CN115651395B - 玻璃纤维增强复合材料、制备方法及太阳能电池背板 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种玻璃纤维增强复合材料，包括聚酰胺基体树脂和分布于所述聚酰胺基体树脂中的增强体，所述增强体为连续玻璃纤维网格布，其中，所述复合材料中，增强体的质量百分比为30‑50wt％，所述玻璃纤维增强复合材料具有良好的机械性能，不开裂，绝缘性能好，用于太阳能电池的背板能有效延长太阳能电池的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料和光伏领域，具体涉及玻璃纤维增强复合材料、制备方法及太阳能电池背板。
背景技术
太阳能电池组件通常包括背板、面板和两者之间的太阳能电池单元。太阳能电池的背板一般是指位于电池组件背面的起支撑作用的部分。由于太阳能电池通常使用在户外环境中，背板作为太阳能电池组件背面的最外层，常常直接与外部环境相接触，并且需要保护太阳能电池的核心组件免受水汽、紫外线等各种因素的影响，需要保持良好的耐久性、耐老化性能、绝缘性和机械强度。太阳能电池背板的性能优劣直接影响着太阳能电池整体在户外的使用寿命。
现有的太阳能电池背板材料中，较常见的是含氟树脂、PET膜和烯烃系树脂等复合而成的多层材料，通常经胶粘涂布工艺复合。这类背板中PVDF等含氟树脂虽然可以在一定程度上抵抗外界环境的侵蚀，并且具有一定绝缘性能，但其机械性能往往不足，耐湿热性能不佳，而且由于层间粘结剂的使用，使得材料的耐久性不佳，多层材料制备工艺较复杂，成本较高。
发明内容
基于此，本申请提供一种玻璃纤维增强复合材料，具有良好的机械性能，不开裂，绝缘性能好，用于太阳能电池的背板能有效延长太阳能电池的寿命。
本申请提供一种玻璃纤维增强复合材料，包括聚酰胺基体树脂和分布于所述聚酰胺基体树脂中的增强体，所述增强体为连续玻璃纤维网格布，其中，所述复合材料中，增强体的质量百分比为30-50wt％。
在一些实施方式中，所述连续玻璃纤维网格布为平织法编织，面密度为100g/m2—1000g/m2。
在一些实施方式中，所述连续玻璃纤维网格布由连续玻璃纤维与聚酰胺纤维的合股纱编织而成，其中单位长度的所述合股纱中聚酰胺纤维与所述玻璃纤维的质量比为1：1-4。
在一些实施方式中，所述连续玻璃纤维网格布经偶联剂处理。
在一些实施方式中，所述聚酰胺基体树脂选自脂肪族聚酰胺或芳香族聚酰胺中的至少一种。
本申请还提供一种复合材料的制备方法，包括：
编织连续玻璃纤维网格布；
配制聚酰胺基体树脂的预聚混合物；
将所述连续玻璃纤维网格布放入模具中，将所述预聚混合物内用压板施加压力，进行聚合反应，在模具内形成增强的聚酰胺复合材料。
在一些实施方式中，所述聚合反应的反应温度为150-180℃，反应时间为2-5h；和/或所述压力为5-8MPa。
在一些实施方式中，所述编织玻璃纤维网格布的步骤包括：采用平织法将连续玻璃纤维与聚酰胺纤维的合股纱编织成连续玻璃纤维网格布，再将所述玻璃纤维网格布用偶联剂处理。
在一些实施方式中，所述聚酰胺的预聚混合物包括己内酰胺和甲苯二异氰酸酯。
本申请还提供一种太阳能电池背板，包括前述玻璃纤维增强复合材料所制备的板材。
有益效果
本申请提供一种玻璃纤维增强的复合材料，采用连续纤维编织的网格布增强，其绝缘性能以及机械性能均明显优于短切玻璃纤维直接增强的复合材料，使用聚酰胺作为基体树脂，相比于以往的烯烃系基体树脂也具有更好的耐环境老化性，用于太阳能电池背板能够有效改善太阳能电池的耐久性，延长太阳能电池的寿命。并且本发明在连续纤维编织的网格布上进行树脂的原位聚合反应，单体与网格布充分浸渍，使得复合相的结合性更好。
具体实施方式
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
