CN106753059A - 一种双玻光伏组件用热熔丁基密封胶及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双玻光伏组件用热熔丁基密封胶及制备方法，按重量百分比计，包含以下物质：15～45％的丁基聚合物、5～35％的合成聚合物、0.02‑0.5％的引发剂、0.1‑1％硅烷偶联剂、10‑30％的无机惰性填料、10‑20％的干燥剂、0‑5％的增黏树脂、0.3‑0.7％的增塑剂、0.1‑0.5重量％的防老剂。该密封胶经熔融共混改性、经硅烷偶联剂接枝改性、经填充改性，在真空度为0.08～0.1MPa、温度135℃下捏合1～2小时得到。本发明具有原料易得、工艺简单，制得的密封胶具有持久粘接力，耐高温、高湿、紫外老化，水汽透过率低，热稳定性优良，绝缘性能良好，冷流率小的特点。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域，涉及一种密封胶，尤其涉及一种双玻光伏组件用丁基密封胶及其制备方法。
背景技术
太阳能电池组件主要由电池片、封装胶膜及外保护基材组成，通过高温层压制备，类似于三明治结构，电池片之间相互连接组成内部集成化系统而起发电作用。光伏组件需要满足特定标准以经得起各种环境的考验，如冰雹、台风、雨。雪、风沙及高温炙烤，以防止水汽进入破坏电池片工作及发生漏电问题，因此为了能使光伏组件具有更持久的寿命，其关键作用在于其封装及密封技术。
目前，光伏组件有单玻和双玻组件两大类，其中双玻相比单玻组件有明显的优势，因为单玻组件是由玻璃和背板组成，背板材料主要是由TPT、PVF、PVDF或PET等材料组成，其相比玻璃材料存在许多缺点，如玻璃的透水率几乎为零，不需要考虑水汽进入组件诱发EVA胶膜水解的问题，而传统的背板材料有一定的透水率，透过背板的水汽使劣质的EVA树脂很快分解析出醋酸，而导致组件内部发生电化学腐蚀，增加了出现PID衰减和蜗牛纹发生的概率，并且背板材质的绝缘性、防火等级、耐候性、耐磨性及耐腐蚀性远不如玻璃材质，因此未来双玻组件可能会逐渐取代单玻组件。
目前传统光伏组件主体部分采用EVA或POE等热熔胶膜真空层压密封，其密封性能受材质和操作工艺条件的影响，密封效果并非特别优异，并且随着胶膜的老化其阻隔水汽的能力会降低，因此光由胶膜密封组件远不能保证光伏组件20年以上的使用寿命。
光电太阳能电池板的效率降低的主要原因是水汽侵入，阻隔水汽从大气环境侵入组件内部电池片的主要方法是使用具有低MVTR(Moisture Vapor Transmission Rate)边缘密封胶，目前光伏组件由第一道阻水防线边缘密封胶和第二道防线内部封装胶膜组成，边缘密封胶主要是基于丁基橡胶和聚异丁烯的密封胶，因其分子链中侧甲基的密集排列限制了聚合物分子的热运动，降低了链的柔顺性，产生了微量结晶。这些结构特征使丁基橡胶具有优良的耐候性、耐热性、耐碱性，透气率低，气密性好，其空气透过率比天然橡胶小一个数量级，因此为了使太阳能电池能持续高效地发电，开发具有高阻水效果，耐候、耐热、耐腐蚀性的边缘部分密封胶将具有重要意义。
目前市场上用于光伏组件的边缘密封胶具有粘结力低，模量不如结构性密封胶(聚硫、聚氨酯、聚硅氧烷)大，但结构性密封胶水汽阻隔效果较差，而丁基类密封胶具有优异的阻隔性能，但其因具有一定的冷流性，在负载下易产生错位的问题，在高温暴露时存在严重的降解过程，导致缺胶、脱层、迁移渗入电池片内部的问题，从而不能有效阻隔水汽侵入组件内部，导致光伏组件发电效率劣化。
中国专利CN103165708A介绍了一种可交联聚乙烯共聚物，聚乙烯共聚物材质的阻水效果和耐老化性能不如丁基类聚合物，其未说明该材质的水汽透过率及老化后的水汽透过率。
中国专利CN105062379A介绍了一种以丁基类聚合物为基材的密封胶，其具有较低的水汽透过率的优点，但其只说明了初始的水汽阻隔性能，无耐老化测试实验(如湿热、高低温、紫外等)说明，其无可水解与玻璃界面起化学反应作用的硅氧烷基组分，不能保证在使用过程中阻隔水汽从界面侵入光伏组件内部而具有持久的水汽阻隔效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足，提供了一种双玻光伏组件用热熔丁基密封胶及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，所述双玻光伏组件用热熔丁基密封胶按重量百分比计，包含以下物质：15～45％的丁基聚合物、5～35％的合成聚合物、0.02-0.5％的引发剂、0.1-1％硅烷偶联剂、10-30％的无机惰性填料、10-20％的干燥剂、0-5％的增黏树脂、0.3-0.7％的增塑剂、0.1-0.5重量％的防老剂。
