CN110071188B - 一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新型功能材料技术领域，公开了一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，以热塑性聚氨酯为基料，以复配的方式添加多孔结构改性淀粉，使用补强性能极好的防老剂进行改性处理，延长了聚氨酯材质的使用寿命，同时克服了聚氨酯阻燃性能差的问题，加工得到的复合膜材料，材质薄，阻隔性强，机械强度高，耐老化，抵御紫外线性能强，阻燃效果好(防火等级VTM‑0)，具有较高的电绝缘性（介电强度达到145kV/mm），成本低，能够实现背板寿命达到40年以上。
Description
技术领域
本发明属于新型功能材料技术领域，具体涉及一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料。
背景技术
太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置。太阳能背板位于太阳能电池板的背面，对电池片起保护和支撑作用，具有可靠的绝缘性、阻水性、 耐老化性。初期太阳能背板具有三层结构(PVDF/PET/PVDF)，外层保护层PVDF具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为 PET 聚脂薄膜具有良好的绝缘性能，内层PVDF 和EVA具有良好的粘接性能。后为了降低成本，考虑环保，出现了一些不含氟的背板结构，如APE结构背板。背板使用的常见的外层保护膜为PVDF树脂材质。PVDF树脂主要是指偏氟乙烯均聚物或者偏氟乙烯与其他少量含氟乙烯基单体的共聚物，PVDF树脂兼具氟树脂和通用树脂的特性，除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外，还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能，是目前含氟塑料中产量名列第二位的大产品。
我国太阳能电池背板的组件消耗极大，并且大部分依赖于进口，使得太阳能电池的推广受到成本的制约。太阳能电池背板膜是保证背板组件系统光电转换率衰减的关键，在实际应用中，太阳能电池板工作在裸露的空气中，受到环境因素的作用，极易老化损坏，因此，实现太阳能电池板工作效率以及寿命的延长均取决于电池背板表面的防护膜材料性能。目前，传统的PVDF树脂使用寿命以及工作性能、环保性均不能满足当前需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，加工得到的复合膜材料，材质薄，阻隔性强，机械强度高，耐老化，抵御紫外线性能强，阻燃效果好，具有较高的电绝缘性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，按照重量份计由以下成分制成：聚氨酯乳液180-190份、改性淀粉14-16份、防老剂2.8-3.0份、硅烷偶联剂1.7-2.0份、硬脂酸2.0-2.4份、硅油4.0-5.0份；所述防老剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.57-0.60摩尔氮化硅与0.44-0.46摩尔钛酸四丁酯加入到烧杯中，向烧杯中加入100-110毫升聚乙二醇，持续搅拌15-20分钟，转移至三口烧瓶中，升温至80-90℃，加入{3-(三乙氧基硅基)丙基}氨基甲酸乙酯，使用磷酸缓冲溶液调节体系pH值在6.0-6.2之间，继续升温至170-180℃，保温搅拌反应4-5小时，自然冷却至室温，然后置于120-130℃烘箱中放置15-18小时进行成核，合成得到有机硅接枝氮化硅-钛氧化物；
