EVA拉伸性能影響因素分析

國(guó)家電投集團(tuán)西安太陽(yáng)能電力有限公司 施 雯

EVA作為光伏組件的封裝材料，用于保護(hù)電池片安全性能，而拉伸強(qiáng)度是衡量EVA性能優(yōu)劣的指標(biāo)之一，它是表征材料抵抗拉伸破壞的極限能力，當(dāng)EVA強(qiáng)度降低時(shí)抗蠕變性變差,組件在承受溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮會(huì)導(dǎo)致電池片碎裂和EVA開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

一、背景

近期我司對(duì)進(jìn)料福斯特高透型EVA進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)有偏低現(xiàn)象，不能滿足我司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)≥18MPa的要求。目前行業(yè)中是通過(guò)測(cè)定EVA交聯(lián)后的拉伸強(qiáng)度從力學(xué)角度表征EVA樣品的機(jī)械強(qiáng)度，針對(duì)上述異常主要從以下方面分析EVA拉伸強(qiáng)度性能低的原因。

二、EVA交聯(lián)機(jī)理

EVA是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，未交聯(lián)的EVA為線狀大分子結(jié)構(gòu)，作用力弱易受溶劑和熱的影響，目前光伏行業(yè)所用的EVA是通過(guò)采取化學(xué)交聯(lián)的方式對(duì)EVA進(jìn)行改性，其方法就是在EVA中添加有機(jī)過(guò)氧化物交聯(lián)劑，當(dāng)EVA加熱到一定溫度時(shí)，交聯(lián)劑中的過(guò)氧鍵斷裂形成過(guò)氧自由基RO-,其極易與EVA支鏈上烷基的H結(jié)合，兩個(gè)烷基活性基團(tuán)結(jié)合后形成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致EVA交聯(lián)固化。

三、異常原因分析

1.不同工藝對(duì)比

目前我們產(chǎn)線主要以高透+白膜層壓組件生產(chǎn)為主，其層壓工藝溫度148°、壓力750mbar，與前期高透+高截止層壓組件工藝參數(shù)溫度150°、壓力900mbar不同，考慮兩種不同工藝對(duì)EVA拉伸強(qiáng)度的影響，抽取異常批次的EVA做實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

將高透和白膜EVA各裁取相同兩片、高透和白膜各一片組合層疊，分別按照上述兩種不同工藝進(jìn)行層壓。根據(jù)行業(yè)目前通用的EVA拉伸使用的5型啞鈴裁刀制備樣品，分別抽取5個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)以200mm/min的速度，夾具間距離為25mm進(jìn)行測(cè)試。其數(shù)據(jù)如下：

表1 不同層壓溫度拉伸強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)圖1數(shù)據(jù)可看出：溫度升高，壓力增大三種組合樣品拉伸強(qiáng)度整體上升，原因?yàn)闇囟壬逧VA中的交聯(lián)劑分解充分，形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就越致密，提高了其強(qiáng)度。

圖1 不同工藝參數(shù)拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖

2.測(cè)試影響

將我司采用方法與GB/T1040.3塑料拉伸性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及廠家測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比，主要區(qū)別為夾具間初始距離以及拉伸速度的不同，如表2所示：

表2 測(cè)試方法對(duì)標(biāo)表

2.1 調(diào)整夾具初始距離測(cè)試

我們?nèi)‘惓Ｅ胃咄?高透疊層樣品按照產(chǎn)線溫度148°壓力750mbar工藝層壓，采用國(guó)標(biāo)規(guī)定的夾具間初始距離80mm進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)速度為200mm/min。

測(cè)試15個(gè)樣品其中4個(gè)不滿足≥18MPa要求，且整體測(cè)試值有所提高，表明測(cè)試時(shí)夾具間初始距離對(duì)EVA拉伸大小影響較大。目前我們的現(xiàn)行夾具距離無(wú)依據(jù)，樣品斷裂主要傾向根部斷裂，可能與緊固樣品時(shí)由于受力不均導(dǎo)致。

