D230与IPDA固化剂的协同作用
2012-03-16 13:32阅读：
利用固化剂聚氧化丙烯二胺（D230）和异佛尔酮二胺（IPDA）的协同效应，以提高太阳能电池封装材料
环氧树脂的透明性、抗紫外光老化性和耐热性。热分析和抗紫外光老化实验结果表明：当分别用
D230 或 IPDA 单一 固化 剂时，固化物的玻璃化转变温度θg分别为 101 和 122 ℃，黄度指数变化值 ?YI分别为
20.48 和 14.98；而采用 D230 与 IPDA 组成的二元固化剂且 D230 与 IPDA 的质量比为 5:3
时，固化物的θg和 ?YI则分别为 138 ℃和 8.44。
关键词：高分子材料；协同效应；抗老化；固化剂；黄度指数
中图分类号：O63 文献标识码:A
文章编号:1001-2028（2009）04-0058-03
太阳能电池的封装材料主要采用环氧树脂进行
薄膜灌封，但环氧树脂材料长期暴露在太阳光下， 易变黄、发生老化[1~2]，从而影响太阳能电池的光电
转化效率。为了解决环氧树脂的老化问题，通常在 环氧树脂中加入光稳定剂和抗氧剂[3]，但是它们与环 氧树脂的相容性差，在用量为质量分数
1%~2%的情 况下就能析出；或者对己二胺进行羟烷基化、氰乙 基化改性[4]来改善环氧树脂固化物的透光性，但其存
在一定的毒性和对皮肤的刺激性，并能与空气中的 CO2 发生反应。因此，研究如何改善环氧树脂的透光
性和抗紫外光老化性具有重要意义。笔者利用聚氧 化丙烯二胺（D230）和异佛尔酮二胺（IPDA）固化 剂的协同效应，提高环氧树脂透
光性、抗紫外光老 化性和耐热性，不但毒性低，无刺激性，而且工艺 流程简单，成本低。
1 实验
1.1 主要原料与仪器
双酚 A 型环氧树脂 EP828；固化剂：聚氧化丙烯二胺（D230，异佛尔酮二胺（IPDA，；稀释剂：501
环氧活性稀释剂；增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯；溶剂：苯甲醇 。DHG—9053A 电热恒温鼓风干燥箱（上海申贤恒 温设备厂）；TU—1901
型双光束紫外可见分光光度计 (北京普析通用仪器有限责任公司)；紫外灯；DSCQ10 差示扫描量热仪(美国 TA
公司)，N2气氛，升温速率 为 10 ℃/min，扫描温度范围为室温~300 ℃。
1.2 样品的制备
称取 100 g 环氧树脂于塑料杯中，加入质量分数 为 15%的环氧活性稀释剂 501，搅拌混合均匀，然后 分别加入质量分数为
10%的增塑剂、5%的溶剂和 20%~35%的固化剂，混合均匀后浇注到 115 mm×25 mm×2 mm
模具中，置于恒温干燥箱内，在 80 ℃下 固化 90 min，脱除模具，测试固化物样品性能。
1.3 性能测试
1.3.1 透光性的测定
采用紫外可见分光光度计，用空气做参比，测 定固化物在波长 400~800 nm 的透光率曲线。用透光
率分析其透明性。透光率越大，其透明性越好。
1.3.2 抗紫外光实验
将固化物放在 70 W 的紫外灯下照射一定时间 后，放入紫外可见分光光度计的样品池中，测定其在 波长 400~800 nm
的透光率曲线，用黄度指数衡量其 抗紫外光老化性能。黄度指数 YI用下列公式计算[5]：
式中：T 和 T′分别为样品在紫外灯照射前后的透光率。 2 结果与讨论
2.1 固化剂用量对固化物透光率的影响
在一定条件下，固化剂与环氧树脂进行固化反 应，生成立体网状结构产物，固化剂的用量不仅会 影响固化物的力学性能，也会影响固化物的光学性
能。固化剂 D230 和 IPDA 用量对固化物透光率的影 响分别见图 1 和图 2 所示。
由图 1 可知，随固化剂 D230 用量的增加，固化 物的透光率增加，透明性渐好，但 D230 用量大于质 量分数
28%时，透明性又变差；同样从图 2 可以看 出，IPDA 用量在质量分数 32%时，固化物透光率最
大，具有较好的透明性。这是因为固化剂与环氧树 脂反应较为充分，形成了比较均匀的网络结构，聚合物中分子结构排列有序程度较高，对可见光的吸
收较弱，从而提高了固化物的透明性。但当固化剂 过量时，固化剂反应效率降低，导致交联密度低，
固化物未能形成理想的网状交联状态，透明性变差。
2.2 固化剂协同效应对固化物性能的影响
D230 与 IPDA 的协同效应是指将这两种固化剂 按照一定质量比混合形成一种新体系，其新体系不仅
