CN102933393B - 用于制备具有全氟化共聚物树脂层的透明多层膜结构的方法 - Google Patents

用于制备具有全氟化共聚物树脂层的透明多层膜结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于制备多层膜层压体的方法,所述多层膜层压体具有包含全氟化共聚物树脂层的第一膜层,所述第一膜层被粘附到聚合物的第二膜层,所述聚合物的第二膜层已用氨基硅烷进行表面处理。所述多层层压体可用作光伏组件组件。本发明还公开了用于制备包含多层层压体的光伏组件的方法。

Description

用于制备具有全氟化共聚物树脂层的透明多层膜结构的方法
发明领域
本发明涉及用于制备多层膜的方法,所述多层膜包含基本上由全氟化共聚物树脂组成的层。本发明还涉及包含所述多层膜的光伏组件。
发明背景
光伏(PV)组件(也称为太阳能组件)被用于通过阳光产生电能,从而提供替代传统发电方法的环保发电方法。此类组件基于能够吸收光并将光转化成电能的多种半导体电池系统,并且通常基于所使用的吸光材料被归类为两种组件(即块状或晶片型组件和薄膜组件)中的一种。一般来讲,各个电池以阵列形式电连接以形成组件,并且此类组件的阵列可在单次安装中被连接在一起以提供所需的电量。
当各个电池中的吸光半导体材料以及用于传送由电池产生的电能的电子组件被适当地保护而不受环境损害时,光伏组件可持续使用25年、30年、甚至40年或更多年,而性能不会显著下降。在典型的光伏组件构造中,太阳能电池层被夹在两个包封层之间,这两个包封层又被夹在前板层和背板层之间,从而提供耐候性、抗紫外线性、防潮层特性、低介电常数和高击穿电压。
含氟聚合物膜被认为是光伏组件中的可用组件,因为它们具有优异的强度、耐候性、抗紫外线性、防潮层特性、低介电常数和高击穿电压,并在晶片型组件和薄膜组件中均可发挥作用。例如,含氟聚合物膜,例如乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)膜,可代替更普遍使用的玻璃层而用作光伏组件中的前板。将含氟聚合物膜用作前板时,相关的挑战包括需要提供阻隔性能与透明性的期望组合,以及提供对相邻包封层的良好粘附性。例如,较高的透明性将提高太阳能组件将阳光转化成电力的效率,但获得较高的透明性通常需要使用较薄的含氟聚合物膜,而这会降低强度、耐候性、抗紫外线性和防潮层特性。此外,较薄的膜的阻隔性能降低可能导致包封层更快地劣化,从而降低组件的总体性能。ETFE膜已成为最广泛使用的用于制造PV前板的含氟聚合物材料,因为ETFE对最常用于包封层材料的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)具有优异的粘附性。
EVA共聚物一直是有利的包封材料,因为它们具有低熔融温度的特征,这使得它们易于围绕太阳能电池组件流动并且密封太阳能电池组件。然而,EVA共聚物的低熔融温度特性通常迫使后续的聚合物交联,以便向所得的光电池赋予合适的热稳定性。因此,已开发了用于包封层的替代材料,所述替代材料表现出更高的热尺寸稳定性而不交联。
此外,已将包封材料与硅烷偶联剂包括氨基硅烷化合,以提高对含氟聚合物层的粘附性。(参见美国专利6,963,120和6,762,508;美国专利申请公布2009/0183773、2009/0120489、2009/0255571、2008/0169023、2008/0023063、2008/0023064和2007/0267059;美国专利申请号61/230,238;欧洲专利申请1065731;法国专利2539419和日本专利申请2000/186114、2001/144313、2004/031445、2004/058583、2006/032308和2006/1690867)。
美国专利6,753,087公开了包含粘附到基底的含氟聚合物的多层结构。该结构如下制备:通过用包含氨基取代的有机硅烷的粘合组合物处理含氟聚合物的表面,然后使基底与处理过的含氟聚合物表面接触并加热,以形成粘合体。美国专利申请公布2008/0023063、2008/0023064、2008/0264471和2008/0264481描述了如下太阳能电池,其中任何太阳能电池层压板层中的一个或两个表面均可用结合胺官能团的硅烷进行处理。
美国专利7,638,186和欧洲专利申请公布EP577985公开了将通常称为FEP的四氟乙烯-六氟丙烯共聚物用作光伏组件中的背板层。PCT专利申请公布WO2004/019421公开了在光伏组件中用作前板层的FEP。
期望的是表现出更高的透明性和/或更佳的阻隔性能的ETFE膜的替代物,尤其是用于不能使用刚性玻璃的柔性太阳能电池组件中的ETFE膜替代物。另外,替代材料需要即使在不利条件下也对包封材料具有足够的粘附性,从而使其能够用于光伏组件中。
发明概述
本发明提供了用于制备包含至少第一膜层和第二膜层的透明多层膜层压体的方法,所述方法包括:
A.提供包含全氟化共聚物树脂组合物的第一膜层,其中i)全氟化共聚物树脂基本上由四氟乙烯和至少一种全氟化共聚单体的共聚单元组成,并且ii)第一膜层的至少一个表面已通过表面处理进行改性;
B.提供包含聚合材料的第二膜层,所述聚合材料选自:α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物、α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃嵌段共聚物弹性体、α-烯烃与烯键式不饱和羧酸酯的共聚物、硅氧烷弹性体、环氧树脂、以及它们中的两种或更多种的组合;
C.用氨基硅烷偶联剂处理第二膜层的表面,以提供表面处理过的第二膜层;
D.使表面处理过的第二膜层的处理过的表面与第一膜层的改性表面接触;以及
E.通过施加热和任选地压力或真空将第一膜层粘附到表面处理过的第二膜层,以形成多层膜层压体;
其中所述多层膜层压体的特征在于:(i)在第一膜层与表面处理过的第二膜层之间具有大于2lbf/in的平均剥离强度,如在将多层膜层压体暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时后所测量,条件是当第二膜层包含乙烯-乙酸乙烯酯共聚物时,在将多层膜层压体暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时之前,将多层膜层压体在足够的温度下保持足以交联乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的一段时间;以及(ii)具有超过对照标准层压体的透光率水平,所述透光率水平为如根据ASTM E424中的方法所确定的通过空气透射的波长为400至800nm的光的百分比,其中多层膜层压体和对照标准层压体具有相同的结构和组成,除了对照标准层压体的第一膜层包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂之外,多层膜层压体和对照标准层压体的第一膜层的组成是相同的。
通过本发明的方法制备的透明多层膜层压体可被用作能够结合到光伏组件中的一体化前板。
因此,本发明还涉及用于制备光伏组件的方法,所述方法包括以下步骤:
A.提供太阳能电池层;
B.提供透明多层膜层压体,所述透明多层膜层压体的面积大于太阳能电池层的面积,多层膜层压体包含至少第一膜层和第二膜层,其中
1.第一膜层包含全氟化共聚物树脂组合物,其中i)全氟化共聚物树脂基本上由四氟乙烯和至少一种全氟化共聚单体的共聚单元组成,并且ii)第一膜层的至少一个表面已通过表面处理进行改性;
2.第二膜层包含选自下列的聚合材料:α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物、α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃嵌段共聚物弹性体、α-烯烃与烯键式不饱和羧酸酯的共聚物、硅氧烷弹性体、环氧树脂、以及它们中的两种或更多种的组合,其中第二膜层的表面已用氨基硅烷偶联剂进行处理,以提供表面处理过的第二膜层;并且
3.多层膜层压体的特征在于:(i)在第一膜层与表面处理过的第二膜层之间具有大于2lbf/in的平均剥离强度,如在将多层膜层压体暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时后所测量,条件是当第二膜层包含乙烯-乙酸乙烯酯共聚物时,乙烯-乙酸乙烯酯为交联的乙烯-乙酸乙烯酯;以及(ii)具有超过对照标准层压体的透光率水平,所述透光率水平为如根据ASTM E424中的方法所确定的通过空气透射的波长为400至800nm的光的百分比,其中多层膜层压体和对照标准层压体具有相同的结构和组成,除了对照标准层压体的第一膜层包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂之外,多层膜层压体和对照标准层压体的第一膜层的组成是相同的;
C.用多层膜层压体覆盖太阳能电池层,使得
1.多层膜层压体的第二膜层的表面接触太阳能电池层;
2.多层膜层压体的第二膜层的一部分延伸超过太阳能电池层的周边;以及
3.多层膜层压体的第二膜层的延伸超过太阳能电池层的周边的部分接触附加层,所述附加层为包封层;以及
D.通过施加热和任选地压力或真空将多层膜层压体的第二膜层粘附到太阳能电池层和包封层,以提供光伏组件。
本发明还提供了用于通过一次层压操作来制备光伏组件的方法。即本发明提供用于制备包含多层层压体的光伏组件的方法,所述方法包括以下步骤:
A.提供太阳能电池层;
B.提供包含全氟化共聚物树脂组合物的第一膜层,其中i)全氟化共聚物树脂基本上由四氟乙烯和至少一种全氟化共聚单体的共聚单元组成,并且ii)第一膜层的至少一个表面已通过表面处理进行改性;
C.提供具有上表面和下表面的第二膜层,第二膜层的面积大于太阳能电池层的面积,其中第二膜层包含选自下列的聚合材料:α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物、α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃嵌段共聚物弹性体、α-烯烃与烯键式不饱和羧酸酯的共聚物、硅氧烷弹性体、环氧树脂、以及它们中的两种或更多种的组合;
D.用氨基硅烷偶联剂处理第二膜层的上表面,以提供表面处理过的第二膜层;
E.使第一膜层的改性表面与表面处理过的第二膜层的处理过的上表面接触;
F.使太阳能电池层与第二膜层接触,使得
1.第二膜层的下表面接触太阳能电池层;
2.第二膜层的一部分延伸超过太阳能电池层的周边;以及
3.第二膜层的延伸超过太阳能电池层的周边的部分接触另一个层,所述另一个层为包封层;以及
G.通过施加热和任选地压力或真空将第二膜层粘附到第一膜层、太阳能电池层和包封层,以提供光伏组件;
