一种光伏用POE胶膜交联度的测试方法

       太阳能是一种绿色无污染且用之不竭的清洁能源，以其为代表的绿色新能源逐步代替石油、煤炭等传统能源是人类科技社会发展的必然趋势。太阳能具有普遍存在性和就地取用性，因此在近十几年，作为太阳能重要利用方式之一的光伏发电日益受到重视，光伏产业也成为全球各个国家和地区发展的重点产业之一。由于太阳电池不能直接暴露在空气、雨水等自然条件下，但光伏组件的工作环境却主要是在户外，因此需要对太阳电池进行密封处理。目前，主要是采用具有优异抗紫外性、优异耐老化性、粘接性能好、高透明性，以及良好弹性的胶层对太阳电池进行封装，同时将其与上层保护材料( 盖板) 和下层保护材料( 背板) 粘合在一起，再粘合接线盒和背轨，组成完整的光伏组件，以保证光伏组件20～30 年的使用寿命[1]。

       封装时采用的胶膜的性能对光伏组件的质量和寿命至关重要。目前，乙烯- 醋酸乙烯酯共聚物(EVA) 胶膜是光伏市场中最常用的高分子封装胶膜[2]，但其耐候性较差，长期使用后易出现降解并发生变色，会降低胶膜的粘结性能和透光率，进而降低光伏组件的光电转换效率；而且EVA 胶膜在长期使用后易分解并释放醋酸分子，极易腐蚀铝合金边框等部件，导致光伏组件的使用寿命缩短[3]。

       乙烯-α- 烯烃共聚物(POE) 胶膜是美国DOW 化学公司以茂金属为催化剂研发的，具有窄相对分子质量分布和窄共聚单体分布、结构可控的新型聚烯烃热塑性弹性体。分子结构的特殊性赋予了POE 胶膜优异的耐紫外光性能、力学性能和流变性能，其与聚烯烃具有较好的亲和性，还具有低温韧性好和性价比高等优点；此外，POE 胶膜还具有高透光性、高绝缘电阻率和高阻水性等特性，被认为是极具潜力的光伏组件用封装材料[4]。

       交联度是用来表征胶膜交联程度的物理量，其大小不仅决定了胶膜固化后的剥离强度和抗拉强度等力学特性，还会影响光伏组件的环境老化性能，对光伏组件的质量和寿命起着至关重要的作用[5]。因此，准确且快速地测量胶膜的交联度显得尤为重要。目前，光伏行业中针对EVA 胶膜交联度的测试方法已经很成熟，主要包括利用二甲苯萃取法和差示扫描量热(DSC) 法[6]，但对于POE 胶膜的交联度测试方法尚不明确。因此，本文提出了一种光伏用POE 胶膜交联度的测试方法，可为光伏行业中针对封装胶膜交联度的测试提供一种科学实用的方法。

1 实验原理

       POE 胶膜的交联方式与EVA 胶膜的类似，都属于高分子共聚物，其交联度测试同样可以利用有机高分子共聚溶解原理，采用溶剂萃取样品中未交联共聚物高分子链和各种非活性添加剂小分子，然后将样品烘干后称量剩下的高聚物，计算剩余高聚物在样品中的质量比，进而得出交联度结果[7]。

       根据溶解原理，影响测试结果的主要因素包括溶剂对未交联共聚物高分子链和各种非活性添加剂小分子的溶解性能、测试时间和测试温度等。

2 实验方法与结果

2.1 溶剂的选择及使用量的确定

2.1.1 溶剂的选择

              POE 胶膜为线型分子结构，当POE 胶膜经过一定时间和温度的热层压后，交联剂会分解产生大量自由基，使POE 胶膜的线型分子结构生成三维网状结构，产生交联固化现象。利用已交联的POE 胶膜不溶于二甲苯溶剂的特性，采用该溶剂对样品中未发生交联的POE 线型分子进行萃取，剩下的就是已交联的POE 胶膜，最后通过计算此部分占原样品的质量比，可以得出交联度结果。

为了避免使用传统的溶剂回流法萃取样品所带来的安全隐患，采用本次测试专用的样品瓶( 每个样品瓶放1 个样品) 进行测试。为了确定每次样品瓶中溶剂的具体量，在室温条件下，可随机选取尺寸为5 cm×5 cm 的未层压的POE 胶膜样品，然后将样品切成适当大小( 方便用镊子从样品瓶中取出即可)。

2.1.2 溶剂使用量的确定

       对7 个质量为1 g 的样品添加不同量的二甲苯溶剂，静置一定时间后，观察到样品1～ 样品5 未完全溶解，样品6 和样品7 完全溶解，如表1 所示。然后向样品1～ 样品5 中分别加入50、40、30、20、10 mL 二甲苯溶剂，观察到这些样品均完全溶解。

       综上，为了保证测试样品中未交联的物质能够完全溶解且节约溶剂，设定测试1 个样品的溶剂量为80 mL。

2.1.3 测试步骤

       本测试方法的测试步骤具体如下：1) 使用电子天平称取抗氧化剂1.758±0.01 g，将称量好的抗氧化剂倒入2 L 的容量瓶中，然后在容量瓶中加入二甲苯溶剂，将定容后的溶剂放置在通风柜中备用。

       2) 选取3 个尺寸为5 cm×5 cm 的样品，称量单个样品的质量W1( 精确到0.1 mg)；将样品切成适当大小，放置到测试专用的样品瓶中，向样品瓶中加入80 mL 的溶剂；将样品瓶盖子盖紧，放入鼓风干燥箱内加热萃取，萃取温度设置为40～80 ℃，萃取时间为7～10 h。

