一種玻璃鍍膜液的制備方法及應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種玻璃鍍膜液的制備方法及應用，特別是貯存穩定性好和涂膜層無開裂的二氧化硅玻璃鍍膜液的制備方法及作為太陽電池玻璃減反射鍍膜液的應用，屬于無機化工和新材料領域。
【背景技術】
[0002]二氧化硅溶膠粒子具有較大的表面活性，經過表面改性能與有機聚合物混溶，廣泛應用于涂料、精密鑄造、耐火材料以及電子工業等行業。二氧化硅溶膠按其PH值范圍可分為酸性、堿性及中性硅溶膠。
[0003]酸性硅溶膠通常制備工藝為將市售水玻璃溶液稀釋，然用陽離子交換樹脂進行交換得到活性硅酸；將硅酸用堿液處理至堿性，再將其加熱進行縮合反應并濃縮，制得堿性硅溶膠；最后將堿性硅溶膠再經過陽離子樹脂交換，進一步加入適量的酸進行調節，得到酸性硅溶膠。
[0004]由于酸性硅溶膠處于亞穩定狀態，在放置過程中會緩慢凝膠，穩定期較短，濃度高的酸性硅溶膠凝膠趨勢更明顯。此外，酸性硅溶膠涂覆形成的膜層存在微開裂，當膜層厚度較大時，甚至發生膜層完全開裂粉化現象。
[0005]通常的硅溶膠粒子是球狀粒子結構，涂覆形成的凝膠薄膜在干燥過程中伴隨著很大的體積收縮，因而很容易引起膜層微開裂。早期的解決措施一般是控制膜層干燥速度和控制膜層厚度以減小內應力，但改進效果有限。現代采取的措施是制備高交聯度或高聚合度的硅溶膠，使球狀二氧化硅粒子預先相互聯結起來形成線狀或網狀結構的溶膠，從而降低成膜干燥過程中薄膜的體積收縮。例如，美國專利US5221497 (1993-06-22)和US5597512 (1997-01-28)公開一種針狀二氧化硅溶膠及其制備方法，在活性硅酸中加入鈣或鎂鹽，控制鈣或鎂鹽與二氧化硅的摩爾比為0.0015-0.0085:1 ;然后用氫氧化鈉或乙醇胺水溶液調整硅酸溶膠至堿性，控制堿金屬氧化物和二氧化硅的摩爾比為0.005-0.05:1 ；水熱處理使硅酸縮合轉化為針狀結構二氧化硅水溶膠，從根本上改善了膜層性質和減少了微開裂，所得堿性硅溶膠可在常溫下貯存6個月或60°C下貯存I個月不發生凝膠。而在應用實踐中發現，若將其在酸性條件下貯存僅I個月就發生明顯的變稠和凝膠現象，不能滿足工業生產要求。
【發明內容】
[0006]本發明目的是提供一種玻璃鍍膜液的制備方法，采取的技術方案是在堿金屬硅酸鹽離子交換得到的活性硅酸中加入鈣或鎂鹽催化劑，用堿金屬硅酸鹽調整活性硅酸的酸堿性，然后水熱處理使活性硅酸縮合轉化為網狀結構二氧化硅水溶膠。本發明活性硅酸的縮合反應在60-75°C和pH8.0-8.5下3_12h內完成，縮合反應完成后分離去除媽鎂離子，進一步離子交換形成的玻璃鍍膜液中不含有金屬離子，具有良好貯存穩定性，涂膜層干燥時體積變化小，膜層沒有微開裂，酸性硅溶膠在常溫貯存12個月或60°C下貯存2個月沒不發生變稠或凝膠現象。
[0007]本發明玻璃鍍膜液制備過程和具體步驟為:
(1)配制3102質量百分濃度為3%_5%的硅酸鈉溶液，用強酸性離子交換樹脂處理至溶液PH2.5-3.5，使硅酸鈉水溶液轉化為活性硅酸溶液，所述硅酸鈉溶液是固體偏硅酸鈉或模數2-4的水玻璃溶液溶于水稀釋而成；
(2)在攪拌下向活性硅酸溶液中加入鈣或鎂鹽催化劑溶液，控制鈣或鎂催化劑與硅酸的摩爾比為0.009-0.015:1，使鈣或鎂離子均勻分散形成透明溶液，所述鈣或鎂鹽是其硝酸鹽、鹽酸鹽或醋酸鹽；
