环保喷涂型光伏组件用双组分室温硫化阻燃密封材料的制备

周震宇 宋 鑫 李朝红

安徽中意胶带有限责任公司 （安徽淮北 235047）

随着传统化石能源的日益枯竭以及环境污染问题的日趋严重，太阳能等能源作为可再生的清洁绿色新能源，已经成为能源领域开发利用的研究热点，太阳能光伏发电产业自20世纪80年代以来持续高速发展。所谓太阳能光伏发电系统是指利用太阳能电池的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。太阳能电池板（光伏组件）简称PV组件，是太阳能光伏发电系统的核心部件之一。它是由预先排列好的一组晶体硅电池，被层压在超薄、透明、高强度玻璃和密封底层之间而构成。若将晶体硅电池直接暴露在大气中，受到光、热、雨、雪等环境因素的影响，晶体电池的转换效率和使用寿命会大幅度降低。因此，需采用合适的封装系统将其封闭。目前我国光伏组件用密封材料主要依赖进口，国内厂家生产的封装材料普遍存在储存稳定性差、固化时间长、使用寿命短、阻燃性能不好等缺点。针对此种情况，安徽中意胶带有限责任公司开发了一种环保可喷涂型光伏件用双组分室温硫化硅橡胶，各项性能符合GB/T 29595—2013《地面用光伏组件密封材料 硅橡胶密封剂》的要求。

1 实验

1.1 主要原材料及设备

羟基封端聚二甲基硅氧烷（107胶），广州市白云化工实业有限公司；纳米碳酸钙 （SHENGKE-108），山东海泽纳米材料公司；MQ硅树脂 （XV-7080），济南鑫硕化工有限公司；甲基硅油（201），济南瑞元化工有限公司；硅氮烷低聚物（KH-CL），中国科学院化学研究所；二醋酸二丁基锡（D-70），湖北新蓝天新材料股份有限公司；缩水甘油基硅烷（kh560），江莱生物科技有限公司。

SM260三辊研磨机，莱州市胜龙化工机械有限公司；iL-20HV真空脱泡机、HM300S高速分散机，绵阳世诺科技有限公司；JHPK-H3500喷涂机，北京京华派克聚合机械设备有限公司；SS-8600电子万能试验机，台湾松恕检测仪器有限公司；NDJ-1黏度计，上海昌吉地质仪器有限公司；ZC46A高阻计，上海精密仪器仪表有限公司；ZJC电压击穿强度试验仪，北京中航时代仪器设备有限公司。

1.2 制造工艺

（1）将羟基封端聚二甲基硅氧烷、纳米碳酸钙、MQ硅树脂、甲基硅油按重量份数加入高速分散机中混合60 min，混合均匀后通过三辊研磨机研磨3遍，然后在温度115℃和真空度0.08 MPa的条件下脱泡90 min，制成A组分，灌装入一定容量的容器中备用；

（2）将硅氮烷低聚物（KH-CL）、二醋酸二丁基锡、羟基硅油、缩水甘油基硅烷按比例加入高速分散机中混合45 min，混合均匀后通过三辊研磨机研磨3遍，然后在真空度 0.08 MPa的条件下常温脱泡60 min，制成B组分，在氮气的保护下灌装入一定容量的容器中备用。

1.3 喷涂工艺

（1）计量混合：将A、B两组分分别经过自动计量和加压输送泵，按 m（A）︰m（B）=10︰1准确计量，并以一定的压力，分别送入喷枪的混合室。

（2）喷枪喷涂：以一定压力混合的A、B两组分，在混合室经相互撞击混合均匀，雾化后喷涂在施工面上，极快速地固化成型。

2 结果与讨论

2.1 基胶的选用

常用基胶为甲基双苯基硅氧烷及羟基封端聚二甲基硅氧烷。甲基双苯基硅氧烷耐低温性好于羟基封端聚二甲基硅氧烷，但与材料粘接时表面必须清理干净，且黏和强度低于羟基封端聚二甲基硅氧烷。羟基封端聚二甲基硅氧烷具有耐候性良好、固化速度快、黏合强度高等特点，因而是生产双组分室温硫化密封材料的首选基胶。

2.2 阻燃补强剂的选用

纳米碳酸钙可部分替代炭黑和白炭黑作为补强填料，具有填充量大，补强、增白效果好，加工性能好等特点，且价格低廉，因此可以降低生产成本，提高经济效益。纳米碳酸钙的用量及其粒径大小对室温硫化橡胶的补强作用有较大影响，具体分别见表1、表2。

表1 不同份数纳米碳酸钙补强效果（其他成分份数不变）

表2 不同粒径纳米碳酸钙（80份）补强效果（其他成分份数不变）

通过表1可以看出：当纳米碳酸钙用量低于80份时，其补强效果较纯胶提高较小；达到80份后，填充胶的力学性能有大幅提高；纳米碳酸钙用量继续增加，补强效果开始有所下降。这是因为：当纳米碳酸钙填充量较低时，填充胶的黏度增加幅度较小；当填充量增加到80份时，胶体黏度陡增，黏度的增加有利于纳米粒子团的分散，从而以较小的尺度均匀分散。因此，纳米碳酸钙用量选择80份。

通过表2可以看出，碳酸钙粒径越小，粒子比表面积越大，不仅微粒的活性提高，且其与橡胶的接触面积增大，提高了粒子与橡胶分子的结合力，从而使补强效果越好。所以，选择直径为60 nm的碳酸钙。

