CN114823979B

CN114823979B - 高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片及其制备方法

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Publication number: CN114823979B
Application number: CN202210453160.6A
Authority: CN
Inventors: 张睿; 魏巍; 张奥; 李雪梅; 徐翠薇
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-12-15
Anticipated expiration: 2042-04-27
Also published as: CN114823979A

Abstract

本发明提供一种高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片及其制备方法，包括：(1)在聚酰亚胺基片表面均匀贴附太阳能电池片阵列并固定；(2)在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂硅胶溶液；(3)水平静置，减压脱除挥份；(4)将不同尺寸的掺铈玻璃微珠干粉均匀喷涂在附着硅胶的电池阵列表面；(5)吹扫表面多余玻璃微珠；(6)水平静置电池片阵，减压脱除挥份(7)在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂硅胶溶液；(8)根据性能需要重复步骤(3)‑(7)；(9)水平放置，使电池、胶体与微珠充分复合并交联完全。本发明将掺铈玻璃制成掺铈玻璃微珠并与盖片胶混合成膜制备赝型玻璃盖片，盖在电池板上，降低了工艺复杂性，减少成本。

Description

高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片及其制备方法

技术领域

本发明提供一种高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片及其制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

随着商业航天的发展，低轨大功率通信卫星的需求大增。卫星飞船所需要的能源由太阳光转换而成，而这个转换的“油箱”就是由太阳能电池组成的太阳能电池帆板。柔性太阳翼满足航天器大功率和轻质化的需求，是空间能源研究的重点领域。封装空间太阳电池用的传统刚性玻璃盖片，无法满足柔性太阳翼卷曲的力学性能需求，所以急需寻找一种光谱透过与玻璃盖片相近，又能适应空间环境的替代封装材料。

航天器面对的恶劣空间环境包含紫外线、原子氧和粒子辐照，随着航天器的对地转动，还需经历高低温交变，对材料性能要求高，对传统封装材料替代难度高。传统太阳能电池表面覆盖刚性防护玻璃盖片，虽然其透光性和抗辐照性能良好，但无法应用于柔性太阳能电池制备，因而制备一种透明性和抗辐照性能良好，并具备良好柔性的复合盖片材料，成为柔性太阳能电池制备的重要组成。

现有技术存在以下问题：

1、整体珠胶比较低，对于刮涂法来说，珠胶比为2:1时已经是刮涂上限。珠胶共混溶液已非常粘稠，无法顺利刮涂在基板上；在参照显微镜时，微珠的分布较为分散，无法做到完全最密堆积，这对于太阳能电池的保护来讲，抗辐照性能会大打折扣，因此只能在一定程度上减缓太阳能电池的老化，无法做到最佳效果。

2、混合物刮涂过程粘度较高，共混胶体刮膜最优操作时间较短，在珠胶共混和脱泡静置和制备过程中，体系粘度逐渐增加，不利于刮涂成膜的均匀性。另外，同时由于共混体系逐步凝结固化，操作时间较短，无法实现大面积的连续制备。

3、流延或刮涂法只能在基底平整度较高的表面上进行刮膜制备，对基底表面结构要求较高，基底不平整会严重影响成膜的均匀性和完整性，进而影响整体抗辐照性能。

4、工业放大后均匀性不稳定，无法连续制备操作。

发明内容

本发明提供一种高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片及其制备方法，玻璃微珠和盖片胶混合而成的状态称为赝型晶体状态(PMG)，PMG是由一些小直径球体的玻璃盖片材料(掺铈硼酸盐玻璃以及熔融石英)和盖片胶组成，这个模型提供完整的机械性，其中玻璃微珠提供了主要的辐射防护，盖片胶以及聚酰亚胺基片提供柔韧性。

本发明获得的高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片，盖在电池板上，大大降低了工艺复杂性，减少成本，同时赝形玻璃盖片具有柔性，又能在一定程度上满足空间防护需求，为玻璃盖片的使用拓宽了范围。

本发明采用分步喷涂橡胶，静电或非静电喷涂覆盖微珠，再喷涂橡胶的顺序，循环喷涂得到一种类三明治多层复合结构，整体的操作工序、制备方法、赝型玻璃性能等方面整体优于珠胶共混法，主要包括：

