光伏組件邊框用發(fā)泡材料的制備與研究

張 琳，徐冬梅，王亞平， 姚祥瑞

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇徐州 221140；2.廣東伊之密精密注壓科技有限公司，廣東佛山 528300)

0 前言

光伏組件邊框主要用于組件與方陣的連接固定，同時保護組件，保證組件壽命。目前太陽能行業(yè)把鋁合金作為制作太陽能組件邊框的主要材料。用鋁合金做邊框優(yōu)勢明顯，如抗腐蝕、抗氧化性強，強度及牢固性強，抗拉力性能強等;但是鋁合金在長期濕熱、濕冷、鹽霧環(huán)境下會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，從而影響使用性能[1]。存在于晶體硅光伏組件中的電路與其接地金屬邊框之間的高電壓,會造成光伏組件光伏性能的持續(xù)衰減[2]；同時，鋁合金的價格比較昂貴，根據(jù)倫敦金屬交易所的數(shù)據(jù)統(tǒng)計近十年來市場上純鋁的價格一直在1 500～2 700美元/t波動，高額的價格增加了光伏發(fā)電的成本，限制了光伏發(fā)電家庭化的推廣。

目前關(guān)于光伏組件邊框的研究并不多，主要是在鋁合金表面進行防腐蝕處理，或者是選用良好絕緣性能的封裝材料來降低光伏組件光伏性能衰減的問題[2]。筆者采用硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC)發(fā)泡材料代替鋁合金作為制作太陽能組件邊框的主要材料,和鋁合金相比，PVC具有以下優(yōu)點：(1) PVC價格低廉，能大幅度降低發(fā)電成本；(2) 采用硬質(zhì)PVC發(fā)泡材料后，發(fā)泡結(jié)構(gòu)減輕組件質(zhì)量，降低組件對建筑物的負載；(3) PVC作為絕緣材料能有效避免在使用過程中因組件漏電而產(chǎn)生的人身傷害和材料損壞;(4) PVC的防腐效果優(yōu)于鋁合金。因此筆者主要針對PVC材料的力學性能進行研究,通過正交試驗考察了交聯(lián)劑、抗沖改性劑、發(fā)泡劑、成核劑對PVC材料力學性能及發(fā)泡效果的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

PVCSG-5、三鹽基硫酸鉛(簡稱三鹽)、二鹽基亞磷酸鉛(簡稱二鹽)、石蠟、硬脂酸(HSt)、鈦白粉、抗沖改性劑氯化聚乙烯(CPE)、交聯(lián)劑過氧化二異丙苯(DCP)、加工改性劑丙烯酸酯類共聚物(ACR)、發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺(AC)。

1.2 實驗儀器

高溫開煉機、平板硫化機、密度天平、沖擊性能測試儀、萬能試驗機、高速混合機。

1.3 試樣制備

按照配方將原料在高速混合機中混合均勻，放置在高溫開煉機(140 ℃)塑化成2 mm左右厚度的片材，剪成合適大小放入100 mm×100 mm的模具中，模具的上蓋用離型紙代替(避免模具上蓋太重而影響發(fā)泡效果)。平板硫化機系統(tǒng)壓力為4 MPa，模具180 ℃預熱5 min后加壓10 min，冷卻至90 ℃后取出片材。

1.4 性能測試

密度:用密度天平測定試樣密度，試樣尺寸為10 mm×10 mm，浸漬液為蒸餾水。

拉伸強度:用萬能試驗機測定試樣拉伸強度,試樣為100 mm×20 mm的矩形試樣，厚度根據(jù)實際發(fā)泡情況進行測量,拉伸速度為50 mm/min，夾具間距離為70 mm。

沖擊強度:用沖擊性能測試儀測定試樣懸臂梁沖擊強度,試樣為100 mm×20 mm的矩形試樣，厚度根據(jù)實際發(fā)泡情況進行測量。

2 實驗結(jié)果

2.1 助劑對試樣力學性能和密度的影響

實驗基礎(chǔ)配方見表1。以CPE、DCP、ACR、AC 4項作為不存在交互作用的試驗因子A、B、C、D，各試驗因子在各自取值范圍取3個水平(見表2)設(shè)計了4因素3水平的正交試驗(L(34))方案，考察了4個因素對材料密度及力學性能的影響，其結(jié)果見表3。

表1 實驗基礎(chǔ)配方

表2 正交試驗因素及水平

表3 L(34)正交試驗表及測試結(jié)果

通過分析試驗因子水平的極差，可以獲得不同因素對測試結(jié)果的影響。極差作為各試驗因子分別在3個水平下引起的沖擊強度和密度平均值的最大與最小之差，用于測試結(jié)果的離散程度。極差越大，說明該因素對測試結(jié)果的影響越顯著，反之則影響越小。材料沖擊強度極差見表4，材料密度極差見表5。

