水蒸氣阻隔膜、水蒸氣阻隔膜用分散液、水蒸氣阻隔膜的製造方法、太陽能電池背板和太...的製作方法

2023-10-10 19:29:14 1

水蒸氣阻隔膜、水蒸氣阻隔膜用分散液、水蒸氣阻隔膜的製造方法、太陽能電池背板和太 ...的製作方法
【專利摘要】本發明的目的在於提供柔軟性和耐溼性優異且具有高機械強度的水蒸氣阻隔膜。另外，本發明的目的在於提供用於製造該水蒸氣阻隔膜的水蒸氣阻隔膜用分散液、該水蒸氣阻隔膜的製造方法、使用該水蒸氣阻隔膜而成的太陽能電池背板、使用該水蒸氣阻隔膜或該太陽能電池背板而成的太陽能電池。本發明為水蒸氣阻隔膜，其含有層狀矽酸鹽礦物和合成樹脂，其中，含有非溶脹性粘土礦物和溶脹性粘土礦物作為上述層狀矽酸鹽礦物，上述層狀矽酸鹽礦物的含量相對於水蒸氣阻隔膜的總重量為30重量%以上其90重量%以下，並且該水蒸氣阻隔膜在40℃、90%RH的環境下的水蒸氣透過率為0.5g/m2·日以下。
【專利說明】水蒸氣阻隔膜、水蒸氣阻隔膜用分散液、水蒸氣阻隔膜的製造方法、太陽能電池背板和太陽能電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及具有高機械強度且柔軟性、阻燃性和水蒸氣阻隔性優異的水蒸氣阻隔膜。另外，本發明涉及用於製造該水蒸氣阻隔膜的水蒸氣阻隔膜用分散液、該水蒸氣阻隔膜的製造方法、使用該水蒸氣阻隔膜而成的太陽能電池背板、使用該水蒸氣阻隔膜或該太陽能電池背板而成的太陽能電池。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著電子設備領域的小型化、薄膜化、高性能化，需求柔性且耐熱性、耐化學品性、耐水解性、阻燃性、不燃性、尺寸穩定性和水蒸氣阻隔性優異的高性能膜。
[0003]迄今，電子器件用膜主要使用有機高分子材料作為基材來進行製造。作為具有阻氣性的膜，一般來說是以高分子樹脂膜作為基材且在該高分子樹脂膜的單面或雙面上形成有阻氣層的膜。作為該阻氣層，通過CVD法、PVD法等各種方法來形成由氧化鋁、二氧化矽、氮化矽等構成的阻氣層。
[0004]作為耐熱性膜，例如已開發出使用了氟樹脂的膜、薄板玻璃，但是氟樹脂不僅價格昂貴，而且尺寸穩定性差，水蒸氣阻隔性也低。還存在最高使用溫度低至200°C左右而無法在高溫下使用的缺點。對於有機高分子材料的耐熱性來說，耐熱性最高的工程塑料的最高使用溫度約為350°C，無法用於在更高溫度下需要阻隔氣體、阻隔水蒸氣的用途。另外，薄板玻璃廉價且耐熱性和水蒸氣阻隔性非常優異，但是柔軟性不足。因此，作為具有高溫下的阻氣性、水蒸氣阻隔性的材料，必須使用無機系片材或金屬片材。
[0005]無機系片材是將雲母、蛭石等天然或合成礦物加工成片狀而成的，這些無機系片材具有高耐熱性，作為壓蓋填料而被用作暫時的氣封部件。然而，這些無機片材存在如下問題:難以緻密地進行成型，無法 完全截斷微小的氣體分子的流動路徑，氣體阻隔性並不是那麼高，而且沒有柔軟性。
[0006]另外，金屬片材的氣體阻隔性優異，但在耐候性、電絕緣性、耐化學品性等方面存在難點，其用途受到限制。例如，在太陽能電池等苛刻的環境下使用的器件的保護膜或背板要求耐候性(耐紫外線、耐溼、耐熱、耐鹽蝕等)、水蒸氣阻隔性、電絕緣性、機械強度、耐化學品性、與封裝材料的接合性等。即使是對於氣體阻隔性來說，也需求比以往材料更能夠在嚴苛環境下使用的膜。
[0007]通常被廣泛使用的聚醯亞胺膜等塑料膜柔軟但水蒸氣阻隔性和耐熱性差，近年來，進行了很多通過混合合成樹脂和無機化合物來製作更高性能的膜的嘗試。然而，隨著無機化合物的混配量的增加，耐熱性提高，但是相反地柔軟性和機械強度變差，因此難以製造柔軟性、水蒸氣阻隔性優異且具有高機械強度的膜。
[0008]另外，已報導了在聚醯亞胺樹脂中混配了粘土等無機化合物的膜，但是無機化合物通常不能與聚醯亞胺樹脂均勻地混合，無機化合物發生分離因而得不到均勻的膜。在專利文獻I~4中公開了一種膜，其中，為了得到聚醯亞胺與無機化合物的均勻的分散液，製備將粘土的層間離子交換為有機離子而成的物質作為添加劑，從而製作了所述膜，但是粘土中含有有機物，因此存在所製作的膜的耐熱性低、接觸明火時會發生燃燒這樣的缺點。進一步還存在水蒸氣阻隔性不高的缺點。
