【PET材料的微观结构及绝缘性能研究现状的文献综述3500字】

PET材料的微观结构及绝缘性能研究现状的文献综述1928年，美国杜邦公司的Carothers首次使用化学方法合成了聚酯，原材料用的是脂肪族的二元酸和二元醇，同时用合成的聚酯材料制得了世界上最早的纤维，这种纤维有丝的光泽度，且有蚕丝的强力和弹性[20]，但是熔点低，容易发生水解反应，没有实际用处，但是这一成果能证明纤维是可以通过聚酯材料制出的。1941年，英国的Whin-field和Dickson受到Carothers的启发，不断改良单体，同时使用了分子结构对称性很好的对苯二甲酸（p-phthalicacid,PTA）和乙二醇（ethyleneglycol,EG）合成了PET材料，并发现其具有良好的性能，同时也制备出了熔点高、不易水解、有实际用处的纤维[21]。1949年该项成果获得了专利证书，并在英国帝国化学工业集团（ICI）完成了测试，不久后该专利被美国杜邦公司收购，开始量产PET材料，建立了世界上最早的PET工厂，当时的PET工厂主要是用合成PET材料来制备聚酯纤维。等到了20世纪80年代，关于PET材料的研究取得了突破性进展，研制出了PET专用的结晶成核促进剂，克服了材料结晶缓慢、成型困难的缺点[22]。此后PET材料作为工程塑料在业界受到广泛关注，由于其良好的综合性能，所以其应用价值在不断提升，应用领域也在不断扩展。截止到2020年，全世界PET年产量达到千万吨级，是五大工程塑料中的重要品种。聚酯是高分子材料中产量最高的一种，在解决人们穿衣、用布方面发挥着不可磨灭的作用，而今在非纤维应用方面，又为每个人的日常生活带来了便利。用不同材料和工艺制得的聚酯种类繁杂，其中最主要的品种有PET、聚对苯二甲酸丁二醇酯（polybutyleneterephthalate,PBT）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（polytrimethyleneterephthalate,PTT）等聚合物[23]。其中PET材料不仅是最早广泛使用并实现工业生产的热塑性聚酯品种之一，同时也是目前全球产量最大、用量最多、用途最广的聚合物材料。PET又称聚脂薄膜，一般为透明白色或乳白色。PET材料的分子结构图如图1-5所示，由一个苯环，两个醚，两个羰基和两个亚甲基单元构成了其重复单元。其中极性酯基与相邻的苯环共同构成共轭体系，PET结构高度规整和对称，PET分子的机械强度增加。但是当分子链围绕刚性苯环转动时，由于空间位阻较大影响了分子张力，在某种程度上阻碍了分子链的运动，使得亚甲基单元的功能发挥不出来[24]，所以根据PET结构可以得到其一些物理和化学特性：PET材料力学性能非常稳定，受高低温影响较小，若长期使用高温可达120℃，短期使用温度范围为-70℃至150℃；PET的抗疲劳性和耐化学性都很好，对油脂和浓度较低的酸碱等大部分溶剂都有耐受性；PET材料具有稳定的阻水阻气性，能够很好的阻挡水汽和氧气进入和侵蚀背板；PET材料性能稳定，基本不受高温高频的影响，但是电晕放电对其影响较大；PET材料表面光滑亮泽，能在很大程度上隔离紫外线辐射。同时PET原材料丰富、成本较低，是工程塑料中性价比最高的。图1-5PET结构式Fig.1-5StructureofPETPET是一种应用领域广泛并且产量很大的高分子材料，主要分为四个领域：纺织纤维、瓶、机械零件、薄膜。PET纤维也被称为涤纶，乳白色有光泽，具有良好的抗皱性和坚固的形状稳定性，不粘毛，强度高，弹性好，不用熨烫，非常耐用，PET纤维制衣风靡于我国七八十年代；PET瓶在我们生活中非常常见，可以看到随处各种水瓶、饮料瓶底下都印着PET三个字母，PET塑料透明无毒，质量轻，方便携带，而且PET汽水瓶可以阻止CO2气体，让可乐、雪碧等碳酸饮料一直保持有气的状态；PET机械零件大多使用的是改性后的PET材料，这类材料强度高，刚性好，可用于插板、电器外壳、连接器等简单配件。