環保噴涂型光伏組件用雙組分室溫硫化阻燃密封材料的制備

周震宇 宋 鑫 李朝紅

安徽中意膠帶有限責任公司 （安徽淮北 235047）

隨著傳統化石能源的日益枯竭以及環境污染問題的日趨嚴重，太陽能等能源作為可再生的清潔綠色新能源，已經成為能源領域開發利用的研究熱點，太陽能光伏發電產業自20世紀80年代以來持續高速發展。所謂太陽能光伏發電系統是指利用太陽能電池的光伏效應,將太陽光輻射能直接轉換成電能的一種新型發電系統。太陽能電池板（光伏組件）簡稱PV組件，是太陽能光伏發電系統的核心部件之一。它是由預先排列好的一組晶體硅電池，被層壓在超薄、透明、高強度玻璃和密封底層之間而構成。若將晶體硅電池直接暴露在大氣中，受到光、熱、雨、雪等環境因素的影響，晶體電池的轉換效率和使用壽命會大幅度降低。因此，需采用合適的封裝系統將其封閉。目前我國光伏組件用密封材料主要依賴進口，國內廠家生產的封裝材料普遍存在儲存穩定性差、固化時間長、使用壽命短、阻燃性能不好等缺點。針對此種情況，安徽中意膠帶有限責任公司開發了一種環保可噴涂型光伏件用雙組分室溫硫化硅橡膠，各項性能符合GB/T 29595—2013《地面用光伏組件密封材料 硅橡膠密封劑》的要求。

1 實驗

1.1 主要原材料及設備

羥基封端聚二甲基硅氧烷（107膠），廣州市白云化工實業有限公司；納米碳酸鈣 （SHENGKE-108），山東海澤納米材料公司；MQ硅樹脂 （XV-7080），濟南鑫碩化工有限公司；甲基硅油（201），濟南瑞元化工有限公司；硅氮烷低聚物（KH-CL），中國科學院化學研究所；二醋酸二丁基錫（D-70），湖北新藍天新材料股份有限公司；縮水甘油基硅烷（kh560），江萊生物科技有限公司。

SM260三輥研磨機，萊州市勝龍化工機械有限公司；iL-20HV真空脫泡機、HM300S高速分散機，綿陽世諾科技有限公司；JHPK-H3500噴涂機，北京京華派克聚合機械設備有限公司；SS-8600電子萬能試驗機，臺灣松恕檢測儀器有限公司；NDJ-1黏度計，上海昌吉地質儀器有限公司；ZC46A高阻計，上海精密儀器儀表有限公司；ZJC電壓擊穿強度試驗儀，北京中航時代儀器設備有限公司。

1.2 制造工藝

（1）將羥基封端聚二甲基硅氧烷、納米碳酸鈣、MQ硅樹脂、甲基硅油按重量份數加入高速分散機中混合60 min，混合均勻后通過三輥研磨機研磨3遍，然后在溫度115℃和真空度0.08 MPa的條件下脫泡90 min，制成A組分，灌裝入一定容量的容器中備用；

（2）將硅氮烷低聚物（KH-CL）、二醋酸二丁基錫、羥基硅油、縮水甘油基硅烷按比例加入高速分散機中混合45 min，混合均勻后通過三輥研磨機研磨3遍，然后在真空度 0.08 MPa的條件下常溫脫泡60 min，制成B組分，在氮氣的保護下灌裝入一定容量的容器中備用。

1.3 噴涂工藝

（1）計量混合：將A、B兩組分分別經過自動計量和加壓輸送泵，按 m（A）︰m（B）=10︰1準確計量，并以一定的壓力，分別送入噴槍的混合室。

（2）噴槍噴涂：以一定壓力混合的A、B兩組分，在混合室經相互撞擊混合均勻，霧化后噴涂在施工面上，極快速地固化成型。

2 結果與討論

2.1 基膠的選用

常用基膠為甲基雙苯基硅氧烷及羥基封端聚二甲基硅氧烷。甲基雙苯基硅氧烷耐低溫性好于羥基封端聚二甲基硅氧烷，但與材料粘接時表面必須清理干凈，且黏和強度低于羥基封端聚二甲基硅氧烷。羥基封端聚二甲基硅氧烷具有耐候性良好、固化速度快、黏合強度高等特點，因而是生產雙組分室溫硫化密封材料的首選基膠。

2.2 阻燃補強劑的選用

納米碳酸鈣可部分替代炭黑和白炭黑作為補強填料，具有填充量大，補強、增白效果好，加工性能好等特點，且價格低廉，因此可以降低生產成本，提高經濟效益。納米碳酸鈣的用量及其粒徑大小對室溫硫化橡膠的補強作用有較大影響，具體分別見表1、表2。

表1 不同份數納米碳酸鈣補強效果（其他成分份數不變）

表2 不同粒徑納米碳酸鈣（80份）補強效果（其他成分份數不變）

通過表1可以看出：當納米碳酸鈣用量低于80份時，其補強效果較純膠提高較小；達到80份后，填充膠的力學性能有大幅提高；納米碳酸鈣用量繼續增加，補強效果開始有所下降。這是因為：當納米碳酸鈣填充量較低時，填充膠的黏度增加幅度較小；當填充量增加到80份時，膠體黏度陡增，黏度的增加有利于納米粒子團的分散，從而以較小的尺度均勻分散。因此，納米碳酸鈣用量選擇80份。

通過表2可以看出，碳酸鈣粒徑越小，粒子比表面積越大，不僅微粒的活性提高，且其與橡膠的接觸面積增大，提高了粒子與橡膠分子的結合力，從而使補強效果越好。所以，選擇直徑為60 nm的碳酸鈣。