其中光伏组件的特征在于(i)在第一膜层与表面处理过的第二膜层之间具有大于2lbf/in的平均剥离强度,如在将光伏组件暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时后所测量,条件是当第二膜层包含乙烯-乙酸乙烯酯共聚物时,在将光伏组件暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时之前,将光伏组件在足够的温度下保持足以交联乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的一段时间;以及(ii)具有超过对照标准层压体的透光率水平,所述透光率水平为如根据ASTM E424中的方法所确定的通过空气透射的波长为400至800nm的光的百分比,其中多层膜层压体和对照标准层压体具有相同的结构和组成,除了对照标准层压体的第一膜层包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂之外,多层膜层压体和对照标准层压体的第一膜层的组成是相同的。
发明详述
在本文中使用以下定义来进一步定义和描述本公开。
如本文所用,术语“包含”、“包括”、“具有”或它们的任何其它变型均旨在涵盖非排他性的包括。例如,包括要素列表的工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些要素,而是可以包括未明确列出的或该工艺、方法、制品或设备所固有的其它要素。此外,除非另有相反的说明,“或”是指包含性的“或”而不是指排他性的“或”。例如,以下任何一个均表示满足条件A或B:A是真的(或存在的)且B是假的(或不存在的)、A是假的(或不存在的)且B是真的(或存在的)、以及A和B都是真的(或存在的)。
如本文所用,术语“一个(种)”包括“至少一个(种)”和“一个或多于一个(一种或多于一种)”的概念。
除非另外指明,所有百分数、份数、比率等均按重量计。
当术语“约”用于描述值或范围的端点时,本公开内容应理解为包括具体的值或所涉及的端点。
在本专利申请中,术语“板”、“层”和“膜”在广义上可互换使用。“前板”为被定位成光伏组件面向光源的一面上的最外层的板、层或膜,并且还可被描述为入射层。由于它的位置,通常期望前板对于期望的入射光具有高透明性。还期望前板具有高防潮层特性以防止水分进入光伏组件。这种水分侵入可能使得光伏组件组件劣化和/或降低组件的电效率。“背板”为光伏组件远离光源的一面上的板、层或膜,它通常是不透明的。在某些情况下,可能期望装置(例如双面装置)的两面均接收光,在这种情况下组件可在装置的两面上均具有透明层。
“包封材料”层为用于包住易碎的产生电压的太阳能电池层的层,以防止太阳能电池层受到损害并将其固定在光伏组件中,“包封材料”层通常被定位在太阳能电池层与入射层和背衬层之间。适用于这些包封层的聚合物材料通常具有多种特性的组合,例如高透明性、高抗冲击性、高耐穿透性、高防潮性、良好的耐紫外光(UV)性、良好的长期热稳定性、对前板、背板和其它刚性聚合板以及电池表面足够的粘附强度、以及良好的长期耐候性。
“一体化前板”为结合入射层和包封层的板、层或膜。“一体化背板”为结合背衬层和包封层的板、层或膜。
如本文所用,术语“透明性”和“透明的”是指与通过空气透射的光相比,可穿过材料或通过材料透射的光的量。如本文所用,“透光率水平”是与通过空气透射的光相比,通过材料透射的光的百分比。
若要增加到达太阳能电池层的入射太阳光的量,则需要提高前板构造的透光率。这能够使更多的太阳能被太阳能电池利用而转化成电能,从而提高光伏组件的效率。
术语“共聚物”在本文中用于指包含两种不同单体的共聚单元的聚合物(即二聚物)或包含两种以上不同单体的共聚单元的聚合物。
本发明涉及改进的含氟聚合物膜层压体,其具有极佳的透明性(即透光率)和粘附性,并表现出优于目前用于光伏组件应用中的ETFE膜层压体的物理特性。
期望的是表现出更高的透明性和/或更佳的阻隔性能的ETFE膜的替代物,尤其是用于不能使用刚性玻璃的柔性太阳能电池组件中的ETFE膜替代物。一种替代物为由全氟化共聚物树脂(例如四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP))制成的膜。然而,FEP对光伏组件包封层中常用的材料的粘附性显著地比ETFE对此类材料的粘附性差。因此,期望找到用于制备光伏组件的多层膜和一体化前板的方法,其提供全氟化共聚物树脂层与包封材料之间的增强的粘附性、尤其是在不利条件下的粘附性。
本发明的方法涉及用于提供尤其适用于光伏组件的透明多层聚合物膜层压体的方法。该层压体包含基本上由全氟化共聚物树脂组成的膜层。该膜层被粘附到第二膜层,所述第二膜层已用特定类型的偶联剂进行表面处理以提高粘附性。
该层压体的特征在于在第一膜层与表面处理过的第二膜层之间具有大于2lbf/in的平均剥离强度,如在将多层膜层压体暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时后所测量。其特征还在于具有超过对照标准层压体的透光率水平,其中在对照标准层压体中,乙烯-四氟乙烯共聚物树脂层取代了多层膜层压体中的FEP层。
特定的全氟化共聚物树脂与表面处理剂的独特组合为所得的膜层压体提供显著提高的透明性和粘附性,从而使所得的膜层压体适用于光伏组件。
简而言之,用于制备透明多层膜层压体的方法包括以下步骤:提供表面改性的第一膜层,该第一膜层包含基本上由共聚的全氟化共聚单体单元组成的全氟化共聚物树脂;提供第二聚合物膜层;用氨基硅烷偶联剂对第二聚合物膜层进行表面处理;以及粘合各层,以形成多层膜层压体。
通过本发明的方法制备的多层膜层压体的第一膜层包含氟化的共聚物树脂。氟化的共聚物树脂组分基本上由全氟化共聚物组成。即共聚物基本上由共聚的单体单元组成,其中每个单体单元均为全氟化单体。第一膜层的合适的氟化共聚物树脂组分为四氟乙烯(TFE)共聚物。即,聚合物组分将包含下列的共聚单元:1)四氟乙烯与2)一种或多种附加单体,所述附加单体选自除四氟乙烯之外的全氟化共聚单体。
所谓全氟化共聚单体,是指键合到特定单体的碳原子上的所有一价原子都是氟原子。全氟化(共聚)单体的实例包括具有3至8个碳原子的全氟烯烃,例如六氟丙烯(HFP)。同样适用于本发明的方法的是全氟醚单体,例如全氟(烷基乙烯基醚)(PAVE),其中直链或支链的烷基包含1至5个碳原子。优选的PAVE单体为其中烷基包含1、2、3或4个碳原子的那些,分别被称为全氟(甲基乙烯基醚)(PMVE)、全氟(乙基乙烯基醚)(PEVE)、全氟(丙基乙烯基醚)(PPVE)和全氟(丁基乙烯基醚)(PBVE)。
氟化共聚物树脂组分可为全氟二聚物树脂,例如TFE和HFP的共聚物。其也可为更高级的共聚物,例如TFE和两种PAVE的三元共聚物。可商购获得的该后一种类型的全氟化共聚物树脂包括TFE/全氟(甲基乙烯基醚)/全氟(丙基乙烯基醚)共聚物,在本领域有时被称为MFA。TFE/PAVE共聚物最通常被称为PFA。它们通常包含至少约1重量%的共聚PAVE单元。这包括其中PAVE为PPVE或PEVE的那些共聚物。此类共聚物将通常包含约1至15重量%的共聚PAVE单元。当所使用的PAVE的混合物包含PMVE和PPVE时,全氟化共聚物树脂通常包含约0.5至13重量%的共聚全氟(甲基乙烯基醚)单元和约0.5至3重量%的共聚PPVE单元,其余的为TFE,从而使共聚单元的总量达到100重量%。
第一膜层的全氟化共聚物树脂基本上由全氟化共聚物组成。即,共聚物可包含少量百分比的非全氟化或非氟化共聚单体的共聚单元或非全氟化或非氟化端基,通常低于3重量%,优选地低于1重量%,并最优选地低于0.5重量%,只要不显著影响用本发明的方法形成的多层膜层压体的基本特性和新型特性即可。这些基本特性和新型特性包括透明性和粘附性,如下文所详述。此外,如果非氟化单体以共聚单元的形式存在,那么应限制此类单体的量,以便使共聚物保持期望的全氟聚合物特性,即耐候性、耐溶剂性和阻隔性能。在某些实施方案中,全氟化共聚物树脂为氟烯烃和氟化乙烯基醚的共聚物。除了氟和碳之外的原子可存在于共聚物端基(即,聚合物链末端的基团)中。
本文所用的全氟化共聚物树脂为可熔融制造的那些,即它们在熔融状态时可在一定程度上流动,使得它们可通过熔融加工例如挤出来制造,以生产具有足以使用的强度的产品。全氟化共聚物树脂的熔体流动速率(MFR)优选为至少约5g/10min,更优选为至少约10g/10min,还更优选为至少约15g/10min,甚至更优选为至少约20g/10min,并最优选为至少26g/10min,如根据ASTM D-1238在用于树脂的标准温度和载荷下所测量(参见,例如ASTM D 2116-91a和ASTM D 3307-93)。
四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)为优选的全氟化共聚物树脂。术语“FEP共聚物”是指四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)的共聚单体,任选地具有任何数量的附加单体单元,以便形成二聚物、三元共聚物、四元共聚物和更高级共聚物。
在此类共聚物中,共聚的HFP含量通常为约6-17重量%,优选为9-17重量%(通过用HFPI乘以3.2计算)。HFPI(HFP指数)是在指定红外线辐射(IR)波长处的IR吸光率,如美国依法注册的发明H130所公开的那样。优选地,TFE/HFP共聚物包含少量的附加共聚单体以改进性能。FEP共聚物可为TFE/HFP/全氟(烷基乙烯基醚)(PAVE),其中烷基包含1至4个碳原子例如PEVE或PPVE。优选的TFE/HFP共聚物为TFE/HFP/PAVE例如PEVE或PPVE,其中HFP含量为约6-17重量%,优选为9-17重量%,PAVE含量(优选地PEVE)为约0.2-3重量%,其余的为TFE,共聚物总计为100重量%。
可用的FEP组合物的实例公开于美国专利4,029,868、5,677,404和6,541,588、美国专利申请公布2007/292685和美国依法注册的发明H130中。FEP可为部分结晶的。即,它不是弹性体。所谓部分结晶的,是指所述聚合物具有一定的结晶度,并且特征在于具有根据ASTM D 3418测定的可检测的熔点,并且熔融吸热量为至少约3J/g。
值得注意的是包含HFP共聚单元(约6-10重量%)、小于2重量%的全氟乙基乙烯基醚(PEVE)共聚单元(约1.5-2重量%),并且其余的为TFE共聚单元的三元共聚物。一个实例为具有7.2-8.1重量%的HFP共聚单元、1.5-1.8重量%的PEVE共聚单元和90.1-91.3重量%的TFE共聚单元的全氟化共聚物,该共聚物具有6-8g/10min的如ASTM D2116中所定义的标称熔体流动速率(MFR)和260℃至270℃的熔点。
