一种柔性光热金属胶带及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及光热领域，尤其涉及一种柔性光热金属胶带及其制备方法和应用。

背景技术

光热技术能够有效地将太阳能转换为热能，实现对可再生能源的多样化利用。目前，光热转换材料多为刚性材质，受到尺寸和形状的限制，仅能作为特定功能区域的构件使用，并且如果光热界面受到破坏，难以进行修复。因此，亟需一种柔性光热技术，可灵活地适配于各种板状、管状等大尺寸或异型的基体上，在界面损坏或污染时，可选择性地对失效区域进行替换和修复，从而延长其使用寿命，减少其原料消耗，拓展其应用范围并实现绿色环保和清洁能源利用。

发明内容

本发明设计开发了一种柔性光热金属胶带，本发明的发明目的是解决现有技术中刚性光热材料适配性低，可修复性差，无法灵活应用至各个领域的技术问题。

本发明还设计开发了一种柔性光热金属胶带的制备方法，本发明的目的是提供制备柔性光热金属胶带的方法。

本发明提供的技术方案为：

一种柔性光热金属胶带的制备方法，包括：

将金属胶带固定在阳极基材上后，在电解液中进行阳极氧化得到所述柔性光热金属胶带；

其中，所述阳极氧化参数为：电压为0.5V～20V，温度为15℃～60℃，时间为10min～240min。

优选的是，所述柔性光热金属胶带表面为0.1μm～5μm的涂层。

优选的是，所述金属胶带宽度为5mm～500mm，长度为1cm～50cm。

优选的是，所述金属胶带为铜胶带或者铜合金箔与亚克力压敏胶的复合胶带；

其中，所述铜合金为紫铜、青铜、黄铜或者白铜。

优选的是，所述阳极基材为铜片、钛片或者不锈钢片。

优选的是，所述电解液的溶质为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化铷、氢氧化铯或氢氧化钫中的一种或多种；

其中，所述电解液的浓度为1mol/L～10mol/L。

优选的是，所述阳极氧化参数为：电压为0.5V～2V、1V～5V、5V～10V或者15V～20V；

温度为15℃～25℃、15℃～35℃或者20℃～40℃；

时间为30min～120min、40min～90min或者45min～60min；或者

所述电解液的浓度为0.5mol/L～5mol/L或者2.5mol·L

优选的是，在所述阳极氧化之前对金属胶带进行预处理，包括：使用碳化硅砂纸对金属胶带的表面进行打磨后，使用稀盐酸对金属箔面进行擦洗，在使用去离子水继续宁冲洗后干燥处理；以及

在所述阳极氧化之后对柔性光热金属胶带进行后处理，包括：将降级氧化后的金属胶带使用去离子水冲洗后进行干燥处理。

一种柔性光热金属胶带，通过将金属胶带缠绕将金属胶带固定在阳极基材上后，在电解液中进行阳极氧化制备得到所述性光热金属胶带；

其中，所述柔性光热金属胶带表面为0.1μm～5μm的涂层。

一种柔性光热金属胶带在海水淡化领域的应用，使用所述的性光热金属胶带。

本发明所述的有益效果：

1、本发明提供的柔性光热金属胶带的制备方法通过阳极氧化法在柔性金属胶带上制备了一层具有光热转换特性的氧化铜纳米片涂层，同时对其胶面进行了保护，获得的金属胶带的箔面变成黑色，获得光热转换特性，从而剥离胶面的离型纸可以缠绕粘附在不同的基体上，在维持其原有功能及特性不变的情况下，可以作为一种光热构件吸收太阳光能量转换为热量；

2、本发明提供的柔性光热金属胶带使用阳极氧化法在铜基胶带箔面生成了黑色的氧化铜纳米涂层，随后可以缠绕在各种不同的基体上，实现光热转换的功能；

3、本发明提供的柔性光热金属胶带胶面保持完整未被破坏，具有良好的粘附力，可以与不同的基体结合，例如金属板/管、玻璃板/管、塑料板/管以及U型管、T型管、Y型管等，在保留这些基体自身物理化学性质以维持其在所属领域内应用的同时，还能够获得优异的光热转换特性用于太阳能吸收利用；

4、本发明提供的柔性光热金属胶带灵活性极高，适用于各种形状的表面，丰富了光热构件的设计灵感，也推动了光热转换的应用进程；

5、本发明提供的柔性光热金属胶带，胶面如果被破坏，可以在被破坏的区域直接进行更换，重新贴合，适用性更强，避免了现有技术中刚性材料损坏之后，部件修复困难，直接更换成本过高的问题。

