膠黏劑配方及使用工藝對背板層間粘結(jié)力的影響

董麗榮 張伊瑋 王莉 田勇 楊輝 顧麗爭 張艷

(樂凱膠片股份有限公司研究所 河北 保定 071054)

膠黏劑配方及使用工藝對背板層間粘結(jié)力的影響

董麗榮 張伊瑋 王莉 田勇 楊輝 顧麗爭 張艷

(樂凱膠片股份有限公司研究所 河北 保定 071054)

本文研究了膠黏劑不同NCO/OH比值(R值)、不同熟化溫度、不同熟化時間及不同涂膠量對背板層間粘結(jié)力的影響。結(jié)果為隨著膠黏劑R值、熟化溫度、涂膠量設(shè)定數(shù)值的增加，粘結(jié)力呈現(xiàn)先逐漸增大后逐漸減小的趨勢；隨著膠黏劑熟化時間延長，粘結(jié)力逐漸增大，到一定水平后不再變化。用正交實驗法優(yōu)化膠黏劑配方及使用工藝，優(yōu)選結(jié)果為R值為3、涂膠量7g，熟化溫度50℃，熟化時間5天，粘結(jié)力為13.1N/1.5cm。

膠黏劑；背板層間粘結(jié)力；正交實驗

1.引言

在當(dāng)今世界，隨著社會的不斷發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺成為人類面臨的最大挑戰(zhàn)[1]。太陽能電池發(fā)電是將清潔的、可再生的太陽光轉(zhuǎn)換成電能，為生產(chǎn)生活提供能源。利用太陽能電池發(fā)電，上述兩個問題可以得到有效的解決。在太陽能電池組件中，背板起到絕緣、防潮、支撐等作用。背板主要包括耐候?qū)?、結(jié)構(gòu)增強層和粘合層三層結(jié)構(gòu)。背板的耐候?qū)油ǔＶ负∧ぃY(jié)構(gòu)增強層通常指對甲苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，粘合層通常指乙烯-醋酸乙烯樹脂(EVA)或聚乙烯(PE)薄膜，三層薄膜用膠黏劑粘結(jié)在一起。因為背板中結(jié)構(gòu)增強層的薄膜性能分別與耐候?qū)雍驼澈蠈哟嬖诤艽蟮牟町悾瑫斐扇龑娱g粘結(jié)難度大的問題，所以膠黏劑粘結(jié)力的大小直接關(guān)系到背板整體質(zhì)量與使用壽命。本文以聚氨酯膠黏劑粘結(jié)PET與PE薄膜的粘結(jié)力作為背板層間粘結(jié)力，采用單因素實驗法研究了膠黏劑配方及使用工藝對背板層間粘結(jié)力的影響；采用正交實驗法優(yōu)選出最佳的實驗配方及使用工藝，使背板層間粘結(jié)力達到最大值。

2.實驗部分

2.1 實驗原料

膠黏劑主劑：聚酯類多元醇；膠黏劑固化劑：三聚體IPDI；基材 (PET)：250μm；薄膜(PE)：60μm；乙酸乙酯(分析純)：福辰化學(xué)試劑廠

2.2 實驗設(shè)備

電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司 JH2102；攪拌機：上海標(biāo)本模型廠 JB50-D；復(fù)合機：FM-630；烘箱：菏澤市華強儀器儀表有限公司 HQDS-9140A

PCT老化箱：慶生儀器技術(shù)有限公司 KPCT；拉力機：深圳萬測實驗設(shè)備有限公司 ETM-104B

2.3 背板復(fù)合方法：

背板采用干式復(fù)合法。首先PET上涂覆一層配置好的粘合劑，再經(jīng)烘干處理，使粘合劑中的溶劑蒸發(fā)掉，然后在膠黏劑干的狀態(tài)下基材與薄膜進行熱壓復(fù)合[2]，復(fù)合輥設(shè)定溫度70℃，壓力0.5kg。

2.4 背板層間粘結(jié)力測試方法

按國標(biāo)GB/T 2790-1995《膠黏劑 180°剝離力強度實驗方法 撓性材料對剛性材料》提供的方法測試。

2.5 膠黏劑配方及使用工藝條件的篩選

2.5.1 NCO/OH(R值)的選擇 準(zhǔn)確計算R值分別為1、2、3、4、5、6，涂膠量定為7g/m2，熟化溫度定為50°，熟化時間定為5天，實驗樣片按照2.4步驟測定。

2.5.2 涂膠量的選擇 將涂膠量定為3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g，熟化溫度定為50°，R值選取3，熟化時間定為5天，實驗樣片按照2.4步驟測定。

