摘  要： 本文分別研究了在紫外、濕熱兩種老化測試下，不同交聯度的EVA樣品的力學性能變化情況。主要包括：EVA的拉伸強度、斷裂伸長率以及EVA與鋼化玻璃／背板的剝離強度等測試。測試結果表明：EVA的交聯度對其抗濕熱老化、抗紫外老化性能有明顯的影響。總的來說：交聯度越高其抗濕熱老化性能越強，但隨著交聯度的增大，EVA的紫外老化性能會先增強后降低。并發現EVA的交聯度也會隨著材料的老化發生一定變化。

 

　　關鍵詞：紫外老化、濕熱老化、交聯度、拉伸強度、斷裂伸長率、剝離強度、耐候性。

 

 

　　EVA（乙酸和醋酸乙烯酯的共聚物）是目前光伏組件封裝工藝中最常用的封裝材料，主要是通過在EVA基料中添加紫外吸收劑、紫外穩定劑、抗氧化劑和交聯劑等各種不同的添加劑制作而成。EVA在固化過程中會發生交聯反應，形成一種三維網狀結構，使其各方面性能都得到大幅提高，對太陽能電池起到很好的密封和保護作用，是目前光伏組件的主要封裝材料。

 

　　在光伏組件戶外使用過程中，長期暴露在光、熱、氧、水等復雜的環境條件下，EVA要承受長期的戶外自然條件的影響，必然會出現不同程度的老化，從而導致光伏組件的封裝性能降低。紫外輻照和雙85濕熱老化是兩種有效模擬組件在戶外使用過程中的老化衰減的實驗，因此本文根據以上兩種老化測試，來分析不同交聯度的EVA對組件老化性能的影響。

 

　　2 實驗部分

 

　　2.1 主要原材料

 

　　選取光伏行業具有代表性的EVA膠膜作為研究樣本，配以其他輔助類材料（背板、鋼化玻璃、高溫布等），來制作樣品組件，各原材料主要性能及作用描述如表1。

 

　　表1 試驗用原材料及其用途描述

 

　

 

　　2.2 主要儀器設備

 

　　本實驗在萬宇電能科技有限公司綜合實驗中心完成，實驗過程中用使用的主要設備和儀器如表2所示。

 

　　

 

 

　　紫外老化試驗：按照IEC61215中“紫外預處理試驗”的程序和要求，使測試樣品經受波長在280nm到400nm范圍的紫外輻射為15kWh/m2（其中波長為280nm到320nm的紫外輻照為5kWh/m2），同時設定紫外老化試驗箱內溫度為60±5℃。

 

　　高溫高濕老化試驗：按照IEC61215中“濕-熱試驗”的程序和要求，將測試樣品放入高溫高濕試驗箱內，設定濕熱老化參數（T=85℃，RH（%）=85%RH），使樣品經受1000h的高溫高濕老化。

 

　　本試實驗選取國內某知名廠家的EVA膠膜，采用“高溫布/EVA/EVA/高溫布”層疊方式制作EVA測試樣品，采用“玻璃/EVA/EVA/背板”層疊方式壓制組件樣品。對制備好的試驗樣品分別進行交聯度和力學性能的測試；選取不同交聯度的樣品，分別進行紫外輻照老化和高溫高濕老化，對老化后的樣品進行交聯度測試和力學性能測試。最后將兩種老化模式前后的測試結果進行對比分析。

 

 

　　3.1 交聯度的測定

 

　　交聯度是指EVA小分子經交聯反應生成三維網狀結構固化的程度，一般通過測定EVA的凝膠含量來反映EVA的交聯固化情況。

 

　　本文采用溶劑萃取法來測定EVA的交聯度，其測試原理是將EVA樣品置沸騰二甲苯溶液中萃取，未經交聯的EVA會溶解到二甲苯溶液中，而已交聯的EVA大分子無法溶解，通過殘留試樣量與試樣總量的百分比來確定交聯度。

 

　　測試步驟：

 

　　1. 提取交聯后的EVA樣品，裝入已知重量（記為W1）的120目不銹鋼網袋內，并在電子分析天平上稱重（記為W2）；

 

　　2. 將試樣袋放入二甲苯溶液中，煮沸萃取5小時；

 

　　3. 將試樣袋放入真空烘箱內，烘箱設為140℃，烘3小時后取出，稱其重量（記為W3）。

 

　　交聯度計算公式如下：

 

　　交聯度（%）= [（W3-W1）／（W2- W1）]×100%

 

　　3.2 拉伸強度和斷裂伸長率的測定

 

