CN106255719A - 用于制备光伏模块的层的聚丙烯组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光伏模块的电子器件的层，其中该光伏模块包括至少一个光伏元件和至少一层包括聚丙烯组合物的层，和聚丙烯组合物用于制备光伏模块的元件中至少一层的应用。

Description

用于制备光伏模块的层的聚丙烯组合物
技术领域
本发明涉及用于层元件的聚丙烯组合物、涉及单层元件或多层元件的层、涉及包含包括本发明聚丙烯组合物的层的光伏模块和本发明聚丙烯组合物用于制备光伏模块的层的应用。
背景技术
光伏模块也被称为太阳能电池模块，其利用光产生电，并用在多个该领域公知的应用中。光伏模块的种类可以不同。模块通常具有多层结构，即几个具有不同功能的不同层元件，它们可以是刚性或柔性的。光伏模块的层元件可以相对层材料和层结构而有所不同。刚性光伏模块可例如含有刚性玻璃顶元件、前封装层元件、光伏电池的至少一个元件，连同连接器、后封装层元件、背板层元件和例如铝框。柔性模块中，顶层元件可以是例如由聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物制得的氟化层。上述列举的层元件可以是单层或多层的元件。此外，在元件的各层间或在不同层元件之间可以存在粘接层。
背板层元件可以含有着色层。背板层元件通常起绝缘元件的功能。然而，根据光伏模块的类型，也存在具有导电背板层元件的光伏模块。
背板层通常为含有例如氟化聚合物(例如PVF或PVDF)层、聚酰胺层或聚酯层的多层结构。这些方案昂贵，且它们当中的很多方案也具有有限的绝缘电阻，很容易水解并使得水蒸气透过率相当高。为了克服上述缺陷，需要具有多层结构的元件，通常该多层结构的元件的层间还具有粘接层。多层结构使得制造工艺变得复杂，且在使用过程中也产生了剥离的危险。
EP2277694描述了包括背板元件的光伏模块，该背板元件为多层元件，其中保护层包括聚丙烯组分的柔性共混物。示例中的聚丙烯组分是LyondellBasell市售的Hifax CA10A和Hifax CA 60，根据生产商公布的数据，它们的维卡软化温度为60℃以下(A50(50℃/h10N))。
光伏模块技术仍然突飞猛进，且为满足光伏模块领域中的各种要求，对于层材料的不同解决方案有持续的需求。
附图说明
图1示意性地示出了光伏模块的一个示例。
发明的描述
因此，本发明涉及一种光伏模块，其包括至少一个光伏元件和至少一层包括聚丙烯组合物的层，优选地由聚丙烯组合物组成的层，
其中该聚丙烯组合物包括异相丙烯共聚物(A)，其包括以下组分，优选地由以下组分组成：
-聚丙烯基体组分和
-分散在所述聚丙烯基体中的弹性体丙烯共聚物组分，
且其中，聚丙烯聚合物组合物具有
-根据ISO 16152(25℃)测量时2至30重量％的量的二甲苯冷可溶物(XCS)级分，
-0.2至20.0g/10min(ISO 1133，2.16kg负荷，230℃)的熔体流动速率MFR2，和
-根据ASTM D 1525方法A测量时至少140℃的维卡软化温度。
“聚丙烯组合物”在本文中也被称为“本发明的组合物”。“异相丙烯共聚物(A)”在本文中也被称为“PP共聚物(A)”。“聚丙烯基体组分”在本文中也被称为“基体组分”。“弹性体丙烯共聚物组分”在本文中也被称为“弹性体组分”。“二甲苯冷可溶物(XCS)级分”在本文中也被称为“XCS级分”。
“光伏元件”是指具有光伏活性的元件。光伏元件可以是如在本领域为人熟知的光伏电池的元件，或例如其上是层或以光伏活性在其上进行沉积的基板层，例如其一侧上印刷有具有光伏活性的油墨材料的玻璃层或沉积在基板上具有光伏活性的物质。例如，在所谓的光伏模块的薄膜溶液中，将具有光学活性的油墨印刷在玻璃基板的一侧。
光伏元件最优选地是光伏电池的元件。
“光伏电池”在本文中是指连同连接器在内的光伏电池的层元件。
“至少一层”在本文中是指不同于被称为粘接层或密封层的层。粘接层(密封层)比上述层更薄，且用于提高实际两层之间的粘接性。粘接层聚合物优选地含有极性基团，或是两种以上聚合物组分的共聚物，其中至少一种组分中含有极性基团。
因此，本发明的光伏模块包括至少一层包括本发明的组合物的层，和任选地一层以上的其它层，例如包括本发明的组合物的粘接层。
令人惊奇地发现，本发明的聚丙烯组合物的给定二甲苯冷可溶物(XCS)含量(无定形部分)、MFR和高维卡软化温度的特定组合提供了非常有利的性质的组合，即1)刚性水平(以如下定义的弯曲模量表示)，其在光伏模块中非常有用，2)在层压和最终应用过程中的高热稳定性，和3)非常有利的收缩特性。此外，本发明的组合物的层具有优异的防水性(即水蒸气透过率低)和优异的电性能，如下述实验部分所示。
因此，本发明的聚合物组合物使得，如果期望的话，在光伏模块中使用更简单的层元件，即层元件可以具有更少的层和/或更薄的层，因此可以减少光伏模块的厚度。此外，聚丙烯组合物所形成的层，例如聚丙烯组合物的层压体，没有收缩或使收缩最小化。
此外，本发明的组合物提供了在高层压温度下的层压过程中是非常可行的层材料。另外，在所得的层压体中能避免气泡的形成或使气泡的形成最小化。
由于所述聚丙烯组合物在最终应用中还具有非常有利的温度稳定性，这延长了模块的工作寿命。
优选地，本发明的聚丙烯组合物可以制造光伏模块的多层元件，优选地光伏模块的背板多层元件，其中背板元件的层不含有含氟的聚合物，诸如聚偏氟乙烯聚合物或聚氟乙稀聚合物的层。因此优选地，本发明的光伏模块的背板单层元件的层或多层背板元件的各层不含有含氟的聚合物。
另外，由于优异的机械性能和热性能，本发明的组合物使得能在光伏模块中使用多层元件，其中该元件由基于聚烯烃的层组成。该聚烯烃聚合物可以包括例如选自乙烯和/或α-烯烃的一个以上单体，和任选地，选自含有硅烷的单体和极性共聚单体的一个以上的其它共聚单体。任选地，乙烯和/或α-烯烃的聚烯烃上可接枝硅烷或极性官能团(如马来酸酐(MAH))。