（2）将步骤（1）制备得到的有机硅接枝氮化硅-钛氧化物加入到150-160毫升质量浓度为40-50%的乙醇水溶液中，高速超声分散20-30分钟，然后向体系中加入10-12克琥珀酸酐，继续分散10-15分钟，将所得混合物转移至三口烧瓶中，将温度升高至75-80℃，在氮气保护下进行恒温回流反应，反应3.0-3.5小时后，冷却，得到混合液进行抽滤，洗涤，在90-100℃真空箱中干燥5-7小时，得到所述防老剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述改性淀粉的制备方法为：按照质量比为3.4-3.5：1的比例称取淀粉和尿素颗粒共35-40克，加入到三口烧瓶中，向烧瓶中加入400-450毫升质量浓度为0.14-0.16%的碳酸氢钠水溶液，进行机械搅拌，溶解后放入水浴锅中加热升温至92-95℃，加入0.8-0.9克十二烷基三甲基氯化铵，保温搅拌20-25分钟，然后倒入烧杯中冷却至室温，再将烧杯置于-5℃-0℃下冷藏20-24小时取出，加热熔化后使用浓度为40-50%的乙醇溶液进行洗涤2-3次，得到的固体产物置于60-65℃烘箱中干燥4-6小时，研磨成粉即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述聚氨酯乳液的制备方法为：称取聚酯型聚氨酯粒料120-130克，加入到400-410毫升的混合溶剂中，进行搅拌混合，升温至55-60℃下持续搅拌2-3小时形成均一混合液。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述磷酸缓冲溶液pH值在5.7-5.8之间。
作为对上述方案的进一步描述，复合膜材料的制备方法为：将所述重量份的原料加入到密炼机中，在170-180℃下搅拌混合40-45分钟，得到的改性聚氨酯乳液，使用涂膜机进行刮涂，得到厚度在20-24微米之间的复合膜，置于110-120℃真空干燥箱中干燥10-12小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述混合溶剂是由N，N-二甲基甲酰胺与丙酮按照质量比为4-5:1.5-1.6的比例混合均匀得到的。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决现有的太阳能电池背板表面防护膜材质寿命短，工作性能有待提高的问题，本发明提供了一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，以热塑性聚氨酯为基料，以复配的方式添加多孔结构改性淀粉，使用补强性能极好的防老剂进行改性处理，延长了聚氨酯材质的使用寿命，同时克服了聚氨酯阻燃性能差的问题，加工得到的复合膜材料，材质薄，阻隔性强，机械强度高，耐老化，抵御紫外线性能强，阻燃效果好(防火等级VTM-0)，具有较高的电绝缘性（介电强度达到145kV/mm），成本低，能够实现背板寿命达到40年以上，本发明采用的用于太阳能电池背板防护的复合膜材料解决了现有的太阳能电池背板表面防护膜材质寿命短，工作性能有待提高的问题，降低了背板组件系统光电转换率衰减速度，延长了太阳能电池板的使用寿命，为太阳能电池背板材料的开发提供了新的思路和方向，提高了复合膜材料的开发利用，能够实现促进太阳能电池技术行业的发展，提高在电子、生物、环保等领域的应用价值的现实意义，是一种极为值得推广使用的技术方案。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明所提供的技术方案。
实施例1
一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，按照重量份计由以下成分制成：聚氨酯乳液180份、改性淀粉14份、防老剂2.8份、硅烷偶联剂1.7份、硬脂酸2.0份、硅油4.0份；所述防老剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.57摩尔氮化硅与0.44摩尔钛酸四丁酯加入到烧杯中，向烧杯中加入100毫升聚乙二醇，持续搅拌15分钟，转移至三口烧瓶中，升温至80℃，加入{3-(三乙氧基硅基)丙基}氨基甲酸乙酯，使用磷酸缓冲溶液调节体系pH值在6.0-6.2之间，继续升温至170℃，保温搅拌反应4小时，自然冷却至室温，然后置于120℃烘箱中放置15小时进行成核，合成得到有机硅接枝氮化硅-钛氧化物；
