光伏背板内层PO 膜耐紫外老化性能研究

邸喜强，白玉清，王力新，王茂柔，李华锋，范云峰

(1.乐凯胶片股份有限公司，河北 保定 071054；2.河北省新能源膜材料技术创新中心,河北 保定 071054；3.河北大学 物理学院，河北 保定 071002)

聚烯烃（PO）是一类产量大、应用广泛的高分子材料。聚丙烯（PP）是聚烯烃材料中主要产品之一。在户外应用时，日光中的紫外线会导致PP 的光降解。原因在于PP 分子链上存在大量叔碳原子，在有氧的情况下，紫外线辐照能量可以将叔碳原子上的氢脱除成为叔碳自由基[1]。氧化后的PP 会出现变脆、表面龟裂、发黄褪色等问题，使材料的使用寿命缩短，从而限制PP 复合材料在电子、机械和光伏建筑一体化等高端领域的应用。目前PP 的光老化研究已成为聚烯烃材料应用领域的重要问题[2-5]。为了提高PP 的耐紫外线性能及其使用寿命，在材料加工过程中向PP 树脂体系引入一些诸如抗老化功能的助剂，是一种行之有效的策略[6-7]。

光伏背板是光伏组件的重要组成部分，通常背板膜由外到内依次为耐候层、绝缘层和粘结层[8]。随着背板产业的发展，粘结层依次经历了氟树脂膜、氟碳涂料和无氟PO/PE 膜几个阶段[9]。改性后的PO 膜不仅能降低成本，而且能提供良好的水汽阻隔[10-12]。然而PO 膜在耐紫外性能方面还需要提升，以满足光伏组件服役多年的使用需求。PO膜可采用多层共挤结构，其中直接接受太阳光辐照的为热封层，向该层添加防老化剂和钛白粉可以显著提高膜的耐紫外性能，但热封层树脂体系与添加剂的兼容性不佳时会造成粘结力降低，此外增加助剂和钛白粉的用量会使成本增加。因此，在不显著增加成本的条件下，为了提升PO 膜的耐紫外性能，需要对热封层配方进行综合考量和系统优化。

1 实验部分

1.1 主要原料

实验中使用的各种光稳定剂、紫外吸收剂、聚乙烯（PE）组分、聚丙烯（PP）组分、钛白母料、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）胶膜及聚烯烃弹性体（POE）的来源及代号信息见表1。

表1 助剂、树脂成分和胶膜原材料

1.2 仪器设备

单层膜淋膜机：SDF-D，浙江省瑞安市佳州涂塑机械厂；多层挤出流延机：LCR40，瑞典Labtech公司；1#紫外箱：自制（使用金属卤素灯）；2#紫外箱：SUV2000，海尚信环境测控技术有限公司；万能试验机：CMT6104，美斯特工业系统（中国）有限公司；湿热老化箱：KPCT，台湾庆声科技股份有限公司；湿热老化箱：EH-010R，上海爱斯佩克环境设备有限公司；层压机：RDC-Y-1，秦皇岛瑞晶太阳能科技有限公司。

1.3 材料的制备

按比例称取不同的原材料，混合均匀后使用淋膜机挤出成膜，冷却后进行涂布、复合、电晕，熟化后进行老化和性能测试。或者原材料通过小型共挤设备进行制样，样片进行涂布、复合、电晕，熟化后进行老化和性能测试。

1.4 性能表证

采用万能拉力机测试粘结力，使用湿热和紫外老化箱进行环境老化测试，用记号笔标记开裂情况，肉眼观测。

2 结果与讨论

2.1 添加剂体系的研究

2.1.1 受阻氨光稳定剂的调整

选用相同配比的热封层基料，添加不同种类和比例的光稳定剂，制备成膜后评价其与EVA 的粘结力情况和耐紫外老化性能。结果见表2。

表2 不同光稳定剂配方对PO 膜抗紫外性能和层间粘结力的影响

从表2 可以看出，随着光稳定剂添加量的增加，EVA 与背板的粘结力均减小，使用806PS 胶膜时减小更为明显。ZJ2 在与EVA 粘结力方面略有优势。原因分析：如图1 所示，光稳定剂ZJ1 的分子量虽然在3000 左右，但是分子量分布较宽，有一部分聚合度比较低的小分子，当添加量较多时，小分子会对粘结力造成负面影响；而光稳定剂ZJ2 分子量分布非常窄，增加其用量不会引入过多的小分子，因此在粘结力稳定性方面具有一定的优势，但当其用量提高到0.4%时，在进行E VA 剥离力测试时会导致胶膜表面变粗糙，影响粘结力的稳定性。ZJ1 和ZJ2 在紫外老化方面性能相当。ZJ3 是一种小分子光稳定剂，对于PO 膜的耐紫外性能有提升效果，但仅加入很少量就会造成EVA 粘结力大幅度波动。

