DSC法測層壓后EVA交聯度的可行性分析

常熟阿特斯陽光電力科技有限公司 ■ 許濤 張昌遠 吳潔 徐憫芷 萬俊鵬 陳道遠

一 引言

隨著環境污染和能源短缺問題日趨嚴重，太陽能作為一種綠色能源逐漸受到重視。太陽電池可以直接將太陽能轉化為電能，特別是隨著研究的深入和技術的改進，一些新材料應用到太陽電池組件中，使組件的光電轉化效率得到了較大提高[1～3]。

EVA(乙烯－醋酸乙烯共聚體)是目前太陽電池封裝工藝中最常用的材料，其主要功能有：封裝組件；連接玻璃與電池片、連接背板與電池片；阻礙外部環境對電池片的不利影響。

EVA是由聚乙烯(PE)和醋酸乙烯酯(VA)構成的一種熱塑性高分子材料，是線性分子結構的高聚物(圖1)，耐熱性差，易延展而彈性差，抗蠕變性差，易產生熱脹冷縮導致電池片碎裂。為提高太陽能組件性能，要對EVA進行改性，這就需要在EVA中加入各種不同的添加劑，其中交聯劑使EVA膠膜受熱發生交聯反應，形成一種三維網狀結構，提高其耐候性能[3,4]。

為確定EVA的交聯程度，太陽能行業主要采用二甲苯萃取法。二甲苯具有一定的毒性，且在萃取的過程中，未交聯的EVA溶解不充分或萃取時EVA繼續發生交聯反應，會導致測量的結果偏大。目前使用差示掃描量熱(DSC)法對EVA交聯程度的研究還不成熟，基本處于起步階段，相關報道較少。將上述兩種方法進行對比分析的更少[5～7]。本文主要分析了使用這兩種不同方法測試EVA交聯程度的差異，并研究了層壓時間對這兩種測量結果的影響。

二 實驗過程

1 實驗材料及設備

實驗中使用的材料主要有EVA膠膜、二甲苯、二叔丁基對甲酚、鋁坩堝。實驗中使用的設備主要有差示掃描量熱儀(Q2000)、層壓機、萃取爐、精密電子天平(精確度：0.01mg)、恒溫干燥箱等。

2 二甲苯萃取法

由于交聯前的EVA溶于二甲苯，而交聯后的EVA不溶于二甲苯，根據萃取前后EVA質量的變化可計算出EVA的交聯度[8]。

首先，將層壓后的EVA裁剪成2～4mm的小顆粒，并稱取0.15g，記錄下空鐵絲網袋質量W1及裝有EVA小顆粒后的鐵絲網袋質量W2，用銅絲固定鐵絲網袋，懸掛浸入二甲苯沸騰溶液中進行萃取，萃取時間持續3h左右。最后取出萃取好的網袋和EVA，烘干后稱量鐵絲網袋、剩余EVA質量W3，則交聯度(Gel Content)為：

3 DSC法

DSC法測量EVA固化度是利用EVA固化段的吸放熱不同，進行計算的一種方法。EVA在交聯的過程中，交聯劑(主要為過氧化物類)會受熱分解，促進交聯反應的進行。通過測量交聯前后過氧化物的含量可反映出交聯的程度。

首先，分別準確稱取10mg層壓前和層壓后的EVA放入實驗用的鋁坩堝中，壓緊后放入差示掃描量熱儀中，將一個空的鋁坩堝稱重后放入儀器中的參考盤位置，以10℃/min的升溫速率進行測試。測試層壓前EVA的熱焓值為△H0，層壓后EVA的熱焓值為△H1，則EVA的固化度(Curing Degree)為[9]：

三 結果與分析

1 檢測方法對測試結果的影響

將三塊不同的EVA樣品A、B、C(每塊大小約為70cm×70cm)分別進行層壓，改變層壓參數，使EVA的交聯度不同。取出層壓后的EVA樣品，在每個樣品的中心部位上取三個區域分別采用二甲苯萃取法和DSC法進行交聯程度的測試，測試結果見表1。從測試結果可以看到，三種樣品的固化度均比交聯度低，約為27.25%。采用二甲苯萃取法測試的結果比較穩定，雖然樣品A的測試差異相對較大，但差異值僅為3%；而采用DSC法測試的三種樣品固化度卻存在較大的波動。由此可見，DSC法測得的結果沒有二甲苯萃取法穩定。

2 層壓時間對測試結果影響

表1 不同樣品的兩種測試結果

EVA的交聯程度與層壓的參數有關[10]，不同的層壓時間對EVA的交聯程度的影響不同。為了研究層壓時間對交聯度和固化度測試結果的影響，在同一塊EVA原料中裁剪出若干份大小相同的樣品，保持層壓溫度不變，依次進行層壓。在每個樣品的中心部位上取三個區域分別采用二甲苯萃取法和DSC法進行交聯程度的測試，取三個區域測試結果的平均值得出三樣品的交聯度和固化度隨層壓時間變化趨勢，如圖2所示。

從圖2可以看到，交聯度與固化度隨著層壓時間的增加都呈現上升趨勢，最終趨于穩定。二甲苯萃取法得到的交聯度在0～10min區間內呈上升趨勢，10min后基本趨于穩定；而DSC法測得的固化度在0～25min內一直呈上升趨勢，25min后才趨于穩定。在0～25min內，交聯度與固化度之間的差值從大到小變化，越來越接近，25min時兩者測試值基本相同，約為95%，但固化度略高于交聯度。繼續增加層壓時間，固化度值大于交聯度值，且增加幅度變大。

從圖2中還可以看出EVA的交聯反應在10min時基本達到了最大程度，故在10min后盡管層壓時間增加，但交聯反應趨近結束。但EVA中的交聯劑在層壓后仍然有剩余，Ezrin等人[11]發現約為30%。隨著層壓時間的增加，交聯度趨于穩定，但由于EVA中剩余交聯劑會繼續受熱分解(△H1變小），導致固化度隨著層壓時間的增加而增大(△H0－△H1變大)。

3 DSC法測試EVA原料

層壓后的EVA中仍含有一定量的交聯劑，這說明EVA原料中的交聯劑含量超過了交聯反應所需的量。在交聯劑充足的情況下，如果其含量發生輕微的變化，DSC法測得的固化度也會隨之發生明顯的變化，而交聯度卻不會有明顯的變化。

DSC法可檢測EVA原料中的交聯劑含量，若測得的熱焓值越大，則表明EVA原料中的交聯劑含量越高。將160cm×100cm的EVA原料均分為160塊，每一小塊依次進行DSC測試，得到原料的平均熱焓值，再以每塊的測試結果與平均值進行對比，得到的差異分布如圖3所示。從圖3可以看出，EVA原料中交聯劑分布不均勻，故實際測試得到的熱焓值存在較大差異。本次實驗的160個測試值中最大值為16.21J/g，最小值為13.8J/g，與平均值的差異分別為7.75%、8.27%。因此，為提高DSC法測得固化度的準確性，須保證EVA原料中交聯劑能夠均勻分布。

四 結果與討論

采用二甲苯萃取法測得的交聯度與DSC法測得的固化度，并不滿足一定的規律，與層壓時間和交聯劑的含量有關。通過對EVA的原料進行交聯劑含量檢測發現EVA中交聯劑的含量分布不均勻，這雖然對交聯度不會造成太大的影響，但是對固化度的檢測影響非常大。因此使用DSC法測試EVA固化度，必須保證原料中的交聯劑分布均勻，并且層壓的時間必須相同。

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