　　拉伸強度是表征材料抵抗（拉伸）破壞的極限能力，通過測定EVA交聯后的拉伸強度可以從一定程度上表征EVA樣品的彈性形變能力；斷裂伸長率是衡量材料韌性（彈性）的重要指標，具有較大的斷裂伸長率的材料在抵抗沖擊時有很好的彈性形變量，能有效地保護脆性材料。

 

　　本文按國家標準GB/T 528-1998 ，用萬能電子拉力試驗機測試EVA膠膜的拉伸強度和斷裂伸長率，拉伸速率為50mm/min，用沖片機將試驗樣品制成啞鈴型試樣，寬度10mm，長度50mm，用千分尺測量樣品的厚度。

 

　　拉伸強度計算公式如下：

 

　　Ts=F_m ／（W·T）

 

　　式中：Ts-拉伸強度（Mp）

 

　　F_m- 最大拉斷力（N）

 

　　W- EVA小條實際寬度（mm）

 

　　T - EVA小條的厚度（mm）

 

　　斷裂伸長率計算公式如下：

 

　　斷裂伸長率= （ΔL／L ） ×100%

 

　　式中：ΔL-試樣在拉斷時的拉伸伸長長度（mm）

 

　　L- 試樣的原始長度（mm）

 

 

　　剝離強度是表征材料間粘合、密封效果的重要指標。測定EVA與玻璃、EVA與背板剝離強度的樣品為“玻璃/EVA/EVA/TPT”層壓件，實驗樣品在太陽能光伏組件層壓機上制作完成。

 

　　本文按GB/T 2791-1995“膠黏劑180°剝離強度試驗方法”進行，用萬能電子拉力試驗機分別測試EVA與玻璃、EVA與背板間的剝離強度，剝離速度為100mm/min，樣品寬度為10mm。

 

　　剝離強度計算公式如下：

 

　　δ180°= F／B

 

　　式中：δ180°- 180°剝離強度，N/cm；

 

　　F - 平均剝離力，N；

 

　　B - 試樣寬度，cm。

 

　　4 結果與討論

 

 

　　本節實驗中用到的試驗設備為QUV耐候老化箱，測試條件按照IEC61215-2005中光伏組件紫外預處理實驗標準執行。紫外老化箱輻照強度為100W/m2，試驗箱中設定溫度為60℃，當樣品接受的累積輻照量達到15kWh/m2后，取出樣品進行交聯度和力學性能測試，其測試數據如表3所示：

 

　

　　表4 組件樣品紫外老化前后對比

 

　　

　　從表3和表4的測試數據來看，在EVA交聯度大于80%時，紫外老化前后樣品的交聯度不在明顯的變化。從圖1的4 幅圖表可以看出，隨著交聯度的增加，EVA的各方面力學性能都有一個先增大后減小的變化趨勢，交聯度在85%左右時，EVA的力學性能最佳。這也一定程度上決定了EVA耐紫外老化性能的變化趨勢。

 

圖1 紫外輻照前后樣品力學性能變化情

　　另外，我們發現：交聯度低的樣品在紫外輻照后，EVA的斷裂伸長率、EVA與玻璃的剝離強度比初始值高。這可能是由于EVA內含有紫外交聯劑，在紫外光的輻照下繼續交聯，使其力學性能得到進一步提高；而交聯度高的EVA（交聯度＞85%）由于占據主體地位的聚乙烯絕大部分已完成交聯，即使有紫外交聯劑和紫外光的協同作用，其交聯度也很難得到提高，只會隨著光降解反應的進行而緩慢降低。

 

　　EVA的拉伸強度、斷裂伸長率以及EVA與玻璃/背板的剝離強度在紫外照射前后會出現了不同程度的下降，特別是當EVA的交聯度超過80%以后，EVA的拉伸強度、斷裂伸長率以及EVA與玻璃/背板的剝離強度下降幅度尤為明顯。這主要是一方面由于交聯度過高導致膠膜變脆、變硬，EVA在抵抗外力作用時不具備良好的彈性伸展能力，自身力學性能會有所下降；另一方面外界紫外輻照的進行，使得EVA發生光降解反應，三維網狀結構發生了鏈斷，物理粘結點變少，所以導致EVA的拉伸強度、斷裂伸長率的在紫外輻照來華后均出現了不同程度的降低，EVA與玻璃/背板的剝離強度亦有明顯下降。

 

　　4.2 高溫高濕老化

 

