太阳能吸热板的生产方法

摘要

本发明公开了一种太阳能吸热板的生产方法，以解决现有太阳能选择性吸收涂层制备工艺技术的不足以及现有工艺技术难以实现大块面积涂层的制备且制作成本较高的问题。它以铬基合金钢板为基体材料，通过对其实施包括除油、抛光、活化和水洗等工序的前处理，然后以硝酸、硫酸锰、硝酸铵等为主要着色剂对其进行化学氧化发黑着色，最后，进行化学固化处理和封闭处理。通过以上步骤，可得到表面附有均匀亮黑色转化膜的铬基合金钢太阳能吸热板，其具有热吸收率高、发射率低的特点，可以作为太阳能吸热板进行太阳能的光热转换，广泛应用于平板型太阳能空气集热器、太阳能热水器等太阳能热利用设备。

权利要求

1.一种太阳能吸热板的生产方法，所用基体材料为铬基合金钢板，其特征在于：铬基合金钢板的含铬量为5～18％，其具体生产步骤如下：

A、发黑前处理：太阳能吸热板的发黑前处理步骤包括用除油剂除油、抛光、用活化剂活化和水洗，抛光剂由浓度为60～180g/L的硫酸、浓度为10～80g/L的盐酸和浓度为7～28g/L的硝酸组成，抛光温度为30℃～50℃，时间为2min～3min；

B、氧化发黑：将经过前处理后的铬基合金钢板进行化学氧化发黑处理，氧化发黑着色剂由浓度为560～900g/L的硝酸、浓度为10～80g/L的硫酸锰和浓度为20～60g/L的硝酸铵组成；

C、发黑后处理：将氧化着色得到的铬基合金钢板水洗后用固化剂处理和化学封闭处理，之后缓慢烘干得到太阳能吸热板，化学封闭液由质量百分数为2～4％的硅酸钠和质量百分数为0.5％的表面活性剂组成，封闭处理的温度为90℃～100℃，时间为5min～6min。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热板的生产方法，其特征在于：步骤A所述的除油剂由浓度为20～40g/L的氢氧化钠、浓度为35～60g/L的碳酸钠和OP浓度为2～

5g/L的乳化剂组成，除油温度为60℃～70℃，除油时间为8min～12min。

3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能吸热板的生产方法，其特征在于步骤A所述的活化剂是浓度为30～100g/L的磷酸，活化温度为室温，时间为1min～3min。

4.根据权利要求3所述的一种太阳能吸热板的生产方法，其特征在于步骤B所述的氧化发黑温度为70℃～90℃，时间为45～200min。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能吸热板的生产方法，其特征在于步骤C所述的固化剂是由浓度为80～250g/L铬酐和浓度为9～30g/L硫酸组成，固化温度为30℃～50℃，时间为5min～10min。

说明书

太阳能吸热板的生产方法

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能热利用技术领域，涉及太阳能吸热板光热转换膜的制备技术，具体来说是一种太阳能吸热板的生产方法。

背景技术

[0002] 在跨入21世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源开发利用带来的一系列问题，如环境污染，温室效应等。目前的环境问题，很大程度上是由于能源(特别是化石能源)的开发利用造成的。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生清洁能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。

[0003] 太阳能的热利用技术是太阳能利用很重要的一个方面，而直接决定太阳能热利用效率的是选择性吸收涂层。反映选择性吸收涂层光学性能的两个重要参数是涂层对可见光区的吸收率和对红外光区的发射率。根据选择性吸收涂层技术的发展过程和应用对象，太阳能涂层技术经历了涂料型、电镀型、电化学型和真空镀膜四个不同的涂层研究发展阶段。