PET薄膜主要用于电气绝缘材料，通常与含聚氟薄膜相配合，用胶黏剂将二者结合制成光伏背板，用来保护太阳能电池板免受恶劣环境的侵蚀，PET背板透明有光泽，且力学性能在热塑性材料中是数一数二的，拉伸强度也比普通材料制成的背板好很多。同时，PET光伏背板具有优秀的耐高低温、耐环境老化、耐化学性和耐候性，但其对强碱没有耐受性。总体来说，PET光伏背板的综合性能非常优秀，所以在光伏背板市场得到了广泛应用。国外工程塑料的研究和发展迅速，大多集中在美国、日本和西欧，如杜邦公司、日本东洋公司、东丽集团、ICI公司等，他们已经拥有自己研制的专利型产品面向市场，全球共有多家公司生产出售各种工程塑料。国内研究塑料结构和改性的公司和学校主要包括上海石化、北京市塑料研究所、东华大学、浙江大学、四川大学等[25]。尽管国内一些关于工程塑料的研究价值已获得了认可，所获得的研究成果水平甚至赶超国外，但主要还是停留在科研阶段。关于光伏组件中太阳能背板PET材料的微观结构和绝缘老化特性研究有很多。MakridesGeorge研究分析了具有不同背板材料的相同单晶硅PV组件的性能和可靠性，包括采用黑色背板的美观增强型全黑PV组件，这些模块被安装以形成大约1.2kWp的标称容量的并网系统，并在塞浦路斯的温暖气候条件下暴露，五年评估期的结果表明，由于使用了黑色背板，实现了温度改善，验证了背板会影响电池温度并通过在较低温度下运行来增强性能[26]。LiHua利用便携式近红外光谱仪获得的近红外光谱数据集，采用主成分分析法对PVDF和PET薄膜组成的光伏背板进行了评价，考察了加热加湿或紫外光照射后底板材料的鉴别和变质程度，证实了采用近红外光谱法可以较好地确定光伏背板的劣化程度[27]。MichaelD.Kempe通过模拟几种典型气候的温度和湿度环境来估计进入光伏组件的水分量，利用这些数据来估计背板中使用的PET材料的水解降解，这项研究对聚酯材料的降解动力学有很好的参考价值[28]。G.Oreski将光伏背板材料例如PET、PVF和PVDF暴露在温度85℃、相对湿度为85%（“湿热试验”）的环境下，采用衰减全反射模式（ATR）红外光谱法和机械拉伸试验研究分析了三种材料的老化特性[29]。PET背板需要在光伏系统的寿命期间保持其电气绝缘能力。Volat发现，当漏电流增加时，会产生局部放电[30]。Dhere发现，乙烯-醋酸乙烯与背板之间的路径对泄漏电流起着重要作用，这显著增加了PD的产生风险[31]。因此，由电位诱导降解引起的泄漏电流会引起背板发生局部放电，最终导致PV系统的电击穿。同样，机械性能也是PET背板的重要组成部分。Adhikari等分析了PET的化学降解和物理降解，考察了PET在受到电应力时的相组成、形貌和元素组成的变化[32]。Mamy和Lee研究了在固体有机绝缘体上施加电场所引起的机械和电响应，并讨论了机械和电学两种测量方法中相关机制的明显相关性[33-34]。综上，关于纯PET材料的微观结构表征、力学性能和绝缘性能研究已有很多，也得到了很多可观的研究成果。虽然PET是一种非常优异的光伏背板材料，但是由于光伏背板所处的高湿、高强日照等工作环境使得其容易遭受局部放电、电老化等挑战，导致其绝缘性能和机械性能受损，而且PET材料本身的性能也存在着不足，其性能与光伏电池的安全性以及光伏组件的可靠性息息相关。因此就必须通过改性来提升PET材料的绝缘性能和力学性能，该研究对于PET材料的性能提升和太阳能背板的寿命延长具有重要的意义。参考文献[1]任大磊.一种复合型太阳能电池背板的制备工艺研究[D].吉林大学,2018.[2]盖兆军.基于低碳经济的我国电力行业可持续发展研究[D].吉林大学,2015.[3]刘振亚.实现碳达峰、碳中和的根本途径[J].电力设备管理,2021(03):20-23.