可用于本发明的方法的多层膜层压体的第一膜层包含全氟化共聚物树脂。第一膜层还可包含不会不利地影响共聚物树脂的透明性和粘附性的其它组分。例如,第一膜层中可存在添加剂,例如加工助剂、流动增强添加剂、润滑剂、颜料、染料、阻燃剂、抗冲改性剂、成核剂、抗粘连剂(例如二氧化硅)、热稳定剂、紫外线吸收剂、紫外线稳定剂、受阻胺光稳定剂(HALS)、分散剂、表面活性剂、螯合剂、偶联剂、增强添加剂(例如玻璃纤维)以及填料。一般来讲,基于第一膜层的总组合物的重量计,此类添加剂可按至多为第一膜层组合物的20重量%的量存在。在多个实施方案中,存在不超过10重量%的添加剂。在其它实施方案中,存在小于2重量%的添加剂。
适用于本发明方法的透明全氟化共聚物膜层可用本领域的技术人员已知的任何技术形成。例如,可通过挤出铸造法形成膜,并任选地对膜进行拉伸和热稳定。期望的是,全氟化共聚物树脂膜被定向成提供改进的特性,例如改进的韧性和拉伸强度。
透明全氟化共聚物树脂膜可具有在约25至200微米或约50至150微米或约50至125微米范围内的厚度和在电磁光谱可见光区中的大于约90%或大于约94%或大于约97%的透射率,在此处电磁光谱的可见光区被定义为380至780nm。在超出可见光区的电磁光谱区域(例如介于350至800nm或更高之间)中也可观察到高透明性。
适用于本发明方法的透明全氟化共聚物树脂膜为已经受表面处理的那些。该表面处理对膜的表面进行改性并可采用本领域内已知的任何形式,包括火焰处理(参见,例如美国专利2,632,921、2,648,097、2,683,894和2,704,382)、等离子体处理(参见,例如美国专利4,732,814)、电子束处理、氧化处理、化学处理、铬酸处理、热空气处理、臭氧处理、紫外线处理、喷砂处理、溶剂处理、以及它们中的两种或更多种的组合。值得注意的表面处理为电晕处理(参见,例如美国专利3,030,290、3,676,181、6,726,979和6,972,068)。电晕处理可包括使用反应性烃蒸气或其它蒸气,例如酮(例如丙酮和甲基乙烯基酮)、醇(例如甲醇)、对氯苯乙烯、丙烯腈、无水氨、胺(例如丙二胺、四乙烯五胺、环己基胺、癸胺、二亚乙基三胺、叔丁胺、乙二胺、三亚乙基四胺、三乙胺和甲基异丙胺)、苯乙烯磺酸、四氯化碳、钛酸四异丙酯、四氢呋喃、甲苯-2,4-二异氰酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、己烷、甲醇、乙酸乙烯酯、乙烯基丁基醚、异丁烯酸甲酯、2-乙烯基吡咯烷酮、二甲苯或它们的混合物。
当对膜进行表面处理时,全氟化共聚物树脂或膜表面所得的化学或物理改性提供改性的第一膜层表面。改性的全氟化共聚物表面使其更易于接受进一步处理,例如提高对其它材料的粘附性。不受任何具体机制或理论的限制,表面处理可产生极性官能团化和/或提高表面的表面能。
如上所述表面处理过的FEP膜(例如可从E.I.du Pont de Nemours andCompany商购获得的等级指定为PV3151的膜)适用于本发明。
用于形成通过本发明的方法制备的透明多层膜层压体的第二膜层可选自多种聚合材料。因为透明多层膜层压体适用作光伏组件的一体化前板,所以第二膜层优选地能够用作包封层。因此,用于制备本文所述的透明多层膜和光伏组件的第二膜层和任何任选的附加包封层可各自包含独立地选自下列的聚合材料:烯烃不饱和羧酸共聚物、烯烃不饱和羧酸共聚物的离聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)(包括隔音级聚(乙烯醇缩醛))、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯(例如线性低密度聚乙烯)、聚烯烃嵌段共聚物弹性体、α-烯烃与烯键式不饱和羧酸酯的共聚物(例如乙烯丙烯酸甲酯共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物和乙烯马来酸单酯共聚物,例如乙烯马来酸氢单乙酯)、硅氧烷弹性体、环氧树脂、以及它们中的两种或更多种的组合。第二膜层中使用的聚合材料可与透明多层膜层压体中可存在的任何任选的附加包封层中使用的聚合材料相同或不同。
第二膜层和/或任何任选的附加包封层可优选包含选自下列的热塑性聚合物:烯烃α,β-不饱和羧酸共聚物、烯烃α,β-不饱和羧酸共聚物的离聚物以及它们的组合(即,两种或更多种烯烃α,β-不饱和羧酸共聚物的组合,两种或更多种烯烃α,β-不饱和羧酸共聚物的离聚物的组合,或至少一种α,β-不饱和羧酸共聚物与一种或多种α,β-不饱和羧酸共聚物的离聚物的组合)。
本文所用的烯烃α,β-不饱和羧酸共聚物可为具有2至10个碳原子的α-烯烃和具有3至8个碳原子的α,β-烯键式不饱和羧酸的共聚物。例如基于共聚物的总重量计,酸共聚物可包含约15至约30重量%的α,β-烯键式不饱和羧酸的共聚单元。
合适的α-烯烃共聚单体包括但不限于乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-庚烯、3-甲基-1-丁烯、4-甲基-1-戊烯等,以及此类共聚单体中的两种或更多种的组合。优选地,α-烯烃为乙烯。
合适的烯键式不饱和羧酸共聚单体包括但不限于丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、马来酸、富马酸、单甲基马来酸以及它们中的两种或更多种的组合。优选地,α,β-烯键式不饱和羧酸选自丙烯酸、甲基丙烯酸和它们中的两种或更多种的组合。
在某些实施方案中,酸共聚物将不包含除α-烯烃和α,β-烯键式不饱和羧酸之外的共聚单体。同样地,共聚物可为酸共聚物的二聚物,基于共聚物的总重量计,其包含约15至约30重量%的α,β-烯键式不饱和羧酸的共聚单元,其余的为α-烯烃,优选乙烯。
作为另外一种选择,酸共聚物还可包含除烯键式不饱和羧酸和α-烯烃之外的一种或多种其它共聚单体的共聚单元,例如具有2至10个或优选地3至8个碳原子的不饱和羧酸的衍生物。合适的酸衍生物包括酸酐(例如马来酸酐)、酰胺和酯。优选地,酸衍生物为酯。不饱和羧酸的酯的具体实例包括但不限于:丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丙酯、丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸异丙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸辛酯、丙烯酸十一酯、甲基丙烯酸十一酯、丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十八酯、丙烯酸十二酯、甲基丙烯酸十二酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸月桂酯、丙烯酸-2-羟乙基酯、甲基丙烯酸2-羟乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、聚(乙二醇)丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)山嵛醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)山嵛醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)4-壬基苯基醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)4-壬基苯基醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)苯基醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)苯基醚甲基丙烯酸酯、马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二丁酯、富马酸二甲酯、富马酸二乙酯、富马酸二丁酯、富马酸二甲酯、乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、以及它们中的两种或更多种的组合。
酸共聚物的离聚物为前体酸共聚物(例如上述那些酸共聚物)的离子中和衍生物。可通过用一定量的作为金属离子源的反应物来中和前体酸共聚物的酸基,使得约10%至约60%、或约20%至约55%、或约35%至约50%的羧酸基团(按未中和的前体酸共聚物计算或测量的前体不饱和羧酸共聚物的羧酸总含量计)发生中和作用来制备不饱和羧酸共聚物的离聚物。通常可通过前体酸聚合物与碱例如氢氧化钠、氢氧化钾或氧化锌的反应来完成中和。
金属离子可为一价离子、二价离子、三价离子、多价离子、或它们中的两种或更多种的组合。可用的一价金属离子包括但不限于钠、钾和锂。可用的二价金属离子包括但不限于铍、镁、钙、锶、钡、铜、铁、钴和锌。可用的三价金属离子包括但不限于铝、钪、铁和钇。可用的多价金属离子包括但不限于钛、锆、铪、钒、钽、钨、铈和铁。当金属离子为多价时,可包括例如硬脂酸盐、油酸盐、水杨酸盐和酚盐基团的络合剂,如美国专利3,404,134中所公开。优选地,金属离子为一价或二价金属离子,例如选自下列的金属离子:钠、锂、镁、锌、钾以及它们中的两种或更多种的组合。要注意的是,金属离子选自钠、锌以及它们的组合,例如金属离子为锌。
可用于本文的离聚物包括购自E.I.du Pont de Nemours and Company(Wilmington DE)的那些,例如树脂。
第二膜层和/或任何任选的附加包封层的组合物可包含具有乙烯和乙酸乙烯酯的共聚单元的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。这些共聚物可包含25至35重量%、优选28至33重量%的乙酸乙烯酯。乙烯/乙酸乙烯酯共聚物可具有如按照ASTM D1238在190℃和2.16kg下所测量的约0.1至约1000g/10min、或约0.3至约30g/10min的MFR。
第二膜层和/或附加包封层组合物中使用的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物可为单一乙烯/乙酸乙烯酯共聚物的形式或两种或更多种不同的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物的混合物。所谓不同的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物,是指例如共聚物具有不同的共聚单体比率。它们也可为具有相同的共聚单体比率,但由于具有不同的分子量分布而具有不同MFR的共聚物。
