光伏背板用PEVA薄膜耐紫外老化性能研究

刘晓娇，姚元毅，李忠平，季明龙，李　伟，黄晟祥

(中天光伏材料有限公司，江苏南通 226000)



光伏背板用PEVA薄膜耐紫外老化性能研究

刘晓娇，姚元毅，李忠平，季明龙，李伟，黄晟祥

(中天光伏材料有限公司，江苏南通 226000)

摘要：采用EVA与PE共混的PEVA薄膜与传统PE薄膜进行紫外老化试验，通过薄膜老化后表观形貌、结构以及力学性能等变化，分析、比较两者的耐紫外老化性能。结果表明：经紫外老化后，两者结构均发生改变；经紫外老化30kWh/m2后，PE薄膜的力学性能衰减严重，而PEVA薄膜仍保持良好的力学性能；经紫外老化60kWh/m2后，PE薄膜表观开裂。

关键词：PE，PEVA，紫外老化，应力开裂，力学性能

PE薄膜具有良好的物理、化学性能，且价格低廉，被广泛应用于光伏背板行业，作为背板的内层材料使用。然而，PE薄膜耐老化性能差[1]，是对环境应力开裂极为敏感的材料，它在一定环境因素(如光、温度、湿度、气氛、液体介质等)和应力的作用下表面会出现脆性开裂。为此，采用EVA弹性体与PE进行共混，改进PE的弹性[2]，以提高其屈挠性、耐环境应力开裂性[3]。同时，由于EVA中含有极性基团，使其与其它助剂有良好的相容性[4]，可提高相应助剂及填料在PE薄膜中分散的均匀度。本文以EVA与PE共混的PEVA薄膜作为背板内层材料，对其耐紫外老化性能进行研究。

1　试验

1.1试验材料与仪器

1.1.1试验材料

PE薄膜：市售，主要用于光伏背板内层的PE薄膜材料；PEVA薄膜：自制，PE与EVA共混薄膜。

1.1.2试验仪器

万能试验机：AGS-X，岛津仪器有限公司；紫外老化箱：UV500，上海劲越实业发展有限公司；红外光谱测试仪：IS5，Thermo SCIENTIFIC；金相显微镜：VH-S30B，基恩士；色差仪：CR-10，柯尼卡美能达。

1.2紫外老化试验

将PE薄膜和PE/EVA共混的PEVA薄膜放入紫外老化箱中进行老化，试验条件为温度60℃，累积辐照量分别为30kWh/m2、60kWh/m2(其中UVA约为93%，UVB为7%)。

1.3测试与表征

1.3.1表观形貌

采用金相显微镜观察老化前后薄膜的表观形貌，放大倍数500倍。

1.3.2黄色指数测试

采用色差仪对老化前后薄膜的黄色指数进行测试，计算老化前后薄膜的黄变情况。

1.3.3结构表征

采用红外光谱进行表征。

1.3.4力学性能

将试样置于温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%的环境中放置24h后，根据国标GB/T 1040-2006，采用万能试验机测定试样拉伸强度和断裂伸长率。试样长200mm、宽(15±1)mm，横纵向各取5根，在试样的中部标出两个相距至少为50mm的标记线，以100mm/min的拉伸速度施加负荷直至试样断裂破坏。

2　结果与分析

2.1形貌分析

图1为PE、PEVA薄膜经紫外老化30kWh/m2、60kWh/m2后的表观形貌的显微镜照片。从图中我们可以看出，经紫外老化60kWh/m2后，PEVA薄膜表观良好，而PE薄膜表观出现开裂现象。

图1　薄膜表观形貌显微镜照片(a：UV30kWh/m2 PEVA；b：UV60kWh/m2 PEVA；c：UV30kWh/m2 PE；d：UV60kWh/m2 PE)

2.2薄膜老化前后黄变分析

将PE、PEVA薄膜放入紫外老化箱中进行老化，分别累积辐照老化30kWh/m2、60kWh/m2后测试一次黄色指数，通过黄变情况考察其耐老化性能。如图2所示，经紫外老化30kWh/m2，二者黄色指数曲线斜率基本保持平行，说明黄变情况相当；经紫外老化60kWh/m2，PEVA薄膜的曲线变化趋缓，而PE薄膜的曲线斜率增加，说明PEVA薄膜的耐老化黄变性能优于PE薄膜。

