关于EVA交联度测试方法的介绍及异同分析

2016-10-14杨天峰周盛永王仕鹏黄海燕陆川

太阳能 2016年5期

关键词：测试法层压胶膜

■ 杨天峰周盛永王仕鹏黄海燕陆川

浙江正泰太阳能科技有限公司

关于EVA交联度测试方法的介绍及异同分析

■ 杨天峰*周盛永王仕鹏黄海燕陆川

浙江正泰太阳能科技有限公司

通过对二甲苯萃取法、差示扫描量热(DSC)法和无损交联度测试法3种不同测试方法的原理和方法进行分析，结合实际比较分析这3种方法的优、缺点，并给出一些建议。

EVA；二甲苯萃取法；DSC法；无损交联度法；光伏组件

0　引言

随着社会对能源的需求量越来越大，以及民众对环保问题的重视，以太阳能为代表的清洁可再生能源近年来发展很快。目前市场上大多数光伏组件的质保期是25年，这要求组件封装性能优异，以保证组件在户外使用25年后仍能正常发电。EVA是目前光伏组件封装工艺中最常用的材料，它主要是在EVA基料中添加紫外光吸收剂、紫外稳定剂、抗氧化剂、交联剂及硅烷偶联剂等不同添加剂，经加热挤出成型而成。

EVA胶膜作为光伏组件的关键封装材料，其在层压过程中会发生交联反应，形成一种三维网状稳定结构，从而对太阳电池起到很好的密封粘结作用。其质量好坏直接影响组件的性能和使用寿命，从某种方面讲，光伏组件的寿命由EVA胶膜质量决定。交联度是EVA关键性能指标之一，同时日常监控EVA交联度不但能反映层压机运行状况，也能用来优化层压工艺参数，提升层压效率，因此准确测定EVA交联度很重要。

目前业内主流的交联度测试方法是二甲苯萃取法(也称凝胶测试法)，同时还有差示扫描量热(DSC)法及无损交联度测试法。本文对这3种不同的测试方法进行分析，从而得出各自优、缺点。需要说明的是，不同的测试方法交联度的叫法不同，表达的含义也不同，如DSC法测试EVA交联度叫固化度，不需要明确区分时，一般统称为交联度。

1　二甲苯萃取法

1.1二甲苯萃取法原理

当EVA胶膜经过一定条件的热压时，交联剂便会分解产生自由基，从而引发EVA线型分子结合形成三维网状结构，导致EVA交联固化。利用已交联EVA不溶于二甲苯的特点，用沸腾的二甲苯溶液来萃取样品中未交联的EVA，剩余物就是已交联的EVA。通过计算重量差得出EVA交联度。

1.2方法分析

二甲苯萃取法测试的主要是EVA胶膜加热时线型分子交联成网状分子的质量比率(可简单理解为线型与网状的比值)。萃取是整个测试过程的核心步骤，其关键指标是萃取温度和时间，业内一般将萃取温度定在140 ℃，主要是考虑到二甲苯的沸点为137～140 ℃。而萃取时间各个厂家略有差异，通常研究认为，5 h后交联度的萃取结果趋于稳定(见表1)[1]；若延长萃取时间，试验结果虽更趋于“真值”，但测试周期过长，且存在二次交联的影响。综合考量，一般将萃取时间选定5～6 h为宜，再加上冷却、烘干等步骤，整个测试周期至少10 h以上。

表1　萃取时间与交联度的对应关系

二甲苯萃取法存在测试周期长、制样较繁琐、且二甲苯有毒易燃等问题，因此，一些新的测试方法在不断被开发出。

2　差示扫描量热（DSC）法

2.1DSC法原理

DSC法测量EVA固化度的原理，就是通过测量EVA交联过程中所释放的热量变化来评估EVA胶膜交联的程度。固化度越高，交联程度越高，结构也就越严密。将测试样品放置在DSC炉体中，炉体升温过程中，样品的未交联部分发生交联反应会有热量放出；将未交联的EVA样品(生料)的放热量与已交联样品的放热量进行比较就可得出固化度G，计算公式为：