可用于本文的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物包括购自E.I.du Pont de Nemoursand Company的树脂。
作为另外一种选择,第二膜层和/或附加包封层可包含具有乙烯和丙烯酸烷基酯的共聚单元的乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物。丙烯酸烷基酯的烷基部分可包含1-6个或1-4个碳原子,例如甲基、乙基以及支链或非支链的丙基、丁基、戊基和己基。示例性的丙烯酸烷基酯包括但不限于丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸异丁酯和丙烯酸正丁酯。可通过改变共聚单体中存在的烷基的相对量和同一性来控制丙烯酸烷基酯共聚单体的极性。相似地,甲基丙烯酸C1-C6烷基酯共聚单体可用作共聚单体。此类共聚单体包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丁酯和甲基丙烯酸正丁酯。
这些共聚物可包含20-40重量%、优选地24-35重量%的丙烯酸烷基酯。
可用于本文的乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物和乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物可具有如按照ASTM D1238在190℃和2.16kg下所测量的约0.1至约200g/10min范围内的MFR,因此合适的乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物和乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物的分子量可显著不同。
多层膜的第二膜层组合物和/或任何附加的任选包封层组合物中使用的共聚物可为单一乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物、单一乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物的形式或任何两种或更多种不同的乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物和/或乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物的混合物。也可以设想在本发明的实践中使用至少一种乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物和至少一种乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物的共混物。
乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物和/或乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物可通过聚合物领域熟知的方法用高压釜或管式反应器制备。例如,可在高压釜中通过连续方法进行共聚,在这种情况下将乙烯、丙烯酸烷基酯(或甲基丙烯酸烷基酯)和任选的溶剂(例如甲醇)(参见美国专利5,028,674)连同引发剂一起连续送入搅拌着的高压釜(例如美国专利2,897,183中所公开的类型)中。作为另外一种选择,乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物(或乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物)可以按照文章“High Flexibility EMA Made from High PressureTubular Process”(Annual Technical Conference-Society of PlasticsEngineers,2002年,第2卷第60期,第1832-1836页)中所述的步骤在管式反应器中制备。乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物(或乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物)也可在高压管式反应器中在高温下通过沿着管子另外引入反应物共聚单体而获得。乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物或乙烯/甲基丙烯酸烷基酯共聚物也可在一系列高压釜反应器中制备,其中通过多区域引入反应物共聚单体而实现共聚单体更换,如美国专利3,350,372、3,756,996和5,532,066中所提出。
可用于本文的乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物包括购自DuPont的AC树脂。
第二膜层或任何任选的附加包封层中使用的组合物还可包含具有乙烯与约5至约15重量%C4-C8不饱和酸的单酯的共聚单元的共聚物,其中所述不饱和酸具有至少两个羧酸基团(例如,其中一个羧基被酯化,另一个为羧酸基团的那些二酸),例如乙烯马来酸单酯共聚物。优选地,单酯包含约6重量%至约15重量%的共聚物链的无规共聚单元。
可用的单酯共聚单体的实例包括马来酸单酯、富马酸单酯、柠康酸单酯以及它们的混合物。马来酸单酯还被称为马来酸半酯或马来酸氢烷基酯。
高度优选乙烯与马来酸单酯、更优选与马来酸C1-C4烷基单酯例如甲基单酯、乙基单酯、正丙基单酯、异丙基单酯和正丁基单酯的共聚物,并且最优选乙烯与马来酸单乙基酯(即马来酸氢乙酯)的共聚物。
包含以下共聚单元的三元共聚物也适用于第二膜层和/或任选的包封层:乙烯共聚单元;第一极性共聚单体的共聚单元,所述第一极性共聚单体选自马来酸的C1-C4烷基单酯;和第二极性共聚单体的共聚单元,所述第二极性共聚单体选自乙酸乙烯酯、丙烯酸C1-C4烷基酯和甲基丙烯酸C1-C4烷基酯。优选的三元共聚物包括按基于所述三元共聚物的重量计所述第二极性共聚单体共聚单元的含量小于10重量%的那些。优选地,基于所述三元共聚物的重量计,所述第二极性共聚单体共聚单元的含量小于5重量%。适用作上述三元共聚物中的第二极性共聚单体的优选单体是C1-C4醇的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯是尤其优选的第二共聚单体的实例。
这些乙烯二羧酸单酯共聚物通过高压自由基聚合方法获得。它们是直接或无规共聚物,即通过同时加入所有单体聚合而成的共聚物。适用于制备此类共聚物的高压方法描述于例如美国专利4,351,931中。该方法提供了共聚单体的混合物,所述共聚单体互相反应以形成聚合物链,从而提供具有结合到聚合物主链或链中的所有共聚单体的共聚单元的无规共聚物。
第二膜层和/或任何附加的任选包封层中使用的组合物还可包含一种或多种添加剂,例如加工助剂、流动增强添加剂、润滑剂、颜料、染料、阻燃剂、抗冲改性剂、成核剂、抗粘连剂(例如二氧化硅)、热稳定剂、紫外线吸收剂、紫外线稳定剂、受阻胺光稳定剂(HALS)、硅烷偶联剂(如下文所详述)、分散剂、表面活性剂、螯合剂、偶联剂、增强添加剂(例如玻璃纤维)和填料。乙烯-乙酸乙烯酯共聚物组合物在很多情况下还包含交联剂,例如有机过氧化物。这些添加剂中的任何一种通常以不超过组合物的20重量%、有时不超过10重量%、有时不超过2重量%的量存在。
用于制备本文所述的多层膜的方法涉及用氨基硅烷偶联剂处理多层膜的第二膜层的表面,以提高第二膜层的组合物与全氟化共聚物树脂膜的粘附性。硅烷偶联剂为基于硅的化合物,它在同一分子中包含两种类型的反应性位点,即无机和有机位点。硅烷偶联剂可充当两种相异材料之间的界面,以增强材料的粘合。将硅烷作为添加剂、共聚物或接枝添加到多种板材配方中是已知的。对于许多应用而言,这已足够了,但对于与全氟化共聚物树脂的粘附而言,向全氟化共聚物添加硅烷并不足以增强粘附性。
有机硅烷偶联剂包含至少一个碳-硅键。通常,硅原子键合到三个可水解的基团,例如甲氧基-、乙氧基-、氯-或乙酰氧基-以及有机反应性基团。不受任何理论的约束,硅烷可通过可水解基团的反应或相互作用键合到本发明的方法所用的全氟化共聚物树脂膜层表面上的反应性部分。因此,可通过有机硅烷上的有机反应性基团发生与聚合物的反应或与聚合物或其它有机材料的物理缠结。
有机硅烷偶联剂中存在的有机反应性基团的实例包括氨基、苄基氨基、甲基丙烯酸酯、乙烯基苄基氨基、环氧化物、氯丙基、三聚氰胺、乙烯基、脲基、巯基、二硫化物和四硫化物基团。有机硅烷偶联剂可包含单一类型的有机反应性基团、两个或更多个同类基团的混合物、两个或更多个不同类型基团的混合物,或它们的组合。
可用作本发明方法中的偶联剂的氨基硅烷的实例包括3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、N,N’-双[(3-三甲氧基甲硅烷基)丙基]乙二胺(dipodalAP)、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(AEAPTMS)和N-2-(乙烯基苄基氨基)-乙基-氨基丙基三甲氧基硅烷(SMAEAPTMS),尤其是APTMS、APTES和AEAPTMS。
过去已使用有机硅烷偶联剂来改善用作包封材料的组合物与光伏组件入射层中使用的多种材料之间的粘附性。例如,光伏组件包封层中使用的乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)共聚物组合物通常包含有机硅烷偶联剂(例如γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)以有利于粘合至其它材料。参见“AdhesionStrength Study of EVA Encapsulants on Glass Substrates”F.J.Pern and S.H.Glick,NCPV and Solar Program Review Meeting 2003NREL/CD-520-33586,第942页。
然而,以前的有机硅烷改性的包封材料不能提供对全氟化共聚物树脂(例如四氟乙烯-六氟丙烯(FEP))的足够粘附性,从而无法提供耐用的光伏电池。此外,一些有机硅烷偶联剂,例如某些氨基硅烷偶联剂(具有至少一个胺官能团)不能被混合到(即掺入)乙烯α,β-不饱和羧酸共聚物和离聚物包封材料中,这是因为所得组合物在形成为膜时具有不能接受的凝胶化程度。
