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太阳能电池PVDF膜的表面处理

(2013-12-18 17:13:51)
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    专注视觉检测15年,武汉三维光之洋


    PVDF聚合物与金属以及半导体的粘接能力以及在电子和微电子封装工业上显得不足,使其在使用上出现很大的局限性。在这些方面已经投入了大量的研究对PVDF改性,改变其粘接能力。大量研究正式PVDF共混改性的引入极性较大的聚合物或者表面改性能够导致或引入不同的功能团,而不改变本体性质。已经证明通过分子功能性的接枝链的空间结构的只能选择,能够对其表面分子重新设计,赋予表面新的和特殊的功能性。这些新的表面功能性包括亲水性,无金属导电性,生物反应性和生物相容性,以及与金属的粘接性。这些的性能将使之在可用于太阳能电池背板膜上。

   一、对PVDF膜表面处理常用的方法有:

PVDF表面改性的传统方法包括化学处理,等离子体处理,放射处理,电晕放点处理,火焰处理以及臭氧处理。

    1)化学处理

采用化学试剂对进行化学处理以提高膜表面的亲水性也是一种有效的方法。钠氨盐和萘纳盐,作为提高PVDF与金属表面粘接力的侵蚀剂已经被广泛使用,此外氢化钠,碱金属贡齐,碱金属蒸汽,碱土金属,碱金属氢氧化物,硅的四卤化物以及混合侵蚀剂等均已经被用于含有氟聚合物表面修饰提高表面粘接力。采用不同的化学试剂将引入不同的亲水基团,如羧基,羟基,磺酸基以及含硅功能团。这些基团便可以作为表面接点共价连接其他功能单体,对含氟聚合物进一步修饰。Hideokise等人报道了在相传移催化剂的条件下,PVDF经过NaOH处理表面脱以及形成了表面双键和叁键。龙新文等人又在前人基础上采用了KOH作为处理试剂后分别用氧化产生表面羟基及涂甘油层的方法提高表面亲水性。此外Molly通过两步化学改性在PVDF膜表面引入羧基;Duputell采用非均相反应,采用SO3/磷酸三丁酯络合物作为磺化剂得到表面磺酸基。由于PVDF化学性质稳定性高,通常采用的化学试剂一般包括强酸和强碱,LiOH的碱性较NaOHKOH要强,所以用LiOH作为侵蚀剂脱表面HF效果更好。Jacqueline等人采用LiOH作侵蚀剂采用三步法在PVDF表面引入羟基,使得其接触角度降低了约15度,表面亲水性得到明显改善。

2)等离子体处理

利用等离子体修饰含氟聚合物表面在工业上应用较多,利用此方法提高表面粘接力已见报道。此外该方法主要应用于溶液中或暴露于空气中的表面脱离或者侵蚀,表面交联,表面化学结构修饰和表面清洗。等离子体处理可以影响表面几百或者几千埃的化学组成,所以不会影响本质性质。等离子体常用的辐射光源包括由ArO2SO2NH3等等,不同光源的等离子体处理过的氟聚物表面暴露于空气中将会产生不同的表面基团,如过氧化物,氧化氢和过氧化氢,由于等离子体方法修饰表面分子的有效性,已经被用于提高氟聚物表面润湿性,可涂饰性PVDF表面,表面润湿性随等离子能量的高低和辐射时间的长短以及在空气中暴露时间的长短而产生变化,接触角度降低了40度之多。但是等离子体预处理的表面在空气中容易老化,缺少分子设计能力并且不能使得基底表面的功能团进行空间分配原始单子上的功能团得不到保护、不能够有完好的化学和物理结构的沉积聚合物薄膜。