进一步地，所述丁基聚合物为IIR(丁基橡胶)、PIB(聚异丁烯)，数均分子量为20000-1000000，优选50000-500000。
进一步地，所述合成聚合物选自SBR(丁苯橡胶)、APAO(非晶态α-烯烃共聚物)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、聚苯乙烯、POE(聚烯烃弹性体)、EPDM(三元乙丙橡胶)、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物)、SIS(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯共聚物)、SPIBS(苯乙烯-聚异丁烯-苯乙烯共聚物)。
进一步地，所述引发剂选自BPO(过氧化苯甲酰)、DCP(过氧化二异丙苯)、AIBN(偶氮二异丁腈)、ABVN(偶氮二异庚腈)、TBHP(叔丁基过氧化氢)、IPP(过氧化二碳酸二异丙酯)。
进一步地，所述硅烷偶联剂含以下结构式：R1Si(OR2)nX3-n，其中R1为-(CH2)mR3或-CH＝CH2，m为1、2或3，R3选自-NH2、NH(CH2)2NH2、-SH、-OCH2CH3、-O(CH2)2CH3、-OOC-(CH3)C＝CH2和R2为-CH3或-CH2CH3，X为Cl或Br，n为1、2或3。
进一步地，所述无机惰性填料选自云母、滑石粉、高岭土、二氧化硅、碳酸钙、炭黑，目数大于50目；所述炭黑为炉法制造补强型炭黑，粒径15～60nm，使该热熔丁基密封胶具有大于1014Ω·cm的体积电阻率。
进一步地，所述干燥剂选自3A至5A型分子筛、氧化钙、氯化钙、硫酸镁、活性氧化铝、硅胶，目数大于50目。
进一步地，所述增黏树脂选自松香树脂、萜烯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、碳五加氢树脂、碳九加氢树脂；所述增塑剂为聚丁烯或邻苯二甲酸酯类。
进一步地，所述防老剂选自β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、水杨酸酯类、苯酮类、苯并三唑类取代丙烯腈类、三嗪类、HALS。
一种上述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶的制备方法，具体为：将丁基聚合物和合成聚合物加入到温度为110℃的捏合机中进行共混捏合10分钟，冷却至50-100℃后，加入引发剂捏合搅拌5分钟，加入偶联剂升温至160-200℃捏合20分钟，再控温至120-150℃，加入无机惰性填料、增黏树脂、增塑剂、防老剂，继续捏合10分钟，在真空度为0.08～0.1MPa、温度120-150℃下继续捏合1～2小时，得到均匀密封胶捏合物。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对现有技术问题，如老化后粘接力下降，紫外、湿热、高低温老化后存在缺胶及脱层现象，水汽阻隔率差等问题，在此密封胶经两种聚合物熔融共混改性，再经硅烷偶联剂接枝改性，最后经填充改性得到，通过硅烷接枝改性使密封胶具有一定的交联度，以形成含Si-O-Si基团的三维网状结构以减少其降解，并且得到的密封胶表面含有可水解的硅氧烷基团，可在使用过程中通过水汽水解作用形成极性的硅羟基，硅羟基可与玻璃表面活性基团之间形成化学键合作用以防止水汽从界面侵入，并调节其内聚强度与黏合强度平衡，使其粘合力略大于内聚力，使密封胶在界面破坏(粘合性故障)之前发生内聚性故障，从而能持久有效地阻隔水汽从密封胶与玻璃之间的界面侵入电池原件，其既起密封作用又起一定的结构作用。
2、本发明制得的密封胶初始搭接剪切强度大于0.7MPa，在100％相对湿度和121℃老化120小时后仍具有大于0.7MPa的搭接剪切强度；厚度为0.8至1.2毫米的样品在38℃和100％相对湿度测试条件下具有低于0.3g/m2/天的水汽透过率(MVTR)，在85℃和100％相对湿度测试条件下具有低于5.0g/m2/天的水汽透过率(MVTR)；密封胶样品制成的光伏组件湿热老化功率损耗低于2％；高分子链段之间含有Si-O-Si基团，端基具有可水解的硅氧烷基官能团；在180℃烘箱老化72小时后热失重低于1％；在85℃温度下超过5000小时的紫外照射后无可辨识损伤。