[0004] 1、涂料型选择性吸收涂层阶段

[0005] 1979～1980年，北京市太阳能所研制出硫化铅/沥青漆涂层，采用喷涂工艺制备出α＝0.93、ε＝0.33～0.5的选择性吸收涂层。该涂层工艺简单，成本低廉，应用在平板集热器上明显提高了集热效率，成为我国太阳能集热器最早使用的选择性吸收涂层。但是用该法制备的涂层发射率较高，并且由于涂料粘结剂在高温下发生热解，所以一般用在中、低温条件下，并且使用寿命较短。

[0006] 2、电镀法制备阶段

[0007] 利用电镀的方法将具有光选择性吸收的金属镀在基板上。常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等，这些涂层均具有良好的光学性能。以黑铬和黑镍的效果6+
最好，吸收发射比(α/ε)接近6～13，但电镀黑铬生产成本高，同时镀液中的Cr 对环境有污染。电镀黑镍耗能少，成本低，镀液中不存在有毒物质，但黑镍涂层薄，热稳定性和耐蚀性较差，通常只适用于低温太阳能热利用。

[0008] 3、电化学方法制备阶段

[0009] 最常用的电化学法是将金属基板(Al、Cu、Fe等)放入含有磷酸的溶液中进行阳极氧化，使其表面产生一层多孔氧化物，然后放入某些金属盐溶液中，利用电解沉积在孔中沉积金属(Ni、Co、Mo等)。研究发现沉积的金属大部分在孔的底部，这样的结构可以保护金属颗粒免受外界的侵蚀。由于多孔氧化物具有很好的热稳定性和化学稳定性，以这种方法制备的薄膜具有很好的耐热性和耐腐蚀性，可以用作高温吸热材料。而且这种薄膜的光吸收性能也较好，α一般大于0.90，ε又都在0.1左右，具有较高的α/ε值。但是该法生产的主要缺点生产成本较高，并且在生产过程中需要对废液加以控制，否则会对环境造成严重污染。

[0010] 4、真空镀膜制备阶段

[0011] 真空镀膜法是指利用真空蒸发和磁控溅射沉积单层或多层复合膜。磁控溅射方法具有很高的灵活性，通过改变磁控溅射的靶材料，可制备各种各样的薄膜，从而优化出好的选择性吸收薄膜。采用溅射法制备的薄膜具有很高的耐热性，可用于高温环境。这种方法可以节约材料，而且没有电镀法、电化学法中的废液处理问题，具有环保性，但是其设备价格昂贵，并且太阳能吸热面积较小，不利于广泛推广。

[0012] 可见，现有的涂层制备技术存在生产成本高、工艺操作困难、难以实现大面积光热转换涂层的制备等缺点，限制了太阳能在大面积采光方面的推广和利用。

[0013] 现有一种太阳能光热转换材料的生产方法(CN101012558A)中，氧化发黑剂采用硫酸、硝酸盐、硫酸铵和羟基苯甲酸。现有发黑剂中不含有锰离子或者从铬合金钢中溶解下来的锰离子含量过低，致使发黑成膜速度较慢，工作周期长，能耗损失大，生产成本较高。

发明内容

[0014] 本发明提供了一种太阳能吸热板的生产方法，以解决现有太阳能选择性吸收涂层制备工艺技术的不足以及现有工艺技术难以实现大块面积涂层的制备且制作成本较高的问题。

[0015] 本发明太阳能吸热板的生产方法，采用铬基合金钢板为基体材料，通过强氧化剂的化学氧化发黑作用来制备太阳能光热转换膜(太阳能吸收涂层)，从而生产太阳能吸热板。

[0016] 铬基合金钢板的含铬量为5～18％，

[0017] 其具体生产步骤如下：

[0018] A、发黑前处理：太阳能吸热板的发黑前处理步骤包括除油、抛光、活化和水洗，[0019] 抛光剂由浓度为60～180g/L的硫酸、浓度为10～80g/L的盐酸和浓度为7～28g/L的硝酸组成，抛光温度为30℃～50℃，时间为2min～3min；抛光温度不宜过高，温度过高的话会看到有明显的腐蚀倾向。也可以采用机械抛光处理，并且经机械抛光后的样品比化学抛光后的样品着色速度要快。

