可用于光伏背板的PP/PBT/Talc共混物薄膜的制備及探討

趙正柏， 夏修旸， 劉 源

(1. 裕克施樂塑料制品(太倉)有限公司， 江蘇蘇州 215400；2. 蘇州賽伍應(yīng)用技術(shù)股份有限公司， 江蘇蘇州 215200)

0 前言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，人類對于能源的需求也在急速地增長，而傳統(tǒng)的石化能源對環(huán)境帶來的污染問題以及不可再生性，已經(jīng)不能滿足未來的發(fā)展。因此，對于新能源的開發(fā)和使用就變得日益緊迫和重要。太陽能作為一種可再生清潔能源受到廣泛的關(guān)注和研究，關(guān)于太陽能電池和其發(fā)電組件的研究和發(fā)展也受到越來越多人的關(guān)注[1-3]。

太陽能電池組件[4-5]是太陽能發(fā)電最基本的單元，它是由太陽能電池片串并聯(lián)，再使用鋼化玻璃、封裝膠膜和背板對其進(jìn)行組裝和保護(hù)；其中，背板位于太陽能電池組件背面的最外層，對電池片起到保護(hù)和支撐作用。為了使太陽能電池保持最佳的工作狀態(tài)并維持25 a的使用壽命，背板應(yīng)具有可靠的電氣絕緣性、水汽阻隔性和良好的耐老化性，其中，優(yōu)異的水汽阻隔性和耐水解性能是衡量背板性能好壞的重要指標(biāo)[6-7]。若太陽能電池背板水汽阻隔性不良，水汽通過背板滲透進(jìn)入封裝體系內(nèi)部會影響封裝膠膜的黏結(jié)性，造成背板與封裝膠膜脫層，使電池片被氧化，從而嚴(yán)重降低電池片發(fā)電效率和組件的使用壽命。耐水解也是水汽阻隔劣化的重要原因之一。

以聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)為芯材的背板為現(xiàn)階段市面上的主流背板[8]。PET芯材能廣泛地使用在背板中是因?yàn)镻ET具有強(qiáng)度高、耐候性好、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但同時PET芯材也存在水汽透過率高，耐水解、耐濕熱性能差的缺點(diǎn)[9-11]。隨著太陽能電池背板的發(fā)展以及不同應(yīng)用場景的需求，對于背板的水汽透過率和耐水解性能的要求變得越來越高，如何能開發(fā)出一種既能滿足背板使用的基本力學(xué)性能要求，又具備高水汽阻隔性和耐水解性能的背板芯材越來越受到關(guān)注。

筆者采用了聚丙烯(PP)這種具有高水汽阻隔性能的聚烯烴材料作為主基材，通過添加聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和滑石粉(Talc)制備得到PP/PBT/Talc的共混物薄膜(簡稱α膜)，對其水汽阻隔性、力學(xué)性能、耐濕熱老化性能和電氣絕緣性進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PP：3084H，臺塑合成橡膠工業(yè)(寧波)有限公司；

PBT：1100-211H，長春化工(江蘇)有限公司；

相容劑：4210，阿科瑪(常熟)化學(xué)公司；

Talc：Talc 4 μm，美國孟都礦業(yè)有限公司；

抗氧劑：1330，巴斯夫(中國)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

雙螺桿擠出造粒機(jī)：KS-36型,昆山科信橡膠機(jī)械有限公司；

流延機(jī)：深圳金緯爾科技有限公司；

萬用拉力機(jī)：島津企業(yè)管理(中國)有限公司；

紅外水汽測試儀：美國摩爾科技有限公司；

雙85實(shí)驗(yàn)箱：上海愛斯佩克設(shè)備有限公司；

加速老化箱：弘宇科技有限公司；

動態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)：德國耐馳(中國)有限公司；

擊穿電壓測試儀：中航時代儀器設(shè)備有限公司；

烘箱：南京四方電熱設(shè)備有限公司。

1.3 制備方法

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的PP、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的PBT、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的相容劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.5%的Talc和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的抗氧劑混合均勻，共準(zhǔn)備5 kg樣品備用。將混合好的樣品加入到雙螺桿擠出造粒機(jī)中進(jìn)行混合造粒，進(jìn)料速度為250g/min，擠出速度為100 r/min，加工溫度為一區(qū)160 ℃、二區(qū)200 ℃、三區(qū)250 ℃、四區(qū)250 ℃、五區(qū)250 ℃、六區(qū)235 ℃(擠出口)。切粒速度為1 m/min。將制備好的切片放入烘箱烘干約6 h，烘干溫度為80 ℃。將烘干后的切片進(jìn)行流延制備成膜，加工溫度為一區(qū)170 ℃、二區(qū)230 ℃、三區(qū)255 ℃、四區(qū)255 ℃，模頭255 ℃。