式中，H1、H2分别为未交联、已交联EVA样品的单位重量放热量，J/g。

当层压机的加热温度到达交联剂的分解温度后，EVA线状分子开始交联产生网状分子，此过程属于放热过程(如图1所示)。

图1　EVA交联过程

2.2方法分析

笔者前期调研DSC设备时，做了大量的数据对比工作，发现固化度与交联度有一定关联性(如图2所示)，在后续大量日常数据的积累下，并参考萃取法交联度的合格限，确定了固化度的合理范围区间(不同厂家的设备略有差异)。

图2　固化度与交联度的关联性

从测试结果来看，DSC法测试结果会小于二甲苯法测试结果，一般低5%～10%。分析原因可能为以下几点：

1) DSC以未交联EVA升温时所释放的热量作为100%未交联热量，但由于实际的化学反应无法达到完全反应，再加上交联剂的半衰期等特性，交联剂有残余量。这样100%未交联热量值偏小，导致最后计算得到的交联度偏小[2]。

2)二甲苯萃取时将不溶于二甲苯的所有物质都作为交联后的EVA，但由于EVA中会有一些填料(如交联剂和硅烷偶联剂等)或杂质等不溶于二甲苯，导致溶解的EVA比例下降，所以整体会使二甲苯法测得的交联度偏高[2]。

3)二甲苯的萃取温度范围为139～140 ℃，而在此温度区间，也正好是EVA交联反应的温度区间，导致在萃取过程中，EVA再次发生交联反应，增加了交联度。

由于DSC法能快速检测EVA的交联度，比二甲苯萃取法测试周期缩短8 h以上，提升了制程异常的反馈响应速度，保证了产品质量，因而依然得到业内部分厂家的支持，并制定了此测试方法的国家标准。

影响EVA交联度主要有两个因素：层压温度和交联剂含量。在一定范围内，一个因素一定时，交联度会随另一个因素的升高而上升。同时通过改变层压时间也可得出，层压10 min后，萃取法测得的交联度基本趋于稳定，而DSC法所得结果却一直增加，直到层压25 min后才趋于稳定。实际上EVA交联过程，并非只有过氧化物的作用，同时也伴随交联助剂的反应，但DSC法却不能测出。

随着进一步的研究和实际应用发现，固化度和交联度虽有一定关联，但并不呈现一定规律。通过对EVA胶膜进行交联剂含量检测得出，交联剂含量分布并不均匀，尽管这对萃取法测试结果不会有太大影响，但对固化度的检测影响很大。因此使用DSC法测试EVA固化度，必须保证原料中的交联剂分布均匀，并且保证层压时间相同[3]。

因此，DSC法应建立在来料情况较为稳定的前提下，用来监控日常层压机稳定运行情况较为合适。

3　无损交联度测试法

3.1无损交联度测试原理

EVA兼有弹性固体和粘性流体的双重特性，本文使用弹性模量来表达材料存储弹性变形能量的特性。存储模量是表征材料经过外力产生形变后恢复原状的指标，我们用存储模量LXM值来表示。由图3可知，温度高于80 ℃时，EVA交联度与机械性能直接相关。

图3　EVA存储模量与交联度的相关性

3.2方法分析

利用EVA的粘弹性与交联度有一定相关性的特点，笔者开始对此无损交联测试进行相关研究。此方法对样品要求较高，首先要求制作一定数量的样品用来制作配方文件(样品的交联度范围越广，数据量越多，拟合的函数越精确)，找到EVA弹性模量与交联度的对应关系，配方文件相当于后续测量的“基准”曲线，后续测试EVA的LXM值通过之前确定的“基准”转换成相应的交联度值。图4为无损交联测试过程的示意图，按要求，配方样品和测试样品的物料和结构必须一致，即背板和EVA的材料搭配必须固定，结构为玻璃/EVA/电池片/EVA/背板，否则测试结果不准确，而且，测试时应在背板侧进行，处于电池片区域，且避开主栅线和电池边缘10 mm以内的位置。