光伏背板內層PO 膜耐紫外老化性能研究

邸喜強，白玉清，王力新，王茂柔，李華鋒，范云峰

(1.樂凱膠片股份有限公司，河北 保定 071054；2.河北省新能源膜材料技術創新中心,河北 保定 071054；3.河北大學 物理學院，河北 保定 071002)

聚烯烴（PO）是一類產量大、應用廣泛的高分子材料。聚丙烯（PP）是聚烯烴材料中主要產品之一。在戶外應用時，日光中的紫外線會導致PP 的光降解。原因在于PP 分子鏈上存在大量叔碳原子，在有氧的情況下，紫外線輻照能量可以將叔碳原子上的氫脫除成為叔碳自由基[1]。氧化后的PP 會出現變脆、表面龜裂、發黃褪色等問題，使材料的使用壽命縮短，從而限制PP 復合材料在電子、機械和光伏建筑一體化等高端領域的應用。目前PP 的光老化研究已成為聚烯烴材料應用領域的重要問題[2-5]。為了提高PP 的耐紫外線性能及其使用壽命，在材料加工過程中向PP 樹脂體系引入一些諸如抗老化功能的助劑，是一種行之有效的策略[6-7]。

光伏背板是光伏組件的重要組成部分，通常背板膜由外到內依次為耐候層、絕緣層和粘結層[8]。隨著背板產業的發展，粘結層依次經歷了氟樹脂膜、氟碳涂料和無氟PO/PE 膜幾個階段[9]。改性后的PO 膜不僅能降低成本，而且能提供良好的水汽阻隔[10-12]。然而PO 膜在耐紫外性能方面還需要提升，以滿足光伏組件服役多年的使用需求。PO膜可采用多層共擠結構，其中直接接受太陽光輻照的為熱封層，向該層添加防老化劑和鈦白粉可以顯著提高膜的耐紫外性能，但熱封層樹脂體系與添加劑的兼容性不佳時會造成粘結力降低，此外增加助劑和鈦白粉的用量會使成本增加。因此，在不顯著增加成本的條件下，為了提升PO 膜的耐紫外性能，需要對熱封層配方進行綜合考量和系統優化。

1 實驗部分

1.1 主要原料

實驗中使用的各種光穩定劑、紫外吸收劑、聚乙烯（PE）組分、聚丙烯（PP）組分、鈦白母料、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）膠膜及聚烯烴彈性體（POE）的來源及代號信息見表1。

表1 助劑、樹脂成分和膠膜原材料

1.2 儀器設備

單層膜淋膜機：SDF-D，浙江省瑞安市佳州涂塑機械廠；多層擠出流延機：LCR40，瑞典Labtech公司；1#紫外箱：自制（使用金屬鹵素燈）；2#紫外箱：SUV2000，海尚信環境測控技術有限公司；萬能試驗機：CMT6104，美斯特工業系統（中國）有限公司；濕熱老化箱：KPCT，臺灣慶聲科技股份有限公司；濕熱老化箱：EH-010R，上海愛斯佩克環境設備有限公司；層壓機：RDC-Y-1，秦皇島瑞晶太陽能科技有限公司。

1.3 材料的制備

按比例稱取不同的原材料，混合均勻后使用淋膜機擠出成膜，冷卻后進行涂布、復合、電暈，熟化后進行老化和性能測試。或者原材料通過小型共擠設備進行制樣，樣片進行涂布、復合、電暈，熟化后進行老化和性能測試。

1.4 性能表證

采用萬能拉力機測試粘結力，使用濕熱和紫外老化箱進行環境老化測試，用記號筆標記開裂情況，肉眼觀測。

2 結果與討論

2.1 添加劑體系的研究

2.1.1 受阻氨光穩定劑的調整

選用相同配比的熱封層基料，添加不同種類和比例的光穩定劑，制備成膜后評價其與EVA 的粘結力情況和耐紫外老化性能。結果見表2。

表2 不同光穩定劑配方對PO 膜抗紫外性能和層間粘結力的影響

從表2 可以看出，隨著光穩定劑添加量的增加，EVA 與背板的粘結力均減小，使用806PS 膠膜時減小更為明顯。ZJ2 在與EVA 粘結力方面略有優勢。原因分析：如圖1 所示，光穩定劑ZJ1 的分子量雖然在3000 左右，但是分子量分布較寬，有一部分聚合度比較低的小分子，當添加量較多時，小分子會對粘結力造成負面影響；而光穩定劑ZJ2 分子量分布非常窄，增加其用量不會引入過多的小分子，因此在粘結力穩定性方面具有一定的優勢，但當其用量提高到0.4%時，在進行E VA 剝離力測試時會導致膠膜表面變粗糙，影響粘結力的穩定性。ZJ1 和ZJ2 在紫外老化方面性能相當。ZJ3 是一種小分子光穩定劑，對于PO 膜的耐紫外性能有提升效果，但僅加入很少量就會造成EVA 粘結力大幅度波動。