[0009]另外，專利文獻5、6中公開了一種膜，其是使用不揮發成分為膜用分散液的總量的5重量％以下這樣的稀薄分散液製作而成，但是只能得到無機化合物含量為總不揮發成分的8重量％以下的膜，並且有機成分佔大多數，因此耐熱性差。
[0010]進一步，專利文獻7、8中公開了一種無機化合物含量相對於總不揮發成分為80重量％以上的膜。然而，存在如下問題:所得到的膜容易破損，機械強度低，因此操作性差，難以處理。進一步存在難以使膜具有較厚的厚度、在試圖製作比40 μ m厚的膜時會產生龜裂、裂紋這樣的缺點。
[0011]另一方面，專利文獻9中公開了如下技術:在由利用聚氨酯系接合劑將至少2層以上的基材貼合而成的層積體構成的太陽能電池背板中，提高聚氨酯系接合劑在85°C、85%RH的條件下的促進試驗中的耐久性。
[0012]然而，即便使用專利文獻9中公開的技術，由於使用了接合劑，因而耐久性不足。
[0013]現有技術文獻
[0014]專利文獻
[0015]專利文獻1:日 本特開2003-340919號公報
[0016]專利文獻2:日本特開2002-322292號公報
[0017]專利文獻3:日本特開2003-342471號公報
[0018]專利文獻4:日本專利第3744634號公報
[0019]專利文獻5:日本特表2010-533213號公報
[0020]專利文獻6:日本特表2010-533362號公報
[0021]專利文獻7:日本特開2006-77237號公報
[0022]專利文獻8:日本特開2011-1237號公報
[0023]專利文獻9:日本特開2008-4691號公報

【發明內容】

[0024]發明要解決的課題
[0025]本發明的目的在於提供一種具有高機械強度且柔軟性、阻燃性和水蒸氣阻隔性優異的水蒸氣阻隔膜。另外，本發明的目的在於提供用於製造該水蒸氣阻隔膜的水蒸氣阻隔膜用分散液、該水蒸氣阻隔膜的製造方法、使用該水蒸氣阻隔膜而成的太陽能電池背板、使用該水蒸氣阻隔膜或該太陽能電池背板而成的太陽能電池。
[0026]用於解決問題的手段
[0027]本發明為水蒸氣阻隔膜，其含有層狀矽酸鹽礦物和合成樹脂，其中，含有非溶脹性粘土礦物和溶脹性粘土礦物作為上述層狀矽酸鹽礦物，上述層狀矽酸鹽礦物的含量相對於水蒸氣阻隔膜的總重量為30重量％以上且90重量％以下，並且該水蒸氣阻隔膜在40°C、90%RH的環境下的水蒸氣透過率為0.5g/m2 ?日以下。
[0028]以下詳細描述本發明。
[0029]本發明人發現，通過混配特定量的含有非溶脹性粘土礦物和溶脹性粘土礦物的層狀矽酸鹽礦物，可以得到具有高機械強度且柔軟性、阻燃性和水蒸氣阻隔性優異的水蒸氣阻隔膜，從而完成了本發明。
[0030]迄今為止的水蒸氣阻隔膜為了發揮水蒸氣阻隔性而使用了溶脹性粘土礦物。已知溶脹性粘土礦物具有層間離子，因而會在分散介質中發生溶脹和剝離，在除去分散介質過程中逐漸層積，發揮阻水蒸氣等阻氣性。然而，對於使用了溶脹性粘土礦物的膜(例如由溶脹性粘土礦物、非溶脹性粘土礦物和合成樹脂構成的複合膜)來說，難以製備均勻的分散液，並且難以形成均勻的膜。另外，使用了溶脹性粘土礦物的膜通常難以增厚，並且在制膜過程中會發生龜裂、裂紋，因而難以製作40 μ m以上厚度的膜。
[0031]另外，非溶脹性粘土礦物通常無法得到板狀結晶發生了高取向化的膜，因此難以使用非溶脹性粘土礦物製作具有高水蒸氣阻隔性的膜。因此，首先本發明人發現:通過使用特定混合方法可以製備含有特定量的溶脹性粘土礦物和非溶脹性粘土礦物的均勻的分散液；進一步，更令人吃驚的是，本發明人發現單純使用非溶脹性粘土礦物無法形成板狀晶體發生了高取向化的膜，但通過使用該均勻的分散液，可形成包括非溶脹性粘土礦物在內的所有粘土礦物發生了高取向化的膜，由此發揮高的水蒸氣阻隔性。由此，本發明人成功地開發出一種具有高機械強度且柔軟性、阻燃性和水蒸氣阻隔性優異的水蒸氣阻隔膜。