[0020] 除油剂由浓度为20～40g/L的氢氧化钠、浓度为35～60g/L的碳酸钠和OP浓度为2～5g/L的乳化剂组成，除油温度为60℃～70℃，除油时间为8min～12min。除油一定要除干净，否则，将会着不上黑色或着色不均匀。

[0021] 活化剂是浓度为30～100g/L的磷酸，活化温度为室温，时间为1min～3min。由于合金钢板在抛光后表面会生成一层薄的氧化膜，所以需要在着色前进行活化处理，使合金钢表面活化，提高膜的结合力和着色的均匀性。

[0022] B、氧化发黑：将经过前处理后的铬基合金钢板进行化学氧化发黑处理，[0023] 氧化发黑着色剂由浓度为560～900g/L的硝酸、浓度为10～80g/L的硫酸锰和浓度为20～60g/L的硝酸铵组成；氧化发黑温度为70℃～90℃，时间为45～200min。

[0024] 硝酸提供强氧化性环境，为发黑着色造活性很强的[O]环境，使合金钢表面的Fe及微量的Ni等元素发生复杂的化学反应，生成FeO、Fe3O4、Ni2O3等系列黑色氧化物，牢固地附在合金钢表面。硫酸锰在发黑液中既是氧化剂，又是发黑成膜剂，硫酸锰与硝酸铵反应生-成MnO4 离子，可以增加发黑液的氧化性，同时，还是Fe、Ni的氧化剂，将它们氧化成黑色或灰黑色的氧化产物。当其含量偏高时，虽能够加快成膜速度，但是易造成过腐蚀，同时产生大量的二氧化氮而污染环境；含量偏低时，成膜速度慢，工作周期长，能耗损失大。氨离子还能通过络合作用控制反映速度，含量偏高，膜形成太快，黑色稍纵即逝，难以控制色彩，含量
2+ 3+
偏低，络合不了溶解下来的Ni 、Cr 等离子，致使发黑液老化，成膜速度变慢。

[0025] C、发黑后处理：将氧化着色得到的铬基合金钢板水洗后用固化剂处理和化学封闭处理，之后缓慢烘干得到太阳能吸热板，

[0026] 固化剂是由浓度为80～250g/L铬酐和浓度为9～30g/L硫酸组成，固化温度为30℃～50℃，时间为5min～10min。考虑到由于发黑膜的结构可能呈微孔状，不耐磨，为了弥补这个缺陷，发黑件水洗后应该立即用固化剂处理。

[0027] 化学封闭液由质量百分数为2～4％的硅酸钠和质量百分数为0.5％的表面活性剂组成，封闭处理的温度为90℃～100℃，时间为5min～6min。

[0028] 封闭处理的主要目的是为了使发黑件不因暴露在空气中而影响其性能。

[0029] 本发明与在先申请一种太阳能光热转换材料的生产方法(CN101012558A)相比，本发明最大的不同之处是：

[0030] 1、本发明所选吸热板基体材料对锰含量没有要求，材料可以完全不含有锰元素，而在先申请一种太阳能光热转换材料的生产方法(CN101012558A)中，对铬合金钢的化学成分有严格要求，含锰量要求在0.5％～17％；

[0031] 2、本发明太阳能吸热板的生产方法中，氧化发黑剂采用硝酸、硫酸锰和硝酸铵，本发明生产方法黑色氧化膜形成速度较快，发黑液使用周期较长。

[0032] 本发明带来的技术效果，有以下几个方面：

[0033] 1、利用本发明生产的太阳能吸热板，得到的化学发黑膜，具有较高的吸收率和较低的发射率，热能转换效率较高；

[0034] 2、利用本发明生产的太阳能吸热板，发黑膜具有良好的耐磨性能和抗腐蚀性能，按GB1768-79进行耐磨性实验，橡皮轮加压500g，试验2min，膜层颜色基本不变；按GB1771-79将发黑后的样品进行中性盐雾耐腐蚀性实验，100h膜层色泽无明显变化。

