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太阳能背板粘结层用涂料的制备及其性能研究,采用氟碳树脂、固化剂、颜料、溶剂和助剂制备了太阳能背板粘结层用氟碳涂料
2020年03月09日    阅读量:2697    新闻来源:中国牛涂网-涂料,化工,机械,建材,行业资讯门户网站  |  投稿

随着煤炭、石油传统能源所造成的全球气候变暖问题的日益突出,世界各地越来越重视新能源的开发。在诸多新能源中,太阳能具有安全、环保、清洁、可再生等优点,受到了各国政府的高度重视。近年来,光伏电池利用太阳能转换为电能,是当前世界开发利用太阳能的主要形式之一涂料在线coatingol.com


光伏电池是按照玻璃-EVA(乙烯醋酸乙烯酯)-电池片-EVA-背板的结构封装而成,背板位于光伏电池背面的最外层,是光伏电池最重要的组成部分,不仅起到封装的作用,同时还起到保证光伏电池少受环境影响的作用。然而太阳能背板是一种高分子材料,长期户外使用,易受雨水、风沙、湿热、紫外等恶劣环境的侵蚀,进而降低电池片的寿命。


背板由耐候层、基材、粘结层三层结构构成,背板的耐候层一般采用K 膜(Kynar 型)或T 膜(Tedlar型)的较多,基材为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯),粘结层为氟碳涂层,氟碳涂层不仅与基材PET粘结,还与封装材料EVA粘结,氟碳涂层的粘结性能及耐老化性能直接影响背板的使用寿命。


本文采用不同类型的氟碳树脂、固化剂制备了背板粘结层用的氟碳涂料,研究了氟碳树脂、固化剂的种类以及固化剂中异氰酸根与氟碳树脂中羟基的摩尔比对粘结层性能的影响,通过考察氟碳涂层的附着力、黄变以及与EVA的粘结力等性能,最终确定了适用于太阳能背板的氟碳涂料最优方案。


1 实验部分

1. 1 原料及仪器

本研究所用的主要原料如表1所示。

实验原料

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钛白粉:工业级,杜邦;醋酸丁酯:工业级,雨田化工;阴离子型分散剂:毕克化学;PET基材:背板专用,四川东材科技股份有限公司。

色调仪:PF-10,日本电工;层压机:RDC-Y-1,瑞晶科技有限公司;拉力机:ETM-104B,深圳万测实验设备有限公司;PCT老化箱:KPCT,台湾庆声科技有限公司,运行条件为125 ℃,2×105 Pa,水蒸气循环;双95老化箱:HTH25-095,苏州宏瑞达新能源装备有限公司;紫外老化箱:Sun-Syn,上海尚信环境测控技术有限公司。


1. 2 涂料及涂层样品的制备

将氟碳树脂、溶剂、分散剂、钛白粉按一定的量依次加入烧杯中,高速分散均匀后,导入研磨机进行研磨,控制涂料的细度在5 μm以下后出料,得到氟碳涂料的预混物,然后在预混物中加入一定量的消光粉、流平剂进行二次分散,高速分散均匀后得到氟碳涂料混合物。


将氟碳涂料混合物、固化剂、溶剂按一定比例倒入烧杯,混合均匀后得到背板粘结层用氟碳涂料,将该涂料用丝棒涂布于电晕后的PET基材上,干燥、熟化后得到太阳能背板用的粘结层。


1. 3 性能测试

按GB/T 9286—1988测试附着力;按GB/T 7975—2005 测定颜色;层压件双95 老化(温度95 ℃、湿度95%)10 d,取出后(25±2)℃平衡24 h 检测涂层与EVA的粘结力;用紫外老化箱按120 kWh/m2进行老化测试;参考GB/T 36802—2018 进行PCT 老化48 h测试。


2 结果与讨论

2. 1 氟碳树脂的选择

分别用4 种FEVE 树脂与固化剂2 配制粘结涂料,所得涂层的性能如表2所示。

不同氟树脂制备的涂层性能

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由表2可知,4种树脂紫外老化后的黄变、初始及湿热老化后的附着力并无明显差异,且均在标准范围内;而4种树脂制备的氟碳涂层与EVA的粘结力差异较明显,结合氟树脂的结构分析,可能是由于FEVE1中羟值含量过高,形成的涂层交联密度大,涂层发脆,耐湿热老化性能较差,另一方面,FEVE4羟值含量偏低,涂层的交联密度小,湿热老化后涂层易降解,致使与EVA 的粘结力湿热老化后明显降低。