一般地，异相聚丙烯是包括丙烯均聚物或丙烯无规共聚物的基体组分(1)和丙烯与一种以上乙烯和/或C4-C8α-烯烃的共聚物的弹性体共聚物组分(2)，其中弹性体(无定形)共聚物组分(2)分散在所述丙烯均聚或无规共聚物基体聚合物(1)中。
因此，在本文中所用的异相丙烯共聚物(A)是指弹性体(无定形)丙烯共聚物组分是(细微地)分散在聚丙烯基体组分中的。
当基体组分是丙烯均聚物时，异相丙烯共聚物(A)的二甲苯冷可溶物(XCS)级分(无定形级分)(重量％)的量在本申请中也被理解为存在于PP共聚物(A)中弹性体丙烯共聚物组分的量。即，在实践中和在本文中PP共聚物(A)的XCS级分是指弹性体组分，因为基体组分中XCS级分的量明显更低。
本发明还涉及如上下文所定义的本发明的组合物用于制备光伏模块的元件的至少一层的应用。
本发明的光伏模块的本发明的组合物、本发明的PP共聚物(A)、至少一层的层、单层或多层元件的优选层，和本发明的光伏模块都将在下文和权利要求中以进一步的细节、优选的实施方案、范围和性质予以描述，其中优选的实施方案、范围和性质可以以任何顺序进行组合。
本发明的聚丙烯组合物和异相丙烯共聚物(A)
聚丙烯组合物，优选异相丙烯共聚物(A)，如以下测定方法中描述的根据ISO178测量时，其弯曲模量优选地为至少900MPa，优选地为950至3000MPa，优选地为1000至2400MPa，优选地为1100至2300MPa，更优选地为1200至2200MPa。
聚丙烯组合物，优选异相丙烯共聚物(A)，按照以下测定方法中的描述测量时，其熔融温度优选地为158至170℃，优选地为160至170℃，优选地为163至170℃，更优选地为164至169℃。
聚丙烯组合物，优选异相丙烯共聚物(A)，按照以下测定方法中的描述测量时，优选地其二甲苯冷可溶物(XCS)级分的量为2至30重量％，优选地为3至20重量％，优选地为4至17重量％，更优选地4至16重量％。
聚丙烯组合物，优选异相丙烯共聚物(A)，按照以下测定方法中的描述测量时，优选地其MFR2为0.2至15.0g/10min，优选地为0.3至10g/10min。MFR有助于聚丙烯组合物的加工性和机械性能。
聚丙烯组合物，优选异相丙烯共聚物(A)，按照以下测定方法中的描述测量时，优选地其维卡软化温度为至少145℃，优选地为148至165℃，更优选地为150至168℃。
异相丙烯共聚物(A)的共聚单体含量按照以下测定方法中的描述测量时，优选地为0.5至20重量％，优选地为1.0至20重量％，优选地为1.2至10重量％，更优选地为2.0至10重量％，更优选地为2至8重量％。共聚单体优选地选自乙烯和/或C4-C8α-烯烃的共聚单体，优选地选自乙烯。
异相丙烯共聚物(A)的聚丙烯基体组分可以是单峰或多峰丙烯无规共聚物或丙烯均聚物，其均具有公知的含义。多峰丙烯无规共聚物或丙烯均聚物在本文中是指其具有至少两种的聚合物级分，这些级分具有不同的例如一种或两种下述的性质：1)重均分子量或2)MFR。在丙烯无规共聚物作为基体组分的情况下，该共聚物对于其3)共聚单体含量也可以是多峰的，任选地结合上述1)和2)中任一或二者的差异。
PP共聚物(A)的基体组分可以是丙烯均聚物或丙烯无规共聚物。优选的是PP共聚物(A)的基体组分是丙烯均聚物。
因此，优选的是，上文所限定的出现在PP共聚物(A)中的所有共聚单体都来源于弹性体丙烯共聚物组分。
PP共聚物(A)优选地具有的二甲苯冷可溶物(XCS)级分的量优选地为3至20重量％。在优选的实施方案中，其中在基体组分是丙烯均聚物的情况下，XCS含量表示PP共聚物(A)的弹性体组分的量(重量％)。
优选的是PP共聚物(A)由基体组分和弹性体组分组成。PP共聚物(A)可任选地包括在聚合物领域公知的预聚物级分。在这种情况下，将预聚物的量计算到基体组分的量。
此外，优选的是，电子器件的层或优选的光伏模块的至少一层包括非接枝的PP共聚物(A)。非接枝是指所述PP共聚物(A)不与官能基团，诸如极性基团，如马来酸酐(MAH)基团或含有硅烷的基团接枝。
当然，本发明的光伏模块的元件除电子器件的层或优选的光伏模块的至少一层之外，还含有包括接枝的本发明的PP共聚物(A)的其它层。
本发明的组合物可包括其它与PP共聚物(A)不同的聚合物组分。举例来说，其它聚合物组分是不同于PP共聚物(A)的其它聚烯烃组分，诸如乙烯或C3至C8α-烯烃的均聚物，或乙烯或C3至C8α-烯烃连同不同于第一种单体的共聚单体的共聚物。最优选地，存在于本发明的组合物中的聚合物组分只由PP共聚物(A)组成。“聚合组分”在本文中不包括添加剂产物的任何载体聚合物，例如连同载体聚合物的添加剂的母料，其任选地存在于本发明的组合物中。将这些任选的载体聚合物，基于本发明组合物的量(100％)，计算到各个添加剂的量。
因此，在一个实施方案中，本发明的组合物优选地包括非填料(如阻燃剂(FR))的添加剂，则基于丙烯共聚物组合物的总量(100重量％)，本发明的组合物包括，
-90至99.9999重量％的PP共聚物(A)和
-0.0001至10重量％的任选且优选的添加剂。
任选且优选的添加剂的总量优选地在0.0001至5.0重量％之间，优选地在0.0001至2.5重量％之间。
对于任选且优选的添加剂，本发明的组合物可含有其它添加剂，优选地用于光伏模块应用的常规添加剂，包括但不限于，抗氧化剂、UV光稳定剂、成核剂、澄清剂、增白剂、除酸剂和增滑剂、颜料，如碳黑、氧化钛和滑石等。每个添加剂可以以例如常规量来使用，存在于丙烯组合物中的添加剂的总量优选地为如下所定义。此类添加剂通常是市售可得的并被描述于例如Hans Zweifel的“Plastic Additives Handbook”，第5版，2001中。
