一种高耐水可降解聚乙烯醇胶膜及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光伏组件封装材料，尤其涉及一种高耐水可降解聚乙烯醇胶膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着光伏产业向高效化、长寿命以及绿色化的方向快速升级，双玻光伏组件凭借双面发电、抗电位诱导衰减（pid）、耐候性强和使用寿命长等优势，已成为市场主流应用方案。封装胶膜作为光伏组件的核心配套材料，其性能直接决定着光伏组件的发电效率、使用寿命以及安全性，当前主流的光伏组件封装胶膜主要为乙烯-醋酸乙烯共聚物（eva）、聚乙烯醇缩丁醛（pvb）和聚烯烃弹性体（poe），但均存在难以突破的技术短板。例如，eva胶膜的分子链中含有易水解的酯基，在85℃、85%rh条件下湿热老化1000h后水解率可达15%以上，抗pid性能较差，无法适配n型高效电池的高电压工作环境，不可降解；pvb胶膜的阻湿性能高度依赖邻苯二甲酸酯类增塑剂，这类增塑剂易迁移、易挥发，导致pvb胶膜长期使用后出现脆化、脱层现象，并且同样不可降解。

2、另外，可降解封装材料已经成为光伏行业当前的发展趋势，但是现有的可降解封装材料（例如聚乳酸、聚己内酯）均存在明显缺陷：聚乳酸的透光率低（≤85%），无法满足光伏组件的透光需求；聚己内酯的力学性能差，拉伸强度≤10mpa，易破损，且两者均存在耐候性与可降解性无法兼顾的问题，无法适配双玻光伏组件及n型高效电池≥25年的户外服役需求。

3、此外，iec 61215:2021光伏行业标准已将光伏组件的湿热老化测试时间从1000h延长至2000h，功率衰减要求从≤3%收紧至≤1.5%，同时对封装材料的阻湿、绝缘和耐候性能提出了更高要求。

4、聚乙烯醇（pva）作为一种可降解高分子材料，具有良好的透光性、力学性能及生物相容性，且来源广泛、成本低廉，在包装、纺织等领域已得到广泛应用。但是，传统pva胶膜的分子链中含有大量强极性羟基（-oh），吸湿性极强，常温下吸湿性可达10~15%，在85℃、85%rh的湿热环境下吸湿性超过20%，吸潮后体积电阻率骤降至1×1010ω·cm以下，无法满足光伏封装的绝缘要求；同时，传统pva胶膜的耐候性差，紫外老化500h后黄变指数≥5.0，透光率降至80%以下，无法抵御户外长期紫外照射，且耐水性差，水中浸泡24h即发生溶胀、破损，完全无法用于户外光伏组件的封装。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高耐水可降解聚乙烯醇胶膜及其制备方法和应用，本发明提供的高耐水可降解聚乙烯醇胶膜，协同兼具高阻湿、高绝缘、高透光、可降解和耐候性强的性能优势。

2、本发明提供了一种高耐水可降解聚乙烯醇胶膜，包括以下质量份数的原料制得：pva树脂70~75份、环氧类交联剂2~4份、疏水改性纳米二氧化硅1.5~2.5份、生物基增塑剂18~22份、复合抗氧剂0.3~0.6份和紫外吸收剂0.2~0.4份；所述复合抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂；所述受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的质量比为1.8~2.2:1。

3、优选的，所述疏水改性纳米二氧化硅为γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷改性纳米二氧化硅；所述γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷改性纳米二氧化硅的水接触角≥110°，γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷的接枝率≥4%；所述γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷改性纳米二氧化硅的粒径为50~100nm。

4、优选的，所述疏水改性纳米二氧化硅的制备方法包括以下步骤：将纳米二氧化硅、乙醇和水超声分散，得到分散液，然后将所述分散液的ph值调节至3.5~4后与硅烷偶联剂混合进行改性反应。

