光伏背板用PEVA薄膜耐紫外老化性能研究

劉曉嬌，姚元毅，李忠平，季明龍，李　偉，黃晟祥

(中天光伏材料有限公司，江蘇南通 226000)

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光伏背板用PEVA薄膜耐紫外老化性能研究

劉曉嬌，姚元毅，李忠平，季明龍，李偉，黃晟祥

(中天光伏材料有限公司，江蘇南通 226000)

摘要：采用EVA與PE共混的PEVA薄膜與傳統(tǒng)PE薄膜進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)，通過薄膜老化后表觀形貌、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能等變化，分析、比較兩者的耐紫外老化性能。結(jié)果表明：經(jīng)紫外老化后，兩者結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變；經(jīng)紫外老化30kWh/m2后，PE薄膜的力學(xué)性能衰減嚴(yán)重，而PEVA薄膜仍保持良好的力學(xué)性能；經(jīng)紫外老化60kWh/m2后，PE薄膜表觀開裂。

關(guān)鍵詞：PE，PEVA，紫外老化，應(yīng)力開裂，力學(xué)性能

PE薄膜具有良好的物理、化學(xué)性能，且價格低廉，被廣泛應(yīng)用于光伏背板行業(yè)，作為背板的內(nèi)層材料使用。然而，PE薄膜耐老化性能差[1]，是對環(huán)境應(yīng)力開裂極為敏感的材料，它在一定環(huán)境因素(如光、溫度、濕度、氣氛、液體介質(zhì)等)和應(yīng)力的作用下表面會出現(xiàn)脆性開裂。為此，采用EVA彈性體與PE進(jìn)行共混，改進(jìn)PE的彈性[2]，以提高其屈撓性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性[3]。同時，由于EVA中含有極性基團(tuán)，使其與其它助劑有良好的相容性[4]，可提高相應(yīng)助劑及填料在PE薄膜中分散的均勻度。本文以EVA與PE共混的PEVA薄膜作為背板內(nèi)層材料，對其耐紫外老化性能進(jìn)行研究。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1試驗(yàn)材料

PE薄膜：市售，主要用于光伏背板內(nèi)層的PE薄膜材料；PEVA薄膜：自制，PE與EVA共混薄膜。

1.1.2試驗(yàn)儀器

萬能試驗(yàn)機(jī)：AGS-X，島津儀器有限公司；紫外老化箱：UV500，上海勁越實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；紅外光譜測試儀：IS5，Thermo SCIENTIFIC；金相顯微鏡：VH-S30B，基恩士；色差儀：CR-10，柯尼卡美能達(dá)。

1.2紫外老化試驗(yàn)

將PE薄膜和PE/EVA共混的PEVA薄膜放入紫外老化箱中進(jìn)行老化，試驗(yàn)條件為溫度60℃，累積輻照量分別為30kWh/m2、60kWh/m2(其中UVA約為93%，UVB為7%)。

1.3測試與表征

1.3.1表觀形貌

采用金相顯微鏡觀察老化前后薄膜的表觀形貌，放大倍數(shù)500倍。

1.3.2黃色指數(shù)測試

采用色差儀對老化前后薄膜的黃色指數(shù)進(jìn)行測試，計算老化前后薄膜的黃變情況。

1.3.3結(jié)構(gòu)表征

采用紅外光譜進(jìn)行表征。

1.3.4力學(xué)性能

將試樣置于溫度(23±2)℃、相對濕度(50±5)%的環(huán)境中放置24h后，根據(jù)國標(biāo)GB/T 1040-2006，采用萬能試驗(yàn)機(jī)測定試樣拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。試樣長200mm、寬(15±1)mm，橫縱向各取5根，在試樣的中部標(biāo)出兩個相距至少為50mm的標(biāo)記線，以100mm/min的拉伸速度施加負(fù)荷直至試樣斷裂破壞。

2　結(jié)果與分析

2.1形貌分析

圖1為PE、PEVA薄膜經(jīng)紫外老化30kWh/m2、60kWh/m2后的表觀形貌的顯微鏡照片。從圖中我們可以看出，經(jīng)紫外老化60kWh/m2后，PEVA薄膜表觀良好，而PE薄膜表觀出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖1　薄膜表觀形貌顯微鏡照片(a：UV30kWh/m2 PEVA；b：UV60kWh/m2 PEVA；c：UV30kWh/m2 PE；d：UV60kWh/m2 PE)

2.2薄膜老化前后黃變分析

將PE、PEVA薄膜放入紫外老化箱中進(jìn)行老化，分別累積輻照老化30kWh/m2、60kWh/m2后測試一次黃色指數(shù)，通過黃變情況考察其耐老化性能。如圖2所示，經(jīng)紫外老化30kWh/m2，二者黃色指數(shù)曲線斜率基本保持平行，說明黃變情況相當(dāng)；經(jīng)紫外老化60kWh/m2，PEVA薄膜的曲線變化趨緩，而PE薄膜的曲線斜率增加，說明PEVA薄膜的耐老化黃變性能優(yōu)于PE薄膜。