在另一个实施方案中，本发明的组合物除了如上定义的任选的和优选的添加剂外，还包括填料，诸如具有阻燃量的FR和大量的炭黑，基于丙烯共聚物组合物的总量(100重量％)，则本发明的组合物包括，
-30至90重量％，优选40至70重量％的PP共聚物(A)和
-10至70重量％，优选30至60重量％的填料和任选且优选的添加剂。
作为非限制性的示例，填料包括阻燃剂，如氢氧化镁、聚磷酸铵等。
PP共聚物(A)可以是市售可得的等级，或者可以由例如常规聚合工艺制备。
对于异相丙烯共聚物(A)的聚合，可以分别制备PP共聚物(A)的各个组分(基体和弹性体组分)，并通过在混炼机或挤出机中混合从而以机械方式进行共混。然而，优选的是，包括基体组分和弹性体组分的PP共聚物(A)是在采用串联配置的反应器且在不同反应条件下操作的连续工艺中制备的。结果，在特定反应器中制备的各个级分都会具有其自身的分子量分布、MFR和/或共聚单体含量分布。
根据本发明的异相丙烯共聚物(A)优选地是以本领域中已知的连续聚合工艺，即多阶段工艺制备的，其中在至少一个淤浆反应器中，优选地至少在淤浆反应器中，且任选和优选地在随后的气相反应器中，制备基体组分并且随后在至少一个(即一个或两个)气相反应器(gpr)中，优选地在一个gpr中，制备弹性体组分。
因此，优选的是PP共聚物(A)是在连续聚合工艺中制备的，其包括以下步骤：
(a)在催化剂的存在下，在第一反应器(R1)中将丙烯和任选地乙烯和/或C4至C12α-烯烃中的至少一种聚合，优选地丙烯是唯一的单体，
(b)将聚合后的第一聚丙烯的反应混合物(优选地丙烯均聚物)级分连同催化剂转移至第二反应器(R2)，
(c)在第二反应器(R2)中，在存在所述第一聚丙烯聚合物的情况下，将丙烯和任选地乙烯和/或C4至C12α-烯烃中的至少一种聚合，优选地丙烯是唯一的单体，由此得到第二聚丙烯级分，优选地所述第二聚丙烯级分是第二丙烯均聚物，其中所述第一聚丙烯级分和所述第二聚丙烯级分形成了PP共聚物(A)的基体组分，
(d)将步骤(c)聚合的基体组分的反应混合物转移至第三反应器(R3)，
(e)在第三反应器(R3)中，在存在步骤(c)所得的基体组分的情况下，将丙烯和乙烯和/或C4至C12α-烯烃中的至少一种聚合，由此得到的PP共聚物(A)的弹性体组分，其中弹性体丙烯共聚物组分分散于所述基体组分中。
任选地，弹性体组分可以在两个反应器中制备，即在上述步骤(e)后，
(f)将分散了第一弹性体丙烯共聚物级分的聚丙烯(PP)转移至第四反应器(R4)，和
(g)在第四反应器(R4)中，在存在步骤(e)所得的混合物下，将丙烯和乙烯和/或C4至C12α-烯烃中的至少一种聚合，从而得到第二弹性体丙烯共聚物级分，由此聚丙烯(PP)、第一弹性体丙烯共聚物级分和第二弹性体丙烯共聚物级分形成了PP共聚物(A)。
优选地，将单体在第二反应器(R2)和第三反应器(R3)之间闪蒸出来。
术语“连续聚合法”是指异相丙烯共聚物(A)在至少两个(如三个)串联连接的反应器中制备。因此，本发明的方法包括至少第一反应器(R1)和第二反应器(R2)，更优选地第一反应器(R1)、第二反应器(R2)、第三反应器(R3)和任选地第四反应器(R4)。术语“聚合反应器”应表示主要聚合步骤中的一步。因此，在该方法由四个聚合反应器组成的情况下，该定义不排除整个方法包括如预聚合反应器中的预聚合步骤的选项。术语“由…...组成”仅仅是考虑到主聚合反应器的封闭式表述。
任何的预聚物级分都被计入第一聚丙烯级分的量中。
第一反应器(R1)优选地为淤浆反应器且可以是任何本体或淤浆中操作的连续或简单搅拌的间歇搅拌釜式反应器或环流反应器。本体是指在包括至少60％(重量/重量)单体的反应介质中的聚合。根据本发明，淤浆反应器(SR)优选地是(本体)环流反应器(LR)。
第二反应器(R2)、第三反应器(R3)和任选的第四反应器(R4)优选地是气相反应器(GPR)。这种气相反应器(GPR)可以是任何机械混合或流化床反应器。优选地，气相反应器(GPR)包括具有至少0.2米/秒的气体速率的机械搅拌的流化床反应器。因此，可以理解的是，气相反应器是优选地具有机械搅拌器的流化床反应器。
因此，在一个优选的实施方案中，第一反应器(R1)是淤浆反应器(SR)，如环流反应器(LR)，而第二反应器(R2)、第三反应器(R3)和任选的第四反应器(R4)是气相反应器(GPR)。因此对于本发明的方法，采用串联连接的至少三个，即淤浆反应器(SR)如环流反应器、第一气相反应器(GPR-1)、第二气相反应器(GPR-2)和任选地第三气相反应器(GPR-3)。在预聚合步骤的情况下，在淤浆反应器(SR)前放置预聚合反应器。
优选的多阶段工艺是“环流-气相”法，例如由Borealis A/S，丹麦(被称为技术)开发的，在专利文献中，例如在EP 0 887 379、WO 92/12182、WO 2004/000899、WO 2004/111095、WO 99/24478、WO 99/24479或WO 00/68315中所描述。
其它合适的淤浆-气相法是LyondellBasell的法。
优选地，在用于制备如上定义的异相丙烯共聚物(A)的方法中，步骤(a)的第一反应器(R1)，即淤浆反应器(SR)，如环流反应器(LR)的条件可以如下：
-温度在50℃至110℃范围内，优选地在60℃至100℃之间，更优选地在68℃至95℃之间，
-压力在20巴至80巴范围内，优选地在40巴至70巴之间，
-可以添加氢气用于以本身已知的方式控制摩尔质量。
随后，将来自步骤(a)的反应混合物转移至第二反应器(R2)，即气相反应器(GPR-1)，即转移至步骤(c)，其中步骤(c)中的条件优选地为如下：
-温度在50℃至130℃范围内，优选地在60℃至100℃之间，
-压力在5巴至50巴范围内，优选地在15巴至35巴之间，
-可以添加氢气用于以本身已知的方式控制摩尔质量。
