CN116789884B - 高透光率的乙烯/α-烯烃共聚物 - Google Patents

高透光率的乙烯/α-烯烃共聚物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高透光率的乙烯/α‑烯烃共聚物,满足以下条件(a)至条件(d):(a)密度为0.855g/cm3至0.885g/cm3;(b)分子量分布为1.8至3.2;(c)在190℃、2.16kg荷重条件下的熔融指数为0.3g/10min至40g/10min;(d)通过高温核磁共振碳谱(13C‑NMR)测得乙烯三元序列EEE的比例为<70%,EXE+XEX的比例>10%;其中,E代表乙烯单元,X代表α‑烯烃单元。本发明的乙烯/α‑烯烃共聚物具有低玻璃化转变温度及高透光率,可用作光伏封装材料。

Description

高透光率的乙烯/α-烯烃共聚物
技术领域
本发明涉及低玻璃化转变温度及高透光率的乙烯/α-烯烃共聚物及其制备方法。
背景技术
受全球气候变暖、不可再生能源不断消耗等因素影响,全球能源消费结构正加快向低碳化转型。光伏发电具有清洁和可持续性,已经成为重要的新能源发展方向,在全球各个国家和地区都在快速兴起。随着双玻和N型电池市场占比不断提升,对聚烯烃弹性体粒子的需求迎来快速增长。聚烯烃弹性体POE是采用茂金属或非茂金属催化剂将乙烯和α-烯烃实现原位聚合的热塑性弹性体,具有优异的水汽阻隔能力、耐候性能以及较高的体积电阻率,能够保证光伏组件在高温、高湿环境下运行的安全性及长久的耐老化性,广泛应用于光伏组件的封装胶膜材料。
光伏组件发电效率的不断提升,一方面需要更先进的电池技术,另一方面需要组件中各种辅材确保更优异的封装性能及耐老化性能。聚烯烃弹性体作为组件中的封装材料,太阳光透过封装材料被电池片所吸收的多少直接决定着电池片的发电量,因此透光率是封装材料的关键性能。对于聚合物材料,透光率与结晶性能等因素息息相关,如何在保证其他性能例如体积电阻率、黄度等满足要求的情况下,尽可能提高聚合物的透光率,是非常重要的课题。同时对于封装材料,在后期加工成封装胶膜时还需要添加多种小分子助剂,小分子助剂在后期极易分解,进一步影响胶膜透光率,因此需要在聚合物粒子端开发一种聚烯烃弹性体,具备较高的透光率,以提高组件的发电性能。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种乙烯/α-烯烃共聚物,具有低玻璃化转变温度及高透光率,适用于光伏组件的封装胶膜材料。
为了实现上述目的,本发明如下技术方案:
一种乙烯/α-烯烃共聚物,满足以下条件(a)至条件(d):
(a) 密度为0.855g/cm3至0.885g/cm3
(b) 分子量分布为1.8至3.2;
(c) 在190℃、2.16kg荷重条件下的熔融指数为0.3g/10min至40g/10min;以及
(d) 通过核磁共振碳谱(13C-NMR)测得乙烯三元序列EEE的比例为<70%,EXE+XEX的比例>10%;
其中,E代表乙烯单元,X代表α-烯烃单元。
本发明中,优选的,所述乙烯/α-烯烃共聚物的熔融指数为0.5g/10min至30g/10min。
本发明中,优选的,所述乙烯/α-烯烃共聚物的乙烯三元序列EEE的比例为63.5%至69.5%,EXE的比例为9.5%至11.8%,XEX的比例为1.2%至1.8%。
本发明中,所述乙烯/α-烯烃共聚物的熔融温度为75℃以下。具体地,所述熔融温度可以为50℃以上、55℃以上或60℃以上,且可以为70℃以下、68℃以下或65℃以下。
本发明中,所述乙烯/α-烯烃共聚物的玻璃化转变温度(Glass TransitionTemperature,Tg)为-45℃以下。具体地,所述玻璃化转变温度可以为-50℃以下、-55℃以下或-60℃以下。
本发明中,所述乙烯/α-烯烃共聚物的重均分子量Mw为40000g/mol至150000g/mol。具体地,所述重均分子量可以为45000g/mol以上、60000g/mol以上或70000g/mol以上,且可以为150000g/mol以下或80000g/mol以下。
本发明中,所述乙烯/α-烯烃共聚物的数均分子量Mn为20000g/mol至80000g/mol。具体地,所述数均分子量可以为25000g/mol以上、30000g/mol以上或40000g/mol以上,且可以为80000g/mol以下、60000g/mol以下或50000g/mol以下。
