熔融指数对POE胶膜性能的影响
周雪梅
（浙江利昌科技有限公司, 浙江 温州 325016）
摘 要：以不同熔融指数的乙烯-a-烯烃共聚物（POE）为基料，与过氧化-2-乙基己酯碳酸叔丁酯交联剂、三烯丙基异氰尿酸酯助交联剂、乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂以及光稳定剂、抗氧剂、紫外光吸收剂按照相同配方进行精细共混后采用流延成膜法制备不同的POE胶膜。研究结果表明：熔融指数30 g·(10 min)-1的POE树脂制备的POE胶膜A样品，综合性能最佳。随着熔融指数降低，POE胶膜的交联度和体积电阻率随之降低，但透光率、剥离强度、耐老化性能并未出现此规律。其次用A样品封装的光伏组件抗电势诱导衰减性能相对最佳，有利于光伏电站效益提升。 关 键 词：熔融指数；POE胶膜；交联度；透光率；剥离强度；体积电阻率
中图分类号：TQ050.425 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2022）12-1691-04
光伏发电是将太阳能通过光伏组件转换成电能。每1 MW光伏系统，每年可减排CO2 900多t，可替代500多t标准煤。根据世界自然基金会研究
2
结果，从减排二氧化碳效果而言，安装1 m光伏发
2
电系统相当于植树造林100 m。自2008年以来，随着光伏技术的提升，光伏发电的价格已下降了90%，目前光伏发电具有显著的能源、环保和经济效益，是最优质的绿色能源之一[1]。
光伏组件中封装胶膜主要用于保护电池片，提高组件的使用寿命。乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA胶膜）是目前应用相对最广泛的高分子胶膜，其工艺成熟且性价比高[2]。但EVA胶膜水汽透过率低，容易分解释放醋酸分子，腐蚀玻璃和背板等部件，缩短组件的使用寿命。近年来，发现在电站使用过程中EVA胶膜存在严重的电势诱导衰减（PID）现象，导致电站输出功率大幅下降，严重影响电站运营效率[3-5]。可见封装材料的性能直接决定了电池片和组件的使用寿命。
POE胶膜由茂金属作催化剂开发而来，是具有相对窄分子质量分布、窄共聚单体分布、结构可控的新型聚烯烃热塑性弹性体[6]。乙烯-a-烯烃共聚物（POE）为代表的聚烯烃材料具备优异的透光性、电绝缘性、水汽阻隔性以及出色的耐候性能和抗PID性能，被认定为替代EVA封装材料的理想材 料[7]。自2017年以来光伏组件封装材料POE胶膜使用量仅次于EVA胶膜，主要原因是POE树脂成本高于EVA树脂。近两年随着光伏组件持续扩产，受EVA树脂产能限制，加快了POE树脂的技术和
市场开发，目前POE树脂量升价跌，市场占有率不断提高。EVA胶膜相对POE胶膜价格优势逐步减弱，当POE胶膜生产企业加速降本增效，将来有望超过EVA胶膜的使用量，促进光伏电站效益的 提升。本文研究了3种不同熔融指数对POE胶膜性能的影响，主要从交联度、透光率、体积电阻率、剥离强度、耐老化性能和电势诱导衰减这6个方面进行了分析。
1 试验
1.1 试验材料
乙烯-a-烯烃共聚物（POE），熔指为 30 g·(10 min)，工业级，陶氏公司；乙烯-a-烯烃共聚物（POE），熔指为14 g·(10 min)，工业级，陶氏
公司；丁烯-a-烯烃共聚物（POE），熔指为 10 g·(10 min)，工业级，陶氏公司；过氧化-2-乙基己酯碳酸叔丁酯交联剂（TBEC），工业级，阿科玛有限公司；三烯丙基异氰尿酸酯助交联剂（TAIC），工业级，湖南民和化工有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷偶（570），工业级，信越有限公司；抗氧剂1010，工业级，巴斯夫有限公司；紫外光稳定剂770，工业级，巴斯夫有限公司；紫外光吸收剂81，工业级，巴斯夫有限公司；TPT背板，苏州中来光伏新材股份有限公司；钢化玻璃，厚度3.2 mm，信义光能控股有限公司。
1.2 实验仪器
小型挤出机和流延机，舟山精科挤出机厂； 立
-1
-1
-1
收稿日期： 2022-03-15
作者简介： 周雪梅（1985-），女，湖北省武汉市人，工程师，硕士研究生，2011年毕业于温州大学，研究方向：高分子材料研发技术。
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式混色机，金恒力有限公司；TDCT-BY-5 层压机，秦皇岛市奥瑞特科技有限公司；XD-121 电脑拉力机，信任达（上海）有限公司；UV3600紫外分光光度计，岛津国际贸易（上海）有限公司；体积电阻率测试仪，型号DSM8104，日置有限公司；UVTEST紫外湿热老化箱，ATLS； 恒温恒湿试验箱，上海爱斯佩克环境设备有限公司；抗PID电源 上海质卫环保科技有限公司；AVY-220电子天平，岛津国际贸易（上海）有限公司；单次闪光太阳能
模拟器，上海赫爽太阳能科技有限公司；太阳能电池组件电致发光检测仪，型号EL-M测试仪，ASICCN。
1.3 样品制备
