1、EVA 交联度对其力学性能的影响 2013-8-23 14:40| 发布者: ViolaHuang| 查看: 6467| 评论: 1|原作者: 施懿峻 韦桂奇 吴宝安|来自: Solarzoom摘要: 摘要：本文以光伏行业常用 EVA 型号作为样本，研究交联度的变化对 EVA 各方面力学性能的影响。通过调节层压工艺参数制备不同交联度的 EVA 研究样本，并对样本进行各种力学性能测试，再经过对数据的统计处理得出结论： .摘要：本文以光伏行业常用 EVA 型号作为样本，研究交联度的变化对 EVA各方面力学性能的影响。通过调节层压工艺参数制备不同交联度的 EVA 研究样本，并对样本进行各种力学性能测
2、试，再经过对数据的统计处理得出结论：光伏组件封装用 EVA，交联度在 85%左右时，其各方面的力学性能，即 EVA 的拉伸强度、断裂伸长率、以及 EVA 与玻璃、背板的粘结强度等综合性能最佳。关键词： 乙烯和醋酸乙烯共聚物 热熔性 热固性 固化反应 萃取 交联度（凝胶质量分数） 抗拉强度 剥离强度 塑性1 前言由于乙烯和醋酸乙烯共聚物（EVA）存在极性的醋酸乙烯单元，这种极性单元会降低 EVA 的结晶能力，反映在其力学性能上，表现为 EVA 具有良好的韧性、柔软度和抗冲击强度。但由于 EVA 为线性高分子共聚物，因而其耐热性和内聚强度较差，限制了其应用范围。太阳能光伏行业用的 EVA 是经过加
3、入偶联剂、引发剂、抗氧化剂等进行改性的热熔、热固型胶膜，EVA 胶膜经过热熔、热固后会形成交联的三维网状结构，这种交联的程度会直接影响固化后 EVA 的物理化学性能。如果交联度过低，EVA 的三维网状结构尚未完全生成，其材质较为疏松，难以形成致密的封装效果，具体表现为 EVA 材质疏松、且韧性和抗拉强度较差、与背板和玻璃的粘结强度也比较低。但如果 EVA 的交联度过高，则会造成 EVA材质硬化，柔性降低，与背板和玻璃的粘结强度反而会下降，甚至容易造成EVA 与背板或玻璃的开裂，EVA 的耐老化性能也会降低。由此可见，EVA 的交联度将直接影响固化后 EVA 的物理化性性能，进而对组件的封装效果
4、和组件的使用寿命都有着很大的影响。由于国内太阳能行业的 EVA 生产厂家较多，不同厂家、不同型号的 EVA 其成分、配比也不尽相同，反映在 EVA 的性能上有一定的差异。因此在光伏行业内，EVA 的交联度到底多少为最佳，（即固化后的 EVA 与背板、玻璃的粘结强度和自身韧性、抗拉强度的最佳结合点）一直没有形成统一、明确的认识。本文通过选择行业内较有代表性的 3 个 EVA 型号作为研究样本，针对不同交联度的 EVA 的力学性能做一个全面细致的对比分析，进而找到 EVA 力学性能的最佳值域，期望会对光伏组件生产的封装工艺有一定的参考价值。2 实验部分2.1 主要原材料选取行业内的具有代表性的 3
5、 款 EVA 胶膜作为研究样本，配以其他辅助类材料（如背板、钢化玻璃、高温布等），其主要性能描述如表 1 所示。表 1 试验用原材料及其性能描述2.2 主要设备实验中用到的主要设备和仪器如表 2 所示。表 2 试验用主要设备及其用途2.3 试验设计本文从力学的角度去研究不同交联程度的 EVA，其自身的力学性能以及与玻璃/TPT 间粘结强度的差异。本试验选取 3 种不同厂家生产的 EVA，采用高温布/EVA/EVA/高温布和玻璃/EVA/EVA/背板两种敷设方式对试验样品进行叠层；依据交联固化的基本原理，通过改变样品层压参数对叠层好的试样进行层压固化（由于层压时间对 EVA 与玻璃/TPT 的粘