2.3紅外譜圖分析紫外老化前后薄膜結(jié)構(gòu)變化

圖3、圖4分別為PE、PEVA薄膜紫外老化前后的紅外測試譜圖。從譜圖中可以看到，PE、PEVA薄膜經(jīng)紫外老化后，在1670cm-1～1820cm-1區(qū)間內(nèi)形成譜帶，這主要是經(jīng)紫外輻照后，產(chǎn)生大分子自由基，大分子自由基與O2反應(yīng)，經(jīng)過氧化、斷鏈等反應(yīng)后形成了酮、酯、酸等羰基類化合物[5]；PE經(jīng)老化后在1178cm-1處形成-O-CH-的吸收峰；PEVA經(jīng)老化后1200cm-1處-O-CH-的吸收峰發(fā)生明顯變化，1017cm-1處的酯基吸收峰減弱。通過以上紅外譜圖分析可知，經(jīng)紫外老化后，薄膜不僅表觀顏色發(fā)生變化，本身結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化。

圖3　PE薄膜老化前后紅外光譜

圖4　PEVA薄膜老化前后紅外光譜

2.4紫外老化前后薄膜力學(xué)性能分析

圖5、圖6為經(jīng)紫外老化前后PE、PEVA薄膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率的變化情況。從圖中可以看出，未經(jīng)老化的PE薄膜，拉伸強(qiáng)度高于PEVA薄膜，斷裂伸長率略低于PEVA薄膜，經(jīng)紫外老化30kWh/m2后，PE薄膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率發(fā)生嚴(yán)重衰減。PE薄膜經(jīng)老化后拉伸強(qiáng)度的保持率約為38%，斷裂伸長率的保持率只有2%；而PEVA薄膜經(jīng)老化后拉伸強(qiáng)度的保持率約為80%，斷裂伸長率的保持率約為40%，可見經(jīng)紫外老化后，PEVA薄膜的力學(xué)性能仍保持較好的狀態(tài)。經(jīng)老化后PE薄膜力學(xué)性能的降低，主要是由于在紫外光照射下，PE分子鏈發(fā)生光氧化降解[6]，導(dǎo)致分子鏈斷裂、分子量降低，從而使PE薄膜的力學(xué)性能降低，隨著紫外照射時間的延長，光氧化降解程度也愈發(fā)嚴(yán)重。而加入EVA的PE薄膜，其中EVA與PE都具有乙烯鏈段，相容性好，又EVA中高極性的VAc鏈段與PE基體的相容性差，因此部分EVA鏈段會在基體樹脂中產(chǎn)生微相分離，就能起到橡膠增韌塑料作用，同時由于受VA基團(tuán)的影響，使結(jié)晶度降低，從而提高薄膜的耐應(yīng)力斷裂性、耐撓曲開裂性和耐沖擊強(qiáng)度。

圖5　PE、PEVA薄膜老化前后拉伸強(qiáng)度

圖6　PE、PEVA薄膜老化前后斷裂伸長率

3　結(jié)論

通過對紫外老化后的PE、PEVA薄膜表觀及性能分析看出，經(jīng)EVA與PE共混的PEVA薄膜經(jīng)紫外老化后，其力學(xué)性能明顯優(yōu)于PE薄膜，并且外觀良好，黃變值小、表觀無開裂。說明采用EVA彈性體與PE進(jìn)行共混，可以很好地改善PE的彈性，提高薄膜的耐應(yīng)力斷裂性、耐撓曲開裂性。因此，PEVA薄膜的耐紫外老化性能更優(yōu)于傳統(tǒng)的PE薄膜，作為光伏背板內(nèi)層材料使用安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 何光耀.聚合物光穩(wěn)定化進(jìn)展[J].合成材料老化與應(yīng)用，1998(2)：36-51.

[2] MOREITRA J C，DEMARQUETTE N R. Influence of temperature molecular weight and molecular weight dispersity on the surface tension of PS，PP and PE[J]. Journal of Applied Polymer Science，2001，82：1907-1920.

[3] 李連春.太陽電池用耐老化EVA封裝膠膜的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005：11-13.

[4] 殷錦捷，王亞鵬.PE/EVA共混改性材料力學(xué)性能的研究[J].上海塑料，2005(4)：17-19.

[5] 陶園園.拉伸取向?qū)垡蚁┘捌涔不煳锪W(xué)和老化性能的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009：32-39.

[6] 姚培培，李琛.加速紫外老化對聚乙烯薄膜力學(xué)性能的影響[J].塑料科技，2013(5)：66-70.

中圖分類號：TQ 325.5

Study on Anti Ultraviolet Ageing Performance of PEVA Film of PV Backsheet

LIU Xiao-jiao，YAO Yuan-yi，LI Zhong-ping，JI Ming-long，LI Wei，HUANG Sheng-xiang

(ZHONGTIAN PHOTOVOLTAIC MATERIALS CO.，LTD.，Nantong 226000，Jiangsu，China)

Abstract：Anti ultraviolet ageing performance of pure PE films and PEVA films，which blended of EVA and PE，were compared via changing of morphology，structure and mechanical properties before and after UV-ageing test. The result indicated mechanical properties of PE films decreased by a large margin under 30kWh/m2. On the contrary，PEVA films still have a stable performance on mechanical. PE films appeared cracking when UV-ageing cumulant reached 60kWh/m2.

Key words：PE，PEVA，UV-ageing，stress cracking，mechanical properties