一種光伏用POE 膠膜交聯度的測試方法

吳恒艷，顧承越，李 濤，王 浩，姚應妮

(凱盛光伏材料有限公司，蚌埠 233000)

0 引言

太陽能是一種綠色無污染且用之不竭的清潔能源，以其為代表的綠色新能源逐步代替石油、煤炭等傳統能源是人類科技社會發展的必然趨勢。太陽能具有普遍存在性和就地取用性，因此在近十幾年，作為太陽能重要利用方式之一的光伏發電日益受到重視，光伏產業也成為全球各個國家和地區發展的重點產業之一。由于太陽電池不能直接暴露在空氣、雨水等自然條件下，但光伏組件的工作環境卻主要是在戶外，因此需要對太陽電池進行密封處理。目前，主要是采用具有優異抗紫外性、優異耐老化性、粘接性能好、高透明性，以及良好彈性的膠層對太陽電池進行封裝，同時將其與上層保護材料(蓋板)和下層保護材料(背板)粘合在一起，再粘合接線盒和背軌，組成完整的光伏組件，以保證光伏組件20～30 年的使用壽命[1]。

封裝時采用的膠膜的性能對光伏組件的質量和壽命至關重要。目前，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜是光伏市場中最常用的高分子封裝膠膜[2]，但其耐候性較差，長期使用后易出現降解并發生變色，會降低膠膜的粘結性能和透光率，進而降低光伏組件的光電轉換效率；而且EVA 膠膜在長期使用后易分解并釋放醋酸分子，極易腐蝕鋁合金邊框等部件，導致光伏組件的使用壽命縮短[3]。

乙烯-α-烯烴共聚物(POE)膠膜是美國DOW 化學公司以茂金屬為催化劑研發的，具有窄相對分子質量分布和窄共聚單體分布、結構可控的新型聚烯烴熱塑性彈性體。分子結構的特殊性賦予了POE 膠膜優異的耐紫外光性能、力學性能和流變性能，其與聚烯烴具有較好的親和性，還具有低溫韌性好和性價比高等優點；此外，POE 膠膜還具有高透光性、高絕緣電阻率和高阻水性等特性，被認為是極具潛力的光伏組件用封裝材料[4]。

交聯度是用來表征膠膜交聯程度的物理量，其大小不僅決定了膠膜固化后的剝離強度和抗拉強度等力學特性，還會影響光伏組件的環境老化性能，對光伏組件的質量和壽命起著至關重要的作用[5]。因此，準確且快速地測量膠膜的交聯度顯得尤為重要。目前，光伏行業中針對EVA 膠膜交聯度的測試方法已經很成熟，主要包括利用二甲苯萃取法和差示掃描量熱(DSC)法[6]，但對于POE 膠膜的交聯度測試方法尚不明確。因此，本文提出了一種光伏用POE 膠膜交聯度的測試方法，可為光伏行業中針對封裝膠膜交聯度的測試提供一種科學實用的方法。

1 實驗原理

POE 膠膜的交聯方式與EVA 膠膜的類似，都屬于高分子共聚物，其交聯度測試同樣可以利用有機高分子共聚溶解原理，采用溶劑萃取樣品中未交聯共聚物高分子鏈和各種非活性添加劑小分子，然后將樣品烘干后稱量剩下的高聚物，計算剩余高聚物在樣品中的質量比，進而得出交聯度結果[7]。

根據溶解原理，影響測試結果的主要因素包括溶劑對未交聯共聚物高分子鏈和各種非活性添加劑小分子的溶解性能、測試時間和測試溫度等。

2 實驗方法與結果

2.1 溶劑的選擇及使用量的確定

2.1.1 溶劑的選擇

POE 膠膜為線型分子結構，當POE 膠膜經過一定時間和溫度的熱層壓后，交聯劑會分解產生大量自由基，使POE 膠膜的線型分子結構生成三維網狀結構，產生交聯固化現象。利用已交聯的POE 膠膜不溶于二甲苯溶劑的特性，采用該溶劑對樣品中未發生交聯的POE 線型分子進行萃取，剩下的就是已交聯的POE 膠膜，最后通過計算此部分占原樣品的質量比，可以得出交聯度結果。