第二气相反应器(GPR-2)和任选的第三气相反应器(GPR-3)中的条件类似于第二反应器(R2)(＝第一气相反应器(GPR-1)。
三个反应器区域中的停留时间可以有所不同。
用于制备PP共聚物(A)的基体组分的方法的一个实施方案中，在本体反应器(例如环流)中的停留时间在0.1至2.5小时范围内，例如0.15至1.5小时，并且在气相反应器中的停留时间通常会为0.2至6.0小时，如0.5至4.0小时。
如果需要，聚合可以以已知的方式在超临界条件下在第一反应器(R1)，即在淤浆反应器(SR)，如环流反应器(LR)中进行，和/或以冷凝模式在气相反应器(GPR)中进行。
优选地，该方法还包括如下详细描述的催化剂体系的预聚合，该催化剂体系包括齐格勒-纳塔主催化剂、外部给体和任选的助催化剂。
在一个优选的实施方案中，预聚合在溶解有微量其它反应物和任选的惰性组分的液态丙烯(即液相主要包括丙烯)中以本体淤浆聚合的方式进行。
预聚合反应通常在10℃至60℃，优选地15℃至50℃，更优选地20℃至45℃的温度下进行。
预聚合反应器中的压力不是关键的，但必须足够高以维持反应混合物为液相。因此，压力可以为20至100巴，例如30至70巴。
优选地将催化剂组分全部引入至预聚合步骤。然而，在可以分别进料固体催化剂组分(i)和助催化剂(ii)的情况下，可以将仅部分的助催化剂引入到预聚合阶段，将其余部分引入到随后的聚合阶段。此外，在这种情况下，有必要将在足够多的助催化剂引入到预聚合阶段中，使得在此产生充分的聚合反应。
也可以在预聚合阶段添加其它组分。因此，如在本领域中已知的，可以在预聚合阶段添加氢气以控制预聚物的分子量。此外，可以使用抗静电添加剂来防止颗粒彼此粘附或粘附到反应器的壁上。
预聚合条件和反应参数的精确控制在本领域技术人员的技术范围内。
将异相丙烯共聚物(A)从最后聚合阶段移除后，优选地进行从聚合物中去除残余的烃类的工艺步骤。该工艺在本领域是公知的，并且可以包括降压步骤、吹扫(purging)步骤、气提(stripping)步骤、提取步骤等。也可以将不同的步骤的进行组合。去除残余的烃类之后，如本领域公知地，PP共聚物(A)优选地与添加剂混合。本发明的聚合物组合物的这些添加剂如下所述。然后如本领域公知地，将聚合物颗粒挤出成丸粒。优选地，挤出步骤采用共旋转双螺杆挤出机。该挤出机由例如，Coperion公司(Werner&Pfleiderer)和JapanSteel Works制造。
本发明的PP共聚物(A)优选地通过使用任何合适的齐格勒-纳塔型聚合制备。典型的合适的齐格勒-纳塔型催化剂是有规立构的、固体高产率的齐格勒-纳塔催化剂组分，其包括作为必要组分的Mg、Ti和Cl。除了固体催化剂之外，在聚合过程中还常常使用助催化剂以及外部给体。
催化剂组分可以负载在颗粒状的载体上，例如无机氧化物，如二氧化硅或氧化铝，或者，通常地，卤化镁可以形成固体支持物。还可能的是，催化剂组分是不负载在外部载体上的，而是通过乳液固化法或通过沉淀法来制备。
可选地，本发明的PP共聚物(A)可以采用如下所描述的改性的催化剂系统来制备。
更优选地，式(I)的乙烯基化合物被用于催化剂的改性：
CH2＝CH–CHR1R2 (I)
其中R1和R2一起形成5-或6-元饱和环、不饱和环或芳香族环，任选地含有取代基，或独立地表示包括1至4个碳原子的烷基基团，由此如果R1和R2形成芳环，不存在-CHR1R2部分的氢原子。
更优选地，乙烯基化合物(I)选自乙烯基环烷烃，优选地选自乙烯基环己烷(VCH)、乙烯基环戊烷、3-甲基-1-丁烯聚合物和乙烯基-2-甲基环己烷聚合物。最优选地，乙烯基化合物(I)是乙烯基环己烷(VCH)聚合物。
固体催化剂通常还包括电子给体(内部电子给体)和任选地铝。合适的内部电子给体是羧酸类或二羧酸类的酯类，如邻苯二甲酸酯类、马来酸酯类、苯甲酸酯类、柠康酸酯类和琥珀酸酯类，1,3-二醚或含氧或氮的硅化合物等等。此外，可以采用给体的混合物。
助催化剂通常包括烷基铝化合物。烷基铝化合物优选地是三烷基铝诸如三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝或三正辛基铝。但是，也可以是烷基铝卤化物，诸如二乙基氯化铝、二甲基氯化铝和乙基铝倍半氯化物。
聚合反应中所使用的合适的外部电子给体在本领域中是为人熟知的，包括醚类、酮类、胺类、醇类、酚类、膦类和硅烷类。硅烷型外部给体通常是含有Si-OCOR、Si-OR或Si-NR2键的有机硅烷化合物，硅作为中心原子，而R为1-20个碳原子的烷基、烯基、芳基、芳基烷基或环烷基，这在本领域中是公知的。
合适的催化剂和化合物的实例示于WO 87/07620、WO 92/21705、WO 93/11165、WO93/11166、WO 93/19100、WO 97/36939、WO 98/12234、WO 99/33842、WO 03/000756、WO 03/000757、WO 03/000754、WO 03/000755、WO 2004/029112、EP 2610271、WO 2012/007430、WO92/19659、WO 92/19653、WO 92/19658、US 4382019、US 4435550、US 4465782、US4473660、US 4560671、US 5539067、US 5618771、EP45975、EP45976、EP45977、WO 95/32994、US4107414、US 4186107、US 4226963、US 4347160、US 4472524、US 4522930、US 4530912、US4532313、US 4657882、US 4581342、US 4657882等中。
光伏模块
优选地，本发明的光伏模块中的至少一层是光伏模块的单层元件或多层元件的层。
