聚酰胺光伏背板老化性能及機(jī)理研究

蔣 超，彭麗霞，唐 景，張?jiān)雒鳎刀A

（阿特斯陽(yáng)光電力科技有限公司測(cè)試中心，江蘇常熟215562）

聚酰胺光伏背板老化性能及機(jī)理研究

蔣 超，彭麗霞，唐 景，張?jiān)雒?，傅冬華

（阿特斯陽(yáng)光電力科技有限公司測(cè)試中心，江蘇常熟215562）

分別研究了在濕熱老化、加速濕熱老化、紫外輻照老化模式下，背板的力學(xué)性能和聚酰胺熔融焓及黃度指數(shù)的變化，分析了老化前后背板的斷面形貌和表面形貌變化。結(jié)果表明：濕熱老化和加速濕熱老化聚酰胺趨于結(jié)晶以及聚酰胺和玻璃纖維界面作用減弱；紫外輻射老化主要導(dǎo)致酰胺鍵斷開(kāi)，分子結(jié)構(gòu)破壞。通過(guò)比較老化前后力學(xué)性能、黃度指數(shù)及表面形貌發(fā)現(xiàn)，紫外輻照老化對(duì)聚酰胺背板的影響較大。

聚酰胺光伏背板，玻璃纖維，濕熱老化，加速濕熱老化，紫外輻照

太陽(yáng)能光伏背板位于組件背面最外層，在戶外環(huán)境下保護(hù)光伏組件不受水汽的侵蝕、阻隔氧氣防止氧化，具有良好的耐高低溫、絕緣性和耐老化性能，耐腐蝕性能，可以反射陽(yáng)光、提高組件的轉(zhuǎn)化效率，具有較高的紅外反射率，可以降低組件的溫度，所以背板性能優(yōu)劣直接影響著光伏組件能否在戶外使用25年。為了讓組件在戶外能有效使用25年，選用的背板還必須要按光伏標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)格的環(huán)境老化測(cè)試［1，2］，主要有濕熱老化測(cè)試、紫外輻照測(cè)試、熱氧測(cè)試、熱循環(huán)老化、濕凍測(cè)試、鹽霧測(cè)試等，其中濕熱老化測(cè)試和紫外輻照測(cè)試是環(huán)境測(cè)試?yán)镙^嚴(yán)苛的測(cè)試。

目前廣泛使用的傳統(tǒng)背板一般由有三層膜結(jié)構(gòu)通過(guò)膠黏劑復(fù)合而成，外層為含氟樹(shù)脂、中間為PET、內(nèi)層為含氟或烯烴類聚合物。為了適應(yīng)用戶不斷降低成本的要求，國(guó)外開(kāi)發(fā)了非氟結(jié)構(gòu)的背板，聚酰胺背板是其中重要的一種，根據(jù)三層結(jié)構(gòu)的不同可分為AAA、APA及FPA聚酰胺背板。本文主要研究三層均為聚酰胺的AAA背板，該背板通過(guò)共擠出而成型，背板表層經(jīng)特殊處理而成。

傳統(tǒng)含氟結(jié)構(gòu)背板老化因素及機(jī)理已進(jìn)行了一定的研究［3，4］，但未見(jiàn)對(duì)聚酰胺類背板老化因素及機(jī)理的報(bào)道。聚酰胺背板透水率比傳統(tǒng)復(fù)合背板透水率稍大、自潔能力比傳統(tǒng)背板稍大，但其耐濕熱性能較好。本文主要研究了在濕熱老化、加速濕熱老化、紫外輻照老化模式下，背板的力學(xué)性能和黃度指數(shù)及聚酰胺熔融焓的變化，并研究了老化前后聚酰胺化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化、斷面及表面形態(tài)的變化，為光伏組件背板的選擇提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聚酰胺背板：三層結(jié)構(gòu)均為聚酰胺，填充二氧化鈦?zhàn)鳛樽贤馄帘蝿?，中間層為玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺。

1.2 主要設(shè)備

步入式濕熱環(huán)境箱（DH）、加速濕熱老化試驗(yàn)箱、紫外老化試驗(yàn)箱（QUV）、微機(jī)控制萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)、差示掃描量熱儀（DSC）、傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、紫外分光光度計(jì)、掃描電子顯微鏡（SEM）。

1.3 試驗(yàn)方法

選取某公司生產(chǎn)的聚酰胺背板，剪取小塊，分別同時(shí)放入濕熱環(huán)境箱（85℃，85％RH）、加速濕熱老化試驗(yàn)箱（PCT（a）：105℃，100％RH；PCT（b）：121℃，100％RH）、QUV紫外加速老化試驗(yàn)箱（0.89w/m28h輻照，60℃+4h冷凝，50℃），戶外曝曬（四周空曠，無(wú)陰影遮擋，位置：江蘇省常熟市阿特斯光伏測(cè)試中心（CPTL），地理位置在東經(jīng)120°44'，北緯31°39'，海拔5米）。進(jìn)行不同類型的老化，測(cè)定其黃度指數(shù)，并測(cè)試其不同老化時(shí)間后的力學(xué)性能；將老化后的背板用差示掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)曲線積分得出聚酰胺的熔融焓；采用傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)老化背板的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；采用掃描電子顯微鏡對(duì)老化前后背板的表面形貌及斷面形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同老化模式下性能分析

