CN110229623A - 一种太阳能光伏组件封装用eva胶膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能光伏组件封装用EVA胶膜及其制备方法，该EVA胶膜主要由以下重量份数的原料制备而成：EVA树脂100份、过氧化‑2‑乙基己基碳酸叔丁酯0.8‑1.0份、2,5‑二甲基‑2,5‑双(叔丁基过氧基)己烷0.5‑0.7份、3‑甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷0.40‑0.50份、乙烯基三乙氧基硅烷0.10‑0.20份、甲基乙烯基硅树脂3.5‑4.5份、紫外线吸收剂0.10‑0.15份、抗氧剂0.05‑0.10份。该EVA胶膜力学性能及透光率好，与盖板玻璃、背板具有良好的粘结性能，满足使用要求；具有良好的抗湿热老化性能和抗紫外老化性能，安全可靠，能显著延长太阳能光伏组件的使用寿命。

Description

一种太阳能光伏组件封装用EVA胶膜及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏组件封装技术领域，具体涉及一种太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，同时还涉及一种上述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁安全、储量丰富、分布广泛、可持续利用的绿色能源，具有无穷的发展潜力，被誉为是解决人类社会所面临的能源危机和环境污染问题的理想途径。目前，人们对太阳能资源的利用主要是光电利用，即通过光伏发电***将太阳光能转化为电能，再利用电路传输以电能、动能等形式使用。
由于太阳能电池的光电转换效率较低，单个太阳能电池单元的输出电流、电压及功率都非常小，通常需要将多个单体电池串并联形成电池片，才能实现工业化应用。但是，太阳能电池在实际应用中是处于户外环境，需要长期受到光线辐射、恶劣天气(风霜雨雪、雾霾沙尘)、潮湿水汽、昼夜温差及季节变化等因素影响，裸露的电池片本身脆弱易碎、耐蚀性差，显然无法满足户外工作要求。因此，太阳能电池必须封装成光伏组件，对电池片进行保护，减少环境因素的侵蚀破坏，延缓光电能量转化效率的衰减，从而延长电池的使用寿命。
目前，常用的封装形式是将钢化玻璃、封装材料、电池片、封装材料、背板依次层叠后用真空层压技术热压成板，再在板周边加装铝合金边框，引出正负极，形成商用的太阳能光伏组件，这是光伏发电***的核心。其中，封装材料需要良好的粘结强度和电绝缘性能，这就决定了其只能在高分子聚合物中选择；相对于太阳能光伏组件的其他材料，在长期使用过程中最易受到环境因素侵袭而最先发生老化造成性能下降的就是作为封装材料的高分子聚合物，其成了决定太阳能光伏组件使用寿命的短板。
在众多的高分子聚合物中，EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)因价格便宜、封装性能较好、加工方便而成为太阳能光伏组件的主流封装材料。EVA是由乙烯单体与醋酸乙烯酯单体共聚形成的聚合物，其加工胶膜具有弹性好、透明度高、电绝缘性能好的优点，在光伏组件市场中应用极为广泛。但在实际应用中人们发现，太阳能光伏组件长期暴露于自然环境中，所用的EVA胶膜易受到光、热、氧、水分等因素影响，黄变老化现象较为严重，导致胶膜透光率下降，进而造成太阳能光伏组件光电转化效率降低，功率损耗大幅上升，严重影响太阳能光伏组件的使用寿命。
因此，开发具有高抗紫外老化及湿热影响的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，是光伏产业需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，具有良好的粘结性能和优异的抗老化性能。
本发明的第二个目的是提供一种上述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，主要由以下重量份数的原料制备而成：EVA树脂100份、过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯0.8-1.0份、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷0.5-0.7份、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷0.40-0.50份、乙烯基三乙氧基硅烷0.10-0.20份、甲基乙烯基硅树脂3.5-4.5份、紫外线吸收剂0.10-0.15份、抗氧剂0.05-0.10份。
所述EVA树脂中，醋酸乙烯质量含量为28％-33％，熔融指数为20-200g/10min/190℃。
所述甲基乙烯基硅树脂中乙烯基质量分数为2.5％-3.0％，粘度为2000-3000mPa·s。
所述紫外线吸收剂与抗氧剂的总质量不超过EVA树脂质量的0.2％。
所述紫外线吸收剂为紫外线吸收剂UV-P；所述抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂PEP-36的质量比为1.5-2.0:1的混合物。
一种上述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的甲基乙烯基硅树脂粉加入EVA树脂胶粒中，混合均匀；再加入配方量的过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷，混合均匀；最后加入配方量的紫外线吸收剂和抗氧剂，混合均匀得混合料；
2)将步骤1)所得混合料加入双螺杆挤出机中，控制双螺杆挤出机机头温度为78℃-82℃、模头温度为88℃-92℃，挤出成膜，即得所述EVA胶膜。
步骤1)中，所述混合是在高速搅拌机中进行，搅拌转速为1000-1500rpm；各个加料段的搅拌时间为1-5min。
步骤2)中，所述双螺杆挤出机螺杆区域的温度为60℃-80℃。