1.4 性能測試

水汽透過率測試：采用紅外法對α膜和PET膜進(jìn)行測試，測試條件為38 ℃，相對濕度為90%。

加速老化實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行了高壓加速老化實(shí)驗(yàn)(PCT)和雙85濕熱老化實(shí)驗(yàn)(DH)，之后再對其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率進(jìn)行了評估。

尺寸穩(wěn)定性測試：使用DMA對α膜和PET膜的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，從-50 ℃升溫到150 ℃，升溫速率為5 K/min；從150 ℃降溫到-50 ℃，降溫速率為5 K/min。

電氣絕緣性能測試：使用擊穿電壓測試儀對α膜和PET膜進(jìn)行了測試。

2 結(jié)果與討論

在相對濕度為90%的條件下，α膜和PET膜在不同溫度下的水汽透過率見圖1。由圖1可以看出:α膜和PET膜的水汽透過率都會隨著溫度的升高而上升;150 μm α膜的水汽透過率在各個溫度節(jié)點(diǎn)下都低于250 μm PET膜;250 μm PET膜在38 ℃、相對濕度為90%的水汽透過率為2 g·cm-2/d,而150 μm α膜的水汽透過率為1.7 g·cm-2/d。

圖1 α膜和PET膜在不同溫度下的水汽透過率

α膜的水汽透過率隨厚度的變化趨勢見圖2。由圖2可以看出:α膜的水汽透過率會隨著其厚度的增加而下降，且當(dāng)其厚度達(dá)到300 μm時，其水汽透過率可以降到0.5 g·cm-2/d。由此結(jié)果可知，α膜的水汽阻隔能力遠(yuǎn)高于PET膜，150 μm α膜便可以達(dá)到作為背板芯材的要求(≤2 g·cm-2/d)。

圖2 α膜的水汽透過率隨厚度的變化趨勢

在PCT中,α膜和PET膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨時間的變化見圖3、圖4(其中，MD為平行于流延的方向，TD為垂直于流延的方向)。

(a) MD

(b) TD圖3 α膜和PET膜拉伸強(qiáng)度隨時間的變化

(a) MD

(b) TD圖4 α膜和PET膜斷裂伸長率隨時間的變化

由圖3、圖4可以看出：α膜初始拉伸強(qiáng)度為30 MPa(MD)、19 MPa(TD)，初始斷裂伸長率為590%(MD)、490%(TD)；PET膜初始拉伸強(qiáng)度為140 MPa(MD)、140 MPa(TD)，初始斷裂伸長率為180%(MD)、120%(TD)；α膜的初始拉伸強(qiáng)度低于PET膜，但其彈性遠(yuǎn)高于PET膜；α膜力學(xué)強(qiáng)度雖有降低，但已經(jīng)可以滿足絕大部分的使用場景，且其優(yōu)良的彈性可以使其適應(yīng)原先一些無法適應(yīng)的場合。筆者所使用的PET膜為耐水解時長為48 h的標(biāo)準(zhǔn)品，可以看出PET膜在PCT 48 h后已經(jīng)完全脆裂，無法進(jìn)行測試，而α膜依舊保持了優(yōu)良的力學(xué)強(qiáng)度和一定的彈性。在PCT 48 h時，PET膜的拉伸強(qiáng)度保持率約為75%，α膜基本保持不變；在PCT 96 h時，PET膜的拉伸強(qiáng)度保持率為0%，α膜依舊基本保持不變。在PCT 48 h時，PET膜的斷裂伸長率保持率約為50%，α膜的斷裂伸長率保持率約為35%；在PCT 96 h時，PET的斷裂伸長率保持率為0%，α膜的斷裂伸長率保持率約為20%。由此可知，α膜的耐水解性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的PET材料。

在DH中，α膜和PET膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨時間的變化見圖5、圖6。

(a) MD

(b) TD圖5 α膜和PET膜拉伸強(qiáng)度隨時間的變化

(a) MD

(b) TD圖6 α膜和PET膜斷裂伸長率隨時間的變化

由圖5、圖6可以看出：α膜的拉伸強(qiáng)度在DH 3 000 h中基本沒有變化，而PET膜的拉伸強(qiáng)度在DH 3 000 h中的保持率約為35%；α膜的斷裂伸長率在DH 3 000 h中保持率約為50%，PET的斷裂伸長率在DH 3 000 h中保持率也約為50%。由此可知，α膜比PET膜具備了更加優(yōu)良的耐濕熱性能。

