DSC法測(cè)層壓后EVA交聯(lián)度的可行性分析

常熟阿特斯陽光電力科技有限公司 ■ 許濤 張昌遠(yuǎn) 吳潔 徐憫芷 萬俊鵬 陳道遠(yuǎn)

一 引言

隨著環(huán)境污染和能源短缺問題日趨嚴(yán)重，太陽能作為一種綠色能源逐漸受到重視。太陽電池可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，特別是隨著研究的深入和技術(shù)的改進(jìn)，一些新材料應(yīng)用到太陽電池組件中，使組件的光電轉(zhuǎn)化效率得到了較大提高[1～3]。

EVA(乙烯－醋酸乙烯共聚體)是目前太陽電池封裝工藝中最常用的材料，其主要功能有：封裝組件；連接玻璃與電池片、連接背板與電池片；阻礙外部環(huán)境對(duì)電池片的不利影響。

EVA是由聚乙烯(PE)和醋酸乙烯酯(VA)構(gòu)成的一種熱塑性高分子材料，是線性分子結(jié)構(gòu)的高聚物(圖1)，耐熱性差，易延展而彈性差，抗蠕變性差，易產(chǎn)生熱脹冷縮導(dǎo)致電池片碎裂。為提高太陽能組件性能，要對(duì)EVA進(jìn)行改性，這就需要在EVA中加入各種不同的添加劑，其中交聯(lián)劑使EVA膠膜受熱發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高其耐候性能[3,4]。

為確定EVA的交聯(lián)程度，太陽能行業(yè)主要采用二甲苯萃取法。二甲苯具有一定的毒性，且在萃取的過程中，未交聯(lián)的EVA溶解不充分或萃取時(shí)EVA繼續(xù)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果偏大。目前使用差示掃描量熱(DSC)法對(duì)EVA交聯(lián)程度的研究還不成熟，基本處于起步階段，相關(guān)報(bào)道較少。將上述兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析的更少[5～7]。本文主要分析了使用這兩種不同方法測(cè)試EVA交聯(lián)程度的差異，并研究了層壓時(shí)間對(duì)這兩種測(cè)量結(jié)果的影響。

二 實(shí)驗(yàn)過程

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用的材料主要有EVA膠膜、二甲苯、二叔丁基對(duì)甲酚、鋁坩堝。實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備主要有差示掃描量熱儀(Q2000)、層壓機(jī)、萃取爐、精密電子天平(精確度：0.01mg)、恒溫干燥箱等。

2 二甲苯萃取法

由于交聯(lián)前的EVA溶于二甲苯，而交聯(lián)后的EVA不溶于二甲苯，根據(jù)萃取前后EVA質(zhì)量的變化可計(jì)算出EVA的交聯(lián)度[8]。

首先，將層壓后的EVA裁剪成2～4mm的小顆粒，并稱取0.15g，記錄下空鐵絲網(wǎng)袋質(zhì)量W1及裝有EVA小顆粒后的鐵絲網(wǎng)袋質(zhì)量W2，用銅絲固定鐵絲網(wǎng)袋，懸掛浸入二甲苯沸騰溶液中進(jìn)行萃取，萃取時(shí)間持續(xù)3h左右。最后取出萃取好的網(wǎng)袋和EVA，烘干后稱量鐵絲網(wǎng)袋、剩余EVA質(zhì)量W3，則交聯(lián)度(Gel Content)為：

3 DSC法

DSC法測(cè)量EVA固化度是利用EVA固化段的吸放熱不同，進(jìn)行計(jì)算的一種方法。EVA在交聯(lián)的過程中，交聯(lián)劑(主要為過氧化物類)會(huì)受熱分解，促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行。通過測(cè)量交聯(lián)前后過氧化物的含量可反映出交聯(lián)的程度。

首先，分別準(zhǔn)確稱取10mg層壓前和層壓后的EVA放入實(shí)驗(yàn)用的鋁坩堝中，壓緊后放入差示掃描量熱儀中，將一個(gè)空的鋁坩堝稱重后放入儀器中的參考盤位置，以10℃/min的升溫速率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試層壓前EVA的熱焓值為△H0，層壓后EVA的熱焓值為△H1，則EVA的固化度(Curing Degree)為[9]：

三 結(jié)果與分析

1 檢測(cè)方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

將三塊不同的EVA樣品A、B、C(每塊大小約為70cm×70cm)分別進(jìn)行層壓，改變層壓參數(shù)，使EVA的交聯(lián)度不同。取出層壓后的EVA樣品，在每個(gè)樣品的中心部位上取三個(gè)區(qū)域分別采用二甲苯萃取法和DSC法進(jìn)行交聯(lián)程度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。從測(cè)試結(jié)果可以看到，三種樣品的固化度均比交聯(lián)度低，約為27.25%。采用二甲苯萃取法測(cè)試的結(jié)果比較穩(wěn)定，雖然樣品A的測(cè)試差異相對(duì)較大，但差異值僅為3%；而采用DSC法測(cè)試的三種樣品固化度卻存在較大的波動(dòng)。由此可見，DSC法測(cè)得的結(jié)果沒有二甲苯萃取法穩(wěn)定。

