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  • 固化特性對光伏組件用封裝膠膜的幾點影響
  • 2019-05-05 11:36:55  發布:  來源:衡水學院 作者:孫會娟 陳靈智 趙曉雅
  • 摘要:全球范圍內倡導資源循環利用以解決日益突出的生態環境問題的影響下,具有環保、可再生特質的新能源因其環保、可再生的優勢,躍入人們的視野,備受矚目。

     研究過氧化二異丙苯 ( DCP) 、復配交聯劑 ( T-50) 兩種固化劑與太陽能光伏發電組件用乙烯-醋酸乙烯共聚物 ( EVA) 封裝膠膜各項性能的關系。結果表明,工藝條件選取固化溫度為 120 ℃,固化時間為 16 min,固化壓力為 5 MPa 時,以 T-50 交聯的 EVA 膠膜的初始流變性無變化; 固化后,當 T-50 加入量為 1. 6%時,EVA 膠膜交聯度增至 96. 94%,拉伸強度增至 14. 56 MPa,斷裂伸長率降至 466%。熱重分析顯示以 T-50 為交聯劑時 EVA 膠膜的熱穩定性略有提高。T-50 可替代 DCP 作為 EVA 膠膜的固化劑使用,且可降低光伏發電組件的組裝溫度。

     
    全球范圍內倡導資源循環利用以解決日益突出的生態環境問題的影響下,具有環保、可再生特質的新能源因其環保、可再生的優勢,躍入人們的視野,備受矚目。太陽能電池組件即是作為光電轉換技術的載體將太陽能這一新能源為人類所利用。在使用過程中,研究者發現太陽能電池組件中的封裝材料在很大程度上會影響其光電轉換效率、使用壽命等。而有機高分子乙烯-醋酸乙烯酯 ( EVA) 膠膜以其突出的綜合性價比,以絕對優勢占據了太陽能電池封裝材料的市場。
     
    作為封裝的關鍵材料,膠膜的主要作用是保護太陽能電池并將電池與蓋板、背板材料緊密貼合成為一個整體。EVA 封裝膠膜屬于熱固性材料,在封裝層壓過程中在一定溫度、壓力下發生化學交聯反應,進而實現良好的粘接。交聯劑常采用過氧化二異丙苯( DCP) ,而 DCP 需在 140 ~ 160 ℃的高溫條件下發揮作用,此時會因各組件間的線膨脹系數的差異,產生一部分內應力,封裝完成組件溫度降至室溫,因各組件導熱系數的差異,又產生一部分內應力,兩部分內應力累積,最終將導致各組件間脫層、起泡、褶皺等現象的發生,降低太陽能電池的使用壽命。因此,選用合適的助劑,盡量降低 EVA 膠膜的封裝層壓溫度,避免因此帶來的產品缺陷,延長太陽能電池組件的使用壽命,也成為研究者們亟待需要解決的問題之一。
     
    本文研究了一種可用于固化 EVA 膠膜,且固化溫度較 DCP 低,力學性能無顯著下降的固化劑 T-50 對EVA 材料性能的影響,以期為今后太陽能電池更有效地開發利用提供一定的理論指導。
     
    1 實驗部分
     
    1.1 主要原料
     
    乙烯-醋酸乙烯酯 ( EVA) : 14-2,北京東方石油化工有機化工廠; 硅烷偶聯劑: Si69,衡水恒信化工有限公司; 抗氧劑: 1010,鄭州聚力化工產品有限公司; 三烯丙基異氰尿酸酯: TAIC,山東佰仟化工有限公司; DCP: 中國石化上海高橋化工公司; 復配交聯劑: T-50,衡水信華化工公司; 氧化鋅 ( ZnO) :石家莊宏達鋅業有限公司; 二甲苯: 天津市恒興化學試劑制造有限公司。
     
    配方組成 ( %) : EVA,100; Si69,0. 1; 抗氧劑 1010,0. 2; TAIC: 0. 4; DCP,0. 4 ~ 1. 6; T-50,0.4 ~ 1. 6; 其他,3. 3。
     
    1.2 儀器與設備
     
    開煉 機: SK-160,大 連 嘉 爾; 硫 化 儀: MZ-4010B1,江蘇明珠; 平板硫化機: XLB-D1. 00MN,青島嘉瑞; 電子萬能試驗機: UTM4204,深圳三思縱橫; 熱重 ( TG) 分析儀: TGA4000,美國 PE; 場發射掃描電鏡 ( SEM) : Merlin compact,德國卡爾蔡司; 熱機械 ( DMA) 分析儀: DMA8000,美國 PE。
     
    1.3 性能測試
     
    交聯度: 溶劑回流法; 拉伸性能按照 GB /T 1040-1992,II 型試樣,拉伸速度 500 mm /min; DMA測試: 頻率 2 Hz,振幅 0. 03 mm,溫度范圍-75 ℃ ~75 ℃,升溫速率 10 ℃ /min; TG 測試: 溫度 50 ~ 600 ℃,升溫速率 20 ℃ /min; SEM 測試: 電壓 10 kV,放大倍數為 3 000。
     
    2 結果與討論
     
    2. 1 流變性能
     

     
    圖 1 為 EVA 交聯前后的表面結構。未交聯 EVA表面有模壓成型時因模具表面有劃痕所產生的橫縱條紋,溶于溶劑全部溶解; 交聯后的 EVA 因產生不溶于溶劑的體型交聯結構而部分溶解,不溶部分的結構隨 T-50 用量的增加而更趨于均勻、規整化。
     