2.3红外谱图分析紫外老化前后薄膜结构变化

图3、图4分别为PE、PEVA薄膜紫外老化前后的红外测试谱图。从谱图中可以看到，PE、PEVA薄膜经紫外老化后，在1670cm-1～1820cm-1区间内形成谱带，这主要是经紫外辐照后，产生大分子自由基，大分子自由基与O2反应，经过氧化、断链等反应后形成了酮、酯、酸等羰基类化合物[5]；PE经老化后在1178cm-1处形成-O-CH-的吸收峰；PEVA经老化后1200cm-1处-O-CH-的吸收峰发生明显变化，1017cm-1处的酯基吸收峰减弱。通过以上红外谱图分析可知，经紫外老化后，薄膜不仅表观颜色发生变化，本身结构也发生了明显变化。

图3　PE薄膜老化前后红外光谱

图4　PEVA薄膜老化前后红外光谱

2.4紫外老化前后薄膜力学性能分析

图5、图6为经紫外老化前后PE、PEVA薄膜拉伸强度、断裂伸长率的变化情况。从图中可以看出，未经老化的PE薄膜，拉伸强度高于PEVA薄膜，断裂伸长率略低于PEVA薄膜，经紫外老化30kWh/m2后，PE薄膜的拉伸强度、断裂伸长率发生严重衰减。PE薄膜经老化后拉伸强度的保持率约为38%，断裂伸长率的保持率只有2%；而PEVA薄膜经老化后拉伸强度的保持率约为80%，断裂伸长率的保持率约为40%，可见经紫外老化后，PEVA薄膜的力学性能仍保持较好的状态。经老化后PE薄膜力学性能的降低，主要是由于在紫外光照射下，PE分子链发生光氧化降解[6]，导致分子链断裂、分子量降低，从而使PE薄膜的力学性能降低，随着紫外照射时间的延长，光氧化降解程度也愈发严重。而加入EVA的PE薄膜，其中EVA与PE都具有乙烯链段，相容性好，又EVA中高极性的VAc链段与PE基体的相容性差，因此部分EVA链段会在基体树脂中产生微相分离，就能起到橡胶增韧塑料作用，同时由于受VA基团的影响，使结晶度降低，从而提高薄膜的耐应力断裂性、耐挠曲开裂性和耐冲击强度。

图5　PE、PEVA薄膜老化前后拉伸强度

图6　PE、PEVA薄膜老化前后断裂伸长率

3　结论

通过对紫外老化后的PE、PEVA薄膜表观及性能分析看出，经EVA与PE共混的PEVA薄膜经紫外老化后，其力学性能明显优于PE薄膜，并且外观良好，黄变值小、表观无开裂。说明采用EVA弹性体与PE进行共混，可以很好地改善PE的弹性，提高薄膜的耐应力断裂性、耐挠曲开裂性。因此，PEVA薄膜的耐紫外老化性能更优于传统的PE薄膜，作为光伏背板内层材料使用安全可靠。

参考文献

[1] 何光耀.聚合物光稳定化进展[J].合成材料老化与应用，1998(2)：36-51.

[2] MOREITRA J C，DEMARQUETTE N R. Influence of temperature molecular weight and molecular weight dispersity on the surface tension of PS，PP and PE[J]. Journal of Applied Polymer Science，2001，82：1907-1920.

[3] 李连春.太阳电池用耐老化EVA封装胶膜的制备、结构与性能研究[D].广州：华南理工大学，2005：11-13.

[4] 殷锦捷，王亚鹏.PE/EVA共混改性材料力学性能的研究[J].上海塑料，2005(4)：17-19.

[5] 陶园园.拉伸取向对聚乙烯及其共混物力学和老化性能的影响研究[D].武汉：武汉理工大学，2009：32-39.

[6] 姚培培，李琛.加速紫外老化对聚乙烯薄膜力学性能的影响[J].塑料科技，2013(5)：66-70.

中图分类号：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