用Torusmill合成可变曲太阳能电池用耐刮伤纳米复合材料 - 文章

用Torusmill合成可变曲太阳能电池用耐刮伤纳米复合材料

作者：Justus von Sonntag

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可变曲太阳能电池表面涂层需要高性能UV固化丙烯酸酯的复合材料。此复合材料不单只需要精细的化学特能，更需要达到性能所需要的分散和研磨步骤，拥有专利的Torusmill 是非常适合用作经硅烷处理的气相二氧化硅的分散设备。而且更容易地从实验室样品扩展到大批量生产。

介绍

特殊的挑战需要特殊的答案：可变曲太阳能电池要在几十年内受到太阳、风吹和气侯的侵袭，另外，除了抵抗以上极端天气条件的要求外，亦要有可变曲、耐损耗、耐刮伤。当然，更要高透明，低成本，对底材不产生高温。由于要求产量高，低加工温度和结合优越的性能，UV固化的丙烯酸酯是首选。已优化的丙烯酸酯配方的抗刮伤性能最好再通过加入无机粒子得以进一步提升。添加量低于实际体积的25%(约40%重量百分比) 时，表面硬度与添加量可视作为线性关系。表面硬度的提升明确地低于粒子本身的硬度。达到限值前，粒子不可以在其它粒子上滑动，总硬度是粒子和树脂交联结构得出的硬度的总和。另一方面若超过限值会使得体系不能再被搅动。图1中的插图显示出理论性的状态，这一点是冶金工艺所共识的。

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图1：增加填充量来提升紫外线固化钠米材料的微观硬度,本图示质量百分比量。
附图是全范围内硬度与体积百分比的理论关系。图中部分对应主图。

分散工艺

如果不是粒子硬度本身，是什么使硬度跟随添加无机粒子的量而改变？答案是粒子与树脂交联结构的作用，而此作用非常决定于分散工艺与粒子表面处理的配合。在一些失败的例子中，微观的硬度随粒子添加量增加而下降，其中一例子是最近我们实验室对一纳米级水性丙烯酸酯的测试(不提供数据)。要达到粒子和交联树脂结构的最大作用，Leibniz-Institute for Surface Modification IOM开发出硅烷处理工艺。此专利的工艺是基于现有的化学反应和新颖的工序。粒子表面硅烷处理包括阶段把粒子中由水解生成的硅烷醇以硅氧烷替代，带氢氧根的硅烷凝结并结合在分散浆液中，此时会提高系统的表面活性，因为此过程是在丙烯酸脂的交联结构内进行，难以掌控的连续变化的分散状态便不存在亦不需要了。

最后，每个单独粒子都被均匀的硅烷所包裹，而再与树脂交联，形成坚硬的薄膜。高透明的薄膜，如太阳能电池表面用的，要求很微细的纳米粒子。在操作时，用气相生产的纳米二氧化硅粒子(德固赛Aerosil，最少比表面积BET是200平方米/克，如Aerosil 200和Aerosil 380)＊。未经表面处理，此粒子用作触变剂，几个重量百分点的添加量足以使清漆变为膏状。当然用在上述合成纳米复合物时亦同样发生，续点把纳米粒子加入丙烯酸树脂中，大扭力的Torusmill 在全功率运转，在开始分散时，在表面活性帮助下，系统的粘度会下降。Torusmill 有数字的显示告知在扭力下降时，操作人员知道可以再添加纳米粒子。Torusmill TM500 型号可以提供扭力与粒子计量添加的自动化。

高透明的纳粒子复合材料

使用传统的分散工艺不可能做到高透明清漆中没有可聚凝颗粒，正因此，专利技术的Torusmill 创新地结合了预分散及高效率的珠磨于一体，对配方进行精细研磨而不需要转换设备，包含重量比20%以上的纳米粒子的高透明复合材料已能生产。这里的高透明是指把一钱币放在清漆的桶底，透过半米高的纳米复合材料仍可读出钱币上的字。

纳米复合材料的开发依靠Torusmill 系列产品的配合而促成。用Torusmill TM10可成功制备10升材料，稍加一些经验和时间，马上可提升至100升的规模(用TM100，见图2)，甚至到半吨(TM500)。这样，原材料的采购便可按实验室结果提升至车间生产的时间表来操控。

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图2：在IOM的原子力显微镜图像前是VMA-Geizmann的Torusmill TM100。
图中显示出在合成的材料内粒子已研磨硬粒子（70nm）

IOM用Torusmill 制备的丙烯酸纳料材料展示出不可思议的低粘度，可以添加更高浓度的粒子，达到可变曲太阳能电池要求的的高耐刮涂层。

可变曲太阳能电池仍然在试产中，丙烯酸纳米材料已在莱比锡的Cetelon Nanotechnik以吨规模地生产，提高到异常耐刮伤的更进一步研究工作正在WKP Unterensingen进行。

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可变曲太阳能电池

鸣谢
本项目部分经费由BMBF在Wachstumskern INNOCIS，03WKI13，和AiF，ProINNO KF0336104KUL3 提供。
＊注：赢创德固赛建议用Aerosil 7200 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/21/2009)


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