（2）将步骤（1）制备得到的有机硅接枝氮化硅-钛氧化物加入到150毫升质量浓度为40%的乙醇水溶液中，高速超声分散20分钟，然后向体系中加入10克琥珀酸酐，继续分散10分钟，将所得混合物转移至三口烧瓶中，将温度升高至75℃，在氮气保护下进行恒温回流反应，反应3.0小时后，冷却，得到混合液进行抽滤，洗涤，在90℃真空箱中干燥5小时，得到所述防老剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述改性淀粉的制备方法为：按照质量比为3.4：1的比例称取淀粉和尿素颗粒共35克，加入到三口烧瓶中，向烧瓶中加入400毫升质量浓度为0.14%的碳酸氢钠水溶液，进行机械搅拌，溶解后放入水浴锅中加热升温至92℃，加入0.8克十二烷基三甲基氯化铵，保温搅拌20分钟，然后倒入烧杯中冷却至室温，再将烧杯置于-5℃下冷藏20小时取出，加热熔化后使用浓度为40%的乙醇溶液进行洗涤2次，得到的固体产物置于60℃烘箱中干燥4小时，研磨成粉即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述聚氨酯乳液的制备方法为：称取聚酯型聚氨酯粒料120克，加入到400毫升的混合溶剂中，进行搅拌混合，升温至55℃下持续搅拌2小时形成均一混合液。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述磷酸缓冲溶液pH值在5.7-5.8之间。
作为对上述方案的进一步描述，复合膜材料的制备方法为：将所述重量份的原料加入到密炼机中，在170℃下搅拌混合40分钟，得到的改性聚氨酯乳液，使用涂膜机进行刮涂，得到厚度在20-24微米之间的复合膜，置于110℃真空干燥箱中干燥10小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述混合溶剂是由N，N-二甲基甲酰胺与丙酮按照质量比为4:1.5的比例混合均匀得到的。
所述硅烷偶联剂型号为KH590，所述聚酯型聚氨酯粒料型号为B85A。
实施例2
一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，按照重量份计由以下成分制成：聚氨酯乳液185份、改性淀粉15份、防老剂2.9份、硅烷偶联剂1.8份、硬脂酸2.2份、硅油4.5份；所述防老剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.58摩尔氮化硅与0.45摩尔钛酸四丁酯加入到烧杯中，向烧杯中加入105毫升聚乙二醇，持续搅拌18分钟，转移至三口烧瓶中，升温至85℃，加入{3-(三乙氧基硅基)丙基}氨基甲酸乙酯，使用磷酸缓冲溶液调节体系pH值在6.0-6.2之间，继续升温至175℃，保温搅拌反应4.5小时，自然冷却至室温，然后置于125℃烘箱中放置16小时进行成核，合成得到有机硅接枝氮化硅-钛氧化物；
（2）将步骤（1）制备得到的有机硅接枝氮化硅-钛氧化物加入到155毫升质量浓度为45%的乙醇水溶液中，高速超声分散25分钟，然后向体系中加入11克琥珀酸酐，继续分散12分钟，将所得混合物转移至三口烧瓶中，将温度升高至78℃，在氮气保护下进行恒温回流反应，反应3.3小时后，冷却，得到混合液进行抽滤，洗涤，在95℃真空箱中干燥6小时，得到所述防老剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述改性淀粉的制备方法为：按照质量比为3.45：1的比例称取淀粉和尿素颗粒共38克，加入到三口烧瓶中，向烧瓶中加入430毫升质量浓度为0.15%的碳酸氢钠水溶液，进行机械搅拌，溶解后放入水浴锅中加热升温至93℃，加入0.85克十二烷基三甲基氯化铵，保温搅拌22分钟，然后倒入烧杯中冷却至室温，再将烧杯置于-2℃下冷藏22小时取出，加热熔化后使用浓度为45%的乙醇溶液进行洗涤2次，得到的固体产物置于62℃烘箱中干燥5小时，研磨成粉即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述聚氨酯乳液的制备方法为：称取聚酯型聚氨酯粒料125克，加入到405毫升的混合溶剂中，进行搅拌混合，升温至58℃下持续搅拌2.5小时形成均一混合液。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述磷酸缓冲溶液pH值在5.7-5.8之间。
作为对上述方案的进一步描述，复合膜材料的制备方法为：将所述重量份的原料加入到密炼机中，在175℃下搅拌混合42分钟，得到的改性聚氨酯乳液，使用涂膜机进行刮涂，得到厚度在20-24微米之间的复合膜，置于115℃真空干燥箱中干燥11小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述混合溶剂是由N，N-二甲基甲酰胺与丙酮按照质量比为4.5:1.55的比例混合均匀得到的。
