加方法和施加设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本公开整体涉及抗污组合物、施加抗污组合物的方法和用于施加抗污组合物的设 备。
【背景技术】
[0002] 可再生能源是指来源于可补充的自然资源诸如阳光、风、雨、潮汐以及地热的能 量。随着技术的进步和全球人口的增长，对可再生能源的需求大幅提高。尽管当今化石燃 料提供了绝大部分的能量消耗，但这些燃料是不可再生的。对这些化石燃料的全球性依赖 不仅带来关于其耗尽的担忧，还带来对于由燃烧这些燃料所致的排放有关的环境担忧。由 于这些担忧，世界各国一直都在倡导对大规模和小规模可再生能源的开发。当今前景较好 的能源之一为阳光。目前全世界有数百万的家庭从太阳能发电获得电力。对太阳能电力不 断增长的需求伴随着对能够满足这些应用要求的器件和材料的不断增长的需求。
[0003] 如果光学表面变脏/当光学表面变脏时，光学部件的玻璃表面（"光学表面"）如 当在使用时透射、吸收或反射光的那些的性能将降低。沾污通常降低透光率、增加吸收率和 /或增加光散射。对于经受恒定户外暴露的光学表面，这特别成问题。这样的光学表面的例 子包括但不限于光伏（PV)组件的面向太阳的玻璃表面、太阳能发电系统中采用的镜的玻 璃表面（其中所述镜的功能是在有或没有同时的聚光的情况下向收集装置或PV组件引导 入射太阳光）、玻璃透镜（例如，菲涅尔透镜）和玻璃建筑窗用玻璃（例如，窗户）。在一些 应用中，玻璃基底包括玻璃层和金属层。具有高的镜面或总半球反射率的镜可用在某些太 阳能发电系统中，并且这样的镜特别易于因甚至小量的沾污而发生性能退化。
[0004] 有许多可能造成沾污的材料，但粉尘积聚是一个特别的问题，尤其是在可能经历 相对湿度非常低的时期的干燥场所，例如沙漠。已经作出许多尝试来提供将防止或减少沾 污的光学表面涂层或处理。然而，产生当最初施加时对光学性能没有影响并且在干燥的尘 土飞扬的场所保持可接受的外观并使在装置上的后续沾污最小化的涂层的材料和方法尚 未见公开。
【发明内容】
[0005] 本发明的申请人认识到如果表面被沾污，光学表面的性能会降低。例如，在干燥场 所中安装在户外的光学表面，尤其是低相对湿度期间将积聚干燥的粉尘，并且这种沾污可 显著降低光学部件的性能。本公开的发明人发现在一段时间内减少积聚在光学表面上的干 燥粉尘的量的涂料组合物、施加方法和施加装置。
[0006] 本公开的发明人认识到沾污可导致太阳能发电装置降低的性能和/或效率。降低 的性能和/或效率可能导致减少的发电。本公开的发明人发现将保持或增大由太阳能装置 生成的能量的量的涂料组合物、施加方法和施加装置。
[0007] 本公开的发明人认识到空气悬浮灰尘的组成、其附接到玻璃表面、粘附到玻璃表 面和偶然地从玻璃表面移除的机制以及该灰尘对性能的影响显著不同于其它类型的沾污 如水渍或油性污垢积聚。
[0008] 本公开的发明人认识到外观为光学表面的另一重要性能要求。外观由观察者主 观判断，并可能与光学性质相关性不大，特别是借助于仪器测量的那些。紧跟着施加涂层 对于外观是重要的，并优选涂层在首次施加时不产生从任何视角可见的光学效应。因此优 选的涂层非常薄，优选小于50nm、并且更优选小于40nm厚，并且非常均勾，基本上不含大于 300nm的空隙（未涂覆区域），并且厚度的变化不超过平均涂层厚度的30%。
[0009] 本公开的发明人认识到，除初始外观外，涂覆制品的外观必须在光学表面上的涂 层的整个寿命周期过程中都是可接受的。提供灰尘积聚的可用减少的涂层可能随着时间积 聚一定量的灰尘，并且这样的灰尘积聚优选均匀地发生以提供可接受的外观。为实现此目 标，本公开的发明人认识到，当最初施加涂层时，该涂层必须是均匀的以在涂层的寿命内提 供均一的性能。
