JP6280901B2 - 太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂およびその製造方法 - Google Patents

太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、太陽電池封止材用シートとして用いられるエチレンビニルアセテート共重合体(EVA)樹脂に関し、樹脂のシート加工時にネックイン(Neck in)が低くモジュール製造工程の熱接着時に収縮率が小さいEVA樹脂に関する。
太陽光発電に用いられる太陽電池モジュールは通常セルを保護するために両面にEVAシートが用いられ、追加的に太陽光が入射される側に透明ガラス基板とその反対側には気体遮断性および耐候性に優れたシートでラミネーティングしている。ラミネーティング方法は前記透明ガラス基板、太陽電池セル、EVAシート、気体遮断性シートを順次積層した後、特定の温度、圧力下で加熱、架橋して接着させる。
一般に、太陽電池封止材用EVAシートはTダイによる押出加工あるいはカレンダー加工によって形成されたもので、加工方向に伸びてモジュール製造工程でラミネーションの際、収縮によって配列された太陽電池セルの位置が外れて連結電線リボンの接触不良、または応力が作用してセルを破損させてモジュールの不良率が上がる問題があるので、EVA樹脂の熱収縮率は小さいことが要求される。また、架橋後、高い透明性と接着性、耐候安定性が要求されるため、樹脂内にフィッシュアイや異物の存在密度が非常に低い高純度EVA樹脂が用いられ、この樹脂に架橋剤、架橋助剤、シランカップリング剤、酸化防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤など各種添加剤を混合した後、EVA樹脂の溶融温度以上で、かつ、架橋剤である有機過酸化物の分解温度以下で溶融混練して製造される。
通常、多く使用されているEVA樹脂は、オートクレーブ反応器および管型反応器を活用して製造された樹脂でビニルアセテートの含有量は25〜33重量%であり、ビニルアセテートの含有量が高いほど透明性は増加するが、電気絶縁性は悪く、粘っこくて取り扱いが困難であり、溶融時に樹脂粘性が低くてモジュール製造の際にガラス基板とバックシート(back sheet)との間から樹脂が流出しやすい問題が発生して、シート製造の際にその短所を補完するために各種添加剤を混合するか、またはシート間のブロッキングを防止するための別途の方案を講じなければならないし、その反面、ビニルアセテートの含有量が少ないのはシートのブロッキング、水蒸気透過率が少なく、電気絶縁性は優れているが、透明性、接着性が悪くてその短所を補完するためにシート製造の際に各種添加剤を相対的に過剰に処方しなければならないという問題があった。
一般に、オートクレーブ反応器を利用して製造された通常の太陽電池封止材用EVA樹脂の場合、分子量分布が広くZ平均分子量(Mz)が大きくて熱収縮率は大きく透明性は要求水準より低く、樹脂内にフィッシュアイや異物の存在密度が高くて高品質の樹脂を確保し難かった。また、管型反応器の場合、オートクレーブ反応器対比分子量分布が狭い特性を提供するが、既存の製品は分子量分布だけ狭い反面、ラミネーション工程で求められる低い熱収縮特性を十分に提供できないという問題があった。また、過度に狭い分子量分布(韓国公開特許第10−2014−0027149号公報、特許文献1)は、シート加工時にネックインが激しくてこれを緩和させ生産するために押出速度を低くしなければならないので、加工生産性を低下させるという問題(特開平10−255380号公報、特許文献2)があった。また、熱収縮問題を解決するためにオレフィン系シートを使用する方法(韓国公開特許第10−2012−0055377号公報、特許文献3)、VA含有量の異なるEVA樹脂の混合使用(韓国公開特許第10−2010−0138560号公報、特許文献4)等が提示されているが、透明性および接着力が低いというまた他の問題を有しているので、これに対する改善が要求されている。
韓国公開特許第10−2014−0027149号公報 特開平10−255380号公報 韓国公開特許第10−2012−0055377号公報 韓国公開特許第10−2010−0138560号公報
前記問題点を解決するための本発明の目的は、
管型反応器を利用したEVA樹脂を生産するにあたり、低いせん断速度(shear rate)領域で一定範囲のTanδの流変特性を有する樹脂を製造して既存樹脂対比熱収縮率が低くネックインが改善された太陽電池封止材用シートとして用いられるEVA樹脂を提供することにある。
本発明の他の目的は、太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明の態様は、
25〜33重量%のビニルアセテートモノマーを含むエチレンビニルアセテート共重合体樹脂であって、