所述硅烷偶联剂型号为KH590，所述聚酯型聚氨酯粒料型号为B85A。
实施例3
一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，按照重量份计由以下成分制成：聚氨酯乳液190份、改性淀粉16份、防老剂3.0份、硅烷偶联剂2.0份、硬脂酸2.4份、硅油5.0份；所述防老剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.60摩尔氮化硅与0.46摩尔钛酸四丁酯加入到烧杯中，向烧杯中加入110毫升聚乙二醇，持续搅拌20分钟，转移至三口烧瓶中，升温至80-90℃，加入{3-(三乙氧基硅基)丙基}氨基甲酸乙酯，使用磷酸缓冲溶液调节体系pH值在6.0-6.2之间，继续升温至180℃，保温搅拌反应5小时，自然冷却至室温，然后置于130℃烘箱中放置18小时进行成核，合成得到有机硅接枝氮化硅-钛氧化物；
（2）将步骤（1）制备得到的有机硅接枝氮化硅-钛氧化物加入到160毫升质量浓度为40-50%的乙醇水溶液中，高速超声分散30分钟，然后向体系中加入12克琥珀酸酐，继续分散15分钟，将所得混合物转移至三口烧瓶中，将温度升高至80℃，在氮气保护下进行恒温回流反应，反应3.5小时后，冷却，得到混合液进行抽滤，洗涤，在100℃真空箱中干燥7小时，得到所述防老剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述改性淀粉的制备方法为：按照质量比为3.5：1的比例称取淀粉和尿素颗粒共40克，加入到三口烧瓶中，向烧瓶中加入450毫升质量浓度为0.16%的碳酸氢钠水溶液，进行机械搅拌，溶解后放入水浴锅中加热升温至95℃，加入0.9克十二烷基三甲基氯化铵，保温搅拌25分钟，然后倒入烧杯中冷却至室温，再将烧杯置于0℃下冷藏24小时取出，加热熔化后使用浓度为50%的乙醇溶液进行洗涤3次，得到的固体产物置于65℃烘箱中干燥6小时，研磨成粉即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述聚氨酯乳液的制备方法为：称取聚酯型聚氨酯粒料130克，加入到410毫升的混合溶剂中，进行搅拌混合，升温至60℃下持续搅拌3小时形成均一混合液。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述磷酸缓冲溶液pH值在5.7-5.8之间。
作为对上述方案的进一步描述，复合膜材料的制备方法为：将所述重量份的原料加入到密炼机中，在180℃下搅拌混合45分钟，得到的改性聚氨酯乳液，使用涂膜机进行刮涂，得到厚度在20-24微米之间的复合膜，置于120℃真空干燥箱中干燥12小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述混合溶剂是由N，N-二甲基甲酰胺与丙酮按照质量比为5:1.6的比例混合均匀得到的。
所述硅烷偶联剂型号为KH590，所述聚酯型聚氨酯粒料型号为B85A。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，省略所述改性淀粉的制备添加，其余保持一致。
对比例2
与实施例2的区别仅在于，省略所述防老剂的制备添加，其余保持一致。
对比例3
与实施例3的区别仅在于，使用防老剂4010NA代替本发明中制备的防老剂，其余保持一致。
对比例4
与实施例3的区别仅在于，所述防老剂的制备中，省略步骤（1）中氮化硅的添加，使用二氧化硅代替，其余保持一致。
对比例5
与实施例3的区别仅在于，所述防老剂的制备中，省略步骤（2）中琥珀酸酐的添加，使用乙酸酐代替，其余保持一致。
对比实验
分别使用实施例1-3和对比例1-5的方法制备用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，以使用添加二氧化钛改性的聚偏氟乙烯制备背膜的方法作为对照组，分别以各组方法制备得到边长尺寸为10厘米的正方形试样备用，在相同的试验条件下对各组试样进行膜性能测试，数据达到稳定时，采集具有代表性的数据，所得实验数据为5组样品的平均值，保持试验中无关变量一致，统计有效平均值，结果如下表所示：