為了避免使用傳統的溶劑回流法萃取樣品所帶來的安全隱患，采用本次測試專用的樣品瓶(每個樣品瓶放1 個樣品)進行測試。為了確定每次樣品瓶中溶劑的具體量，在室溫條件下，可隨機選取尺寸為5 cm×5 cm 的未層壓的POE 膠膜樣品，然后將樣品切成適當大小(方便用鑷子從樣品瓶中取出即可)。

2.1.2 溶劑使用量的確定

對7 個質量為1 g 的樣品添加不同量的二甲苯溶劑，靜置一定時間后，觀察到樣品1～ 樣品5 未完全溶解，樣品6 和樣品7 完全溶解，如表1 所示。然后向樣品1～ 樣品5 中分別加入50、40、30、20、10 mL 二甲苯溶劑，觀察到這些樣品均完全溶解。

表1 溶劑使用量Table 1 Usage amount of solvent

綜上，為了保證測試樣品中未交聯的物質能夠完全溶解且節約溶劑，設定測試1 個樣品的溶劑量為80 mL。

2.1.3 測試步驟

本測試方法的測試步驟具體如下：

1)使用電子天平稱取抗氧化劑1.758±0.01 g，將稱量好的抗氧化劑倒入2 L 的容量瓶中，然后在容量瓶中加入二甲苯溶劑，將定容后的溶劑放置在通風柜中備用。

2)選取3 個尺寸為5 cm×5 cm 的樣品，稱量單個樣品的質量W1(精確到0.1 mg)；將樣品切成適當大小，放置到測試專用的樣品瓶中，向樣品瓶中加入80 mL 的溶劑；將樣品瓶蓋子蓋緊，放入鼓風干燥箱內加熱萃取，萃取溫度設置為40～80 ℃，萃取時間為7～10 h。

3)加熱溶解結束后將樣品取出，放置在表面皿上，然后放入真空烘箱內烘干，烘干溫度設置為140 ℃，真空度≥0.08 MPa，烘干時間為2～5 h。樣品烘干后稱量單個樣品的質量W2(精確到0.1 mg)。

4)對樣品的交聯度進行計算。計算式為：

式中，D為交聯度，%；W1為樣品萃取前的質量，g；W2為樣品萃取后的質量，g。

2.2 萃取溫度的確定

為了探究萃取溫度對交聯度測試結果的影響，在室溫條件下，隨機選取3 個未層壓的POE膠膜樣品進行實驗。實驗設定不同溶解溫度，然后記錄樣品完全溶解的時間。

樣品溶解溫度與溶解時間的關系曲線如圖1所示。從圖1 可以看出，3 個樣品在每個溶解溫度的測試結果一致，隨著溫度的逐漸升高，樣品完全溶解的速率越來越快。

圖1 溶解溫度與溶解時間的關系曲線圖Fig.1 The relation curve of dissolving temperature and dissolving time

為了探究測試過程中高溫萃取是否會使測試樣品產生二次交聯現象，從而導致測試結果比真實值偏大，設計如下實驗：在室溫條件下，按相鄰順序選取9 個相同的層壓后的POE 膠膜樣品，設定不同萃取溫度；然后通過式(1)計算出每個樣品的交聯度值。

不同的萃取溫度會對交聯度產生不同的影響，具體如表2 所示。

經過測試發現，當萃取溫度達到100 ℃以上時，POE 膠膜即可發生交聯反應。從表2 可以看出，高溫萃取(120 ℃、140 ℃)使樣品交聯度值比萃取溫度為60 ℃時的上升了1.14%～3.59%。因此，為防止在萃取過程中因持續高溫產生二次交聯現象進而影響測試結果，將萃取溫度設定為40～80 ℃。

表2 萃取溫度對交聯度的影響Table 2 Effect of extraction temperature on cross-linking degree

2.3 烘干時間的確定

在室溫條件下，隨機選取3 個相同的層壓后的POE 膠膜樣品，設定萃取溫度分別為40 ℃和60 ℃，萃取時間為20 h(保證萃取完全)。將樣品放置在表面皿上，然后放入真空烘干箱內烘干，設定烘干溫度為140 ℃，真空度≥0.08 MPa。每隔1 h 取出樣品，冷卻至室溫后進行稱重，然后通過式(1)計算樣品的交聯度值，再放入烘干箱中繼續進行烘干，總計烘干時間為4 h。