前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂は100℃でレオメータ(Rheometer)で測定したTanδ値が周波数(rad/s)領域1以下で下記式(1)を満足し、
前記Tanδは、樹脂の粘弾性特性を弾性特性である貯蔵弾性率G’、および、粘性特性を示す損失弾性率G”の比であり、溶融指数(MI)とせん断速度(周波数:frequency)の関数で表したものであり、
前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂はZ平均分子量(Mz)が220,000g/mol以下であり、
前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂は分子量分布(Mw/Mn)が3.5〜4.5であり、
前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の溶融指数は、ASTM D1238、温度190℃、荷重2.16kgで6〜35g/10分であることを特徴とする太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂を提供する。
本発明の他の態様は、
前記太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の製造方法に関する。
本発明のEVA樹脂を用いるとシート製造の際にネックインが良好で、太陽電池モジュールの製造の際に熱収縮率が低い太陽電池封止材用樹脂を提供することができる。
実施例1のTanδを示すグラフである。 実施例2のTanδを示すグラフである。 比較例1のTanδを示すグラフである。 比較例2のTanδを示すグラフである。 比較例3のTanδを示すグラフである。 実施例1のG’、G”を示すグラフである。 実施例2のG’、G”を示すグラフである。 比較例1のG’、G”を示すグラフである。 比較例2のG’、G”を示すグラフである。 比較例3のG’、G”を示すグラフである。 シート収縮率測定試験片を示す写真である。
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
25〜33重量%のビニルアセテートモノマーを含むエチレンビニルアセテート共重合体樹脂であって、
前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂は100℃でレオメータで測定したTanδ値が周波数(rad/s)領域1以下で下記式(1)を満足することを特徴とする太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂を提供する。
本発明において回転粘度計(Rotational viscometer)であるレオメータはメルト(melt)状態の樹脂に周波数を増加させ振動変形(rotational strain)を与えるようになれば、樹脂自身の特性に応じた振動応答を表すことになる。このとき、変形(strain)と応力(stress)の位相差(phase difference)から樹脂の粘弾性特性を弾性特性である貯蔵弾性率(Storage Modulus)G’と粘性特性を示す損失弾性率(Loss Modulus)G”に分離して示すことができる。
本発明においては押出機ダイ以降にシート形成区間およびラミネーション工程区間の低いせん断速度領域での粘弾性特性を制御して樹脂の粘弾性の比、すなわち損失弾性率G”および貯蔵弾性率G’の比であるTanδG”/G’が特定区間で維持されるときにネックインと熱収縮特性が改善されることが分かった。
Tanδは樹脂に加わる応力を解消する能力の尺度として押出加工時に樹脂に残留する残留応力の影響度を表す。
Tanδ値が低い場合、樹脂の弾性特性が増加してネックインは減少するが、残留応力は増加して後加工で熱収縮が増加することになり、逆にTanδ値の高い場合、ネックインは増加するが樹脂の残留応力が低くて後加工時に熱収縮が低くなる特性を有することになる。
このようなネックインとラミネーション工程での熱収縮特性に関与するせん断速度は低い領域としてTanδ値に対する比較および制御は低いせん断速度領域で意味がある。また、ネックイン特性と熱収縮特性は基本的に樹脂の溶融指数(MI)に大きく影響を受けるので、他のMI領域の樹脂を比較するにあたって単純に分子量分布だけでこれを改善するには限界がある。
本発明はネックインと熱収縮に直接的に影響を与えるレオロジー(Rheology)特性を溶融指数とせん断速度の関数で表し、これを限定することに特徴がある。
本発明において、前記ネックイン(=Necking)とは、樹脂の押出加工の際にダイ(die)から出た溶融樹脂が回転冷却ロールにより延伸されるとき、ダイ幅に比べてシートまたはフィルム幅が減る現象をいう。