步骤2)中，所述双螺杆挤出机的主机速度为16-18Hz，喂料速度为10-12Hz。压辊速度为12-16Hz。
步骤2)中，调节双螺杆挤出机模唇间隙使得胶膜厚度为0.35-0.55mm。优选的，设计胶膜厚度为0.40mm或0.50mm。
本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，以过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯为主交联剂，以2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷为助交联剂，两者合理搭配成双固化体系，EVA线型大分子形成体型交联结构，生成的交联键数量增加、交联指数增加，提高所得胶膜的交联度，使得胶膜结构致密、稳定，具有良好的力学性能和热稳定性。本发明以3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷为主偶联剂，以乙烯基三乙氧基硅烷为助偶联剂，偶联剂中的亲无机基团可以与盖板玻璃、背板等发生作用，亲有机基团与EVA树脂基体发生作用，从而增强EVA胶膜与盖板玻璃、背板的之间的结合力，提高粘结强度(剥离强度)；3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷的分子链上均含有不饱和键，在自由基的引发下打开，与弱极性的EVA分子链发生接枝反应，从而将偶联剂所带的极性基团接枝到EVA分子链上形成极性支链，增强其与玻璃、TPT背板的粘结性能。
本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，以甲基乙烯基硅树脂为共混改性剂，对EVA树脂进行共混改性，在EVA树脂中加入适量的低粘度甲基乙烯基硅树脂以改善EVA胶膜的性能。甲基乙烯基硅树脂具有优异的电绝缘性能、机械力学性能、透明度以及良好的耐热性、耐候性、成膜性、柔韧性和粘结性，并且其分子结构中具有乙烯双封头结构，能够与EVA树脂基体发生交联接枝反应，在不降低其透光性的基础上，进一步提高其固化性能和粘附性能。经过甲基乙烯基硅树脂共混改性的EVA胶膜结构更为致密，拒水性和绝缘性更好，氧气和水汽不易侵入腐蚀，耐热性强，具有较好的湿热稳定性；EVA基体分子上节点上，部分Si-O键代替了EVA分子链节上的C-C键，更多活性位点参与交联，增强紫外线辐射稳定性，防止其引起黄变，提高其抗紫外老化性能。
本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，采用双交联剂、双偶联剂体系与甲基乙烯基硅树脂共混改性EVA树脂，在极少量添加助剂(紫外线吸收剂与抗氧剂的总质量不超过EVA树脂质量的0.2％，且不含其它助剂)的辅助作用下，各原料相互反应、协同作用，显著改善EVA胶膜的使用性能和抗老化性能。检测结果表明，本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的交联度高，力学性能及透光率好，与盖板玻璃、背板具有良好的粘结性能，满足太阳能光伏组件封装的使用要求。经过加速湿热老化实验，本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的黄变指数ΔYI仅有0.82-0.91，几乎无变色；透光率下降幅度极小，仍在正常使用的范围内；粘结性能依旧良好，具有良好的抗湿热老化性能。经过紫外老化实验，本发明所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的黄变指数ΔYI为1.32-1.47，属轻微变色；透光率下降幅度也比较小，仍在正常使用的范围内；粘结性能依旧比较优异，具有良好的抗紫外老化性能。该胶膜老化缓慢，安全可靠，能显著提高太阳能光伏组件的使用寿命，适合推广使用。
本太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，通过先原料共混后挤出成膜的工艺，操作简单，自动化程度高，生产效率高，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
具体实施方式中，所用EVA树脂为市售EVA树脂胶粒，醋酸乙烯质量含量为28％，熔融指数为40g/10min/190℃。
所用甲基乙烯基硅树脂为市售低粘度甲基乙烯基MQ硅树脂，其中乙烯基质量分数为2.5％，粘度为2500mPa·s。
所用紫外线吸收剂为市售商品紫外线吸收剂UV-P；所述抗氧剂为市售商品抗氧剂1010与抗氧剂PEP-36的质量比为1.5:1的混合物。
实施例1
本实施例的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，由以下重量份数的原料制备而成：EVA树脂100份、过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯0.9份、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷0.6份、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷0.45份、乙烯基三乙氧基硅烷0.15份、甲基乙烯基硅树脂4.0份、紫外线吸收剂0.10份、抗氧剂0.10份。
本实施例的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将配方量的EVA树脂胶粒置于高速搅拌机中，取配方量的甲基乙烯基硅树脂粉加入EVA树脂胶粒中，以1000rpm的转速搅拌5min，使体系混合均匀；再加入配方量的过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷，以1200rpm的转速搅拌3min，使体系混合均匀；最后加入配方量的紫外线吸收剂和抗氧剂，以1500rpm的转速搅拌1min，使体系混合均匀，得混合料；
