CN103059244B - 一种太阳能光伏电池封装涂层用材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏电池封装涂层用材料及其制备方法。该制备方法是在容器中加入计量的异氰酸酯、羟基聚硅氧烷、溶剂和二月桂酸二丁基锡，干燥N2保护下于70℃～80℃反应2～5h；再加入聚多元醇，继续反应1～3h，制备聚氨酯预聚物；在预聚物中加入氟烷基醇，将体系升温至90～110℃，继续反应3～5个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH的摩尔比为1.1～1.2∶1，加入附着力促进剂并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70～80℃固化36～48小时；本发明制备的聚氨酯涂层具有较好的光学、力学和耐候性能，可代替传统的太阳能光伏电池玻璃-EVA胶封装模式，提高太阳能光伏电池的使用寿命。

Description

一种太阳能光伏电池封装涂层用材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏电池封装涂层材料；特别是涉及一种的太阳能光伏电池封装涂层用材料及其制备方法。
背景技术
随着能源的日益枯竭以及环境的恶化，各国政府对节能减排的要求越来越高，人们迫切需求一种新能源能够替代石化燃料。太阳能是一种绿色无污染并且取之不尽的能源，并且相对其它能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用，因而在最近十年，太阳能产业成为了全球各国发展的重点。太阳能的利用主要是通过太阳能电池板将其转化成电能，然后将其转化为其它用途，如太阳能热水器、空调、路灯以及电动汽车等等。由于太阳能电池组件的工作环境主要为室外，而太阳能电池片不能直接暴露在阳光、雨水等自然条件下，为延长其使用寿命，有必要对其进行密封。
目前太阳能光伏电池一般采用玻璃-EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物)作封装材料，这种封装模式虽然能满足太阳能光伏电池封装的基本要求，但存在许多不足，如EVA胶膜抗老化性能较差，在使用过程中容易变黄老化，这大大降低了太阳能光伏电池的使用寿命和光电转换效率，并且采用玻璃-EVA封装模式对玻璃的要求比较高，若玻璃表面被污染或霉变，就会使玻璃的透光率降低，损失了光电转换效率。同时，这种模式封装的太阳能电池还存在维修困难和运输不便等不足。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型太阳能光伏电池封装涂层及其制备方法。该涂层具有较好的透明性、优良的机械性能和耐侯性。
本发明的目的是通过一下技术方案实现的：
一种太阳能光伏电池封装涂层用材料，该材料的化合物具有以下的结构式：
所述的Rf为C6～C12的直链氟烷基；
所述的R为C6～C33的直链、支链或环状的烷烃基；
所述的R1为分子量650～3500范围内的聚酯和/或聚醚基团；
所述的R3和R4为甲基、乙基、丙基、三氟丙基、氰基和苯基中的一种；
所述的n取值范围是1～100。
为进一步实现本发明目的，所述的C4～C10的直链氟烷基优选为己基、癸基、壬基、十二烷基氟烷基。
所述的C6～C33的直链、支链或环状的烷烃基优选为己基、环己基或缩二脲。
所述的分子量650～3500范围内的聚酯和/或聚醚基团为650～3500范围内的聚己二酸系多元醇、聚ε-己内酯、聚氧化丙烯和聚四氢呋喃中的一种或多种。
所述聚酯和/或聚醚基团的分子量优选为800-2000。
所述的n取值范围优选为4～50。
太阳能光伏电池封装涂层用材料的制备方法：在容器中加入计量的异氰酸酯、羟基聚硅氧烷、溶剂和二月桂酸二丁基锡，干燥N2保护下于70℃～80℃反应2～5h；再加入聚多元醇，继续反应1～3h，制备聚氨酯预聚物；在预聚物中加入氟烷基醇，将体系升温至90～110℃，继续反应3～5个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH的摩尔比为1.1～1.2：1，加入附着力促进剂并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70~80℃固化36～48小时；所述附着力促进剂为KH560和LTW；附着力促进剂占反应体系原料总质量的2.0%～5%；其中KH560和LTW的质量比为5:1～1:1；