所述重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)为通过凝胶渗透色谱(Gel PermeationChromatography,GPC)分析的聚苯乙烯换算分子量,所述分子量分布可从Mw/Mn之比计算。
本发明中,所述乙烯/α-烯烃共聚物的α-烯烃为碳原子数3~20的烯烃,包括丙烯、1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚烯、1-辛烯、1-癸烯、1-十一碳烯、1-十二碳烯、1-十四碳烯、1-十六碳烯及1-二十碳烯中的一种以上。
本发明中,所述乙烯/α-烯烃共聚物的α-烯烃共聚单体的摩尔插入率为5%至50%。具体地,摩尔插入率可以为10%以上、15%以上、20%以上,且可以为50%以下、45%以下或40%以下。
本发明还涉及上述乙烯/α-烯烃共聚物的制备方法。
本发明的乙烯/α-烯烃共聚物的制备方法,包括:包含化合物A及化合物B的催化剂组合物存在下,乙烯与α-烯烃的聚合;
本发明的乙烯/α-烯烃共聚物在制备时,包含由化合物A及化合物B表示的过渡金属化合物作催化剂。由化合物A及化合物B所表示的化合物对α-烯烃类单体的聚合活性以及耐温性不同,因此在对这两种化合物进行混合使用时,可以根据需求,调控不同的工艺参数以开发不同的共聚物;
在本发明中,由所述化合物A及化合物B表示的过渡金属化合物的摩尔比可以为1:1 至1:10,例如1:1.5至1:9,1:2至1:5或1:2至1:4,但并不限定于此。催化剂的总用量可以由本领域技术人员根据催化剂活性和目标产物的重量进行确认。
为了制备得到透光性能优异的共聚物,我们研究发现可通过以下三种手段调控,第一,使用对共单体共聚能力不同的过渡金属化合物A及化合物B;第二,多次调节改变乙烯与共单体的流速比以及混合过渡金属化合物的流速比,使共单体的插入率更均匀;第三,使用多种共单体同时聚合,控制不同共单体的流速比例,不同共单体对乙烯结晶链段的破坏程度不同。本发明中,综合运用了以上三种手段制备出透过性能优异的共聚物。
本发明中,为了使所述化合物A及/或化合物B具有较高的聚合活性,在催化剂组合物中还优选使用助催化剂,助催化剂分为两大类:烷基铝或烷基铝氧烷类化合物,以及硼酸盐类化合物。具体地,所述烷基铝或烷基铝氧烷类化合物包括三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝、三丙基铝、三丁基铝、甲基铝氧烷(MAO)、改性甲基铝氧烷(MMAO)、乙基铝氧烷、异丁基铝氧烷或叔丁基铝氧烷等;所述硼酸盐类化合物包括三甲基铵四苯基硼酸盐、甲基双十八烷基铵四苯基硼酸盐、三乙基铵四苯基硼酸盐、三丙基铵四苯基硼酸盐、三(正丁基)铵四苯基硼酸盐、甲基十四烷基十八烷基铵四苯基硼酸盐、N,N-二甲基苯铵四苯基硼酸盐、N,N-二乙基苯铵四苯基硼酸盐、N,N-二甲基(2,4,6-三甲基苯铵)四苯基硼酸盐、三甲基铵四(五氟苯基)硼酸盐、甲基双十四烷基铵四(五氟苯基)硼酸盐、甲基双十八烷基铵四(五氟苯基)硼酸盐、三乙基铵四(五氟苯基)硼酸盐、三丙基铵四(五氟苯基)硼酸盐、三(正丁基)铵四(五氟苯基)硼酸盐、三(仲丁基)铵四(五氟苯基)硼酸盐、N,N-二甲基苯铵四(五氟苯基)硼酸盐、N,N-二乙基苯铵四(五氟苯基)硼酸盐、N,N-二甲基(2,4,6-三甲基苯铵)四(五氟苯基)硼酸盐、三甲基铵四(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐、三乙基铵四(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐、三丙基铵四(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐、三(正丁基)铵四(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐、二甲基(叔丁基)铵四(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐、N,N-二甲基苯铵四(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐、N,N-二乙基苯铵四(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐或N,N-二甲基-(2,4,6-三甲基苯铵)四-(2,3,4,6-四氟苯基)硼酸盐等三取代的铵盐型硼酸盐化合物,双十八烷基铵四(五氟苯基)硼酸盐、双十四烷基铵四(五氟苯基)硼酸盐或二环己基铵四(五氟苯基)硼酸盐等二烷基铵盐型硼酸盐化合物,三苯基鏻四(五氟苯基)硼酸盐、甲基双十八烷基鏻四(五氟苯基)硼酸盐或三(2,6-二甲基苯基)鏻四(五氟苯基)硼酸盐等三取代的磷酸盐型硼酸盐化合物等,但并不限定于此;
