EVA交联度对其力学性能的影响

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1、EVA交联度对其力学性能的影响2013-8-23 14:40| 发布者：ViolaHuang| 查看：6467| 评论：1|原作者:施懿 峻 韦桂奇 吴宝安|来自：Solarzoom摘要： 摘要：本文以光伏行业常用EVA型号作为样本，研究交联度的变化对 EVA各方面力学性能的影响。通过调节层压工艺参数制备不同交联度的EVA研究 样本，并对样本进行各种力学性能测试，再经过对数据的统计处理得出结论：.摘要：本文以光伏行业常用EVA型号作为样本，研究交联度的变化对EVA 各方面力学性能的影响。通过调节层压工艺参数制备不同交联度的EVA研究样 本，并对样本进行各种力学性能测试，再经过对数据的统计处理得

2、出结论：光伏 组件封装用EVA，交联度在85%左右时，其各方面的力学性能，即EVA的拉伸强 度、断裂伸长率、以及EVA与玻璃、背板的粘结强度等综合性能最佳。关键词：乙烯和醋酸乙烯共聚物热熔性热固性固化反应萃 取 交联度（凝胶质量分数）抗拉强度 剥离强度 塑性1前言由于乙烯和醋酸乙烯共聚物（EVA）存在极性的醋酸乙烯单元，这种极性单 元会降低EVA的结晶能力，反映在其力学性能上，表现为EVA具有良好的韧性、 柔软度和抗冲击强度。但由于EVA为线性高分子共聚物，因而其耐热性和内聚强 度较差，限制了其应用范围。太阳能光伏行业用的EVA是经过加入偶联剂、引 发剂、抗氧化剂等进行改性的热熔、热固型胶膜，

3、EVA胶膜经过热熔、热固后会 形成交联的三维网状结构，这种交联的程度会直接影响固化后EVA的物理化学性 能。如果交联度过低，EVA的三维网状结构尚未完全生成，其材质较为疏松，难 以形成致密的封装效果，具体表现为EVA材质疏松、且韧性和抗拉强度较差、与 背板和玻璃的粘结强度也比较低。但如果EVA的交联度过高，则会造成EVA材 质硬化，柔性降低，与背板和玻璃的粘结强度反而会下降，甚至容易造成EVA 与背板或玻璃的开裂，EVA的耐老化性能也会降低。由此可见，EVA的交联度将 直接影响固化后EVA的物理化性性能，进而对组件的封装效果和组件的使用寿命 都有着很大的影响。由于国内太阳能行业的EVA生产厂家

4、较多，不同厂家、不同型号的EVA其成 分、配比也不尽相同，反映在EVA的性能上有一定的差异。因此在光伏行业内， EVA的交联度到底多少为最佳，（即固化后的EVA与背板、玻璃的粘结强度和自 身韧性、抗拉强度的最佳结合点）一直没有形成统一、明确的认识。本文通过选 择行业内较有代表性的3个EVA型号作为研究样本，针对不同交联度的EVA的力 学性能做一个全面细致的对比分析，进而找到EVA力学性能的最佳值域，期望会 对光伏组件生产的封装工艺有一定的参考价值。2实验部分2.1主要原材料选取行业内的具有代表性的3款EVA胶膜作为研究样本，配以其他辅助类材 料（如背板、钢化玻璃、高温布等），其主要性能描述如表

5、1所示。表1试验用原材料及其性能描述材料类型材料编号性能及其描:lEVA国产杲知.名E4%胶膜，性能比!EVA胶膜2EVA国严某普通EVA般膜，性能相3EVA国产某普通EVA股膜，性能背板TPT结构双面含氟复台型背板，用于剥 各坡增普通钢化玻糖规格250*250*2.8 （单位:m 试样品的制备高温布聚四氟乙烯涂耐高温、不起皱、不易粘附任1覆玻璃纤维布伸强度和断裂伸长率测试样品E备注：除EVA胶膜外，其他用于测试样品制备的原材料仅作为辅助相2.2主要设备实验中用到的主要设备和仪器如表2所示。表2试验用主要设备及其用途设备名称厂家/型号三太阳能电池层压机申科 CYY- 3824DGM用于试验】交

6、联度测试电如热套荣华 HDM-200用于交联度预冲片机CP25用于拉力i万能电子拉力试验机中正WDW-3用于拉力测i2.3试验设计本文从力学的角度去研究不同交联程度的EVA,其自身的力学性能以及与玻 璃/TPT间粘结强度的差异。本试验选取3种不同厂家生产的EVA，采用高温布 /EVA/EVA/高温布和玻璃/EVA/EVA/背板两种敷设方式对试验样品进行叠层；依据 交联固化的基本原理，通过改变样品层压参数对叠层好的试样进行层压固化（由 于层压时间对EVA与玻璃/TPT的粘合力有一定影响，为避免该因素对测试结果 造成干扰，在层压参数的设置上保持层压时间不变，只通过调节层压温度来改变 样品的交联度）

