交聯(lián)型POE膠膜的力學(xué)性能與交聯(lián)度的對應(yīng)關(guān)系研究

劉長飛，秦 楠，王文杰，趙 陽，尹偉勇，李軍迎，鄭張安

(晶澳(邢臺)太陽能有限公司，邢臺 054001)

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭，太陽能作為清潔能源，因其取之不盡的特點(diǎn)，越來越受到人們的青睞，發(fā)展太陽能已成為實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，造福全人類的新方向。在太陽能應(yīng)用中，光伏發(fā)電的發(fā)展受到格外關(guān)注。光伏組件是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的集成單元，是由太陽電池、玻璃及背板，通過膠膜封裝組成的。因此，膠膜的穩(wěn)定性是保證組件在戶外長期運(yùn)行的可靠性的基礎(chǔ)。

作為光伏組件封裝材料，POE以其低透水率、高絕緣強(qiáng)度、高體積電阻、良好的抗PID性等特點(diǎn)越來越受到光伏電站業(yè)主的青睞。當(dāng)前市場上的POE膠膜主要采用2種不同的技術(shù)方案，一種為含有交聯(lián)劑的交聯(lián)型POE膠膜，其在技術(shù)方面與EVA膠膜有相似之處；另一種是不含交聯(lián)劑的POE膠膜，它的技術(shù)方案是通過組合使用功能性聚合物，使材料的耐候性和粘結(jié)性達(dá)到使用要求[1]。目前，交聯(lián)型POE膠膜為市場主流產(chǎn)品，其交聯(lián)機(jī)理(步驟為a～d)如圖1所示[2]。

圖1 交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)機(jī)理Fig. 1 Crosslinking mechanism of crosslinked POE film

交聯(lián)型POE膠膜封裝效果的差異性表現(xiàn)在其膠膜固化后的力學(xué)性能差異，該差異性將直接影響組件的使用壽命。膠膜的力學(xué)性能參數(shù)主要包括封裝后膠膜與玻璃之間的剝離強(qiáng)度、膠膜固化后的拉伸強(qiáng)度及扯斷伸長率。而在光伏組件生產(chǎn)過程中，其封裝品質(zhì)主要是通過交聯(lián)度測試來判定的。因此，本文重點(diǎn)研究通過交聯(lián)度測試結(jié)果來評判交聯(lián)型POE膠膜力學(xué)性能的優(yōu)異。研究選用了市場上不同廠家生產(chǎn)的3種主流交聯(lián)型POE膠膜，設(shè)計(jì)了多組層壓制樣方案，每一種制樣方案針對3種膠膜分別做出待測樣品，隨后測試這些樣品的交聯(lián)度及其對應(yīng)的力學(xué)性能，著重研究了剝離強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率與交聯(lián)度的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確認(rèn)了膠膜力學(xué)性能與交聯(lián)度的對應(yīng)關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

1)實(shí)驗(yàn)材料：選用A、B、C 3家廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜；二甲苯：分析純，由天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

2)儀器設(shè)備：蘇州茂逸發(fā)自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的萬能電子拉力機(jī)(TH-8203A)，上海徐吉電氣有限公司生產(chǎn)的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海羌強(qiáng)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電加熱套(16370)，博碩光電設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的雙腔層壓機(jī)(BSL2436OAC-H)，河北利誠試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的沖片機(jī)(CP25)。

1.2 樣品制備

設(shè)計(jì)了溫度不同的層壓制樣方案，在層壓溫度范圍120～155 ℃中選取8個(gè)溫度進(jìn)行層壓，固定層壓時(shí)間均為12 min，最終壓力固定在-10 kPa(相對大氣壓為0 Pa)。針對3家廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜，分別按照不同的層壓制樣方案制作測試用膠膜樣品。

1.3 性能表征

1.3.1 力學(xué)性能的測定

1)扯斷伸長率的測定。扯斷伸長率為膠膜在拉斷時(shí)的伸長率，表征材料的韌性。按照GB/T 528-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》的要求，利用萬能電子拉力機(jī)測試膠膜的扯斷伸長率，拉伸速率為500 mm/min；利用沖片機(jī)將層壓后膠膜制成啞鈴狀，長度為25mm，寬度為6 mm[3]。

扯斷伸長率Eb的計(jì)算公式為：

式中，Lb為樣品斷裂時(shí)的標(biāo)距，mm；L0為樣品的初始標(biāo)距，mm。

2)拉伸強(qiáng)度的測定。拉伸強(qiáng)度為樣品拉斷過程中的最大拉伸應(yīng)力，表征材料抵抗拉伸破壞的極限能力。按照GB/T 528-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》的要求，采用萬能電子拉力機(jī)測定不同交聯(lián)程度樣品的拉伸強(qiáng)度，拉伸速率為500 mm/min；用沖片機(jī)將層壓后膠膜制成啞鈴狀，長度為25 mm，寬度為6 mm[3]。

拉伸強(qiáng)度TS的計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)m為測試過程中記錄的最大力，N；w為啞鈴狀樣品的狹小平行部分的寬度，mm；t為啞鈴狀樣品長度部分的厚度，mm。