本发明提供一种玻璃纤维增强复合材料，包括聚酰胺基体树脂和分布于聚酰胺基体树脂中的增强体，增强体为连续玻璃纤维网格布，其中，复合材料中，增强体的质量百分比为30-50wt％。
本发明提供的复合材料采用连续玻璃纤维网格布作为增强体，填充聚酰胺基体树脂可以有效改善复合材料的耐老化性能和绝缘性能，机械性能也有所提高，应用于太阳能电池背板可以有效改善太阳能电池的使用寿命。连续玻璃纤维网格布相比于短切玻璃填充的复合材料在耐久性和绝缘性方面明显改善，而且避免了短切玻璃纤维的纤维提对基体材料的穿刺作用，有效改善聚酰胺基体树脂材料的开裂。
在一些实施方式中，增强体占复合材料的质量比为30-50wt％，可以较好地实现太阳能电池背板所需的机械性能和绝缘性能。如果复合材料中增强体的比例过大，则虽然绝缘性能良好，但抗冲击性能将有所下降，材料的机械性能不足，对于太阳能电池板难以起到有效的支撑作用。
在一些实施方式中，连续玻璃纤维网格布为平织法编织，平织法能够形成平整的表面，填充在聚酰胺树脂基体中时，能保持良好的填充性能，又能避免因三维织法导致的织物表面不平整而引起树脂基体分布不均匀，影响复合材料最终的受力均匀度。
在一些实施方式中，连续玻璃纤维网格布的面密度为100g/m2-1000g/m2。网格布的面密度过大时，在网格布与聚酰胺基体树脂材料复合时，聚酰胺的预聚物难以浸入到网格布的缝隙内，不能有效包裹和填充到网格布的间隙，复合材料的均匀性不佳；而网格布的面密度小于100g/m2时，则纤维的增强作用不明显，对树脂力学性能的提升达不到预期要求。
在一些实施方式中，所述连续玻璃纤维网格布由连续玻璃纤维与聚酰胺纤维的合股纱编织而成，其中单位长度的合股纱中聚酰胺纤维与所述玻璃纤维的质量比为1：1-4。通过玻璃纤维与聚酰胺纤维混纺制备的合股纱来编织网格布作为增强体，使得网格布与聚酰胺基体树脂复合时能显著改善二者的相容性，相比于单纯的玻璃纤维网格布作为增强体，复合材料的机械性能得到有效提升。并且聚酰胺纤维与玻璃纤维混纺能够有效改善玻璃纤维的可编织性能，减少玻璃纤维再编织过程中产生的毛刺和断裂。
在一些实施方式中，所述连续玻璃纤维网格布经偶联剂处理。
在一些实施方式中，所述聚酰胺基体树脂选自脂肪族聚酰胺或芳香族聚酰胺中的至少一种，可以是本领域已知的聚酰胺聚合物，例如尼龙6、尼龙66和尼龙12等。
本申请还提供一种复合材料的制备方法，包括：
编织连续玻璃纤维网格布；
配制聚酰胺基体树脂的预聚混合物；
将所述连续玻璃纤维网格布放入模具中，将所述预聚混合物内用压板施加压力，进行聚合反应，在模具内形成增强的聚酰胺复合材料。
在一些实施方式中，所述聚合反应的反应温度为150-180℃，反应时间为2-5h；和/或所述压力为5-8MPa。
在一些实施方式中，所述编织玻璃纤维网格布的步骤包括：采用平织法将连续玻璃纤维与聚酰胺纤维的合股纱编织成连续玻璃纤维网格布，再将所述玻璃纤维网格布用偶联剂处理。
在一些实施方式中，所述聚酰胺的预聚混合物包括己内酰胺和1,2-甲苯二异氰酸酯。在一些实施方式中，己内酰胺和1,2-甲苯二异氰酸酯的重量比为100：0.5-1.5，1,2-甲苯二异氰酸酯一方面可以起到聚合反应助催化作用，另一方面可以对玻璃纤维进行官能团化，有利于与聚酰胺纤维进行更好的复合。
本申请还提供一种太阳能电池背板，包括前述玻璃纤维增强复合材料所制备的板材。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，可以理解，这些实施例仅仅是示例性的，并非对本发明的任何限制。
除非特别说明，实施例中所用的各原料均可商购获得。
实施例
1.纺纱：
将玻璃纤维(巨石股份，产品型号G67)与芳族聚酰胺纤维纱(杜邦公司，产品型号KEVLAR49)以100T/M的捻度并合和加捻，形成合股纱1，单位长度中玻璃纤维与芳族聚酰胺纤维纱的质量比为2：1，合股纱断裂伸长率为3.2％。