3、本发明原料易得、工艺简单，密封胶高分子链段之间含Si-O-Si基团、端基具有硅氧烷基，具有持久粘接力，耐高温、高湿、紫外老化，水汽透过率低，热稳定性优良，绝缘性能良好，冷流率小等特点。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作一些非关键的改进和调整。
实施例1
将30重量％的IIR、15重量％的POE加入到温度为110℃的捏合机中进行共混捏合10分钟，冷却至50-100℃后，加入0.02重量％的BPO捏合搅拌5分钟，加入0.1重量％的A-151偶联剂，迅速升温至160-200℃捏合20分钟，再控温至120-150℃，加入15重量％的炭黑、15重量％的活性碳酸钙、10重量％的滑石粉、10重量％的3A分子筛、4.4重量％的碳五加氢石油树脂、0.3重量％的邻苯二甲酸二辛酯、0.1重量％的抗氧剂和0.1重量％的紫外稳定剂，继续捏合10分钟，在真空度为0.08～0.1MPa、温度120-150℃下继续捏合1～2小时，得到均匀密封胶捏合物，密封胶样品进行初始搭接剪切强度、湿热老化120h搭接剪切强度、热流性、冷流性、180℃烘箱72小时热失重、85℃水汽透过率、38℃水汽透过率、体积电阻率测试，密封胶样品制成1mm厚、1cm宽胶条对双层玻璃进行边缘密封，再经层压机加热压制制成双玻模拟组件进行湿热老化、高低温循环老化、紫外老化测试，密封胶样品制作光伏组件进行湿热老化功率损耗实验。
实施例2
将30重量％的IIR、15重量％的EPDM加入到温度为110℃的捏合机中进行共混捏合10分钟，冷却至50-100℃后，加入0.02重量％的AIBN捏合搅拌5分钟，加入0.1重量％的KH-570偶联剂，迅速升温至160-200℃捏合20分钟，再控温至120-150℃，加入15重量％的炭黑、15重量％的活性碳酸钙、10重量％的滑石粉、10重量％的3A分子筛、4.4重量％的碳五加氢石油树脂、0.3重量％的邻苯二甲酸二辛酯、0.1重量％的抗氧剂和0.1重量％的紫外稳定剂，继续捏合10分钟，在真空度为0.08～0.1MPa、温度120-150℃下继续捏合1～2小时，得到均匀密封胶捏合物，密封胶样品进行初始搭接剪切强度、湿热老化120h搭接剪切强度、热流性、冷流性、180℃烘箱72小时热失重、85℃水汽透过率、38℃水汽透过率、体积电阻率测试，密封胶样品制成1mm厚、1cm宽胶条对双层玻璃进行边缘密封，再经层压机加热压制制成双玻模拟组件进行湿热老化、高低温循环老化、紫外老化测试，密封胶样品制作光伏组件进行湿热老化功率损耗实验。
实施例3
将30重量％的PIB、15重量％的APAO加入到温度为110℃的捏合机中进行共混捏合10分钟，冷却至50-100℃后，加入0.02重量％的DCP捏合搅拌5分钟，加入0.1重量％的A-171偶联剂，迅速升温至160-200℃捏合20分钟，再控温至120-150℃，加入15重量％的炭黑、15重量％的活性碳酸钙、10重量％的滑石粉、10重量％的3A分子筛、4.4重量％的萜烯树脂、0.3重量％的聚丁烯、0.1重量％的抗氧剂和0.1重量％的紫外稳定剂，继续捏合10分钟，在真空度为0.08～0.1MPa、温度120-150℃下继续捏合1～2小时，得到均匀密封胶捏合物，密封胶样品进行初始搭接剪切强度、湿热老化120h搭接剪切强度、热流性、冷流性、180℃烘箱72小时热失重、85℃水汽透过率、38℃水汽透过率、体积电阻率测试，密封胶样品制成1mm厚、1cm宽胶条对双层玻璃进行边缘密封，再经层压机加热压制制成双玻模拟组件进行湿热老化、高低温循环老化、紫外老化测试，密封胶样品制作光伏组件进行湿热老化功率损耗实验。
实施例4