因此，优选的是该层是光伏模块的多层元件的层，该层包括聚合物组合物，优选地该层由该聚合物组合物组成，该聚合物组合物包括异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分，优选地由异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分组成。
在一个优选的实施方案中，所述的光伏模块的层是多层元件的层压层，该层包括聚合物组合物，优选地该层由聚合物组合物组成，该聚合物组合物包括异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分，优选地由异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分组成。
在另一个同样优选的实施方案中，所述的光伏模块的层是多层元件的共挤出层，该层包括聚合物组合物，优选地该层由聚合物组合物组成，该聚合物组合物包括异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分，优选地由异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分组成。
优选的是所述层是背板元件的层，优选地是光伏模块的背板多层元件的层压或共挤出层，该层包括聚合物组合物，优选地该层由聚合物组合物组成，该聚合物组合物包括异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分，优选地由异相丙烯共聚物(A)作为唯一的聚合物组分组成。
优选地，本发明的光伏模块的背板单层元件的层或多层背板元件的各层不含有含氟聚合物。
背板元件的厚度优选地为0.02至2mm，更优选地为0.1至1mm，最优选地0.2至0.5mm。
正如众所周知的，本发明的光伏模块的元件和层结构可以根据所期望的模块类型的不同而不同。光伏模块可以是刚性的或柔性的。本发明的一个优选的光伏模块包括保护性顶部元件(例如玻璃前板(玻璃前盖))、前封装元件(前封装材料)、光伏电池的元件(光伏电池+连接器)、背封装元件(背封装材料)、背板元件(优选地背板多层元件)以及任选地保护盖，如金属框架，诸如铝框(具有接线盒)。此外，上述元件可以为单层元件或多层元件。
优选地，背板元件的至少一层，优选地背板多层元件的至少一层包括本发明的组合物，优选地由本发明的组合物组成。
上述光伏模块除了上述元件之外，还可以具有其它层元件。此外，所述层元件的层可以是多层元件，且还包括用于改善多层元件的各层的粘接性的粘接层。在不同元件间也可以存在粘接层。如上所述，任选的粘接层可包括本发明的组合物，例如本发明的组合物与极性组分的共混物。或者任选的粘接层可包括本发明的组合物，其中PP共聚物(A)接枝了极性官能团。
玻璃板、光伏元件(优选地为连同连接器的光伏电池的元件)和用于封装元件的层的和能够与本发明组合物的层一起使用的背板元件的其它材料是例如在光伏模块领域是公知的，且市售可得的，或根据或按照光伏模块领域的文献中所知的方法可以制备的。
图1示出了本发明的光伏模块的上述实施方案。
本发明的光伏模块可以由在光伏模块的领域中公知的方式来制备。包括背板元件的聚合物层元件是通过例如利用常规挤出机和成膜设备以常规方式挤出，优选地通过流延薄膜挤出而制备。多层元件可部分地或完全地共挤出或层压。
典型地将光伏模块的不同元件通过常规方法组装在一起，以制备出最终的光伏模块。可以单独或部分以集成的形式将元件提供至该组装步骤。继而通常通过利用该领域中常规层压技术的层压将不同元件粘接在一起。
光伏模块的组装在光伏模块的领域是公知的。
测定方法
熔体流动速率：熔体流动速率(MFR)是根据ISO 1133来测定的并以g/10min计。MFR是聚合物的流动性也因此是聚合物加工性的指标。熔体流动速率越高，聚合物的粘度就越低。聚丙烯的MFR是在230℃的温度和2.16kg的负荷下测定的。
密度：ISO 1183，在压缩成型的板材上测量。
共聚单体含量：通过以本领域公知的方式，在进行定量13C核磁共振谱(NMR)校准的基本归属后，通过定量傅里叶变换红外光谱(FTIR)测定共聚单体含量。将薄膜压成100-500微米厚并以透射模式记录光谱。
具体地说，聚丙烯-乙烯共聚物的乙烯含量是由基线校正过的720-722和730-733cm-1处的定量谱带的峰面积来确定的。具体地说，聚丙烯共聚物的丁烯或己烯含量通过使用基线校正过的1377-1379cm-1处的定量谱带的峰面积来确定的。定量的结果是基于参考膜厚而获得的。
本文中，共聚单体的含量根据共混原则(方程2)来推测
Cb＝w1·C1+w2·C2 (eq.2)
其中C是共聚单体的含量(以重量％计)，w是混合物中组分的重量分数，下标b、1和2分别指整个混合物、组分1和组分2。
由于对本领域技术人员来说是公知的，在二元共聚物中以重量计的共聚单体含量可应用下述方程式转化成以摩尔计的共聚单体含量：
c m = 1 1 + ( 1 c w - 1 ) · MW c MW m - - - ( e q .3 )
其中，cm是共聚物中共聚单体单元的摩尔分数，cw是共聚物中共聚单体单元的重量分数，MWc是共聚单体(如乙烯)的分子量和MWm是主要单体(即丙烯)的分子量。
熔融温度(T m )和熔融热(H f )：利用Mettler TA820差示扫描量热仪(DSC)对5至10mg的样品进行测量。根据ISO 3146/第3部分/方法C2在加热/冷却/加热循环下以10℃/min的扫描速度(加热和冷却)在+23至+210℃的温度范围内运行DSC。从第二加热步骤中测定熔融温度(Tm)和熔融热(Hf)。熔融温度取吸热峰的最大值处。
弯曲模量：根据ISO 178测定弯曲模量，根据EN ISO 1873-2注塑成型来制备尺寸为80×10×4.0mm3(长×宽×厚)的试样。支撑跨度的长度为64mm，测试速度为2mm/min，作用力为100N.