本発明におけるラミネーション(Lamination)は架橋剤が含まれているEVAシート、太陽電池セル、EVAシートをガラス基板の上に積層し温度を溶融点および架橋剤の分解温度以上に上げながら加圧して、EVA樹脂の溶融と架橋が順次的かつ連続的に起こるようにする過程でEVA樹脂が溶融状態では一定程度の流動性を有することになる。
本発明において、前記レオメータは物質の弾性率、粘性率、応力緩和、クリープおよび動的粘弾性などの測定に用いられる装置である。
本発明において、前記エチレンビニルアセテート(EVA)共重合体樹脂はビニルアセテート(VA)モノマーの含有量が25〜33重量%である。
VA含有量が25重量%未満である場合には、透明性および接着性が悪くなるので加工性が低下し得られたフィルムが固くて脱気性が低下しモジュール製作の際にセルに損傷を与える恐れがあるため、望ましくない。VA含有量が33重量%を超過する場合には、電気絶縁性が悪く、粘っこくて取り扱いが困難であり、溶融時に樹脂粘性が低くてラミネーティング時に樹脂が流出しやすいという問題があるので望ましくない。
本発明において、前記EVA樹脂はラミネーション工程の低せん断領域である周波数1以下の区間でTanδ値が前記上限値以上では熱収縮は少ないが、ネックインが増加してシート加工時に生産性を高めにくいという問題があり、下限値以下ではネックインは少ないが、ラミネーション工程で熱収縮が大きく発生するという問題があって望ましくない。
本発明において、前記EVA樹脂はZ平均分子量(Mz)が220,000g/mol以下である。
EVA樹脂のZ平均分子量(Mz)が220,000g/molを超過する場合には、透明性が悪くゲルが発生するため、望ましくない。
本発明において、前記EVA樹脂は分子量分布(Mw/Mn)が3.5〜4.5である。
分子量分布が3.5未満である場合には、ネックインは増加し加工性は低下し、4.5を超える場合には、熱収縮率が大きく、透明性が悪くゲルが発生するため、望ましくない。
本発明において、前記EVA樹脂の溶融指数はASTM D1238、温度190℃、荷重2.16kgで6〜35g/10分である。
溶融指数が6g/10分未満であれば加工性が悪く、35g/10分を超えればラミネーティング時に溶融した樹脂がガラス基板とバックシートとの間に流れ出して望ましくない。
本発明は、太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の製造方法を提供する。
本発明の太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の製造方法は、67〜75重量%のエチレンモノマーおよび25〜33重量%のビニルアセテートモノマーを管型反応器に投入する段階と、パーオキサイド系開始剤を1000〜1600ppm濃度で添加する段階と、重合温度が200〜300℃、重合圧力が2500〜3000kg/cmおよび重合時間が2〜20分間で重合する段階とを含み、少なくとも二つ以上のパーオキサイド系開始剤からなるパーオキサイド系開始剤混合物において、いずれか一つのパーオキサイド系開始剤に対する他のパーオキサイド系開始剤の重量比X:1(ここで、Xは0<X≦8.0である)で混合し、下記式(1)を満足する太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の製造方法である。
前記パーオキサイド系開始剤混合物は、(A)ジアルキルパーオキシジカーボネート系化合物、(B)アルキルパーオキシピバレート系化合物、(C)アルキルパーオキシエチルヘキサノエート系化合物および(D)ジアルキルパーオキサイド系化合物から選択される少なくとも2種以上を(A):(B):(C):(D)=e:f:g:hの重量比率で混合した混合物であって、前記e、f、g、hは0〜8.0の範囲内であり、少なくともいずれか2つは0ではないことを特徴とする太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の製造方法でパーオキサイド系開始剤間の混合重量比が前記範囲を外れる場合には分子量調節が容易でないので望ましくない
本発明において、開始剤として用いられるジアルキルパーオキシジカーボネート系化合物の具体的な例としては、ジ−(2−エチルヘキシル)パーオキシジカーボネート(Di(2−ethylhexyl)peroxy−dicarbonate)、ジブチルパーオキシジカーボネート(Di−butyl peroxy−dicarbonate)などが挙げられ、アルキルパーオキシピバレート系化合物の具体的な例としては、t−アミルパーオキシピバレート(t−Amyl peroxypivalate)、t−ブチルパーオキシピバレート(t−Butyl peroxypivalate)などが挙げられ、アルキルパーオキシアルキルヘキサノエート系化合物の具体的な例としては、t−アミルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(t−Amyl peroxy−2−ethylhexanoate)、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(t−Butyl peroxy−2−ethylhexanoate)、テトラ−ブチルパーオキシ−3,5,5−トリメチルヘキサノエート(Tert−butyl peroxy−3,5,5−trimethylhexanoate)などが挙げられ、ジアルキルパーオキサイド系化合物の具体的な例としては、D−t−ブチルパーオキサイド(D−t−butyl peroxide)、ジ−t−アミルパーオキサイド(Di−t−Amyl peroxide)などが挙げられる。