综合考虑涂层初始及老化后的性能,选用中等羟值的FEVE3更具有优势。


2. 2 固化剂种类的选择

采用中等羟值的FEVE3与不同类型的固化剂配制粘结涂料,得到不同的粘结涂层,涂层性能测试结果如表3所示。

不同固化剂制备涂层的性能

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由表3可知,采用3种固化剂得到的涂层初始及老化后的附着力均合格;紫外老化后黄变性能固化剂1最优,固化剂2其次,固化剂3最差;3种固化剂制备的涂层与EVA的初始粘结力差异不明显,但双95老化后,由固化剂1制备的涂层与EVA的粘结力明显优于另外2种固化剂。


因紫外辐射后,涂层的黄变程度不同,分析氟碳涂层中高分子化学键的结构,发现氟碳涂层中的氨酯键在紫外光的照射下会生成胺及其他小分子产物,反应式如式(1)所示。

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由固化剂HDI三聚体、HDI缩二脲、氢化XDI与TMP的加成物制备的涂层,光老化后发生分解的示意图分别如式(2)、式(3)、式(4)所示。

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由涂层老化分解示意图可知,只有涂层中的仲胺键在紫外光的照射会发生断裂,由于叔胺N原子上没有H,所以在紫外光的照射下不会发生断裂。紫外光辐射后分子链的降解越严重,涂层的保色性越差,HDI缩二脲比HDI三聚体含有较多的仲胺键。


从而导致HDI缩二脲比HDI三聚体生成的漆膜耐紫外性能差,而氢化XDI与TMP的加成物生成的漆膜中均为仲胺键,较前2种固化剂更易降解,因此耐紫外性能最差。对比不同固化剂制备的涂层性能,综合考虑,粘结涂层用的固化剂选择HDI三聚体。


2. 3 n(—NCO)∶n(—OH)对涂层性能的影响

采用中等羟值的三氟氯乙烯基树脂和HDI三聚体配制涂料,制备太阳能背板涂料,n(—NCO)∶n(—OH)对所得涂层的性能的影响如表4所示。

n(—NCO)∶n(—OH)对涂层性能的影响

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由表4可知,随着n(—NCO)∶n(—OH)的增大,涂层的初始附着力无差异,但老化后涂层的附着力先提升后降低,可能是由于随着n(—NCO)∶n(—OH)的增大,树脂与固化剂反应生成较多的极性基团。


耐水解性能增强,而当两者的比例为1. 2时,过多的—NCO与水反应生成缩二脲、脲基甲酸酯键,这2 种基团的湿热稳定性较氨基甲酸酯键差,致使PCT湿热老化后涂层与基材的附着力显著降低;随着n(—NCO)∶n(—OH)的增大,紫外老化后涂层黄变并无明显变化。

不同n(—NCO)∶n(—OH)制备的涂层与EVA粘结力的情况如图1所示。

n(—NCO)∶n(—OH)对涂层与EVA粘结力的影响

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由图1可知,随n(—NCO)∶n(—OH)的增大,涂层与EVA的初始粘结力增大,然而双95老化后的粘结力先增大然后降低,当n(—NCO)∶n(—OH)=1时,涂层老化后的性能最优。综合考虑涂层的性能,n(—NCO)∶n(—OH)=1时为佳。


3 结语

(1)采用不同羟值的氟碳树脂制备太阳能背板粘结层用的氟碳涂料,从涂层初始及老化后与EVA的粘结力结果来看,选用高碳值的氟碳树脂,形成的涂层交联密度大,涂层湿热后发脆,而选用低羟值的氟碳树脂,涂层的交联密度小,耐湿热性能较差,因此应选用中等羟值的三氟氯乙烯与乙烯基醚共聚的氟碳树脂。

(2)采用不同种类的固化剂制备太阳能背板粘结层用的氟碳涂料,氟碳树脂与固化剂形成的仲胺键越多,叔胺键越少,涂层的耐紫外性能越差,本研究选用HDI 的三聚体作为固化剂,紫外老化120 kWh/m2后的黄变最小,PCT 48 h后的附着力以及双95老化后涂层与EVA粘结力最优。

(3)采用不同的n(—NCO)∶n(—OH)制备太阳能背板粘结层用的氟碳涂料,随两者比例的增大,涂层极性基团增多,耐水解性能增强,但是两者比例过高时,涂层的性能因过度交联而下降,本研究选择两者的比例为1,得到的涂层PCT 48 h后的附着力仍为0级,紫外辐射120 kWh/m2后的黄变为0. 68,与EVA的粘结力初始为96 N/cm,双95湿热老化10 d后的粘结力为60 N/cm,综合性能较优。


顾丽争,王建龙,胡亚召,李华锋,柳青(乐凯胶片股份有限公司,河北保定071054)

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