然而,令人惊奇的是,已发现氨基硅烷偶联剂可用作表面处理剂以改善包封材料对全氟化共聚物树脂例如FEP的粘附性,其中包封材料包括例如乙烯酸共聚物、离聚物、乙烯丙烯酸烷基酯共聚物、乙烯甲基丙烯酸烷基酯共聚物和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物等材料。使用本文所述的方法,可将具有表面改性的全氟化共聚物树脂层的透明膜直接层压到此前已用氨基硅烷偶联剂进行表面处理的第二膜层的表面,以形成具有高粘附性与极佳透明性的独特组合的耐候性多层膜层压体。耐候性多层膜为如下膜,其中各个层彼此良好地粘合,使得在暴露于如下文测试方法中所述的湿热(85℃/85%相对湿度)条件下1000小时后各层之间的剥离强度大于2lbf/in。
此外,已发现,当将上文所述的经氨基硅烷处理过的膜材料粘附到表面改性的全氟化共聚物树脂膜时,其透明性比包含具有非全氟化共聚物树脂的膜的类似构造层压体有所提高,所述具有非全氟化共聚物树脂的膜例如经电晕处理的ETFE,具体地讲,是一面已过电晕处理的ETFE,例如以商品名PV3251购自E.I.du Pont de Nemours and Company的膜。该性质涉及太阳辐射透射率。用本发明的方法制备的多层膜的特征在于具有超过对照标准层压体的如根据ASTM E424所确定的400至800nm波长下的太阳辐射百分透射率,其中对照标准层压体具有包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂(ETFE)的第一膜层。因此,当多层膜层压体构造根据本发明的方法制备并且第一膜层为表面改性的全氟化共聚物树脂时,如根据ASTM E424所确定的该层压体的太阳辐射百分透射率超过对照标准多层膜层压体构造的太阳辐射百分透射率,其中除对照标准层压体的第一膜层的含氟聚合物组分为电晕处理过的ETFE外,多层膜层压体与该对照标准层压体的化学组成和层压体结构(包括膜层厚度)是相同的。
在本发明的方法中,用氨基硅烷偶联剂处理一层聚合材料的表面,所述聚合材料例如为包封剂组合物,例如膜或片材形式的包含乙烯不饱和羧酸共聚物或其离聚物的组合物。
可使用任何已知的技术将氨基硅烷偶联剂施加到第二膜层的表面,所述技术包括液相技术(例如浸涂、喷涂等)和气相(例如气相沉积)技术。优选地,氨基硅烷偶联剂可作为液体溶液施加,一般为其中氨基硅烷的浓度为0.05至1重量%的溶液。可将氨基硅烷溶解于包含极性有机溶剂的溶液中,并使用浸涂技术施加到膜,随后通过干燥移除溶剂。可在足以挥去液体溶剂的高温下进行干燥。极性有机溶剂可为低分子量的醇,例如具有8个或更少、优选4个或更少的碳原子的那些(例如甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇)。溶液可包含极性有机溶剂和水的混合物。例如,0.1重量%的氨基硅烷溶液可使用95%的乙醇水溶液施加,然后在100℃的温度下干燥。可采用一系列溶液组成和干燥温度,所述组成和干燥温度将取决于与所选溶剂联合使用的具体的氨基硅烷、以及第二膜层和第二膜层将粘附其上的全氟化共聚物树脂膜层的表面特性。
还会认识到,可将氨基硅烷偶联剂施加到第二膜层一面的表面,或可将其施加到第二膜层两个面的表面以便将一面粘附到全氟化共聚物树脂膜、另一面粘附到附加层。值得注意的是如下的膜,其包含用氨基硅烷偶联剂进行表面处理(一面或两面)的乙烯α,β-不饱和羧酸共聚物、其离聚物、乙烯丙烯酸烷基酯共聚物、乙烯甲基丙烯酸烷基酯共聚物或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。
尽管可对膜的整个表面区域进行处理,但表面处理不一定在第二膜层的表面上提供连续和/或均匀的氨基硅烷涂层,但应施加足够的氨基硅烷,以便显著提高对全氟化共聚物树脂膜例如FEP膜的粘附性。过量的氨基硅烷偶联剂可能不会提高全氟化共聚物树脂膜层与第二膜层之间的粘附性,这是因为氨基硅烷可自缩聚,从而在膜层的表面上形成薄脆的硅氧烷网络。该硅氧烷网络可能缺乏粘性,从而导致夹层分离。
不受任何具体理论的约束,均匀地分布在第二膜层的表面上的一层一个分子厚的氨基硅烷将提供最佳的粘附性。然而,由于要粘附的膜中的微观表面不平度,需要的氨基硅烷的量有可能稍高一些。
当使用溶液涂覆技术时,溶液中氨基硅烷的浓度有利地为0.01至1重量%,优选0.05至0.5重量%。
如果需要,形成用本发明的方法制备的透明多层膜层压体的第二膜层(以及类似地用本发明的方法制备的多层膜层压体中存在的任何附加包封层)的组合物还可以包含掺入的有机硅烷偶联剂,前提条件是当任一层的组合物包含乙烯α,β-不饱和羧酸共聚物或乙烯α,β-不饱和羧酸共聚物的离聚物时,掺入的有机硅烷偶联剂不包含氨基硅烷。掺入任何任选的附加包封层的硅烷偶联剂可与用于处理第二膜层表面的氨基硅烷偶联剂相同或不同。然而,用本发明的方法制备的多层膜层压体的第二膜层将总是用氨基硅烷进行表面处理。
在本发明方法的一个步骤中,使第二膜层的处理过的表面与已进行表面改性的第一全氟化共聚物树脂层的表面接触。通过以叠加的形式布置全氟化共聚物树脂层和第二膜层进行接触。所得的多层膜结构(在用热和任选的压力或真空进行粘附之前)或多层膜层压体(在各层用热和任选的压力或真空进行粘附之后),即多层层叠件,可用于后续的层压步骤。
在本发明的方法中,通过施加热和任选地压力或真空将第一表面改性的全氟树脂共聚物膜层和表面处理过的第二膜层粘附在一起。向上述多层膜结构施加足够的热,使达到的温度高于第二膜层的软化温度,以便其软化并粘附到第一全氟化共聚物树脂层。该温度将取决于构成第二膜层的特定的一种或多种聚合物。此外,一个或多个其它层可接触第一膜层和/或第二膜层中的一者或多者。然而,没有介于第一膜层和第二膜层之间的层。根据所使用的仪器、层压条件、存在的其它层的数量等,可能有必要将温度保持在比第二膜层的软化温度高10℃至30℃并维持1至10分钟以获得粘附性。任选地,可在加热过程中对多层膜结构施加压力或真空,以确保各层之间的良好接触。
当第二膜层中所用的材料(即包封材料)不需要通过交联获得尺寸稳定性时,可通过使用氨基硅烷进行表面处理的第二膜层与表面改性的第一全氟化共聚物树脂膜层接触以形成多层膜结构、然后施加热并使多层膜结构穿过辊隙来制备多层膜层压体。例如,可将多层膜结构放入烘箱中在约80℃至约120℃、或约90℃至约100℃下加热约20至约40分钟,然后使加热的多层膜结构通过一组压料辊,以便各个层之间的空隙空间中的空气可被挤出,并且多层膜结构的边缘可被密封。这形成了多层膜层压体。该阶段的多层膜层压体可被称为预压件。然后将多层膜层压体或预压件放入空气高压釜中,在约100至约300psi(约6.9至约20.7巴)、或约200psi(13.8巴)的压力下,将高压釜中的温度升至约120℃至约160℃、或约135℃至约160℃。将这些条件保持约15至约60分钟、或约20至约50分钟,然后使空气冷却,而不将额外的空气引入高压釜中。冷却约20至约40分钟后,释放高压釜中的过量气压并将层压产品移出高压釜。
也可通过非高压釜方法制得多层膜层压体。此类非高压釜方法公开于例如美国专利3,234,062、3,852,136、4,341,576、4,385,951、4,398,979、5,536,347、5,853,516、6,342,116和5,415,909,以及美国专利申请公布2004/0182493、欧洲专利申请公布1235683B1和PCT国际公布WO9101880和WO03057478中。一般来讲,非高压釜方法包括加热预层压组合件并且施加真空、压力或二者。例如可使组合件相继通过加热烘箱和压料辊。
可使用真空层压机将表面改性的全氟化共聚物树脂第一膜层粘附到表面处理过的第二膜层,以形成多层膜层压体。层压机包括压板基座,膜层以叠加的形式被放置在其上以进行层压。层压机还包括覆盖并完全包围压板基座的机罩。可排空被压板和机罩包封的区域。层压机还包括位于机罩内并连接到机罩的内表面顶部的柔性囊状物,可对其进行充气,使得其中的压力大于被排空区域中的压力。例如,囊状物上方的压力可为大气压,并且可将层压体保持在囊状物下方的真空下以移除空气。当对囊状物充气时,囊状物的柔性表面从机罩顶部朝压板推进,并向多层重叠件施加表面压力,以确保层叠件与压板之间具有良好的热接触。对于多层膜结构的层压操作而言,将层压机预热至第二膜层的软化温度以上,并在整个层压过程中保持该温度。
将全氟化共聚物树脂第一膜层的经表面改性的表面放置成与第二膜层的经氨基硅烷处理过的表面相接触,使得第二膜层被夹在压板与第一膜层之间。可将其它层放置在第二膜层与压板之间以粘附到第二膜层。可将耐热板放置在第二膜层下方,以延迟热流动并允许样品脱气和脱挥。可将防粘板放置在第二膜层下方和/或第一膜层上方,以防止样品层粘附到层压机部件。将多层膜结构放置到压板上,然后将层压机的机罩降至合适的位置并密封。然后,排空层压机的压板与机罩之间的包围多层膜结构的区域(例如,使压力达到1毫巴),以帮助进一步防止出现空隙、缺陷和气穴。然后,对橡胶囊状物进行充气(例如,使压力达到999毫巴),使得其紧压多层膜结构并确保与压板的良好热接触。将压力和热保持足够长的一段时间(1-10分钟),以软化第二膜层并使其粘附到全氟化共聚物树脂第一膜层以及(如果有的话)接触与全氟化共聚物树脂第一膜层相对的第二膜层的表面的任何附加层。如果第二膜层包含乙烯-乙酸乙烯酯共聚物,那么将热和压力保持附加的时间段,以便进行如下文所述的交联。加热步骤完成后,将囊状物降压至0毫巴,使其可不再与多层膜层压体接触,将机罩排气至大气压,然后解除机罩密封并打开机罩。从压板上取下多层膜层压体,使其冷却至室温。
为了促进交联,将本文所用的EVA组合物配制成每100份具有0.1至5份交联剂(例如有机过氧化物)。可进行EVA的交联,使得EVA层的内部温度达到从120℃至170℃或180℃的温度并保持足够的时间,以提供65至90%、优选80至90%或更高的凝胶含量。根据仪器、层压条件和其它层的数量,可能必须将层压的多层结构的温度保持在比所需内部温度高10℃至30℃并维持较长的一段时间,以确保满足所需的内部条件。例如,可通过将层压的多层结构在150℃下保持10至20分钟,使得EVA的内部温度达到140℃并保持至少5分钟以获得80%的凝胶含量而进行交联。可通过在组装测试样品期间将热电偶传感器放置在EVA与下面的层之间、然后在层压过程中监测温度来确定层压/交联过程中EVA的内部温度。当EVA熔融时,热电偶完全被EVA包围。交联条件也可基于先前已知的用于提供充分交联的条件。
可用所述的层压工序制备多层膜,尤其是除配制的EVA之外的第二膜层。
本文所述的层压方法并不是实施此类层压的唯一可行方法。例如,更先进的层压机具有可回缩的销轴,该销轴将多层层压体结构保持在热源上方直至产生接触并加热的所需时间为止。这将在大多数情况下消除对耐热层的需要。通过适当修改,该层压工序还可用于制备如下所述包括包封层、太阳能电池层和/或背衬层的光伏组件。
耐候性多层膜层压体可用作光伏组件的一体化前板,其提供保护由单独的入射层和包封层形成的光伏组件的电子组件所必需的所有特性,并可直接粘附到组件的太阳能电池层。本文制备的透明多层膜层压体可用作一体化前板,其中全氟化共聚物树脂第一膜层用作入射层,第二膜层用作包封层。
