高太陽能加權(quán)反射率聚合物膜反射器的制造方法
【專利說明】高太陽能加權(quán)反射率聚合物膜反射器
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年3月8日提交的美國申請第13/790, 099號的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)， 其全部內(nèi)容在此以引證的方式納入本說明書。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦政府贊助的研究或開發(fā)的聲明
[0004] 本發(fā)明是在能源部授予的獎項(xiàng)DE-EE0003584. 000和DE-SC0009224TDD下通過政 府支持完成的。政府對本發(fā)明享有一定權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005] 本發(fā)明屬于反射膜領(lǐng)域。本發(fā)明通常涉及一種用于反射大部分入射太陽輻射例如 用于聚集太陽能應(yīng)用中的改進(jìn)的太陽能反射器。
[0006] 太陽能反射器的總反射率主要取決于太陽能反射器中有源反射材料的反射效率， 該反射效率作為入射太陽電磁輻射的波長的函數(shù)。早期的薄膜反射器納入薄鋁膜作為有源 反射器。例如，1981年12月21日發(fā)布的關(guān)于耐候性太陽能反射器的美國專利4, 307, 150 公開了一種包含沉積于柔性聚酯支撐板上的鋁表面的太陽能反射器。之后，利用銀薄膜反 射器，這是因?yàn)閷τ谔柟庾V的大多數(shù)波長而言銀的反射率比鋁高。1987年2月24日發(fā)布 的關(guān)于抗腐蝕銀鏡的美國專利4, 645, 714公開了一種包含沉積于聚酯支撐膜上的銀表面 的鏡面反射鏡膜。
[0007] 最近，先進(jìn)光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)被納入至太陽能反射器中。例如，2012年1月19日 出版的關(guān)于寬帶反射器、聚集太陽能系統(tǒng)以及使用它們的方法的美國專利申請公開物US 2012/0011850公開了一種寬帶紫外線反射型多層光學(xué)膜，所述膜包括四分之一波長疊堆構(gòu) 型的較高和較低折射率材料的交替層（alternatinglayer)，對反射入射紫外線福射進(jìn)行 優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 現(xiàn)有太陽能反射膜的簡單性、效率和耐候性通過本發(fā)明得到改善。例如，公開了包 括層的數(shù)量降低的反射薄膜構(gòu)造，其提供了提高的太陽能加權(quán)半球反射率和耐久性。本發(fā) 明的反射膜包括包含設(shè)置在金屬層之上且任選地聚合物層之上的紫外線吸收耐磨涂層的 那些反射膜。還公開了紫外線吸收耐磨涂層和用于優(yōu)化耐磨涂層的紫外線吸收的方法。本 文所公開的反射膜可用于太陽能反射、太陽能收集和太陽能聚集應(yīng)用中，例如用于電能的 產(chǎn)生。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的反射膜在反射入射地面太陽輻射方面得到提高，所述提 高與目前現(xiàn)有技術(shù)水平可用的太陽能聚合物膜反射器相比等于1%或更大。
[0009] 在一方面，提供了多層反射膜。此方面的反射膜包含：粘合劑層；設(shè)置在粘合劑層 之上且任選地與粘合劑層物理接觸的金屬層；設(shè)置在金屬層之上且任選地與金屬層物理接 觸的聚合物層；以及設(shè)置在聚合物層之上且任選地與聚合物層物理接觸的耐磨層。此方面 的另一反射膜包含：聚合物層；設(shè)置在聚合物層之上且任選地與聚合物層物理接觸的金屬 層；設(shè)置在金屬層之上且任選地與金屬層物理接觸的耐磨層；以及任選地設(shè)置在聚合物層 之下且任選地與聚合物層物理接觸的粘合劑層。任選地，耐磨層為涂層。任選地，耐磨層為 硬涂層。
[0010] 在一個實(shí)施方案中，耐磨層相對于入射太陽電磁輻射的路徑而言為外層。在一個 實(shí)施方案中，聚合物層相對于入射太陽電磁輻射的路徑而言為內(nèi)層，所述聚合物層直接或 間接地位于耐磨層和金屬反射層之間。在一個實(shí)施方案中，金屬層相對于入射太陽電磁輻 射的路徑而言為內(nèi)層，所述金屬層直接或間接地位于耐磨層和聚合物層之間。