附图说明

图1是本发明所述的实施例1的柔性光热金属胶带的涂层表面的SEM图。

图2是本发明所述的实施例1的柔性光热金属胶带的涂层截面的SEM图。

图3是本发明所述的实施例2的柔性光热金属胶带的涂层表面的SEM图。

图4是本发明所述的实施例3的柔性光热金属胶带的涂层表面的SEM图。

图5是本发明所述的实施例1的柔性光热金属胶带缠绕在外径10mm铜管上在光热转换测试时的温度-时间曲线示意图。

图6是本发明所述的实施例2的柔性光热金属胶带缠绕在外径10mm玻璃管上在光热转换测试时的温度-时间曲线示意图。

图7是本发明所述的实施例3的柔性光热金属胶带缠绕在外径10mm钛管上在光热转换测试时的温度-时间曲线示意图。

图8是本发明所述的实施例4的柔性光热金属胶带缠绕在外径10mml铝管上在光热转换测试时的温度-时间曲线示意图。

图9是本发明所述的对比例1的柔性光热金属胶带的涂层表面的SEM图。

图10是本发明所述的对比例2的柔性光热金属胶带的涂层表面的SEM图。

图11是本发明所述的对比例1的柔性光热金属胶带缠绕在外径10mm铜管上在光热转换测试时的温度-时间曲线示意图。

图12是本发明所述的对比例2的柔性光热金属胶带缠绕在外径10mm铜管上在光热转换测试时的温度-时间曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提供了一种柔性光热金属胶带的制备方法，柔性光热金属胶带具有光热转换特性，可与不同的基体结合，设计灵活的光热构件，用于太阳能的光热转换；具体包括如下：将金属胶带固定在阳极基材上后，在电解液中进行阳极氧化得到柔性光热金属胶带；其中，金属胶带的材质为铜或铜合金，将金属胶带的金属箔面作为阳极在电解液中进行阳极氧化，胶面仍受到离型纸保护，阴极与其平行对向放置，在金属胶带表面得到一层厚度为0.1μm～5μm黑色氧化铜纳米片涂层，将柔性光热金属胶带缠绕在不同的基体上，基体的性质包括尺寸、形状、材质的一种或多种；阳极氧化的参数为：电压为0.5V～20V，温度为15℃～60℃，时间为10min～240min，在该条件下制备的氧化铜纳米涂层结合力非常好，并且光吸收能力强大；作为一种优选，阳极氧化的电压为0.5V～2V、5V～10V、15V～20V或者1V～5V，阳极氧化时间为30min～120min、40min～90min或者45min～60min，温度条件示例性地控制在20℃～40℃、15℃～35℃或者15℃～25℃。

在另一种实施例中，金属胶带为铜胶带或者铜合金箔与亚克力压敏胶的复合胶带，金属胶带的长度为1cm～50cm，宽度为5mm～500mm；作为一种优选，金属胶带的长度为10cm～30cm、5cm～25cm、20cm～50cm或者20cm～40cm，宽度为5mm～100mm、5mm～20mm或者10mm～20mm；其中，铜合金箔为紫铜箔、青铜箔、黄铜箔或白铜箔，阳极基材需要根据胶带的尺寸发生变化，确保胶带能均匀缠绕在阳极基材上，金属箔面与电解液之间完全接触，阳极基材根据所需为铜片、钛片、不锈钢片中的一种；阴极材质为金属板、合金板、石墨板等导电材质中的一种，在某些实施例中阴极材料不做进一步限定；在阳极氧化的过程中，金属胶带固定缠绕在阳极基材上，只有金属箔一面参与反应，胶面仍然受到离型纸保护。

根据本发明的制备方法，可以通过阳极氧化在柔性铜或铜基胶带的金属箔面生长出一层结合力高的黑色氧化铜纳米涂层；氧化铜是一种窄带隙半导体，基于半导体的非辐射弛豫效应，能够有效地将太阳光转换为热量。基体铜或铜基合金的导热性好，因此能够将热量以极小损耗的方式传递给胶带缠绕的不同的基体，继而传递给受热单位或工质；作为一种优选，柔性金属胶带可以为铜胶带，或者紫铜箔、青铜箔、黄铜箔或白铜箔与亚克力压敏胶的复合胶带，优选地为铜胶带；基体的性质包括尺寸、形状、材质的一种或多种。

在另一种实施例中，阳极氧化过程所使用的电解液的溶质为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化铷、氢氧化铯、氢氧化钫中的一种或多种，溶剂为去离子水、乙二醇、丙三醇中的一种或多种，电解液的浓度为1mol/L～10mol/L；作为一种优选，电解液的浓度为0.5mol·L

在另一种实施例中，阳极氧化之前需要进行预处理，以获得光滑纯净的金属箔面，预处理过程包括打磨、酸洗、清洗和干燥；作为一种优选，使用1000#、5000#、7000#、10000#等碳化硅砂纸依次对铜胶带表面进行打磨，随后使用0.5mol·L