具有各个组分的优点，同时互补缺点，新体系的某些 性能优于单一组分的性能。IPDA 与环氧树脂反应较
剧烈，反应过程中有大量热放出，室温下可以固化， 但反应不完全，难以生成体型大分子，需在体系中加 入促进剂；而 D230
虽反应时间长，但其柔韧性好。 当 D230 与 IPDA 混合使用时，不仅加快了固化速度， 而且由于 D230
中具有较多的柔性基团如亚甲基和醚 键等，其柔性基团很好地键合到致密的环氧树脂交联 网络中，形成高度均匀、透明的固化物。
2.2.1 对透光率的影响
以环氧树脂为基料，添加不同质量比的 D230 与 IPDA 二元固化剂进行固化反应，对透光率的影响如 图 3 所示。从图 3
可看出，随着二元固化剂中 IPDA用量的增加，固化物透明性逐渐变好，当 m(D230) : m(IPDA) = 5:3
时，透明性达到最佳，当超过这个比 例时，透明性又开始下降。而且当 m(D230) : m(IPDA) = 5:3
时，在各个波长下，其固化物的透明性优于单 一使用 D230 或 IPDA，例如当波长为 600 nm 时，使 用单一的固化剂 D230
或 IPDA 固化环氧树脂，固化 物的透光率分别为 75.5%和 75.8%，而发生协同效应固化物的透光率则为
79.9%，其原因归根于 D230 和 IPDA 二元固化剂发生协同效应，其表观活化能比较
小，反应在常温下就可以进行，反应比较缓和，其 频率因子较高，分子间碰撞几率比较大，反应更完 全[6]。
2.2.2 对耐热性的影响
耐热性是太阳能电池封装材料的重要性能指标 之一，耐热性的好坏会直接影响其封装质量。具有 交联结构的高分子材料的电气性能和力学性能在玻
璃化转变温度θg 附近将发生显著变化，而且长时间 受热会发生热老化，所以θg 是材料耐热性的重要性 能参数。
图 4 是分别用 D230、IPDA、D230 与 IPDA 二 元固化剂[m(D230) :
m(IPDA)=5:3]作固化剂时，固化 物的 DSC 曲线。由图 4 可知，使用单一固化剂 D230 或 IPDA
固化环氧树脂，固化物的θg 分别为 101 和 122 ℃；当使用 D230 和 IPDA 二元固化剂时，固化 物的θg 达到 138
℃左右，比使用任意单一固化剂的 θg 都高出约 20 ℃，这是由于二元固化剂发生了协同 效应，增加了环氧树脂的交联度，以及它们形成的
亚甲基桥接交联网络，提高了环氧树脂的耐热性能。
2.2.3 对抗紫外光老化性的影响
固化剂对其固化物黄度指数的影响见图 5。固化 物的黄度指数越高，抗紫外光老化性能越差，越容 易变黄。由图 5 可知，紫外光照射 60
min 后，发生 协同效应的固化物的黄度指数变化不大，曲线比较 平缓。采用 D230 或 IPDA 单一固化剂的固化物黄度 指数变化值
?YI分别为 20.48 和 14.98，而发生协同 效应固化物的 ?YI仅为 8.44，进一步说明发生协同效
应的固化物有着较好的抗紫外光老化性能。环氧树
脂变黄的原因是因其易水解产生苯酚或降解生成苯氧自由基，它们均易氧化生成生色基团苯醌[4]。因为 D230 与 IPDA
二元固化剂的协同效应，使得环氧树 脂固化更完全，减少了环氧树脂水解和降解的机会， 从而减少了生色基团的产生，在具有高度透明性的
同时，还具有良好的抗紫外光老化性能。
3 结论
（1）使用单一固化剂 D230 或 IPDA 固化环氧 树脂，它们的用量分别为质量分数 28%和 32%时，
固化物的透明性较好，在波长为 600 nm 处，固化物 的透光率分别为 75.5%和 75.8%，玻璃化转变温度θg 分别为 101
和 122 ℃，紫外光照射 60 min 后，黄度 指数变化值 ?YI分别为 20.48 和 14.98。
（2）D230 与 IPDA 二元固化剂具有协同效应， 其固化物比使用单一固化剂具有更好的透明性、耐
热性和抗紫外光老化性能，并且当m(D230) : m(IPDA) = 5:3 时，在波长为 600 nm 处，其固化物透光率为
79.9%，玻璃化转变温度θg 为 138 ℃，黄度指数变化 值 YI为 8.44。
（3）使用具有协同效应的固化剂，在提高太阳 能电池封装材料的性能方面，有工艺流程简单和成 本低的优点。
www.epoxy-cn.com
