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氟碳涂料在太阳能电池背板中的应用之水性氟碳涂料制备


概要:太阳能电池组件封装材料主要包括玻璃、EVA胶膜、边框、背板膜、硅胶等,而背板膜材料主要为聚对二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜,其具有优良的电绝缘性和电性能,虽有极佳的阻水和阻气性,但对湿热老化和UV光的抵抗性较弱,所以通常复合耐候及阻水性较佳的氟材料来做为保护。复合的工艺包括复胶型和涂覆型两类。


复胶型太阳能光伏背板背膜(TPT、KPK等)以PTFE,PVDF,FEP,PVF,ETFE等氟塑薄膜材料通过胶粘剂与PET基材粘结复合而成,此类背膜因胶粘剂的品质不同以及复合工艺的差异,电池组件在户外环境中,长期受湿度和温度双重因素的影响下,复合型背膜易发生胶粘剂层水解,从而导致氟膜与PET基材层间剥离,难以满足电池组件长期的可靠要求。


而涂覆型背板膜采用氟碳涂料,直接涂覆于PET基材之上,形成氟碳涂层,大大改善了背膜生产的工艺和经济性,且氟碳涂膜可直接与EVA贴合,必要时可于涂膜上施予电晕或等离子体处理,即可提高贴合牢度。因此,以氟碳涂膜取代氟塑薄膜等复合膜,应用于太阳能光伏背板上,可经济背板制造工艺及节省材料成本,与传统复合型背板相比具有明显竞争优势。


目前,溶剂型氟碳涂料已得到太阳能光伏行业的广泛认可,用量逐年增加,但随着人们环保意识的不断提高和环保法规对挥发性有机物质(VOC/TVOC)及有害空气污染物(HAPs)的限制日趋严格,溶剂型产品将会逐渐被环保型产品所取代。而水性氟碳涂料是一类以水性氟碳乳液为主体树脂的零VOC或低VOC环境友好型涂料,具备含氟涂层的优异特性。对水性氟碳太阳能背板涂料进行开发研究,兼顾新能源材料多元化、高性能化、环保化的特点,是太阳能组件行业的发展趋势和方向。


1 试验部分


1.1试验原料(略)

1.2主要试验仪器(略)

1.3试验配方

试验涂料配方见表1。

表1 试验参考配方

氟碳涂料在太阳能电池背板中的应用之水性氟碳涂料制备


制备工艺:制漆过程:按配方量加入去离子水、防沉剂、润湿分散剂、消泡剂、颜料,分散均匀后用研磨机研磨至细度小于10μm,过滤除去研磨介质,然后加入氟碳乳液、助溶剂、润湿剂、消光粉等,分散均匀且细度小于20μm,最后加入增稠剂,用去离子水调整粘度后,过滤包装即得A组分;然后加入B组分水性固化剂,搅拌均匀即得水性双组分氟碳涂料。



施工过程:用线棒刮涂于电晕处理过的PET膜上,150℃×2~3min烘烤固化,然后室温放置3d后测试相关物性。


1.4固化剂的选择


背板用水性双组分氟碳涂料,跟一般的双组分水性聚氨酯体系一样,多异氰酸酯固化剂与氟碳乳液充分均一地混合与分散是得到最佳涂膜性能的基本保证。因此选择合适易分散的多异氰酸酯固化剂显得尤为重要。目前市场上能够供应水性聚氨酯固化剂的主要厂商有拜耳、柏斯托、巴斯夫等。通过筛选各种固化剂的应用评估测试结果得知,可选择Vencorex(原柏斯托公司)的XD803、XL600以及拜耳公司的BayhydurXP2655等,上述固化剂与长兴氟碳乳液的兼容性较佳,涂膜的耐水性、附着性以及PCT老化性都较好。


在加有水性聚异氰酸酯固化剂的双组分水性涂料的研制中,NCO/OH也是一个重要的影响因素,若多异氰酸酯加入太少,不足以与羟基反应,涂膜交联度较低,涂膜致密性不好,抗化学品、抗水性下降,甚至涂膜发软;若多异氰酸酯加入太多,会造成涂膜内有大量的CO2(水与异氰酸酯反应所生成)残留,致使涂膜表面出现爆泡和针孔,影响漆膜的耐水性和外观,而且过多的固化剂也会增加成本。因多异氰酸酯会与水反应,为了保证与羟基完全反应,通常使异氰酸酯过量。综合各种性能,NCO/OH选择1.3较适宜。


1.5其他助剂


与其他水性涂料一样,背板用水性双组分氟碳涂料同样要加入多种助剂来改善涂料的施工性、涂膜外观以及其他性能。同时,在涂料配方配制时必须注意溶剂、润湿剂、分散剂、填充料不能与-NCO基团进行反应,即应尽量避免所有带活性基团的物质。具体如下:


润湿流平剂


由于水的表面张力较高,对PET基材的润湿能力差,使得水性双组分氟碳涂料的涂膜表面容易产生弊病,必须加入一定量的润湿流平剂。良好的润湿流平剂应能有效降低体系表面张力,改善涂料对基材的润湿性和渗透性,提高附着力。本体系可选择Tego-270搭配BYK-3455,涂膜流平性好,无镜框现象。


消泡剂


水性双组分氟碳涂料与一般的水性双组分聚氨酯涂料一样,比其它水性涂料体系更容易产生气泡,除了在制备和施工过程中会产生气泡,在成膜过程中,水与异氰酸酯反应产生CO2滞留在涂膜中也会形成气泡,如果不能有效去除这些气泡,会造成涂膜针孔等弊病。结合长兴公司太阳能背板用氟碳乳液的特点,本体系可选用含硅类消泡剂或分子类消泡剂较为适宜。


增稠剂


背膜涂装的方式是辊轮或刮涂涂装,水性涂料通常粘稠性不足,对施工作业的膜厚控制较麻烦,背膜要求涂料膜厚23~25μm(干膜),水性氟涂料应用配方必须就此施工性方面作改善优化,因此增稠剂的筛选尤为重要。常用的增稠流变剂分为碱溶胀高分子型和缔合型二种类型。碱溶胀增稠剂有较大的触变性和防流挂性,但流平性较差;缔合型流变剂,有较佳的流平性,且高剪切粘度高,有利于辊涂施工作业。依据增稠剂的特点和氟乳液的性能考虑以及背板涂装的特点,选择低剪切、抗流挂性与流平性之间的平衡较好的聚氨酯类增稠剂较佳。


助溶剂


助溶剂的作用是帮助成膜、防冻及延长涂膜的开放时间以利于流平,通常为一些高沸点的有机溶剂。背板水性涂料的涂装工艺为140~150℃,不存在成膜问题,但助溶剂的增容作用能使氟碳乳液与固化剂更好的相溶,提高交联度,从而综合性能得到提高;再者,由于水性涂料体系中水的含量较高,加入高沸点溶剂可防止水性涂料在140~150℃的高温下发生爆沸现象,减少漆膜表面的不良弊病。在本体系中,应尽量避免选用易与固化剂中的异氰酸酯基团反应的助溶剂,可选用醚酯类溶剂如乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、醇酯-12等。


2 结语


所制备的太阳能光伏背板保护膜用水性双组分氟碳涂料能够满足现有背板涂膜的流水线生产工艺,可以替代现有溶剂型产品,尤其能实现透明PET膜的涂层应用,满足光伏行业太阳能背板涂料的水性化、环保的趋势。




来源:涂料工业



关键词:氟碳涂料 
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