EVA交聯(lián)度對(duì)其力學(xué)性能的影響

摘要：本文以光伏行業(yè)常用EVA型號(hào)作為樣本，研究交聯(lián)度的變化對(duì)EVA各方面力學(xué)性能的影響。通過調(diào)節(jié)層壓工藝參數(shù)制備不同交聯(lián)度的EVA研究樣本，并對(duì)樣本進(jìn)行各種力學(xué)性能測(cè)試，再經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理得出結(jié)論：光伏組件封裝用EVA，交聯(lián)度在85%左右時(shí)，其各方面的力學(xué)性能，即EVA的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、以及EVA與玻璃、背板的粘結(jié)強(qiáng)度等綜合性能最佳。 　　1前言 　　由于乙烯和醋酸乙烯共聚物（EVA）存在極性的醋酸乙烯單元，這種極性單元會(huì)降低EVA的結(jié)晶能力，反映在其力學(xué)性能上，表現(xiàn)為EVA具有良好的韌性、柔軟度和抗沖擊強(qiáng)度。但由于EVA為線性高分子共聚物，因而其耐熱性和內(nèi)聚強(qiáng)度較差，限制了其應(yīng)用范圍。太陽能光伏行業(yè)用的EVA是經(jīng)過加入偶聯(lián)劑、引發(fā)劑、抗氧化劑等進(jìn)行改性的熱熔、熱固型膠膜，EVA膠膜經(jīng)過熱熔、熱固后會(huì)形成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種交聯(lián)的程度會(huì)直接影響固化后EVA的物理化學(xué)性能。 　　如果交聯(lián)度過低，EVA的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)尚未完全生成，其材質(zhì)較為疏松，難以形成致密的封裝效果，具體表現(xiàn)為EVA材質(zhì)疏松、且韌性和抗拉強(qiáng)度較差、與背板和玻璃的粘結(jié)強(qiáng)度也比較低。但如果EVA的交聯(lián)度過高，則會(huì)造成EVA材質(zhì)硬化，柔性降低，與背板和玻璃的粘結(jié)強(qiáng)度反而會(huì)下降，甚至容易造成EVA與背板或玻璃的開裂，EVA的耐老化性能也會(huì)降低。由此可見，EVA的交聯(lián)度將直接影響固化后EVA的物理化性性能，進(jìn)而對(duì)組件的封裝效果和組件的使用壽命都有著很大的影響。 　　由于國內(nèi)太陽能行業(yè)的EVA生產(chǎn)廠家較多，不同廠家、不同型號(hào)的EVA其成分、配比也不盡相同，反映在EVA的性能上有一定的差異。因此在光伏行業(yè)內(nèi)，EVA的交聯(lián)度到底多少為最佳，（即固化后的EVA與背板、玻璃的粘結(jié)強(qiáng)度和自身韌性、抗拉強(qiáng)度的最佳結(jié)合點(diǎn)）一直沒有形成統(tǒng)一、明確的認(rèn)識(shí)。本文通過選擇行業(yè)內(nèi)較有代表性的3個(gè)EVA型號(hào)作為研究樣本，針對(duì)不同交聯(lián)度的EVA的力學(xué)性能做一個(gè)全面細(xì)致的對(duì)比分析，進(jìn)而找到EVA力學(xué)性能的最佳值域，期望會(huì)對(duì)光伏組件生產(chǎn)的封裝工藝有一定的參考價(jià)值。 　　2實(shí)驗(yàn)部分 　　2.1主要原材料 　　選取行業(yè)內(nèi)的具有代表性的3款EVA膠膜作為研究樣本，配以其他輔助類材料（如背板、鋼化玻璃、高溫布等），其主要性能描述如表1所示。 　　表1試驗(yàn)用原材料及其性能描述 　　2.2主要設(shè)備 　　實(shí)驗(yàn)中用到的主要設(shè)備和儀器如表2所示。 　　表2試驗(yàn)用主要設(shè)備及其用途 　　2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì) 　　本文從力學(xué)的角度去研究不同交聯(lián)程度的EVA，其自身的力學(xué)性能以及與玻璃/TPT間粘結(jié)強(qiáng)度的差異。本試驗(yàn)選取3種不同廠家生產(chǎn)的EVA，采用高溫布/EVA/EVA/高溫布和玻璃/EVA/EVA/背板兩種敷設(shè)方式對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行疊層；依據(jù)交聯(lián)固化的基本原理，通過改變樣品層壓參數(shù)對(duì)疊層好的試樣進(jìn)行層壓固化（由于層壓時(shí)間對(duì)EVA與玻璃/TPT的粘合力有一定影響，為避免該因素對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾，在層壓參數(shù)的設(shè)置上保持層壓時(shí)間不變，只通過調(diào)節(jié)層壓溫度來改變樣品的交聯(lián)度），制備不同交聯(lián)程度的試驗(yàn)樣品；采用二甲苯萃取法來測(cè)定試樣的交聯(lián)度，繼而對(duì)樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試和剝離強(qiáng)度測(cè)試。 　　