CN114316877A - 一种适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂及其应用 - Google Patents

一种适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，按重量份数计算，包括聚氨酯预聚体50份、含氟多羟基共聚物5～23份、硅烷偶联剂0.1～2份；聚氨酯预聚体含有端异氰酸酯基。将该含氟聚氨酯胶粘剂应用于太阳能背板材料，具有优异的粘接力、耐高低温性能和抗老化性能。

Description

一种适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂及其 应用
技术领域
本发明属于胶粘剂领域，具体地，涉及一种含氟聚氨酯胶粘剂及其制备方法。
背景技术
随着经济迅速腾飞，石油、煤气等传统能源已不能满足人类的消耗，因此新能源的开发迫在眉睫。太阳能作为地球能源的直接源头，且无需任何运输条件、无危害性，是真正意义上“取之不尽，用之不竭”的清洁能源。目前工业上利用太阳能的最重要的工具就是太阳能电池板。由于太阳能电池裸露于室外，在使用过程中会受到光、热、寒、雨水等自然因素影响，轻则导致光-电转换率降低，重则导致电池报废。因此硅电池片需要被粘接性好的胶层进行封装，并通过(聚氟乙烯)TPT背板材料进行保护与支撑。背板材料与外界自然环境直接接触，需具备25年寿命的可靠绝缘性、水汽阻隔、低透气性、耐老化、耐电解液性等，目前常用的的太阳能背板为TPT材料，为氟乙烯-聚对苯二甲酸乙二酸酯(PVF-PET)复合膜材结构。
PVF具有极低的表面能，很难与其他材料进行粘结。聚氨酯类胶粘剂是目前常用的胶粘剂，但其用于太阳能电池背板材料时，要适用于高低温以及潮湿的自然环境。因此，需要进一步提高聚氨酯类胶粘剂对PVF的粘接性能、耐高低温和抗老化性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种含氟聚氨酯胶粘剂及其制备方法，并将其应用于太阳能背板材料，具有优异的粘接力、耐高低温性能和抗老化性能。
本发明提供了一种适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，按重量份数计算，包括聚氨酯预聚体50份、含氟多羟基共聚物5～23份、硅烷偶联剂0.1～2份；聚氨酯预聚体含有端异氰酸酯基。
本发明提供的含氟聚氨酯胶粘剂由一定重量份数的聚氨酯预聚体、含氟多羟基共聚物、硅烷偶联剂组成，其中聚氨酯预聚体中的端异氰酸酯基能够与含氟多羟基共聚物中的羟基进一步发生反应，实现聚氨酯预聚体分子链的进一步拓展，形成交联的三维网状结构，使胶粘剂具有一定的强度和粘性。生成的胶粘剂中，因为含氟多羟基共聚物构成其交联结构，引入了C-F键，其具有键长短、键能大的特点，增强了胶粘剂的耐低温、耐氧化性能。且F具有强极性，易与聚氨酯中的氨基甲酸酯中的N上的H形成氢键作用，使内聚力增强，从而提高了胶粘剂的粘接性能，使其能够与PVF表面粘接紧密牢固。进一步地，加入硅烷偶联剂，其中的硅氧烷基与聚氨酯预聚体、含氟多羟基共聚物也能发生交联反应，使胶粘剂的三维网状结构中具有硅烷链段，Si-O键增强了胶粘剂的耐高温性能，耐水解性能，同时也增强了胶粘剂的强度和抗老化性能，并且能在纯氧中实现自熄。
优选地，上述含氟聚氨酯胶粘剂还包括催化剂0.1～1份、抗氧剂0.1～1.5份。
优选地，催化剂为二月桂酸二丁锡和/或辛酸亚锡；抗氧剂为168和/或1010。
优选地，硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550。
优选地，含氟多羟基共聚物由甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸-β羟乙酯、丙烯酸丁酯共聚得到；按重量百分含量计算，含氟聚氨酯胶粘剂中含氟量为3％～10％。
优选地，聚氨酯预聚体由芳香族二异氰酸酯、脂肪族二异氰酸酯和聚醚二元醇共聚得到。
优选地，芳香族二异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的至少一种。
优选地，脂肪族二异氰酸酯选自六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯中的至少一种。
本发明中用于合成聚氨酯预聚体的原料包括脂肪族二异氰酸酯和芳香族二异氰酸酯，在紫外线照射，胶粘剂体系中会产生自由基，其中脂肪族二异氰酸酯能够阻止自由基在胶粘剂体系中的传递，使胶粘剂的抗老化能力较强，而芳香族二异氰酸酯进一步增强了胶粘剂的强度。
优选地，聚醚二元醇选自聚丙二醇和聚四氢呋喃二醇中的至少一种。
优选地，聚丙二醇为PPG2000，聚四氢呋喃二醇为PTMG-2000。
本发明提供一种含氟多羟基共聚物的制备方法：
S1：按摩尔份数计算，将1～2份所述甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFMA)、1～2份所述甲基丙烯酸-β羟乙酯(HEMA)、1～2份所述丙烯酸丁酯混合(BA)，搅拌均匀；