二甲苯冷可溶物(XCS)：二甲苯冷可溶物(XCS)级分的量根据ISO 16152来测定。冷却后在25℃下仍然溶解的聚合物的量是二甲苯可溶聚合物的量。
在本文中，二甲苯可溶聚合物的含量根据共混原则(方程4)来推测：
XSb＝w1·XS1+w2·XS2(eq.4)
其中XCS是二甲苯可溶聚合物的含量(以重量％计)，w是混合物中组分的重量分数，下标b、1和2分别指整个混合物、组分1和组分2。
简支梁缺口冲击强度：如实验部分所述，根据ISO 179 1eA:2000在23℃、0℃、-10℃和-20℃下对80×10×4mm3的V型缺口样品测定NIS。采用60TECH机根据EN ISO 1873-2通过注塑成型来制备试样(80×10×4mm3)。
熔融温度为200℃，模具温度为40℃。
拉伸模量；屈服拉伸应力和断裂拉伸应变：根据ISO 527-2：1996(十字头速度为1mm/min；23℃)利用根据实验部分所描述而制备的狗骨型压塑薄膜样品测定。狗骨型尺寸：
击穿电压：50Hz和2kV/s的升压的电击穿是在裁剪成50×50mm的各自的背板上测定的。根据EN 60243，取用直径为25mm且边缘半径四舍五入至3mm的不锈钢电极。测试在22℃的矿物油(Shell Diala)中进行。跳闸电流为5mA。
水蒸气透过率：水蒸气透过率根据ISO 15106-3在23℃和相对湿度为85％的条件下测定。
封装材料和背板层间的粘接力(剥离强度)
将特氟龙膜置于玻璃和外密封层之间，以避免粘附在玻璃上。此时，裁剪出15mm宽的样条并在室温下利用Zwick拉伸试验机以50mm/分钟进行测试。计算出的剥离强度取三个样品的平均值。
特性粘度：根据DIN ISO1628-1(1999年10月)在135℃下的十氢化萘中测量特性粘度。
维卡软化温度：根据ASTM D 1525方法A(50℃/h，10N)测量。
实验部分
A.本发明的组合物的测试(发明1-发明5)
发明1(Inv.1)：
异相丙烯共聚物(A)的聚合
催化剂制备：
首先，在大气压下在惰性条件下将0.1mol的MgCl2×3EtOH悬浮于反应器中的250ml的癸烷中。将溶液冷却至-15℃的温度，并在保持温度处于所述水平下加入300ml的冷TiCl4。然后，将淤浆的温度缓慢升高至20℃。在此温度下，向浆料中加入0.02mol的邻苯二甲酸二辛酯(DOP)。在加入邻苯二甲酸酯之后，温度在90分钟内升高至135℃，并使浆液静置60分钟。然后，加入另外300ml的TiCl4并将温度在135℃下保持120分钟。此后，将催化剂从液体中滤出，并在80℃下用300ml庚烷洗涤六次。然后，将固体催化剂组分滤出并干燥。
在诸如专利文献EP 491 566、EP 591 224和EP 586 390中大体描述了催化剂及其制备概念。
随后，将三乙基铝(TEAL)、作为给体(Do)的二环戊基二甲氧基硅烷(DCPDMS)、上述制备的催化剂和乙烯基环己烷(VCH)以Al/Ti为3-4mol/mol、Al/Do也为3-4mol/mol且VCH/固体催化剂重量比为1：1的量加入至油(如矿物油)中，例如Technol 68(40℃下运动粘度为62-74cSt)。将混合物加热至60–65℃，使其反应直至在反应混合物中未反应的乙烯基环己烷的含量小于1000ppm。在最终的油催化剂浆料中，催化剂的浓度为10-20重量％。
聚合
在示例发明1中，基体由丙烯均聚物制备，丙烯均聚物是在环流反应器和气相反应器(GPR1)中制备的。所得的聚合物用常规的稳定剂和抗氧化剂稳定。丙烯均聚物构成基体的更多信息如表1所示。
随后，将丙烯均聚物转移至制备弹性体聚丙烯的第二气相反应器(GPR2)中。将所得的聚合物在常规的双螺杆挤出机中利用传统稳定剂，即硬脂酸钙和酚类抗氧剂，以常规的量稳定，在造粒后用作如下所述的进一步测试。
表1：工艺参数
发明2(Inv.2)：
异相丙烯共聚物(A)的聚合
1、基体组分：丙烯均聚物
催化剂
齐格勒-纳塔催化剂，ZN104,是从Basell公司市售可得的。
聚合
通过机械清洁、己烷洗涤以及在160℃下在真空/N2循环下加热以净化5l高压反应器。在利用30巴N2进行过夜的泄露测试后，将反应器抽真空并通过压力监控，从501钢瓶中加入1110g丙烯和8ml的H2。用催化剂进料器中的三乙基铝(TEAl；1mol/l的己烷溶液)、作为给体的二环戊基二甲氧基硅烷(0.3mol/l的己烷溶液)(以摩尔比为5且在接触时间为5min后)和10ml己烷混合物，将10mg的ZN104催化剂活化10分钟。催化剂中TEAl和Ti的摩尔比为250。活化后，此催化剂与300g丙烯溢流至温度在23℃的搅拌式反应器中。搅拌速度保持为250rpm。6分钟后将23℃下的预聚合在约14分钟内升高至70℃。在此温度下保温1小时后，通过闪蒸丙烯并冷却到室温使得聚合停止。
利用N2使反应器溢流后，将均聚物粉末转移到钢容器中并用常规的稳定剂，即硬脂酸钙和酚类抗氧剂，以常规的量稳定。
丙烯均聚物粉末(基体成分)的量为113g，粉末的MFR(230℃，2.16kg)为3g/10min。
2、弹性体组分：丙烯乙烯共聚物
催化剂
齐格勒-纳塔催化剂ZN101，是从Basell公司市售可得的。
聚合