2.5.3 熟化溫度的選擇 將熟化溫度設(shè)定為30°、40°、50°、60°、70°，將涂膠量定為7g/m2，R值選取3，熟化時間定為5天，實驗樣片按照2.4步驟測定。

2.5.4 熟化時間的選擇 將熟化時間定為1天、2天、3天、4天、5天、6天、7天、8天、9天、熟化溫度定為50°，R值選取3，將涂膠量定為7g/m2，實驗樣片按照2.4步驟測定。

2.5.5 最佳配方及使用工藝條件選擇 為了獲得背板層間粘結(jié)力最大的膠黏劑配方和使用工藝條件，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，利用正交實驗法，以R值、涂膠量、熟化溫度、熟化時間作為四個考察因素，選取3個水平進行實驗。采用L9(34)正交表進行正交實驗設(shè)計，來確定最佳膠黏劑配方和使用工藝條件。

3.結(jié)果與討論

3.1 NCO/OH(R值)的選擇

圖1 不同R值對背板層間粘結(jié)力的影響Figure 1 The influence of different R value cohesive force between the layers

從圖中可知，隨著R值逐漸增大，首先背板層間粘結(jié)力隨之逐漸增大，當(dāng)R為3時背板層間粘結(jié)力達到最大值，再增大R值背板層間粘結(jié)力之逐漸降低。背板層間粘結(jié)力越大，在濕熱老化時水蒸氣進入膠層的數(shù)量越少，基材水解作用越小，薄膜對基材在濕熱老化過程中保護作用越好。因此，選取R為2、3、4作為正交實驗的三個水平。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：當(dāng)NCO/OH值過小時，主劑與固化劑反應(yīng)后，膠層交聯(lián)密度小，背板層間粘結(jié)力??；當(dāng)NCO/OH值適中時，主劑和固化劑反應(yīng)后，膠層交聯(lián)點密度適中，背板層間粘結(jié)力最高；當(dāng)NCO/OH值過大時，膠層中物理交聯(lián)點過多，使膠層硬度增大[3]，膠層對基材潤濕性變差[4-6]，背板層間粘結(jié)力小。

3.2 涂膠量的選擇

圖2 不同涂膠量對背板層間粘結(jié)力的影響Figure 2. Effect of different quality glue adhesion of the interlayers

從圖中可以看出，隨著涂膠量逐漸增大，首先背板層間粘結(jié)力隨之逐漸增大，當(dāng)涂膠量為7g時背板層間粘結(jié)力達到最大值，再增大涂膠量背板層間粘結(jié)力隨之逐漸降低。背板層間粘結(jié)力越大，在濕熱老化時水蒸氣進入膠層的數(shù)量越少，基材水解作用越小，薄膜對基材在濕熱老化過程中保護作用越好。因此涂膠量選取5g、6g、7g作為正交實驗的三個水平。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：當(dāng)涂膠量太小時，膠層不能填滿基材表面的孔隙和凹坑，其表面留下空缺，背板層間粘結(jié)力較低；當(dāng)涂膠量適量時膠層可以將基材表面全覆蓋，背板層間粘結(jié)力較高；當(dāng)涂膠量過高時，膠層過厚其內(nèi)應(yīng)力較大[7、8]，同時當(dāng)膠層表層成膜后膠層內(nèi)部溶劑不易揮發(fā)，使膠層容易產(chǎn)生氣泡、滑移現(xiàn)象，并且膠層其受熱膨脹后的熱應(yīng)力也較大，以上幾點都可導(dǎo)致背板層間粘結(jié)力較低。

3.3 熟化溫度的選擇

圖3 不同熟化溫度對背板層間粘結(jié)力的影響Figure 3. Effect of different curing temperature of the adhesive force between the layers

從圖中可以看出，隨著熟化溫度逐漸升高，首先背板層間粘結(jié)力隨之逐漸增大，當(dāng)熟化溫度為50°時背板層間粘結(jié)力達到最大值，再升高熟化溫度背板層間粘結(jié)力之逐漸降低。背板層間粘結(jié)力和薄膜對基材的保護作用的關(guān)系同上。因此熟化溫度選取40°、50°、60°作為正交實驗的三個水平。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：主劑和固化劑需要一定溫度才能充分交聯(lián)。當(dāng)溫度升高時，主劑和固化劑通過交聯(lián)反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使膠層內(nèi)聚力增大粘結(jié)力也會隨之增大；同時固化劑會發(fā)生自聚，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使膠層粘結(jié)力變大[9]。但是當(dāng)溫度超過最佳點繼續(xù)升高，容易使膠層表面產(chǎn)生氣泡，影響粘結(jié)強度。

3.4 熟化時間的選擇

圖4 不同熟化時間對背板層間粘結(jié)力的影響Figure 4 Effect of different heating time on the inter-layer adhesion of the backsheet