2)控制双螺杆挤出机的螺杆区一至六区温度依次为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、80℃，机头温度80℃，熔体温度85℃，模头温度90℃，调节主机速度16Hz、喂料速度10Hz、压辊挤出速度14Hz；调节双螺杆挤出机模唇间隙，设计胶膜厚度为0.50mm；
将步骤1)所得混合料加入双螺杆挤出机料斗中，挤出成膜，经牵引、收卷，即得所述太阳能光伏组件封装用EVA胶膜。
实施例2
本实施例的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，由以下重量份数的原料制备而成：EVA树脂100份、过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯0.8份、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷0.7份、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷0.40份、乙烯基三乙氧基硅烷0.20份、甲基乙烯基硅树脂3.5份、紫外线吸收剂0.15份、抗氧剂0.05份。
本实施例的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将配方量的EVA树脂胶粒置于高速搅拌机中，取配方量的甲基乙烯基硅树脂粉加入EVA树脂胶粒中，以1200rpm的转速搅拌3min，使体系混合均匀；再加入配方量的过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷，以1200rpm的转速搅拌3min，使体系混合均匀；最后加入配方量的紫外线吸收剂和抗氧剂，以1500rpm的转速搅拌1min，使体系混合均匀，得混合料；
2)控制双螺杆挤出机的螺杆区一至六区温度依次为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、80℃，机头温度80℃，熔体温度85℃，模头温度90℃，调节主机速度18Hz、喂料速度12Hz、压辊挤出速度16Hz；调节双螺杆挤出机模唇间隙，设计胶膜厚度为0.50mm；
将步骤1)所得混合料加入双螺杆挤出机料斗中，挤出成膜，经牵引、收卷，即得所述太阳能光伏组件封装用EVA胶膜。
实施例3
本实施例的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，由以下重量份数的原料制备而成：EVA树脂100份、过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯1.0份、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷0.5份、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷0.50份、乙烯基三乙氧基硅烷0.10份、甲基乙烯基硅树脂4.5份、紫外线吸收剂0.12份、抗氧剂0.08份。
本实施例的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将配方量的EVA树脂胶粒置于高速搅拌机中，取配方量的甲基乙烯基硅树脂粉加入EVA树脂胶粒中，以1000rpm的转速搅拌5min，使体系混合均匀；再加入配方量的过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷，以1300rpm的转速搅拌2min，使体系混合均匀；最后加入配方量的紫外线吸收剂和抗氧剂，以1500rpm的转速搅拌1min，使体系混合均匀，得混合料；
2)控制双螺杆挤出机的螺杆区一至六区温度依次为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、80℃，机头温度80℃，熔体温度85℃，模头温度90℃，调节主机速度16Hz、喂料速度10Hz、压辊挤出速度14Hz；调节双螺杆挤出机模唇间隙，设计胶膜厚度为0.50mm；
将步骤1)所得混合料加入双螺杆挤出机料斗中，挤出成膜，经牵引、收卷，即得所述太阳能光伏组件封装用EVA胶膜。
实验例
分别采用实施例1-3所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜作为胶膜测试样品进行性能检测；组件测试样品的结构为玻璃/EVA胶膜/TPT，采用太阳能光伏组件层压机制备，层压温度140℃，抽真空5min，压力-80kpa，层压时间15min，充气6s。
基本性能测试结果如表1所示。
表1中，剥离强度(玻璃)是EVA胶膜与钢化盖板玻璃的剥离强度，剥离强度(背板)是EVA胶膜与TPT背板的剥离强度。
表1实施例1-3所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的基本性能检测结果
项目 检测方法 实施例1 实施例2 实施例3
交联度，％ D2765-01(2006) 91.8 91.3 90.5
抗拉强度，MPa GB/T1040.3-2006 16.1 15.4 15.9
断裂伸长率，％ GB/T1040.3-2006 962 940 949
透光率(380-1100nm)，％ 紫外/可见分光光度计 92.7 92.1 92.2
剥离强度(玻璃)，N/cm GB/T2791-1995 112.7 110.9 109.4
剥离强度(背板)，N/cm GB/T2791-1995 87.0 85.1 85.8
从表1可以看出，实施例1-3所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的交联度在90.5％-91.8％之间，交联度高，胶膜结构致密，有助于提高胶膜的力学性能和热稳定性；经检测，该胶膜的抗拉强度在15.4MPa以上，断裂伸长率在940％以上，透光率(380-1100nm)在92.1％以上，力学性能及透光度好。