[0011] 對于某些實(shí)施方案而言，在多層反射膜的外部設(shè)置耐磨層用于保護(hù)下面的層免于 例如過度暴露于破壞性紫外線電磁輻射或暴露于可損害或以其他方式惡化下面的層的功 能的磨損條件。任選地，耐磨層在電磁波譜的紫外線區(qū)域或近紫外線區(qū)域內(nèi)具有截止波長 (cut-offwavelength)。例如，對于某些應(yīng)用而言，耐磨層具有小于385nm的截止波長，或 者在某些實(shí)施方案中具有小于382nm或小于380nm的截止波長。任選地，耐磨層具有小于 375nm、小于370nm、小于365nm、小于360nm、小于355nm或小于350nm或者選自355至385nm 的范圍或者選自350nm至365nm的范圍的截止波長。
[0012] 在實(shí)施方案中，提供截止波長小于385nm的耐磨層例如使耐磨層用作屏蔽層以 減少或以其他方式防止下面的層暴露于過量的波長小于截止波長的電磁輻射。在實(shí)施方 案中，使用具有這些性質(zhì)的耐磨層使得例如反射和收集波長小于385nm的地面太陽電磁輻 射一原本會被截止波長大于本文所述的耐磨層的截止波長的耐磨或紫外線屏蔽層吸收的 電磁輻射。任選地，此方面的反射膜具有用于入射太陽電磁輻射的反射率光譜，所述入射太 陽電磁福射包括具有在385nm和截止波長之間的波長的電磁福射的貢獻(xiàn)。
[0013] 在實(shí)施方案中，耐磨層吸收大部分波長小于截止波長的入射紫外線電磁輻射，例 如大部分波長小于截止波長的入射地面太陽紫外線輻射。在實(shí)施方案中，耐磨層對于波長 小于截止波長的電磁輻射（例如紫外線電磁輻射）例如波長小于截止波長的入射地面太陽 輻射而言具有大于或等于50%的吸收率。對于某些應(yīng)用，耐磨層的吸收率對于波長小于截 止波長5至IOnm的電磁輻射而言提高至大于或等于90 %。任選地，耐磨層通過減少或消 除下面的金屬層、聚合物層和/或粘合劑層暴露于波長小于截止波長的電磁輻射來對這些 層進(jìn)行保護(hù)。在實(shí)施方案中，耐磨層透射大部分波長大于截止波長的入射電磁輻射，例如大 部分波長在截止波長和2. 5ym之間的電磁輻射，例如入射地面太陽電磁輻射。在實(shí)施方案 中，耐磨層對于波長大于截止波長或選自截止波長和2. 5ym之間的電磁輻射而言具有大 于或等于50%的透射率，或者對于波長大于截止波長的入射地面太陽電磁輻射而言具有大 于或等于50%的透射率。
[0014]寬范圍的材料可用于本發(fā)明的反射膜的耐磨層中。在某些實(shí)施方案中，例如，耐 磨層包含聚合物、丙烯酸酯、丙烯酸（acrylic)、聚烯烴、環(huán)烯烴聚合物、環(huán)烯烴共聚物、熱塑 性塑料、納米顆粒涂料（nano-particlecoating)、溶膠凝膠涂料或這些物質(zhì)的任意組合。 有用的耐磨層包括但不限于包含紫外線固化的丙烯酸酯、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMM)、乙 稀-降冰片稀共聚物、聚降冰片稀、Zeouex?、Zeonoi**、CR-39、共聚苯乙稀和甲基丙稀 酸甲酯、腦$#、和這些的任意組合。
[0015]有用的耐磨層包括任選地包含一種以上紫外線吸收化合物的那些，所述紫外線吸 收化合物例如分布于支撐介質(zhì)如含聚合物的層中。示例性紫外線吸收化合物包括但不限 于N,N' -草酰二苯胺（oxanilide)、二苯甲酮、HP三嗪、苯并三唑、甲脒和這些的任意衍生 物。本文所述的耐磨層可用的具體紫外線吸收化合物包括但不限于：2, 4-二羥基二苯甲 酮、2-羥基-4-(辛氧基）二苯甲酮、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮、a-[3-[3-(2H-苯并三 唑-2-基）-5- (1，1-二甲基乙基）-4-羥基苯基]-1-氧代丙基]-? -羥基聚（氧代-1，2-乙 烷二基）、a- [3-[3_(2H-苯并三唑-2-基）-5-(1, 1-二甲基乙基）-4_羥基苯基]-1-氧 代丙基]_ ? -[3-[3-(2H-苯并三唑-2-基）-5-(1，1-二甲基乙基）-4-羥基苯基]-1-氧 代丙基]-聚（氧基-1，2-乙烷二基）、2-(3, 5-二叔丁基-2-羥基苯基）-2H-苯并三唑、 2-(3-叔丁基-2-羥基-5-甲基苯基）-5-氯-2H-苯并三唑、2-(2' -羥基-3'，5' -二叔 丁基苯基）-5-氯苯并三唑、2-(2-羥基-3, 5-dipenryl-苯基）苯并三唑、2-(2H-苯并三 唑-2-基）-4-(1, 1，3, 3-四甲基丁基）苯酚、2-(2-羥基-5-甲基苯基）苯并三唑和N-(乙 氧基羰基苯基）-N' -甲基-N' -苯基甲脒和這些物質(zhì)的任意衍生物、組合或變體。任選地， 耐磨層包含兩種以上的紫外線吸收化合物的組合。
