無溶劑聚氨酯膠黏劑在光伏背板中的應用研究

顧麗爭，田 勇，張伊瑋，景改峰，馮慧杰

（樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

0 引言

光伏背板位于光伏組件的背面，對電池片起到保護和支撐作用，必須具備卓越的耐老化（濕熱、干熱、紫外），耐電氣絕緣，水蒸氣阻隔，尺寸穩定等性能。 光伏背板主要由3 層結構組成，由外到內依次為耐候層（含氟的薄膜）、絕緣層（聚酯薄膜）、黏結層（聚烯烴薄膜），3 層膜之間通過膠黏劑黏結而構成一個整體，一般用的膠黏劑為溶劑型聚氨酯，由于其中含有溶劑，使用時易燃、易爆、易揮發，從而造成空氣污染，且具有一定的毒性［1-4］。 隨著人們環保意識的增強，保護地球環境的壓力、責任與日俱增，開發綠色環保無溶劑聚氨酯膠黏劑復合背板越來越受到人們的重視。

本文以初始黏結力、PCT 48 h 老化后的黏結力為主要評價指標，從無溶劑聚氨酯膠黏劑的種類、分子量、膠層厚度、熟化條件4 大方面研究了無溶劑聚氨酯膠黏劑在背板的PET/PO 復合層中的應用情況。

1 實驗

1.1 實驗原材料

實驗原材料如表1 所示，其中無溶劑膠黏劑均為國內市售產品。

表1 實驗原材料

1.2 實驗儀器

電子天平，上海精密科學儀器有限公司，型號為JH2102；烘箱，菏澤市華強儀器儀表有限公司，型號為HQDS-9140；覆膜機，FM-630；PCT 老化箱，臺灣慶聲科技有限公司，型號為KPCT，運行條件：125 ℃，2 個大氣壓下，水蒸氣循環；溫濕度箱，臺灣慶聲科技有限公司，型號為KPCT，運行條件：55 ℃、40%RH，45 ℃、40%RH；拉力機，深圳萬測實驗設備有限公司，型號為ETM-104B；黏度計，上海精科有限公司，型號為NDJ-8。

1.3 復合工藝

取適量膠黏劑用絲棒涂布在PET 薄膜上，將涂膠的PET 薄膜放入烘箱烘半分鐘，取出，用覆膜機使之（PET涂膠面）與聚烯烴（PO）膜復合，得到背板的PET/PO 復合層，最后將復合膜放入烘箱中熟化，之后將熟化后的背板PET/PO 復合層從烘箱拿出待用。

1.4 實驗處理及測試

1.4.1 PCT 老化處理

將熟化后的樣品放置于PCT 老化箱中（125 ℃，100%RH）濕熱老化，老化48 h 后取出，待評價。

1.4.2 性能測試

剝離強度測試：按GB/T 2790-1995 測定，拉力機的速率為100 mm/min，熟化后的樣品及PCT 48 h 老化后的樣品測試復合膜的剝離強度。

黏度測試：將膠黏劑放置于恒溫水浴鍋中，待達到設定溫度后，采用黏度計測試恒溫下膠黏劑的黏度。

2 結果與討論

2.1 無溶劑聚氨酯膠黏劑的種類對背板黏結力的影響

聚氨酯膠黏劑按照合成原料所用的多元醇可分為聚醚多元醇、聚酯多元醇2 大類，近幾年的現有技術在背板中應用的膠黏劑有聚醚型聚氨酯、聚醚/（脂肪族）聚酯聚氨酯、聚醚/（芳香族）聚酯聚氨酯［5-10］。 本文以聚醚型聚氨酯（1＃膠）、聚醚/（芳香族）聚酯混合型聚氨酯（2＃膠）、聚醚/（脂肪族）聚酯混合型聚氨酯（3＃膠）的無溶劑聚氨酯為膠黏劑黏結背板的PET 薄膜/PO 薄膜，得到背板的PET/PO 復合層，考察了背板的PET/PO 復合層的初始黏結力、PCT 48 h 老化后的黏結力的變化情況。 由圖1 可以看出，采用聚醚型聚氨酯膠黏劑黏結薄膜時，復合膜間初始及老化后的黏結力最低，聚醚/（脂肪族）聚酯聚氨酯膠黏劑黏結薄膜時，薄膜間的初始及老化后的黏結力最高。可能是由于聚醚多元醇中所含的碳氧鍵的極性低，生成的膠黏劑分子間的內聚力低，與基材黏結時不能表現出足夠的黏結力。 聚醚/（脂肪族）聚氨酯膠黏劑中含有大量的極性基團酯鍵，且脂肪族聚酯多元醇結構規整，內聚力大，與PET 膜、PO 薄膜的黏結力大。

