光伏背板用PET薄膜湿热老化性能研究

乐凯胶片股份有限公司 ■ 李茜茜 吴常良

0 引言

太阳电池组件的结构一般为玻璃、EVA、电池片、背板，四周用铝框封装。背板位于组件背面最外层，在户外环境下，具有良好的绝缘性，保护太阳电池不受水汽侵蚀，阻隔氧气；耐高低温和耐老化性能；耐腐蚀性能。背板的结构一般为TPT或TPE结构，总厚约为300～350 μm，其中P为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，厚约250 μm，是背板的主体结构。大部分长时间湿气的渗入是组件失效的原因。水蒸气在电池板或电路上的冷凝会导致短路或腐蚀[1]。随着湿热老化时间的延长，背板会脱层从而导致背板失效。为了让组件在户外能有效使用25年，背板必须按标准经过一系列严格的湿热老化测试。这就要求背板的主体结构PET也要经受住湿热老化测试。所以研究湿热老化过程中，PET薄膜的各项性能如何变化，以及最终对背板层间粘结力的影响，具有一定的参考价值。

1 试验设备和材料

试验设备：恒温恒湿箱(85 ℃，85%RH)、差示扫描量热仪(DSC)、新三思拉力机。

试验材料：同一厂家不同批次的PET，为了保密，不公布厂家和批次，批次用a、b、c代替。复合背板所用其他材料保密，在此不公开。

2 试验方法

取a、b、c批次的PET薄膜放入恒温恒湿箱，分别在500 h、1000 h、1500 h取出，测PET薄膜的表面张力、拉伸强度、结晶度。将老化后的PET薄膜在实验室复合成TPE结构的背板，测背板的层间粘结力。

3 试验结果与讨论

3.1 PET薄膜表面张力的变化

表面张力取决于塑料本身的化学结构，表示塑料薄膜表面自由能的大小，是决定聚合物粘结性的一个重要因素[2]。PET类属于极性高聚物，其表面自由能大，本身能达到42 dyn/cm，但为了提高PET薄膜与其他材料的粘结力，仍需进一步提高，一般通过电晕处理方法，处理后能达到52 dyn/cm或更高[3]。电晕处理指在非真空(空气存在)条件下用电磁能将空气激发、电离，使PET表面发生化学反应，形成醇、羧基极性基团[4]，从而改善PET薄膜表面的附着性。电晕处理深度一般只有零点几纳米，处理后应尽快使用，否则易失效。

从表1可看出，各个批次的PET薄膜在放入湿热老化箱500 h后，表面张力就已大幅下降，约从48 dyn/cm降到42 dyn/cm；1500 h后，表面张力已降到36 dyn/cm以下。

PET薄膜表面张力的大小随着老化时间的延长而降低，这与电晕处理和PET水解有关。湿热老化初期，电晕效果开始失效，PET水解速率较慢[5]，500 h时电晕效果已完全失效。随着老化时间的延长，水解速率加快，PET加速降解，由大分子变成小分子，PET化学结构发生变化，所以表面张力下降。

3.2 PET薄膜拉伸强度变化

拉伸强度是材料能承受的最大拉伸应力，通常出现在材料的屈服点或断裂点。从表1和图1可看出，a、b、c批次的PET薄膜在1000 h老化后，拉伸强度的下降幅度都不大，这是PET的结晶度和水解作用共同作用的结果。水解反应造成PET的降解对拉伸强度产生负面影响，但结晶度的增大(由表1和图2可看出)可抵消大部分影响，所以整体表现为拉伸强度下降幅度不大。而老化1000 h后，拉伸强度大幅下降，主要原因是虽然结晶度仍在增加，但是水解反应造成的分子链下降占主导作用，从而引起拉伸强度大幅下降[6]。

表1 不同批次PET老化后的各项性能变化

图1 不同批次PET薄膜的拉伸强度随老化时间的变化

3.3 PET薄膜的结晶度变化

聚合物中大分子链以三维有序排列的现象称为结晶，大分子链以一维或二维有序并沿某一特定方向排列的现象称为取向，大分子链在成型时以不平衡构象冷却并固定下来，则会留有残余应力[7]。聚合物的结晶度反映了结晶区与无定形区的相对数量。聚合物的很多重要性能都受结晶度的影响，如不透明性、拉伸强度、渗透性、粘附性、抗撕裂性等。

如图2所示，PET在湿热老化过程中结晶度一直在增加，说明PET薄膜内部发生了结晶现象。PET薄膜采用双向拉伸方法制备，分子在横向和纵向都有取向，冷却定型后会有残余应力存在。在湿热老化中，温度的存在使PET大分子链运动加剧，释放了残余应力，使PET大分子朝三维有序方向排列，所以结晶度升高。

图2 不同批次PET的结晶度随老化时间的变化

3.4 背板层间粘结力的变化

复合型背板一般采用干式复合法制备。干式复合是在第一种基材上涂覆一层粘合剂，经烘干处理，使粘合剂中的溶剂蒸发掉，粘合剂在干的状态下与第二种基材进行复合的一种方法[7]。影响背板层间粘结力的因素有胶黏剂的润湿性、PET及其他材料的表面张力等。

由表2和图3可知，随着PET老化时间的延长，背板的层间粘结力都在降低。主要原因是湿热老化后，PET的表面张力下降和结晶度升高。粘结本质上是一种表面现象，胶黏剂必须能渗入材料表面所有的孔隙和缝隙中，才能达到良好的粘结。而胶黏剂对PET基材的渗入过程只发生在无定形区域，湿热老化后，结晶度增加，PET部分分子由无定形变成规则排列，渗入过程减弱。为了获得良好的粘结强度，胶黏剂还必须很好地润湿被粘结表面。胶黏剂与被粘结表面的润湿特性取决于两者表面张力的相对大小。胶黏剂的表面张力值必须小于被粘结表面的临界表面张力，一般胶黏剂的表面张力至少要比被粘结物的表面张力小10 dyn/cm。本实验中，胶黏剂的表面张力不变，PET的表面张力随老化时间变小，两者的表面张力越来越相近，导致胶黏剂在PET上的润湿性不好，所以层间粘结力降低。

表2 不同批次PET老化后复合背板的层间粘结力

图3 不同批次PET湿热老化后复合成背板的层间粘结力

4 结论

1)PET湿热老化，随着老化时间的延长，PET的表面张力下降、拉伸强度下降、结晶度升高。

2)PET湿热老化后复合成背板，层间粘结力降低，主要原因是PET的表面张力下降和结晶度升高。

[1] Wenham S R, Green M A, Watt M E, et al. 应用光伏学[M].上海：上海交通大学出版社, 2008, 49.

[2]赫恩南德兹R J, 塞尔克S E M, 卡尔特尔J D. 塑料包装－性能、加工、应用、条例[M]. 北京：化学工业出版社, 2004,75－76.

[3]冯树铭. PET薄膜的品质控制及其性能检测[J]. 聚酯工业,2009, 22(4)：3－7.

[4]刘雄亚, 张建. PET薄膜表面处理后粘结性能提高的理论分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 1986, 1：34－37.

[5]肖迎红. PET的湿热老化性能研究[J]. 塑料科技, 2001, 8：22－24.

[6]杜斌, 杨睿, 谢续明. PET湿热老化机理研究[A]. 2010年全国高分子材料科学与工程研讨会[C]. 中国南昌, 2010.

[7]王经武. 塑料改性技术方法与新配方新材料实用手册[M].北京：中国知识出版社, 2006, 171－172.