光伏组件用脱醇型RTV-1硅酮密封胶的制备及性能影响因素研究

孙明辉 刘海涛

（1.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510700；2.国家橡塑密封工程技术研究中心，广东 广州 510530）

光伏组件用脱醇型RTV-1硅酮密封胶的制备及性能影响因素研究

孙明辉1，2， 刘海涛1，2

（1.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510700；2.国家橡塑密封工程技术研究中心，广东 广州 510530）

采用烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷制备了一种脱醇型光伏组件用RTV-1硅酮密封胶，探讨了交联剂含量、催化剂类型和用量以及偶联剂类型和用量对该光伏胶表干时间、深层固化、贮存稳定性、耐黄变性能和粘接性能等的影响。结果表明，交联剂质量分数在2%左右时，具有较佳的固化速率、贮存稳定性和挤出施工性能；选用有机锡螯合物作催化剂且添加量在3‰左右时，能够获得良好的固化速率，且贮存性能稳定；使用KH-540和KH-590复配型偶联剂，对电池组件材料具有良好的粘接和抗黄变性能。

光伏组件；脱醇型；硅胶

太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，近年来得到迅速发展，我国在太阳能发电及组件生产、出口等方面走在世界前列。

为了防止空气中的水和氧气进入太阳能光伏电池组件、造成组件中的硅电池片氧化，导致硅电池片转换率降低，必须对光伏电池组件的边框的间隙采用粘接密封性和耐候性良好的密封胶进行密封，在电源转换盒（即接线盒）壳体四周也必须采用密封胶进行粘接固定密封，以保护线路板，延长使用寿命[1]。

光伏组件的发电寿命一般设计为25～30年，在此期间，要经受曝晒、风吹、雨和雪等恶劣的气候环境，要满足如此严苛的使用条件，具备卓越的耐紫外光和耐大气老化性能的有机硅材料是不二选择。此外，对光伏组件厂商而言，要结合现场施胶及使用环境，选择与各种光伏组件用材料相容性好，没有不良反应，深层固化较快，贮存性能稳定的有机硅密封胶，双85实验测试1 000 h后不脱胶，不龟裂，不黄变等。

从机理上，脱醇型有机硅密封胶因其与光伏电池组件所用的其他材料具有良好的相容性及低毒性更适合光伏电池组件使用[1]。但是目前绝大多数脱醇型硅酮密封胶是以α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷（107 胶）为基础聚合物，甲基三甲氧基硅烷为交联剂，钛络合物为催化剂，配上填料与其他助剂制备而成。该制备方法存在深层硫化速率慢，使用的钛络合物容易导致黄变，生产过程中会出现黏度高峰，制备的密封胶贮存性较差等诸多缺点[2]。因此，从贮存稳定以及深层固化较快的优点出发，现在光伏组件厂一般还是使用脱酮肟型有机硅密封胶用于组件的边框密封和接线盒粘接。然而，脱肟型有机硅密封胶在光伏组件中的局限性也是显而易见的，比如，其硫化时放出的小分子为丁酮肟，丁酮肟对铜、铅和锌等金属有腐蚀作用，在太阳能组件中使用时会对镀锡铜条产生腐蚀（如果密封胶与镀锡铜条接触）。另外，丁酮肟对聚碳酸酯（PC）也有腐蚀作用，使材料出现裂纹，所以不能用于PC 材质的接线盒。此外，对于光伏电池组件厂来说，生产车间是密闭、防尘的，丁酮肟会富积在生产环境中，对生产及管理人员健康的影响也必须引起重视[1]。

基于对光伏用有机硅胶的理解，特别是目前主要使用的脱酮肟型光伏胶的弊端以及普通脱醇型硅胶的技术局限，本研究使用烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷代替羟基封端的聚二甲基硅氧烷（107胶）开发一种脱醇型光伏组件用硅酮密封胶，与普通脱醇型硅胶相比，聚合物进行烷氧基封端后，贮存稳定性有较为明显的提高[3]，试验着重讨论了密封胶的关键助剂（交联剂、催化剂和偶联剂）对光伏用胶关键性能如固化速率、耐黄变和粘接性等的影响。

