光伏背板老化效应对火焰传播动力学的影响：材料降解与火灾安全性能的系统研究

本研究针对光伏(PV)系统背板材料在环境老化后防火性能下降的安全隐患，通过加速老化实验结合FTIR、DSC、TGA等多维表征技术，首次量化了6周老化背板火焰传播速度提升46%的临界现象，揭示了聚合物链断裂与Ar-CH3基团形成是火灾风险升高的分子机制，为IEC 61215标准修订提供了关键实验依据。

　　

在全球能源转型背景下，光伏(PV)系统已占据可再生能源37%的装机容量，但其长期暴露于户外环境引发的火灾隐患始终是悬而未决的安全难题。尤其令人担忧的是，2017-2018年间光伏火灾事故呈现爆发式增长，而现行安全标准却未充分考虑材料老化对防火性能的影响。作为光伏组件中最先接触火焰的关键界面，背板材料（包括TPT、KPK和TPE等结构）的环境耐久性直接决定整个系统的防火安全。现有研究多聚焦于新材料的初始性能，对长期风化后材料化学-力学-燃烧特性的协同演变知之甚少，这种认知空白可能导致对实际服役期光伏系统火灾风险的严重低估。

针对这一重大安全缺口，新加坡南洋理工大学Leonard Wei Tat Ng团队在《iScience》发表了开创性研究。研究人员采用工业级TPE和KPK两类背板，通过模拟紫外辐射/冷凝循环的加速老化装置（遵循IEC 61215标准），构建了0-6周梯度老化样本库。运用时间-标记点法(TTM)定量火焰传播速率，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析分子结构变化，差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)追踪热学特性演变，辅以扫描电镜(SEM)观察表面形貌和拉伸测试评估力学性能，系统揭示了老化背板火灾动力学恶化的多尺度机制。

材料表征揭示降解机制

FTIR光谱在2,928 cm^-1处新出现的Ar-CH₃特征峰，证实聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)分子链发生光解断裂。3,490 cm^-1处羟基峰消失则提示水解反应持续消耗活性基团，这种双重降解在KPK背板中尤为显著。SEM图像清晰显示老化6周的样本表面出现粉化脱落和微裂纹网络，为火焰穿透提供了优先路径。

力学性能非线性退化

拉伸测试发现KPK背板经历"中间延展性恢复"的特殊现象：3周老化后应变下降至117%，4.5周时反弹至125%，最终6周回落至114%。这种非单调变化源于紫外线诱导的交联（提升刚性）与水解链断裂（增加分子流动性）的竞争机制。值得注意的是，KPK背板拉伸强度暴跌17.9%，远高于TPE的2.8%降幅，表明多层结构对环境应力更为敏感。

火灾动力学显著恶化

TTM方法量化显示，6周老化背板的火焰传播速度飙升46%，仅需10秒即蔓延45mm，而原始材料需16秒。DSC曲线中KPK背板28.57 J/g的熔融焓提升，暗示紫外线诱导结晶可能额外储存了燃烧所需能量。尽管TGA显示初始分解温度保持稳定（422-435°C），但FTIR检测到的低分子量降解产物显著降低了引燃阈值。

这项研究首次建立了光伏背板"分子降解-力学失效-火灾加速"的完整关联链条，其核心价值在于三方面突破：实验证实现行IEC标准忽略老化效应的安全评估存在重大漏洞；提出的TTM方法为组件级防火测试提供新范式；发现的中间延展性恢复现象为聚合物降解理论补充了新认知。作者特别强调，6周加速老化仅相当于户外暴露2-3年，而光伏系统设计寿命达25年以上，这意味着实际火灾风险可能远超预期。该成果不仅为修订安全标准提供数据支撑，更警示行业必须开发新型耐候性防火背板材料，这对保障全球光伏基础设施的长期安全运行具有深远意义。