所述二月桂酸二丁基锡加入量占反应体系原料总质量的0.01～2%；
所述的溶剂为极性溶剂与非极性溶剂的混合物，极性溶剂为二氧六环、吡啶或甲基异丁酮；非极性溶剂为甲苯、二甲苯或氯苯；极性溶剂与非极性溶剂混合的体积比为8:1～2:1；所述溶剂加入量占反应体系原料总质量的10%～25%；
聚氨酯预聚物制备中异氰酸酯和聚多元醇、羟基聚硅氧烷的NCO与OH官能团的当量比范围为15:1～2:1，其中聚多元醇和羟基聚硅氧烷的质量比为10:1～2:1；
所述的氟烷基醇为2,2,3,3,4,4,5,5,-八氟-1,6-己烷二醇、1H,1H,9H,9H-全氟-1,9-壬烷二醇、1H,1H,10H,10H-全氟-1,10-癸二醇、1H,1H,12H,12H-全氟-1,12-十二烷二醇中的一种或两种及以上混合物；
所述的羟基聚硅氧烷的结构为n取值范围是1～100；
所述的聚多元醇为聚酯多元醇和/或聚醚多元醇；
所述的聚酯多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸乙二醇-丙二醇酯二醇或聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇；聚醚多元醇为聚丙二醇、聚氧化丙烯三醇、聚四氢呋喃二醇或四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）本发明可以大大减轻光伏电池组件的重量
目前，光伏电池多采用低铁钢化玻璃和EVA胶膜进行封装，其中低铁钢化白玻璃的密度一般为2500Kg/m3，其封装厚度为3.2mm，因此1平方米玻璃的重量为8Kg。按照资料显示太阳能电池用EVA 1cm3=0.96g，而厚度一般在0.3mm-1.0mm，取厚度为0.5mm计算，一平方米太阳能电池用EVA的重量约为480g。因此玻璃和EVA封装后的重量为8.48Kg。
而本发明中聚氨酯涂层的密度约为1000Kg/m3，当封装厚度为2mm时，1平方米电池板的封装重量为2Kg。
（2）采用低铁钢化玻璃和EVA胶膜封装工艺复杂，生产效率低，本发明的聚氨酯涂层可采用浇注、涂覆等进行封装，封装工艺简单。
（3）透明聚氨酯封装可解决低铁钢化玻璃易碎，运输不便的不足。
附图说明
图1为实施例1中聚氨酯涂层表面X射线光电子能谱图(XPS)。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。
实施例1
在装有搅拌浆、冷凝管、温度计和氮气吹扫管的四口烧瓶中，加入计量的IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯）、羟丙基封端聚硅氧烷（结构式：n=10，）、甲苯/二氧六环(占反应体系原料总质量的10%，其中甲苯和二氧六环的体积比为2:1）、二月桂酸二丁基锡(占反应体系原料总质量的0.01%)，干燥N2保护下于80℃反应2h。随后加入聚ε-己内酯（羟值：212±5mgKOH/g，酸值＜1mgKOH/g)，聚ε-己内酯和羟基聚硅氧烷的质量比为2:1，NCO与OH的当量比范围为15:1；继续反应1h，待NCO恒定时加入1H,1H,10H,10H-全氟-1,10-癸二醇，将体系升温至90℃，继续反应3个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH（预聚物的NCO和氟醇中的OH当量比）的比例为1.1：1。在产物中加入占反应体系原料总质量的2.0%附着力促进剂；附着力促进剂为KH560和LTW，二者质量比为5:1；并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70~80℃固化48小时，得太阳能光伏电池封装涂层用材料。
太阳能光伏电池封装材料层经X射线光电子能谱(XPS)表征、表面衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)检测，证实得到了含氟含硅的聚氨酯涂层。ATR-FTIR中3380cm-1为聚氨酯中N-H键的伸缩振动所致，1734cm-1，1527cm-1为聚氨酯中氨基甲酸酯的振动吸收，1108cm-1为Si-O-Si的振动吸收，其他为聚酯多元醇中的振动吸收，1228cm-1和1128cm-1为C-F的振动吸收，图中在2275-2250cm-1处无吸收，说明聚氨酯固化完全。图1中F1s的结合能在282.5eV，N1s的结合能在398.1eV，O1s的结合能在529.6eV，F1s的结合能在686.4eV，Si2p的结合能在99.7eV。