[0035] 3、利用本发明生产太阳能吸热板，工艺路线简短，生产成本低廉，随着我国太阳能热利用技术的不断推广，农村太阳能采暖技术前景广阔，采用本发明生产太阳能吸热板，制备平板型太阳能集热器，价廉而又高效，可为农村实现太阳能采暖提供良好的发展前景。

[0036] 4、由于本发明采用含铬合金钢板为基体材料，价廉易得，并且耐蚀性良好，寿命较长。

具体实施方式

[0037] 下面的实施例可以进一步说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0038] 实施例1：

[0039] 待着色铬合金钢板的化学成分：C 0.34％；Cr17.95％；

[0040] 按照以下步骤实施着色：

[0041] 1、对铬合金钢进行除油，除油剂由35g/L氢氧化钠、48g/L碳酸钠和3g/LOP乳化剂组成。除油温度为68℃，除油时间为10min。

[0042] 2、将除油后的合金钢板水洗后，进行化学抛光处理。所用抛光剂的配方为硫酸160g/L、盐酸36g/L、硝酸9g/L。抛光温度为40℃，时间为2min。

[0043] 3、将化学抛光后的合金钢板水洗后，进行活化处理。所用活化剂的配方为82g/L磷酸。活化温度为室温，时间为2min。

[0044] 4、将活化后的合金钢板水洗后，进行化学氧化发黑处理。所用氧化发黑着色剂为860g/L硝酸、75g/L硫酸锰和35g/L硝酸铵。氧化发黑温度为90℃，20min后开始起色，35min黑度开始加深，50min后得到均匀深黑色。

[0045] 5、将着色后的合金钢板水洗后，用固化剂处理。所用固化剂为200g/L铬酐，11g/L硫酸。固化温度为45℃，时间为8min。

[0046] 6、将固化后的合金钢板水洗后，进行化学封闭处理。所用化学封闭液的组成为质量分数为2％的硅酸钠和质量分数为0.5％的表面活性剂。封闭处理的温度为90℃，时间为5min。

[0047] 7、将固化后的合金钢板水洗后，烘干得到表面呈现均匀深黑色粗面的太阳能吸热板。

[0048] 经测试，该太阳能吸热板热吸收率为94％，热发射率为30％。

[0049] 实施例2：

[0050] 待着色铬合金钢板的化学成分：C 0.21％；Cr17.20％；

[0051] 按照以下步骤实施着色：

[0052] 1、对铬合金钢进行除油，除油剂由35g/L氢氧化钠、48g/L碳酸钠和3g/LOP乳化剂组成。除油温度为68℃，除油时间为10min。

[0053] 2、将除油后的合金钢板水洗后，进行化学抛光处理。所用抛光剂的配方为硫酸160g/L、盐酸36g/L、硝酸28g/L。抛光温度为50℃，时间为2min。

[0054] 3、将化学抛光后的合金钢板水洗后，进行活化处理。所用活化剂的配方为82g/L磷酸。活化温度为室温，时间为2min。

[0055] 4、将活化后的合金钢板水洗后，进行化学氧化发黑处理。所用氧化发黑着色剂为560g/L硝酸、80g/L硫酸锰和20g/L硝酸铵。氧化发黑温度为80℃，30min后开始起色，45min黑度开始加深，60min后得到均匀深黑色。

[0056] 5、将着色后的合金钢板水洗后，用固化剂处理。所用固化剂为250g/L铬酐，9g/L硫酸。固化温度为45℃，时间为8min。

[0057] 6、将固化后的合金钢板水洗后，进行化学封闭处理。所用化学封闭液的组成为质量分数为2％的硅酸钠和质量分数为0.5％的表面活性剂。封闭处理的温度为90℃，时间为5min。

