張 琳，徐冬梅，王亞平， 姚祥瑞

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shí)保護(hù)組件，保證組件壽命。目前太陽(yáng)能行業(yè)把鋁合金作為制作太陽(yáng)能組件邊框的主要材料。用鋁合金做邊框優(yōu)勢(shì)明顯，如抗腐蝕、抗氧化性強(qiáng)，強(qiáng)度及牢固性強(qiáng)，抗拉力性能強(qiáng)等;但是鋁合金在長(zhǎng)期濕熱、濕冷、鹽霧環(huán)境下會(huì)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(huì)造成光伏組件光伏性能的持續(xù)衰減[2]；同時(shí)，鋁合金的價(jià)格比較昂貴，根據(jù)倫敦金屬交易所的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)近十年來(lái)市場(chǎng)上純鋁的價(jià)格一直在1 500～2 700美元/t波動(dòng)，高額的價(jià)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(jìn)行防腐蝕處理，或者是選用良好絕緣性能的封裝材料來(lái)降低光伏組件光伏性能衰減的問(wèn)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(yáng)能組件邊框的主要材料,和鋁合金相比，PVC具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) PVC價(jià)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(duì)建筑物的負(fù)載；(3) PVC作為絕緣材料能有效避免在使用過(guò)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(duì)PVC材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究,通過(guò)正交試驗(yàn)考察了交聯(lián)劑、抗沖改性劑、發(fā)泡劑、成核劑對(duì)PVC材料力學(xué)性能及發(fā)泡效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PVCSG-5、三鹽基硫酸鉛(簡(jiǎn)稱(chēng)三鹽)、二鹽基亞磷酸鉛(簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)氧化二異丙苯(DCP)、加工改性劑丙烯酸酯類(lèi)共聚物(ACR)、發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺(AC)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

高溫開(kāi)煉機(jī)、平板硫化機(jī)、密度天平、沖擊性能測(cè)試儀、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、高速混合機(jī)。

1.3 試樣制備

按照配方將原料在高速混合機(jī)中混合均勻，放置在高溫開(kāi)煉機(jī)(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(jī)系統(tǒng)壓力為4 MPa，模具180 ℃預(yù)熱5 min后加壓10 min，冷卻至90 ℃后取出片材。

1.4 性能測(cè)試

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

拉伸強(qiáng)度:用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣拉伸強(qiáng)度,試樣為100 mm×20 mm的矩形試樣，厚度根據(jù)實(shí)際發(fā)泡情況進(jìn)行測(cè)量,拉伸速度為50 mm/min，夾具間距離為70 mm。

沖擊強(qiáng)度:用沖擊性能測(cè)試儀測(cè)定試樣懸臂梁沖擊強(qiáng)度,試樣為100 mm×20 mm的矩形試樣，厚度根據(jù)實(shí)際發(fā)泡情況進(jìn)行測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 助劑對(duì)試樣力學(xué)性能和密度的影響

實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方見(jiàn)表1。以CPE、DCP、ACR、AC 4項(xiàng)作為不存在交互作用的試驗(yàn)因子A、B、C、D，各試驗(yàn)因子在各自取值范圍取3個(gè)水平(見(jiàn)表2)設(shè)計(jì)了4因素3水平的正交試驗(yàn)(L(34))方案，考察了4個(gè)因素對(duì)材料密度及力學(xué)性能的影響，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方

表2 正交試驗(yàn)因素及水平

表3 L(34)正交試驗(yàn)表及測(cè)試結(jié)果

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

表4 材料沖擊強(qiáng)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(duì)發(fā)泡材料的力學(xué)性能和密度影響最大。隨著AC用量的增加，材料的沖擊強(qiáng)度下降，密度先降低后升高。當(dāng)AC用量為4份時(shí)，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(guò)多時(shí)，由于發(fā)泡時(shí)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(huì)降低材料的沖擊強(qiáng)度。同時(shí)，泡孔的均勻性也會(huì)影響材料的力學(xué)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(qiáng)度反而下降,因此需要通過(guò)成核劑來(lái)調(diào)節(jié)泡孔。

2.2 成核劑對(duì)試樣力學(xué)性能和密度的影響

通過(guò)正交試驗(yàn)分析可知，當(dāng)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(shí)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(wú)機(jī)物作為成核劑對(duì)材料發(fā)泡及力學(xué)性能的影響，其結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖1 不同成核劑用量對(duì)材料密度的影響

圖2 不同成核劑用量對(duì)材料沖擊強(qiáng)度的影響

圖3 不同成核劑用量對(duì)材料拉伸強(qiáng)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(jìn)氣泡的成核和增長(zhǎng)[3]。成核劑在物料中傳熱快, 容易分散到熔體中形成熱點(diǎn), 這些熱點(diǎn)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(shí)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(diǎn)，因此不會(huì)顯著影響PVC的密度;成核劑質(zhì)量份數(shù)超過(guò)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(jiàn)圖1)。當(dāng)成核劑質(zhì)量份數(shù)超過(guò)15份時(shí)，材料密度逐漸提高，原因是由于無(wú)機(jī)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(shí)，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(guò)程中具有很好的流動(dòng)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(wú)機(jī)粒子的存在產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，易引發(fā)周?chē)鷺?shù)脂產(chǎn)生開(kāi)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(qiáng)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(shí)，隨著用量的增加，沖擊強(qiáng)度均先增加后減小，當(dāng)質(zhì)量份數(shù)為15份時(shí)沖擊強(qiáng)度最大。高嶺土的效果略?xún)?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(qiáng)度。

從圖3可以看出:碳酸鈣對(duì)材料的拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度[6]。高嶺土的增強(qiáng)效果比滑石粉好，當(dāng)其質(zhì)量份數(shù)為15份時(shí)，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(shù)脂中能起到“骨架作用”[7]，提高了發(fā)泡材料的拉伸強(qiáng)度;而當(dāng)PVC受到外力時(shí)，顆粒狀的碳酸鈣則不能起到“連接”作用。

3 結(jié)語(yǔ)

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

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

(3) 碳酸鈣對(duì)材料的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度，高嶺土的增強(qiáng)效果比滑石粉好，當(dāng)其質(zhì)量份數(shù)為15份時(shí)，綜合效果最好。

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

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