[0032]本發明的水蒸氣阻隔膜含有層狀矽酸鹽礦物。
[0033]本發明的水蒸氣阻隔膜含有非溶脹性粘土礦物和溶脹性粘土礦物作為上述層狀矽酸鹽礦物。
[0034]需要說明的是 ，本說明書中的上述「非溶脹性」是指在加入至水、有機溶劑中時幾乎不溶脹。具體是指溶脹力低於5mL/2g。
[0035]對於上述「溶脹力」來說，利用基於日本膨潤土工業會標準試驗方法(日本~ > 卜f ^卜工業會標準試験方法)JBAS-104-77、膨潤土(粉狀)的溶脹力測定方法的方法，向加入有IOOmL水的IOOmL容量的量筒中一點一點地加入粘土礦物的粉末2.0g使其自然沉降並發生溶脹，讀出溶脹後的粘土礦物的表觀體積，由此測定溶脹力。
[0036]不含有上述非溶脹性粘土礦物而僅含有溶脹力為5mL/2g以上的溶脹性粘土礦物時，在分散介質中的分散性變差，膜的表面平坦性變差。上述非溶脹性粘土礦物的溶脹力的優選的上限為4mL/2g、更優選的上限為3mL/2g。對於溶脹力的下限沒有特別限定，但從實用性方面的觀點出發，上述非溶脹性粘土礦物的溶脹力的優選的下限為0.5mL/2g。
[0037]作為非溶脹性粘土礦物，例如可以舉出天然或合成的雲母、滑石、高嶺土、葉臘石等。其中，從所得到的膜的機械強度和水蒸氣阻隔性的觀點出發，優選為層電荷數為O的粘土礦物，更優選為選自由滑石、高嶺土、葉臘石組成的組中的至少I種。上述非溶脹性粘土礦物既可以單獨使用，也可以合用2種以上。
[0038]本說明書中，上述「溶脹性」是指在加入至水、有機溶劑中時發生溶脹。上述溶脹性粘土礦物的層間存在鈉離子等離子，溶脹性粘土礦物因這些離子與溶劑的親合力而發生溶脹。具體是指上述的溶脹力高於5mL/2g。
[0039]不含有上述溶脹性粘土礦物而僅含有溶脹力低於5mL/2g的非溶脹性粘土礦物時，所得到的膜中的粘土礦物的層積化變差，水蒸氣透過率變大。上述溶脹性粘土礦物的溶脹力的優選的下限為18mL/2g、更優選的下限為50mL/2g、進一步優選的下限為80mL/2g。對於溶脹力的上限沒有特別限定，但從實用性方面的觀點出發，上述溶脹性粘土礦物的溶脹力的優選的上限為105mL/2g。
[0040]作為上述溶脹性粘土礦物，例如可以舉出蛭石、蒙脫石、貝得石、皂石、鋰蒙脫石、富鎂蒙脫石、伊萊利石)、水矽鈉石、伊利石、絹雲母。另外，作為市售品，例如可以舉出SOMASIF(Co-op Chemical 公司製造)、KUNIPIA(Kunimine Industries 公司製造)等，優選使用KUNIPIA。其中，從所得到的膜的平滑性和水蒸氣阻隔性的觀點出發，優選為每1/2單位晶胞的層電荷數為0.2~0.6的粘土礦物，更優選為選自由蒙脫石、皂石、鋰蒙脫石和富鎂蒙脫石組成的組中的至少I種。上述溶脹性粘土礦物既可以單獨使用，也可以合用2種以上。
[0041]以提高分散液的分散性為目的，上述溶脹性粘土礦物優選為與甲矽烷基化劑反應而進行了改性的溶脹性粘土礦物。
[0042]作為上述甲矽烷基化劑，例如可以舉出甲基三甲氧基矽烷、甲基三乙氧基矽烷、丙基二甲氧基矽烷、丁基二甲氧基矽烷、己基二甲氧基矽烷、羊基二甲氧基矽烷、十二烷基二甲氧基矽烷、十八烷基二甲氧基矽烷等。
[0043]以提高溶脹性和耐水性為目的，上述溶脹性粘土礦物優選為交換過層間陽離子的溶脹性粘土礦物。
[0044]作為上述層間陽離子，優選交換為例如鈉離子、鋰離子、鎂離子、鉀離子、鈣離子等金屬離子；銨離子化合物、鱗鎗離子化合物等的鎗離子；氫離子；等等。層間離子更優選為I價的鈉離子、鋰離子、鉀離子、銨離子化合物、鱗鎗離子化合物、氫離子等。從提高耐水性效果的觀點出發，進一步優選交換為鋰離子。
[0045]上述層狀矽酸鹽礦物的平均粒徑也會導致所得到的水蒸氣阻隔膜的性質發生變化，因而層狀矽酸鹽礦物優選在選擇了粒徑的基礎上進行使用。
