涂层及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种涂层，所述涂层具有特定的吸收来自太阳光波长光谱的电磁辐射的性质，且本发明还涉及所述涂层的制备方法和其应用。
【背景技术】
[0002]特别地，当利用太阳辐射来产生能量或热时可以使用所述涂层。在这方面可以按波长选择性和有针对性的方式使用所述波长光谱。在这方面，特别是到表面的由太阳发出的辐射光谱的电磁辐射的吸收起着重要的作用。
[0003]因此通常在用于槽式抛物面集热器(parabolic trough collector)的吸收管的制备中提供吸收涂层。在这方面实际吸收层是由金属陶瓷形成的。此外，进一步的还需要阻挡层和反射层及通常还需要这种吸收涂层。所有这些层在这方面都是利用已知的真空镀膜工艺形成的，这导致相应的高生产劳动和成本。此外，还需要以这种方式对待涂覆的基底进行复杂和/或昂贵的表面处理。使用的层的数目越多，辐射损失的比例越高，以致有用的辐射能量的比例因此减少。
[0004]这些吸收涂层的吸收和发射性质是由所使用的材料和层厚度所决定的。
【发明内容】
[0005]因此本发明的目的是提供可以形成简单和低廉涂层的可能性，所述涂层的吸收和/或发射性质可以预先设定，特别是关于具体选定的波长或电磁辐射的波长范围。
[0006]这一目的是依照本发明的具有权利要求1的特征的涂层来实现的。所述涂层是使用依照权利要求9的方法制备的。权利要求11提供了应用。
[0007]本发明的有利的实施例和进一步的发展可以通过从属权利要求限定的特征来实现。
[0008]本发明的涂层是通过在基底的表面上形成的层而形成的。所述涂层还可以在所述基底的表面上形成的反射层上形成。
[0009]所述层中包含碳纳米管。在这方面，所述层的每单位表面或体积中包含的碳纳米管的比例和/或层厚度选择为，使得来自太阳光的波长光谱的电磁辐射以可预先设定的比例被吸收。来自温度超过50 °C，优选超过200 °C，特别优选超过350 °C的黑辐射体的波长光谱的电磁辐射的比例应该相当少。该比例应小于25%，优选小于15%。
[0010]在这方面，所述层吸收的比例应该显著大于这些辐射的发出比例。
[0011]在这方面，所述辐射可以是热辐射，具有上述太阳的波长光谱的波长。在这方面，所述层吸收的比例应该显著地大于这些辐射的发出比例。
[0012]所述层吸收由太阳发出的到所述层上的大部分辐射，并且特别有利的是，来自由黑辐射体发出的辐射的波长光谱的辐射发射比例比较小，由此可以减少由辐射导致的热损失。
[0013]在这方面，显著较大的比例应理解为至少75%，优选至少90%的比例。这应该适用于由太阳发出的辐射的整个光谱范围。选定的波长范围应当相应地几乎完全被吸收。
[0014]所述层由碳纳米管形成，且所述层的吸收性质、发射性质和/或透射性质，特别是辐射的吸收比例，受到基底表面上的每单位表面或单位体积的碳纳米管的质量分数(massport1n)的影响。
[0015]形成所述层的碳纳米管应该不规则排列在基底的表面上的反射层中。在这方面它们应该大致平行地排列在一平面上，该平面与基底的表面或形成在所述基底的表面上的反射层的表面平行排列。
[0016]由于由碳纳米管形成的层特别是没有机械抵抗性，因此可以通过接触而移除，在由碳纳米管形成的层上覆盖保护层是有利的。所述保护层优选由氧化物形成。氧化物可以从Sn02，Ti02, Si02, ZnO, ln203和A1 203中选择使用。所述保护层应该具有从20nm到lOOOnm范围的层厚度。所述保护层应该对由黑辐射体发出的辐射具有高透过性和高反射率。它可以例如由Si02、1102或A1 203形成，由此可以在红外光的波长范围内实现高透过率。Sn02、Sn02:F或其他导电且光透明性的氧化物(TCOs)在此波长范围内是可反射的。
[0017]除了机械保护作用外，保护层可以实现抗热影响和在这方面特别是抗氧化的保护作用。
[0018]基底的表面上应该涂覆能减少电磁辐射发射的材料，或者应该由这样的材料形成，使得可以减少由于照射性辐射导致的从所述基底向环境方向的热损失。这种材料可以选自钢、铝、铜、银、金、镍、钼和钯。由此可以实现:至少可以显著降低由于发射性辐射导致的能量损失。由此特别是可以减少甚至避免从黑辐射体发出的辐射的波长范围发出电磁辐射，所述电磁辐射的发出是从热的基底开始的。
[0019]然而，本发明中也可以使用用于保护层的材料，该材料能反射来自红外光的波长范围的电磁辐射且对低波长具有光透过性。在这方面，所述材料应该尤其反射至少50%来自黑辐射体的波长光谱的电磁辐射。例如导电性氧化物(TCOs)可用作所述材料。