從圖中可以看出，熟化時間對背板層間粘結(jié)力有顯著提高作用?？梢娛旎瘯r間越長，主劑和固化劑反應(yīng)越充分。但是當(dāng)熟化時間超過5天時，背板層間粘結(jié)力趨于穩(wěn)定，增長較小。考慮到實際生產(chǎn)效益，因此選定熟化時間3天、4天、5天作為正交實驗的三水平。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：熟化時間對背板層間粘結(jié)力有一定的影響，熟化時間短，主劑和固化劑反應(yīng)不完全，背板層間粘結(jié)力較低；熟化時間適中，主劑和固化劑完全反應(yīng)，背板層間粘結(jié)力較高[10]。繼續(xù)延長熟化時間，由于主劑和固化劑活性基團已經(jīng)反應(yīng)完全，背板層間粘結(jié)力已經(jīng)沒有明顯提升。

3.5 正交實驗

根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，選取影響背板層間粘結(jié)力各因素中有意義的水平做正交實驗。對正交實驗的果進行極差分析和方差分析，確定各因素最佳的組合水平。采用L9(34)正交表，以R值、涂膠量、熟化溫度、熟化時間作為4個考擦因素，選取3個水平進行實驗。

表1 背板層間粘結(jié)力L9(34)正交實驗因素水平表Table 1 backsheet layer adhesion between L9(34) orthogonal factor level table

按正交因素水平設(shè)計L9(34)正交實驗，結(jié)果見表2及表3。

表2 背板層間粘結(jié)力L9(34)正交實驗設(shè)計及極差分析結(jié)果Table 2 Inter-backsheet adhesion layer L9(34) orthogonal experimental design and analysis of poor results

表3 背板層間粘結(jié)力L9(34)正交實驗設(shè)計及方差分析結(jié)果Table 3 backsheet layer adhesion between L9 (34) orthogonal experimental design and analysis of variance

由表2的極差分析結(jié)果可以看出，RC>RB>RA>RD,四個因素對背板層間粘結(jié)力的影響大小依次為R值>熟化時間>熟化溫度>涂膠量。四因素中，R值和熟化時間的影響較為顯著，其中R值的作用最為顯著。由表3的方差分析結(jié)果可以看出，四個因素對結(jié)果均無顯著影響。綜合直觀分析及方差分析，篩選膠黏劑的最佳工藝為A2B3C2D3，即R值為3、涂膠量7g，熟化溫度50℃，熟化時間5天

3.5.2 驗證實驗 按A2B3C2D3條件進行3次平行實驗，背板層間粘結(jié)力的平均值為13.1N/1.5cm，高于表2中每一項實驗的結(jié)果，故A2B3C2D3為最佳配方和使用工藝。

4.結(jié)論

4.1 單因素實驗中膠黏劑不同NCO/OH比值(R值)、不同熟化溫度、不同熟化時間及不同涂膠量對背板層間粘結(jié)力有不同影響：隨著膠黏劑R值、熟化溫度、涂膠量設(shè)定數(shù)值的增加，粘結(jié)力呈現(xiàn)先逐漸增大后逐漸減小的趨勢，隨著膠黏劑熟化時間延長粘結(jié)力逐漸增大，到一定數(shù)值后不再變化。

4.2 正交實驗中通過直觀分析和方差分析結(jié)果為：R值和熟化時間對背板層間粘結(jié)力影響最大，熟化溫度次之，涂膠量最小。

4.3 用正交實驗優(yōu)選出背板層間粘結(jié)力最大的配方及使用工藝：R值為3、涂膠量7g，熟化溫度50℃，熟化時間5天，背板層間粘結(jié)力為13.1N/1.5cm。

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Adhesive Formula and Use Technology to the Influence of the Cohesive Force between the Layers

Dong Lirong,Zhang Yiwei,Wang Li,Tian Yong,Yang Hui,Gu Lizheng, Zhang Yan.
Lucky film co., LTD. Research institute 071054,China

This paper studies the different adhesive NCO/OH ratio (R value)、different curing temperature、different curing time and different amount of glue on the backsheet to the influence of the cohesive force between the layers. IT show that for with adhesive R value, curing temperature, amount of glue the increase of the set value, the cohesive force showed that a trend of increase gradually decreases after first; As the adhesive curing time extended, cohesive force increases gradually, to a level no longer change. Using orthogonal experiment method, formula and use technology to optimize adhesives, optimization result for the R value for 3, 7 g glue quantity, curing temperature 50℃, curing time 5 days, cohesive force is 13.1N / 1.5cm.

Adhesive;The cohesive force;Orthogonal experiment method

TP204

A

1009-5624（2016）05-0103-03