在另一种实施例中，不同的基体也需要进行预处理，包括打磨、抛光、清洗和干燥等步骤，以保证壁面的光滑洁净，从而和金属胶带的胶面之间更好地结合；作为一种优选，使用500#、1000#、3000#、5000#、7000#等碳化硅砂纸依次对基体表面进行打磨，随后使用抛光条进行进一步地抛光，随后分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗1min～60min，随后使用氮气枪吹干外表面水分，然后置于电热恒温鼓风干燥箱中，在50℃～100℃的烘干温度下干燥处理1h～6h。

在另一种实施例中，在阳极氧化之后还包括后处理，后处理为对金属胶带在去离子水中清洗、氮气吹扫并烘干；作为一种优选，将阳极氧化的金属胶带使用去离子水冲洗，冲洗时间为1min～10min，将清洗后的金属胶带用氮气吹干表面水分，再放入干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为40℃～70℃，干燥时间为1h～3h。

在另一种实施例中，基体为不同尺寸的管状，可以为3mm的管，也可以为7mm的管，还可选地为10mm管；将获得的柔性光热金属胶带以螺旋状均匀缠绕在管上，覆盖管的外表面，在缠绕过程中逐步扯开金属胶带的离型纸，使胶面与管壁面充分贴合，并用力按压使压敏胶结合稳定。

在另一种实施例中，阳极氧化的时间10min～240min，在阳极氧化过程中，黑色氧化铜纳米片涂层在铜或铜基胶带的金属箔面上不断生成并稳定存在，这样的一步阳极氧化原位生长氧化铜，流程简单且耗时短，并且结合力非常好。上述的氧化铜涂层的厚度示例性地为0.1μm～3μm，或者为0.5μm～2μm，可选地为1μm～4μm，还可选地为1.5μm～3.5μm，还可以为2μm。

本发明实施例还提供一种柔性光热金属胶带，采用本发明的制备方法制造而得，在铜胶带或铜合金箔与亚克力压敏胶的复合胶带上制备一层均匀的氧化铜纳米片涂层，涂层厚度为0.1μm～5μm。具有光热转换特性，可与不同的基体结合，设计灵活的光热构件，用于太阳能的光热转换。

下面给出几种柔性光热金属胶带的制备方法的示例，并选择有代表性的柔性光热金属胶带进行材料性能分析。

实施例1

本实施例提供的柔性光热金属胶带制备方法具体包括：

(1)将长10cm，宽10mm的铜胶带依次使用1000#、5000#、7000#、10000#的碳化硅砂纸进行打磨，至铜胶带表面呈现出光滑镜面；

(2)使用无纺布蘸取少量1mol·L

(3)将清洗后的铜胶带用氮气吹干表面水分，放入干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为60℃，干燥时间为2h；

(4)将长20cm，外径10mm的铜管使用500#、1000#、3000#、5000#、7000#的碳化硅砂纸对管外表面进行打磨，用抛光条进行抛光，分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗30min，用氮气枪吹干外表面水分，然后置于干燥箱中，在60℃的烘干温度下干燥处理2h；

(5)将铜胶带缠绕在金属铜片上，离型纸面与铜片紧紧贴合，两端使用长0.5cm露出胶面的铜胶带进行辅助贴合；

(6)将铜胶带连接到电源正极，石墨板连接电源负极，通入电解液(3mol·L

(7)将阳极氧化后的金属胶带使用去离子水冲洗5min；

(8)将清洗后的金属胶带用氮气吹干表面水分，再放入干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为60℃，干燥时间为2h；

(9)将干燥的金属胶带螺旋形缠绕在干燥的铜管上，逐步扯开离型纸，保证两者的紧密贴合。

实施例2

本实施例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(2)中，稀盐酸的浓度为2mol·L

步骤(4)中，将铜管替换为玻璃管，不进行打磨；

步骤(6)中，阴极为钛片，电解液为2mol·L

实施例3

本实施例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(4)中，将铜管替换为钛管；

步骤(6)中，电解液为4mol·L

实施例4

本实施例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(1)中，将铜胶带替换为黄铜箔与亚克力压敏胶的复合胶带；

步骤(2)中，稀盐酸的浓度为1.5mol·L

步骤(3)中，干燥温度为75℃，干燥时间为1.5h；

步骤(4)中，将铜管替换为铝管；

步骤(6)中，阴极为不锈钢片，电解液为3.5mol·L

步骤(7)中，去离子水冲洗时间为3min。

实施例5

本实施例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(1)中，将铜胶带替换为紫铜箔与亚克力压敏胶的复合胶带；