2.2 測(cè)試速度對(duì)比

表3 測(cè)試速度對(duì)比數(shù)據(jù)

從表3中數(shù)據(jù)來(lái)看，兩個(gè)測(cè)試速度對(duì)比測(cè)試結(jié)果基本一致。

3.層壓機(jī)位置對(duì)比

由于測(cè)試數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)，考慮層壓機(jī)加熱板不均勻度造成，取異常批次EVA將高透和白膜EVA各裁取相同兩片、高透和白膜各一片組合層疊，分別按照目前工藝溫度148°、壓力750mbar層壓，按照國(guó)標(biāo)夾具間距離8mm進(jìn)行拉伸強(qiáng)度對(duì)比。

從測(cè)試數(shù)據(jù)可看出：邊緣位置較中間位置拉伸強(qiáng)度整體偏低,透明+透明、白+透邊緣位置較中間位置拉伸強(qiáng)度平均值偏低約2MPa，通過(guò)對(duì)層壓機(jī)溫度的監(jiān)控圖發(fā)現(xiàn)原因?yàn)閷訅簷C(jī)加熱板溫度差異較大，集中表現(xiàn)中間溫度高，邊緣位置溫度低，同時(shí)表現(xiàn)出同位置溫度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，且不能滿足設(shè)備溫度控制精度±2的要求。

4.材料分析

從材料方面EVA的性能受多個(gè)方面的影響因素，影響其力學(xué)性能的主要取決于分子量和醋酸乙烯酯（VA）的含量，也與配方中的交聯(lián)劑有關(guān)，對(duì)其做相關(guān)測(cè)試如下。

4.1 VA含量

取正常批次和異常批次EVA做對(duì)比，測(cè)試設(shè)備：熱分析儀，測(cè)試圖譜和數(shù)據(jù)如圖2：

圖2 VA含量測(cè)試圖及數(shù)據(jù)

EVA中的VA含量對(duì)機(jī)械性能有決定的影響作用，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)EVA的VA含量各批次間表現(xiàn)穩(wěn)定。

4.2 分子量測(cè)試

分子量和分子量分布是高分子材料最基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，高分子材料的許多性能與分子量、分子量分布有關(guān)，分子量對(duì)聚合物材料的力學(xué)性能以及加工性能有重要的影響。聚合物的分子量越大，則機(jī)械強(qiáng)度越大。EVA作為一種聚合物不是由分子量相同的同一物質(zhì)組成，而是分子量不同的同系物的混合物，存在一定的分布或多分散型，通常所描述的聚合物分子量指平均分子量，表示方法有不同的方式，其中上圖中Mn數(shù)均分子量是最常用的分子量表示方法，其核心是按分子數(shù)統(tǒng)計(jì)平均。取與VA含量測(cè)試相同的三批次做對(duì)比， 可知，三個(gè)批次中異常批次較其它兩批次數(shù)均分子量相對(duì)較低，是導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)較低的原因之一。對(duì)應(yīng)該批次多分散性較大，說(shuō)明分子量分布寬，分子量分布是聚合物合成中的重要參數(shù)，主要與材料的配方有關(guān)。

4.3 熱焓測(cè)試

取與VA含量測(cè)試相同的三個(gè)批次做對(duì)比， 測(cè)試設(shè)備為DSC，可知：異常批次熱焓值偏低，反應(yīng)該批次中的交聯(lián)劑含量少，與該廠家溝通內(nèi)控交聯(lián)劑含量在15～19.5%之間。從理論上說(shuō)交聯(lián)劑含量越多，EVA力學(xué)性能表現(xiàn)就越大。

四、結(jié)論

1.通過(guò)不同工藝和層壓機(jī)不同位置的拉伸強(qiáng)度對(duì)比，均表明溫度對(duì)其影響較大。

2.EVA拉伸強(qiáng)度與測(cè)試時(shí)夾具距離有關(guān)。

3.從材料方面來(lái)看，EVA到貨批次間的原料配方不穩(wěn)定，供應(yīng)商質(zhì)量管控不到位。