劉曉嬌,姚元毅,李忠平,季明龍,李 偉,黃晟祥
(中天光伏材料有限公司,江蘇南通 226000)
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光伏背板用PEVA薄膜耐紫外老化性能研究
劉曉嬌,姚元毅,李忠平,季明龍,李偉,黃晟祥
(中天光伏材料有限公司,江蘇南通 226000)
摘要:采用EVA與PE共混的PEVA薄膜與傳統(tǒng)PE薄膜進(jìn)行紫外老化試驗,通過薄膜老化后表觀形貌、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能等變化,分析、比較兩者的耐紫外老化性能。結(jié)果表明:經(jīng)紫外老化后,兩者結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變;經(jīng)紫外老化30kWh/m2后,PE薄膜的力學(xué)性能衰減嚴(yán)重,而PEVA薄膜仍保持良好的力學(xué)性能;經(jīng)紫外老化60kWh/m2后,PE薄膜表觀開裂。
關(guān)鍵詞:PE,PEVA,紫外老化,應(yīng)力開裂,力學(xué)性能
PE薄膜具有良好的物理、化學(xué)性能,且價格低廉,被廣泛應(yīng)用于光伏背板行業(yè),作為背板的內(nèi)層材料使用。然而,PE薄膜耐老化性能差[1],是對環(huán)境應(yīng)力開裂極為敏感的材料,它在一定環(huán)境因素(如光、溫度、濕度、氣氛、液體介質(zhì)等)和應(yīng)力的作用下表面會出現(xiàn)脆性開裂。為此,采用EVA彈性體與PE進(jìn)行共混,改進(jìn)PE的彈性[2],以提高其屈撓性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性[3]。同時,由于EVA中含有極性基團(tuán),使其與其它助劑有良好的相容性[4],可提高相應(yīng)助劑及填料在PE薄膜中分散的均勻度。本文以EVA與PE共混的PEVA薄膜作為背板內(nèi)層材料,對其耐紫外老化性能進(jìn)行研究。
1.1試驗材料與儀器
1.1.1試驗材料
PE薄膜:市售,主要用于光伏背板內(nèi)層的PE薄膜材料;PEVA薄膜:自制,PE與EVA共混薄膜。
1.1.2試驗儀器
萬能試驗機(jī):AGS-X,島津儀器有限公司;紫外老化箱:UV500,上海勁越實業(yè)發(fā)展有限公司;紅外光譜測試儀:IS5,Thermo SCIENTIFIC;金相顯微鏡:VH-S30B,基恩士;色差儀:CR-10,柯尼卡美能達(dá)。
1.2紫外老化試驗
將PE薄膜和PE/EVA共混的PEVA薄膜放入紫外老化箱中進(jìn)行老化,試驗條件為溫度60℃,累積輻照量分別為30kWh/m2、60kWh/m2(其中UVA約為93%,UVB為7%)。
1.3測試與表征
1.3.1表觀形貌
采用金相顯微鏡觀察老化前后薄膜的表觀形貌,放大倍數(shù)500倍。
1.3.2黃色指數(shù)測試
采用色差儀對老化前后薄膜的黃色指數(shù)進(jìn)行測試,計算老化前后薄膜的黃變情況。
1.3.3結(jié)構(gòu)表征
采用紅外光譜進(jìn)行表征。
1.3.4力學(xué)性能
將試樣置于溫度(23±2)℃、相對濕度(50±5)%的環(huán)境中放置24h后,根據(jù)國標(biāo)GB/T 1040-2006,采用萬能試驗機(jī)測定試樣拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。試樣長200mm、寬(15±1)mm,橫縱向各取5根,在試樣的中部標(biāo)出兩個相距至少為50mm的標(biāo)記線,以100mm/min的拉伸速度施加負(fù)荷直至試樣斷裂破壞。
2.1形貌分析
圖1為PE、PEVA薄膜經(jīng)紫外老化30kWh/m2、60kWh/m2后的表觀形貌的顯微鏡照片。從圖中我們可以看出,經(jīng)紫外老化60kWh/m2后,PEVA薄膜表觀良好,而PE薄膜表觀出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。
圖1 薄膜表觀形貌顯微鏡照片(a:UV30kWh/m2 PEVA;b:UV60kWh/m2 PEVA;c:UV30kWh/m2 PE;d:UV60kWh/m2 PE)
2.2薄膜老化前后黃變分析
將PE、PEVA薄膜放入紫外老化箱中進(jìn)行老化,分別累積輻照老化30kWh/m2、60kWh/m2后測試一次黃色指數(shù),通過黃變情況考察其耐老化性能。如圖2所示,經(jīng)紫外老化30kWh/m2,二者黃色指數(shù)曲線斜率基本保持平行,說明黃變情況相當(dāng);經(jīng)紫外老化60kWh/m2,PEVA薄膜的曲線變化趨緩,而PE薄膜的曲線斜率增加,說明PEVA薄膜的耐老化黃變性能優(yōu)于PE薄膜。
2.3紅外譜圖分析紫外老化前后薄膜結(jié)構(gòu)變化