[0058] 7、将固化后的合金钢板水洗后，烘干得到表面呈现均匀深黑色的太阳能吸热板。

[0059] 经测试，该太阳能吸热板热吸收率为91％，热发射率为25％。

[0060] 实施例3：

[0061] 待着色铬合金钢板的化学成分：C 0.27％；Cr15.43％；

[0062] 按照以下步骤实施着色：

[0063] 1、对铬合金钢进行除油，除油剂由35g/L氢氧化钠、48g/L碳酸钠和3g/LOP乳化剂组成。除油温度为68℃，除油时间为10min。

[0064] 2、将除油后的合金钢板水洗后，进行化学抛光处理。所用抛光剂的配方为硫酸68g/L、盐酸26g/L、硝酸7g/L。抛光温度为35℃，时间为2min。

[0065] 3、将化学抛光后的合金钢板水洗后，进行活化处理。所用活化剂的配方为65g/L磷酸。活化温度为室温，时间为2min。

[0066] 4、将活化后的合金钢板水洗后，进行化学氧化发黑处理。所用氧化发黑着色剂为820g/L硝酸、60g/L硫酸锰和55g/L硝酸铵。氧化发黑温度为85℃，25min后开始起色，35min黑度开始加深，45min后得到均匀纯黑色。

[0067] 5、将着色后的合金钢板水洗后，用固化剂处理。所用固化剂为150g/L铬酐，23g/L硫酸。固化温度为45℃，时间为6min。

[0068] 6、将固化后的合金钢板水洗后，进行化学封闭处理。所用化学封闭液的组成为质量分数为3％的硅酸钠和质量分数为0.5％的表面活性剂。封闭处理的温度为90℃，时间为5min。

[0069] 7、将固化后的合金钢板水洗后，烘干得到表面呈现均匀纯黑色太阳能吸热板。

[0070] 经测试，该太阳能吸热板热吸收率为92％，热发射率为23％。

[0071] 实施例4：

[0072] 待着色铬合金钢板的化学成分：C 0.15％；Cr13.43％；

[0073] 按照以下步骤实施着色：

[0074] 1、对铬合金钢进行除油，除油剂由20g/L氢氧化钠、35g/L碳酸钠和2g/LOP乳化剂组成。除油温度为68℃，除油时间为10min。

[0075] 2、将除油后的合金钢板水洗后，进行化学抛光处理。所用抛光剂的配方为硫酸68g/L、盐酸80g/L、硝酸7g/L。抛光温度为35℃，时间为2min。

[0076] 3、将化学抛光后的合金钢板水洗后，进行活化处理。所用活化剂的配方为100g/L磷酸。活化温度为室温，时间为2min。

[0077] 4、将活化后的合金钢板水洗后，进行化学氧化发黑处理。所用氧化发黑着色剂为620g/L硝酸、60g/L硫酸锰和28g/L硝酸铵。氧化发黑温度为80℃，30min后开始起色，50min黑度开始加深，90min后得到均匀亮黑色。

[0078] 5、将着色后的合金钢板水洗后，用固化剂处理。所用固化剂为80g/L铬酐，30g/L硫酸。固化温度为45℃，时间为6min。

[0079] 6、将固化后的合金钢板水洗后，进行化学封闭处理。所用化学封闭液的组成为质量分数为3％的Na2SiO3和质量分数为0.5％的表面活性剂。封闭处理的温度为90℃，时间为5min。