将30重量％的PIB、15重量％的SBS加入到温度为110℃的捏合机中进行共混捏合10分钟，冷却至50-100℃后，加入0.02重量％的ABVN捏合搅拌5分钟，加入0.1重量％的KH-560偶联剂，迅速升温至160-200℃捏合20分钟，再控温至120-150℃，加入15重量％的炭黑、15重量％的活性碳酸钙、10重量％的滑石粉、10重量％的3A分子筛、4.4重量％的萜烯树脂、0.3重量％的邻苯二甲酸二癸酯、0.1重量％的抗氧剂和0.1重量％的紫外稳定剂，继续捏合10分钟，在真空度为0.08～0.1MPa、温度120-150℃下继续捏合1～2小时，得到均匀密封胶捏合物，密封胶样品进行初始搭接剪切强度、湿热老化120h搭接剪切强度、热流性、冷流性、180℃烘箱72小时热失重、85℃水汽透过率、38℃水汽透过率、体积电阻率测试，密封胶样品制成1mm厚、1cm宽胶条对双层玻璃进行边缘密封，再经层压机加热压制制成双玻模拟组件进行湿热老化、高低温循环老化、紫外老化测试，密封胶样品制作光伏组件进行湿热老化功率损耗实验。
实施例5
将30重量％的PIB、15重量％的POE加入到温度为110℃的捏合机中进行共混捏合10分钟，冷却至50-100℃后，加入0.02重量％的IPP捏合搅拌5分钟，加入0.1重量％的KH-792偶联剂，迅速升温至160-200℃捏合20分钟，再控温至120-150℃，加入15重量％的炭黑、15重量％的活性碳酸钙、10重量％的滑石粉、10重量％的3A分子筛、4.4重量％的碳五加氢石油树脂、0.3重量％的邻苯二甲酸二癸酯、0.1重量％的抗氧剂和0.1重量％的紫外稳定剂，继续捏合10分钟，在真空度为0.08～0.1MPa、温度120-150℃下继续捏合1～2小时，得到均匀密封胶捏合物，密封胶样品进行初始搭接剪切强度、湿热老化120h搭接剪切强度、热流性、冷流性、180℃烘箱72小时热失重、85℃水汽透过率、38℃水汽透过率、体积电阻率测试，密封胶样品制成1mm厚、1cm宽胶条对双层玻璃进行边缘密封，再经层压机加热压制制成双玻模拟组件进行湿热老化、高低温循环老化、紫外老化测试，密封胶样品制作光伏组件进行湿热老化功率损耗实验。
比较例：市售比较例A丁基胶带和比较例B丁基胶带。
在温度为85℃，湿度为85％下，老化1000小时后或温度为121℃，湿度为100％，老化120小时后实施例1-5的光伏组件边缘密封处及丁基裸条无可辨识的损伤，而样品裸条比较例A出现鼓泡现象，实施例5出现“银纹”现象；实施例1-5双玻模拟组件边缘密封处无可辨识的损伤，比较例A边缘密封处出现脱层现象，比较例B边缘处出现脱层及缺胶现象。
在温度范围为-40℃～85℃高低温循环老化后，实施例1-5和比较例A的双玻模拟组件边缘密封处及丁基裸条无可辨识的损伤，比较例B出现脱层现象。
在85℃烘箱中及室温下放置捏至圆球状的实施例，72小时后实施例1-5和比较例A样品热流性和冷流性都很微小，并无明显流淌现象，而比较例B热流性较明显。
在85℃温度下超过3000小时的紫外照射(照射强度为1.35W/m2，波长为320～420nm)后，实施例1-5和比较例A、B制成的光伏组件边缘密封处及丁基裸条都无出现可辨识的损伤。
对实施例1-5制得的样品以及比较例A和B的材料进行其它性能检测，结果如表1所示。
表1
a.搭接剪切强度根据GB/T7124-2008进行测试；b.水汽透过率根据ASTM F1249进行测试；
c.体积电阻率根据GB/T1410-2006进行测试。
由表中数据可知，本发明制得的密封胶具有持久的粘结力，在湿热老化后具有更高的粘接力，而比较例A和B老化后粘接力下降，本发明制得的密封胶在85℃和38℃下水汽透过率都低于比较例，说明本发明制得的密封胶具有优异的阻水性能，同时实验数据也说明了本发明制得的密封胶热稳定性、绝缘性良好。
在施加1000V电压下，在将太阳能电池组件放置85℃和85％湿度下达168小时的同时，根据实施例和比较例制造的太阳能电池组件是否表现出5％或更多的输出功率的劣化，是否满足电流泄漏标准，输出功率的平均劣化值见表2。
表2
| 示例 | 输出功率的劣化 |
| 实施例1 | -0.78％ |
| 实施例2 | -0.92％ |
| 实施例3 | -1.33％ |
| 实施例4 | -0.84％ |
| 实施例5 | -1.29％ |
| 比较例A | -2.47％ |
| 比较例B | -5.53％ |
根据所述实施例1-5制成的太阳能电池组件在高温高湿条件下导致较小的输出功率的劣化，而比较例A、B的太阳能电池组件在高温高湿条件下导致较大的输出功率的劣化，由此可以说明本发明的热熔密封胶具有优异的耐湿热老化和高阻水特性。
本发明具有原料易得、工艺简单，制得到的密封胶具有持久粘接力，耐高温、高湿、紫外老化，水汽透过率低，热稳定性优良，绝缘性能良好，冷流率小的特点。