圖3、圖4分別為PE、PEVA薄膜紫外老化前后的紅外測試譜圖。從譜圖中可以看到,PE、PEVA薄膜經(jīng)紫外老化后,在1670cm-1~1820cm-1區(qū)間內(nèi)形成譜帶,這主要是經(jīng)紫外輻照后,產(chǎn)生大分子自由基,大分子自由基與O2反應(yīng),經(jīng)過氧化、斷鏈等反應(yīng)后形成了酮、酯、酸等羰基類化合物[5];PE經(jīng)老化后在1178cm-1處形成-O-CH-的吸收峰;PEVA經(jīng)老化后1200cm-1處-O-CH-的吸收峰發(fā)生明顯變化,1017cm-1處的酯基吸收峰減弱。通過以上紅外譜圖分析可知,經(jīng)紫外老化后,薄膜不僅表觀顏色發(fā)生變化,本身結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化。
圖3 PE薄膜老化前后紅外光譜
圖4 PEVA薄膜老化前后紅外光譜
2.4紫外老化前后薄膜力學(xué)性能分析
圖5、圖6為經(jīng)紫外老化前后PE、PEVA薄膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率的變化情況。從圖中可以看出,未經(jīng)老化的PE薄膜,拉伸強(qiáng)度高于PEVA薄膜,斷裂伸長率略低于PEVA薄膜,經(jīng)紫外老化30kWh/m2后,PE薄膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率發(fā)生嚴(yán)重衰減。PE薄膜經(jīng)老化后拉伸強(qiáng)度的保持率約為38%,斷裂伸長率的保持率只有2%;而PEVA薄膜經(jīng)老化后拉伸強(qiáng)度的保持率約為80%,斷裂伸長率的保持率約為40%,可見經(jīng)紫外老化后,PEVA薄膜的力學(xué)性能仍保持較好的狀態(tài)。經(jīng)老化后PE薄膜力學(xué)性能的降低,主要是由于在紫外光照射下,PE分子鏈發(fā)生光氧化降解[6],導(dǎo)致分子鏈斷裂、分子量降低,從而使PE薄膜的力學(xué)性能降低,隨著紫外照射時間的延長,光氧化降解程度也愈發(fā)嚴(yán)重。而加入EVA的PE薄膜,其中EVA與PE都具有乙烯鏈段,相容性好,又EVA中高極性的VAc鏈段與PE基體的相容性差,因此部分EVA鏈段會在基體樹脂中產(chǎn)生微相分離,就能起到橡膠增韌塑料作用,同時由于受VA基團(tuán)的影響,使結(jié)晶度降低,從而提高薄膜的耐應(yīng)力斷裂性、耐撓曲開裂性和耐沖擊強(qiáng)度。
圖5 PE、PEVA薄膜老化前后拉伸強(qiáng)度
圖6 PE、PEVA薄膜老化前后斷裂伸長率
通過對紫外老化后的PE、PEVA薄膜表觀及性能分析看出,經(jīng)EVA與PE共混的PEVA薄膜經(jīng)紫外老化后,其力學(xué)性能明顯優(yōu)于PE薄膜,并且外觀良好,黃變值小、表觀無開裂。說明采用EVA彈性體與PE進(jìn)行共混,可以很好地改善PE的彈性,提高薄膜的耐應(yīng)力斷裂性、耐撓曲開裂性。因此,PEVA薄膜的耐紫外老化性能更優(yōu)于傳統(tǒng)的PE薄膜,作為光伏背板內(nèi)層材料使用安全可靠。
參考文獻(xiàn)
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[6] 姚培培,李琛.加速紫外老化對聚乙烯薄膜力學(xué)性能的影響[J].塑料科技,2013(5):66-70.
中圖分類號:TQ 325.5
Study on Anti Ultraviolet Ageing Performance of PEVA Film of PV Backsheet
LIU Xiao-jiao,YAO Yuan-yi,LI Zhong-ping,JI Ming-long,LI Wei,HUANG Sheng-xiang
(ZHONGTIAN PHOTOVOLTAIC MATERIALS CO.,LTD.,Nantong 226000,Jiangsu,China)
Abstract:Anti ultraviolet ageing performance of pure PE films and PEVA films,which blended of EVA and PE,were compared via changing of morphology,structure and mechanical properties before and after UV-ageing test. The result indicated mechanical properties of PE films decreased by a large margin under 30kWh/m2. On the contrary,PEVA films still have a stable performance on mechanical. PE films appeared cracking when UV-ageing cumulant reached 60kWh/m2.
Key words:PE,PEVA,UV-ageing,stress cracking,mechanical properties