[0046]上述溶脹性粘土礦物的平均粒徑的優選的下限為0.01 μ m，優選的上限為50 μ m。若上述溶脹性粘土礦物的平均粒徑小於0.01 μ m，則有時會導致膜中的粘土礦物的層積化變差，水蒸氣透過率增加。上述溶脹性粘土礦物的平均粒徑超過50 μ m時，有時會導致所得到的膜的表面平坦性變差。上述溶脹性粘土礦物的平均粒徑的更優選的下限為0.05 μ m、更優選的上限為20 μ m、進一步優選的下限為0.1 μ m、進一步優選的上限為15 μ m。
[0047]另外，上述非溶脹性粘土礦物的平均粒徑的優選的下限為0.1 μ m、優選的上限為50 μ m。上述非溶脹性粘土礦物的平均粒徑小於0.1 μ m時，有時會導致所得到的膜的機械強度變差。上述非溶脹性粘土礦物的平均粒徑超過50 μ m時，有時會導致所得到的膜的表面平坦性變差。上述非溶脹性粘土礦物的平均粒徑的更優選的下限為0.2 μ m、更優選的上限為20 μ m、進一步優選的下限為0.5 μ m、進一步優選的上限為15 μ m。
[0048]需要說明的是，上述溶脹性粘土礦物、上述非溶脹性粘土礦物的平均粒徑可以通過使用雷射衍射式粒度分布計等測定粒度分布從而求出。
[0049]相對於水蒸氣阻隔膜的總重量，上述層狀矽酸鹽礦物的含量的下限為30重量％、上限為90重量％。若上述層狀矽酸鹽礦物的含量低於30重量％，則不僅所得到的膜的水蒸氣透過率升高，耐熱性也變差。若上述層狀矽酸鹽礦物的含量超過90重量％，則有時會導致所得到的膜的機械強度變差。上述層狀矽酸鹽礦物的含量的優選的下限為35重量％、優選的上限為85重量％、更優選的下限為40重量％、更優選的上限為80重量％、進一步優選的下限為50重量％、進一步優選的上限為70重量％、特別優選的下限為60重量％。
[0050]相對於層狀矽酸鹽礦物的總重量，上述溶脹性粘土礦物的含量的優選的下限為2重量％、優選的上限為80重量％。若上述溶脹性粘土礦物的含量低於2重量％，則有時會導致所得到的膜的水蒸氣透過率升高。若上述溶脹性粘土礦物的含量超過80重量％，則有時會導致所得到的膜的機械強度變差。上述溶脹性粘土礦物的含量的更優選的下限為5重量％、更優選的上限為70重量％、進一步優選的下限為10重量％、進一步優選的上限為60重量％、特別優選的下限為20重量％、特別優選的上限為50重量％。
[0051]即，以重量比計，上述非溶脹性粘土礦物與上述溶脹性粘土礦物之比優選為98:2~20:80。若上述非溶脹性粘土礦物的比例小於20%，則有時會導致所得到的膜的機械強度變差。若上述溶脹性粘土礦物的比例超過98%，則有時會導致所得到的膜的水蒸氣透過率升高。
[0052]本發明的水蒸氣阻隔膜含有合成樹脂。
[0053]對於上述合成樹脂沒有特別限定，例如可以舉出聚醯亞胺樹脂、聚醯胺醯亞胺樹月旨、醇酸樹脂、聚氨酯樹脂、環氧樹脂、氟樹脂、丙烯酸系樹脂、甲基丙烯酸系樹脂、酚醛樹月旨、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚乙烯樹脂、三聚氰胺樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚碸樹脂、聚芳酯樹月旨、聚醚碸樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚苯並噁唑樹脂、聚苯並咪唑樹脂等。其中，從耐熱性的觀點出發，上述合成樹脂優選為耐熱性合成樹脂，並且優選為超級工程塑料(SUPERENPLA)。
[0054]作為上述耐熱性合成樹脂，例如可以舉出聚醯亞胺樹脂、聚醯胺醯亞胺樹脂、氟樹月旨、聚苯硫醚樹脂、聚碸樹脂、聚芳酯樹脂、聚醚碸樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚苯並噁唑樹脂、聚苯並咪唑樹脂等。其中，出於使所得到的阻燃膜的制膜性、耐熱性和機械強度特別優異的考慮，優選使`用聚醯亞胺樹脂和/或聚醯胺醯亞胺樹脂。
[0055]上述聚醯亞胺樹脂為具有下述式(I)的重複結構的化合物，上述聚醯胺醯亞胺樹脂為具有下述式(2)的重複結構的化合物。
[0056][化學式I]
[0057]
【權利要求】
