聚烯烴(PO)膜用作光伏背板的內(nèi)層材料，既能降低成本，又能提供良好的水汽阻隔，但在耐紫外性能方面需要予以強(qiáng)化。
研究了不同品牌型號(hào)的受阻胺光穩(wěn)定劑和不同種類的紫外吸收劑對(duì)PO膜耐紫外性能的影響，并對(duì)改性PO膜與乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜的粘結(jié)力情況進(jìn)行評(píng)估和分析。進(jìn)一步研究了樹(shù)脂體系中聚乙烯(PE)、聚烯烴彈性體(POE)和二氧化鈦(TiO2)無(wú)機(jī)填料含量對(duì)PO膜耐紫外性能的影響。
結(jié)果表明：增加光穩(wěn)定劑含量可提高PO膜耐紫外性能，但PO膜與EVA膠膜的粘結(jié)力降低；合理增加PE的含量，PO膜與EVA膠膜的粘結(jié)力和耐紫外性能均有所提高；增加POE含量對(duì)于PO膜的耐紫外性能不僅無(wú)明顯改善效果，還會(huì)造成PO膜與EVA膠膜間粘結(jié)力不穩(wěn)定；TiO2含量對(duì)PO膜耐紫外性能及PO膜與EVA膠膜間粘結(jié)力的影響在趨勢(shì)上與光穩(wěn)定劑類似。
聚烯烴(PO)是一類產(chǎn)量大、應(yīng)用廣泛的高分子材料。聚丙烯(PP)是聚烯烴材料中主要產(chǎn)品之一。在戶外應(yīng)用時(shí)，日光中的紫外線會(huì)導(dǎo)致PP的光降解。
原因在于PP分子鏈上存在大量叔碳原子，在有氧的情況下，紫外線輻照能量可以將叔碳原子上的氫脫除成為叔碳自由基。
氧化后的PP會(huì)出現(xiàn)變脆、表面龜裂、發(fā)黃褪色等問(wèn)題，使材料的使用壽命縮短，從而限制PP復(fù)合材料在電子、機(jī)械和光伏建筑一體化等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。目前PP的光老化研究已成為聚烯烴材料應(yīng)用領(lǐng)域的重要問(wèn)題。
為了提高PP的耐紫外線性能及其使用壽命，在材料加工過(guò)程中向PP樹(shù)脂體系引入一些諸如抗老化功能的助劑，是一種行之有效的策略。
光伏背板是光伏組件的重要組成部分，通常背板膜由外到內(nèi)依次為耐候?qū)印⒔^緣層和粘結(jié)層。
隨著背板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，粘結(jié)層依次經(jīng)歷了氟樹(shù)脂膜、氟碳涂料和無(wú)氟PO/PE膜幾個(gè)階段。改性后的PO膜不僅能降低成本，而且能提供良好的水汽阻隔。然而PO膜在耐紫外性能方面還需要提升，以滿足光伏組件服役多年的使用需求。
PO膜可采用多層共擠結(jié)構(gòu)，其中直接接受太陽(yáng)光輻照的為熱封層，向該層添加防老化劑和鈦白粉可以顯著提高膜的耐紫外性能，但熱封層樹(shù)脂體系與添加劑的兼容性不佳時(shí)會(huì)造成粘結(jié)力降低，此外增加助劑和鈦白粉的用量會(huì)使成本增加。
因此，在不顯著增加成本的條件下，為了提升PO膜的耐紫外性能，需要對(duì)熱封層配方進(jìn)行綜合考量和系統(tǒng)優(yōu)化。
選用相同配比的熱封層基料，添加不同種類和比例的光穩(wěn)定劑，制備成膜后評(píng)價(jià)其與EVA的粘結(jié)力情況和耐紫外老化性能。結(jié)果見(jiàn)表1。
表1不同光穩(wěn)定劑配方對(duì)PO膜抗紫外性能和層間粘結(jié)力的影響
注：1.30%PE+10%POE1+BPP(熱封層)；
2.1#紫外箱存在光源破壞力過(guò)大的問(wèn)題，僅用于橫向比較。
從表1可以看出，隨著光穩(wěn)定劑添加量的增加，EVA與背板的粘結(jié)力均減小，使用806PS膠膜時(shí)減小更為明顯。ZJ2在與EVA粘結(jié)力方面略有優(yōu)勢(shì)。
原因分析：如圖1所示，光穩(wěn)定劑ZJ1的分子量雖然在3000左右，但是分子量分布較寬，有一部分聚合度比較低的小分子，當(dāng)添加量較多時(shí)，小分子會(huì)對(duì)粘結(jié)力造成負(fù)面影響；
而光穩(wěn)定劑ZJ2分子量分布非常窄，增加其用量不會(huì)引入過(guò)多的小分子，因此在粘結(jié)力穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)其用量提高到0.4%時(shí)，在進(jìn)行EVA剝離力測(cè)試時(shí)會(huì)導(dǎo)致膠膜表面變粗糙，影響粘結(jié)力的穩(wěn)定性。
ZJ1和ZJ2在紫外老化方面性能相當(dāng)。ZJ3是一種小分子光穩(wěn)定劑，對(duì)于PO膜的耐紫外性能有提升效果，但僅加入很少量就會(huì)造成EVA粘結(jié)力大幅度波動(dòng)。