因此,本发明涉及用于形成光伏组件的方法,该方法包括上文所述的用于制备透明多层膜层压体的方法,还进一步包括用通过本发明方法制备的透明多层膜层压体(即一体化前板)覆盖太阳能电池层的步骤。
在一个实施方案中,采用使得用氨基硅烷进行表面处理的第二膜层的表面接触太阳能电池层的方式使太阳能电池层与透明多层膜层压体接触,其中用氨基硅烷进行表面处理的第二膜层的表面与接触第一全氟化共聚物树脂层的表面相对。在该实施方案中,多层膜层压体的表面积大于太阳能电池层的表面积,并且多层膜层压体的一些部分将延伸超过太阳能电池层的周边。因此,在该实施方案中,透明多层膜层压体的延伸超过太阳能电池层的周边的那些部分被设置成接触包封层,所述包封层可由与透明多层膜层压体的第二膜层相同或不同的材料形成。然后通过施加热和任选地压力将透明多层膜层压体粘附到太阳能电池层和包封层,以形成光伏组件。当透明多层膜层压体的第二膜层和/或包封层包含EVA时,在制备光伏组件过程中,对包含透明多层膜层压体、太阳能电池层和包封层的层结构施加充分的热和压力并保持足够的时间,以使得EVA组合物交联。
太阳能电池层可显著地比其它层更厚且形状不规则,使得在太阳能电池和太阳能电池层的其它组件之间和周围包括空间。因此,透明多层膜层压体的第二膜层的某些部分将接触在太阳能电池层周边之外的包封层,并且在加热时可以粘合。如本文所用,太阳能电池层的周边是被太阳能电池层包围的边区外缘的轮廓。第二膜层还可接触在太阳能电池层组件之间的空间内的附加包封层。在许多情况下,希望第二膜层和/或包封层流入所述空间内并紧密包封太阳能电池和其它组件,从而物理地加强光伏组件。因此,可能有必要将热施加足以允许此类流动的一段时间,该时间段可能比用于粘合形状更规则的较薄层所需的时间更长。例如,可采用以下方式施加热:将透明多层膜层压体的温度保持在它的第二膜层的软化点以上或附加包封层的软化点以上(以二者中的较高者为准)5-30分钟,以便有效地加强光伏组件。
可用类似于此前所述的真空层压工序完成上文叙述的步骤,除了包封层和太阳能电池层被包含在具有透明多层膜结构的多层层压体结构中之外,所述透明多层膜结构包含第一全氟化共聚物树脂膜层和第二膜层。
在许多情况下,可如上所述制备光伏组件,其中首先制备包括全氟化共聚物树脂膜层和第二膜层的透明多层膜层压体(一体化前板),随后通过施加热和任选地压力或真空将其与其它层组装在一起形成光伏组件。
另一个实施方案包括用氨基硅烷偶联剂处理第二膜层的表面,使经氨基硅烷处理过的第二膜层的表面与全氟化共聚物树脂膜层的改性表面接触以形成膜层压体结构,用膜层压体结构覆盖太阳能电池层使得第二膜层被定位成所述第二膜层的某些部分接触包封层,然后施加热和任选地压力以使得各层同时彼此粘合。这提供了用于制备其中所有层的层压在单次操作中完成的光伏组件的方法。
上文所述的方法还可包括将一个或多个附加层粘附到包封层表面的那些步骤。在此类实施方案中,将附加层设置在与接触第二膜层表面的部分的表面相对的包封层的一面。可在将第二膜层与上述包封层接触和粘附之前、同时或之后将附加层粘附到包封层。
例如,包封层可为一体化背板的一部分,其中包封层在接触并粘附至第二膜层之前被粘附至附加层。作为另外一种选择,包封层的一个表面可接触透明多层膜层压体的第二膜层,相对表面可接触另一个层(例如背板),并同时粘附到这两个层;或者包封层可粘附到透明多层膜层压体的第二膜层,然后再粘附到另一个层(例如背板)。
在一些情况下,还可用氨基硅烷偶联剂对包封层进行表面处理,以提高对第二膜层和/或附加层的粘附性。
在这些情况的任何一种中,透明多层膜层压体的第二膜层可为与第一全氟化共聚物树脂膜层结合的一体化前板的一部分,或者可在将透明多层膜层压体的第二膜层粘附到太阳能电池层和包封层的同时粘合第一全氟化共聚物树脂膜层和第二膜层。
上文所述的方法提供了多层膜和光伏组件,其特征在于第一膜层与第二膜层之间的平均剥离强度大于2lbf/in,如在将膜或光伏组件暴露于85℃和85%相对湿度的条件(湿热)下1000小时后所测量。当膜或光伏组件包含EVA层时,EVA在暴露于湿热之前进行交联。
这些方法中使用的光伏组件、太阳能电池层和一个或多个附加层将在下文中详述。
在典型的组件构造中,太阳能电池层被夹在两个包封层之间,这两个包封层又被夹在前板(或入射层)与背板层之间,从而提供耐候性、抗紫外线性、防潮层特性、低介电常数和高击穿电压。在本文所述的方法中,包含透明多层膜层压体的表面改性的全氟化共聚物树脂膜组合物的层用作光伏组件的前板,透明多层膜层压体的第二膜层用作包封层。该组合可以本文所述的透明多层膜层压体的形式提供,其也被称为一体化前板。如此前所述,还可将夹着太阳能电池层的第二膜层和附加包封层以及另一个层(背板层)粘附到附加包封层。
单晶硅(c-Si)、多晶硅(poly-Si或mc-Si)和带状硅是用来形成传统的晶片型太阳能电池的最常用材料。源自晶片型太阳能电池的光伏组件通常包含焊接在一起的一系列自承晶片(或电池)。这些晶片通常具有介于约180μm和约240μm之间的厚度。
薄膜太阳能电池通常由包括非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物(CuInSe2或CIS)、铜铟硫化物、铜铟/镓二硒化物(CuInxGa(1-x)Se2或CIGS)、铜铟/镓二硫化物、吸光染料以及有机半导体的材料形成。通过将半导体层沉积到由玻璃或柔性膜形成的覆板或基板上来制备通常厚度小于2μm的薄膜太阳能电池。
用本文所述的方法制备的光伏组件包括但不限于晶片型太阳能组件(例如c-Si或mc-Si型太阳能电池,如上所述)和薄膜太阳能组件(例如a-Si、μc-Si、CdTe、CIS、CIGS、吸光染料或有机半导体型太阳能电池)。在太阳能电池层内,太阳能电池可电互连和/或排列在平面中。此外,太阳能电池层还可包含电线,例如十字带和母线。
合适的背板层包含聚合物,包括但不限于聚酯(例如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)和聚(萘二甲酸乙二醇酯))、聚碳酸酯、聚烯烃(例如聚丙烯、聚乙烯和环状聚烯烃)、降冰片烯聚合物、聚苯乙烯(例如间规聚苯乙烯)、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚砜(例如聚醚砜、聚砜等)、尼龙、聚(氨基甲酸酯)、丙烯酸类、乙酸纤维素(例如乙酸纤维素、三乙酸纤维素等)、玻璃纸、硅氧烷、聚(氯乙烯)(例如聚(偏二氯乙烯))、含氟聚合物(例如,聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和乙烯-四氟乙烯共聚物)、以及它们中的两种或更多种的组合。聚合物膜可为非取向的、或单轴向取向的、或双轴向取向的。被夹在两层聚氟乙烯(PVF)之间的聚酯(PET)多层膜是背板的具体实例。尽管如本文所述制备的包含粘附到用氨基硅烷进行表面处理的第二膜层的全氟化共聚物膜层的多层膜在上文中被描述为一体化前板,但它也可作为另外一种选择被用作一体化背板。当用作一体化背板时,此类透明多层膜层压体可与用作一体化前板的类似或相同的透明多层膜层压体联合使用,或与不同组成的前板和/或包封层联合使用。
在一些实施方案中,正面和背面都结合有透明层的双面组件从装置的两个面接收入射光。例如,如本文所述的透明多层膜层压体可用作双面装置的第一前板,而玻璃层用作第二前板。作为另外一种选择,对于柔性双面组件而言,可在装置的两个面上使用如本文所述的透明多层膜层压体,其中每个板的组成可相同或不同。例如,FEP透明层可以用作装置一面上的前板,同时在装置的另一面上使用现有技术的ETFE透明层,或者可在装置的两个面上均使用FEP层。
太阳能电池组件还可包含嵌入组件内的其它功能膜或片材层(例如,介电层或阻挡层)。例如,涂覆有金属氧化物涂层的聚(对苯二甲酸乙二酯)膜,如美国专利6,521,825和6,818,819以及欧洲专利EP1182710中所公开的那些,可用作透明多层膜层压体或光伏组件中的隔氧和防潮层。
如果需要,太阳能电池层与包封层之间还可以包含一层纤维(稀松布),以有利于层压过程中除气或用来加强包封层。纤维可为织造或非织造的玻璃纤维或相连纤维形成的网席。此类稀松布层的用途公开于例如美国专利5,583,057、6,075,202、6,204,443、6,320,115和6,323,416以及欧洲专利EP0769818中。
可以使用本文所述的方法制备前述光伏组件实施方案中的任何一个。
本发明还通过以下实施例进一步描述,所述实施例不限制在权利要求中描述的本发明的范围。
实施例
使用的材料
ACR-1:乙烯/甲基丙烯酸共聚物(19重量%的甲基丙烯酸共聚单元),如根据ASTM D1238所测定,其熔体流动速率为60g/10min(190℃,2.16kg)。
离聚物-1:用3.2重量%的ZnO中和的乙烯/甲基丙烯酸共聚物(19重量%的甲基丙烯酸共聚单元),如根据ASTM D1238所测定,其熔体流动速率为1.3g/10min(190℃,2.16kg)。
离聚物-2:77份乙烯/甲基丙烯酸共聚物(19重量%的甲基丙烯酸共聚单元)、23份离聚物-1以及10份由97.5重量%的离聚物-1和2.5重量%的328组成的母料共混物的熔融共混混合物。
离聚物-3:90份用1.19重量%的ZnO中和的乙烯/甲基丙烯酸共聚物(15重量%的甲基丙烯酸共聚单元)与10份稳定剂浓缩物的配混物,其中所述乙烯/甲基丙烯酸共聚物如根据ASTM D1238所测定的熔体流动速率为5.5g/10min(190℃,2.16kg),所述稳定剂浓缩物由8.6份ACR-1、0.4份328、0.3份1076、0.3份168和0.4份2020组成。
APTMS:3-氨基丙基三甲氧基硅烷,购自Sigma-Aldrich Co.。
FEP-1:一种膜,其一面进行了电晕处理,包含四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(7.2至8.1重量%的HFP共聚单元、1.5至1.8重量%的PEVE共聚单元和90.1至91.3重量%的TFE共聚单元),如在ASTM D2116中所限定的标称熔体流动速率为6至8g/10min并且在260与270℃之间熔融,以商品名PV3151购自DuPont。
ETFE-1:一种膜,其一面进行了电晕处理,包含乙烯-四氟乙烯共聚物(76.5至80.1重量%的TFE共聚单元、17.8至19.6重量%的乙烯共聚单元和2.1至3.9重量%的PFBE共聚单元),以商品名PV3251购自DuPont。