2 層壓時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果影響

表1 不同樣品的兩種測(cè)試結(jié)果

EVA的交聯(lián)程度與層壓的參數(shù)有關(guān)[10]，不同的層壓時(shí)間對(duì)EVA的交聯(lián)程度的影響不同。為了研究層壓時(shí)間對(duì)交聯(lián)度和固化度測(cè)試結(jié)果的影響，在同一塊EVA原料中裁剪出若干份大小相同的樣品，保持層壓溫度不變，依次進(jìn)行層壓。在每個(gè)樣品的中心部位上取三個(gè)區(qū)域分別采用二甲苯萃取法和DSC法進(jìn)行交聯(lián)程度的測(cè)試，取三個(gè)區(qū)域測(cè)試結(jié)果的平均值得出三樣品的交聯(lián)度和固化度隨層壓時(shí)間變化趨勢(shì)，如圖2所示。

從圖2可以看到，交聯(lián)度與固化度隨著層壓時(shí)間的增加都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定。二甲苯萃取法得到的交聯(lián)度在0～10min區(qū)間內(nèi)呈上升趨勢(shì)，10min后基本趨于穩(wěn)定；而DSC法測(cè)得的固化度在0～25min內(nèi)一直呈上升趨勢(shì)，25min后才趨于穩(wěn)定。在0～25min內(nèi)，交聯(lián)度與固化度之間的差值從大到小變化，越來越接近，25min時(shí)兩者測(cè)試值基本相同，約為95%，但固化度略高于交聯(lián)度。繼續(xù)增加層壓時(shí)間，固化度值大于交聯(lián)度值，且增加幅度變大。

從圖2中還可以看出EVA的交聯(lián)反應(yīng)在10min時(shí)基本達(dá)到了最大程度，故在10min后盡管層壓時(shí)間增加，但交聯(lián)反應(yīng)趨近結(jié)束。但EVA中的交聯(lián)劑在層壓后仍然有剩余，Ezrin等人[11]發(fā)現(xiàn)約為30%。隨著層壓時(shí)間的增加，交聯(lián)度趨于穩(wěn)定，但由于EVA中剩余交聯(lián)劑會(huì)繼續(xù)受熱分解(△H1變小），導(dǎo)致固化度隨著層壓時(shí)間的增加而增大(△H0－△H1變大)。

3 DSC法測(cè)試EVA原料

層壓后的EVA中仍含有一定量的交聯(lián)劑，這說明EVA原料中的交聯(lián)劑含量超過了交聯(lián)反應(yīng)所需的量。在交聯(lián)劑充足的情況下，如果其含量發(fā)生輕微的變化，DSC法測(cè)得的固化度也會(huì)隨之發(fā)生明顯的變化，而交聯(lián)度卻不會(huì)有明顯的變化。

DSC法可檢測(cè)EVA原料中的交聯(lián)劑含量，若測(cè)得的熱焓值越大，則表明EVA原料中的交聯(lián)劑含量越高。將160cm×100cm的EVA原料均分為160塊，每一小塊依次進(jìn)行DSC測(cè)試，得到原料的平均熱焓值，再以每塊的測(cè)試結(jié)果與平均值進(jìn)行對(duì)比，得到的差異分布如圖3所示。從圖3可以看出，EVA原料中交聯(lián)劑分布不均勻，故實(shí)際測(cè)試得到的熱焓值存在較大差異。本次實(shí)驗(yàn)的160個(gè)測(cè)試值中最大值為16.21J/g，最小值為13.8J/g，與平均值的差異分別為7.75%、8.27%。因此，為提高DSC法測(cè)得固化度的準(zhǔn)確性，須保證EVA原料中交聯(lián)劑能夠均勻分布。

四 結(jié)果與討論

采用二甲苯萃取法測(cè)得的交聯(lián)度與DSC法測(cè)得的固化度，并不滿足一定的規(guī)律，與層壓時(shí)間和交聯(lián)劑的含量有關(guān)。通過對(duì)EVA的原料進(jìn)行交聯(lián)劑含量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)EVA中交聯(lián)劑的含量分布不均勻，這雖然對(duì)交聯(lián)度不會(huì)造成太大的影響，但是對(duì)固化度的檢測(cè)影響非常大。因此使用DSC法測(cè)試EVA固化度，必須保證原料中的交聯(lián)劑分布均勻，并且層壓的時(shí)間必須相同。

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