[0010] 本公开的发明人认识到，光学部件可被安装在环境敏感场所、由对保护环境特别 感兴趣的人操作和/或需要满足各种环境、健康和安全要求。环境、健康和安全要求正变得 越来越难以满足，并且需要不含溶剂、表面活性剂、润湿剂、流平剂、反应性材料如偶联剂或 通常用来获得有利的涂层性能如均匀铺展和/或对表面的粘附的其它添加剂的涂料组合 物。
[0011] 本公开的发明人认识到，优选抗污涂层提供一段时间的户外灰尘积聚防护。这段 时间越长越好。因此优选涂层是耐久的。在户外环境中，特别是有机材料常常易于在紫外 光作用下降解，故优选避免有机材料（包括例如聚合物、表面活性剂、润湿剂、流平剂、反应 性材料如偶联剂）的引入。
[0012] 本公开的发明人认识到对于涂料组合物和方法的以下其它优选方面。优选涂层耐 久地粘附到光学表面。涂覆方法优选适用于多种户外情况中并且不需要大型、重型或精密 的设备、工艺控制或高技能人才。邻近光学表面的设备或材料诸如例如框架、支撑结构、机 架、结构元件、密封剂、填缝材料、涂漆表面、记号等不会因涂料组合物和施加方法而损坏或 降解，而如果涂料组合物被无意中施加到邻近的部件并且未移除的话这将可能发生。例如， 优选排除将引起有机材料的氧化的材料，包括光活化的氧化材料和热或光活化的氧化催化 剂。特别地，在沙漠场所，水稀缺并且涂料组合物和/或施加方法所需的水的量应最小。
[0013] 现有技术未描述同时实现上述目标中的许多或全部的涂料组合物、施加方法或施 加工具。然而，本公开的发明人发现了同时实现上述目标中的许多或全部的涂料组合物、施 加方法或施加工具。在至少一些实施例中，涂覆制品的性能和外观可能取决于涂料组合物、 涂覆方法和用于施加涂料组合物的工具中的一者或多者。
[0014] 在一些实施例中，本公开涉及一种在玻璃基底上形成耐久涂层的方法，所述方法 包括：（1)向玻璃基底施加涂料组合物，所施加的涂料组合物具有大于4微米的厚度；所述 涂料组合物基本上由约0. 25重量％至约10重量％的非氧化性纳米颗粒、酸和水组成；（2) 使所述涂料组合物在玻璃基底上静置至少足以使纳米颗粒中的至少一些粘合到玻璃基底 的量的时间；（3)将涂料组合物的厚度减少到约0. 25至4微米，以及（4)蒸发所述水中的 至少一些以形成耐久涂层。
[0015] 在一些实施例中，涂料组合物基本上由约1重量％至约5重量％的至少一种非氧 化性纳米颗粒组成。在一些实施例中，将涂料组合物的厚度减小到约0.5至3微米。在一 些实施例中，非氧化性纳米颗粒中的至少一些具有介于约2nm和约20nm之间的直径。在一 些实施例中，非氧化性纳米颗粒中的一些具有介于约2nm和约20nm之间的直径并且非氧化 性纳米颗粒中的一些具有介于约20nm和约75nm之间的直径。在一些实施例中，涂料组合 物基本上不含氧化性材料或有机材料。
[0016] 在一些实施例中，涂料组合物厚度使用柔性刮刀减小。在一些实施例中，涂料组合 物在所述总玻璃基底的至少75%上施加不超过两遍。在一些实施例中，足以改变玻璃基底 的接触角的时间量介于约5秒和约60秒之间。在一些实施例中，涂层厚度在所述总玻璃基 底的至少75%上减小不超过两遍。在一些实施例中，通过溢流、辊涂和浸没中的至少一者施 加涂料组合物。在一些实施例中，所述方法还包括在减小涂料组合物的厚度的同时施加介 于约lg/cm和约60g/cm之间的压力。在一些实施例中，耐久涂层具有介于约20纳米和约 50纳米之间的厚度。