7、，制备不同交联程度的试验样品；采用二甲苯萃取法来测定试样 的交联度，继而对样品进行拉伸测试和剥离强度测试。3测试与表征3.1交联度的测定交联度是指EVA小分子经交联反应生成三维网状结构固化的程度，一般通过 测定EVA的凝胶含量来反映EVA的交联固化情况。本文采用溶剂萃取法来测定EVA的交联度，其测试原理是将EVA样品置沸腾 二甲苯溶液中萃取，未经交联的EVA全部溶解到二甲苯溶液中，而已交联的EVA 大分子无法溶解，通过残留试样量与试样总量的比值确定交联度。测试步骤：1. 提取交联后的EVA样品，装入已知重量（记为W1）的120目不锈钢网袋 内，并在电子分析天平上称重（记为W2）；2. 将试样袋

8、放入二甲苯溶液中，煮沸5小时，进行萃取；3. 将试样袋放入真空烘箱内，烘箱设为140C，烘3小时后取出，称其重 量（记为W3）。交联度计算公式如下:交联度（）= （W3-W1） / （W2- W1）X100%3.2拉伸强度和断裂伸长率的测定拉伸强度是表征材料抵抗（拉伸）破坏的极限能力，通过测定EVA交联后的 拉伸强度可以从力学角度表征EVA样品的机械强度；断裂伸长率是衡量材料韧性 （弹性）的重要指标，具有较大的断裂伸长率的材料在抵抗冲击时有一定的弹性 伸长，不会立即脆断。本文按国家标准GB/T 528-1998，用万能电子拉力试验机测试EVA胶膜的 拉伸强度和断裂伸长率，拉伸速率为50mm/m

9、in，用冲片机将试验样品制成哑铃 型试样，宽度10mm，长度50mm，用千分尺测量样品的厚度。拉伸强度计算公式如下：Ts=Fm /（WT）式中：Ts-拉伸强度（Mp）Fm-最大拉断力（N）W- EVA小条实际宽度（mm）T - EVA小条的厚度（mm）断裂伸长率计算公式如下：断裂伸长率二（AL/L ） X100%式中：AL-试样在拉断时的拉伸伸长长度（mm）L-试样的原始长度（mm）3.3剥离强度的测定剥离强度又称为粘结强度，是表征材料间粘合、密封效果的重要指标。测定 EVA与玻璃、EVA与TPT粘合强度的样品为玻璃/EVA/EVA/TPT层压件，试样在 太阳能组件层压机设备上完成。本文按GB

10、/T 2791-1995胶黏剂180剥离强度试验方法进行，用万能电子 拉力试验机分别测试EVA与玻璃、EVA与背板间的粘结强度，剥离速度为100mm/min,样品宽度为10mm。剥离强度计算公式如下：5 180= F/B式中:5 180 - 180剥离强度，N/cm；F -平均剥离力，N；B -试样宽度，cm。4结果与讨论4.1交联度对EVA拉伸强度和断裂伸长率的影响表3列出了部分EVA样品的拉伸强度和断裂伸长率的测试结果。表3不同交联度EVA样品的拉伸强度和断裂伸长率项 目2EVA3拉伸强度(Mp)断裂 伸长率 (%)交联度(%)拉悼强度(Mp)断裂 伸长率 (%)交联度(%)152.310

11、.241034457.8995 534.&268.410.91104S63.510.3546.5381.513.53115&77.812.751040484.113.78114582.214.75107580.1586.113.8105085.515.4199586.71687.513.5897090.815.2393 089.5791.413.0395592.514.23姬93.7893.611.988295.113.0677095.71备注：表中各参数单位分别为：交朕度(场)、拉仙强度(Mp)、断裂伸长率(%)；根据上表中的拉力测试结果，绘制EVA的拉伸强度和断裂伸长率随交联度的 变化曲线

12、图，分别如图1、图2所示。30. OSS do. CMC 50.0% SO. OK 7（L 氓 SO. OX 9（ 交联度（%J图1三种不同厂家E叫的拉伸强度随交联度的变化曲纹通过图1我们可以看出,EVA的交联改性能够很明显的提高EVA的拉伸强度， 未交联的EVA是线型高分子聚合物，其本身就具有一定的聚合强度，此时聚合物 表现出软而弱的特点；随着交联反应的进行，EVA大分子间生成新的化学键， 使得EVA由线型结构转变为三维网状结构。提高了 EVA的内聚强度，使其具有更 好的抗机械破坏能力，此时材料表现出韧而强的特点；但不同型号、不同交联 程度的EVA，其拉伸强度具有一定的差异，且EVA的拉伸强

13、度和交联度的关系曲 线是一条有峰值的曲线。当交联度超过90%以后，EVA由塑性材料快速向固性 材料转变，曲线的斜率（绝对值）很大。材料变得越来越硬且更易拉断，聚合物 表现出越来越多的硬而脆特点。从图中很明显可以看出，EVA的交联度在 80%90%间，尤其是在87%左右时，EVA的拉伸强度最佳。1293EVA一-胃3 EVA11001035$00800g600抻.快 W. 0%50. DW 60. 0黑10. OK 90. 0%90.交麻庚(H)图2三种不同厂家EVA的断裂伸长率随交联度的变化曲线图2所描绘的是EVA的断裂伸长率随交联度的变化曲线。该曲线所表现出来 的特征是：前期，随着EVA交联