3測(cè)試與表征 　　3.1交聯(lián)度的測(cè)定 　　交聯(lián)度是指EVA小分子經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固化的程度，一般通過測(cè)定EVA的凝膠含量來反映EVA的交聯(lián)固化情況。 　　本文采用溶劑萃取法來測(cè)定EVA的交聯(lián)度，其測(cè)試原理是將EVA樣品置沸騰二甲苯溶液中萃取，未經(jīng)交聯(lián)的EVA全部溶解到二甲苯溶液中，而已交聯(lián)的EVA大分子無法溶解，通過殘留試樣量與試樣總量的比值確定交聯(lián)度。 　　測(cè)試步驟： 　　1.提取交聯(lián)后的EVA樣品，裝入已知重量（記為W1）的120目不銹鋼網(wǎng)袋內(nèi)，并在電子分析天平上稱重（記為W2）； 　　2.將試樣袋放入二甲苯溶液中，煮沸5小時(shí)，進(jìn)行萃??； 　　3.將試樣袋放入真空烘箱內(nèi)，烘箱設(shè)為140℃，烘3小時(shí)后取出，稱其重量（記為W3）。 　　交聯(lián)度計(jì)算公式如下： 　　交聯(lián)度（%）=[(W3-W1)／(W2-W1)]×100% 　　3.2拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測(cè)定 　　拉伸強(qiáng)度是表征材料抵抗（拉伸）破壞的極限能力，通過測(cè)定EVA交聯(lián)后的拉伸強(qiáng)度可以從力學(xué)角度表征EVA樣品的機(jī)械強(qiáng)度；斷裂伸長率是衡量材料韌性（彈性）的重要指標(biāo)，具有較大的斷裂伸長率的材料在抵抗沖擊時(shí)有一定的彈性伸長，不會(huì)立即脆斷。 　　本文按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T528-1998，用萬能電子拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試EVA膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，拉伸速率為50mm/min，用沖片機(jī)將試驗(yàn)樣品制成啞鈴型試樣，寬度10mm，長度50mm，用千分尺測(cè)量樣品的厚度。 　　拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式如下： 　　Ts=Fm／(W˙T) 　　式中：Ts-拉伸強(qiáng)度（Mp） 　　Fm-最大拉斷力(N) 　　W-EVA小條實(shí)際寬度（mm） 　　T-EVA小條的厚度（mm） 　　斷裂伸長率計(jì)算公式如下： 　　斷裂伸長率=(ΔL／L)×100% 　　式中：ΔL-試樣在拉斷時(shí)的拉伸伸長長度（mm） 　　L-試樣的原始長度（mm） 　　3.3剝離強(qiáng)度的測(cè)定 　　剝離強(qiáng)度又稱為粘結(jié)強(qiáng)度，是表征材料間粘合、密封效果的重要指標(biāo)。測(cè)定EVA與玻璃、EVA與TPT粘合強(qiáng)度的樣品為"玻璃/EVA/EVA/TPT"層壓件，試樣在太陽能組件層壓機(jī)設(shè)備上完成。 　　本文按GB/T2791-1995"膠黏劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法"進(jìn)行，用萬能電子拉力試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試EVA與玻璃、EVA與背板間的粘結(jié)強(qiáng)度，剝離速度為100mm/min，樣品寬度為10mm。 　　剝離強(qiáng)度計(jì)算公式如下： 　　δ180°=F／B 　　式中：δ180°-180°剝離強(qiáng)度，N/cm； 　　F-平均剝離力，N； 　　B-試樣寬度，cm。 　　4結(jié)果與討論 　　4.1交聯(lián)度對(duì)EVA拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響 　　表3列出了部分EVA樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測(cè)試結(jié)果。 　　表3不同交聯(lián)度EVA樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率 　　根據(jù)上表中的拉力測(cè)試結(jié)果，繪制EVA的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨交聯(lián)度的變化曲線圖，分別如圖1、圖2所示。 　　通過圖1我們可以看出，EVA的交聯(lián)改性能夠很明顯的提高EVA的拉伸強(qiáng)度，未交聯(lián)的EVA是線型高分子聚合物，其本身就具有一定的聚合強(qiáng)度，此時(shí)聚合物表現(xiàn)出"軟而弱"的特點(diǎn)；隨著交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，EVA大分子間生成新的化學(xué)鍵，使得EVA由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。