    表 2 數據表明,無交聯劑添加的 EVA 為線型結構,交聯度為 0,添加 DCP 的 EVA 因在 120 ℃ 不發生化學交聯反應,交聯度也為 0,加入 T-50 時,交聯度隨 T-50 加入量的增加而增加,這是由于 T-50 在EVA 中的含量增加,可以形成更多的化學交聯鍵,一定長度的大分子鏈上的交聯鍵數目增加,形成了更密集的體型交聯結構所致,與 SEM 的定性分析相符。
     

     
    力學性能方面,因 DCP 在 EVA 未發生化學交聯反應,僅起到了填充劑的作用,可視為在 EVA 中引入了雜質,破壞了 EVA 整體的規整結構,故 Ts、Eb均較未添加固化劑的純 EVA 的 Ts、Eb低。隨著 T-50用量的增加,以其交聯的 EVA 的 Ts 增大,且均高于純 EVA; Eb降低。原因為 T-50 用量增加,形成了更多的分布較均勻的交聯鍵,連接于 EVA 大分子鏈之間,當 EVA 在外力作用下產生變形時,交聯鍵的存在可防止大分子鏈間的滑脫,同時還可分擔部分由大分子鏈傳導來的外力,從而使得 EVA 整體上承受外力的能力增強,即 Ts 增大; 同時,交聯鍵的存在也限制了 EVA 大分子鏈的空間運動,使其柔順性下降,剛性增加,外力作用下,較小的伸長變形即可使EVA 聚集較大的力,即材料發生斷裂破壞時的 Eb 會隨交聯鍵數目的增加而下降。
     
    2. 3 熱重分析
     
    由以上信息可知,EVA 的熱降解分兩步進行,第一階段降解溫度在 300 ~ 400 ℃,主要發生的是醋酸乙烯結構中的羧酸脫除,生成酮、一氧化碳、二氧化碳、水等; 第二階段降解溫度在 400 ~ 500 ℃, EVA 主鏈以隨機斷裂的形式生成乙烯、丁烯等不飽和脂肪烴。溫度至 600 ℃時,均降解徹底。
     

     
    EVA 降解兩個階段中的最大失重速率分別出現在約 353 ℃ 及 463 ~ 469 ℃ 處。第一階段的降解與EVA 是否有化學交聯結構無明顯關系,降解溫度無明顯變化,但失重速率隨化學交聯結構的增加稍有降低,可能是交聯結構的存在可在一定程度上阻礙了EVA 的側基消除降解過程,熱穩定性略有改善。第二階段的降解特點是隨著 T-50 的含量增加,出現最大失重速率的溫度稍有增加,但最大失重速率均高于純 EVA。原因可能為未完全發生交聯反應的 T-50 在此溫度下產生了可加速 EVA 主鏈斷鏈降解的物質,該物質的催化降解作用隨著化學交聯結構的越來越完整、緊密而有所下降,但與化學交聯相比,仍占據優勢地位,最終出現交聯的 EVA,最大失重速率較純EVA 的為高。
     
    2. 4 熱機械分析
     

     
    結合圖、表中信息,存在化學交聯結構的 EVA的 Tg較無交聯結構的 EVA 的 Tg高,且隨著 T-50 用量的增加,Tg向高溫方向偏移。產生該結果的原因為T-50 用量增加,會使 EVA 形成更多的化學交聯結構,化學鍵的存在不僅使大分子鏈之間得以結合,自身的體積也占據了大分子鏈的運動空間,兩種作用最終均使 EVA 大分子鏈的運動受阻,進而 Tg 升高。此外, EVA 的損耗模量隨 T-50 用量的增加而降低,表明因T-50 的加入而生成的化學交聯結構在一定程度上阻礙了 EVA 分子鏈的運動,縮短了交聯點之間的分子鏈長,降低了分子鏈之間的摩擦損耗,使得 EVA 的黏性下降,剛性有所增加。
     
    3 展望
     
    光伏產業在全球大力開發清潔新能源的環境背景下,得到了異常迅速的發展。我國已是世界上最大的太陽電池及組件的生產基地,封裝膠膜無論從研發實力、產品質量方面均在不斷地提高,但高性能EVA 膠膜仍需依賴進口,嚴重制約我國光伏產業的發展。因此研究出高性能的封裝膠膜,從改進配方、改進工藝、改性 EVA、開發 EVA 替代品等方面出發,優化改善封裝膠膜的透光、散熱、粘接、耐老化等性能,最終減緩光伏電池的衰竭速率、提高使用壽命、降低進口依存度,是研究者們需要加大力度攻關的課題。
     
    4 結論
     
    1) 120 ℃ 條件下,T-50 可與 EVA 發生化學交聯,隨加入量 0% ~ 1. 6%的增加,EVA 初始黏度無變化,固化時間縮短,固化效率增加。
     
    2) T-50 用量 0% ~ 1. 6%的增加,EVA 的交聯度增加,含量 1. 6%時達 96. 94%; 拉伸強度增大,含量 1. 6% 時達 14. 56 MPa; 斷裂伸長率下降,含量1.6%時達 446%。
     
    3)采用 T-50 固化的 EVA 對其熱穩定性略有提高。
     
    4) 采用 T-50 固化的 EVA 的 Tg隨 T-50 用量的增加而提高,剛性增加。
     
    5) T-50 固化劑可用于 EVA 的交聯,與 DCP 相比,可降低固化溫度,進而降低生產成本。
     

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