POE胶膜的配方如表1所示。按表1将POE树脂与各助剂在立式混色机内精细共混，混合好后陈化放置24 h，再将混合料加入小型挤出机，通过流延法制备厚度为0.5 mm的POE胶膜。
表1 POE胶膜的配方
样样品号
A B C
m(POE)/g MI=30 g·(10 min)
2 000 - -
-1
m(POE)/g MI=14 g·(10 min)
- 2 000 -
-1
m(POE)/g MI=10 g·(10 min)
- - 2 000
-1
m(交联剂)/g 20 20 20
m(助交 联剂)/g 10 10 10
m(硅烷 偶联剂)/g
4 4 4
m(抗氧剂)/g 1 1 1
m(紫外光 稳定剂)/g
2 2 2
m(紫外线 吸收剂)/g
3 3 3
1.4 样品制备
将制作的POE胶膜按照层压固化条件145 ℃下，制作交联度、透光率、剥离强度、体积电阻率、紫外老化性能、湿热老化性能和电势诱导衰减抗PID性能测试样。
电势诱导衰减抗PID性能按照IEC62804 中电势诱导衰减测试方法进行：测试条件温度85 ℃，湿度85%，-1 000 V电压，测试时间96 h。其他性能均按照《光伏组件封装用共聚烯烃胶膜》 （T/CPIA 0006—2017）标准[8]进行测试，取平均值。
熔融指数（MI）是反映树脂流动性能的重要指
标，MI越高，树脂的流动性能越好，越有利于加工。由图1可知，在相同温度和层压时间下，MI越高，流动性越好，POE分子链段和自由基碰撞速率越快，故交联度越高。可见在其他条件相同时，熔融指数在一定程度上影响POE胶膜的交联度。
2 结果与讨论
2.1 不同POE胶膜的交联度
POE是非极性分子结构，通过化学交联形成网状结构，可有效提高其力学性能和耐老化性能[9]。层压固化条件的温度和时间均影响交联度。《光伏组件封装用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）胶膜》 （GB/T29848—2018）标准
[10]
图1 不同POE胶膜的交联度
要求EVA胶膜交联
2.2 不同POE胶膜的透光率
不同POE胶膜的透光率如表2所示。
表2 不同POE胶膜的透光率
样品号 A B C
透光率/% 91.60 91.12 91.73
度≥75%，行业内一般层压固化条件140 ℃、20 min即可达到国标要求。但POE分子属于非极性分子，导致在相同条件下层压固化，其交联度低于极性的EVA胶膜。《光伏组件封装用共聚烯烃胶膜》 （T/CPIA 0006—2017）标准要求交联型共聚烯烃胶膜的交联度≥60%。目前行业内POE胶膜的层压固化条件一般为145 ℃、20 min，图1是在此条件下不同POE胶膜交联度变化趋势，A样品交联度75.1%相对最大。
由表2可知，POE胶膜在200~1 100 nm波长范围内透光率均在91%~92%之间，差异不大。可见材
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第51卷第12期 周雪梅：熔融指数对POE胶膜的影响 1693
料的透光率主要由材料的结晶性能决定，而结晶性是由材料内部分子规则性和分子之间的对称性决定，材料的流动性能对材料的结晶性能无影响，故POE胶膜透光率不随熔融指数变化，由材料的本体结构决定。
体积电阻率相对最小1.13×10 Ω·cm。从以上结果可以看出，熔融指数越高，交联度越高，分子间的网状结构越致密，胶膜的绝缘性能越好，体积电阻率越高。
2.5 不同POE胶膜的耐老化性能
光伏组件在户外使用过程中，会经历风吹日晒
雨淋，故对耐候性能有较高的要求。POE胶膜具有
优异的水汽阻隔能力和粒子阻隔能力，水汽透过率
仅为EVA胶膜的1/8左右，由于分子链结构稳定，
老化过程不会分解产生酸性物质，导致其具有优异
的抗老化性能，是高效高可靠光伏封装胶膜的首先
材料 [11]。不同POE胶膜湿热和紫外老黄变指数如
表3所示。由表3可知，不同熔融指数的POE胶膜
湿热老化黄变指数在0.5~1.0之间，紫外黄变指数
在0.1~0.3之间波动，老化性能差异不大。这是由
于影响POE胶膜耐老化性能内因主要是POE胶膜
的物理结构，由凝聚态结构以及配方条件决定，而热、氧、阳光以及湿汽是引起高分子材料老化的外在因素[12]。由于实验过程中POE胶膜仅熔融指数不同，其他条件均相同，故耐老化性能相差不大。
表3 不同POE胶膜湿热和紫外老黄变指数
样品号 A
湿热老化黄变指数
0.70 0.62 0.84
紫外老化黄变指数
0.19 0.24 0.14
15
2.3 不同POE胶膜的剥离强度
POE胶膜的黏结性能如图2所示。A的剥离强
-1-1
度为209 N·cm，B的剥离强度为145 N·cm，C的
-1
剥离强度为211 N·cm，可见POE胶膜的剥离强度不随MI线性变化。由于POE本身的结晶度高、相对分子质量很大，分子链不易运动和扩散，其表面分子排列非常精密，孔隙率低[6]。在一定范围内随着MI增大，表面能增大，剥离强度增加。但MI减小到一定范围，材料表面能虽然降低了，材料的本体强度却随之增大，所以POE胶膜的剥离强度也会增大。
图2 不同POE胶膜的剥离强度
B C
2.4 不同POE胶膜的体积电阻率