[0016] 在某些實(shí)施方案中，例如，耐磨層包含所選的紫外線吸收化合物的組合以提供有 益于特定應(yīng)用例如聚集太陽能的反射膜的所有光學(xué)性質(zhì)。在實(shí)施方案中，兩種以上的紫外 線吸收化合物的組合可用于調(diào)整耐磨層的吸收率曲線的精確下降形狀。在實(shí)施方案中，獨(dú) 立地選擇各種紫外線吸收化合物的濃度和截止波長以在耐磨涂層的截止波長以下提供特 定的吸收率曲線。任選地，一種以上的紫外線吸收化合物中的至少一種的截止波長小于 385nm、375nm、370nm、365nm、360nm、355nm或 350nm或者選自 355 至 385nm的范圍或者選自 350nm至365nm的范圍。
[0017] 對于某些應(yīng)用而言，電磁輻射被耐磨層的吸收通常取決于比爾定律（Beer's Law)。影響電磁輻射的吸收的因素包括耐磨層的厚度和耐磨層包含的紫外線吸收劑如紫外 線吸收化合物的濃度。任選地，耐磨層的厚度選自Iym至5ym的范圍。任選地，耐磨層的 厚度選自Iym至10ym的范圍。任選地，耐磨層的厚度選自2ym至10ym的范圍。任選 地，耐磨層的厚度選自5ym至10ym的范圍。任選地，耐磨層的厚度選自10ym至15ym 的范圍。任選地，耐磨層的厚度選自15ym至20ym的范圍。任選地，一種以上的抗吸收 層（absorptionresistantlayer)包含的紫外線吸收化合物的濃度選自0? 1重量％至5 重量％的范圍。任選地，一種以上的抗吸收層包含的紫外線吸收化合物的濃度選自0. 5重 量％至5重量％的范圍。任選地，一種以上的抗吸收層包含的紫外線吸收化合物的濃度選 自0. 1重量％至2重量％的范圍。任選地，一種以上的抗吸收層包含的紫外線吸收化合物的 濃度選自1重量％至5重量％的范圍。任選地，一種以上的抗吸收層包含的紫外線吸收化 合物的濃度選自2重量％至5重量％的范圍。在一個實(shí)施方案中，選擇一種以上的耐磨層 包含的紫外線吸收化合物的濃度以給耐磨層提供截止波長，例如小于385nm或小于380nm 的截止波長。任選地，一種以上的紫外線吸收的化合物均勻地分布于耐磨層中，例如所述化 合物在整個層中的濃度為平均濃度的0. 8-1. 2倍。任選地，一種以上的紫外線吸收化合物 不均勻地分布于耐磨層中，例如所述化合物具有用于特定應(yīng)用的空間分布（例如功能梯度 涂層，在表面具有增加的濃度）。
[0018] 在實(shí)施方案中，例如，如果耐磨層和直接位于下面的層之間的共價力或非共價力 不足以維持所述層之間的完全粘合和粘結(jié)，則耐磨層傾向于與直接位于下面的層分離。因 此，此方面的多層反射膜任選地還包含設(shè)置在耐磨層之下且任選地與耐磨層物理接觸的粘 合促進(jìn)層。在實(shí)施方案中，粘合促進(jìn)層包含夾層（interlayer)，例如耐磨層和下面的聚合物 層或金屬層之間的隔離層。在實(shí)施方案中，粘合促進(jìn)層包含已經(jīng)受表面處理如等離子體處 理或電暈放電處理的聚合物層或金屬層的區(qū)域。此方面的粘合促進(jìn)層用于增強(qiáng)耐磨層的材 料和粘合促進(jìn)層或下面的層的材料之間的共價結(jié)合或非共價結(jié)合。例如，當(dāng)耐磨層施用于 聚合物層或金屬層時，聚合物層或金屬層的表面處理任選地增強(qiáng)耐磨層和聚合物層或金屬 層之間建立的共價結(jié)合。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)與表面處理之前的表面積相比時，表面處理 導(dǎo)致表面積增加。當(dāng)與未處理的表面相比時，這種表面積的增加可任選地導(dǎo)致耐磨層與經(jīng) 處理的表面的粘合力更強(qiáng)。
[0019] 可用于此方面的多層反射膜的金屬層包括包含銀或其合金的那些。任選地，反射 膜還包含第二金屬保護(hù)層，如與包含銀層或其合金的金屬層結(jié)合的銅、鉻、鎳或其合金。在 多層反射膜的使用過程中，金屬層任選地暴露于波長選自350nm至385nm的范圍的入射太 陽輻射以及波長在385nm和2. 5ym范