前記アルキル基は炭素数1〜10のアルキル基である。
本発明の前記EVA樹脂の製造方法において、パーオキサイド系開始剤の添加濃度は50〜3,000ppmである。
添加濃度が50ppm未満である場合には、重合の際に反応温度が低くてEVA樹脂への転換率が低く分子量調整が容易ではない。一方、3,000ppmを超える場合には重合の際に反応温度が高くて樹脂が分解される恐れがあり、ビニルアセテートが分解されて反応器を腐食させる酢酸が発生するなど安定性に問題がある。
本発明の前記EVA樹脂の製造方法において、重合温度は200〜300℃である。
重合温度が200℃未満である場合には、EVA樹脂への転換率が低く所望する分子量、分子量分布を得ることができない。一方、300℃を超える場合には、分解反応が起きて反応器の腐食など安定性に問題がある。
本発明の前記EVA樹脂の製造方法において、重合圧力は2500〜3000kg/cmである。
重合圧力が2500kg/cm未満である場合には、反応が不充分であるか作業安定性が低下し、3000kg/cmを超える場合には、高圧ポンプの性能限界によって安定性に問題があるので望ましくない。
本発明の前記EVA樹脂の製造方法において、重合時間は2〜20分である。
重合時間が2分未満である場合には、EVA樹脂への転換率が低く分子量が低くなるため望ましくない。一方、20分を超える場合には、圧力調節が容易でないのでゲルが発生するため望ましくない。
以下、実施例を通じて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
本発明の方法によりエチレンモノマー72重量%にビニルアセテートモノマー28重量%を管型反応器に注入し、ラジカル発生開始剤としてジ−(2−エチルヘキシル)パーオキシジカーボネート(Di(2−ethylhexyl)peroxy−dicarbonate)、t−ブチルパーオキシピバレート(t−Butyl peroxy pivalate)、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(t−Butyl peroxy−2−ethylhexanoate)、テトラ−ブチルパーオキシ−3,5,5−トリメチルヘキサノエート(Tert−butyl peroxy−3,5,5−trimethylhexanoate)の混合物(20/20/30/30)1200ppmを添加した後、高圧ポンプを用いて管型反応器(tubular reactor)に圧送し、重合圧力2650kg/cm、重合温度235℃、重合時間3分の重合条件でEVA樹脂を製造した。
製造されたEVA樹脂のMIは17.2であり、分子量分布は4.06であった。
[実施例2]
重合温度を250℃、重合圧力を2600kg/cm としたのを除いては、実施例1と同様の条件で実施してEVA樹脂を得た。製造されたEVA樹脂のMIは26.8であり、分子量分布は4.36であった。
[比較例1、2]
オートクレーブ反応器を用いた通常のEVA樹脂の製造方法でエチレンモノマーおよびビニルアセテートモノマーにラジカル発生開始剤と分子量調整剤、重合圧力2000kg/cm 以下、重合温度220〜260℃の重合条件で製造された産業用EVA樹脂と比較した
前記実施例および比較例の条件で製造されたEVA樹脂の物性を以下の物性測定方法で測定し、その結果を下表1に示した。また、製造されたEVA樹脂を用いて、以下のフィルムおよびシートの製造条件によりフィルムおよびシートを成形して加工性と収縮率を評価し、その結果を下表1に併せて示した。
[比較例3]
反応温度を240℃、重合圧力を2600kg/cm としたのを除いては、実施例1と同様の条件で実施してEVA樹脂を得た。製造されたEVA樹脂のMIは20.3であり、分子量分布は4.42であった。
[物性の測定方法]
前記実施例1、2および比較例1〜3で製造されたEVA樹脂の諸般物性の測定は以下の方法および基準によって行った。
1)溶融流れ指数の測定:ASTM D1238に従い、温度190℃、荷重2.16kgで測定した。
2)VA含有量の測定:FT−IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)で測定した。