(3)在攪拌下向含催化劑的活性硅酸溶液中加入S12質量百分濃度3%-5%的堿金屬硅酸鹽溶液，調節溶液酸堿度至PH8.0-8.5，然后在60-75°C下進行縮合反應3_12h，得到S12質量百分濃度5%-10%的堿性硅溶膠，所述堿金屬硅酸鹽是硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鋰或其混合物；
(4)在攪拌下向以上堿性硅溶膠中加入質量百分濃度為3%-6%的草酸鹽溶液，控制草酸鹽與鈣或鎂催化劑的摩爾比為1-3 ;1，以沉淀除去鈣或鎂催化劑，所述草酸鹽是草酸銨、草酸鉀、草酸鈉或草酸鋰；
(5)將脫去鈣或鎂催化劑的硅溶膠用強酸性和強堿離子交換樹脂的混合樹脂處理，去除硅溶膠中殘留的陽離子和陰離子，使硅溶膠PH2.5-3.5 ;
(6)進一步酸化硅溶膠至pHl.8-2.5，在60°C下真空濃縮至S12質量百分濃度達到25%，硅溶膠平均粒徑20-30nm。
[0008]本發明采用堿金屬硅酸鹽調整活性硅酸的酸堿性，可避免采用氫氧化鈉或乙醇胺時，硅溶膠局部酸堿度不均勻生成凝膠晶種，使硅溶膠穩定和不易發生凝膠。由于加入鈣或鎂催化劑濃度提高，活性硅酸的縮合反應可以在較低溫度和接近中性條件下迅速完成。
[0009]本發明的另一目的是將本發明玻璃鍍膜液作為太陽能電池玻璃減反射鍍膜液應用，以提高太陽電池玻璃透光率，具體步驟為:
(1)在控制溫度20°C和相對濕度小于RH50%的鍍膜室中，將玻璃鍍膜液用去離子水稀釋至S12質量百分濃度5% ；
(2)將玻璃鍍膜液過濾后加入三輥鍍膜機中，溶膠均勻地附著在涂布輥上，調整鍍膜機轉速，控制濕膜厚度2000nm左右；
(3)將玻璃鍍膜液輥涂在清洗干凈的太陽電池玻璃樣片上，經80-150°C分段加熱固化3-6分鐘，得到泛藍紫色的太陽電池鍍膜玻璃；
(4)優化調節三輥鍍膜機的鍍膜工藝參數，使太陽電池鍍膜玻璃的干膜厚度控制在140nm-180nm，控制鍍膜前后在380nm_1100nm波長范圍內的平均透光率增加2.5%_3.5% ；
(5)將鍍膜的太陽電池玻璃樣片在500-720°C鋼化爐中鋼化處理3-6分鐘，將膜層燒結在玻璃表面，膜層表面平整和無微開裂，可滿足晶體硅太陽電池玻璃生產應用要求。
[0010]膜層厚度測試:用美國filmtrics公司產F20型薄膜厚度測定儀測定，設計膜層厚度 140nm _180nm。
[0011]透光率測試:依據ISO 9050-2003，采用PerkinElmer公司產Lambda950分光光度計，測試250nm-l10nm波長范圍的透光率，取4個不同位置透光率的平均值。
[0012]鹽霧老化:依據IEC 61215標準，將樣品放入35°C鹽霧老化箱中，用5%氯化鈉溶液噴霧，定期取出測透光率，設計96小時鹽霧老化后透光率降低小于1.0%。
[0013]濕熱老化:依據IEC 61215標準，將樣品放入85°C和相對濕度85%的濕熱老化箱中，定期取出測透光率，設計1000小時濕熱老化后透光率降低小于1.0%。
[0014]濕凍老化:依據IEC 61215標準，將樣品放入濕凍老化箱中，從85°C和相對濕度85%降至-40°C，定期取出測透光率，設計循環次數10次濕凍老化后透光率降低小于1.0%。
[0015]膜層硬度測試:沒有使膜層出現3mm以上劃痕的最硬鉛筆硬度，設計鉛筆硬度5H。
[0016]耐洗刷測試:用自來水、洗滌劑、棉布、海綿和塑料組合測試，定期取出測透光率，測試25次，測試前后透光率降低小于1.0%。
[0017]本發明的優點和有益效果體現在:
(1)本發明采用堿金屬硅酸鹽代替氫氧化鈉或乙醇胺調整活性硅酸的酸堿性，可避免硅溶膠局部酸堿度不均勻生成凝膠晶種，并可避