3)剝離強(qiáng)度的測定。剝離強(qiáng)度表征膠膜與玻璃之間的粘結(jié)性能，剝離強(qiáng)度按照GB/T 2790-1995《膠粘劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中的要求進(jìn)行測定[4]。

膠膜與玻璃間的剝離強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中，σ180°為 180°剝離強(qiáng)度，kN/m；F為剝離力，N；B為樣品的寬度，mm。

1.3.2 交聯(lián)度的測定

將經(jīng)過層壓的膠膜樣品，按要求裁剪稱重后放置到網(wǎng)袋內(nèi)，進(jìn)行編號；然后放置于140℃的二甲苯溶液中煮沸萃取5 h，未交聯(lián)的膠膜會全部溶解到二甲苯溶液中，已交聯(lián)的膠膜則不會溶解；通過計(jì)算萃取后未溶解的膠膜樣品的質(zhì)量與POE膠膜初始總質(zhì)量的比值來確定交聯(lián)度[5]。

交聯(lián)度Gi的計(jì)算公式為：

式中，W1為POE膠膜樣品的初始總質(zhì)量，mg；W2為萃取后未溶解的膠膜樣品的質(zhì)量，mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)度與剝離強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系

不同交聯(lián)度對應(yīng)的膠膜與玻璃之間的粘結(jié)性通過剝離強(qiáng)度測試進(jìn)行表征。采用不同層壓制樣方案時(shí)，3家廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜產(chǎn)品在不同交聯(lián)度下的剝離強(qiáng)度測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同交聯(lián)度下3種交聯(lián)型POE膠膜對應(yīng)的剝離強(qiáng)度Table 1 Peel strength corresponding to three types of crosslinked POE films under different crosslinking degrees

根據(jù)表1的測試結(jié)果，可以繪制出不同廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與其剝離強(qiáng)度的變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，隨著交聯(lián)度的增大，3家廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜的剝離強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升到逐步穩(wěn)定，然后再緩慢下降的趨勢；交聯(lián)度在69%～84%區(qū)間內(nèi)時(shí)，剝離強(qiáng)度數(shù)值處于一個(gè)穩(wěn)定區(qū)。因此，3家廠家的交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與其剝離強(qiáng)度的變化規(guī)律相同。

2.2 交聯(lián)度與拉伸強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系

對不同廠家的交聯(lián)型POE膠膜在不同交聯(lián)度下對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

圖2 3種交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與剝離強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系Fig. 2 The relations between crosslinking degree and peel strength corresponding to three types of crosslinked POE films

表2 不同交聯(lián)度下3種交聯(lián)型POE膠膜對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度Table 2 Tensile strength corresponding to three types of crosslinked POE films under different crosslinking degrees

根據(jù)表2的測試結(jié)果，可以繪制出不同廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與其拉伸強(qiáng)度的變化曲線，如圖3所示。

圖3 3種交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與拉伸強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系Fig. 3 Relations between crosslinking degree and tensile strength corresponding to three types of crosslinked POE films

從圖3可以看出，隨著交聯(lián)度的增大，3家廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜的拉伸強(qiáng)度基本呈現(xiàn)出先上升到最大，然后再下降的趨勢；交聯(lián)度在69%～84.9%區(qū)間內(nèi)時(shí)，拉伸強(qiáng)度數(shù)值處于一個(gè)最優(yōu)區(qū)。總的來說，3家廠家的交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與其拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律相同。

2.3 交聯(lián)度與扯斷伸長率的對應(yīng)關(guān)系

對不同廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜在不同交聯(lián)度下對應(yīng)的扯斷伸長率進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3的測試結(jié)果，繪制出不同廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜樣品的交聯(lián)度與其扯斷伸長率的變化曲線，如圖4所示。

表3 不同交聯(lián)度下3種交聯(lián)型POE膠膜對應(yīng)的扯斷伸長率Table 3 Elongation at break corresponding to three types of crosslinked POE films under different crosslinking degrees

圖4 3種交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與扯斷伸長率的對應(yīng)關(guān)系Fig. 4 Relations between crosslinking degree and elongation at break corresponding to three types of crosslinked POE films

從圖4中可以看出，隨著交聯(lián)度的增大，3家廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜的扯斷伸長率呈現(xiàn)出從基本平穩(wěn)到逐步下降的趨勢，這說明交聯(lián)度數(shù)值越大，膠膜脆性斷裂的可能性越大。綜上所述，3家廠家生產(chǎn)的交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與其扯斷伸長率的變化規(guī)律基本相同。

3 結(jié)論

本文著重研究了交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度與其剝離強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率之間的對應(yīng)關(guān)系。通過測試發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)型POE膠膜的力學(xué)性能存在如下規(guī)律：

1)剝離強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均隨交聯(lián)度的上升呈現(xiàn)先上升，然后逐步下降的趨勢。

2)扯斷伸長率隨交聯(lián)度的上升呈現(xiàn)從基本平穩(wěn)到逐步下降的趨勢。

基于交聯(lián)度與力學(xué)性能的關(guān)系，光伏組件使用交聯(lián)型POE膠膜作為封裝材料時(shí)，為保證其力學(xué)性能綜合表現(xiàn)較優(yōu)，層壓后的交聯(lián)型POE膠膜的交聯(lián)度需要控制在69%～84%區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而才可以保證光伏組件的長期可靠性。