使填充了约0.2巴的丙烯(聚合级)的5l反应器(高压反应器)以所需H2的量加压，从而达到弹性体共聚物的目标特性粘度。随后添加300g的丙烯。使5mg的ZN101催化剂与0.3ml白油接触约16小时后，随之利用三乙基铝(TEAl；1mol/l的己烷溶液)和作为给体的烷氧基硅烷(实例中的二环戊基二甲氧基硅烷)(0.3mol/l的己烷)的混合物以摩尔比为76，在接触时间为5min下活化5min。催化剂的TEAl和Ti的摩尔比为380，TEAl/给体混合物中TEAl浓度为12.6mg/ml己烷。活化后，将此催化剂通过与500g丙烯溢流转移至反应器中。在30℃下预聚合12分钟后，将指定量的乙烯加入到反应器中，并且将温度升高到目标聚合温度(在此示例中为55℃)。加热期间，另外的乙烯进料在此目标聚合温度下开始加压至目标总压。聚合过程中，总压的维持通过乙烯的不断进料来实现。通过单体的闪蒸并降温停止预聚合，在预聚合结束30min后，反应停止。
所得的弹性体组分通过常规的稳定剂，即硬脂酸钙和酚类抗氧剂，以常规的量稳定。
表2：聚合条件和所得弹性体组分的聚合物性质
86重量％的基体组分和14重量％的弹性体组分在在实验室规模的双螺杆挤出机中以常规方式进行混合并造粒，实现发明2。本发明的PP共聚物(A)的丸粒用于如下所述的性能测定和测试。
发明3(Inv.3)、发明4(Inv.4)和发明5(Inv.5)：发明所用的组合物采用市售可得的异相丙烯共聚物等级，由Borealis AG提供。其性能列于下表3中：
发明3：BA110CF等级
发明4：BD712CF等级
发明5：BD212CF等级
在比较例中采用与发明聚合物1相同的制备方法制备：
比较例1：无规丙烯共聚物
比较例2：丙烯均聚物
表3和表4分别示出本发明示例和比较例的性质。
表3：本发明示例的性质
表4：比较例的性质
示例 比较例1 比较例2
熔点DSC；ISO11357-3,℃ 143 164
维卡软化点,℃ - -
弯曲模量；ISO178，MPa 800 1400
简支梁缺口冲击强度-20C；179/1eA，kJ/m2 <1.0 <1.0
MFR2(230C)，g/10min 8 8
XCS，重量％
C2含量，重量％
令人惊奇地发现，在聚丙烯中结合已经非常低含量的弹性体组分提供了优异的低温性能。此外，所保护的XCS、MFR和维卡软化温度产生了意想不到的机械性能和热性能的优异结合，如下所示，该性质的结合使得本发明的组合物作为电子器件的层材料是非常有利的，优选地作为光伏模块的层元件的层材料，特别是作为光伏模块的背板层元件的层的层材料。
对于比较例，比较例2表现处良好的热变形性，但当模块暴露在冬季气候时，其表现出开裂的趋势。比较例1也表现出低劣的低温性能。
B、背板元件和光伏模块-层压体的测试
对本发明的PP共聚物(A)作为背板元件本身和当其被层压为封装元件时进行了测试。
1、背板
粘接层组合物的制备
粘接层组合物的组分：
84.75重量％的发明2
5重量％的Exxelor PO-1020是马来酸酐(0.5-1％)接枝的聚丙烯，由ExxonMobilChemicals提供。其熔体流动速率(2.16kg，230℃)为430g/10min，密度为900kg/m3。
10重量％的母料二氧化钛
0.1重量％的UV稳定剂和0.15重量％的酚抗氧剂。
使用共螺旋的双螺杆挤出制备(型号：Coperion公司ZSK40；螺杆：Nr 001PP/TV底切口)粘接层组合物，温度设置为190-220-225-230-230-230-230-220-210-200℃，螺杆速度为400rpm。
制备本发明PP背板
双层基于聚丙烯的背板是由如下所述的共挤出制备的。最终的背板是由如上所述的粘接层组合物的薄粘接层(厚度为20微米)和如上所述的发明2的本发明聚合物组合物的实际本体背板层(厚度为280微米)组成。
表5：本发明的基于聚乙烯的背板
第1层 粘接层 20微米
第2层 发明2 280微米
共挤出：
本发明的双层薄膜是在配备了3个挤出机的多层流延膜生产线上制备的。所有三个挤出机都配备缺口进料区和具有混合部分和剪切部分的三段螺杆。挤出机A的料筒直径为40mm，螺杆长度为25D。挤出机B的料筒直径为60mm，螺杆长度为30D。挤出机C的料筒直径为45mm，螺杆长度为25D。每个挤出机都是由重力进料系统进料。共挤出适配器采用块料伴随着片状料和如下的分布进料：挤出机A 7％(粘接层)、挤出机C73％(芯层)和挤出机B20％(芯层)。采用自动模间隙调节的衣架型模具，模宽800mm，模间隙为0.5mm。冷却辊单元的直径为450mm，第2冷却辊为250mm。
不同的层采用相同的温度设置来制备：
200-230-250-250-250-250-250℃。
对于薄粘接层，采用7rpm的螺杆速度。对于较厚的本体层，两台挤出机中，一台在60微米厚的层上采用15rpm操作，另一台在220微米厚的层上采用51rpm操作。
膜的制备在6,8m/分钟下完成，流延辊的温度为48℃，两个冷却辊的温度为48℃和21℃。
本发明的背板的物理性质总结在表6中和其收缩性能的具体描述在图1中。
表6：本发明基于聚丙烯的背板的性质
图a本发明的PP背板在155℃下经过15min热处理后的收缩率的测量。
2.光伏模块-层压体
层压
挤出的外封装薄膜和内封装薄膜(厚度为0.45微米)被切成30×30cm的正方形，由玻璃/外封装薄膜/晶体硅片/内封装薄膜/背板组成的层压体在型号为L036的P.Energy层压机中用如下表7的不同条件进行层压。
外封装薄膜和内封装薄膜为Mitsui RC02B：市售的快速固化的EVA是由Mitsui提供的。
通过在真空层压机中以不同设置制备光伏模块，其耐热性在更真实的条件下被控制。
表7:基于玻璃/EVA封装材料/本发明PP背板的PV模块在不同层压条件下的层压