通过使用适量的这些助催化剂所制备的乙烯/α-烯烃共聚物的分子量分布更加均匀,聚合活性更高。在一些具体的实施方案中,所述助催化剂的进料速度与催化剂进料速度的比值为5-1000,优选10-100,以金属的摩尔比计。
本发明中,在所述催化剂组合物的条件下,通过连续通入1cm-3/min至80cm-3/min氢气抑制聚合反应,具体地,所述氢气通入量为1cm-3/min以上或5cm-3/min以上或10cm-3/min以上或20cm-3/min以上或30cm-3/min以上,且80cm-3/min以下或60cm-3/min以下或50cm-3/min以下或40cm-3/min以下。
本发明中,聚合反应可在100℃至200℃的温度下进行,确保催化剂组合物在合适的温度下保持较高的聚合活性。具体地,所述聚合反应温度可在100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃的温度下进行,但不限于这些温度。
本发明中,聚合反应可在1Mpa至7Mpa的压力下进行,确保催化剂组合物在合适的压力下保持较高的聚合活性。具体地,所述聚合反应压力可在1Mpa、3Mpa、5Mpa、6Mpa、7Mpa的压力下进行,但不限于此。
本发明中,化合物A进一步描述于中国专利CN 111484574 A,通过参考并入本申请,并且具有下式I的结构:
式I
所述式I中R1和R2相同或不同,各自独立地选自氢、甲基、异丙基、叔丁基,优选的,R1选自甲基、异丙基、叔丁基,R2选自氢、甲基、叔丁基;M选自钛、锆或铪,优选为锆;
优选地,本发明中的化合物A具有如下结构:
化合物B进一步描述于中国专利CN 111909196 B,通过参考并入本申请,并且具有下式Ⅱ的结构:
式Ⅱ
所述式Ⅱ中,R3选自下列任意基团:C3-10环烷基、C3-10环烷基氧基、C3-10二环烷基氨基、C6-14芳基、C6-14芳基氧基、C6-14芳基氨基、二环己烷基甲基、二苯并环庚烷基、蒽基、二环己烷并苯基;R4选自氢、卤素或下列任意基团:C1-6烷基、C1-6烷氧基、C3-10环烷基、C3-10环烷基氧基、C6-14芳基、C6-14芳基氧基;T1和T2相同或不同,均为1,2-亚乙基、1,3-丙二基、1,4-丁二基、2,4-戊二基;X为卤素、甲基、苄基或二甲基氨基;M选自钛、锆或铪,优选为锆;
优选地,本发明中的化合物B具有如下结构:
将这些混合化合物用作催化剂来制备的本发明的乙烯/α-烯烃共聚物分子链中插入大量的α-烯烃共单体,α-烯烃共单体既分布在类似聚乙烯链段的高密度区域又大量分布在乙烯单体之间,这种分布破坏了聚乙烯链段的结晶,使共聚物的片晶尺寸减小且更均匀,透光性能更优异。
通常,采用溶液聚合方法在聚合两种以上的非极性单体时,分子量的分布会变宽,这有利于聚合物的加工性能,但同时也会损失一部分机械性能。分子量分布受催化剂对不同单体的共聚性能的影响,当使用两种或两种以上的催化剂用来制备共聚物时,若每种催化剂的聚合性差异较大,则会存在聚合物的分子量分布随之变宽的问题;
为了控制聚合物的分子量,保持聚合物良好的加工性能,需在聚合物反应过程中选择合适的时机通入一定量的氢气防止在聚合物链上产生β-氢消除反应,并终止聚合反应,在此情况下,聚合物的分子量随之下降,熔融指数随之增加。因此,需要能够在同时满足催化剂结构影响分子量和分子量分布的固有特性和基于氢气的通入使分子量的降低效果的范围内,决定适当的催化剂种类和氢气的通入量。
通常,若共聚物的结晶性分布高,则由于高结晶含量增加而导致透光率降低及玻璃化转变温度升高,与此相反,本发明的共聚物片晶尺寸分布指数更窄,片晶分布更均一,因此,具有优异的透光率及耐低温性能。
本发明还涉及上述乙烯/α-烯烃共聚物的应用。
本发明的乙烯/α-烯烃共聚物可以与交联剂、交联助剂、硅烷偶联剂、光稳定剂、紫外线吸收剂、防析出助剂、抗PID助剂等助剂组成树脂组合物,除了所述成分之外,根据适用树脂成分的用途,可以适当地另外包括本领域公知的各种添加剂。
另外,可以通过流延挤出、双螺杆挤出等成型方法将上述树脂组合物用于制备光伏封装材料,例如用于制作光伏组件中的封装胶膜,确保电池片具有长时间稳定的发电性能。
有益效果:
本发明的乙烯/α-烯烃共聚物具备低的EEE三元结构及更均匀的α-烯烃分布,由于α-烯烃的均匀插入,可以增加对乙烯结晶链段的破坏,减弱聚合物的结晶性能,使共聚物具有更薄的片晶厚度,片晶尺寸分布指数更窄,片晶分布更均一,因此具有较低的结晶度,结晶度低的聚合物具有较高的透明度,在光伏封装胶膜中能提高太阳光线入射到电池片表面的强度,进而提高电池片的发电效率。同时,结晶度低的聚合物玻璃化转变温度较低,产品在更低的温度下仍能保持优异的抗形变能力,确保电池组件在更严寒的环境下长时间使用。
具体实施方式
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的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例和对比例使用的催化剂:
化合物A:
化合物B:
改性甲基铝氧烷(MMAO):浓度7wt%Al,Isopar E溶剂,诺力昂化学品(宁波)有限公司。
实施例1
溶液聚合反应在10L的连续釜式反应器中进行,从下进料,从上口出料。溶剂Isopar E的通入量为40kg/h,共单体(辛烯、己烯、丁烯)、乙烯在固定床脱氧脱水后按照表1所示的进料速度连续向反应釜进料。催化剂及助催化剂MMAO配制成溶液后按照表1所示的进料速度向反应釜输送,催化剂浓度为400ppm (溶解于IsoparE溶剂中)。反应釜前换热器及反应釜夹套控制反应在规定的温度下进行,压力通过反应釜出料口的气动比例调节阀控制;
聚合反应完成后的熔体经过脱挥及造粒后取样进行分析;
其它参数如表1所示;
实施例2至4通过改变插入共单体种类、流速比、催化剂通入量等参数制备得到性能不同共聚物,参数如表1所示;
其中催化剂的流速单位是μmol·min-1,助催化剂的流速单位是mmol·min-1
对比例1-4
采用与实施例基本相同的方法通过溶液聚合法制备共聚物,区别在于调整各工艺参数,其中,rac-乙烯双(1-茚基)二氯化锆(记作催化剂C),99%。
表1 实施例1-4及对比例1-4的部分物料及部分工艺参数
注:C2、C4、C6、C8分别表示乙烯、丁烯、己烯、辛烯;
其中催化剂的进料速度以金属计。
乙烯/α-烯烃共聚物的性能表征:
通过如下方法测定在所述实施例及对比例中制备的乙烯/α-烯烃共聚物的性能,其结果如表2所示:
(1) 密度(Density,g/cm3) 按照ASTM D-792测定。
(2) 熔融指数(Melt Index, g/10min) 按照ASTM D-1238(条件: 190℃、2.16Kg荷重)测定。
(3) 玻璃化转变温度(Glass Transition Temperature,℃) 可利用由珀金埃尔默(PerkinElmer)公司制造的差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimeter,DSC6000)来获得。具体地,在氮气氛下,利用DSC将共聚物的温度提升至150℃并维持5分钟后,冷却至-100℃,再提升温度后,观察DSC曲线。此时,升温速度及冷却速度分别为10℃/min。
(4) 分子量(Mw)、分子量分布(MWD) 及共单体插入率可利用凝胶渗透色谱(GelPermeation Chromatography,GPC)来获得。具体地,色谱柱:安捷伦Olexis(AgilentOlexis);溶剂:三氯苯;流速:1.0ml/min;试样浓度:1.0mg/ml;注入量:200μl;色谱柱温度:160℃;检测器(Detector) :安捷伦高温RI检测器(Agilent High Temperature RIdetector);标准(Standard):聚苯乙烯(Polystyrene) (用三次函数修正)。
(5) 共单体分布可利用13C NMR测试来获得。具体地,将2.74g样品以及含有0.025MCr(AcAc)3的四氯乙烷-d2添加至NoreII1001-7 10mm NMR管中。通过使用Pasteur吸液管用氮气手动吹洗管1分钟移除氧气。在尽量不使用加热枪的情况下使用加热板块将管及其内容物加热至~150℃使样品溶解和均化。即将分析之前将样品彻底混合,且在插入到加热的NMR探针之前不能冷却。这对于确保样品是均匀的且能代表整个样品是必要的。使用配有Bruker冷冻探针的Bruker 400MHz分光计进行数据的收集。使用160次扫描、6秒脉冲重复延迟、于120℃的样品温度采集数据。所有的测量均在锁定模式的非自旋样品上进行。使样品进行7分钟的热平衡,然后进行数据采集。