不同POE胶膜的体积电阻率如图3所示。由图3可知，体积电阻率的变化趋势和交联度趋势相同，随着熔融指数的降低，POE胶膜的体积电阻率随之降低。
图3 不同POE胶膜的体积电阻率
A的体积电阻率相对最大5.8×10 Ω·cm，C的
15
2.6 不同POE胶膜的抗PID性能
PID全称电势诱导衰减，PID效应使得大量电荷聚集在电池表面，使电池表面钝化失效，从而导致电池组件的功率骤降[13]。组件的封胶胶膜EVA材料无法做到100%绝缘，使用过程中，水汽透过硅胶板、背板等渗透到组件内部，EVA材料遇水后发生分解，从而产生只有移动的醋酸和玻璃表面析出的碱反应后，会形成钠离子[14]，在外加电场作用下，向电池片表面移动，聚集到电池表面的减反射层从而导致PID现象的发生。PID现象导致光伏电站发电效率降低，使用寿命缩短，严重影响了光伏电站的运营效率，故目前各组件厂对抗PID性能愈发重视，其已成为衡量组件质量和电站寿命的重要性能指标。
将样品A、B和C分别在相同条件下用来封装光伏组件，然后测试其抗PID性能，结果如图4所示。由图4可知，这3款POE胶膜均具有优异的抗
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PID性能，96 h抗PID性能均小于0.5%。同时发现熔指越高POE胶膜的抗PID性能相对越好，样品A抗PID衰减仅0.27%，这是由于A的交联度和体积电阻率最高，其致密性和绝缘性能相对最好，可减少电荷聚集到电池表面的减反射层，从而降低电势诱导衰减。
极作用，生产上可以利用该特点，有针对性地选择熔融指数来提高产品某方面性能。
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3 结 论
采用精细共混、陈化以及熔融共挤流延法制得
不同熔融指数下的POE胶膜，指出熔融指数对交联度、体积电阻率、剥离强度和抗PID性能均有影响，对透光率和耐候性能影响较小。用3种不同熔融指数POE粒子制成的POE胶膜实验中，得出熔指最大的A样品其交联度、体积电阻率、抗PID性能最好。这说明熔融指数不仅影响生产的加工性能，对产品交联度、体积电阻率、抗PID性能也产生了积
Influence of Melt Index on Properties of POE Films
ZHOU Xue-mei （Zhejiang Lichang Technology Co., Ltd., Wenzhou Zhejiang 325016, China）
Abstract: Based on ethylene-a-olefin copolymers (POE) with different melt indices, it was finely blended with 2-ethylhexyl peroxide tert-butyl carbonate crosslinking agent, triallyl isocyanurate co-crosslinking agent, vinyl trimethoxysilane coupling agent and light stabilizer, antioxidant, ultraviolet light absorber according to the same formula, and then different POE films were prepared by casting film method. The research results showed that the POE film sample A prepared by POE resin with a melt index of 30 g·(10min)-1 had the best comprehensive performance. With the decrease of melt index, the degree of cross-linking and volume resistivity of POE film decreased, but the light transmittance, peel strength and aging resistance did not show this rule. Secondly, the anti-potential-induced attenuation performance of photovoltaic modules encapsulated with A sample was relatively best, which was beneficial to the improvement of photovoltaic power station benefits.
Key words: Photovoltaic module; POE film; Degree of cross-linking; Light transmittance; Peel strength; Volume resistivity
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