[4]MartinA.Green.Commercialprogressandchallengesforphotovoltaics[J].NatureEnergy,2016,1(1):28-31.[5]JiaweiZhang,DekunCao,SombelDiaham,etal.Researchonpotentialinduceddegradation(PID)ofpolymericbacksheetinPVmodulesaftersalt-mistexposure[J].SolarEnergy,2019,188.[6]杨文忠,徐冰,黄宏深,等.太阳能电池背板封装材料的发展状况[J].塑料制造,2012(08):77-80.[7]赵江英.晶硅太阳能电池片的再生循环技术研究[D].青海民族大学,2019.[8]范朝阳.高熔体强度PET的流变行为及其超临界CO2挤出发泡的研究[D].华东理工大学,2014.[9]张传吉,戴建民,成三弟,等.太阳能电池背板的现状和发展趋势[J].电力与能源,2012,33(02):177-180.[10]NamsuKim,HyunwooKang,Kyung-JunHwang,etal.StudyonthedegradationofdifferenttypesofbacksheetsusedinPVmoduleunderacceleratedconditions[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2014,120.[11]夏文进,唐邓,章博,等.太阳能电池背板用氟材料的应用研究[J].涂料工业,2014,44(12):55-60.[12]杨文忠,徐冰,黄宏深,等.太阳能电池封装背板的发展状况[J].广州化工,2012,40(20):18-20.[13]杨小进,罗鑫,刘东亮.光伏组件封装用背板概述及发展趋势[J].太阳能,2017(11):25-29.[14]范凌云,宋尚军,白耀宗,等.太阳能电池背膜发展现状[J].化工新型材料,2012,40(03):7-8+29.[15]晁晖.中国新能源发展战略研究[D].武汉大学,2015.[16]张力夫,韦永兰,陈贶,等.晶硅太阳能电池背板性能应用研究[J].有色冶金节能,2016,32(02):57-60+22.[17]闫笑炜.光伏含氟背板隐忧[J].能源,2017(05):36-41.[18]韩庆祥,张学建,龚毅钊,等.太阳能背板保护膜用水性氟碳涂层的应用研究[J].涂料技术与文摘,2014,35(10):9-13.[19]孟德发,唐超,郭瑞,等.太阳能电池背板的进展[J].化工新型材料,2014,42(01):7-9+39.[20]冯亚丽.涤纶织物化学镀银及银镀层防护研究[D].上海大学,2014.[21]郑阳.纳米蒙脱土原位共聚改性对苯二甲酸乙二醇酯[D].东华大学,2012.[22]胡峰.成核剂对PET结晶及力学性能影响的研究[D].湘潭大学,2017.[23]张昊宏,张昌鸣,相宏伟.超临界甲醇解聚聚对苯二甲酸丙二醇酯产物的分析[J].高分子材料科学与工程,2006(06):169-172.[24]郭林锋.PP/PET共混体系及其合金纤维的研究[D].东华大学,2007.[25]陈军.纳米成核剂对促进PET结晶作用及PET、PBT的阻燃研究[D].南京工业大学,2005.[26]GeorgeMakrides,MariosTheristis,JamesBratcher,etal.Five-yearperformanceandreliabilityanalysisofmonocrystallinephotovoltaicmoduleswithdifferentbacksheetmaterials[J].SolarEnergy,2018,171.[27]HuaLi,RyoeiKikuchi,MasanoriKumagai,etal.Nondestructiveestimationof