2.1.1 濕熱老化及加速濕熱老化性能分析

表1和表2分別列出了聚酰胺背板濕熱老化和加速濕熱老化模式下，聚酰胺背板的力學(xué)性能、黃度指數(shù)及熔融焓的變化。

表1 濕熱老化前后聚酰胺背板性能變化Table 1 Properties of polyamide PV backsheet after damp heat aging

表2 加速濕熱老化前后聚酰胺背板性能變化Table 2 Properties of polyamide PV backsheet after accelerated damp heat aging

從表1可以看出聚酰胺背板的抗拉強(qiáng)度較低，且沒(méi)有明顯的規(guī)律性，DH2000h以內(nèi)背板仍有較好的柔韌性。在濕熱老化2000h以內(nèi)背板斷裂伸長(zhǎng)率隨濕熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，且TD方向斷裂伸長(zhǎng)率下降明顯快于MD方向，MD方向的斷裂伸長(zhǎng)率在DH1000h至DH1500h之間的保留率已經(jīng)低于50％。DH2000h內(nèi)聚酰胺的熔融焓和黃度指數(shù)逐漸增加，熔融焓增加是由于聚酰胺結(jié)晶度增加所致，結(jié)晶度增加會(huì)導(dǎo)致背板斷裂伸長(zhǎng)率降低；DH2000h以后聚酰胺熔融焓不再增加，而黃度指數(shù)急劇增大，且背板發(fā)生脆化和嚴(yán)重的變色，從而看出DH2000h前后背板老化機(jī)理并不相同。

從加速濕熱老化的結(jié)果可以看出，背板抗拉強(qiáng)度同樣沒(méi)有明顯規(guī)律性，與濕熱老化2000h以內(nèi)相比背板機(jī)械性能下降和熔融焓升高的速度明顯加快，在PCT（a）192h和PCT（b）96h內(nèi)背板黃度指數(shù)均緩慢升高，通過(guò)對(duì)比可很容易發(fā)現(xiàn)濕熱老化2000h以內(nèi)和加速濕熱老化存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1.2 紫外輻照及室外曝曬老化性能分析

從表3可以看出隨著輻照量的增加，背板的性能下降，戶外曝曬7個(gè)月后，背板MD方向的斷裂伸長(zhǎng)率保留率已不足50％。Zhiyong Xia［5］等通過(guò)阿倫尼烏斯方程研究了背板DH1000h相當(dāng)于65℃、85％RH條件下19年，通過(guò)比較濕熱老化與紫外輻照及戶外曝曬的機(jī)械性能可以看出紫外輻照對(duì)聚酰胺背板的影響較大。通過(guò)比較紫外輻照和戶外曝曬前后聚酰胺熔融焓并沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明在紫外輻照模式下背板老化機(jī)理和濕熱老化并不相同。

表3 紫外輻照及戶外曝曬聚酰胺背板性能變化Table 3 Properties of polyamide PV backsheet after UV irradiation and exposure aging

2.2 FT-IR分析

從圖1可以看出，在DH2000h以內(nèi)聚酰胺1730cm-1處吸收鋒并無(wú)明顯增強(qiáng)，此鋒為非酰胺鍵上羰基吸收鋒，而酰胺鍵上的羰基伸縮振動(dòng)峰在1650cm-1～1620cm-1之間。1730cm-1處羰基吸收峰主要是背板在濕熱老化過(guò)程中，聚酰胺發(fā)生水解所致。而DH4320h后1730cm-1處羰基吸收峰有明顯的增加，從結(jié)果可以看出DH4320h后背板脆化和變色與聚酰胺水解有很大的關(guān)系，因?yàn)榫埘０吩谒膺^(guò)程中分子鏈斷裂，產(chǎn)生的羰基在空氣中生成醛、酮等［6］有色物質(zhì)，故濕熱老化后期背板脆化和嚴(yán)重變色。

圖1 聚酰胺背板DH老化前后紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectrum of polyamide before and after damp heat ageing

從圖2看出，加速濕熱老化過(guò)程中，1730cm-1處吸收鋒并無(wú)明顯變化，聚酰胺在PCT（a）196h和PCT（b）96h內(nèi)和DH2000h內(nèi)的老化均以聚酰胺結(jié)晶為主。從圖3可以看出，在短時(shí)間的紫外輻照及戶外曝曬過(guò)程中，1730cm-1處羰基吸收峰明顯增強(qiáng)，其主要原因是因?yàn)榫埘０吩谧贤饩€的輻照下容易發(fā)生斷裂，從而使得1730cm-1處的吸收峰明顯增強(qiáng)，其結(jié)果與Agnes Roger等［7，8］提出的光氧化降解機(jī)理相一致。在紫外輻照下導(dǎo)致背板老化主要以聚酰胺的光降解為主。