将玻璃纤维E110(巨石股份，产品型号E110)与芳族聚酰胺纤维纱(杜邦公司，产品型号KEVLAR49)以100T/M的捻度并合和加捻，形成合股纱2，单位长度中玻璃纤维与芳族聚酰胺纤维纱的质量比为4：1，合股纱断裂伸长率为2.6％。
2.编织网格布：
将合股纱采用平织法编织成网格布。合股纱1编织的网格布1经向密度60根/25.4mm，纬向密度47根/25.4mm，面密度360.4g/m2。
合股纱2编织的网格布2经向密度48根/25.4mm,纬向密度46根/25.4mm，面密度633.0g/m2。
另外，商购巨石股份玻璃纤维网格布1080(经向密度60根/25.4mm，纬向密度47根/25.4mm，面密度48g/m2)，以及玻璃纤维网格布1506(经向密度48根/25.4mm，纬向密度46根/25.4mm，面密度165.0g/m2)。
将网格布经280℃40分钟，380℃1h退浆处理，水洗，110℃2h烘干。
3.偶联剂处理：
配制偶联剂，将网格布浸泡在溶液中。
偶联剂：KH550的无水乙醇溶液，KH550的浓度为5％，浸入网格布110℃反应2h。
4.配制聚酰胺的预聚物
将己内酰胺加热至熔融，加入NaOH，140℃下抽真空除去水分，降温至110℃后加入甲苯二异氰酸酯，配置成预聚物，已内酰胺与甲苯二异氰酸酯的重量比为100：1。
实施例1：
将经偶联剂处理过的网格布1放入模具内，将预聚物导入模具内，用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为34.7％。
实施例2：
将网格布2放入模具内，将预聚物导入模具内，用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为47.8％。
实施例3：
将经偶联剂处理过的网格布2放入模具内，将预聚物导入模具内，用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为48.1％。
实施例4：
将经偶联剂处理过的网格布2放入模具内，将预聚物导入模具内，用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为35.6％。
实施例5：
将经偶联剂处理过的网格布1080放入模具内，将预聚物导入模具内，用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为31.2％。
实施例6：
将经偶联剂处理过的网格布1506放入模具内，将预聚物导入模具内，用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为48.0％。
实施例7：
将网格布1506放入模具内，将预聚物导入模具内，用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为47.5％。
对比例1：
将经偶联剂处理过的短切玻璃纤维ECS10-4.5-560A与预聚物均匀混合，导入模具内用压板施加压力7Mpa，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为47.9％。
对比例2：
将经偶联剂处理过的玻璃纤维E110切断为20-30mm长的短丝，与预聚物均匀混合，导入模具内用压板施加压力，升高温度至150℃反应3h，在模具内形成玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料。通过控制预聚物的加入量控制复合材料中增强体的填充比例为48.0％。
测试方法：
制备尺寸100mm×50mm大小的样条
体积电阻率：
拉伸强度：按照GB/T 1040.3—2006测试，所有样品在测试前需烘干并在恒温恒湿环境下静置24h，测试温度25℃，拉伸速率2mm/min；
冲击强度：按GB/T 1043.1—2008测试材料的冲击性能，摆锤能量为2J，样品尺寸为100mm×50mm，A型缺口。