1、该方法可以将抗辐照玻璃微珠在电池表面实现粘结紧密的密堆积排布共混结构，并保证赝型玻璃盖片的柔韧性。通过该方法，实现更高珠胶复合比例，在硅橡胶复合体系中达到多层球形微珠密堆积结构，在保证透光率的前提下以达到增强抗辐照性能的要求。

2、制备抗辐照微珠排布厚度更薄的多层复合结构，可以在保证抗辐照性能的同时提高赝型玻璃盖片的透光性。

3、可以在基底不平整的电池阵列表面制备厚度均一、平整度好、稳定性佳的赝型玻璃盖片。

4、可以通过连续多次喷涂方式实现规模化制备，有效提升制备效率。

具体的技术方案为：

高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片制备方法，包括以下步骤：

1、在聚酰亚胺基片表面均匀贴附太阳能电池片阵列并固定。

2、采用气动雾化喷枪通过调节气压、进液量、雾化喷射形状，在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂一定浓度和厚度的硅胶溶液。

3、水平静置，并停留一定时间减压脱除挥份，并预交联提升胶体粘度。

4、将不同尺寸的掺铈玻璃微珠干粉均匀喷涂在附着硅胶的电池阵列表面，直至表面无法继续附着微珠粉末为止；

5、采用与电池阵列等宽的水平狭缝风刀，沿电池阵列喷涂方向，吹扫表面多余玻璃微珠。

6、水平静置电池片阵，并停留一定时间减压脱除挥份，提升微珠附着效果。

7、在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂硅胶溶液，保证附着微珠上下表面全部被硅胶溶液包覆。

8、根据性能需要重复步骤3-7，达到满足耐辐照赝型结构要求。

9、水平放置，使电池、胶体与微珠充分复合并交联完全。

步骤2中硅胶溶液条件为质量浓度为5％-100％，厚度为20-200μm。

步骤3中预交联条件为30-100℃，5-60min，0-－1bar。

步骤4中微珠喷涂条件为气压为0.1-3bar，电压0-90kV。

步骤5中水平风刀与膜表面夹角条件为5-90°，气压为0.1-3bar。

步骤6中停留条件为30-100℃，5-60min，0-－1bar。

步骤7中硅胶溶液条件为质量浓度为5％-100％，厚度为20-200μm。

步骤8中重复次数条件为0-10次。

步骤9中交联条件为50～150℃，4～48h。

本方法制备高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片优势特点：

1、该多制备方法可以实现更高的抗辐照玻璃珠微珠填充比例。保证柔性盖片厚度均匀且较薄的条件下，将抗辐照玻璃微珠在胶体粘结作用下，实现牢固的密堆积共混排布结构，并保证赝型玻璃盖片的柔韧性。通过该方法，不但保证整体厚度低，同时实现更高珠胶复合共混比例，在硅橡胶复合体系中达到多层球形微珠密堆积结构使光路沿程遮蔽率高，避免漏光缺陷增强抗辐照性能。

2、制备的柔性赝型玻璃盖片整体均匀性高，厚度更薄且可控。抗辐照微珠在多层复合膜中结构厚度可控，可以在保证抗辐照性能的同时提高赝型玻璃盖片的透光性。

3、该制备方法可以在不平整和异型表面实现均匀覆膜制备。不受电池片和基底平整度影响，可以在高低不平整的电池阵列表面制备厚度均一、平整度好、稳定性佳的柔性赝型玻璃盖片。

4、该制备方法可以有效提升制备效率和降低成本。可以通过硅胶与抗辐照微珠连续多次交替喷涂方式实现规模化制备柔性赝型玻璃盖片，喷涂方法原料损耗少，易于长时间稳定操作，剩余溶剂和喷涂后的抗辐照微珠粉末可以回收利用。

通过已完成的实验可知，喷涂硅胶粘度较低操作时间长，可以在长时间内保持流动性，成膜均匀稳定。喷涂法玻璃微珠和硅橡胶的质量比值处于4-5.6之间，相较于刮涂法，大大提升了玻璃微珠的附着量。在通过电子显微镜的观察也可以得到微观效果，微珠的堆积程度大大加强，由于采用该工艺制备的柔性赝型玻璃厚度薄且均匀可控，可在保证透光率和机械强度的前提要求下，抗辐照性能得到显著提高，从而使太阳能电池的使用寿命得到延长。该工艺规模化放大简单，通过机械臂匀速运动，可以在不平整表面获得更平整、厚度均一的胶珠多层柔性复合共混赝型玻璃薄膜，且其量产能力同样优于珠胶共混法。