13C NMR化学位移相对于在30.0ppm的EEE三元序列链段吸收峰,对于丁烯共单体,化学位移在39.7ppm、26.7ppm、11.2ppm对应于EBE的三元序列链段吸收峰,化学位移在34.7ppm对应于BEB的三元序列链段吸收峰;对于己烯共单体,化学位移在38.1ppm、34.1ppm、29.5ppm、23.4ppm、14.1ppm对应于EHE的三元序列链段吸收峰,化学位移在35.0ppm对应于HEH的三元序列链段吸收峰;对于辛烯共单体,化学位移在38.5ppm、32.4ppm、22.9ppm、14.1ppm对应于EOE的三元序列链段吸收峰,化学位移在35.1ppm对应于OEO的三元序列链段吸收峰。将分子链中EBE、EHE、EOE三元序列之和所占的比例作为EXE的比例,将分子链中BEB、HEH、OEO三元序列之和所占的比例作为XEX的比例。
表2 实施例1-4及对比例1-4制备的乙烯/α-烯烃共聚物的性能
封装胶膜的制备
称取一定量的实施例与对比例制备得到的乙烯/α-烯烃共聚物,与交联剂、交联助剂、硅烷偶联剂、光稳定剂、紫外线吸收剂、抗氧剂、抗PID助剂等充分吸收后加入到单螺杆流延挤出机中。混合物料熔融塑化后注入T型模头中,经过熔融挤出、流延成膜、冷却、分切和收卷等工序制得光伏封装胶膜。所述封装胶膜各成分如表3所示。
表3制备封装胶膜的成分及用量
按GB/T 2410-2008的分光光度计法进行透光率测试,分别计算波段范围为290nm~380nm和380nm~1100nm的平均值,其结果如表4所示。
表4 实施例1-4及对比例1-4制备的封装胶膜的透光率
从结果来看,透光率与共单体插入率、三元序列单体的比例有密切联系。本发明通过多种手段调控乙烯-α烯烃的制备,使聚合物具有较高的透光性能,可满足光伏组件保持较高的发电效率。

Claims (10)

1.一种乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,通过核磁共振碳谱(13C-NMR)测得乙烯三元序列EEE的比例为60.3%至69.5%,EXE的比例为9.5%至11.8%,XEX的比例为1.2%至1.8%,α-烯烃共单体的摩尔插入率为10%至20%;
其中,E代表乙烯单元,X代表α-烯烃单元。
2.根据权利要求1所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,还满足以下条件:
(a)密度为0.855g/cm3至0.885g/cm3
(b) 分子量分布为1.8至3.2;
(c) 在190℃、2.16kg荷重条件下的熔融指数为0.3g/10min至40g/10min。
3.根据权利要求2所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,在190℃、2.16kg荷重条件下的熔融指数为0.5g/10min至30g/10min。
4.根据权利要求1所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,熔融温度为75℃以下。
5.根据权利要求1所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,玻璃化转变温度为-45℃以下。
6.根据权利要求1所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,重均分子量Mw为40000g/mol至150000g/mol。
7.根据权利要求1所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,数均分子量Mn为20000g/mol至80000g/mol。
8.根据权利要求1所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,所述α-烯烃为碳原子数3~20的烯烃。
9.根据权利要求1-8任一项所述的乙烯/α-烯烃共聚物,其特征在于,所述α-烯烃包括丙烯、1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚烯、1-辛烯、1-癸烯、1-十一碳烯、1-十二碳烯、1-十四碳烯、1-十六碳烯及1-二十碳烯中的至少一种。
10.一种光伏封装材料,包括权利要求1-9任一项所述的乙烯/α-烯烃共聚物。
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