S2：在氮气的保护下，于60～65℃下逐滴滴加0.1～0.2份过氧化苯甲酰(BPO)，控制滴加速度，滴加时间为2h；
S3：在80～85℃下继续反应8～10h，即得所述含氟多羟基共聚物。
本发明提供了一种聚氨酯预聚体的制备方法：
S1：按摩尔份数计算，将1～2份芳香族二异氰酸酯、1～2份脂肪族二异氰酸酯、2～4份聚醚二元醇、10～25份二甲基亚砜混合均匀；
S2：在50～60℃下反应2～2.5h，后在70～75℃下反应4～5h，即得所述聚氨酯预聚体。
优选地，上述含氟聚氨酯胶粘剂的制备方法为：将聚氨酯预聚体、含氟多羟基共聚物、硅烷偶联剂、催化剂、抗氧剂通过机械混合可得。
优选地，上述含氟聚氨酯胶粘剂中-NCO和-OH的摩尔比为1:1。
本发明提供的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂能够应用于太阳能电池背板材料中。
本发明提供的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂在太阳能电池背板材料中的应用方法，具体包括以下步骤：
S1：将含氟聚氨酯胶粘剂涂敷于PVF薄膜上，等溶剂挥发后，PET膜进行粘接；
S2：在加热和加压的条件下，使含氟聚氨酯胶粘剂固化，由此制得依次复合的第一PVF薄膜、第一含氟聚氨酯胶层、PET基膜、第二含氟聚氨酯胶层、第二PVF薄膜的太阳能电池背板材料。
优选地，上述加热温度为80℃，加压压力为1.5Mpa，加热时间为10min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的适用于太阳能背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂采用含氟多羟基共聚物、聚氨酯预聚体、有机硅偶联剂配合使用制备得到的胶层能够对具有低表面能的PVF产生较高的粘接力，并且具有较好的耐高低温、抗老化性能。本发明还提供了聚氨酯预聚体和含氟多羟基共聚物的制备方法，该方法原料易得、反应条件简单，具有可操作性。本发明提供了含氟聚氨酯胶粘剂在粘接太阳能电池背板材料中的应用方法，能够牢固粘接PVF膜和PET膜制得PVF-PET复合薄膜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
本实施例提供一种含氟聚氨酯胶粘剂，具体包括以下组分：50份聚氨酯预聚体、5份含氟多羟基共聚物、0.5份硅烷偶联剂、0.5份二月桂酸二丁锡、1份抗氧剂168。
本实施例中的含氟多羟基共聚物通过以下方式制备：
称取20gDFMA(0.05mol)、6.5gHEMA(0.05mol)、6.4gBA(0.05mol)于250ml四口烧瓶中，进行氮气保护；搅拌均匀后，于60℃下用恒压滴液漏斗滴加1.2gBPO(0.005mol)，控制滴加速度，滴加2h，升温至80℃反应8h，得到含氟多羟基共聚物。
本实施例中的聚氨酯预聚体通过以下方式制备：
先将7.5g二苯基甲烷二异氰酸酯(0.03mol)、6.7g异佛尔酮二异氰酸酯(0.03mol)溶于60ml的DMF溶剂中，完全溶解后，加入82g聚丙二醇PPG-2000(约为0.046mol)，在氮气保护、50℃下反应2h后，升温至70℃反应4h，再加入24.5g聚丙二醇PPG-2000(约为0.014mol)使其反应完全，得到聚氨酯预聚体。
本实施例中含氟聚氨酯胶粘剂中的含氟量为3％。
实施例2
本实施例提供一种含氟聚氨酯胶粘剂，具体包括以下组分：50份聚氨酯预聚体、10份含氟多羟基共聚物、2份硅烷偶联剂、0.5份二月桂酸二丁锡、1份抗氧剂168。
本实施例中含氟多羟基共聚物和聚氨酯预聚体的制备方式与实施例1相同。
本实施例中含氟聚氨酯胶粘剂中的含氟量为5％。
实施例3
本实施例提供一种含氟聚氨酯胶粘剂，具体包括以下组分：50份聚氨酯预聚体、23份含氟多羟基共聚物、1份硅烷偶联剂、0.5份二月桂酸二丁锡、1份抗氧剂168。
本实施例中含氟多羟基共聚物和聚氨酯预聚体的制备方式与实施例1相同。
本实施例中含氟聚氨酯胶粘剂中的含氟量为10％。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，不包含硅烷偶联剂，其余各组分的重量份数以及含氟多羟基共聚物和聚氨酯预聚体的制备方式均与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，聚氨酯预聚体的制备方法如下：
本实施例中的聚氨酯预聚体通过以下方式制备：
先将15g二苯基甲烷二异氰酸酯(0.03mol)溶于60ml的DMF溶剂中，完全溶解后，加入82g聚丙二醇PPG-2000(约为0.046mol)，在氮气保护、50℃下反应2h后，升温至70℃反应4h，再加入24.5g聚丙二醇PPG-2000(约为0.014mol)使其反应完全，得到聚氨酯预聚体。
其余各组分及其重量份数均与实施例1相同。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于用多羟基共聚物替代含氟多羟基共聚物，多羟基共聚物的制备方法如下：