2.3 增強改性劑的選用

硅樹脂可以用作雙組分室溫硫化膠黏劑的一種有效增強改性劑。MQ硅樹脂是由單官能硅氧單元（R3 SiO1/4,簡稱 M）和四官能硅氧單元（SiO4/2，簡稱Q）組成的一種聚硅氧烷。硅橡膠具有多種優異性能，但其力學性能很差，因此需要用填料進行增強。用MQ硅樹脂增強硅橡膠，膠料的黏度變化很小。MQ硅樹脂要達到一定用量才會起到補強效果，隨著其用量增加，硅橡膠交聯密度增大，網絡結構趨于完善，力學性能提高，但用量過多時，交聯密度過大，交聯點分布不均，外力作用下使薄弱部分斷裂，拉伸強度降低。其用量對產品性能的影響見表3。

表3 硅樹脂用量對產品性能的影響（其他成分份數不變）

綜合考慮硅橡膠的力學性能，硅樹脂用量選12份為宜。

2.4 增塑稀釋劑的選用

為了改變產品的黏度，選擇甲基硅油或苯基硅油作為增塑稀釋劑，起到降低產品黏度、改善樹脂滲透性的作用。甲基硅油是應用最廣泛的硅油，具有熱氧化穩定性好、黏度變化小、電絕緣性好、起泡性低等特點，特別適用于高度耐寒的場合，在液壓、儀表、電氣絕緣和化妝品方面有廣泛的應用。

實驗中，增塑稀釋劑選用甲基硅油，黏度控制在200～300 mPa·s。

2.5 交聯劑的選用

使用含3個以上Si-N鍵的硅氮低聚物 （KHCL）作為硫化劑，Si-N鍵在低濃度的有機錫鹽催化作用下，與羥基封端聚二甲基硅氧烷的硅羥基發生縮合交聯反應，其配制的雙組分有機硅膠黏劑在粘接金屬（不銹鋼、鋁、鈦合金、銅等）及硅橡膠時，黏接表面不需要用底膠進行處理，且對以上材料的室溫拉伸強度超過2.0 MPa，使黏合強度大幅度提高。交聯劑用量對材料固化程度的影響見表4，材料老化后的拉伸強度見表5。

表4 KH-CL交聯劑用量對固化程度的影響（其他成分份數不變）

表5 不同溫度老化（200 h）后的拉伸強度（30份交聯劑）

由表4可見：當交聯劑用量為20份時，硅樹脂固化不完全；當用量為30份時，凝膠量已達到90%左右，硅樹脂已基本固化完全。所以交聯劑用量選用30份。由表5可以看出，雙組分室溫硫化硅橡膠的熱穩定性由由原來的200℃提高到350℃。

2.6 催化劑和催化劑載體的選用

催化劑主要使用有機錫化合物和有機鈦化合物。鈦催化劑與硅橡膠混合時，鈦與羥基的氫鍵作用使黏度急劇增加，工業上使用強攪拌利用機械力打斷氫鍵使黏度降低，但增加了生產時間；而有機錫因空間位阻與硅橡膠反應相對溫和。因而，催化劑選用二醋酸二丁基錫，其用量對產品性能的影響如表6所示。為了更好地控制硅橡膠的結構，選用黏度為20～50 mPa·s的羥基硅油作為催化劑載體。

表6 催化劑用量對表干時間和固化速度的影響（其他成分份數不變）

由表6可以看出：當催化劑用量為5份時，表干時間和固化速度較慢；當催化劑用量為9份時，表干時間和固化速度較快，但流動性變差；當催化劑用量為7份時，能夠獲得較好的綜合性能。因此，選擇催化劑用量為7份。

2.7 黏附促進劑的選用

縮水甘油基硅烷在膠接工藝上是一種比較新的配合劑，它能大幅度提高黏合劑的濕潤性能，降低黏合界面的表面張力，不僅使原來不黏或難黏的材料之間的黏合強度得到提高, 也使其耐老化性能及韌性大大提高，而且毒性小。選擇烷氧基縮水甘油基作黏附促進劑制備光伏組件密封劑，無需底涂就可使粘接強度超過2.0 MPa，且不腐蝕金屬表面，對工作環境無污染。縮水甘油基硅烷對產品性能的影響如表7所示。

表7 縮水甘油基硅烷不同用量對產品性能的影響（其他成分份數不變）

通過表7可以看出，縮水甘油基硅烷用量為8份以上時，它對剪切強度的影響趨于平衡。所以，其用量選8份為宜。

2.8 基本配方

通過上述討論，得到雙組分密封膠的配方，具體如表8所示。按照該配方所制備產品的性能檢測結果（參照GB/T 29595—2013）如表9所示。

表8 雙組分密封膠的組成及其配比

表9 雙組分密封膠性能檢測結果

3 結語

選擇MQ硅樹脂作為增強改性劑、無機納米碳酸鈣作為填充補強劑，在提高拉伸強度和黏合強度的前提下，制備了雙組分密封膠，其黏度低、固化速度快、耐候性好、阻燃環保性能好，實現了光伏組件的可噴涂，可節省太陽能電池密封膠的用量，提高組裝效率。該產品為光伏行業提供了一種可噴涂、阻燃、環保、使用壽命長的密封材料。

由于該產品通過噴涂機在高壓條件下按比例在混合室內混合，產品的性能與混合壓力的大小和穩定性有直接關系，采用液壓加壓的噴涂機會獲得更好的產品性能。因使用時要安裝噴涂機，所以只有在需大面積施工的地方使用該產品，才能大大提高工作效率。