1 实验部分

1.1 实验试剂

双甲氧基封端聚二甲基硅氧烷（黏度为5 600～6 700 mPa·s），自制；补强填料纳米碳酸钙（KS-80，平均粒径80 nm），广东凯恩斯纳米科技有限公司；阻燃填料氢氧化铝，佛山市维科德材料科技有限公司；甲基三甲氧基硅烷（MTMS），新蓝天化工有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷（VTMO），新蓝天化工有限公司；钛络合物（Tyzor-726），广州坚毅化工有限公司；γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH-540）、γ-β-（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH-792）、3-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷（KH-560），武大有机硅新材料有限公司；γ-巯丙基三甲氧基硅烷（KH-590），荆州江汉精细化工有限公司；二月桂酸二丁基锡（D-80），湖北新蓝天新材料有限公司；有机锡螯合物（KRA-1），常州凯瑞化学科技有限公司；钛白色浆，锐钛型钛白粉与黏度为500 mPa·s的二甲基硅油按一定比例自制；EVA胶膜（SVECK），常州斯威克光伏新材料有限公司。

1.2 实验仪器

KXJ-2型行星搅拌机，广州市浦林日化装备有限公司；电子万能试验机，深圳三思纵横科技有限公司；DV-II+Pro型Brookfield旋转黏度计，广州市东南科创科技有限公司；聚四氟乙烯固化深度测试板，自制。

1.3 RTV-1硅酮密封胶的制备

将自制双甲氧基封端的聚二甲基硅氧烷、纳米碳酸钙、氢氧化铝、钛白色浆加入到带有加热装置的行星机中，调整一定的转速分散均匀后，以120 ℃的温度边搅拌边真空脱水5 h，冷却至室温。

将冷却后的基胶，在一定条件（真空或充氮）下依次加入除水剂（VTMO）、交联剂（MTMS）、有机锡螯合物催化剂和复配偶联剂等助剂，按照一定搅拌速率和搅拌时间充分混合后制得RTV-1硅酮密封胶，用300 mL PE管包装。

1.4 性能测试

（1）表干时间：按GB/T 13477.5—2002标准中的B法进行测试（将胶样挤出后，静置一段时间，用手指轻触至试样不黏附在手指上所经历的时间）。

（2）消黏时间：胶样挤出后，静置一段时间，用手指轻触时，试样表面完全光滑干燥所经历的时间.

（3）挤出率：将密封胶在（23±2）℃环境下，用直径为2.0 mm的胶嘴在0.5 MPa的压力下挤出，记录1 min的出胶质量（g）。

（4）旋转黏度：胶样在（23±2）℃环境下放置24 h以上，使用DV-II+Pro型Brookfield旋转黏度计的7#转子，测得转速为2 r/min时胶样的旋转黏度（mPa·s）。

（5）深层固化速率：采用固化深度测试板检测样品在标准条件下[温度为（23±2）℃；相对湿度为55%]固化24 h的固化深度d（mm）。

（6）拉伸粘接强度：按GB/T 13477.8—2002 标准，采用电子万能试验机进行测试。

（7）断裂伸长率：按GB/T 528—1992标准，采用电子万能试验机进行测试。

（8）贮存性能：采用加速老化试验来表征（老化条件为70 ℃/7 d，用老化后的表干时间较初始表干时间的变化来表征，一般情况下，老化后表干时间较初始表干时间的变化越小，说明贮存稳定性越好，从经验值来看，老化后表干时间延长在1倍以内，贮存期可达180 d以上）。

（9）耐黄变性能：采用高温加速黄变的方式来测试（将常温下固化7 d的胶条，置于180 ℃的烘箱内高温烘烤5 h，观察其黄变程度，并用0～6级黄变级数表示其黄变程度，级数越高，黄变程度越严重）。

2 结果与讨论

2.1 交联剂含量对密封胶性能的影响

交联剂甲基三甲氧基硅烷（MTMS）含量对密封胶性能的影响如表1所示。由表1可知：交联剂含量对密封胶性能的影响非常显著。不添加交联剂或交联剂不足时，会出现制胶过程的增稠或加速老化时的增稠，贮存稳定性下降。当交联剂足量时，表干时间、消黏时间、挤出性与交联剂含量大体呈现一定的正相关性，深层固化速率与交联剂含量大体呈现一定的负相关性。

在密封胶体系中，若烷氧基官能团数量相对于羟基已过量，则交联剂含量越多，烷氧基官能团就越多，在固化时，表面层的烷氧基也就越多，这些烷氧基在水分子作用下完成全部彼此交联需要的时间就越长，因此表干时间和消黏时间就会越长。此外，密封胶在固化时由于必须要有水参与，因此是由外到内慢慢固化的。此时，如果把待固化的胶体由外到内分为无数个“微薄层”，同理，每个微薄层内的烷氧基数目越多，在由外到内入侵水分子的作用下，每个微薄层内的烷氧基需要完成固化的时间就越长，深层固化就越慢。