       3) 加热溶解结束后将样品取出，放置在表面皿上，然后放入真空烘箱内烘干，烘干温度设置为140 ℃，真空度≥0.08 MPa，烘干时间为2～5 h。样品烘干后称量单个样品的质量W2( 精确到0.1 mg)。4) 对样品的交联度进行计算。计算式为：

       式中，D 为交联度，%；W1 为样品萃取前的质量，g；W2 为样品萃取后的质量，g。

2.2 萃取温度的确定

       为了探究萃取温度对交联度测试结果的影响，在室温条件下，随机选取3 个未层压的POE胶膜样品进行实验。实验设定不同溶解温度，然后记录样品完全溶解的时间。样品溶解温度与溶解时间的关系曲线如图1所示。从图1 可以看出，3 个样品在每个溶解温度的测试结果一致，随着温度的逐渐升高，样品完全溶解的速率越来越快。

       为了探究测试过程中高温萃取是否会使测试样品产生二次交联现象，从而导致测试结果比真实值偏大，设计如下实验：在室温条件下，按相邻顺序选取9 个相同的层压后的POE 胶膜样品，设定不同萃取温度；然后通过式(1) 计算出每个样品的交联度值。

       不同的萃取温度会对交联度产生不同的影响，具体如表2 所示。

       经过测试发现，当萃取温度达到100 ℃以上时，POE 胶膜即可发生交联反应。从表2 可以看出，高温萃取(120 ℃、140 ℃ ) 使样品交联度值比萃取温度为60 ℃时的上升了1.14%～3.59%。

       因此，为防止在萃取过程中因持续高温产生二次交联现象进而影响测试结果，将萃取温度设定为40～80 ℃。

2.3 烘干时间的确定

       在室温条件下，随机选取3 个相同的层压后的POE 胶膜样品，设定萃取温度分别为40 ℃和60 ℃，萃取时间为20 h( 保证萃取完全)。将样品放置在表面皿上，然后放入真空烘干箱内烘干，设定烘干温度为140 ℃，真空度≥0.08 MPa。每隔1 h 取出样品，冷却至室温后进行称重，然后通过式(1) 计算样品的交联度值，再放入烘干箱中继续进行烘干，总计烘干时间为4 h。图2 为萃取温度为40 ℃和60 ℃时，3 个样品的烘干时间与交联度的关系曲线图。

       当萃取温度设定为40 ℃时( 萃取时间设定为20 h，保证样品完全萃取)，3 个样品的烘干时间与交联度的关系曲线如图2a 所示。从图中可以看出，当烘干时间≥2 h 时，3 个样品的交联度值几乎达到恒定。

       当萃取温度设定为60 ℃时( 萃取时间设定为20 h，保证样品完全萃取)，3 个样品的烘干时间与交联度的关系曲线如图2b 所示。从图中可以看出，当烘干时间≥2 h 时，3 个样品的交联度值也几乎达到恒定。

       从图2 中可以看出，当萃取温度在40～60 ℃、烘干时间≥2 h 时，3 个样品的交联度值都几乎达到恒定。因此，为保证样品完全烘干，可将烘干时间设定为2～5 h。

2.4 萃取时间的确定

       在室温条件下，随机选取3 个相同的经层压后的POE 胶膜样品，设定萃取温度分别为40 ℃和60 ℃，每隔1 h 后取出样品。设定烘干温度为140 ℃，真空度≥0.08 MPa，烘干时间为3 h。通过式(1) 计算出样品的交联度值，再将样品放入样品瓶中进行萃取，总计萃取时间为7 h。图3 为萃取温度为40 ℃和60 ℃时，3 个样品的萃取时间与交联度的关系曲线图。

       当萃取温度设定为40 ℃时，3 个样品的萃取时间与交联度的关系曲线如图3a 所示。从图中可以看出，当萃取时间≥7 h 时，样品的交联度值基本不再变化。

       当萃取温度设定为60 ℃时，3 个样品的萃取时间与交联度的关系曲线如图3b 所示。从图中可以看出，当萃取时间≥7 h 时，样品的交联度值也基本不再变化。

从图3 可以看出，当萃取温度在40～60 ℃，萃取时间≥7 h时，样品的交联度值基本不再改变。因此，为保证样品完全萃取，可将萃取时间设定为7～10 h。

3 实验结果讨论

       POE 胶膜性能的好坏会直接影响光伏组件的使用寿命，而交联度能直接说明POE 胶膜性能的优劣。本测试方法属于溶剂萃取法，该测试方法的优点如下：

       1) 用样品瓶代替传统EVA 交联度测试所用的回流装置，降低了实验设备方面的高投资，并降低了实验过程的危险性，有利于光伏组件封装胶膜交联度测试技术的工业化普及应用。

       2) 相对于传统EVA 交联度测试技术，本测试方法的萃取过程采用低温萃取技术，萃取温度为40～80 ℃，避免了高温萃取引发的二次交联现象，进而降低了测试结果的偏差，提高了测试结果的准确性。

       3) 相较于传统方法需要将样品裁剪成1 mm大小均匀的小块并放入到网袋中进行萃取，本测试方法可以提高工作效率。

       4) 萃取过程在封闭的样品瓶中进行，减少了二甲苯溶剂的溢散。

4 结论

       本文提出了一种光伏用POE 胶膜交联度的测试方法，该方法利用样品瓶代替传统网袋，采用低温溶剂萃取法，萃取时间为7～10 h，萃取温度为40～80 ℃；烘干温度设置为140 ℃，真空度≥0.08 MPa，烘干时间为2～5 h。该测试方法能快速且准确的测量出POE 胶膜的共聚物的含量，进而得到POE 胶膜的交联度或交联水平。

凯盛光伏材料有限公司

吴恒艳，顾承越，李　涛，王　浩，姚应妮

来源：《太阳能》杂志2020年第6期(总第314期)