在实际使用过程中，太阳能光伏组件的封装形式是将钢化玻璃、EVA胶膜、电池片、EVA胶膜、背板依次层叠后用真空层压技术热压成板，本实验例模拟上述封装形式，以玻璃/EVA胶膜/TPT的结构制备测试样品检测实施例1-3所得EVA胶膜的粘结性能。如表2所示，该EVA胶膜与盖板玻璃之间的剥离强度高达109.4-112.7N/cm，与TPT背板之间的剥离强度高达85.1-87.0N/cm，粘结性能优异，远远高于太阳能光伏组件封装的使用要求。
基本性能检测结果表明，本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的交联度高，力学性能及透光率好，与盖板玻璃、背板具有良好的粘结性能，满足太阳能光伏组件封装的使用要求。
湿热老化和紫外老化都会导致EVA胶膜使用性能尤其是粘结强度的下降，下面采用加速老化实验考察本发明所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的抗老化性能。抗老化性能测试结果如表2所示。
表2实施例1-3所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的抗老化性能检测结果
从表2可以看出，加速湿热老化实验中，在湿热老化箱高温85℃、高湿85％RH、持续鼓风输氧老化1000h后，实施例1-3所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的黄变指数ΔYI仅有0.82-0.91，几乎无变色；透光率为90.7％-91.4％，相对于初始的92.1％以上略微下降，下降幅度极小，仍在正常使用的范围内。经过加速湿热老化实验后，实施例1-3的EVA胶膜与盖板玻璃之间的剥离强度仍在80.2-82.5N/cm之间，与TPT背板之间的剥离强度仍在62.9-64.1N/cm之间，粘结性能依旧良好。实验结果表明，本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜具有良好的抗湿热老化性能。
同样的，紫外老化实验中，在紫外老化箱辐射量22.5kwh/m2、辐照温度60℃/冷凝温度40℃、辐照/冷凝每隔4h交替、总辐照时间1000h后，实施例1-3所得太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的黄变指数ΔYI为1.32-1.47，属轻微变色；透光率为89.5％-90.4％，相对于初始的92.1％以上略微下降，下降幅度也比较小，仍在正常使用的范围内。经过紫外老化实验后，实施例1-3的EVA胶膜与盖板玻璃之间的剥离强度仍在89.5-92.4N/cm之间，与TPT背板之间的剥离强度仍在75.3-77.2N/cm之间，粘结性能依旧比较优异。实验结果表明，本发明的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜具有良好的抗紫外老化性能。

Claims (9)

1.一种太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，其特征在于：主要由以下重量份数的原料制备而成：EVA树脂100份、过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯0.8-1.0份、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷0.5-0.7份、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷0.40-0.50份、乙烯基三乙氧基硅烷0.10-0.20份、甲基乙烯基硅树脂3.5-4.5份、紫外线吸收剂0.10-0.15份、抗氧剂0.05-0.10份。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，其特征在于：所述EVA树脂中，醋酸乙烯质量含量为28％-33％，熔融指数为20-200g/10min/190℃。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，其特征在于：所述甲基乙烯基硅树脂中乙烯基质量分数为2.5％-3.0％，粘度为2000-3000mPa·s。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，其特征在于：所述紫外线吸收剂与抗氧剂的总质量不超过EVA树脂质量的0.2％。
5.根据权利要求4所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜，其特征在于：所述紫外线吸收剂为紫外线吸收剂UV-P；所述抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂PEP-36的质量比为1.5-2.0:1的混合物。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的甲基乙烯基硅树脂粉加入EVA树脂胶粒中，混合均匀；再加入配方量的过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷，混合均匀；最后加入配方量的紫外线吸收剂和抗氧剂，混合均匀得混合料；
2)将步骤1)所得混合料加入双螺杆挤出机中，控制双螺杆挤出机机头温度为78℃-82℃、模头温度为88℃-92℃，挤出成膜，即得所述EVA胶膜。
7.根据权利要求6所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述双螺杆挤出机螺杆区域的温度为60℃-80℃。
8.根据权利要求6所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述双螺杆挤出机的主机速度为16-18Hz，喂料速度为10-12Hz。
9.根据权利要求6所述的太阳能光伏组件封装用EVA胶膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中，调节双螺杆挤出机模唇间隙使得胶膜厚度为0.35-0.55mm。
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