步骤(2)中，稀盐酸的浓度为0.8mol·L

步骤(3)中，干燥温度为70℃，干燥时间为1.5h；

步骤(4)中，将铜管替换为不锈钢管；

步骤(6)中，阴极为铂片，电解液为1mol·L

步骤(8)中，干燥温度为70℃，干燥时间为1.5h。

实施例6

本实施例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(4)中，将铜管替换为U型钛管，长度为10cm，外径为10mm，内径为8mm。

步骤(6)中，电解液为5mol·L

实施例7

本实施例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(4)中，将铜管替换为螺旋形钛管，长度为10cm，匝数为3匝，每一匝宽度为6cm，外径为10mm，内径为8mm。

步骤(6)中，电解液为10mol·L

对比例1

本对比例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(6)中，电解液为0.1mol·L

对比例2

本对比例提供的柔性光热金属胶带制备方法与实施例1的不同之处在于：

步骤(6)中，阳极氧化电压为0.4V。

测试例

本发明通过对阳极氧化的电压、温度和时间进行调节，通过上述制备方法制得的柔性光热金属胶带与不同的基体的结合作为光热构件均具有相似或相同的光热转换能力，能够实现高效的太阳能利用，柔性光热金属胶带均能灵活地适应各种尺寸、形状、材质的基体，且结合稳定，测试例如下：

测试仪器：太阳能模拟器型号：OrielSol3A，生产厂商：Newport；太阳能模拟器参数：一个标准太阳光(AM1.5G，1kWm-2)；温度计：3306，生产厂商：Invesible；温度计测量范围：-40～300(℃)。

光热转换测试方法：

(1)将制备的光热金属胶带均匀缠绕在各种形状的基体上，用力按压以保证紧密结合；

(2)将缠绕了光热胶带的构件进行封装，使用橡胶塞密封管的两端端口，并使用防水胶带进行密封，随后使用白色标签纸定位，露出约4cm长的管身作为测试区；

(3)将排气针插入一端密封塞中，随后用注射针注液，至排气针出液，表明内部已充满工质；

(4)在组装的光热管两端连接亚克力有机玻璃片，使用螺栓紧固整个构件，至玻璃片稍微弯曲外凸；

(5)从一端插入温度计探头，同时使用耐热胶带紧固防止测试过程松动或者脱落；

(6)将该光热构件置于黑色磨砂板的样品台上，样品台上配备有抛物面反光镜，将该构件对准反光镜的焦线；

(7)记录内部液体初始温度，随后打开太阳能模拟器开关进行光热测试，同时计时器开始计时；

(8)测试时间设为60min，前10min内每1min记录一次；10～20min每2min记录一次；20～40min每5min记录一次；40～60min每10min记录一次；降温阶段记录规律相同，记录在温度到达原始温度时截止

(9)将所记录的时间作为横坐标，温度作为纵坐标，绘制光热转换曲线。

测试结果如下：

如图1、2所示，实施例1的制备方法中，通过阳极氧化在柔性铜胶带表面原位生长出了一层均匀的黑色氧化铜纳米片涂层，涂层的厚度大约为1.3μm；如图3、4所示，实施例2、3制备的铜胶带表面也有类似的纳米片结构。

如图9、10所示，对比例1的表面并无明显变化，对比例2表面获得了一定程度的粗糙结构，并没有无法获得本发明实施例中的纳米片状结构。这说明在本发明实施例限制的参数范围内，才能获得所述的结构。

实施例1-7制备的光热柔性金属胶带表面呈现出黑色，与原始的黄色、有金属光泽形成鲜明对比，并且可稳定缠绕在不同的基体上，进一步作为光热构件进行太阳能的吸收利用并转化为热量。

如图5所示，实施例1制备的柔性光热铜胶带与铜管结合，作为集热管使用时，可升温至100℃，并且稳定在这一温度水平，实现了高效率的光热转换与太阳能利用。

如图6所示，实施例2制备的柔性光热铜胶带与玻璃管结合，作为集热管使用时，在20min内可升温至110℃，并且在40min内稳定在这一温度水平，同样实现了高效率的光热转换与太阳能利用。

如图7所示，实施例3制备的柔性光热铜胶带与铜管结合，可升温至93.7℃；如图8所示，实施例4制备的柔性光热铜胶带与铜管结合，可升温至102.7℃；

如图11所示，对比例所制备的柔性光热铜胶带与铜管结合，作为集热管使用时，仅升温至67.7℃；如图12所示，对比例所制备的柔性光热铜胶带与铜管结合，作为集热管使用时，仅升温至71.2℃。这说明了本发明只有在本发明实施例的制备方法参数范围内，才能获得氧化铜纳米片结构，从而获取高效率的光热转换能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。