用离聚物-2和离聚物-3通过常规的挤出铸塑法制备膜。通过将离聚物-2粒料加入4 1/2″单螺杆挤出机而由离聚物-2制备膜。在320°F下挤出熔融物,将其滤过250目筛网,然后送至保持在320°F下的54英寸宽板材模具。将聚合物通过模头挤出,并送至在粗糙钢辊与粗糙橡胶辊之间形成的辊隙中,以便向板材提供无规的压花表面图案。将15密耳的板材冷却并以大约10英尺/分钟的速率收集在卷绕机上。使用具有20密耳间隙的10英寸模头,通过挤出在150℃设定值(熔融温度180℃)下的离聚物-3而制备15密耳厚的膜。
按照以下工序使用氨基硅烷处理包含离聚物的膜,其中所有份数均按重量计。
表面处理方法
用95份乙醇、5份水和0.1份APTMS制备溶液。乙醇和水部分作为预混溶剂获得,即得自Sigma/Aldrich Co.的190Proof分子生物学专用乙醇(“Ethanol for Molecular Biology,190Proof”)。用金属纸夹将离聚物膜样品附接到用于支撑的PTFE(含氟聚合物树脂)板基底。使准备用氨基硅烷处理的膜的一侧取向为面朝外,远离支撑板。尽管溶液液体可进入支撑板与连接到支撑板的膜之间,使得两面都可被处理,但仍具有可使溶液液体到达远离支撑件的膜表面的自由通道。将膜和支撑基底组合件浸入溶液中,保持5分钟。然后从溶液中取出膜和支撑基底,并用异丙醇彻底冲洗。冲洗完成后,用氮气流吹干整个组合件。为了移除任何残余的溶剂,将组合件放入设为100℃的对流烘箱中加热30分钟。将组合件放入烘箱之前可从其上取下夹子,以防止在热应力下由于夹子的保持所造成的约束使膜产生永久的褶皱。干燥之后立即将干燥的膜层压到基底,或将其储存起来以备将来进行层压。层压时,对远离支撑件的膜表面进行层压。
层压方法
使用可商购获得的FEP-1和ETFE-1膜,它们按从制造商处获得时的原样使用。
就粘附强度测试而言,将离聚物膜样品层压到全氟化共聚物树脂膜和金属箔基底。在表面处理方法中面向远离支撑件方向的包含离聚物的膜表面为接触全氟化共聚物树脂膜的表面。
使用具有压板、机罩和囊状物的层压机对膜进行层压。样品由铝箔基底、样品片和柔性顶片组成。实施例样品片为根据上文所述的表面处理方法进行表面处理的含离聚物片。柔性顶片为表面改性的(即,经电晕处理的)全氟化共聚物树脂膜。比较实施例包括使用经电晕处理的ETFE-1(而不是FEP-1)制备的类似层压样品以及用未经表面处理的离聚物膜制备的层压样品。
将全氟化共聚物树脂膜的经电晕处理的表面放置为与含离聚物膜的经氨基硅烷处理过的表面接触,使得含离聚物膜被夹在金属箔与全氟化共聚物树脂膜之间。
样品的层压区域为8英寸×8英寸。在覆盖件的一端将一小片聚酯滑片置于全氟化共聚物树脂膜与含离聚物的样品膜之间,以提供未层压(未粘附)区域,以作为后续剥离测试的起始点。组装好测试样品之后,将其与金属箔背板一起放置在未处理的10密耳厚FEP 1000A防粘膜片和由包含芳族聚酰胺纤维(1.8-2.0oz/yard,购自DuPont(Wilmington,DE))的Z-11水刺织物制成的五个耐热层顶上。将另一个10密耳FEP 1000A防粘片放置在多层层压体结构的测试样品顶上。耐热层的目的是在层压过程中减慢加热速率,使得样品层不会在所有空气从膜层界面之间逸出之前软化,从而避免形成气穴或其它缺陷。防粘片防止可能从多层层压体结构流出的任何材料粘附到层压机的部件。
然后将由多层膜层压体、耐热层和FEP 1000A防粘片组成的组合件放置到压板上,此时金属箔面向压板。将压板预热至150℃,并在整个层压过程中保持150℃。将组合件放置到压板上之后立即将层压机的机罩降至合适的位置并密封,在大约6分钟内将层压机压板与机罩之间包围样品的区域抽空,使压力降至1毫巴,以进一步有助于防止出现空隙、缺陷和气穴。然后在大约1分钟的时间内向橡胶囊状物充气,使压力达到999毫巴,以提供样品和其它层上的压力,并确保与压板形成良好热接触。机罩压力(1毫巴)、囊状物压力(999毫巴)和压板温度(150℃)都在大约13分钟或更长的时间内保持恒定,这取决于样品组成和耐热层的数量。通过加热确保表面处理离聚物膜得以软化,使得它与全氟化共聚物膜的表面紧密贴合接触。
层压之后,将囊状物减压至0毫巴(在30秒内)。将机罩排空至大气压,打开机罩。该操作需要大约30秒。立即将样品和其它层从压板上取下,并将其在室温下冷却至少10分钟。
使用经氨基硅烷进行表面处理的膜相似地制备准备用于透光率测试的样品,除了将不透明的金属箔基底替换为树脂膜之外,该树脂膜未粘附到样品第二层的经氨基硅烷处理过的表面。样品尺寸为4英寸×4英寸。将四片Z-11水刺织物置于底部压板与每个样品之间,以减慢加热速率。将样品设置为含氟聚合物前板向下(朝向压板);可移除的(未处理的)含氟聚合物背板向上(朝向囊状物)。用样品上方和下方的玻璃板保持平坦。使用4分钟抽空期、1分钟加压期和用于调节对玻璃板的加热的30分钟保持期进行层压。
层压步骤之后,很容易地取下膜,从而获得含氟聚合物前板粘附到表面处理过的第二膜层的透明双层层压体。使用ETFE-1代替FEP-1作为含氟聚合物膜层制备多层膜层压体的比较实施例。
测试方法
湿热暴露
将多层膜层压体样品置于能够提供受控制的加热和湿度的实验室烘箱中,其中用夹子将多层膜层压体样品从架子上垂直悬挂下来。然后使烘箱达到85℃的温度和85%的相对湿度。在测试持续时间内,使烘箱保持“黑暗”(即,不使用内部照明源;一些光可能从烘箱外部通过观察窗口进入)。将这些条件保持指定的小时数。在暴露500小时和1000小时后取出样品并测试,评价用于光伏应用的适用性。在85℃和85%相对湿度下保持1000小时是许多光伏组件评定标准中所要求的暴露条件。
剥离强度
通过用刀片穿过多层膜层压体,相继切割层压体的全氟化共聚物树脂顶片、第二层和金属箔下层来制备样品。每隔1英寸进行平行切割。这提供了1英寸宽的3层层压体。切割样品的1英寸部分,使1英寸宽度平行于全氟化共聚物树脂顶片的最长尺寸,样品是从层压(粘附)区域内部而不是从靠近层压区域边缘的区域取得的。切口从层压区域贯穿上文所述由聚酯滑片提供的全氟化共聚物树脂片的未层压部分。剥离测试的起始点为样品的层压和未层压区域之间的边界。
对两个多层膜层压体的每种组成实施例和每种暴露条件进行测试。对每个层压体进行多达三次的1英寸宽度剥离测试。报告的剥离强度表示每个实施例至多15次测试的平均值(在每个时间点进行5次剥离:湿热处理之前的初始状态、500小时湿热处理之后、以及1000小时湿热处理之后)。采用T-剥离测试根据ASTM F904-91“Standard Test Method For ComparisonOf Bond Strength Of Ply Adhesion Of Similar Laminates Made From FlexibleMaterials”的步骤测试多层层压膜样品。报告恒定稳态剥离蔓延过程中的平均力。只报告将含氟聚合物前板完全从第二膜层(包封层)和金属箔层上剥落的干净剥离的剥离强度结果。在剥离之前发生层压体前板破裂的情况下,或者当包封层一直粘附在前板上并从金属箔层上剥落时,不报告结果。
比较实施例C1至C4
根据上述层压工序制备经氨基硅烷处理过的和未处理过的含离聚物树脂的多层层压体,其中含氟聚合物第一层是经电晕处理过的非全氟化共聚物树脂的含氟聚合物树脂,即ETFE-1树脂。含离聚物层的材料在表1中列出。在上文所述的湿热暴露条件下测试剥离强度。
层压到ETFE-1(PV3251膜)上的结果报告于表1中。
表1.暴露后对ETFE-1膜的粘附力(lbf/in)
*用APTMS进行表面处理
比较实施例C5和C6以及实施例1和2
比较实施例C5和C6为未用氨基硅烷处理并根据上述层压方法层压到全氟化共聚物树脂膜(FEP-1膜)的含离聚物树脂膜的样品。实施例1和2为如上所述用氨基硅烷进行表面处理并根据上述层压方法层压到FEP-1的含离聚物树脂膜的样品。根据上文所述的方法确定在湿热条件下含离聚物层与含氟聚合物层之间的剥离强度并报告于表2中。对两个多层膜层压体的每种样品组成和每种暴露条件进行测试。对每个层压体进行多达三次的1英寸宽度剥离测试。表2中报告的剥离强度表示每个实施例至多15次测试的平均值(在每个时间点进行5次剥离:湿热处理之前的初始状态、500小时湿热处理之后、以及1000小时湿热处理之后)。
表2.暴露后与FEP-1膜的粘附力(lbf/in)
*用APTMS进行表面处理
表2中的数据表明,未处理的离聚物膜对经电晕处理过的FEP-1膜的粘附力很弱。在经氨基硅烷表面处理后,即使在持久湿热处理后也观察到明显更佳的粘附力。
实施例3和4以及比较实施例C7和C8
透光率
制备双层层压体(实施例3),其由一层已根据上文所述的表面处理方法用APTMS处理过的离聚物-3和一层FEP1构成。根据上述层压方法进行层压。用下文所述的方法测试双层层压体的透光率特性,并报告于表3中。
相似地,制备具有以下结构的双层层压体:用APTMS/ETFE-1处理过的离聚物-3(比较实施例C7);用APTMS/FEP-1处理过的离聚物-2(实施例4);以及用APTMS/ETFE-1处理过的离聚物-2(比较实施例C8)。出于说明和比较的目的,本发明的多层膜层压体和对照标准层压体具有相同的结构和组成,除了对照标准层压体的第一层包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂之外,多层膜层压体和对照标准层压体的第一层的组成是相同的。
用下文所述的方法测试透光率特性,并汇总于表3中。
透光率测试方法
根据用于分光光度测定的ASTM E424Solar Energy Transmittance andReflectance(Terrestrial)of Sheet Materials方法A收集光透射光谱。该方法用积分球分光光度计(第6.1.1节)对通过样品透射的光和通过空气透射的光进行比较(第6.4.1节)。通过在标准太阳能分布范围内对光谱透射比(用给定波长下的透射比乘以能量加权纵坐标)进行积分,可以确定样品的总太阳能透射比(%)(第6.5.1节)。用方法B可以获得基本相等的结果(第1.1节),其中方法B将太阳用作光源,将日射强度计用作检测器(第4.2节)。
对于本文所报告的研究而言,使用装有DRA-2500漫反射附件的VarianCary 5000UV/VIS/NIR分光光度计(版本1.12)、以1nm的增量从2500nm扫描至200nm(每个增量平均0.2秒)、采用完全打开的狭缝高度并以双光束模式操作,来确定透光率数据。DRA-2500为具有SPECTRALON反射涂层的150mm积分球。获得每个样品的总透射光谱。以与通过空气透射的光相比较的透射百分比将样品选定波长下的透光率水平报告于表3中。
表3.选定波长下的透光率水平(%)
  波长(nm)   实施例3   比较实施例C7   实施例4   比较实施例C8
  300   0.0   0.0   0.2   0.2
  400   72.1   65.2   82.2   75.0
  500   88.8   84.2   91.8   86.7
  600   90.6   87.2   92.7   88.9
