光伏組件封裝用熱塑性聚烯烴膠膜的制備及性能研究

施其鋒 郭森 唐舫成 汪加勝

摘要：以聚烯烴彈性體XUS38658為基體、2，5-二甲基-2，5-二（叔丁基過氧基）已烷為引發(fā)劑、y-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷為粘接劑，通過雙螺桿擠出制備接枝料，再將接枝料與聚烯烴彈性體XUS38660、光穩(wěn)定劑UV-531和抗氧劑1010通過雙螺桿擠出、流延制備了硅烷接枝熱塑性聚烯烴膠膜。對熱塑性聚烯烴膠膜各項物理性能、耐紫外老化性能、耐濕熱老化性能以及儲存穩(wěn)定性進行研究，結(jié)果表明，硅烷成功接枝到聚烯烴分子鏈上，聚烯烴膠膜各項物理性能滿足標準要求，耐老化性能優(yōu)異，可儲存180d以上。

關(guān)鍵詞：熱塑性;POE膠膜;紫外老化;濕熱老化;儲存期

中圖分類號：TQ433.4+34

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0006-03

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）封裝膠膜是目前市場上應(yīng)用最廣，發(fā)展最成熟的光伏組件封裝材料，EVA流動性好、粘接性好、透光率高且價格低廉，非常適合用于光伏組件封裝[1-2]。但EVA分子鏈中存在不穩(wěn)定的酯基，耐候性差，水汽透過率較高，膠膜比較容易霧化，對組件發(fā)電效率影響較大[3-4]。

聚烯烴（POE）封裝膠膜是近些年發(fā)展比較快的另一種光伏組件封裝材料，由美國陶氏公司于2010年最先推出。POE分子鏈是飽和脂肪鏈結(jié)構(gòu)，叔碳原子少，耐候性好、水汽透過率低、體積電阻率高[5-6]，是目前公認替代EVA體系最理想的材料。本文制備了一款熱塑性POE封裝膠膜，主要應(yīng)用于柔性薄膜組件的封裝，層壓后硬度低，內(nèi)應(yīng)力小，層壓時間短，能顯著提高組件生產(chǎn)效率。

實驗部分

1.1實驗原料

聚烯烴樹脂：XUS?38658和XUS?38660，美國陶氏化學(xué)公司;

引發(fā)劑：101（2，5-二甲基-2，5-二（叔丁基過氧基）己烷），阿克蘇諾貝爾公司;

硅烷偶聯(lián)劑：KH570（y一甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷），安徽硅寶有機硅新材料有限公司;

光穩(wěn)定劑：UV-531，天津利安隆新材料股份有限公司;

抗氧劑：1010，巴斯夫股份公司。

1.2實驗設(shè)備與儀器

擠出機：TSE-35，南京銳聚機電有限公司;

流延機：ZS-432-25，東莞市卓勝機械設(shè)備有限公司;

層壓機：RGFDY-002，濟南瑞光伏德機械有限公司;

電子萬能測試機：CMT4104，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司;

傅里葉變換紅外光譜儀：TENSOR27，德國布魯克;分光光度計：Color?Quest?XE，美國Hunter?Lab公司;紫外試驗箱：2H-UVA-263，東莞市正航儀器設(shè)備有限公司。

高溫高濕老化試驗箱：KTHB-415TBS，昆山慶聲電子科技有限公司。

1.3實驗步驟

1.3.1接枝料的制備

將引發(fā)劑101與硅烷偶聯(lián)劑KH570按定的比例相互溶解，再將該混合液與樹脂XUS38658充分混合均勻，然后將共混物加人到雙螺桿擠出機中進行擠出、造粒，制得接枝料。

1.3.2膠膜的制備

將（1）步驟制得的接枝料、樹脂XUS38660、光穩(wěn)定劑和抗氧劑按一定比例混合均勻后加人到流延機中，制得的膠膜收卷并進行真空包裝備用。

1.4測試與表征

1.4.1紅外光譜分析

將XUS38658、101和KH570混合后經(jīng)哈克密煉制得混合料，再將制得的混合料與接枝料分別在平板硫化機上壓成薄膜，將兩片薄膜放在二甲苯溶液中浸泡12h，洗掉未參加反應(yīng)的硅烷單體以及硅烷低聚物，在70C烘箱中干燥4h后進行紅外光譜測試。

1.4.2膠膜物理性能測試

參照標準GB/T29848-2018對膠膜進行各項物理性能測試，包括膠膜的力學(xué)性能和電氣性能等。

1.4.3耐紫外老化測試

參照標準GB/T29848-2018，測試膠膜經(jīng)不同時間光照后的力學(xué)性能和光學(xué)性能。

1.4.4高溫高濕老化測試

參照標準GB/T29848-2018，測試膠膜經(jīng)不同時間高溫高濕處理后的力學(xué)性能和光學(xué)性能。

1.4.5膠膜儲存期測試

膠膜采用真空鋁塑膜包裝，每隔一段時間取樣測試膠膜的剝離強度和黃值，跟蹤膠膜在儲存過程中的性能衰減。

2結(jié)果與討論

2.1紅外光譜分析

將制備的混合料和接枝料經(jīng)二甲苯溶液清洗干燥后進行紅外測試，紅外譜圖如圖1所示。

從圖1可以看出，相比清洗后混合料，未清洗的混合料和清洗后的接枝料紅外譜圖均出現(xiàn)了1737cm'和1092cm'兩個明顯吸收峰，分別對應(yīng)硅烷偶聯(lián)劑的羰基和硅氧鍵的伸縮振動，該結(jié)果表明，混合料中的硅烷只是簡單的物理共混入POE內(nèi)，很容易被二甲苯溶解析出，接枝料中硅烷偶聯(lián)劑則是穩(wěn)定的接枝在POE分子鏈段上。