6、合力有一定影响，为避免该因素对测试结果造成干扰，在层压参数的设置上保持层压时间不变，只通过调节层压温度来改变样品的交联度），制备不同交联程度的试验样品；采用二甲苯萃取法来测定试样的交联度，继而对样品进行拉伸测试和剥离强度测试。3 测试与表征3.1 交联度的测定交联度是指 EVA 小分子经交联反应生成三维网状结构固化的程度，一般通过测定 EVA 的凝胶含量来反映 EVA 的交联固化情况。本文采用溶剂萃取法来测定 EVA 的交联度，其测试原理是将 EVA 样品置沸腾二甲苯溶液中萃取，未经交联的 EVA 全部溶解到二甲苯溶液中，而已交联的EVA 大分子无法溶解，通过残留试样量与试样总量的比值确定交联
7、度。测试步骤：1. 提取交联后的 EVA 样品，装入已知重量（记为 W1）的 120 目不锈钢网袋内，并在电子分析天平上称重（记为 W2）；2. 将试样袋放入二甲苯溶液中，煮沸 5 小时，进行萃取；3. 将试样袋放入真空烘箱内，烘箱设为 140，烘 3 小时后取出，称其重量（记为 W3）。交联度计算公式如下：交联度（%）= (W3-W1)(W2- W1)100%3.2 拉伸强度和断裂伸长率的测定拉伸强度是表征材料抵抗（拉伸）破坏的极限能力，通过测定 EVA 交联后的拉伸强度可以从力学角度表征 EVA 样品的机械强度；断裂伸长率是衡量材料韧性（弹性）的重要指标，具有较大的断裂伸长率的材料在抵抗冲
8、击时有一定的弹性伸长，不会立即脆断。本文按国家标准 GB/T 528-1998 ，用万能电子拉力试验机测试 EVA 胶膜的拉伸强度和断裂伸长率，拉伸速率为 50mm/min，用冲片机将试验样品制成哑铃型试样，宽度 10mm，长度 50mm，用千分尺测量样品的厚度。拉伸强度计算公式如下：Ts=Fm (WT)式中：Ts-拉伸强度（Mp）Fm- 最大拉断力(N)W- EVA 小条实际宽度（mm）T - EVA 小条的厚度（mm）断裂伸长率计算公式如下：断裂伸长率= (LL ) 100%式中：L-试样在拉断时的拉伸伸长长度（mm）L- 试样的原始长度（mm）3.3 剥离强度的测定剥离强度又称为粘结强度
9、，是表征材料间粘合、密封效果的重要指标。测定 EVA 与玻璃、EVA 与 TPT 粘合强度的样品为“玻璃/EVA/EVA/TPT“层压件，试样在太阳能组件层压机设备上完成。本文按 GB/T 2791-1995“胶黏剂 180剥离强度试验方法“进行，用万能电子拉力试验机分别测试 EVA 与玻璃、EVA 与背板间的粘结强度，剥离速度为100mm/min，样品宽度为 10mm。剥离强度计算公式如下：180= FB式中：180- 180剥离强度，N/cm；F - 平均剥离力，N；B - 试样宽度，cm。4 结果与讨论4.1 交联度对 EVA 拉伸强度和断裂伸长率的影响表 3 列出了部分 EVA 样品的
10、拉伸强度和断裂伸长率的测试结果。表 3 不同交联度 EVA 样品的拉伸强度和断裂伸长率根据上表中的拉力测试结果，绘制 EVA 的拉伸强度和断裂伸长率随交联度的变化曲线图，分别如图 1、图 2 所示。通过图 1 我们可以看出，EVA 的交联改性能够很明显的提高 EVA 的拉伸强度，未交联的 EVA 是线型高分子聚合物，其本身就具有一定的聚合强度，此时聚合物表现出“软而弱“的特点；随着交联反应的进行，EVA 大分子间生成新的化学键，使得 EVA 由线型结构转变为三维网状结构。提高了 EVA 的内聚强度，使其具有更好的抗机械破坏能力，此时材料表现出“韧而强“的特点；但不同型号、不同交联程度的 EVA