提高了EVA的內(nèi)聚強(qiáng)度，使其具有更好的抗機(jī)械破壞能力，此時(shí)材料表現(xiàn)出"韌而強(qiáng)"的特點(diǎn)；但不同型號(hào)、不同交聯(lián)程度的EVA，其拉伸強(qiáng)度具有一定的差異，且EVA的拉伸強(qiáng)度和交聯(lián)度的關(guān)系曲線是一條有"峰值"的曲線。當(dāng)交聯(lián)度超過90%以后，EVA由塑性材料快速向固性材料轉(zhuǎn)變，曲線的斜率（絕對(duì)值）很大。材料變得越來越硬且更易拉斷，聚合物表現(xiàn)出越來越多的"硬而脆"特點(diǎn)。從圖中很明顯可以看出，EVA的交聯(lián)度在80%~90%間，尤其是在87%左右時(shí)，EVA的拉伸強(qiáng)度最佳。 　　圖2所描繪的是EVA的斷裂伸長率隨交聯(lián)度的變化曲線。該曲線所表現(xiàn)出來的特征是：前期，隨著EVA交聯(lián)度的增大，其斷裂伸長率逐漸提高；到達(dá)峰值后，特別是交聯(lián)度超過86%左右以后，其斷裂伸長率快速下降。當(dāng)EVA交聯(lián)度大于90%時(shí)，其斷裂伸長率已經(jīng)變得很低。這表明隨著交聯(lián)度的增加，其彈性伸展能力也隨之越來越差。 　　我們看到，EVA的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨交聯(lián)度的變化曲線，都是一條有"峰值"的曲線；盡管三個(gè)廠家的EVA在成分和質(zhì)量上存在一定的差異，但當(dāng)EVA的交聯(lián)度在85%左右時(shí)，它們拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率兩項(xiàng)性能都位于峰值點(diǎn)附近。 　　4.2交聯(lián)度對(duì)EVA粘合性能的影響 　　EVA膠膜在實(shí)際使用中作為粘合劑，將晶體硅光伏組件的各種材料粘合在一起，起到密封絕緣的作用。不同交聯(lián)程度的EVA，其粘合強(qiáng)度是不同的，表4列出了EVA樣品的粘結(jié)強(qiáng)度隨著交聯(lián)度變化的測(cè)試結(jié)果。 　　根據(jù)表4的測(cè)試數(shù)據(jù)，分別繪制1#、2#、3#三個(gè)廠家的EVA樣品與玻璃/TPT背板剝離強(qiáng)度隨交聯(lián)度的變化曲線圖（如下圖所示）。 　　結(jié)合圖3、圖4、圖5可以看出：隨著交聯(lián)度的增大，對(duì)于不同廠家、不同型號(hào)的EVA(成分配比不同)，其對(duì)玻璃和背板剝離強(qiáng)度的變化曲線都有先增大后減小的規(guī)律，但其峰值對(duì)應(yīng)的EVA交聯(lián)度存在一定的差異，相對(duì)比較離散?？偟膩碚f，三種EVA與玻璃/TPT的剝離強(qiáng)度最大值，均在EVA交聯(lián)度80%~90%的范圍內(nèi)。當(dāng)EVA的交聯(lián)度大于90%時(shí)，其剝離強(qiáng)度值均快速下降，尤其是EVA與玻璃的剝離強(qiáng)度。 　　從此次研究的數(shù)據(jù)來看，在光伏行業(yè)的組件封裝工藝中，將EVA的交聯(lián)度定在85%，控制在80%~90%范圍內(nèi)，能夠很好的保證EVA的各項(xiàng)力學(xué)性能都處在最佳范圍內(nèi)。 　　由于市場(chǎng)上EVA廠家型號(hào)眾多，產(chǎn)品質(zhì)量不一，此次試驗(yàn)選用行業(yè)內(nèi)用量較大的知名廠家的產(chǎn)品作為研究標(biāo)本，具有一定的代表性。雖然由于樣品制備和實(shí)驗(yàn)操作中存在的一些不可控因素（例如：不同廠家研究樣本的質(zhì)量差異、層壓后EVA樣品厚度均勻性有一定差異等），但本研究建立在大量的樣本測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)組件的封裝工藝有一定的參考價(jià)值。 　　5結(jié)論 　?。?）采用化學(xué)交聯(lián)的方法使EVA的線性分子變成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如此提高了EVA的內(nèi)聚強(qiáng)度，主要表現(xiàn)為其拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率和玻璃/背板的剝離強(qiáng)度都得到了很大程度的提高； 　?。?）隨著EVA交聯(lián)度的增加，其各項(xiàng)力學(xué)性能均有著先增高后降低的變化規(guī)律，并不是交聯(lián)度越大，EVA的力學(xué)性能就越好。并且，其各項(xiàng)力學(xué)性能的最大值點(diǎn)基本分布在80%-90%之間。我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)交聯(lián)度達(dá)到一定程度（超過90%）時(shí)，EVA會(huì)逐漸表現(xiàn)出"硬而脆"的特征，尤其是其斷裂伸長率和與玻璃的剝離強(qiáng)度會(huì)急劇下降； 　?。?）在光伏行業(yè)的組件封裝工藝中，建議將EVA的交聯(lián)度定在85%，控制在80%~90%范圍內(nèi)。