EVA交联度化学法测试误差及影响因素探讨

2016-12-09浙江正泰太阳能科技有限公司杨杰周盛永王仕鹏黄海燕陆川

太阳能 2016年11期

浙江正泰太阳能科技有限公司 ■ 杨杰周盛永王仕鹏黄海燕陆川

浙江正泰太阳能科技有限公司 ■ 杨杰*周盛永王仕鹏黄海燕陆川

主要研究使用化学法测试EVA交联度的测试误差，讨论了萃取时间、颗粒度、二甲苯沸点和气压等因素对测试结果的影响，并运用单一变量法设计实验逐一进行验证和分析。研究表明：萃取时间、样品颗粒度、气压和沸点等因素，以及各因素的交互作用都会影响二甲苯萃取法的测试误差，其中绝大部分误差归结于试样的不完全萃取。最后，从人员、机器、原料、方法、环境角度出发提出建议，为减小测试误差提供参考依据。

EVA；交联度；萃取；测试误差

0 引言

EVA胶膜是光伏行业普遍使用的一种热固型封装材料，由EVA树脂(乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物)添加偶联剂、引发剂、抗氧化剂等各类添加剂制作而成[1]。当EVA胶膜被加热到一定温度，交联剂会分解产生自由基，引发EVA分子之间结合，发生交联反应，形成三维网状结构，使EVA胶膜交联固化。

交联度是用来表征EVA交联程度的物理量，它的大小不仅决定EVA胶膜固化后的剥离强度和抗拉强度等力学性能，还影响组件环境老化性能，对光伏组件的质量和寿命起着至关重要的作用。准确测量交联度，显得尤其重要。

目前，光伏行业中测试EVA交联度最常用的化学法为二甲苯萃取法。由于化学法萃取涉及一系列的不确定因素，为了尽可能地减小这些因素带来的误差，需结合化学法萃取实验原理和过往经验，对这些影响因素及其之间的关系进行分析研究。

1 萃取原理

化学法测试EVA交联度是指利用有机高分子共聚物溶解原理，使用沸腾的二甲苯溶剂萃取试样中未交联共聚物高分子链和各种非活性添加剂小分子，烘干并称量剩余三维网状高聚物，计算三维网状高聚物在样品中的质量占比。

有机高分子共聚物溶解不同于小分子物质，过程非常缓慢，大致可分成溶胀和溶解两个阶段：二甲苯溶剂分子先扩散进入高聚物内部，使高聚物体积膨胀，称为“溶胀”；然后高分子均匀分散在溶剂中，称为“溶解”。未发生交联反应的高分子共聚物在有机溶剂中会先溶胀，后溶解；发生交联反应后的三维网状部分溶胀到一定程度后会达到平衡相，体积不再膨胀，不进入溶解阶段。

由于溶解过程进行缓慢，测试交联度过程中可能会萃取不完全，使得交联度结果偏高。根据过往测试经验发现：萃取时间、颗粒度大小、二甲苯沸点温度和气压等一系列因素都会对二甲苯萃取过程产生一定的影响，从而影响交联度测试结果。

2 萃取实验及误差分析

2.1 萃取时间对交联度的影响

为了探究萃取时间对交联度测试值的影响，并得到样品交联程度与完全萃取所需萃取时间的关系，本文选取不同交联程度的EVA层压样品进行了一系列实验。

2.1.1 实验方法

将EVA 层压试样裁剪成2 mm×2 mm颗粒，混合均匀，用四分法[2]秤取颗粒0.5 g，制成样包。设定好萃取时间，在沸腾二甲苯中进行萃取实验。萃取过程中注意，每次实验后更换新二甲苯，且烧瓶中样包放置数量不能超过4个。萃取结束后及时放入真空烘箱，在130 ℃下烘干4 h，称重后计算交联度。