11、，其拉伸强度具有一定的差异，且 EVA 的拉伸强度和交联度的关系曲线是一条有“峰值“的曲线。当交联度超过 90%以后，EVA 由塑性材料快速向固性材料转变，曲线的斜率（绝对值）很大。材料变得越来越硬且更易拉断，聚合物表现出越来越多的“硬而脆“特点。从图中很明显可以看出，EVA 的交联度在 80%90%间，尤其是在 87%左右时，EVA 的拉伸强度最佳。图 2 所描绘的是 EVA 的断裂伸长率随交联度的变化曲线。该曲线所表现出来的特征是：前期，随着 EVA 交联度的增大，其断裂伸长率逐渐提高；到达峰值后，特别是交联度超过 86%左右以后，其断裂伸长率快速下降。当 EVA 交联度大于 90%时，其
12、断裂伸长率已经变得很低。这表明随着交联度的增加，其弹性伸展能力也随之越来越差。我们看到，EVA 的拉伸强度和断裂伸长率随交联度的变化曲线，都是一条有“峰值“的曲线；尽管三个厂家的 EVA 在成分和质量上存在一定的差异，但当EVA 的交联度在 85%左右时，它们拉伸强度和断裂伸长率两项性能都位于峰值点附近。4.2 交联度对 EVA 粘合性能的影响EVA 胶膜在实际使用中作为粘合剂，将晶体硅光伏组件的各种材料粘合在一起，起到密封绝缘的作用。不同交联程度的 EVA，其粘合强度是不同的，表4 列出了 EVA 样品的粘结强度随着交联度变化的测试结果。根据表 4 的测试数据，分别绘制 1# 、2# 、3#
13、 三个厂家的 EVA 样品与玻璃/TPT 背板剥离强度随交联度的变化曲线图（如下图所示）。结合图 3、图 4、图 5 可以看出：随着交联度的增大，对于不同厂家、不同型号的 EVA(成分配比不同)，其对玻璃和背板剥离强度的变化曲线都有先增大后减小的规律，但其峰值对应的 EVA 交联度存在一定的差异，相对比较离散。总的来说，三种 EVA 与玻璃/TPT 的剥离强度最大值，均在 EVA 交联度 80%90%的范围内。当 EVA 的交联度大于 90%时，其剥离强度值均快速下降，尤其是 EVA与玻璃的剥离强度。从此次研究的数据来看，在光伏行业的组件封装工艺中，将 EVA 的交联度定在 85%，控制在 8
14、0%90%范围内，能够很好的保证 EVA 的各项力学性能都处在最佳范围内。由于市场上 EVA 厂家型号众多，产品质量不一，此次试验选用行业内用量较大的知名厂家的产品作为研究标本，具有一定的代表性。虽然由于样品制备和实验操作中存在的一些不可控因素（例如：不同厂家研究样本的质量差异、层压后 EVA 样品厚度均匀性有一定差异等），但本研究建立在大量的样本测试和数据统计分析的基础上，具有较好的可靠性和稳定性，对组件的封装工艺有一定的参考价值。5 结论（1）采用化学交联的方法使 EVA 的线性分子变成三维网状结构，如此提高了 EVA 的内聚强度，主要表现为其拉伸强度、断裂延伸率和玻璃/背板的剥离强度都得
15、到了很大程度的提高；（2）随着 EVA 交联度的增加，其各项力学性能均有着先增高后降低的变化规律，并不是交联度越大，EVA 的力学性能就越好。并且，其各项力学性能的最大值点基本分布在 80%-90%之间。我们还发现当交联度达到一定程度（超过90%）时，EVA 会逐渐表现出“硬而脆“的特征，尤其是其断裂伸长率和与玻璃的剥离强度会急剧下降；（3）在光伏行业的组件封装工艺中，建议将 EVA 的交联度定在 85%，控制在 80%90%范围内。参考文献1 李国熊，许妍，郑智晶，仰建新. 太阳能电池封装用胶膜的研制，杭州化工，1991，（4）：35-37.2 陈续煌，徐声均，李纯清，刘军，EVA 热熔胶粘接强度的几个影响因素，粘接，1998，19（5）：4-5,23-24.3 郑智晶，EVA 交联度测定方法的研究，浙江化工，1989，20（3）：30-32.4 张增明，彭丽霞，吕瑞瑞，唐景，傅冬华，光伏组件封装 EVA 的热空气老化研究J，合成材料老化与应用，2012 年 01 期.