表1 MTMS含量对密封胶性能的影响Tab.1 Effect of MTMS content on sealant performance

此外，交联剂作为小分子物质，在未固化时，能够对胶体起到稀释润滑作用，因此，交联剂越多，挤出性相对越好。

综合来看，w（交联剂）=2%左右时，密封胶具有较佳的固化速率、贮存稳定性以及挤出作业性能。

2.2 催化剂对密封胶性能的影响

考查了D-80和KRA-1对密封胶表干时间，消黏时间以及贮存稳定性的影响，结果如表2所示。

表2 催化剂对密封胶性能的影响Tab.2 Effect of catalyst on sealant performance

由表2可知：同等的添加量，使用KRA-1的表干时间和消黏时间要明显快于使用D-80，特别是对消黏时间的影响更为显著，说明KRA-1的催化活性要明显高于D-80。从光伏用胶的角度看，市场一般认可表干时间在5～15 min，消黏时间在30 min以内，因此，本研究选择KRA-1作为主催化剂，添加量w（KRA-1）=3/‰较适宜。

加速老化试验也表明，使用该催化剂时，密封胶的贮存稳定性能良好。

2.3 偶联剂对密封胶性能的影响

光伏组件中密封胶需要接触和粘接的材料不只是玻璃和铝材，还包括接线盒（PPO材质）、电池背板（TPT、TPE和KPK等）、导线及导线外皮、汇流条（镀锡铜带）、导电膜和夹胶片（PVB、EVA）等[4]。这对密封胶的粘接性和相容性提出了较高的要求，密封胶既要能粘接多种材料，又不能与任何一种材料产生不良的物理化学反应。本研究考查了含有不同官能基团的偶联剂对密封胶性能以及光伏材料相容性的影响，结果如表3所示。

表3 偶联剂对密封胶性能的影响Tab.3 Effect of coupling agent on sealant performance

由表3可知：添加了带有氨基官能团的KH-540和KH-792的胶样，其表干时间和消黏时间明显缩短，深层固化明显加快，但耐黄变性不如含有环氧基的KH-560和含有巯基的KH-590，其中KH-792的耐黄变性能相对最差；在对光伏组件材料的粘接性方面，双氨基官能团的KH-792以及KH-540和KH-590复配物的粘接效果相对最好，KH-540次之。综合来看，选择KH-540和KH-590复配物作硅烷偶联剂时，密封胶性能相对最优。

3 结论

（1）交联剂含量影响脱醇型太阳能光伏组件用硅胶的挤出性、表干时间、深层固化速率和贮存期等性能。交联剂不足时，会出现制胶过程的增稠或加速老化时的增稠，贮存稳定性下降；交联剂足量时，表干时间、消黏时间、挤出性与交联剂含量大体呈现一定的正相关性，深层固化速率与交联剂含量大体呈现一定的负相关性。

（2）KH-540对光伏组件材料的粘接效果较好，且能缩短表干时间，提升固化速率，但耐黄变性能稍差，与KH-590配合使用，能够得到相对最佳的综合性能。

[1]陈思斌,王兵,宋立芝,等.太阳光伏组件用有机硅粘接密封胶的分类与选用探讨[J].有机硅材料,2011,25(6):394-396.

[2]王轲,杨紫燕,徐晓明.单组分脱醇型密封胶的研制[J].有机硅材料,2014,28(4):277-280.

[3]黄文润.单组分室温硫化硅橡胶的配置(七)[J].有机硅材料,2003,17(4):39-44.

[4]张冠琦,曾荣.光伏建筑用硅酮密封胶[J].中国建筑防水,2010,27(14):16-19．

Preparation and properties of dealcoholized type RTV-1 silicone sealant used for solar PV modules

SUN Ming-hui, LIU Hai-tao
(1.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510700, China;2.National Engineering Research Center of Rubber and Plastic Sealing, Guangzhou, Guangdong 510530, China)

Using the alkoxy-terminated polydimethylsiloxane a dealcoholized type RTV-1 silicone sealant for solar PV modules was prepared. And the effects of the crosslinker content, type and content of the catalysts as well as type and content of the coupling agents on the tack free time, curing rate, storage stability, yellowing resistance and bonding properties were discussed. The results showed that when the crosslinker content was about 2.0 phr, the sealant had better curing rate, storage stability and extruding workability; when the content of organotin chelate as the catalyst was about 3‰,the sealant had better curing rate and storage stability. In addition, it showed that the sealant had better yellowing resistance and adhesion properties to different substrates for the solar PV modules when KH-540&KH-590 were used as the compound coupling agent.

solar PV modules; dealcoholized; silicone sealant

TQ436+.6

A

1001-5922（2017）11-0040-04

2017-05-31

孙明辉（1982-），男，硕士，主要从事工业用有机硅密封胶产品的研究开发。E-mail：sunmh33@126.com。