PVDF의 분해 메커니즘 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14399(2022) 이 기사 인용

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폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 기반으로 한 상업용 백시트는 외부 층 균열 형태로 조기 현장 고장을 경험할 수 있습니다. 이 작업은 균열 형성으로 이어지는 재료 특성의 변화에 ​​대한 더 나은 이해를 제공하고 이를 재현하기 위한 적절한 가속 테스트를 찾는 것입니다. PVDF 기반 백시트 외부 층은 다양한 구조와 구성을 가질 수 있으며 종종 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 폴리머와 혼합됩니다. 순차(MAST) 및 결합(C-AST) 가속 스트레스 테스트를 통해 노화 시 PMMA 고갈을 관찰했습니다. PVDF가 주요 α상에서 결정화되는 애리조나와 인도의 현장 노화 샘플에서는 결정화도가 크게 증가했습니다. MAST 및 C-AST 프로토콜은 현장에서 약 7년 후에 PVDF에서 볼 수 있는 결정화도의 증가를 어느 정도 재현할 수 있었지만 단일 응력 테스트 조건(UV, 습열, 열 사이클링)에서는 큰 변화가 발생하지 않았습니다. 재료 특성에서. 여기에 사용된 MAST 방식은 너무 극단적이어서 실제적인 분해를 생성할 수 없었지만, 이 테스트는 연구된 특정 PVDF 기반 외부층 구조의 약점을 발견하는 데 유용했습니다. 어떤 테스트 조건에서도 노화 후에 과도한 β-상 형성이 관찰되지 않았습니다. 그러나 β상의 존재는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)에 의해 국부적으로 확인되었습니다. 우리는 MAST와 C-AST가 둘 다 PVDF 백시트의 실외 파손 메커니즘을 검사하기 위한 관련 테스트라고 결론을 내렸습니다. 왜냐하면 그들은 균열을 일으키는 재료 저하를 생성하는 데 성공했기 때문입니다.

백시트는 표준 광전지(PV) 모듈의 활성 구성 요소에 대한 뒷면의 가장 바깥쪽 보호 층을 구성합니다. 일반적인 백시트 유형 중 하나는 모듈 뒷면의 불투명 다층 적층 폴리머 시트로 구성됩니다. 두꺼운 코어 층은 절연 특성과 기계적 강도를 제공합니다. 더 얇은 내부 및 외부 레이어는 밀봉재에 대한 우수한 접착력과 실외 환경에 대한 저항성을 갖도록 설계되었습니다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 코어 레이어에 널리 사용되며 폴리비닐 플루오라이드(PVF) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 같은 불소 중합체는 내부/외부 백시트 레이어에 일반적으로 사용됩니다. 이 연구에서는 PVDF 기반 백시트 구조(즉, 적어도 하나의 PVDF 폴리머 층을 포함하는 백시트)에 중점을 둘 것입니다. PVDF 기반 백시트는 현재 세계 시장 점유율의 약 50%를 차지하고 있습니다1. PVDF는 공유 C-H 및 C-F 결합으로 형성된 반결정성 열가소성 불소중합체입니다. PVDF는 고순도, 우수한 화학적 불활성, 기계적 내마모성 및 UV 안정성을 갖추고 있습니다2,3. C-F 결합의 높은 전기음성도와 해리 에너지는 폴리머의 우수한 열 안정성을 보장합니다4. 많은 폴리머에서 흔히 볼 수 있듯이 PVDF는 서로 다른 분자 사슬 구조, 즉 -CF2-와 -CH2- 단위가 교대로 배열되는 방향을 가질 수 있습니다. C-F 쌍극자가 동일한 방향(횡평면 지그재그 구조, TTTT)으로 배향되면 폴리머는 결정질 PVDF β상에 있습니다. 역평행 C-F 쌍극자 패킹의 경우 폴리머는 비극성 α상(TGTG' 구조)5,6,7에 있습니다. PVDF α- 및 β-사슬 형태는 그림 1의 도식으로 시각화됩니다. α-상은 용융물에서 결정화하여 얻을 수 있으므로 가장 일반적인 상입니다. β상은 100°C6 이하에서 α상을 일축 또는 이축 연신하여 기계적 변형을 통해 형성될 수 있습니다. 특수한 조건에서 PVDF는 다른 다형체(γ, δ 및 ε)를 형성할 수 있지만 이는 덜 일반적입니다8.

PVDF α- 및 β-상 분자 사슬 형태의 도식.

백시트의 폴리머에 대한 이해를 더욱 복잡하게 만들기 위해 PVDF 외부 레이어는 안료와 첨가제를 포함하는 복잡한 재료이며 일반적으로 아크릴 폴리머[예: 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)]와도 혼합됩니다9,10, 11,12. 제조업체, 제조 공정 및 구성에 따라 층의 물리적, 기계적 특성이 다를 수 있습니다. 배치된 PV 모듈의 PVDF 기반 백시트는 조기에 실패하는 것으로 나타났습니다. 여기서 실패는 균열로 정의됩니다. 백시트 균열은 수분과 산소의 유입을 강화하여 모듈 작동 전력을 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라 고전압 구성 요소를 노출시켜 전기적 위험을 초래합니다. DuPont이 최근 실시한 현장 연구에서는 조사된 PVDF 포함 모듈 중 23%가 배포 9년차까지 결함이 있었습니다13. 부스바를 따라 균열이 형성되는 것이 보였습니다. 그러나 특정 기후와의 명확한 상관관계는 발견되지 않았습니다.