[0020]碳纳米管应该以至少0.05g/m2且最多5g/m2，优选至少0.25g/m2且最多2.5g/m2比例包含在所述层中。在这方面，当所含碳纳米管的比例增加时，预先设定的波长向更高波长的方向移动。
[0021]所述包含碳纳米管的层可具有从10nm到2000nm、优选从100nm到lOOOnm范围的层厚度。
[0022]可以使用各种不同的碳纳米管，例如单壁碳纳米管(SWCNT))或多壁碳纳米管(MffCNT) ο根据本发明也可以使用不同尺寸的碳纳米管。除了壁的数量，碳纳米管的结构(卷起因数)(roll-up factor)、相应的直径、长度，其纯度(纯化，未纯化)以及可能含有的污染物(不同的金属、催化剂、有其他修饰的碳)也对光学性质有影响。
[0023]本发明涂层的制备可遵循以下过程:将一种水性分散体施加到基底的表面或施加到形成于所述基底表面上的反射层的表面，所述水性分散体中均匀分散有碳纳米管和至少一种表面活性剂，且所述反射层是由能反射至少60 %的波长大于预先设定波长的电磁辐射的材料形成的。水随后通过干燥除去，所述表面活性剂随后通过溶剂除去。在分散体中观察到的碳纳米管的比例可影响以这种方式形成的层的吸收性质和/或透射性质。
[0024]分散体的施用可利用不同的工艺实施，因此喷雾方法、浸渍方法或印刷方法是尤其合适的。
[0025]前文描述的保护层可优选使用CVD方法在大气压力条件下形成或以湿法化学方法形成。在这方面，形成这种保护层的可能性将会在以下实施方案中描述。
[0026]本发明的涂层可以用于太阳能技术应用中的吸收器。这特别是涉及可特别优选用于槽式抛物面集热器的吸收管的制备。
[0027]相对于现有技术，本发明的显著特征在于，由于至少在很大程度上省去了真空涂覆技术，生产能力简单且低廉。至少实际吸收层不必用如此复杂的方法来形成。
[0028]由于需要的碳纳米管比例小，材料成本也相对较低。
[0029]本发明将在以下参考实施例进行更详细地解释。
【附图说明】
[0030]所示附图如下:
[0031]图1是单位表面具有不同比例碳纳米管的层在不同波长下的反射行为图；
[0032]图2是单位表面具有不同比例碳纳米管的层在不同波长下的反射行为图；和
[0033]图3是在不同基底材料(铜+不锈钢)上形成的包含单壁碳纳米管的层的反射行为。
【具体实施方式】
[0034]图1和图2显示单位表面具有不同比例碳纳米管的层在不同波长下的反射行为图。在这方面，经证实，当碳纳米管的比例增加时，所含碳纳米管的比例对反射行为具有增强的影响，此时，预先设定的波长朝着更长波长的方向移动。
[0035]由多壁碳纳米管(MffCNT)形成的层沉积在不锈钢基底上(SSL 4301IIId)。
[0036]图3显示了沉积在不同基底材料(铜+不锈钢)上的包含单壁碳纳米管(SWCNT))的层的反射行为。在这方面，碳纳米管(CNT)层决定性地确定了良好的吸收行为。在大约2 μπι处可清楚的看到选择性边缘。在更长波长处碳纳米管层是透明的，这可以通过不同反射基底显示出。因此，整个层系统的发射是由使用的基底表面决定的。太阳能的吸收是通过涂覆的碳纳米管层决定性地产生的。
[0037]实施例之前，先一般性地解释如何制备分散体和实施进一步的随后步骤。这一解释至少类似地也适用于待描述的具体实施例。
[0038]在分散体的制备中，向包含液体，优选是水的容器中加入碳纳米管和合适的表面活性剂。由于碳纳米管(CNT)非常倾向于团聚，因此通过超声处理打破团聚或凝聚。通过表面活性剂，碳纳米管可以在液体(水)中稳定，可以防止其再次团聚。
[0039]在分散体中仍可能含有的团聚可通过离心除去从而获得均匀分散体。
[0040]以这种方式获得的分散体具有长期的稳定性，可以例如利用喷雾来施用。在涂覆分散体之后进行干燥，干燥可通过加热而加速。干燥后，碳纳米管和相应的表面活性剂的网络结构的层保留在表面上。由于表面活性剂影响光学性质，因此应当除去表面活性剂。为此目的，可以使用适于各自的表面活性剂的溶剂(如乙醇)，用所述溶剂通过洗脱可以除去表面活性剂。洗脱步骤后碳纳米管单独保留在表面上。所述碳纳米管利用微弱的机械稳定性进行粘附，可通过碰触或其他接触而轻松除去。此外，不能很好地保护它们免受热影响或其他外部影响。
[0041]由于这些原因，碳纳米管形成的层可以通过热稳定且光学透明的保护层来固定和保护。由此也可以获得氧化保护。所述保护层应当至少在下述波长范围内是光学透明的:在所述波长范围内，电磁辐射预先设定的波长)应该以较高水平被吸收，并且还应该不反射这种辐射。它可以作为一种抗反射涂层而形成。
[0042]实施例la:
[0043]通过喷枪喷嘴在4巴工作压力下在抛光的不锈钢1.4301 (Hid)的基底表面上喷涂分