  700   91.7   89.0   93.2   90.1
  800   92.3   90.1   93.4   90.9
包含FEP-1层的多层膜层压体比包含ETFE-1层的比较实施例多层膜层压体具有显著提高的透光率水平。在400至800nm的所有波长下都是这种情况。

Claims (15)

1.用于制备包含至少第一膜层和第二膜层的透明多层膜层压体的方法,所述方法包括:
A.提供包含全氟化共聚物树脂组合物的第一膜层,其中i)所述全氟化共聚物树脂基本上由四氟乙烯和至少一种全氟化共聚单体的共聚单元组成,并且ii)所述第一膜层的至少一个表面已通过表面处理进行改性;
B.提供包含聚合材料的第二膜层,所述聚合材料选自α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物、α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃嵌段共聚物弹性体、α-烯烃与烯键式不饱和羧酸酯的共聚物、硅氧烷弹性体、环氧树脂、以及它们中的两种或更多种的组合;
C.用氨基硅烷偶联剂处理所述第二膜层的表面,以提供表面处理过的第二膜层;
D.使所述表面处理过的第二膜层的处理过的表面与所述第一膜层的改性表面接触;以及
E.通过施加热和任选地压力或真空将所述第一膜层粘附到所述表面处理过的第二膜层,以形成多层膜层压体;
其中所述多层膜层压体的特征在于:(i)在所述第一膜层与所述表面处理过的第二膜层之间具有大于2lbf/in的平均剥离强度,在将所述多层膜层压体暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时后测量,但是当所述第二膜层包含乙烯-乙酸乙烯酯共聚物时,在将所述多层膜层压体暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时之前,将所述多层膜层压体在足够的温度下保持足以交联乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的一段时间;以及(ii)具有超过对照标准层压体的透光率水平,所述透光率水平为根据ASTM E424中的方法确定的通过空气透射的波长为400至800nm的光的百分比,其中所述多层膜层压体和所述对照标准层压体具有相同的结构和组成,除了所述对照标准层压体的第一膜层包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂之外,所述多层膜层压体和所述对照标准层压体的第一膜层的组成是相同的。
2.根据权利要求1所述的方法,其中处理所述第二膜层的表面包括将极性有机溶剂中的氨基硅烷偶联剂的溶液施加到所述第二膜层并干燥,所述第二膜层具有用氨基硅烷偶联剂处理过的表面。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述氨基硅烷偶联剂选自3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、N,N’-双[(3-三甲氧基甲硅烷基)丙基]乙二胺、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-2-(乙烯基苄基氨基)-乙基-氨基丙基三甲氧基硅烷、以及它们中的两种或更多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述第二膜层包含乙烯α,β-烯键式不饱和羧酸共聚物或乙烯α,β-烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述第二膜层还包含有机硅烷偶联剂,所述有机硅烷偶联剂可与用于处理所述第二膜层的表面的氨基硅烷偶联剂相同或不同,并且当所述第二膜层包含乙烯α,β-烯键式不饱和羧酸共聚物或乙烯α,β-烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物时,所述有机硅烷偶联剂不包含氨基硅烷。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述第一膜层的表面已通过选自下列的表面处理进行改性:火焰处理、等离子体处理、电子束处理、氧化处理、电晕放电处理、化学处理、铬酸处理、热空气处理、臭氧处理、紫外线处理、喷砂处理、溶剂处理、以及它们中的两种或更多种的组合。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述表面处理为电晕放电处理。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所述第二膜层包含交联的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。
9.用于制备光伏组件的方法,所述方法包括以下步骤:
A.提供太阳能电池层;
B.提供透明多层膜层压体,所述透明多层膜层压体的面积大于所述太阳能电池层的面积,所述多层膜层压体包含至少第一膜层和第二膜层,其中
1.所述第一膜层包含全氟化共聚物树脂组合物,其中i)所述全氟化共聚物树脂基本上由四氟乙烯和至少一种全氟化共聚单体的共聚单元组成,并且ii)所述第一膜层的至少一个表面已通过表面处理进行改性;
2.所述第二膜层包含选自下列的聚合材料:α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物、α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃嵌段共聚物弹性体、α-烯烃与烯键式不饱和羧酸酯的共聚物、硅氧烷弹性体、环氧树脂、以及它们中的两种或更多种的组合,其中所述第二膜层的表面已用氨基硅烷偶联剂进行处理,以提供表面处理过的第二膜层;并且
3.所述多层膜层压体的特征在于(i)在所述第一膜层与所述表面处理过的第二膜层之间具有大于2lbf/in的平均剥离强度,在将所述多层膜层压体暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时后测量,但是当所述第二膜层包含乙烯-乙酸乙烯酯共聚物时,所述乙烯-乙酸乙烯酯为交联的乙烯-乙酸乙烯酯;以及(ii)具有超过对照标准层压体的透光率水平,所述透光率水平为根据ASTM E424中的方法确定的通过空气透射的波长为400至800nm的光的百分比,其中所述多层膜层压体和所述对照标准层压体具有相同的结构和组成,除了所述对照标准层压体的第一膜层包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂之外,所述多层膜层压体和所述对照标准层压体的第一膜层的组成是相同的;
C.用所述多层膜层压体覆盖所述太阳能电池层,使得
1.所述多层膜层压体的第二膜层的表面接触所述太阳能电池层;
2.所述多层膜层压体的第二膜层的一部分延伸超过所述太阳能电池层的周边;以及
3.所述多层膜层压体的第二膜层的延伸超过所述太阳能电池层的周边的部分接触附加层,所述附加层为包封层;以及
D.通过施加热和任选地压力或真空将所述多层膜层压体的第二膜层粘附到所述太阳能电池层和所述包封层,以提供光伏组件。
10.根据权利要求9所述的方法,其中附加层被粘附到所述包封层的表面,该表面与所述包封层的接触所述第二膜层的表面的部分的表面相对。
11.用于制备包含多层层压体的光伏组件的方法,所述方法包括以下步骤:
A.提供太阳能电池层;
B.提供包含全氟化共聚物树脂组合物的第一膜层,其中i)所述全氟化共聚物树脂基本上由四氟乙烯和至少一种全氟化共聚单体的共聚单元组成,并且ii)所述第一膜层的至少一个表面已通过表面处理进行改性;
C.提供具有上表面和下表面的第二膜层,所述第二膜层的面积大于所述太阳能电池层的面积,其中所述第二膜层包含选自下列的聚合材料:α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物、α-烯烃烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃嵌段共聚物弹性体、α-烯烃与烯键式不饱和羧酸酯的共聚物、硅氧烷弹性体、环氧树脂、以及它们中的两种或更多种的组合;
D.用氨基硅烷偶联剂处理所述第二膜层的上表面,以提供表面处理过的第二膜层;
E.使所述第一膜层的改性表面与所述表面处理过的第二膜层的处理过的上表面接触;
F.使所述太阳能电池层与所述第二膜层接触,使得
1.所述第二膜层的下表面接触所述太阳能电池层;
2.所述第二膜层的一部分延伸超过所述太阳能电池层的周边;以及
3.所述第二膜层的延伸超过所述太阳能电池层的周边的部分接触另一个层,所述另一个层为包封层;以及
G.通过施加热和任选地压力或真空将所述第二膜层粘附到所述第一膜层、所述太阳能电池层和所述包封层,以提供光伏组件;
其中所述光伏组件的特征在于(i)在所述第一膜层与所述表面处理过的第二膜层之间具有大于2lbf/in的平均剥离强度,在将所述光伏组件暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时后测量,但是当所述第二膜层包含乙烯-乙酸乙烯酯共聚物时,在将所述光伏组件暴露于85℃和85%相对湿度的条件下1000小时之前,将所述光伏组件在足够的温度下保持足以交联所述乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的一段时间;以及(ii)具有超过对照标准层压体的透光率水平,所述透光率水平为根据ASTM E424中的方法确定的通过空气透射的波长为400至800nm的光的百分比,其中所述多层膜层压体和所述对照标准层压体具有相同的结构和组成,除了所述对照标准层压体的第一膜层包含乙烯-四氟乙烯共聚物树脂之外,所述多层膜层压体和所述对照标准层压体的第一膜层的组成是相同的。
12.根据权利要求11所述的方法,其中处理所述第二膜层的表面包括将所述氨基硅烷偶联剂的溶液施加到所述第二膜层并干燥,所述第二膜层具有用氨基硅烷偶联剂处理过的表面。
13.根据权利要求11所述的方法,其中所述第二膜层包含乙烯酸共聚物或乙烯酸共聚物的离聚物。
14.根据权利要求11所述的方法,其中所述第二膜层还包含有机硅烷偶联剂,所述有机硅烷偶联剂可与用于处理所述第二膜层的表面的氨基硅烷偶联剂相同或不同,并且当所述第二膜层包含乙烯α,β-烯键式不饱和羧酸共聚物或乙烯α,β-烯键式不饱和羧酸共聚物的离聚物时,所述有机硅烷偶联剂不包含氨基硅烷。
15.根据权利要求11所述的方法,其中附加层被粘附到所述包封层的表面,该表面与所述包封层的接触所述第二膜层的表面的部分的表面相对。
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