粉末涂料在光伏领域的应用研究测量工具
文章来源：沪马机械网 | 2022-06-26
粉末涂料在光伏领域的应用研究
摘要：本文主要讨论了一种基于GMA丙烯酸体系的新型丙烯酸粉末涂料以及它在光伏面板组件中的应用。这种丙烯酸粉末的透光率达到94%，透明度堪比玻璃。170℃20分钟能够完全固化成型这种粉末具有优异的耐候性能和耐湿热性能，3000小时UVB照射后色差小于1.5，保光率大于95%，达到户外20年的耐候级别，湿热1000小时后的色差小于1.5，保光率大于90%。这种新型的粉末涂料在粉末涂料界，无论是原材料上，技术上，工艺上，还是应用上，都是一次全新的尝试，是对粉末涂料的研发，制造，性能和应用的重大突破。
0
引言
在当前社会，能源矛盾与环境问题越来越凸显，发展各类清洁能源是必然趋势。近年来，光伏行业快速发展，技术更新逐步加快，目前光伏行业正向产品多元化发展，高可靠性、高功率、低安装成本的各种功能组件研究开发已成为光伏组件发展的一种方向。
传统玻璃光伏组件其重量每平方米达到10kg以上，加上安装支撑结构，光伏组件每平方米的重量至少达到12kg以上。当其应用在建筑物顶部或墙面等场合中，对光伏组件的支撑结构提出了较高的要求，增加了工程建设难度以及安装的成本，具体表现为：在建筑物顶部或墙面安装过程中，存在重量重，安装劳动强度大，实施困难；特别在有一些场合由于建筑承重载荷的限制，导致无法安装光伏组件。
因此，有必要寻求一种光伏组件用新型封装材料来解决现有光伏组件封装结构中存在的封装材料重量重的问题。此新型材料应具有重量轻，易折弯，不易破碎等优点，同时又满足抗紫外、抗老化、抗冲击、防火等光伏行业技术标准的要求。
图1 封装材料结构示意图
粉末涂料作为一种很成熟的工业涂料，已经有几十年的历史。粉末涂料是不含溶剂的100%固体粉末状涂料，由成膜树脂，助剂，颜料，填料等原材料经过混合、挤出、粉碎、磨粉、过筛而成。涂装施工时由静电喷涂和烘烤成膜。具有无溶剂、无污染、可回收、环保、节省能源和资源、减轻劳动强度和涂膜机械强度高等特点。将粉末涂料不经过喷涂成膜而是直接通过热压成型，制成透明、耐候、耐水、耐化学品，而又柔软轻薄的封装材料，替代传统的玻璃，是一个很好的选择。但是普通粉末涂料的耐候性能，力学性能，对太阳能背板的附着力，耐湿热性能，都无法满足太阳能面板应用的需要，并且成本明显高于现有的玻璃产品，这些对粉末涂料的研发和制造提出了更高的要求。
经过多次论证和前期理论研究，我们决定采用丙烯酸体系来开发这个产品。丙烯酸粉末涂料透明度高，耐候性好，耐化学性能好，浸润性好，反应活性高等优点，可以符合太阳能行业的要求。由于市面上的绝大多数粉末涂料用丙烯酸树脂都是针对于汽车轮毂行业的，其耐候性，耐化学品性，反应活性等均不符合太阳能行业的要求。我们联合国内专业丙烯酸树脂供应商，为太阳能行业特别开发了专用的丙烯酸树脂。然后通过树脂和固化剂比例的控制，催化剂的选择，助剂的选择，找到最优配方。并且通过控制喂料速度，挤出温度，螺杆转速，磨的转速等生产工艺参数，生产出质量稳定，产率高的产品。这在粉末涂料界，无论是原材料上，技术上，工艺上，还是应用上，都是一次全新的尝试，是对粉末涂料的研发，制造，性能和应用的重大突破。
经过我们的不懈努力，丙烯酸产品已经通过客户稳定批量生产，客户使用后反馈性能稳定，各项性能指标都能满足光伏行业的封装标准要求。其中透光率达到94%，170℃下能够完全固化成型，3000小时UVB照射后色差小于1.5，保光率大于95%，达到户外20年的耐候级别，湿热1000小时后的色差小于1.5，保光率大于90%，急冻测试和冷热循环测试后的力学性能均达到光伏行业要求。
1
实验部分
1.1 主要原料
光伏组件用丙烯酸树脂，十二烷二酸（英威达DDDA），粉末涂料通用助剂(流平剂、脱气剂、促进剂)。
1.2 实验仪器
双螺杆挤出机（型号SLJ-25）： 山东凌宇通用设备有限公司； 高速粉碎机： 上海鼎广机械设备有限公司； 高压静电喷枪（PG-1-B 2）： 金马涂装（上海）有限公司； 高温烘箱（UT12）：Heraeus；DSC差示扫描量热仪（Q20）： TA沃特世科技有限公司； 圆锥弯曲试验仪（QTZ）：BYK； 冲击性能测定仪（5512）：BYK；杯突性能测定仪（PF-5405）：BYK； 氙灯老化仪(CI4000)：阿美特克Ametek； 紫外光老化仪(QUV/SE)：阿美特克Ametek； 恒温恒湿机（AHL-100）：精佳仪器。