[0017] 在一些实施例中，耐久涂层具有在玻璃基底的IOcmXlOcm区域的至少75%上变 化不超过30 %的厚度。在一些实施例中，涂料组合物自打底。在一些实施例中，耐久涂层 是不可见的。在一些实施例中，耐久涂层是基本上连续的。在一些实施例中，耐久涂层包含 直径尺寸不大于300nm的空隙。在一些实施例中，涂层在至少一些区域中形成单层。在一 些实施例中，耐久涂层在5微米乘5微米的区域上具有介于约3nm和约75nm之间的表面粗 糙度。在一些实施例中，耐久涂层在5微米乘5微米的区域上具有介于约5nm和约40nm之 间的平均表面粗糙度。在一些实施例中，非氧化性纳米颗粒中的至少一些粘附到玻璃基底 的表面。在一些实施例中，非氧化性纳米颗粒中的至少一些为二氧化硅。在一些实施例中， 玻璃基底为光伏组件、窗户或太阳能镜的一部分。在一些实施例中，涂料组合物包含介于约 0. 25重量％至约10重量％之间的非氧化性纳米颗粒。
[0018] 本公开的一些实施例涉及一种在玻璃基底上形成耐久涂层的方法，所述方法包 括：（1)向玻璃基底施加涂料组合物，其中所述涂料组合物基本上由约〇. 25重量％至约10 重量％的非氧化性纳米颗粒、酸和水组成；（2)邻近所述涂料组合物放置聚合物膜；(3)移 除聚合物膜；以及（4)使涂料组合物中的基本上所有的水蒸发并因此形成耐久涂层。
[0019] 在一些实施例中，涂料组合物基本上由约1重量％至约5重量％的至少一种非氧 化性纳米颗粒组成。在一些实施例中，将涂料组合物的厚度减小到约0.5至3微米。在一 些实施例中，非氧化性纳米颗粒中的至少一些具有介于约2nm和约20nm之间的直径。在一 些实施例中，非氧化性纳米颗粒中的一些具有介于约2nm和约20nm之间的直径并且非氧化 性纳米颗粒中的一些具有介于约20nm和约75nm之间的直径。在一些实施例中，涂料组合 物基本上不含氧化性材料或有机材料。
[0020] 在一些实施例中，涂料组合物厚度使用柔性刮刀减小。在一些实施例中，涂料组合 物在所述总玻璃基底的至少75%上施加不超过两遍。在一些实施例中，足以改变玻璃基底 的接触角的时间量介于约5秒和约60秒之间。在一些实施例中，涂层厚度在所述总玻璃基 底的至少75%上减小不超过两遍。在一些实施例中，通过溢流、辊涂和浸没中的至少一者施 加涂料组合物。在一些实施例中，所述方法还包括在减小涂料组合物的厚度的同时施加介 于约lg/cm和约60g/cm之间的压力。在一些实施例中，耐久涂层具有介于约20纳米和约 50纳米之间的厚度。
[0021] 在一些实施例中，耐久涂层具有在玻璃基底的IOcmXlOcm区域的至少75%上变 化不超过30 %的厚度。在一些实施例中，耐久涂层是不可见的。在一些实施例中，耐久涂 层是基本上连续的。在一些实施例中，耐久涂层包含直径尺寸不大于300nm的空隙。在一 些实施例中，涂层在至少一些区域中形成单层。在一些实施例中，耐久涂层在5微米乘5微 米的区域上具有介于约3nm和约75nm之间的平均表面粗糙度。在一些实施例中，耐久涂层 在5微米乘5微米的区域上具有介于约5nm和约40nm之间的平均表面粗糙度。在一些实 施例中，非氧化性纳米颗粒中的至少一些粘附到玻璃基底的表面。在一些实施例中，非氧化 性纳米颗粒中的至少一些为二氧化硅和氧化铝中的至少一者。在一些实施例中，耐久涂层 具有小于15的接触角。在一些实施例中，玻璃基底为光伏组件、窗户或太阳能镜的一部分。 在一些实施例中，涂料组合物包含介于约0. 25重量％和约10重量％之间的非氧化性纳米 颗粒。在一些实施例中，所述方法还包括使用工具来向聚合物膜施加压力。在一些实施例 中，所述工具为橡皮刮板和辊中的至少一者。
[0022] 本申请的其它特征和优点在以下将结合四幅附图的详细说明书中描述或提及。
【附图说明】
[0023] 图1为如比较例18中所述制得的涂层的表面在50, 000倍放大倍数下的SEM图像。
[0024] 图2为如实施例8中所述制得的涂层的表面在50, 000倍放大倍数下的SEM图像。
[0025] 图3为图2中所示示例性实施例的横截面SEM。