圖1 光穩定劑分子量分布圖（左：ZJ1；右：ZJ2）

2.1.2 紫外吸收劑的調整

選用相同配比的熱封層基料，添加不同種類和比例的紫外吸收劑，制備成膜后評價與EVA 的粘結力情況和紫外老化情況。結果見表3。

表3 不同紫外吸收劑配方對PO 膜抗紫外性能和層間粘結力的影響

PO 膜熱封層較薄，厚度僅為10～12 μm，紫外線會穿透熱封層到達芯層，芯層由聚丙烯構成，對紫外線尤其敏感，理論上加入一定量的紫外吸收劑能夠對芯層起到一定的保護作用，同時紫外吸收劑的加入在一定程度上也可以延緩熱封層自身的老化。但從表3 中可以看出，加入少量紫外吸收劑（ZJ4 或ZJ5）后PO 膜的耐紫外性能沒有明顯提升，而且紫外吸收劑的售價較高，可選擇不添加紫外吸收劑。僅增加ZJ2 的用量即可顯著提升PO 膜的耐紫外性能。

2.2 樹脂體系的研究

2.2.1 聚乙烯含量的調整

基于相同種類的添加劑，選用不同PE 含量的熱封層基料，制備成膜后評價與EVA 的粘結力情況和紫外老化情況。結果見表4。

原PO 膜配方的熱封層中有30%的茂金屬聚乙烯（與EVA 相容性較好），理論上PE 無論是耐紫外性能還是與EVA 的粘結力都優于PP，合理提升其用量，可以實現對熱封層的改性。根據表4 中的測試數據可知，當PE 含量從30%增加到50%時，PO 熱封層的抗紫外老化能力及其和EVA 膠膜間粘結力水平都隨PE 含量的增加而提高。熱封層光穩定劑的添加量僅為0.12%時，增加PE 含量至40%以上，即可實現耐紫外老化120 kWh/m2的性能。

表4 PE 含量對PO 膜抗紫外性能和層間粘結力的影響

2.2.2 彈性體含量的調整

原PO 膜熱封層中含有一定量的彈性體，其具有增加PP 與PE 的相容性，同時降低起封溫度的作用。在前述光穩定劑和PE 含量研究的基礎上，選用不同彈性體含量的熱封層基料，制備成膜以評估改性PO 膜的耐紫外老化性能及其與EVA 的粘結力情況。結果見表5。

表5 不同彈性體配方對PO 膜抗紫外性能和層間粘結力的影響

從表5 數據可以看出，增加兩種類型彈性體的用量都會造成EVA 粘結力的不穩定，對于熱封層的耐紫外性能亦無明顯改善效果，基于成本和粘結力穩定性的考慮，彈性體的用量控制在10%。

2.2.3 TiO2無機填料的影響

TiO2納米粒子對光可以起到很強的散射作用，并且能夠吸收紫外光輻射，因此可提高改性材料的耐紫外老化性能。通過向白色PO 膜中添加TiO2母料，理論上隨著用量增加，可逐步提高熱封層的耐紫外性能。為此，在基于PE、POE 和光穩定劑含量篩選評估的基礎上，進行了不同比例二氧化鈦添加量的影響研究。結果見表6。

表6 二氧化鈦母料含量對PO 膜抗紫外性能和層間粘結力的影響

從表6 中數據可以看出，隨著TiO2添加量的增加，熱封層耐紫外性能逐步提升，與理論相符，但PO 膜與EVA 的粘結力變小。綜合分析，選擇13%二氧化鈦母料的添加量可以獲得耐紫外和粘結力上的平衡，并且成本方面比較經濟。

3 結論

在現有PO 膜配方基礎上，對PO 膜熱封層從助劑體系、樹脂體系和填料體系三個方面進行了系統性研究，評估各成分含量及品牌型號對PO復合膜耐紫外老化性能以及與EVA 膠膜粘結效果的影響。綜合性能及成本因素，得到滿足耐紫外120 kWh/m2要求的PO 膜最優設計方案為：使用分子量較大且分布較窄的光穩定劑，熱封層中PE 含量控制在40%～50%，二氧化鈦母料含量控制在13%，彈性體含量控制在10%。