圖2 為萃取溫度為40 ℃和60 ℃時，3 個樣品的烘干時間與交聯度的關系曲線圖。

圖2 烘干時間與交聯度的關系曲線圖Fig.2 Change of cross-linking degree with drying time

當萃取溫度設定為40 ℃時(萃取時間設定為20 h，保證樣品完全萃取)，3 個樣品的烘干時間與交聯度的關系曲線如圖2a 所示。從圖中可以看出，當烘干時間≥2 h 時，3 個樣品的交聯度值幾乎達到恒定。

當萃取溫度設定為60 ℃時(萃取時間設定為20 h，保證樣品完全萃取)，3 個樣品的烘干時間與交聯度的關系曲線如圖2b 所示。從圖中可以看出，當烘干時間≥2 h 時，3 個樣品的交聯度值也幾乎達到恒定。

從圖2中可以看出，當萃取溫度在40～60 ℃、烘干時間≥2 h 時，3 個樣品的交聯度值都幾乎達到恒定。因此，為保證樣品完全烘干，可將烘干時間設定為2～5 h。

2.4 萃取時間的確定

在室溫條件下，隨機選取3 個相同的經層壓后的POE 膠膜樣品，設定萃取溫度分別為40 ℃和60 ℃，每隔1 h 后取出樣品。設定烘干溫度為140 ℃，真空度≥0.08 MPa，烘干時間為3 h。通過式(1)計算出樣品的交聯度值，再將樣品放入樣品瓶中進行萃取，總計萃取時間為7 h。

圖3 為萃取溫度為40 ℃和60 ℃時，3 個樣品的萃取時間與交聯度的關系曲線圖。

當萃取溫度設定為40 ℃時，3 個樣品的萃取時間與交聯度的關系曲線如圖3a 所示。從圖中可以看出，當萃取時間≥7 h 時，樣品的交聯度值基本不再變化。

圖3 萃取時間與交聯度的關系曲線圖Fig.3 Change of cross-linking degree with the extraction time

當萃取溫度設定為60 ℃時，3 個樣品的萃取時間與交聯度的關系曲線如圖3b 所示。從圖中可以看出，當萃取時間≥7 h 時，樣品的交聯度值也基本不再變化。

從圖3 可以看出，當萃取溫度在40～60 ℃，萃取時間≥7 h時，樣品的交聯度值基本不再改變。因此，為保證樣品完全萃取，可將萃取時間設定為7～10 h。

3 實驗結果討論

POE 膠膜性能的好壞會直接影響光伏組件的使用壽命，而交聯度能直接說明POE 膠膜性能的優劣。本測試方法屬于溶劑萃取法，該測試方法的優點如下：

1)用樣品瓶代替傳統EVA 交聯度測試所用的回流裝置，降低了實驗設備方面的高投資，并降低了實驗過程的危險性，有利于光伏組件封裝膠膜交聯度測試技術的工業化普及應用。

2)相對于傳統EVA 交聯度測試技術，本測試方法的萃取過程采用低溫萃取技術，萃取溫度為40～80 ℃，避免了高溫萃取引發的二次交聯現象，進而降低了測試結果的偏差，提高了測試結果的準確性。

3)相較于傳統方法需要將樣品裁剪成1 mm大小均勻的小塊并放入到網袋中進行萃取，本測試方法可以提高工作效率。

4)萃取過程在封閉的樣品瓶中進行，減少了二甲苯溶劑的溢散。

4 結論

本文提出了一種光伏用POE 膠膜交聯度的測試方法，該方法利用樣品瓶代替傳統網袋，采用低溫溶劑萃取法，萃取時間為7～10 h，萃取溫度為40～80 ℃；烘干溫度設置為140 ℃，真空度≥0.08 MPa，烘干時間為2～5 h。該測試方法能快速且準確的測量出POE 膠膜的共聚物的含量，進而得到POE 膠膜的交聯度或交聯水平。