14、度的增大，其断裂伸长率逐渐提高；到达峰值后， 特别是交联度超过86%左右以后，其断裂伸长率快速下降。当EVA交联度大于90% 时，其断裂伸长率已经变得很低。这表明随着交联度的增加，其弹性伸展能力也 随之越来越差。我们看到，EVA的拉伸强度和断裂伸长率随交联度的变化曲线，都是一条有 峰值的曲线；尽管三个厂家的EVA在成分和质量上存在一定的差异，但当EVA 的交联度在85%左右时，它们拉伸强度和断裂伸长率两项性能都位于峰值点附 近。4.2交联度对EVA粘合性能的影响EVA胶膜在实际使用中作为粘合剂，将晶体硅光伏组件的各种材料粘合在一 起，起到密封绝缘的作用。不同交联程度的EVA，其粘合强度是不同的

15、，表4列 出了 EVA样品的粘结强度随着交联度变化的测试结果。项 目lEVA3交联度0%)与玻璃粘结CN/cm)与TPT粘结(N/cm)交暇虔(%)与玻璃 粘结CN.rm)与TPT 粘结(.N cm)交联度(%)t.(178.S136.9106.469.8110.792.170.71281139.491.171.7113392.678.41332.2141.555.5781115.799.431.74S4.115。甘108.6S0.41163107.985.21孔87.5141.5117.7S3112119.4SS.41690.1135.5125.5S8.4114.7125.591792101

16、.7112.192.775.288.193.1893.8.SO95.694.27276.694.5注：表中各参数单位分别为：交联度()、EM4与玻璃TFr的粘结强度(NbiL根据表4的测试数据，分别绘制1#、2#、3#三个厂家的EVA样品与玻璃 /TPT背板剥离强度随交联度的变化曲线图(如下图所示)。7土嘛. 0K如.睥1(交藤度OUM5蚂做服福图3 1EVA样品剥离强度随交联度的变化曲线SLAR2TO.OM80- M交瞪溟蜓图4 2= EVA样品剥离强度随交联度的变化曲线w.solarzaom.鹳寤眦鞭图5 3= EVA样品剥离强度随交联度的变化曲线遗上冬聪看结合图3、图4、图5可以看出：随

17、着交联度的增大，对于不同厂家、不同 型号的EVA（成分配比不同），其对玻璃和背板剥离强度的变化曲线都有先增大后 减小的规律，但其峰值对应的EVA交联度存在一定的差异，相对比较离散。总的 来说，三种EVA与玻璃/TPT的剥离强度最大值，均在EVA交联度80%90%的范围 内。当EVA的交联度大于90%时，其剥离强度值均快速下降，尤其是EVA与玻璃 的剥离强度。从此次研究的数据来看，在光伏行业的组件封装工艺中，将EVA的交联度定 在85%，控制在80%90%范围内，能够很好的保证EVA的各项力学性能都处在最 佳范围内。由于市场上EVA厂家型号众多，产品质量不一，此次试验选用行业内用量较 大的知名厂

18、家的产品作为研究标本，具有一定的代表性。虽然由于样品制备和实 验操作中存在的一些不可控因素（例如：不同厂家研究样本的质量差异、层压后 EVA样品厚度均匀性有一定差异等），但本研究建立在大量的样本测试和数据统 计分析的基础上，具有较好的可靠性和稳定性，对组件的封装工艺有一定的参考 价值。5结论（1）采用化学交联的方法使EVA的线性分子变成三维网状结构，如此提高 了 EVA的内聚强度，主要表现为其拉伸强度、断裂延伸率和玻璃/背板的剥离强 度都得到了很大程度的提高；（2）随着EVA交联度的增加，其各项力学性能均有着先增高后降低的变化 规律，并不是交联度越大，EVA的力学性能就越好。并且，其各项力学性

19、能的最 大值点基本分布在80%-90%之间。我们还发现当交联度达到一定程度（超过90%） 时，EVA会逐渐表现出硬而脆的特征，尤其是其断裂伸长率和与玻璃的剥离强 度会急剧下降；（3）在光伏行业的组件封装工艺中，建议将EVA的交联度定在85%，控制 在80%90%范围内。参考文献1 李国熊，许妍，郑智晶，仰建新 太阳能电池封装用胶膜的研制，杭 州化工，1991，（4）： 35-37.2 陈续煌，徐声均，李纯清，刘军，EVA热熔胶粘接强度的几个影响因 素，粘接，1998，19（5）： 4-5,23-24.3 郑智晶，EVA交联度测定方法的研究，浙江化工，1989，20（3）： 30-32.4 张增明，彭丽霞，吕瑞瑞，唐景，傅冬华，光伏组件封装EVA的热空 气老化研究J，合成材料老化与应用，2012年01期.