(3)放射处理

含氟聚合物对放射处理是很敏感的,常用的放射源包含X-ray,γ-rayUV,激光,电子束和离子束。大多数的放射处理均可提高表面烷基和C=C的含量,不同的放射源可以在含氟聚合物表面引入不同的新功能团,如表面脱氟和脱氢,-COOH-OH-NH2等。该处理方法已经成功应用于提高含氟聚合物表面的润湿能力,结晶能力,润滑功能以及表面粘合力。最近Clochard.M Cl等人用电子束作为辐射源在PVDF表面成功接枝了亲水性单体丙烯酸,表面亲水性得到了明显的改善。

4)电晕放电处理和火焰处理

电晕放点处理是利用等离子极化氟聚物表面并诱导产生压电效应,使得表面脱氟,从而在氟聚物表面产生含有氧基团,提高氟聚物的表面润湿能力。火焰处理仅对部分氟化的氟聚物有功效,对全氟聚合物的处理效果则很差, 该方法主要实用与提高氟聚物的粘合力上。

5)臭氧处理

氟聚合物经过臭氧化作用可以产生过氧烷基和过氧化氢基团,Bromdino等通过实验以及在PVDF表面引入过氧基团,且郭阳集团的浓度随着臭氧化的时间的延长和温度的升高而增加,此方法只适用于偏氟聚合物,并且在十分苛刻的臭氧条件下会发生聚合物的降解。

6)传统处理方法存在的问题

利用等离子体,紫外线和放射方法制备的聚合物存在以下问题:

A:聚合物刷分子量不可控制,不能随时间线性增长,

B:分子量分布较宽

C:聚合物刷结构不清晰,聚合物刷往往是交联结构

D:聚合物刷端没有活性,不能够进一步接枝聚合并获得镶嵌段共聚物刷

E:形成的聚合物刷表面新高不够平整。

二、电晕的作用

1)化学变化-氧化作用

电晕放电的主要化学变化是氧化作用,其次是表面分子发生交联限制部分分子的运动并且增加其分子量。

一个自由氧原子能够击碎一个聚合物分子i型您构成两个并且迅速产生新的基团,院子氧对聚合物的氧化迅速的产生在表面形成过氧化物和基团如ROOHROORROOOR等等。这些基团的存在使得PVDF薄膜容易粘合。

为了进一步正式氧化的作用,在空气、O2N2HeAr气中对电晕放电作对比试验,结果表明聚合物在这些气体中都能产生电晕放电,获得到的是相同级别的标点能,但是同时发现氧对PVDF薄膜的粘合作用有着明显的促进作用。

过氧化自由基技能使大分子连接断裂低分子量,也能使得分子链交联而增加分子量,取决于电晕处理时的功率大小。在正常的电晕条件下以交联反应为主,而在更高功率下放点处理时则以断链降解反应为主。

    2)物理变化

电晕放电处理能够改变改性PVDF薄膜的表面结构形,表面构型的变化可以用扫面电子显微镜观察而表面构型的变化也会影响薄膜粘合性能。电晕放电也是一种高能量的粒子轰炸薄膜表面,表面会产生微小的斑点,它即是提高粘合作用的物理因素。在空气中进行电晕处理可以使得薄膜表面粗化,若在纯氧或者二氧化碳气中电晕则薄膜表面的粗化程度较高。但是在N2HEAR中电晕则表面看不大什么变化,所以氧化作用是使得薄膜表面粗化的必要条件。

电晕处理过度不利于PVDF表面的粘接和浸润,极端的情况是处理工程中由于过热而被烧毁,表面构型随着处理时间和温度的变化而变化。在一定程度下轰击面积大小随着处理时间延长而增大,反之,处理时间一定时,轰击表面随温度上升而增加。

50℃下处理15分钟轰炸面积约为φ1μm的面积,75℃下处理15分钟时则会产生φ10μm的轰击面积,长时间在高温下电晕处理PVDF薄膜时粘合强度反而会下降,究其原因是PVDF产生量降解从而形成了弱小键降低了其自粘性。电晕处理单项拉伸和双向拉伸PVDF薄膜后构形变化而影响了其自粘强度。


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