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光伏背板用PET薄膜湿热老化性能研究

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: xh-studios.com 发布日期: 2020.04.13

    0、引言

    太阳电池组件的结构一般为玻璃、EVA、电池片、背板,四周用铝框封装。背板位于组件背面最外层,在户外环境下,具有良好的绝缘性,保护太阳电池不受水汽侵蚀,阻隔氧气;耐高低温和耐老化性能;耐腐蚀性能。背板的结构一般为TPT或TPE结构,总厚约为300 ~ 350μm,其中P为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯),厚约250 μm,是背板的主体结构。大部分长时间湿气的渗,入是组件失效的原因。水蒸气在电池板或电路上的冷凝会导致短路或腐蚀。随着湿热老化时间的延长,背板会脱层从而导致背板失效。为了让组件在户外能有效使用25年,背板必须按标准经过一系列严格的湿热老化测试。这就要求背板的主体结构PET也要经受住湿热老化测试。所以研究湿热老化过程中,PET薄膜的各项性能如何变化,以及最终对背板层间粘结力的影响,具有一定的参考价值。

    1、试验设备和材料

    试验设备:恒温恒湿箱(85 ℃,85%RH)、差示扫描量热仪(DSC)、拉力机。
    试验材料:同一厂家不同批次的PET,为了保密,不公布厂家和批次,批次用a. b. c代替。复合背板所用其他材料保密,在此不公开。

    2、试验方法

     取a、b、c批次的PET薄膜放人恒温恒湿箱,分别在500h、1000h、1500h取出,测PET薄膜的表面张力、拉伸强度、结晶度。将老化后的PET薄膜在实验室复合成TPE结构的背板,测背板的层间粘结力。

    3、试验结果与讨论

    3.1 PET薄膜表面张力的变化
    表面张力取决于塑料本身的化学结构,表示塑料薄膜表面自由能的大小,是决定聚合物粘结性的一个重要因素。PET类属于极性高聚物,其表面自由能大,本身能达到42 dyn/cm,但为了提高PET薄膜与其他材料的粘结力,仍需进一步提高,一般通过电晕处理方法,处理后能达到52 dyn/cm或更高。电晕处理指在非真空(空气存在)条件下用电磁能将空气激发、电离,使PET表面发生化学反应,形成醇、羧基极性基团国,从而改善PET薄膜表面的附着性。电晕处理深度一般只有零点几纳米,处理后应尽快使用,否则易失效。

    从表1可看出,各个批次的PET薄膜在放人恒温恒湿箱500h后,表面张力就已大幅下降,约从48 dyn/cm降到42 dyn/cm; 1500 h后,表面张力已降到36 dyn/cm以下。

    PET薄膜表面张力的大小随着老化时间的延长而降低,这与电晕处理和PET水解有关。湿热老化初期,电晕效果开始失效,PET水解速率较慢,500 h时电晕效果已完全失效。随着老化时间的延长,水解速率加快,PET加速降解,由大分子变成小分子,PET化学结构发生变化,所以表面张力下降。

表1 不同批次PET老化后的各项性能变化

    3.2 PET薄膜拉伸强度变化

    拉伸强度是材料能承受的最大拉伸应力,通常出现在材料的屈服点或断裂点。从表1和图1可看出,a、b、c批次的PET薄膜在1000h老化后,拉伸强度的下降幅度都不大,这是PET的结晶度和水解作用共同作用的结果。水解反应造成PET的降解对拉伸强度产生负面影响,但结晶度的增大(由表1和图2可看出)可抵消大部分影响,所以整体表现为拉伸强度下降幅度不大。而老化1000 h后,拉伸强度大幅下降,主要原因是虽然结晶度仍在增加,但是水解反应造成的分子链下降占主导作用,从而引起拉伸强度大幅下降。

    3.3 PET 薄膜的结晶度变化

    聚合物中大分子链以三维有序排列的现象称为结晶,大分子链以一维或二维有序并沿某一特定方向排列的现象称为取向,大分子链在成型时以不平衡构象冷却并固定下来,则会留有残余应力。聚合物的结晶度反映了结晶区与无定形区的相对数量。聚合物的很多重要性能都受结晶度的影响,如不透明性、拉伸强度、渗透性、粘附性、抗撕裂性等。


表1 不同批次PET薄膜

    如图2所示,PET在湿热老化过程中结晶度直在增加,说明PET薄膜内部发生了结晶现象。

    PET薄膜采用双向拉伸方法制备,分子在横向和纵向都有取向,冷却定型后会有残余应力存在。在湿热老化中,温度的存在使PET大分子链运动加剧,释放了残余应力,使PET大分子朝三维有序方向排列,所以结晶度升高。
    3.4背板层间粘结力的变化
    复合型背板一般采用干式复合法制备。干式复合是在第一种基材 上涂覆一层粘合剂, 经烘干处理,使粘合剂中的溶剂蒸发掉,粘合剂在干的状态下与第二种基材进行复合的一一种方法刀。影响背板层间粘结力的因素有胶黏剂的润湿性、PET及其他材料的表面张力等。

    由表2和图3可知,随着PET老化时间的延长,背板的层间粘结力都在降低。主要原因是湿热老化后,PET的表面张力下降和结晶度升高。粘结本质上是一种表面现象, 胶黏剂必须能渗 人材料表面所有的孔隙和缝隙中,才能达到良好的粘结。而胶黏剂对PET基材的渗人过程只发生在无定形区域,湿热老化后,结晶度增加,PET部分分子由无定形变成规则排列,渗人过程减弱。为了获得良好的粘结强度,胶黏剂还必须很好地润湿被粘结表面。胶黏剂与被粘结表面的润湿特性取决于两者表面张力的相对大小。胶黏剂的表面张力值必须小于被粘结表面的临界表面张力,一般胶黏剂的表面张力至少要比被粘结物的表面张力小10 dyn/cm.本实验中,胶黏剂的表面张力不变,PET的表面张力随老化时间变小,两者的表面张力越来越相近,导致胶黏剂在PET上的润湿性不好,所以层间粘结力降低。


表1 不同批次PET薄膜老化后

图3

    4、结论

    1)PET湿热老化,随着老化时间的延长,PET的表面张力下降、拉伸强度下降、结晶度升高。
    2)PET湿热老化后复合成背板,层间粘结力降低,主要原因是PET的表面张力下降和结晶度升高。
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