圖1光穩(wěn)定劑分子量分布圖(左：ZJ1；右：ZJ2)
選用相同配比的熱封層基料，添加不同種類和比例的紫外吸收劑，制備成膜后評(píng)價(jià)與EVA的粘結(jié)力情況和紫外老化情況。結(jié)果見(jiàn)表2。
表2不同紫外吸收劑配方對(duì)PO膜抗紫外性能和層間粘結(jié)力的影響
注：30%PE+10%POE1+BPP(熱封層)。
PO膜熱封層較薄，厚度僅為10~12μm，紫外線會(huì)穿透熱封層到達(dá)芯層，芯層由聚丙烯構(gòu)成，對(duì)紫外線尤其敏感，理論上加入一定量的紫外吸收劑能夠?qū)π緦悠鸬揭欢ǖ谋Ｗo(hù)作用，同時(shí)紫外吸收劑的加入在一定程度上也可以延緩熱封層自身的老化。
但從表2中可以看出，加入少量紫外吸收劑(ZJ4或ZJ5)后PO膜的耐紫外性能沒(méi)有明顯提升，而且紫外吸收劑的售價(jià)較高，可選擇不添加紫外吸收劑。僅增加ZJ2的用量即可顯著提升PO膜的耐紫外性能。
基于相同種類的添加劑，選用不同PE含量的熱封層基料，制備成膜后評(píng)價(jià)與EVA的粘結(jié)力情況和紫外老化情況。結(jié)果見(jiàn)表3。
表3PE含量對(duì)PO膜抗紫外性能和層間粘結(jié)力的影響
原PO膜配方的熱封層中有30%的茂金屬聚乙烯(與EVA相容性較好)，理論上PE無(wú)論是耐紫外性能還是與EVA的粘結(jié)力都優(yōu)于PP，合理提升其用量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱封層的改性。
根據(jù)表3中的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)PE含量從30%增加到50%時(shí)，PO熱封層的抗紫外老化能力及其和EVA膠膜間粘結(jié)力水平都隨PE含量的增加而提高。
熱封層光穩(wěn)定劑的添加量?jī)H為0.12%時(shí)，增加PE含量至40%以上，即可實(shí)現(xiàn)耐紫外老化120kWh/m2的性能。
原PO膜熱封層中含有一定量的彈性體，其具有增加PP與PE的相容性，同時(shí)降低起封溫度的作用。在前述光穩(wěn)定劑和PE含量研究的基礎(chǔ)上，選用不同彈性體含量的熱封層基料，制備成膜以評(píng)估改性PO膜的耐紫外老化性能及其與EVA的粘結(jié)力情況。結(jié)果見(jiàn)表4。
表4不同彈性體配方對(duì)PO膜抗紫外性能和層間粘結(jié)力的影響
注：光穩(wěn)定體系為0.12%ZJ1(熱封層)。
從表4數(shù)據(jù)可以看出，增加兩種類型彈性體的用量都會(huì)造成EVA粘結(jié)力的不穩(wěn)定，對(duì)于熱封層的耐紫外性能亦無(wú)明顯改善效果，基于成本和粘結(jié)力穩(wěn)定性的考慮，彈性體的用量控制在10%。
TiO2納米粒子對(duì)光可以起到很強(qiáng)的散射作用，并且能夠吸收紫外光輻射，因此可提高改性材料的耐紫外老化性能。通過(guò)向白色PO膜中添加TiO2母料，理論上隨著用量增加，可逐步提高熱封層的耐紫外性能。
為此，在基于PE、POE和光穩(wěn)定劑含量篩選評(píng)估的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同比例二氧化鈦添加量的影響研究。結(jié)果見(jiàn)表6。
表5二氧化鈦母料含量對(duì)PO膜抗紫外性能和層間粘結(jié)力的影響
注：30%PE+10%POE1+0.12%ZJ1光穩(wěn)定劑(熱封層)。
從表6中數(shù)據(jù)可以看出，隨著TiO2添加量的增加，熱封層耐紫外性能逐步提升，與理論相符，但PO膜與EVA的粘結(jié)力變小。綜合分析，選擇13%二氧化鈦母料的添加量可以獲得耐紫外和粘結(jié)力上的平衡，并且成本方面比較經(jīng)濟(jì)。
在現(xiàn)有PO膜配方基礎(chǔ)上，對(duì)PO膜熱封層從助劑體系、樹(shù)脂體系和填料體系三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，評(píng)估各成分含量及品牌型號(hào)對(duì)PO復(fù)合膜耐紫外老化性能以及與EVA膠膜粘結(jié)效果的影響。
綜合性能及成本因素，得到滿足耐紫外120kWh/m2要求的PO膜最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為：使用分子量較大且分布較窄的光穩(wěn)定劑，熱封層中PE含量控制在40%~50%，二氧化鈦母料含量控制在13%，彈性體含量控制在10%。
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