圖7為α膜和PET膜膨脹率隨溫度的變化趨勢。

由圖7(a)可以看出:在-50 ℃升溫到75 ℃的區(qū)間，α膜和PET膜的膨脹率大致相同，約為0.005%;在75 ℃升溫到150 ℃的區(qū)間，α膜的膨脹率達(dá)到0.03%，而PET膜的膨脹率則達(dá)到0.035%，略高于α膜的膨脹率。由圖7(b)可以看出:在150 ℃降溫到100 ℃的區(qū)間，α膜的膨脹率先升后降，其膨脹率約為0.1%，而PET膜的膨脹率則達(dá)到了0.4%;在100 ℃降溫到-50 ℃的區(qū)間，α膜的膨脹率從0.1%變到了-0.2%，體積收縮率為0.3百分點(diǎn)，PET膜的膨脹率從0.4%變到了-0.6%，體積收縮率為1百分點(diǎn)。由此可以得知，α膜在溫度變化的環(huán)境中的尺寸穩(wěn)定性要優(yōu)于PET膜。

α膜的擊穿電壓隨厚度的增加發(fā)生相應(yīng)變化，見圖8。

由圖8可以看出:α膜的擊穿電壓隨著膜的厚度增加呈線性增長，且α膜的擊穿電壓遠(yuǎn)高于同厚度的PET膜，250 μm PET膜的擊穿電壓約為15 kV，而α膜在厚度約為130 μm時，便可以達(dá)到相似的結(jié)果。由此可知，α膜的電氣絕緣性要優(yōu)于PET膜。

(a) 從-50 ℃升溫到150 ℃

(b) 從150 ℃降溫到-50 ℃圖7 α膜和PET膜膨脹率隨溫度的變化

圖8 擊穿電壓隨著厚度增加的相應(yīng)變化

將α膜和PET膜的優(yōu)劣勢進(jìn)行對比,結(jié)果見圖9。

圖9 α膜和PET膜的優(yōu)勢對比雷達(dá)圖

從由圖9可以看出:在成本、尺寸穩(wěn)定性、水汽阻隔性、電氣絕緣性能、斷裂伸長率以及耐水解性方面，α膜都優(yōu)于PET膜；在拉伸強(qiáng)度和耐熱性方面，α膜劣于PET膜。

α膜主要是由PP和PBT共混，再添加一定量的填料制備得到。相比于PET膜，α膜的高分子鏈中剛性基團(tuán)鏈段不足，造成α膜本身的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性比PET膜差，雖加入了無機(jī)填料Talc進(jìn)行改進(jìn)，但依舊無法達(dá)到PET膜的水平，這就使得在拉伸強(qiáng)度和耐熱性方面，α膜要劣于PET膜。在α膜中，占比最高的為PP，且PP本身具有良好的水汽阻隔性和電氣絕緣性，使得α膜繼承了其水汽阻隔性和電氣絕緣性上的優(yōu)勢。因?yàn)橛蠺alc的存在，很大程度上提高了α膜在不同溫度下的尺寸穩(wěn)定性。α膜中加入的Talc可以對PP起到成核劑的作用，使PP形成小顆粒晶型，使得α膜具備很好的韌性；而PP本身耐水解性能優(yōu)異，且由于相容劑的存在，可以有效地消耗掉PBT中易水解的羧基基團(tuán)，使得α膜具備了非常良好的耐水解性能。α膜中所使用到的原料來源廣泛，且價格低廉，最后制備得到的α膜可以在厚度更薄的情況下達(dá)到作為背板芯材的使用標(biāo)準(zhǔn)，所以α膜相對于PET膜具有明顯的價格優(yōu)勢。

3 結(jié)語

筆者通過PP、PBT和Talc共混，再使用流延法制備得到了α膜。相對于傳統(tǒng)PET膜，α膜在成本、尺寸穩(wěn)定性、水汽阻隔性、電氣絕緣性能、斷裂伸長率以及耐水解性方面都具有一定的優(yōu)勢，且其他性能也可以滿足背板芯材的使用要求。因此，α膜在日后的背板制造中，是一種良好的PET芯材的替代品。