称取6.5gHEMA(0.05mol)、6.4gBA(0.05mol)于250ml四口烧瓶中，进行氮气保护；搅拌均匀后，于60℃下用恒压滴液漏斗滴加1.2gBPO(0.005mol)，控制滴加速度，滴加2h，升温至80℃反应8h，得到多羟基共聚物。
样品PVF-PET复合薄膜的制备：
分别将实施例1～3和对比例1～3制备得到的胶粘剂应用于太阳能电池背板材料样品1～6，具体方式如下：
S1：将实施例1～3和对比例1～2制备得到的胶粘剂均匀涂敷于30μmPVF薄膜上，等溶剂挥发后(涂胶厚度为10μm)，与PET膜(12μm)进行粘接；
S2：在加热温度为80℃和加压压力为1.5Mpa的条件下，加热时间为10min，使含氟聚氨酯胶粘剂固化，由此制得依次复合的第一PVF薄膜、第一含氟聚氨酯胶层、PET基膜、第二含氟聚氨酯胶层、第二PVF薄膜的太阳能电池背板材料样品1～6。
测试例1
将样品1～5参考GB/T 34444-2017进行层间剥离强度测试，测试第一PVF薄膜、第一含氟聚氨酯胶层、PET膜之间的层间剥离强度。
测试例2
将样品1～5参考GB/T32368-2015，在70℃，相对湿度85％的环境下进行耐高温高湿耐老化实验测试。
表1太阳能电池背板材料样品性能测试
Figure BDA0003445396680000061
以上测试结果说明，利用实施例1～3提供的胶粘剂制备得到的太阳能电池具有较强的层间剥离强度，说明该胶粘剂与PET和PVF之间的粘结力较强，能够粘结紧密，且在高温高湿环境中能保持较好的性能不发生老化现象，能够适用于太阳能电池背板材料的使用环境。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，按重量份数计算，包括聚氨酯预聚体50份、含氟多羟基共聚物5～23份、硅烷偶联剂0.1～2份；所述聚氨酯预聚体含有端异氰酸酯基。
2.如权利要求1所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，还包括催化剂0.1～3份、抗氧剂0.1～1.5份。
3.如权利要求1所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，所述含氟多羟基共聚物由甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸-β羟乙酯、丙烯酸丁酯共聚得到；按重量百分含量计算，所述含氟聚氨酯胶粘剂中含氟量为3％～10％。
4.如权利要求1所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，所述聚氨酯预聚体由芳香族二异氰酸酯、脂肪族二异氰酸酯和聚醚二元醇共聚得到。
5.如权利要求4所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，所述芳香族二异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的至少一种；所述脂肪族二异氰酸酯选自六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯中的至少一种。
6.如权利要求4所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，所述聚醚二元醇选自聚丙二醇、聚四氢呋喃二醇中的至少一种。
7.如权利要求1所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，所述含氟多羟基共聚物的制备方法如下：
S1：按摩尔份数计算，将1～2份所述甲基丙烯酸十二氟庚酯、1～2份所述甲基丙烯酸-β羟乙酯、1～2份所述丙烯酸丁酯混合，搅拌均匀；
S2：在氮气的保护下，于60～65℃下逐滴滴加0.1～0.2份过氧化苯甲酰；
S3：在80～85℃下继续反应8～10h，即得所述含氟多羟基共聚物。
8.如权利要求1所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂，其特征在于，所述聚氨酯预聚体的制备方法如下：
S1：按摩尔份数计算，将1～2份芳香族二异氰酸酯、1～2份脂肪族二异氰酸酯、2～4份聚醚二元醇、10～25份二甲基亚砜混合均匀；
S2：在50～60℃下反应2～2.5h，后在70～75℃下反应4～5h，即得所述聚氨酯预聚体。
9.一种如权利要求1所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂在太阳能电池背板材料中的应用。
10.如权利要求9所述的适用于太阳能电池背板材料的含氟聚氨酯胶粘剂在太阳能电池背板材料中的应用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：将所述含氟聚氨酯胶粘剂涂敷于PVF薄膜上，等溶剂挥发后与PET膜进行粘接；
S2：在加热和加压的条件下，使所述含氟聚氨酯胶粘剂固化，得PVF-PET复合薄膜。
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