表1实施例1中聚氨酯涂层衰减全反射红外光谱检测
实施例2
在装有搅拌浆、冷凝管、温度计和氮气吹扫管的四口烧瓶中，加入计量的IPDI单体和其三聚体（其中单体和三聚体的质量比为8:1）、羟丙基封端聚硅氧烷（结构式：n=15，）、甲苯/二氧六环(反应体系总质量的35wt%，其中甲苯和二氧六环的质量比为3:1)、二月桂酸二丁基锡(反应体系总质量的0.05wt%)，干燥N2保护下于70℃反应3h；再加入聚四氢呋喃二醇（羟值：650±25KOH/g，酸值：＜0.1KOH/g）；聚四氢呋喃二醇和羟基聚硅氧烷的质量比为5:1，NCO与OH的当量比范围为10:1；继续反应2h，待NCO恒定时加入1H,1H,10H,10H-全氟-1,10-癸二醇，将体系升温至95℃，继续反应4个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH的比例为1.2/1。在产物中加入2.0wt%附着力促进剂KH560和LTW（质量比为3:1）并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70~80℃固化48小时。
聚氨酯涂层经X射线光电子能谱(XPS)表征、表面衰减全反射红外光谱检测，如实施例1图所示，XPS中各元素的能谱位置和红外谱图中各基团的吸收位置由于电子效应和氢键等的影响只有微量偏差，证实得到了含氟含硅的聚氨酯涂层。
实施例3
在装有搅拌浆、冷凝管、温度计和氮气吹扫管的四口烧瓶中，加入计量的HDI单体（六亚甲基二异氰酸酯）、羟丙基封端聚硅氧烷（结构式：n=20，）、甲苯/甲基异丁酮(反应体系总质量的40%，其中甲苯和甲基异丁酮的质量比为5:1)、二月桂酸二丁基锡(反应体系总质量的0.03%)，干燥N2保护下于80℃反应2h；再加入聚丙二醇（羟值：105～107KOH/g，酸值：0.1KOH/g），聚丙二醇和羟基聚硅氧烷的质量比为6:1，NCO与OH的当量比范围为7:1；继续反应1.5h，待NCO恒定时加入1H,1H,12H,12H-全氟-1，12-十二烷二醇，将体系升温至90℃，继续反应5个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH的比例为1.1/1。在产物中加入2.0wt%附着力促进剂KH560和LTW（质量比为1:1）并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70~80℃固化48小时。
聚氨酯涂层经X射线光电子能谱(XPS)表征、表面衰减全反射红外光谱检测，如实施例1图所示，XPS中各元素的能谱位置和红外谱图中各基团的吸收位置由于电子效应和氢键等的影响只有微量偏差，证实得到了含氟含硅的聚氨酯涂层。
实施例4
在装有搅拌浆、冷凝管、温度计和氮气吹扫管的四口烧瓶中，加入计量的IPDI单体、羟丙基封端聚硅氧烷（结构式：n=30，）、甲苯/甲基异丁酮(反应体系总质量的50wt%，其中甲苯和甲基异丁酮的质量比为5:1)、二月桂酸二丁基锡(反应体系总质量的2wt%)，干燥N2保护下于80℃反应5h；再加入聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇（羟值：37～112KOH/g,酸值：0.3～1.0KOH/g），(其中聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇和羟基聚硅氧烷的质量比为10:1，NCO与OH的当量比范围为2:1),继续反应3h，待NCO恒定时加入1H,1H,12H,12H-全氟-1,12-十二烷二醇，将体系升温至100℃，继续反应4个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH的比例为1.1/1。在产物中加入2.0wt%附着力促进剂KH560和LTW（质量比为2:1）并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70~80℃固化48小时。
聚氨酯涂层经X射线光电子能谱(XPS)表征、表面衰减全反射红外光谱检测，如实施例1图所示，XPS中各元素的能谱位置和红外谱图中各基团的吸收位置由于电子效应和氢键等的影响只有微量偏差，证实得到了含氟含硅的聚氨酯涂层。
实施例5
