Um estudo dos mecanismos de degradação em PVDF

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14399 (2022) Citar este artigo

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Backsheets comerciais baseados em fluoreto de polivinilideno (PVDF) podem sofrer falhas de campo prematuras na forma de rachaduras na camada externa. Este trabalho busca fornecer uma melhor compreensão das mudanças nas propriedades dos materiais que levam à formação de trincas e encontrar testes acelerados apropriados para replicá-las. A camada externa da folha traseira baseada em PVDF pode ter uma estrutura e composição diferentes e é frequentemente misturada com um polímero de poli(metacrilato de metila) (PMMA). Observamos a depleção de PMMA após o envelhecimento com testes de estresse acelerado sequencial (MAST) e combinado (C-AST). Em amostras envelhecidas em campo do Arizona e da Índia, onde o PVDF cristaliza em sua fase α predominante, o grau de cristalinidade aumentou consideravelmente. Os protocolos MAST e C-AST foram, até certo ponto, capazes de replicar o aumento da cristalinidade observado no PVDF após ~ 7 anos no campo, mas nenhuma condição de teste de estresse único (UV, calor úmido, ciclagem térmica) resultou em mudanças significativas nas propriedades do material. O regime MAST usado aqui foi muito extremo para produzir uma degradação realista, mas o teste foi útil para descobrir os pontos fracos da estrutura da camada externa baseada em PVDF específica estudada. Nenhuma formação excessiva de fase β foi observada após envelhecimento com qualquer condição de teste; no entanto, a presença da fase β foi identificada localmente por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). Concluímos que tanto o MAST quanto o C-AST são testes relevantes para a triagem de mecanismos de falha externa em backsheets de PVDF, pois foram bem-sucedidos em produzir degradação do material que levou a rachaduras.

As folhas traseiras constituem a camada de proteção mais externa do lado traseiro para os componentes ativos dos módulos fotovoltaicos (PV) padrão. Um tipo típico de folha traseira é constituído por uma folha polimérica laminada multicamada opaca na parte de trás do módulo. Uma camada de núcleo mais espessa fornece propriedades isolantes e resistência mecânica. Camadas internas e externas mais finas são projetadas para boa adesão ao encapsulante e resistência ao ambiente externo. Polietileno tereftalato (PET) é uma escolha popular para a camada de núcleo, e fluoropolímeros, como fluoreto de polivinila (PVF) e fluoreto de polivinilideno (PVDF), são comumente usados ​​para as camadas internas/externas da folha traseira. Neste trabalho, vamos nos concentrar na estrutura de backsheet baseada em PVDF (ou seja, backsheets contendo pelo menos uma camada de polímero PVDF). As folhas traseiras baseadas em PVDF representam atualmente cerca de 50% da participação no mercado mundial1. O PVDF é um fluoropolímero termoplástico semicristalino formado por ligações covalentes C–H e C–F. O PVDF possui alta pureza, excelente inércia química, resistência à abrasão mecânica e estabilidade UV2,3. Alta eletronegatividade e energia de dissociação da ligação C-F garantem boa estabilidade térmica do polímero4. Como é comum em muitos polímeros, o PVDF pode ter diferentes conformações de cadeia molecular, ou seja, orientação alternada de unidades –CF2– e –CH2–. Quando os dipolos C-F são orientados na mesma direção (conformação zig-zag transplanar, TTTT), o polímero está em sua fase β PVDF cristalina. No caso do empacotamento dipolo C–F antiparalelo, o polímero está em sua fase α apolar (conformação TGTG')5,6,7. As conformações das cadeias α e β do PVDF são visualizadas em um esquema na Fig. 1. A fase α é a fase mais comum, pois pode ser obtida por cristalização a partir do fundido. A fase β pode ser formada por deformação mecânica via desenho uniaxial ou biaxial da fase α abaixo de 100 °C6. Em condições especiais, o PVDF pode formar outros polimorfos (γ, δ e ε), mas estes são menos comuns8.

Esquema da conformação da cadeia molecular das fases α e β do PVDF.

Para complicar ainda mais nossa compreensão dos polímeros nas folhas traseiras, a camada externa de PVDF é um material complexo que contém pigmentos e aditivos e também é tipicamente misturado com polímeros acrílicos [por exemplo, poli(metacrilato de metila) (PMMA)]9,10, 11,12. Dependendo do fabricante, processo de fabricação e composição, a camada pode ter diferentes propriedades físicas e mecânicas. Verificou-se que backsheets baseados em PVDF em módulos fotovoltaicos implantados falham prematuramente. A falha aqui é definida como rachadura. Rachaduras na folha traseira podem não apenas comprometer a potência operacional do módulo, permitindo maior entrada de umidade e oxigênio, mas também apresentam um risco elétrico ao expor os componentes de alta tensão. Em um estudo de campo recente conduzido pela DuPont, 23% dos módulos contendo PVDF investigados estavam com defeito no 9º ano de implantação13. Rachaduras foram observadas ao longo dos barramentos; no entanto, nenhuma correlação clara com um clima particular foi encontrada.