附图说明

图1为本发明的喷涂法玻璃微珠分布图；

图2为本发明的制备样品结构；

图3为本发明的制备工艺流程。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片由掺铈玻璃微珠和盖片胶结合制备，掺铈玻璃微珠紧密均匀排列地分布在盖片胶中。大致结构如图1所示，在俯视图角度，垂直表面方向各个位置掺铈玻璃微珠紧密连接，实现垂直表面方向紧密排布无明显孔隙；在垂直断面角度，多层掺铈玻璃微球紧密排列，多层间互相填补不同层次之间微球孔隙，使在整体光路中都应有相应的掺铈玻璃微珠进行防护，以保证赝型玻璃对电池片的良好防护效果；仰视角可见，所有硅橡胶与掺铈微珠紧密贴合在电池片表面，且电池片表面的均匀性不影响赝型玻璃膜厚度的均匀性。图1中圆球代表掺铈玻璃微珠，半透明基体代表盖片胶。

本发明通过调节硅橡胶配方组成，改善玻璃微珠表面结构性能，采用硅橡胶雾化喷涂与玻璃微珠(静电或非静电)粉末喷涂交替涂覆工艺，在太阳能电池表面制作出柔性耐辐照赝形玻璃盖片。赝型玻璃盖片具有柔性、透光、耐辐照、耐老化等特点，同时保证胶体对抗辐照微珠具有良好的粘结、化学、机械稳定性。

制备样品结构如图2所示，制备流程如图3所示。

制备高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片操作过程：

1、在聚酰亚胺基片表面均匀贴附太阳能电池片阵列并固定。

2、采用自动(手动)气动雾化喷枪通过调节气压、进液量、雾化喷射形状，在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂一定浓度和厚度的硅胶溶液。

3、在一定温度下水平静置，并停留一定时间减压脱除挥份，并预交联提升胶体粘度。

4、采用自动(手动)粉末喷枪通过调接静电电压、喷涂气压、进料量、喷涂形状，将不同尺寸的掺铈玻璃微珠干粉均匀喷涂在附着一定厚度硅胶的电池阵列表面，直至表面无法继续附着微珠粉末为止。使玻璃微珠在胶体表面达到最紧密堆积，并不再继续挂粉。

5、采用与电池阵列等宽的水平狭缝风刀，通过调节吹扫气压、角度、距离，沿电池阵列喷涂方向，吹扫表面多余玻璃微珠。

6、在一定温度下水平静置电池片阵，并停留一定时间减压脱除挥份，提升微珠附着效果。

7、采用自动(手动)气动雾化喷枪通过调节气压、进液量、雾化喷射形状，在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂一定浓度和厚度的硅胶溶液，保证附着微珠上下表面全部被硅胶溶液包覆。

8、根据性能需要重复3-7步骤，达到满足耐辐照赝型结构要求。

9、一定温度下水平放置一定时间，使电池、胶体与微珠充分复合并交联完全。

原料制备过程：

(1)溶液配置：

分别配置硅橡胶质量分数为3％、5％、10％、12.5％、15％、17.5％、20％、30％、40％、50％等浓度(溶剂为甲苯、DOP、汽油、石油醚、正庚烷、甲基硅油、丙酮、正己烷、环己烷、乙醚)的硅橡胶溶液，并通过机械搅拌至均相混合；

(2)微珠粉末：通过球磨机对掺铈玻璃微珠进行研磨后备用。用不同目数的筛网分别筛出10μm、20μm、50μm、80μm、100μm、200μm、300μm微珠粉末，干燥24h。

实施例：

步骤1：硅橡胶喷涂

使用气动压缩空气调节喷枪压力0.1～8bar之间调节，喷涂方式可采用手动喷涂或自动喷涂模式，对电池片表面进行硅橡胶溶液喷涂。喷涂方式：1、电池片固定，喷头单独沿X或Y方向蛇形移动并交替循环喷涂；2、电池片基底与喷头同时保持运动，分别沿X和Y轴往复相对运动喷涂。喷头移动速度在0.1～100mm/s之间，电池片基底移动速度在0～100mm/s之间。移动方向控制喷涂硅橡胶厚度和均匀性，硅胶喷涂完毕后，通风橱中控温30-100℃，水平静止5-60min，待电池表面溶液呈均匀透明状溜平进入下一工序。