（老化试验在氙灯耐气候老化试验箱中进行，将试样放在试验箱中，设定老化温度为55℃，湿度为70%，辐照强度为280w/m2，距离为20厘米，模拟光照环境，使其加速老化，模拟老化时间为30天）
本发明采用的用于太阳能电池背板防护的复合膜材料解决了现有的太阳能电池背板表面防护膜材质寿命短，工作性能有待提高的问题，降低了背板组件系统光电转换率衰减速度，延长了太阳能电池板的使用寿命，为太阳能电池背板材料的开发提供了新的思路和方向，提高了复合膜材料的开发利用，能够实现促进太阳能电池技术行业的发展，提高在电子、生物、环保等领域的应用价值的现实意义，是一种极为值得推广使用的技术方案。
Claims (6)
1.一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，其特征在于，按照重量份计由以下成分制成：聚氨酯乳液180-190份、改性淀粉14-16份、防老剂2.8-3.0份、硅烷偶联剂1.7-2.0份、硬脂酸2.0-2.4份、硅油4.0-5.0份；所述防老剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.57-0.60摩尔氮化硅与0.44-0.46摩尔钛酸四丁酯加入到烧杯中，向烧杯中加入100-110毫升聚乙二醇，持续搅拌15-20分钟，转移至三口烧瓶中，升温至80-90℃，加入[3-(三乙氧基硅基)丙基]氨基甲酸乙酯，使用磷酸缓冲溶液调节体系pH值在6.0-6.2之间，继续升温至170-180℃，保温搅拌反应4-5小时，自然冷却至室温，然后置于120-130℃烘箱中放置15-18小时进行成核，合成得到有机硅接枝氮化硅-钛氧化物；
（2）将步骤（1）制备得到的有机硅接枝氮化硅-钛氧化物加入到150-160毫升质量浓度为40-50%的乙醇水溶液中，高速超声分散20-30分钟，然后向体系中加入10-12克琥珀酸酐，继续分散10-15分钟，将所得混合物转移至三口烧瓶中，将温度升高至75-80℃，在氮气保护下进行恒温回流反应，反应3.0-3.5小时后，冷却，得到混合液进行抽滤，洗涤，在90-100℃真空箱中干燥5-7小时，得到所述防老剂。
2.如权利要求1所述一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，其特征在于，所述改性淀粉的制备方法为：按照质量比为3.4-3.5：1的比例称取淀粉和尿素颗粒共35-40克，加入到三口烧瓶中，向烧瓶中加入400-450毫升质量浓度为0.14-0.16%的碳酸氢钠水溶液，进行机械搅拌，溶解后放入水浴锅中加热升温至92-95℃，加入0.8-0.9克十二烷基三甲基氯化铵，保温搅拌20-25分钟，然后倒入烧杯中冷却至室温，再将烧杯置于-5℃-0℃下冷藏20-24小时取出，加热熔化后使用浓度为40-50%的乙醇溶液进行洗涤2-3次，得到的固体产物置于60-65℃烘箱中干燥4-6小时，研磨成粉即可。
3.如权利要求1所述一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，其特征在于，所述聚氨酯乳液的制备方法为：称取聚酯型聚氨酯粒料120-130克，加入到400-410毫升的混合溶剂中，进行搅拌混合，升温至55-60℃下持续搅拌2-3小时形成均一混合液。
4.如权利要求1所述一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，其特征在于，步骤（1）所述磷酸缓冲溶液pH值在5.7-5.8之间。
5.如权利要求1所述一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，其特征在于，复合膜材料的制备方法为：将所述重量份的原料加入到密炼机中，在170-180℃下搅拌混合40-45分钟，得到的改性聚氨酯乳液，使用涂膜机进行刮涂，得到厚度在20-24微米之间的复合膜，置于110-120℃真空干燥箱中干燥10-12小时即可。
6.如权利要求3所述一种用于太阳能电池背板防护的复合膜材料，其特征在于，所述混合溶剂是由N，N-二甲基甲酰胺与丙酮按照质量比为4-5:1.5-1.6的比例混合均匀得到的。
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