表1 测试项目和测试标准
1.3 光伏组件用丙烯酸粉末的制备
称取树脂、固化剂、各种助剂进行预混合，熔融挤出，冷却破碎，粉碎，喷板，然后放入烘箱内固化，固化条件：170℃, 20min。胶化时间和斜流测试都在170℃下进行。
2
结果与讨论
光伏组件用丙烯酸树脂是GMA型的丙烯酸树脂，这种树脂具有透明度好，反应活性大，粘度低等优点，非常符合太阳能光伏面板的应用需求。透明度方面，客户使用结果表明，丙烯酸粉末层压出来的组件透明度相当高，透光率达到94%，跟光伏常规玻璃面板的透光率一致，光电转化效率也跟常规玻璃组件无异。由于光伏组件里面还有其他组分，这些组分不耐高温，当层压温度高于170℃以后，这些组分便开始不稳定并分解，所以用于光伏组件的粉末涂料体系必须能够在170度以下固化成型。光伏组件用丙烯酸粉末在170℃20分钟的固化条件下可以完全固化成型，170℃的胶化时间大约在270秒左右，反应速度较快。同时粉末又必须跟其他组分之间有很好的相容性，结合力和浸润性，使得组件不会在使用过程中脱开。这个用于光伏组件的丙烯酸粉末在170℃下具有很好的流动性，斜流长达230毫米，可以很好的浸润和包覆基材。光伏组件用丙烯酸粉末具有比较好的机械性能，固化以后有一定的弯曲性和韧性，能够让组件应用于不同的建筑物外立面上，大大拓展了光伏组件的应用范围。
表2 光伏组件用丙烯酸粉末的基本性能
太阳能光伏应用对光伏组件的耐候要求非常的高，因为组件需常年经受太阳的暴晒，特别是在那些光能丰富的地区，如沙漠，戈壁，太阳暴晒时间长，强度大，如果没有优异的耐候性能，组件在短时间内就会透明度下降，失光，变黄甚至粉化。光伏组件用丙烯酸粉末具有非常优异的耐候性能，在1500小时UVB照射之后，色差小于0.5，保光率接近100%，这已经优于市面上绝大部分的丙烯酸粉末，包括汽车用丙烯酸粉末。在3000小时的UVB照射之后，色差小于1.5，保光率仍然接近100%，这已经达到了氟碳粉末的耐候性能，高于市面上所有的丙烯酸类产品。
表3 光伏组件用丙烯酸粉末的耐候性能-UVB测试
氙灯测试也表明，在1500小时氙灯照射之后，色差小于0.5，保光率接近100%，性能优异。在3000小时氙灯之后，色差仅为1左右，保光率仍然高于90%，也接近氟碳粉末的性能。综上所述， 这个产品可以满足太阳能光伏应用的20年户外的耐候要求。
表4 光伏组件用丙烯酸粉末的耐候性能-氙灯测试
太阳能光伏面板需放置在室外常年的风吹雨淋，特别是在夏天，湿度大，气温高，所以光伏面板组件对耐高温高湿的要求也非常高。通常的粉末涂料体系，如聚酯类的，耐湿热性能都不太好，特别是变色问题，通常在高温高湿测试之后，涂膜黄变严重。丙烯酸体系本身就具有良好的耐湿热性能，而这个光伏组件专用丙烯酸树脂又是经过特殊设计，在单体选择和合成工艺上都避免了会引起湿热黄变的因素。另一方面，在粉末涂料的配方设计中也避免引入容易黄变的原材料，使得这个粉末耐湿热性能相当优异。在85℃，85%相对湿度的条件下储存1000小时后色差仅为1.3，保光率95%左右，远远优于聚酯等其他体系，并且也优于绝大部分丙烯酸体系的产品。
表5 光伏组件用丙烯酸粉末的耐湿热性能
3
结语
基于GMA丙烯酸体系的粉末涂料在各个方面都适用于光伏面板组件的应用。170℃下能够完全固化成型，可以满足光伏组件不能高温加工的要求。透明度好，透光率达到94%，跟玻璃一致。
光伏组件用丙烯酸粉末具有良好的耐候性能和耐湿热性能。3000小时UVB照射后色差小于1.5，保光率大于95%，达到户外20年的耐候级别，湿热1000小时后的色差小于1.5，保光率大于90%，可以满足太阳能面板行业对耐候和耐湿热的苛刻要求。
传统粉末涂料应用于太阳能光伏行业，无论从原材料上，技术上，工艺上，还是应用上，对于粉末涂料来说，都是一次全新的尝试，是对粉末涂料的研发，制造，性能和应用的重大突破。这种跨界的拓展给粉末涂料这个传统行业注入了新的活力，也给了很多很好的启示，也许粉末涂料这种材料完全可以在涂料之外的领域也取得很好的应用，对于粉末涂料的应用范围和应用领域，我们必将重新思考，积极探索，努力开拓。