Claims (10)
1.一种双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述双玻光伏组件用热熔丁基密封胶按重量百分比计，包含以下物质：15～45％的丁基聚合物、5～35％的合成聚合物、0.02-0.5％的引发剂、0.1-1％硅烷偶联剂、10-30％的无机惰性填料、10-20％的干燥剂、0-5％的增黏树脂、0.3-0.7％的增塑剂、0.1-0.5重量％的防老剂等。
2.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述丁基聚合物为IIR(丁基橡胶)、PIB(聚异丁烯)，数均分子量为20000-1000000，优选50000-500000。
3.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述合成聚合物选自SBR(丁苯橡胶)、APAO(非晶态α-烯烃共聚物)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、聚苯乙烯、POE(聚烯烃弹性体)、EPDM(三元乙丙橡胶)、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物)、SIS(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯共聚物)、SPIBS(苯乙烯-聚异丁烯-苯乙烯共聚物)等。
4.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述引发剂选自BPO(过氧化苯甲酰)、DCP(过氧化二异丙苯)、AIBN(偶氮二异丁腈)、ABVN(偶氮二异庚腈)、TBHP(叔丁基过氧化氢)、IPP(过氧化二碳酸二异丙酯)等。
5.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述硅烷偶联剂含以下结构式：R1Si(OR2)nX3-n，其中，R1为-(CH2)mR3或-CH＝CH2，m为1、2或3，R3选自-NH2、NH(CH2)2NH2、-SH、-OCH2CH3、-O(CH2)2CH3、-OOC-(CH3)C＝CH2和R2为-CH3或-CH2CH3，X为Cl或Br，n为1、2或3。
6.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述无机惰性填料选自云母、滑石粉、高岭土、二氧化硅、碳酸钙、炭黑等，目数大于50目；所述炭黑为炉法制造补强型炭黑，粒径15～60nm，使该热熔丁基密封胶具有大于1014Ω·cm的体积电阻率。
7.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述干燥剂选自3A至5A型分子筛、氧化钙、氯化钙、硫酸镁、活性氧化铝、硅胶等，目数大于50目。
8.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述增黏树脂选自松香树脂、萜烯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、碳五加氢树脂、碳九加氢树脂；所述增塑剂为聚丁烯或邻苯二甲酸酯类。
9.按照权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶，其特征在于，所述防老剂选自β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、水杨酸酯类、苯酮类、苯并三唑类取代丙烯腈类、三嗪类、HALS等。
10.一种权利要求1所述的双玻光伏组件用热熔丁基密封胶的制备方法，其特征在于，该方法具体为：将丁基聚合物和合成聚合物加入到温度为110℃的捏合机中进行共混捏合10分钟，冷却至50-100℃后，加入引发剂捏合搅拌约5分钟，加入偶联剂升温至160-200℃捏合约20分钟，再控温至120-150℃，加入无机惰性填料、增黏树脂、增塑剂、防老剂，继续捏合约10分钟，在真空度为0.08～0.1MPa、温度120-150℃下继续捏合约1～2小时，得到均匀密封胶捏合物。
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