EVA封装材料和本发明的PP背板之间的粘接强度在1470℃下采用产生表7中数据相同的层压机来评估。通过240s销钉朝上(pins up)抽真空、120秒销钉朝下(pins down)抽真空、30秒在800毫巴下按压和550秒真空处理完成层压。通过将EVA封装材料向本发明背板的薄粘接层侧(包括粘接促进剂和发明2)层压，和将EVA封装材料向本发明背板的本体层侧(包含100％的发明2)层压，从而对层压体层进行测试。
外封装薄膜和内封装薄膜是Vistasolar EVA 486:10:市售快速固化乙烯醋酸酯，其未固化的密度为950kg/m3，固化后的密度为960kg/m3，由Eastman Solutia Solar公司提供。
表8：粘接性(剥离强度)测试
EVA/背板的薄粘接层侧 EVA/背板的实际本体背板层侧
剥离强度,N/cm 25 21
所得数据表明，本发明的组合物可承受光伏模块层压条件(155℃)的上限范围，而只产生轻微的收缩、无气泡形成且对封装材料具有良好粘接性。该PP背板具有背板所需的合适的刚度和良好的机械性能。
表8表明，聚合物组合物本身的粘接性良好，并且如果期望的话，联合了“粘接促进剂化合物”的本发明的组合物还可以用作粘接层材料以进一步地提高粘接性。
将其电性能和水蒸气透过性与已有的市售聚对苯二甲酸乙二酯背板(CoveneDymat PYE(PET基的背板))进行比较。
表9：背板的水蒸气透过率和电性能与已有的市售品(比较背板)相比较。
性能 本发明背板 比较背板Covene Dymat PYE
厚度，微米 294 315
水蒸气透过率，g/m2/24h 0.15 0.70
电击穿kV/mm 75 70
表9示出了基于PP的背板具有优异的防水和电性能。

Claims (15)

1.一种光伏模块，包括：至少一个光伏元件和包括聚丙烯组合物的至少一层，
其中所述聚丙烯组合物包括异相丙烯共聚物(A)，所述异相丙烯共聚物(A)包括，
-聚丙烯基体组分，和
-分散在所述聚丙烯基体中的弹性体丙烯共聚物组分，
且其中所述聚丙烯聚合物组合物具有
-根据ISO 16152(25℃)测量时2至30重量％的量的二甲苯冷可溶物(XCS)级分，
-0.2至20.0g/10min(ISO 1133，2.16kg负荷，230℃)的熔体流动速率MFR2，和
-根据ASTM D 1525方法A测量时至少140℃的维卡软化温度。
2.根据权利要求1所述的光伏模块，其中所述聚丙烯组合物的弯曲模量按照测定方法部分所描述根据ISO178测量时为至少900MPa，优选地为950至3000MPa。
3.根据权利要求1或2所述的光伏模块，其中所述聚丙烯组合物的熔融温度按照测定方法部分所描述测量时为158至170℃，优选地为160至170℃，优选地为163至170℃，更优选地为164至169℃。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述异相丙烯共聚物(A)的共聚单体含量按照测定方法部分所描述测量时为0.5至20重量％，优选地为1.0至20重量％，优选地为1.2至10重量％，更优选地为2.0至10重量％，其中共聚单体优选地选自乙烯和C4-C8α共聚单体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述聚丙烯组合物的MFR2根据ISO1133在230℃的温度与2.16kg负荷下测量时为0.2至15.0g/10min，优选地为0.3至10g/10min。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述聚丙烯组合物的维卡软化温度为至少145℃，优选地为148至165℃。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述聚丙烯组合物的二甲苯冷可溶物(XCS)级分的量为3至20重量％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述异相丙烯共聚物(A)的聚丙烯基体组分是丙烯均聚物或丙烯无规共聚物，优选地是丙烯均聚物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述包括所述聚丙烯组合物的层是多层元件的层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述包括所述聚丙烯组合物的层是多层元件的层压层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述包括所述聚丙烯组合物的层是多层元件的共挤出层。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述包括所述聚丙烯组合物的层是背板元件的层，优选地是背板多层元件的层压层或共挤出层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中本发明的所述光伏模块的背板单层元件的层或多层背板元件的各层不含有含氟聚合物。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中所述至少一个光伏元件是光伏电池的至少一个元件。
15.如前述权利要求1至8中任一项所定义的聚丙烯组合物用于制备光伏模块的元件的至少一层的应用。
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