步骤2：微珠粉末喷涂：

利用粉末喷枪喷涂，气泵压力0.1～8bar之间调节，静电电压在0V～220V之间调节，喷涂方式可采用手动喷涂或自动喷涂模式，对附胶后的电池片表面进行玻璃微珠粉末喷涂。喷涂方式：1、电池片固定，喷头单独沿X或Y方向蛇形移动并交替循环喷涂；2、电池片与喷头同时保持运动，分别沿X和Y轴往复相对运动喷涂。喷头移动速度在0.1～100mm/s之间，电池片基底移动速度在0～100mm/s之间。把玻璃微珠干粉喷涂在附着硅胶的电池表面，少量多次直至其表面完全均匀附着微珠，无裸露胶体缺陷，且胶体无法继续粘附微珠粉末时停止喷涂(使玻璃微珠在胶体表面达到最紧密堆积，并不再继续挂粉)。之后用水平风刀吹扫表面多余粉末微珠，控制气泵压力在0.1～8bar之间，风口与电池表面角度在0-180°之间，移动速度在0.1～500mm/s之间，吹扫表面多余微珠。通风橱中控温30-100℃，水平静止5-60min，待电池表面玻璃微珠粘附均匀后进入下一工序。

步骤3：微珠表面附胶喷涂：

重复上述硅胶喷涂过程步骤1，控制二次附胶后电池片表面柔性赝型玻璃盖片总厚度，在40～200μm之间。

步骤4：将喷涂静置后电池片整体移入50～150℃烘箱，4～48h，充分交联完全。

以步骤1～2为循环周期，步骤3～4为终止，周期数>1，可多次多层喷涂硅橡胶和玻璃微珠粉末。控制总厚度在30～500μm之间。

在经过步骤1至步骤4，可控制柔性赝型玻璃盖片膜厚度在30～500μm之间；拉伸强度在0.1～3Mpa；耐弯折不小于100次，膜层弯折、摩擦不引起微珠脱落；剥离强度0.1～0.3N/mm，附着电池片整体剪切强度0.1～1Mpa；透过率在波长400～1100nm范围达到80～90％；经-180～100℃温度冲击6次，不破损开裂；赝型玻璃经紫外辐照光谱115～400nm，累计剂量2500ESH的紫外辐照试验，其500～1100nm波长范围内，平均透过率相对衰减值S在1～10％。

玻璃微珠粉末静电或非静电喷涂的方法和过程，可以通过一定目数细筛网在喷涂硅橡胶后的电池表面，通过自动或手动均匀筛撒粉末的方式进行替代。

Claims

1.高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在基片表面均匀贴附太阳能电池片阵列并固定；

（2）在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂一定浓度和厚度的硅胶溶液；硅胶溶液条件为质量浓度为5%-100%，厚度为20-200μm；

（3）水平静置，并停留一定时间脱除挥份，并预交联提升胶体粘度；预交联条件为30-100℃， 5-60min，0-－1bar；

（4）将不同尺寸的掺铈玻璃微珠干粉均匀喷涂在附着硅胶的电池阵列表面，直至表面无法继续附着掺铈玻璃微珠干粉为止；掺铈玻璃微珠干粉喷涂条件为气压为0.1-3bar，电压0-90kV；

（5）采用水平狭缝风刀，沿电池阵列喷涂方向，吹扫表面多余玻璃微珠；水平风刀与膜表面夹角条件为5-90°，气压为0.1-3bar；

（6）水平静置电池片阵，并停留一定时间使胶体浸润微珠，提升微珠附着效果；停留条件为30-100℃，5-60min，0-－1bar；

（7）在水平放置电池阵列片上表面均匀喷涂硅胶溶液，与下层硅胶互溶，保证附着微珠上下表面和孔隙全部被硅胶溶液填充包覆；硅胶溶液条件为质量浓度为5%-100%，厚度为20-200μm；

（8）根据性能需要重复步骤（3）-（7），达到满足耐辐照赝型结构要求；

（9）水平放置，使电池、胶体与微珠充分复合并交联完全；交联条件为50~150℃，4~48h。

2.根据权利要求1所述的高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片制备方法，其特征在于，步骤8中重复次数条件为0-10次。

3.高密堆积柔性抗辐照赝型玻璃盖片，其特征在于，根据权利要求1或2所述的制备方法制得。