Исследование механизмов деградации ПВДФ

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 14399 (2022 г.) Цитировать эту статью

2959 Доступов

5 цитат

21 Альтметрика

Подробности о метриках

Коммерческие нижние листы на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) могут преждевременно выходить из строя в эксплуатационных условиях в виде растрескивания внешнего слоя. Целью этой работы является лучшее понимание изменений в свойствах материалов, которые приводят к образованию трещин, и поиск подходящих ускоренных испытаний для их воспроизведения. Внешний слой нижнего листа на основе ПВДФ может иметь различную структуру и состав и часто смешивается с полимером полиметилметакрилата (ПММА). Мы наблюдали истощение ПММА при старении с помощью последовательного (MAST) и комбинированного (C-AST) ускоренного стресс-тестирования. В выдержанных в полевых условиях образцах из Аризоны и Индии, где ПВДФ кристаллизуется в преобладающей α-фазе, степень кристалличности значительно возросла. Протоколы MAST и C-AST в некоторой степени смогли воспроизвести увеличение кристалличности, наблюдаемое в ПВДФ после примерно 7 лет эксплуатации, но ни одно испытание под нагрузкой (УФ, влажное тепло, термоциклирование) не привело к значительным изменениям. в свойствах материала. Использованный здесь режим MAST был слишком экстремальным, чтобы обеспечить реалистичную деградацию, но тест был полезен для выявления слабых мест конкретной изученной структуры внешнего слоя на основе ПВДФ. После старения в любых условиях испытаний не наблюдалось чрезмерного образования β-фазы; однако присутствие β-фазы было идентифицировано локально с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Мы пришли к выводу, что как MAST, так и C-AST являются подходящими тестами для выявления механизмов разрушения задних листов из ПВДФ на открытом воздухе, поскольку они успешно продемонстрировали деградацию материала, которая привела к растрескиванию.

Задние листы представляют собой внешний слой защиты на задней стороне активных компонентов стандартных фотоэлектрических (PV) модулей. Один типичный тип заднего листа состоит из непрозрачного многослойного ламинированного полимерного листа на задней стороне модуля. Более толстый основной слой обеспечивает изоляционные свойства и механическую прочность. Более тонкие внутренний и внешний слои предназначены для хорошей адгезии к герметику и устойчивости к внешней среде. Полиэтилентерефталат (ПЭТ) является популярным выбором для внутреннего слоя, а фторполимеры, такие как поливинилфторид (ПВФ) и поливинилиденфторид (ПВДФ), обычно используются для внутреннего/внешнего нижнего слоя. В этой работе мы сосредоточимся на структуре нижнего слоя на основе ПВДФ (т.е. на нижних слоях, содержащих хотя бы один слой полимера ПВДФ). Подложки на основе ПВДФ в настоящее время занимают около 50% доли мирового рынка1. ПВДФ представляет собой полукристаллический термопластичный фторполимер, образованный ковалентными связями C–H и C–F. ПВДФ обладает высокой чистотой, превосходной химической инертностью, стойкостью к механическому истиранию и устойчивостью к ультрафиолетовому излучению2,3. Высокая электроотрицательность и энергия диссоциации связи C–F обеспечивают хорошую термическую стабильность полимера4. Как это часто бывает со многими полимерами, ПВДФ может иметь различную конформацию молекулярной цепи, т.е. ориентацию чередующихся звеньев –CF2– и –CH2–. Когда диполи C–F ориентированы в одном направлении (транспланарная зигзагообразная конформация, TTTT), полимер находится в кристаллической β-фазе ПВДФ. В случае антипараллельной дипольной упаковки C–F полимер находится в неполярной α-фазе (конформация TGTG')5,6,7. Конформации α- и β-цепей ПВДФ схематически представлены на рис. 1. α-фаза является наиболее распространенной фазой, так как ее можно получить кристаллизацией из расплава. β-фаза может быть образована механической деформацией путем одноосной или двухосной вытяжки α-фазы при температуре ниже 100 °C6. В особых условиях ПВДФ может образовывать и другие полиморфы (γ, δ и ε), но они встречаются реже8.

Схема конформации молекулярной цепи α- и β-фаз ПВДФ.

Чтобы еще больше усложнить наше понимание полимеров в задних листах, внешний слой ПВДФ представляет собой сложный материал, содержащий пигменты и добавки, и его обычно также смешивают с акриловыми полимерами [например, поли(метилметакрилатом) (ПММА)]9,10, 11,12. В зависимости от производителя, технологии изготовления и состава слой может иметь разные физико-механические свойства. Было замечено, что задние листы на основе ПВДФ в развернутых фотоэлектрических модулях преждевременно выходят из строя. Неудача здесь определяется как растрескивание. Растрескивание заднего листа может не только поставить под угрозу рабочую мощность модуля, обеспечивая повышенное проникновение влаги и кислорода, но также представляет опасность поражения электрическим током из-за обнажения высоковольтных компонентов. В недавнем полевом исследовании, проведенном DuPont, 23% исследованных модулей, содержащих ПВДФ, оказались дефектными к девятому году использования13. Было замечено образование трещин вдоль шин; однако четкой корреляции с конкретным климатом обнаружено не было.