1.一種水蒸氣阻隔膜，其含有層狀矽酸鹽礦物和合成樹脂，其特徵在於，該水蒸氣阻隔膜含有非溶脹性粘土礦物和溶脹性粘土礦物作為所述層狀矽酸鹽礦物，所述層狀矽酸鹽礦物的含量相對於水蒸氣阻隔膜的總重量為30重量％以上且90重量％以下，並且該水蒸氣阻隔膜在40°C、90%RH的環境下的水蒸氣透過率為0.5g/m2.日以下。
2.如權利要求1所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，所述非溶脹性粘土礦物為選自由滑石、高嶺土和葉臘石組成的組中的至少I種。
3.如權利要求1或2所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，所述溶脹性粘土礦物為選自由蒙脫石、皂石、鋰蒙脫石和富鎂蒙脫石組成的組中的至少I種。
4.如權利要求1、2或3所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，所述溶脹性粘土礦物的含量相對於層狀矽酸鹽礦物的總重量為2重量％以上且80重量％以下。
5.如權利要求1、2、3或4所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，所述合成樹脂為耐熱性合成樹脂。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，所述耐熱性合成樹脂為聚醯亞胺樹脂和/或聚醯胺醯亞胺樹脂。
7.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，該水蒸氣阻隔膜的厚度為10 μ m以上。
8.一種水蒸氣阻隔膜用分散液，其用於製造權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，所述水蒸氣阻隔膜用分散液含有分散介質、屬於不揮發成分的層狀矽酸鹽礦物以及合成樹 脂和/或合成樹脂的前體，所述層狀矽酸鹽礦物的含量相對於不揮發成分的總重量為30重量％以上且90重量％以下。
9.一種水蒸氣阻隔膜的製造方法，其用於製造權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的水蒸氣阻隔膜，其特徵在於，其具有如下工序: 工序I，製備含有分散介質和溶脹性粘土礦物的溶脹性粘土礦物分散液； 工序2，製備含有分散介質、非溶脹性粘土礦物、和合成樹脂和/或合成樹脂的前體的非溶脹性粘土礦物分散液； 工序3，混合溶脹性粘土礦物分散液和非溶脹性粘土礦物分散液製備權利要求8所述的水蒸氣阻隔膜分散液； 工序4，將製備的水蒸氣阻隔膜用分散液鋪展於基板上並靜置；和 工序5，從鋪展於基板上的水蒸氣阻隔膜用分散液除去分散介質而成型為膜狀。
10.如權利要求9所述的水蒸氣阻隔膜的製造方法，其特徵在於，在工序5中，除去分散介質時的溫度為150°C以下。
11.如權利要求9或10所述的水蒸氣阻隔膜的製造方法，其特徵在於，所述基板由玻璃、聚對苯二甲酸乙二酯、聚醯亞胺、聚乙烯或聚丙烯構成。
12.—種太陽能電池背板，其特徵在於，該太陽能電池背板是使用權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的水蒸氣阻隔膜而成的。
13.—種太陽能電池，其特徵在於，該太陽能電池是使用權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的水蒸氣阻隔膜或權利要求12所述的太陽能電池背板而成的。
【文檔編號】C08L79/08GK103764730SQ201280040737
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年8月21日 優先權日:2011年8月29日
【發明者】坂東誠二, 見正大祐, 川崎加瑞範, 蛯名武雄, 林拓道, 中村考志, 吉田學 申請人:住友精化株式會社, 獨立行政法人產業技術綜合研究所