抗老化母粒的制备及在光伏背板用PE膜中的应用研究

2019-02-20

聚乙烯(PE)膜以其具有竞争力的价格和原料易得等优势逐步取代聚氟乙烯(PVF)或聚偏二氟乙烯(PVDF)膜,而在光伏背板中得到了推广应用。基于PE膜耐老化性能欠佳的缺点,如何通过改进提高其耐紫外线(UV)老化性能、耐高温高湿(PCT)老化性能,延长使用寿命,从而提高其在光伏背板用膜材料中的市场份额,一直是光伏背板用膜材料改性研究的热点问题。为此,人们开展了大量研究,一方面从理论上揭示老化过程的老化机理,另一方面采用多种功能助剂延缓老化速度,延长使用寿命。本研究用低密度聚乙烯(LDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)为主体树脂,采用吹膜工艺制备PE膜进行改性研究,分别用两种光稳定剂制作复配母粒、两种抗氧化剂制作复配母粒,以及两种光稳定剂和两种抗氧化剂复配制作抗老化母粒,探讨对PE膜耐老化性能的影响;并用改性PE膜与PET膜复合制作光伏背板,对光伏背板可承受的最大辐照能量和辐照时间进行测试表征,以此分析研究PE膜的耐老化性能。

1 实验部分

1.1 主要原材料

LDPE(2426H),兰州石油化工有限公司;LLDPE(DFDA7042),兰州石油化工有限公司;2,2′-亚甲基双(4-叔辛基-6-苯并三唑苯酚)(UV-360,工业品),汽巴精化(中国)有限公司;双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(UV-770,工业品),汽巴精化(中国)有限公司;四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010,工业品),巴斯夫高桥特殊化学品(中国)有限公司;1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)苯(抗氧化剂330,工业品),巴斯夫高桥特殊化学品(中国)有限公司;钛白粉白色母粒,自制;PE/PET专用复合胶黏剂,自制;PET膜,佛山杜邦鸿基薄膜有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机(SHJ-30型),南京杰恩特机电技术有限公司;小型高速混合机(SHR10A),张家港市晨新机械有限公司;实验室用小型吹膜机(YS-35*28*3-350),广东汕头雅塑机械有限公司;氙弧灯耐气候试验箱(SN-500型),北京市鸿达试验仪器有限公司;太阳能专用恒温恒湿机(PV-THB-POT),庆声电子科技有限公司。

1.3 抗老化母粒与PE膜制备

抗老化母粒的制备:将UV-360、UV-770、抗氧化剂1010、抗氧化剂330和LLDPE粉料按照拟定配方称取计量的物料,用小型高速混合机搅拌混合;将物料转移到双螺杆挤出机料斗中,启动双螺杆挤出造粒机,制备抗老化母粒。

PE膜的制备:将抗老化母粒与LDPE、LLDPE按照拟定配方称量,加入定量的自制钛白粉白色母粒,混合均匀后投入到料斗中,温度达到设定值后启动螺杆挤出机,吹制PE膜。

1.4 样品制备与耐老化性能检测

试验样品制备:将PE膜与PET膜裁切成A4纸大小,将PE/PET 专用复合胶粘剂涂布到PET膜表面,放入鼓风干燥烘箱中干燥,与PE膜加压复合粘接,制成PE/PET复合膜。

耐紫外老化性能检测:按照GB/T 16422.2—1999进行耐紫外老化试验。将PE/PET复合膜裁切成100mm×100mm 样片,放入氙弧灯耐气候试验箱中;开启氙灯,定时观察膜面外观,直到PE膜出现龟裂即为辐照终点;记录累计最大辐照能量和最长辐照时间。

耐高温高湿老化性能检测:按照GB/T 2423.3—1993进行耐高温高湿老化试验。将PE/PET复合膜裁切成100mm×100mm样片,放入试验箱中;开启电源,定时观察记录复合膜面外观,直到PE膜出现缩边或鼓包即为测试终点;记录累积耐高温高湿老化时间。

2 结果与讨论

2.1 光稳定剂复配母粒对PE膜耐紫外老化性能的影响

用光稳定剂UV-360和UV-770按照不同比例与LLDPE混合制作复配母粒,光稳定剂在母粒中的含量为30%(wt,质量分数,下同)。将LDPE与LLDPE以40∶60(质量比,下同)混合,母粒在混合粒料中的加入比例为5%,再加入10%白色母粒,制备60μm PE膜。光稳定剂复配母粒对PE膜耐紫外老化性能的影响结果见表1。