圖1 膠黏劑的結構對復合膜黏結力的影響

2.2 無溶劑聚氨酯膠黏劑的分子量對背板黏結力的影響

無溶劑型膠黏劑由于不含溶劑，黏度很大，不易流平，在生產過程中難以涂布。 為確保其涂布性，需要使膠黏劑的黏度降低，通常采用的方法是降低膠黏劑中所含樹脂的分子量，隨之帶來的負面影響是膠黏劑的黏結力降低、濕熱老化后的黏結力更低。 因此在實驗過程中確定合適的分子量對其黏結性能至關重要。 本文考察了不同分子量的無溶劑聚氨酯膠黏劑對背板黏結力的影響。 分子量對無溶劑聚氨酯膠黏劑的影響如圖2 所示，從圖中可以看出，隨著無溶劑膠黏劑分子量的增大，背板的PET/PO 復合層的初始及老化后的黏結力先增大后降低。 可能是由于聚氨酯的分子量越大，分子鏈段中含有的氨酯鍵越多，該基團的極性較大，與基材的黏結力大，當分子量增大到過大時，膠黏劑的分子間作用力增大，致使涂布困難，易出現表觀缺陷，從而導致黏結力有一定下降。 從圖2 的結果，結合太陽能背板的標準，應選擇膠黏劑的分子量≥3 500。

由于無溶劑膠黏劑不含任何溶劑，在常溫下的黏度相當大，并且膠黏劑分子量越大黏度越大，越不利于涂布，為使黏度下降適于涂布，通常在使用時將膠黏劑加熱熔化后使用，因此從生產涂布的角度考察不同分子量的膠黏劑的黏度至關重要。 本文考察了60 ℃、70 ℃、80℃條件下不同分子量的膠黏劑的黏度情況，如圖3 所示。 從圖中可以看出，同一分子量的膠黏劑，隨著溫度的升高，膠黏劑的黏度下降，可能是由于聚氨酯膠黏劑的分子間吸引力大（可形成氫鍵），當溫度升高時，氫鍵發生斷裂，分子間的作用力降低，導致黏度下降，另一方面，溫度升高，分子鏈的運動加劇，分子間的作用力減弱，導致黏度下降。 同時，由圖3 可以看出，同一種溫度下，隨著分子量的升高，膠黏劑的黏度急劇增長。 可能是由于隨著分子量的升高，膠黏劑中的分子鏈間纏結增加，內聚力增大，導致黏度增大。

圖3 膠黏劑的分子量對黏度的影響

在無溶劑膠黏劑的生產中，涂布黏度需要在3 000 mPa·S 以下，考慮到加熱溫度太高會增加生產成本，因此在實際生產中膠黏劑選擇分子量為3 500、溫度為70 ℃。