5、优选的，所述pva树脂的聚合度为1700~2000，醇解度为88~92%。

6、优选的，所述环氧类交联剂为缩水甘油醚类化合物。

7、优选的，所述生物基增塑剂为聚乳酸低聚物；所述聚乳酸低聚物的数均分子量为1000~2000。

8、优选的，所述紫外吸收剂为苯并三唑类紫外吸收剂。

9、本发明还提供了上述方案所述高耐水可降解聚乙烯醇胶膜的制备方法，包括以下步骤：

10、（1）将疏水改性纳米二氧化硅和生物基增塑剂预混，得到预混料；

11、（2）将所述预混料与pva树脂、环氧类交联剂、复合抗氧剂和紫外吸收剂熔融共混，得到熔体；

12、（3）将所述熔体依次进行流延、固化和熟化，得到所述高耐水可降解聚乙烯醇胶膜。

13、优选的，所述流延的设备包括狭缝式流延机；所述流延的温度为160~165摄氏度，冷却辊温度为35~45摄氏度，冷却速率为12~15℃/s，流延速度为2~3m/min；所述流延的目标膜厚为0.38~0.8毫米，膜厚误差≤±0.02mm。

14、本发明还提供了上述方案所述高耐水可降解聚乙烯醇胶膜在光伏封装领域中的应用。

15、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

16、本发明首创“环氧交联+疏水改性+生物基增塑”三重协同改性路径，解决了传统pva胶膜存在的吸湿性强、耐水性差和耐候性不足问题，实现协同兼具高阻湿、高绝缘、高透光、可降解和耐候性强的性能优势，适合用于光伏领域，尤其适合光伏组件的封装，例如双玻光伏组件、n型高效电池组件、分布式光伏、集中式光伏，适配户外长期服役场景，以及高纬度户外场景，同时契合光伏产业绿色可降解的发展趋势，解决了pva胶膜在光伏封装领域的应用瓶颈，首次将pva胶膜用于光伏封装领域，填补可降解光伏封装材料的技术空白。

17、本发明提供的高耐水可降解聚乙烯醇胶膜，各组分的降解机理和最终去向系统性明确，在自然环境下通过水解、微生物作用或光氧化等机制逐步降解，最终转化为co2、h2o及少量无机残留，具有明确的可降解路径和环境友好特性。本发明采用流延法制备高耐水可降解聚乙烯醇胶膜，工艺与现有光伏胶膜产线兼容，无需新增设备，成本可控，工艺参数明确、可重复、可规模化生产，具备极高的产业化价值。

18、本发明提供的高耐水可降解聚乙烯醇胶膜，各项性能指标均符合iec 61215:2021光伏行业标准，具体如下：

19、（1）阻湿性能：在85℃、85%rh条件下恒温恒湿老化1000h后，吸湿性≤0.2%；在38℃、90%rh条件下，水汽透过率≤28g/m2·24h，满足双玻光伏组件的阻湿要求。

20、（2）绝缘性能：在23℃、50%rh常态下，体积电阻率≥1×1014ω·cm；在85℃、85%rh条件下老化1000h后，体积电阻率≥5×1013ω·cm，无明显衰减，适配n型高效电池的高电压工作环境。

21、（3）透光性能：在400~1100nm波长范围内（光伏组件有效透光波段），透光率≥90%，雾度≤1.5%，不影响光伏组件的发电效率。

22、（4）耐候性能：紫外老化1000h后，黄变指数≤2.2，透光率保留率≥95%，性能保留率≥94%；在85℃、85%rh条件下湿热老化2000h后，无脱层、无脆化，性能衰减≤5%，满足光伏组件25年以上户外服役需求。

23、（5）可降解性能：在自然环境下（温度20~30℃、湿度50~70%），12~18个月完全降解，主要转化为co2和h2o，降解后基本无残留、无环境污染，符合绿色光伏发展需求。

24、（6）粘结与力学性能：与光伏玻璃的剥离强度≥50n/cm（85℃/85%rh老化1000h后），无脱层现象；拉伸强度≥20mpa，断裂伸长率≥300%，韧性优异，可承受组件封装及户外使用过程中的机械应力。

25、当前光伏产业对可降解、低成本、高性能封装材料的需求迫切，本发明提供的高耐水可降解聚乙烯醇胶膜，可直接替代现有eva、pvb、poe胶膜，产业化价值与市场应用前景广阔。