耐老化性能：
湿热老化：将样品放入加速湿热老化试验箱(温度120℃，100％RH，300h)；
紫外老化：将样品放入紫外加速老化试验箱0.89w/m2 8h辐照，60℃+4h冷凝，300h。
实施例及对比例的实验结果如下表。
根据上表可以看出，采用网格布增强的背板材料其绝缘性能以及机械性能均明显优于短切玻璃纤维直接增强的背板，其原因可能在于连续玻璃纤维编织而成的网格布在背板内形成了介电损耗更小的玻璃纤维填充层，使得背板即使在湿热条件下仍然维持良好的绝缘性能，而短切纤维填充的聚酰胺复合材料虽然机械性能可以达到太阳能电池背板所需的强度，但拉伸性能仍然不如网格布填充的复合材料，而且绝缘性能也远低于网格布增强的复合材料。
进一步地，根据各实施例可以看出，当网格布的面密度越大，则支撑加强作用越强，机械性能越好。为了进一步改善网格布与树脂基体间的相容性，发明人发现聚酰胺纤维与玻璃纤维混纺后编织网格布相比于单纯的玻璃纤维网格布增强的复合材料，其机械性能均明显更优，可能的原因在于聚酰胺纤维具有更好的韧性，有效改善了网格布的强度，并且聚酰胺纤维在RTM工艺当中受热，与预聚物有效融合，增强了网格布与聚酰胺基体树脂的相容性，因而机械性能和绝缘性能都有极大的提高，能更好地增强背板的耐久性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明任何形式上的限制，虽然本发明已是较佳实施方式揭露如上，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种玻璃纤维增强复合材料，其特征在于，
包括聚酰胺基体树脂和分布于所述聚酰胺基体树脂中的增强体，所述增强体为连续玻璃纤维网格布，其中，所述复合材料中，增强体的质量百分比为30-50wt％；
所述连续玻璃纤维网格布由连续玻璃纤维与聚酰胺纤维的合股纱编织而成，其中单位长度的所述合股纱中聚酰胺纤维与所述玻璃纤维的质量比为1：1-4；
所述连续玻璃纤维网格布为平织法编织，面密度为100g/m2—1000g/m2。
2.根据权利要求1所述的玻璃纤维增强复合材料，其特征在于，
所述连续玻璃纤维网格布经偶联剂处理。
3.根据权利要求1所述的玻璃纤维增强复合材料，其特征在于，
所述聚酰胺基体树脂选自脂肪族聚酰胺或芳香族聚酰胺中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的玻璃纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，
编织连续玻璃纤维网格布；
配制聚酰胺基体树脂的预聚混合物；
将所述连续玻璃纤维网格布放入模具中，将所述预聚混合物内用压板施加压力，进行聚合反应，在模具内形成增强的聚酰胺复合材料；
所述编织玻璃纤维网格布的步骤包括：采用平织法将连续玻璃纤维与聚酰胺纤维的合股纱编织成连续玻璃纤维网格布。
5.根据权利要求4所述的玻璃纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，
所述聚合反应的反应温度为150-180℃，反应时间为2-5h；和/或所述压力为5-8MPa。
6.根据权利要求4所述的玻璃纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，
所述玻璃纤维网格布用偶联剂处理。
7.根据权利要求4所述的玻璃纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，
所述聚酰胺基体树脂的预聚混合物包括己内酰胺和甲苯二异氰酸酯。
8.一种太阳能电池背板，包括权利要求1-3任一项所述玻璃纤维增强复合材料所制备的膜材。
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