图1 光稳定剂分子量分布图（左：ZJ1；右：ZJ2）

2.1.2 紫外吸收剂的调整

选用相同配比的热封层基料，添加不同种类和比例的紫外吸收剂，制备成膜后评价与EVA 的粘结力情况和紫外老化情况。结果见表3。

表3 不同紫外吸收剂配方对PO 膜抗紫外性能和层间粘结力的影响

PO 膜热封层较薄，厚度仅为10～12 μm，紫外线会穿透热封层到达芯层，芯层由聚丙烯构成，对紫外线尤其敏感，理论上加入一定量的紫外吸收剂能够对芯层起到一定的保护作用，同时紫外吸收剂的加入在一定程度上也可以延缓热封层自身的老化。但从表3 中可以看出，加入少量紫外吸收剂（ZJ4 或ZJ5）后PO 膜的耐紫外性能没有明显提升，而且紫外吸收剂的售价较高，可选择不添加紫外吸收剂。仅增加ZJ2 的用量即可显著提升PO 膜的耐紫外性能。

2.2 树脂体系的研究

2.2.1 聚乙烯含量的调整

基于相同种类的添加剂，选用不同PE 含量的热封层基料，制备成膜后评价与EVA 的粘结力情况和紫外老化情况。结果见表4。

原PO 膜配方的热封层中有30%的茂金属聚乙烯（与EVA 相容性较好），理论上PE 无论是耐紫外性能还是与EVA 的粘结力都优于PP，合理提升其用量，可以实现对热封层的改性。根据表4 中的测试数据可知，当PE 含量从30%增加到50%时，PO 热封层的抗紫外老化能力及其和EVA 胶膜间粘结力水平都随PE 含量的增加而提高。热封层光稳定剂的添加量仅为0.12%时，增加PE 含量至40%以上，即可实现耐紫外老化120 kWh/m2的性能。

表4 PE 含量对PO 膜抗紫外性能和层间粘结力的影响

2.2.2 弹性体含量的调整

原PO 膜热封层中含有一定量的弹性体，其具有增加PP 与PE 的相容性，同时降低起封温度的作用。在前述光稳定剂和PE 含量研究的基础上，选用不同弹性体含量的热封层基料，制备成膜以评估改性PO 膜的耐紫外老化性能及其与EVA 的粘结力情况。结果见表5。

表5 不同弹性体配方对PO 膜抗紫外性能和层间粘结力的影响

从表5 数据可以看出，增加两种类型弹性体的用量都会造成EVA 粘结力的不稳定，对于热封层的耐紫外性能亦无明显改善效果，基于成本和粘结力稳定性的考虑，弹性体的用量控制在10%。

2.2.3 TiO2无机填料的影响

TiO2纳米粒子对光可以起到很强的散射作用，并且能够吸收紫外光辐射，因此可提高改性材料的耐紫外老化性能。通过向白色PO 膜中添加TiO2母料，理论上随着用量增加，可逐步提高热封层的耐紫外性能。为此，在基于PE、POE 和光稳定剂含量筛选评估的基础上，进行了不同比例二氧化钛添加量的影响研究。结果见表6。

表6 二氧化钛母料含量对PO 膜抗紫外性能和层间粘结力的影响

从表6 中数据可以看出，随着TiO2添加量的增加，热封层耐紫外性能逐步提升，与理论相符，但PO 膜与EVA 的粘结力变小。综合分析，选择13%二氧化钛母料的添加量可以获得耐紫外和粘结力上的平衡，并且成本方面比较经济。

3 结论

在现有PO 膜配方基础上，对PO 膜热封层从助剂体系、树脂体系和填料体系三个方面进行了系统性研究，评估各成分含量及品牌型号对PO复合膜耐紫外老化性能以及与EVA 胶膜粘结效果的影响。综合性能及成本因素，得到满足耐紫外120 kWh/m2要求的PO 膜最优设计方案为：使用分子量较大且分布较窄的光稳定剂，热封层中PE 含量控制在40%～50%，二氧化钛母料含量控制在13%，弹性体含量控制在10%。