2.3 增强改性剂的选用

硅树脂可以用作双组分室温硫化胶黏剂的一种有效增强改性剂。MQ硅树脂是由单官能硅氧单元（R3 SiO1/4,简称 M）和四官能硅氧单元（SiO4/2，简称Q）组成的一种聚硅氧烷。硅橡胶具有多种优异性能，但其力学性能很差，因此需要用填料进行增强。用MQ硅树脂增强硅橡胶，胶料的黏度变化很小。MQ硅树脂要达到一定用量才会起到补强效果，随着其用量增加，硅橡胶交联密度增大，网络结构趋于完善，力学性能提高，但用量过多时，交联密度过大，交联点分布不均，外力作用下使薄弱部分断裂，拉伸强度降低。其用量对产品性能的影响见表3。

表3 硅树脂用量对产品性能的影响（其他成分份数不变）

综合考虑硅橡胶的力学性能，硅树脂用量选12份为宜。

2.4 增塑稀释剂的选用

为了改变产品的黏度，选择甲基硅油或苯基硅油作为增塑稀释剂，起到降低产品黏度、改善树脂渗透性的作用。甲基硅油是应用最广泛的硅油，具有热氧化稳定性好、黏度变化小、电绝缘性好、起泡性低等特点，特别适用于高度耐寒的场合，在液压、仪表、电气绝缘和化妆品方面有广泛的应用。

实验中，增塑稀释剂选用甲基硅油，黏度控制在200～300 mPa·s。

2.5 交联剂的选用

使用含3个以上Si-N键的硅氮低聚物 （KHCL）作为硫化剂，Si-N键在低浓度的有机锡盐催化作用下，与羟基封端聚二甲基硅氧烷的硅羟基发生缩合交联反应，其配制的双组分有机硅胶黏剂在粘接金属（不锈钢、铝、钛合金、铜等）及硅橡胶时，黏接表面不需要用底胶进行处理，且对以上材料的室温拉伸强度超过2.0 MPa，使黏合强度大幅度提高。交联剂用量对材料固化程度的影响见表4，材料老化后的拉伸强度见表5。

表4 KH-CL交联剂用量对固化程度的影响（其他成分份数不变）

表5 不同温度老化（200 h）后的拉伸强度（30份交联剂）

由表4可见：当交联剂用量为20份时，硅树脂固化不完全；当用量为30份时，凝胶量已达到90%左右，硅树脂已基本固化完全。所以交联剂用量选用30份。由表5可以看出，双组分室温硫化硅橡胶的热稳定性由由原来的200℃提高到350℃。

2.6 催化剂和催化剂载体的选用

催化剂主要使用有机锡化合物和有机钛化合物。钛催化剂与硅橡胶混合时，钛与羟基的氢键作用使黏度急剧增加，工业上使用强搅拌利用机械力打断氢键使黏度降低，但增加了生产时间；而有机锡因空间位阻与硅橡胶反应相对温和。因而，催化剂选用二醋酸二丁基锡，其用量对产品性能的影响如表6所示。为了更好地控制硅橡胶的结构，选用黏度为20～50 mPa·s的羟基硅油作为催化剂载体。

表6 催化剂用量对表干时间和固化速度的影响（其他成分份数不变）

由表6可以看出：当催化剂用量为5份时，表干时间和固化速度较慢；当催化剂用量为9份时，表干时间和固化速度较快，但流动性变差；当催化剂用量为7份时，能够获得较好的综合性能。因此，选择催化剂用量为7份。

2.7 黏附促进剂的选用

缩水甘油基硅烷在胶接工艺上是一种比较新的配合剂，它能大幅度提高黏合剂的湿润性能，降低黏合界面的表面张力，不仅使原来不黏或难黏的材料之间的黏合强度得到提高, 也使其耐老化性能及韧性大大提高，而且毒性小。选择烷氧基缩水甘油基作黏附促进剂制备光伏组件密封剂，无需底涂就可使粘接强度超过2.0 MPa，且不腐蚀金属表面，对工作环境无污染。缩水甘油基硅烷对产品性能的影响如表7所示。

表7 缩水甘油基硅烷不同用量对产品性能的影响（其他成分份数不变）

通过表7可以看出，缩水甘油基硅烷用量为8份以上时，它对剪切强度的影响趋于平衡。所以，其用量选8份为宜。

2.8 基本配方

通过上述讨论，得到双组分密封胶的配方，具体如表8所示。按照该配方所制备产品的性能检测结果（参照GB/T 29595—2013）如表9所示。

表8 双组分密封胶的组成及其配比

表9 双组分密封胶性能检测结果

3 结语

选择MQ硅树脂作为增强改性剂、无机纳米碳酸钙作为填充补强剂，在提高拉伸强度和黏合强度的前提下，制备了双组分密封胶，其黏度低、固化速度快、耐候性好、阻燃环保性能好，实现了光伏组件的可喷涂，可节省太阳能电池密封胶的用量，提高组装效率。该产品为光伏行业提供了一种可喷涂、阻燃、环保、使用寿命长的密封材料。

由于该产品通过喷涂机在高压条件下按比例在混合室内混合，产品的性能与混合压力的大小和稳定性有直接关系，采用液压加压的喷涂机会获得更好的产品性能。因使用时要安装喷涂机，所以只有在需大面积施工的地方使用该产品，才能大大提高工作效率。