圖2 聚酰胺背板加速濕熱老化前后紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectrum of polyamide before and after accelerated damp heat ageing

圖3 聚酰胺背板紫外輻照及戶外曝曬前后紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectrum of polyamide before and after ageing of UV irradiation and exposure aging

2.3 斷面及表面形態(tài)分析

2.3.1 SEM斷面形態(tài)

從SEM斷面圖上可以看出，此背板為三層結(jié)構(gòu)，中間層經(jīng)玻璃纖維增強(qiáng)。濕熱老化后斷面較老化前光滑，玻璃纖維拔出現(xiàn)象更為明顯，且有部分的玻璃纖維發(fā)生脫落，從玻璃纖維表面及被拔出玻纖的坑洞內(nèi)壁表面可以看出，老化前，玻璃纖維表面殘留聚酰胺量比老化后要多，且其拔出纖維坑洞內(nèi)壁有部分拉絲現(xiàn)象。表明隨著濕熱老化的進(jìn)行，聚酰胺和玻璃纖維的結(jié)合界面作用減弱。

圖4 背板老化前后SEM斷面圖Fig.4 SEM fracture photographs of polyamide photovoltaic backsheet

2.3.2 SEM表面形態(tài)

從SEM的表面形態(tài)圖上可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，背板的表面形態(tài)發(fā)生明顯變化，如圖5所示。圖5中a圖及b圖中白點(diǎn)即為紫外屏蔽劑二氧化鈦，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，背板的表面可能有有機(jī)物滲出，老化時(shí)間越長(zhǎng)滲出量越多，從圖e和圖f對(duì)比可以看出，在潮濕環(huán)境下的紫外輻照更容易滲出有機(jī)物，此有機(jī)物的滲出可能會(huì)掩蓋作為紫外屏蔽劑的二氧化鈦，從而有可能影響背板的耐紫外性能。

圖5 背板老化前后SEM表面圖Fig.5 SEM surface photographs of polyamide photovoltaic backsheet

3 結(jié)論

（1）聚酰胺背板有較好的耐濕熱老化性能，濕熱老化和加速濕熱老化前期，背板的機(jī)械性能下降，主要是因?yàn)榫埘０方Y(jié)晶度的增大及玻璃纖維與聚酰胺界面作用減弱；在濕熱老化后期背板變色和脆化可能是由于聚酰胺水解所致。而紫外輻照下，背板主要是由于酰胺鍵的斷裂，分子結(jié)構(gòu)破壞，聚酰胺結(jié)晶度無(wú)明顯變化。

（2）從背板機(jī)械性能、黃度指數(shù)及背板表面形貌的變化速率看出，紫外輻照對(duì)聚酰胺背板的影響比較大，而當(dāng)該類型的背板用于紫外輻照比較強(qiáng)的地方，其風(fēng)險(xiǎn)也較傳統(tǒng)含氟背板大。

（3）聚酰胺背板在老化過(guò)程中表面形貌會(huì)發(fā)生變化，背板中的紫外屏蔽劑可能被遮擋，進(jìn)而有可能影響聚酰胺背板的耐紫外性能。

book=33,ebook=17物的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減小。

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（4）當(dāng)LLDPE的百分含量為20％時(shí)，LLDPE/BHDPE/HDPE共混物可形成共晶，Tm隨BHDPE含量的增加呈線性遞增趨勢(shì)。而共混體系的粘度受BHDPE和HDPE的比例影響不明顯。

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Study on Aging Properties of Polyamide Photovoltaic Backsheet

JIANG Chao，PENG Li-xia，TANG Jing，ZHANG Zeng-ming，F(xiàn)U Dong-hua
（CSI Photovoltaic Testing Laboratory，Changshu 215562，Jiangshu，China）

The effect of damp heat ageing，accelerated damp heat ageing and UV irradiation ageing on mechanical properties、melting enthalpy and yellow index of polyamide photovoltaic backsheet was studied.The fracture and surface characteristic of backsheet was analyzed by scanning electron microscope.The results indicate that polyamide go crystallizing and the interaction between glass fiber and polyamide go weaking in precess of damp heat ageing and accelerated damp heat ageing.In precess of UV irradiation ageing，molecular structure of polyamide was destroyed.By comparing the mechanical properties、yellow index and surface characteristic，we found that UV irradiation ageing gave greater influence to polyamide PV backsheet.

polyamide PV backsheet，glass fiber，damp heat ageing，accelerated damp heat ageing，UV irradiation

TQ 323.6

2011-12-04