在装有搅拌浆、冷凝管、温度计和氮气吹扫管的四口烧瓶中，加入计量的IPDI和HDI单体（质量比为5:1）、羟丙基封端聚硅氧烷（结构式：n=40，）、甲苯/甲基异丁酮(反应体系总质量的50wt%，其中甲苯和甲基异丁酮的质量比为5:1)、二月桂酸二丁基锡(反应体系总质量的2wt%)，干燥N2保护下于80℃反应5h；再加入聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇（羟值：37～112KOH/g,酸值：0.3～1.0KOH/g）和聚丙二醇（羟值：105～107KOH/g，酸值：0.1KOH/g），聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇、聚丙二醇和羟烷基聚硅氧烷的质量比为6:3:1，NCO与OH的当量比范围为2:1；继续反应3h，待NCO恒定时加入1H,1H,12H,12H-全氟-1,12-十二烷二醇和1H,1H,10H,10H-全氟-1,10-癸二醇（其中1H,1H,12H,12H-全氟-1,12-十二烷二醇和1H,1H,10H,10H-全氟-1,10-癸二醇的质量比为3:1），将体系升温至100℃，继续反应4个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH的比例为1.1/1。在产物中加入2.0wt%附着力促进剂KH560和LTW（质量比为1:1）并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70~80℃固化48小时。
聚氨酯涂层经X射线光电子能谱(XPS)表征、表面衰减全反射红外光谱检测，如实施例1图所示，XPS中各元素的能谱位置和红外谱图中各基团的吸收位置由于电子效应和氢键等的影响只有微量偏差，证实得到了含氟含硅的聚氨酯涂层。
将实施例1-5所得的聚氨酯涂层制成厚度为2mm，并对其进行检测，涂层的光学性能，机械性能等都按照国标进行检测,具体见表2。由表2可知聚氨酯涂层具有优异的光学、机械、耐高低温性能，可应用于光伏电池的封装。与传统的光伏电池封装材料玻璃和EVA胶膜相比，此聚氨酯涂层封装可大大降低光伏组件的重量，解决玻璃易碎，运输不便等不足。
表2

Claims (2)

1.一种太阳能光伏电池封装涂层用材料的制备方法，其特征在于：在容器中加入计量的异氰酸酯、羟基聚硅氧烷、溶剂和二月桂酸二丁基锡，干燥N2保护下于70℃～80℃反应2～5h；再加入聚多元醇，继续反应1～3h，制备聚氨酯预聚物；在预聚物中加入氟烷基醇，将体系升温至90～110℃，继续反应3～5个小时进行扩链得到产物，控制体系中总的NCO/OH的摩尔比为1.1～1.2：1，加入附着力促进剂并搅拌均匀，同时抽真空除气泡，70～80℃固化36～48小时；所述附着力促进剂为KH560和LTW；附着力促进剂占反应体系原料总质量的2.0％～5％；其中KH560和LTW的质量比为5:1～1:1；
所述二月桂酸二丁基锡加入量占反应体系原料总质量的0.01～2％；
所述的溶剂为极性溶剂与非极性溶剂的混合物，极性溶剂为二氧六环、吡啶或甲基异丁酮；非极性溶剂为甲苯、二甲苯或氯苯；极性溶剂与非极性溶剂混合的体积比为8:1～2:1；所述溶剂加入量占反应体系原料总质量的10％～25％；
聚氨酯预聚物制备中异氰酸酯和聚多元醇、羟基聚硅氧烷的NCO与OH官能团的当量比范围为15:1～2:1，其中聚多元醇和羟基聚硅氧烷的质量比为10:1～2:1；
所述的氟烷基醇为2,2,3,3,4,4,5,5,-八氟-1,6-己烷二醇、1H,1H,9H,9H-全氟-1,9-壬烷二醇、1H,1H,10H,10H-全氟-1,10-癸二醇、1H,1H,12H,12H-全氟-1,12-十二烷二醇中的一种或两种及以上混合物；
所述的羟基聚硅氧烷的结构为n取值范围是1～100；
所述的聚多元醇为聚酯多元醇和/或聚醚多元醇；
所述的聚酯多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸乙二醇-丙二醇酯二醇或聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇；聚醚多元醇为聚丙二醇、聚氧化丙烯三醇、聚四氢呋喃二醇或四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇；
所述的R3和R4为甲基、乙基、丙基、三氟丙基、氰基和苯基中的一种。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池封装涂层用材料的制备方法，其特征在于：所述的n取值范围是4～50。
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