　　本節實驗中采用全自動高溫高濕試驗箱對EVA膠膜試樣進行老化，該設備有溫度、濕度、試驗時間的設定和控制，執行IEC61215-2010等光伏組件濕-熱試驗標準。高溫高濕試驗箱設定溫度為85℃，濕度為85%，測試時間為1000h，然后取出樣品進行交聯度和力學性能測試，其測試結果如下：

 

　　表5 高溫高濕老化前后EVA組件樣品變化情況

 

　

　　由于高溫高濕老化對EVA膠膜的性能影響很大，長期暴露在這樣環境下的組件，各方面的性能都會出現不同程度的衰退，這其中也包含其力學性能。在老化前后，樣品EVA的交聯度也出現了一定的變化。

 

圖3 雙85老化前后EVA與玻璃/背板的剝離強度變化

 

 

　　通過圖2 可以看到，初始交聯度低的樣品，老化后其交聯度有所增加，交聯度高的樣品，其老化后的交聯度有所下降。對于低交聯度樣品來說，由于EVA中的交聯劑反應不徹底，持續85℃、1000h的高溫使得EVA中未交聯的聚乙烯在引發劑的作用下繼續交聯，樣品的初始交聯度越低其上升幅度就越高；而對于高交聯度的樣品，其交聯度很難再次得到提高，反而會在高溫高濕的老化條件下發生降解反應。

 

　　從高溫高濕老化前后EVA與玻璃/背板的剝離強度變化情況（參考表5、圖3）可以看出， 不同交聯度的組件樣品，其EVA與鋼化玻璃的剝離強度都會出現大幅的下降，EVA與背板之間剝離強度的降低幅度較小。這說明EVA與背板的融合性能要好于EVA與玻璃之間的融合性能。由于作為無機材料的玻璃表面具有良好的親水性，水汽從邊緣的滲入和慢慢向內部擴散也使得與玻璃粘結的EVA更容易水解，EVA的水解不但會加速其內部網狀聚合物的斷裂，而且水解產生的乙酸會破壞EVA與玻璃/背板的粘結點，同樣使得剝離強度出現大幅下降。

 

　　如圖3所示，隨著交聯度的增加，EVA與玻璃/背板的剝離強度表現出先增大后減小的變化規律，EVA-背板之間剝離強度的這種變化趨勢尤為明顯；對高溫高濕老化后的樣品重復進行剝離結強度測試，從理論上來說也應該呈現上述規律。

 

 

　　總的來說，隨著封裝材料EVA交聯度的增加，組件的耐紫外、耐濕熱老化性能都表現出先增強后降低的變化趨勢。交聯度在85%左右時，其各方面性能表現最佳。

 

　　紫外輻照老化對EVA的交聯度影響較小，主要由于EVA中的紫外吸收劑和光穩定劑具有協同作用，但其最終的變化趨勢是隨著紫外輻照時間的延長而呈現緩慢下降的趨勢；高溫高濕老化對EVA的交聯度有一定的影響，交聯度低的，經過濕熱老化會升高，交聯度高的會降低；

 

　　（3）紫外輻照老化和高溫高濕老化對EVA的力學性能都有較大影響，通過老化前后數據對比發現：

 

　　①紫外輻照老化導致EVA力學性能的下降主要體現在高交聯度的樣品上，特別是當交聯度超過85%后，其各項性能的下降更為顯著；

 

　　②高溫高濕老化所引起的EVA力學性能的下降主要體現在兩方面：一是EVA的交聯度越高，其自身的結構越穩定、耐濕熱穩定性越強；二是，高溫高濕老化對EVA與玻璃的剝離強度影響比較大，主要是由于與玻璃接觸的EVA更易水解從而導致粘結點的破壞；

 

　　綜上所述，本文建議將光伏組件層壓工藝的EVA交聯度控制在80%~90%之間，以更好的發揮EVA的封裝性能，同時保證組件具有良好的耐候性、可靠性。（ 本文作者：施懿峻   韋桂奇   曹彥輝   吳寶安  單位：江蘇生美集團  萬宇電能科技有限公司光伏技術研發中心）

 

　　參考文獻

 

　　[1]  鄭智晶。 EVA交聯度測定方法的研究[J]. 浙江化工。1989，20（3）：30-32.

 

　　[2]  張增明，唐景，呂瑞瑞，林杰，彭麗霞，傅冬華。 光伏組件封裝EVA的濕熱老化研究[J]. 合成材料老化與應用，2011，4（3）

 

　　[3]  王榮君。 太陽能電池封裝用EVA膠膜的制備與性能表征。 華東理工大學，2011：1-2