表4 材料沖擊強度極差 kJ/m2

表5 材料密度極差

從表3、表4可以看出，發(fā)泡劑AC的用量對發(fā)泡材料的力學性能和密度影響最大。隨著AC用量的增加，材料的沖擊強度下降，密度先降低后升高。當AC用量為4份時，材料的密度最小，這是由于隨著發(fā)泡劑用量增加，發(fā)氣量增加，但是發(fā)泡劑過多時，由于發(fā)泡時間的限制，發(fā)泡劑不能完全分解。交聯(lián)劑DCP和抗沖改性劑CPE的加入反而會降低材料的沖擊強度。同時，泡孔的均勻性也會影響材料的力學性能，隨著材料密度的降低，由于泡孔尺寸、泡孔分布等因素，材料的沖擊強度反而下降,因此需要通過成核劑來調(diào)節(jié)泡孔。

2.2 成核劑對試樣力學性能和密度的影響

通過正交試驗分析可知，當CPE質(zhì)量份數(shù)為4份、DCP質(zhì)量份數(shù)為0.8份、ACR質(zhì)量份數(shù)為10份、AC質(zhì)量份數(shù)為4份時試樣的密度最小，在此配方基礎(chǔ)上加入不同的成核劑改善泡孔結(jié)構(gòu)，考察了碳酸鈣、滑石粉、高嶺土3種無機物作為成核劑對材料發(fā)泡及力學性能的影響，其結(jié)果見圖1、圖2、圖3。

圖1 不同成核劑用量對材料密度的影響

圖2 不同成核劑用量對材料沖擊強度的影響

圖3 不同成核劑用量對材料拉伸強度的影響

由于成核劑具有較大的比表面積，可與聚合物基質(zhì)充分接觸，降低活化能壁壘，促進氣泡的成核和增長[3]。成核劑在物料中傳熱快, 容易分散到熔體中形成熱點, 這些熱點可以降低局部區(qū)域的黏度和表面張力, 從而在發(fā)泡劑分解時吸附氣體形成氣泡核。但是成核劑的添加量很少，很難形成明顯熱點，因此不會顯著影響PVC的密度;成核劑質(zhì)量份數(shù)超過5份之后才體現(xiàn)出，由于泡孔數(shù)量的增加，材料的密度下降(見圖1)。當成核劑質(zhì)量份數(shù)超過15份時，材料密度逐漸提高，原因是由于無機成核劑本身密度大，大量的成核劑反而提高了材料的密度。碳酸鈣作為成核劑時，發(fā)泡效果優(yōu)于滑石粉和高嶺土，主要由于碳酸鈣球形結(jié)構(gòu)在PVC加工過程中具有很好的流動性和平滑性，分散性好，比表面積大，更容易形成尺寸小且數(shù)量較多的氣泡。

由于無機粒子的存在產(chǎn)生應力集中效應，易引發(fā)周圍樹脂產(chǎn)生開裂，吸收一定的變形功[4]。從圖2可以看出:滑石粉含量越高,材料的沖擊強度越小，可能是由于片狀的滑石粉存在尖銳邊角，而以滑石粉作為成核劑容易破壞泡孔結(jié)構(gòu)[5]，使發(fā)泡材料更容易出現(xiàn)并孔現(xiàn)象，從而使泡孔不均勻，形成缺陷。碳酸鈣和高嶺土作為成核劑時，隨著用量的增加，沖擊強度均先增加后減小，當質(zhì)量份數(shù)為15份時沖擊強度最大。高嶺土的效果略優(yōu)于碳酸鈣，主要是由于高嶺土的層狀結(jié)構(gòu)能夠更好地分散外力，從而提高材料的沖擊強度。

從圖3可以看出:碳酸鈣對材料的拉伸強度影響不大。高嶺土和滑石粉用量的增加能提高材料的拉伸強度?；凼堑湫偷膶悠Y(jié)構(gòu), 片層之間存在較弱的范德華力作用，能在一定程度上提高材料拉伸強度[6]。高嶺土的增強效果比滑石粉好，當其質(zhì)量份數(shù)為15份時，綜合效果最好。這可能是由于層狀結(jié)構(gòu)的高嶺土在PVC基體樹脂中能起到“骨架作用”[7]，提高了發(fā)泡材料的拉伸強度;而當PVC受到外力時，顆粒狀的碳酸鈣則不能起到“連接”作用。

3 結(jié)語

(1) 發(fā)泡劑AC的用量對發(fā)泡材料的力學性能和密度影響最大。隨著AC用量的增加，材料的沖擊強度下降，密度先降低后升高。

(2) 當成核劑質(zhì)量份數(shù)在5～15份時，隨著成核劑用量的增加，材料密度下降。當成核劑質(zhì)量份數(shù)低于5份，無明顯效果;當質(zhì)量份數(shù)大于15份時，材料密度反而升高。

(3) 碳酸鈣對材料的拉伸強度影響不大。高嶺土和滑石粉用量的增加能提高材料的拉伸強度，高嶺土的增強效果比滑石粉好，當其質(zhì)量份數(shù)為15份時，綜合效果最好。

(4) 滑石粉會降低材料的沖擊強度。質(zhì)量份數(shù)控制在5～15份時，碳酸鈣和高嶺土能一定程度提高材料的沖擊強度。

(5) 交聯(lián)劑DCP和抗沖改性劑CPE的加入反而會降低材料的沖擊強度。