[0080] 7、将固化后的合金钢板水洗后，烘干得到表面呈现均匀亮黑色太阳能吸热板。

[0081] 经测试，该太阳能吸热板热吸收率为89％，热发射率为20％。

[0082] 实施例5：

[0083] 待着色铬合金钢板的化学成分：C 0.18％；Cr8.35％；

[0084] 按照以下步骤实施着色：

[0085] 1、对铬合金钢进行除油，除油剂由40g/L氢氧化钠、60g/L碳酸钠和5g/LOP乳化剂组成。除油温度为60℃，除油时间为10min。

[0086] 2、将除油后的合金钢板水洗后，进行化学抛光处理。所用抛光剂的配方为硫酸60g/L、盐酸12g/L、硝酸7g/L。抛光温度为30℃，时间为2min。

[0087] 3、将化学抛光后的合金钢板水洗后，进行活化处理。所用活化剂的配方为35g/L磷酸。活化温度为室温，时间为1min。

[0088] 4、将活化后的合金钢板水洗后，进行化学氧化发黑处理。所用氧化发黑着色剂为900g/L硝酸、70g/L硫酸锰和55g/L硝酸铵。氧化发黑温度为78℃，15min后开始起色，25min黑度开始加深，45min后得到均匀纯黑色。

[0089] 5、将着色后的合金钢板水洗后，用固化剂处理。所用固化剂为200g/L铬酐，15g/L硫酸。固化温度为30℃，时间为5min。

[0090] 6、将固化后的合金钢板水洗后，进行化学封闭处理。所用化学封闭液的组成为质量分数为3％Na2SiO3和质量分数为0.5％的表面活性剂。封闭处理的温度为95℃，时间为6min。

[0091] 7、将固化后的合金钢板水洗后，烘干得到表面呈现均匀纯黑色太阳能吸热板。

[0092] 经测试，该太阳能吸热板热吸收率为93％，热发射率为28％。

[0093] 实施例6：

[0094] 待着色铬合金钢板的化学成分：C 0.06％；Cr5.21％；

[0095] 按照以下步骤实施着色：

[0096] 1、对铬合金钢进行除油，除油剂由35g/L氢氧化钠、48g/L碳酸钠和3g/LOP乳化剂组成。除油温度为70℃，除油时间为10min。

[0097] 2、将除油后的合金钢板水洗后，进行化学抛光处理。所用抛光剂的配方为硫酸60g/L、盐酸10g/L、硝酸7g/L。抛光温度为30℃，时间为3min。

[0098] 3、将化学抛光后的合金钢板水洗后，进行活化处理。所用活化剂的配方为30g/L磷酸。活化温度为室温，时间为3min。

[0099] 4、将活化后的合金钢板水洗后，进行化学氧化发黑处理。所用氧化发黑着色剂为780g/L硝酸、10g/L硫酸锰和60g/L硝酸铵。氧化发黑温度为70℃，55min后开始起色，90min黑度开始加深，120min后得到均匀亮黑色，200min得到均匀亮黑色。

[0100] 5、将着色后的合金钢板水洗后，用固化剂处理。所用固化剂为200g/L铬酐，15g/L硫酸。固化温度为50℃，时间为10min。

[0101] 6、将固化后的合金钢板水洗后，进行化学封闭处理。所用化学封闭液的组成为质量分数为3％的Na2SiO3和质量分数为0.5％的表面活性剂。封闭处理的温度为100℃，时间为5min。

[0102] 7、将固化后的合金钢板水洗后，烘干得到表面呈现均匀亮黑色太阳能吸热板。

[0103] 经测试，该太阳能吸热板热吸收率为82％，热发射率为32％。

[0104] 利用本项技术生产的太阳能吸热板在当地一家果汁厂的太阳能干燥大棚中应用，该果汁厂以前采用的太阳能空气集热器吸热板的制做方法是在普通合金钢板上涂刷一层黑漆加木炭的涂料，该法所生产的太阳能吸热板集热效率低，更重要的是吸热板上涂料容易脱落，严重影响了空气集热器的寿命和干燥效率。

[0105] 采用本发明技术生产的吸热板后，其干燥效率得到很大提高。方法是将空气集热器串联和并联的方式将热风送入干燥器，从而将生产果汁的原料-枸杞干燥，既经济又环保，而且对枸杞的营养价值不造成任何影响。