按照式(1)计算交联度[2]，精确至0.001 g：

式中，G为交联度，%；W1为铁丝网袋的重量，g；W2为试验包的重量，g；W3为经溶剂萃取和烘干后样包的重量，g。

2.1.2 数据分析

图1为交联度在60%～90%之间的5份试样，在选定的不同萃取时间下的交联度数据，每个交联度数值都是3组平行实验的测试平均值。随着萃取时间的增大，5份EVA交联度测试值都呈先减小后趋于稳定的趋势。3#～5#在萃取12 h后，交联度测试值不再随萃取时间增加而减小，试样1#、2#在萃取18 h后，交联度测试值也趋于稳定。这说明完全萃取需要足够的时间，萃取时间不足会使交联度测试值偏高，且样品交联程度越低，完全萃取需要的萃取时间越长。

图1 萃取时间对交联度测试值的影响

萃取18 h后，1#～5#试样交联度都趋于稳定，为了便于分析数据，将萃取时间在18 h的交联度测试值定为基准值，表1是1#～5#试样交联度基准值。图2是1#～5#试样在萃取时间为4～12 h之间的交联度测试值与基准值的偏差。从图2可看出，交联度测试值与基准值偏差与EVA交联程度有关。在设定相同的萃取时间条件下，整体趋势表现为试样交联程度越低，交联度测试值与基准值偏差越大。

表1 1#～5#试样交联度基准值

图2 交联度测试值与基准的偏差

萃取过程中，二甲苯小分子扩散进入EVA高分子中，使其体积不断膨胀，交联的致密三维网状部分变疏松，未交联的高分子被解析。整个过程非常缓慢，需要足够的萃取时间，试样才能被二甲苯完全萃取。

完全萃取所需时间取决于二甲苯分子扩散速率和高分子解析速率。不同交联程度试样三维网状结构疏密程度不同，萃取过程中二甲苯分子扩散速率和高分子解析速率不同[3]，所以所需设定的萃取时间也不同。对于交联程度较低的样品，可通过延长萃取时间，使其完全萃取。

2.2 颗粒度对交联度的影响

为了探究颗粒度大小对交联度测试值的影

响，选取了一份EVA试样，采用单一变量法[4]，制作了不同 EVA颗粒度大小的样包，设计了一组实验。

2.2.1 实验方法

选取一块EVA胶膜样品，按颗粒度大小制作不同规格的实验样包，每种规格做3组平行实验，取3组交联度测试值的平均值用于数据分析。将颗粒度大小2 mm×2 mm试样的交联度测试值定为基准值，分析其他颗粒度大小试样的交联度测试值与基准值的偏差。

2.2.2 数据分析

图3是4种不同萃取时间下，颗粒度2.5 mm×2.5 mm、3.0 mm×3.0 mm、3.5 mm×3.5 mm、4.0 mm×4.0 mm交联度测试值与颗粒度2 mm×2 mm交联度测试值(基准值)偏差。

图3 颗粒度对交联度测试值的影响

从图3可看出，4组实验结果都表明EVA颗粒度变大，测试结果偏差也变大，但影响程度相对不大；且萃取时间越长，影响越小。当萃取时间大于6 h时，4种不同颗粒度大小的试样偏差都在1.5%以内。

2.3 二甲苯沸点和气压对交联度的影响

萃取实验过程中，通过加热二甲苯至沸腾，使其温度恒定至沸点。工厂测试对标工作中发现，不同海拔地区交联度测试结果有一定程度的差异，西部海拔较高地区，交联度测试结果会偏高。对我国东部沿海地区和西部海拔较高地区人员、机器、原料、方法、环境进行分析可知，测试结果偏高极有可能是由大气压强不同引起二甲苯沸点差异导致。

相比于东部沿海地区，西部海拔较高地区大气压强偏低，且冬季偏低程度比夏季大。为了探究气压对交联度测试结果的影响，选取两地实验室，采用单一变量法，保证实验样品、仪器与试剂和操作方法一致，在夏季和冬季各进行实验验证。

表2是我国东部沿海地区和西部海拔较高地区夏季和冬季实验室交联度测试值，每个值都是取的3组平行实验的测试平均值。从表2可明显看出，西部海拔较高地区的交联度测试结果偏高，且冬季偏高程度比夏季大。鉴于此问题涉及到不同地区交联度测试一致性，且不同季节东、西部大气压差异并不恒定，需要大量数据积累，在这里不做深入研究。