2.3 無溶劑聚氨酯膠黏劑的厚度對背板黏結力的影響

在無溶劑復合膜加工中，膠黏劑的涂布量對復合膜的質量有非常關鍵的影響［11-12］。 本文研究了膠層涂布量與背板的PET/PO 復合層初始及老化后的黏結力關系，膠層涂布量與黏結力的關系如圖4 所示，從圖中可以看出，膠層的涂布量越大，膠黏劑與背板的PET/PO 復合層的初始及老化后的黏結力越大，但是當膠層的涂布量大于5g/m2時，背板的PET/PO 復合層的初始黏結力趨于平穩。 當膠層的涂布量大于7 g/m2時，膠黏劑與膠層老化后的黏結力趨于平穩，可能是由于膠層涂布量小于7 g/m2時，膠層的涂布量偏低，在濕熱老化過程中，聚氨酯膠黏劑易發生降解或基團脫落，引起背板的PET/PO 復合層黏結力降低，剝離時易脫層。 按照初始、老化后的黏結力標準，結合膠層成本的因素，選擇膠黏劑的厚度為7 g/m2。

圖4 膠黏劑的涂布量對復合膜黏結力的影響

2.4 熟化條件對無溶劑聚氨酯膠黏劑的影響

聚氨酯膠黏劑中含有大量的活性的NCO 官能團，在一定的溫度、濕度下與膠黏劑中的羥基、空氣中的水汽進行反應，當膠黏劑中的NCO 基團反應完成時，膠黏劑的熟化完成。 本文研究了不同的熟化條件對無溶劑膠黏劑黏結力的影響。 熟化條件45℃、10%RH，40℃、40%RH，55℃、10%RH，55℃、40%RH 4 種環境條件下隨熟化時間的延長，初始、老化后的黏結力的變化情況如圖5、圖6、圖7 所示。 由圖5、圖6 可以看出，溫度越高、濕度越大，背板的PET/PO 復合層的黏結力達到平衡所用的時間越短，55℃、40%RH 的環境條件下達到黏結力的平衡所用的時間最短，45℃、10%RH 環境條件下達到黏結力的平衡所用的時間最長。 而從熟化條件對背板的PET/PO 復合層PCT 48 h 后的黏結力影響來看，如圖7 所示，濕度較低的環境條件下，背板的PET/PO 復合層PCT 48 h 老化后的黏結力更大，可能是濕度較大的環境下，端基的異氰酸酯基更易與空氣中的水汽反應，生成脲鍵、縮二脲、脲基甲酸酯鍵，在45℃、10%RH，55℃、10%RH 的條件下生成的氨基甲酸酯鍵較多，40℃、40%RH，55℃、40%RH 的條件下生成的脲基甲酸酯鍵、縮二脲、脲鍵較多。 PCT 老化過程中，除了酯基和醚基外，熱降解過程中其他主要官能團的初始熱分解溫度分別為：氨基甲酸酯140 ～160℃，脲160 ～200℃，縮二脲115 ～125℃，脲基甲酸酯100 ～120℃，因此表現在黏結力上，濕度越大，薄膜的黏結力在老化后越低。

圖5 熟化條件對復合膜橫向黏結力的影響

圖6 熟化條件對復合膜縱向黏結力的影響

圖7 熟化條件對復合膜PCT 48h 后黏結力的影響

3 結語

（1）3 種無溶劑聚氨酯膠黏劑：聚醚型聚氨酯、聚醚/（芳香族）聚酯混合型聚氨酯、聚醚/（脂肪族）聚酯混合型聚氨酯對背板的PET/PO 復合層初始及老化后的黏結力不同，聚醚/（脂肪族）聚酯混合型聚氨酯對復合層初始及老化后的黏結力最優。

（2）無溶劑聚氨酯膠黏劑的分子量越大，膠黏劑的初始及老化后的黏結力越大，但是隨之膠黏劑的黏度越大，越不易涂布，結合實際生產中的應用，膠黏劑的分子量選擇為3500，生產時的溫度為70℃。

（3）無溶劑膠層的涂布量越大，膠黏劑黏結背板的PET/PO 復合層初始及老化后的黏結力越大，考慮到生產成本及復合膜的性能，選擇涂布量≥7 g/m2。

（4）熟化條件不同，黏結力達到平衡所用的時間不同，溫度越高、濕度越大，背板的PET/PO 復合層的黏結力達到黏結力平衡所用的時間越短。 綜合考慮生產成本及背板的PET/PO 復合層的性能，選擇55℃、10%RH 條件下進行熟化。