从表1可以看出,与不含光稳定剂的空白PE膜(序号1)相比,含光稳定剂复配母粒的PE膜耐紫外辐照时间均大幅度延长。当UV-360和UV-770在PE膜中含量分别为1.125%、0.375%时,PE膜可承受的累计最大辐照能量达到85kWh/m,耐老化时间为544h;随着UV-360含量下降和UV-770含量增加,PE膜面可承受的累计辐照能量也随之下降,耐老化时间出现逐步缩短。这可能是因为UV-360和UV-770有选择性地吸收进入PE膜的紫外线,通过能量转移方式将有害光能转变为无害光能,以热量形式释放;同时,将受到紫外光能量激发而产生的激发态分子通过能量转移,使激发态猝灭而成为基态,防止激发态引发光氧化反应。因此,含有光稳定剂复配母粒的PE膜耐老化性能大幅度提高。而且与单独使用UV-360或UV-770相比,二者混合使用耐老化效果更好,说明二者混合使用具有较好的协同作用。

2.2 抗氧化剂复配母粒对PE膜耐紫外老化性能的影响

用抗氧化剂1010 和330 按照不同比例与LLDPE混合制作复配母粒,抗氧化剂在母粒中的含量为30%。将LDPE与LLDPE以40∶60混合,母粒在混合粒料中的加入比例为5%,再加入10%白色母粒,制备60μm PE膜。抗氧化剂复配母粒对PE膜耐紫外老化性能的影响结果见表2。

从表2可以看出,与不含抗氧化剂的空白PE膜相比,含抗氧化剂复配母粒的PE膜耐老化时间明显延长。抗氧化剂1010和330在PE膜中的含量均为0.750%时,PE 膜耐老化时间最长,可达480h,可承受的累计最大辐照能量达到75kWh/m。此外,随着抗氧化剂1010和330比例的改变,PE膜的耐老化性能出现一定幅度下降。这可能是因为抗氧化剂1010可以捕获和清除自动氧化反应生成的活性过氧自由基,使其转化成氢过氧化物,从而达到阻止自动氧化反应的目的。同时,辅助抗氧化剂330作为氢过氧化物分解剂,可以使氢过氧化物转变成稳定的物质。与单独使用抗氧化剂1010或330相比,氧化剂1010与330按照50∶50混合使用耐老化效果更好,说明二者混合使用具有较好的协同作用。

2.3 抗老化母粒对PE膜耐老化性能的影响

为了探讨光稳定剂与抗氧化剂制备抗老化母粒对PE膜耐老化性能的影响,结合表1和表2的检测结果,将光稳定剂与抗氧化剂按照不同质量比混合制作抗老化母粒,助剂在抗老化母粒中含量为30%。将LDPE与LLDPE以40∶60混合,抗老化母粒在混合粒料中的加入比例为5%,即助剂在PE膜中含量为1.5%,再加入10% 白色母粒,制备60μm PE膜。抗老化母粒对PE膜耐紫外老化性能和耐高温高湿老化性能的影响结果见表3。

从表3可以看出,与加入光稳定剂复配母粒或抗氧化剂复配母粒相比,采用4种功能助剂复配抗老化母粒制备的PE膜耐老化性能均出现不同幅度的提高,尤其是UV-360、UV-770在PE膜中含量为0.840%、0.280%,抗氧化剂1010和330在PE膜中含量均为0.190%时,PE膜可承受的累计最大辐照能量可以达到135kWh/m,耐辐照时间长达864h,耐高温高湿时间长达3100h。这可能是因为光稳定剂和抗氧化剂产生协同作用的结果,一方面UV-360和UV-770吸收紫外光,并通过能量转移方式将有害光能转变为无害光能,以热量形式释放;同时将受到紫外光能量激发而产生的激发态分子通过能量转移,使激发态猝灭而成为基态,防止激发态引发光氧化反应。另一方面,抗氧化剂1010捕获和清除自动氧化反应生成的活性过氧自由基,使其转化成氢过氧化物,从而达到阻止自动氧化反应;同时抗氧化剂330作为氢过氧化物分解剂,可以使氢过氧化物转变成稳定的物质。光稳定剂和抗氧化剂协同作用有效提高了PE膜的耐老化性能,从而使改性PE膜制备的光伏背板在自然环境下老化寿命显著延长。

3 结论

(1)采用光稳定剂UV-360和UV-770复配母粒改性PE膜,提高了PE膜的耐老化性能。UV-360和UV-770按照3∶1混合制作母粒,PE膜可承受最大辐照能量可达85kWh/m

(2)采用抗氧化剂1010与330复配母粒改性PE膜,提高了PE膜的耐老化性能。抗氧化剂1010与330按照50∶50混合制作母粒,PE膜可承受最大辐照能量可达75kWh/m

(3)采用光稳定剂和抗氧化剂复配制作抗老化母粒,PE 膜耐老化性能显著提升。当UV-360、UV-770在PE膜中含量为0.840%、0.280%,抗氧化剂1010和330在PE膜中含量均为0.190%时,PE 膜可承受的累计最大辐照能量可以达到135kWh/m,耐辐照时间长达到864h,耐高温高湿时间长达3100h。说明光稳定剂和抗氧化剂复配产生协同作用,提高了PE膜的耐老化性能。

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