3)平均分子量(Mw、MnおよびMz)の測定:ゲル透過クロマトグラフィーで測定した。
4)Tanδ:樹脂の粘弾性測定のためにTA社製ARES機器を用いて100℃で周波数スイープ(frequency sweep)を実施した。測定結果によりG’、G”を求めG”/G’であるTanδを求めてX軸を周波数にして比較した。
5)熱収縮率:厚さ450マイクロのシートを10X10cmに切断した後、80℃のオーブンに入れて5分間維持した後に取り出して常温で冷却した後、MD、TD方向の長さを測定して収縮率を測定した。
[フィルムの製造条件]
前記実施例1、2および比較例1〜3のEVA樹脂を、スクリュー直径が40mmであり、T−ダイ幅が300mmの単軸押出機で押出機温度を100℃、スクリュー回転速度を50rpmにして、厚さが50μmのフィルムを製造した。フィルム幅を測定してネックインを測定した。フィルム幅は大きいほどネックインが小さくなるので良好である。
[シートの製造条件]
EVA樹脂を用いて押出機を通じてシートを製造した。押出機温度およびT−ダイ温度は100℃を維持しシートの生産ライン速度は2.5m/分を維持した。製造されたシートの厚さは0.45mmであった。
上記表1に示されているように、Tanδ式を満足する場合、フィルム加工時のネックインは良好である反面、非常に低い収縮率を示すことが分かった。
また、実施例2から分かるように、MIが異なる場合でもTanδ式を満足する場合には類似なネックイン水準で同一の収縮率を示すことが分かった。
反面、オートクレーブ(Autoclave)製品の場合、分子量分布が広くてもTanδ式を満足しない場合には収縮率が非常に大きいことが分かった。
また、同様に管型(Tubular)工程であり、比較例3のように同じ分子量分布水準であってもTanδ式を満足しない場合にはネックインは良好であるが、収縮率は実施例に比べて高いことが分かった。

Claims (2)

  1. 25〜33重量%のビニルアセテートモノマーを含むエチレンビニルアセテート共重合体樹脂であって、
    前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂は100℃でレオメータで測定したTanδ値が周波数(rad/s)領域1以下で下記式(1)を満足し、
    前記Tanδは、樹脂の粘弾性特性を弾性特性である貯蔵弾性率G’、および、粘性特性を示す損失弾性率G”の比であり、溶融指数(MI)とせん断速度(周波数:frequency)の関数で表したものであり、
    前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂はZ平均分子量(Mz)が220,000g/mol以下であり、
    前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂は分子量分布(Mw/Mn)が3.5〜4.5であり、
    前記エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の溶融指数は、ASTM D1238、温度190℃、荷重2.16kgで6〜35g/10分であることを特徴とする太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂。
  2. 67〜75重量%のエチレンモノマーおよび25〜33重量%のビニルアセテートモノマーを管型反応器に投入する段階と、
    パーオキサイド系開始剤を1000〜1600ppm濃度で添加する段階と、
    重合温度が200〜300℃、重合圧力が2500〜3000kg/cm2および重合時間が2〜20分で重合する段階とを含み、
    少なくとも2つ以上のパーオキサイド系開始剤からなるパーオキサイド系開始剤混合物においていずれか一つのパーオキサイド系開始剤に対する他のパーオキサイド系開始剤の重量比X:1(ここで、Xは0<X≦8.0)で混合され、下記式(1)を満足し、
    Tanδは、樹脂の粘弾性特性を弾性特性である貯蔵弾性率G’、および、粘性特性を示す損失弾性率G”の比であり、溶融指数(MI)とせん断速度(周波数:frequency)の関数で表したものであり、
    前記パーオキサイド系開始剤混合物は、(A)ジアルキルパーオキシジカーボネート系化合物、(B)アルキルパーオキシピバレート系化合物、(C)アルキルパーオキシエチルヘキサノエート系化合物、および(D)ジアルキルパーオキサイド系化合物から選択される少なくとも2種以上を(A):(B):(C):(D)=e:f:g:hの重量比率で混合した混合物であって、
    前記e、f、g、hは0〜8.0の範囲内であり、少なくとも2つは0ではない太陽電池封止材シート用エチレンビニルアセテート共重合体樹脂の製造方法。
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