2.2熱塑性POE膠膜的物理性能

表1給出了熱塑性POE膠膜的各項物理性能參數(shù)，從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，膠膜的各項性能都滿足GBT?29848-2018標準要求。硅烷接枝后的POE膠膜與玻璃之間具有非常好的粘接性能，其剝離強度大于80N/cm，這主要是由于接枝到POE分子鏈上硅烷的硅烷氧基與玻璃表面的羥基發(fā)生了脫醇反應(yīng)，形成了化學(xué)鍵所致"。POE膠膜的體積電阻率較大，可達到10'*2.cm，水汽透過率低于4g/（m'.24h），這些性能都要優(yōu)于其他體系的光伏組件封裝膠膜。

2.3熱塑性POE膠膜耐紫外老化性能

光伏組件在太陽光暴曬下受到強烈的紫外線輻射，導(dǎo)致封裝膠膜可能出現(xiàn)斑點和顏色變化，甚至使用性能的下降四，所以，探究膠膜的耐紫外老化性能是非常有必要的。在紫外光輻照強度為120W/m的條件下輻照1000h，中間每隔一段時間測試膠膜與玻璃的剝離強度和黃值，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著老化時間的延長，剝離強度呈現(xiàn)下降趨勢，剝離強度值由最初的93N/cm衰減到87.1N/cm，保持率為93.6%。黃變指數(shù)△YI呈現(xiàn)上升趨勢，經(jīng)1000h紫外光輻照后，POE膠膜的黃變指數(shù)△YI值為1.46，遠低于標準要求的上限值5。POE膠膜經(jīng)1000h紫外光照后性能完全滿足標準要求。

2.4熱塑性POE膠膜高溫高濕老化性能

耐濕熱老化是衡量膠膜耐候性和耐久性另一項重要指標9.10，圖3給出了高溫高濕老化200h、400h、800h和1000h后POE膠膜與玻璃剝離強度和黃變指數(shù)△YI的變化。從圖3可以看出，在濕熱老化前期，POE膠膜與玻璃的剝離強度有上升趨勢，這是由于硅烷在高溫高濕環(huán)境中部分硅烷氧基發(fā)生水解生成硅羥基，高活性硅羥基與玻璃表面羥基脫水生成化學(xué)鍵所致。在老化發(fā)生1000h后，膠膜與玻璃剝離強度為86.2N/cm，仍具有較好的粘接性能。黃變指數(shù)△YI在濕熱老化發(fā)生1000h后為1.03，耐黃變性能優(yōu)異。

2.5熱塑性POE膠膜儲存期測試

硅烷不穩(wěn)定，易發(fā)生水解自聚[11]，硅烷接枝POE膠膜的儲存穩(wěn)定性要引起足夠的重視。對POE膠膜采用真空鋁膜包裝后不定期取樣測試剝離強度和透光率，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，POE膠膜儲存60d后剝離強度趨于穩(wěn)定，衰減速度明顯減慢，儲存60d膠膜與玻璃剝離強度值為82.9N/cm，180d后剝離強度為81.5N/cm。POE膠膜透光率隨儲存時間延長也呈下降趨勢，起始值為91.4%，180d后為88.8%。

3結(jié)語

1）采用雙螺桿熔融擠出，經(jīng)硅烷改性后POE粘接性能得到明顯改善，與玻璃剝離強度大于80N/cm。

2）熱塑性POE膠膜經(jīng)紫外光照和濕熱老化后具有較好的粘接強度，且黃變指數(shù)△YI明顯低于標準規(guī)定上限值。

3）經(jīng)真空鋁膜包裝的熱塑性POE膠膜，可儲存180d以上。

參考文獻

[1]孫會娟，陳靈智，趙曉雅.光伏組件用EVA膠膜固化特性研究[J].塑料科技，2019，47（4）：7-11.

[2]曾金棟，何胡送，張好賓，等.有機轉(zhuǎn)光劑在EVA光伏膠膜中的應(yīng)用及耐老化性能研究[J].中國膠粘劑，2017，26（8）：33-37.

[3]楊麗娟.太陽能電池封裝用透明熱塑性聚氨酯薄膜的制備、性能與應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2017.

[4]李錦波.EVA的交聯(lián)與晶體硅太陽能電池組件封裝問題的研究[D]上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

[5]徐曉龍，范云峰.光伏用聚烯烴封裝膠膜交聯(lián)體系研究[J].信息記錄材料，2013，14（5）：11-16.

[6]洪利杰，程斌君，張祥洲，等.太陽能電池組件用POE封裝膠膜的研制[J].中國膠粘劑，2017，26（5）：30-33.

[7]馬曉龍.基于EVA改性復(fù)合材料增強光伏電池穩(wěn)定性研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2019.

[8]余榮斌.基于性能退化的光伏組件服役可靠性評估方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.

[9]李連春.高耐候太陽能電池封裝膠膜的制備與性能研究[J].塑料制造，2010，Z1：65-68.

[10]張增明，唐景，呂瑞瑞，等.光伏組件封裝EVA的濕熱老化研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2011，40（3）：24-26+31.

[11]周禮攀.新型太陽能光伏電池封裝材料的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.