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Jul 05, 2023

Einführung in die Verwendung von EVA bei der Glaslaminierung

Datum: 15. Dezember 2022 Verkapselungen auf EVA-Basis werden in der Photovoltaikindustrie häufig verwendet, aber auch für bestimmte Architekturglasanwendungen könnte es interessant sein, EVA-Zwischenschichten in Betracht zu ziehen.

Datum: 15. Dezember 2022

Einkapselungsmittel auf EVA-Basis werden in der Photovoltaikindustrie häufig verwendet, aber auch für bestimmte Architekturglasanwendungen könnte es interessant sein, EVA-Zwischenschichten in Betracht zu ziehen. Diese Materialien stellen keine direkte Konkurrenz zu den weit verbreiteten PVB-Zwischenschichten für Sicherheitsglas dar, finden jedoch Anwendung in bestimmten Nischenprojekten, bei denen die spezifische Beschaffenheit von (formulierten) EVA-Polymeren von Vorteil sein kann. Im Folgenden wird der chemische Hintergrund von EVA-Polymerzwischenschichten diskutiert. Da es wichtige Unterschiede zwischen der Chemie von EVA und PVB gibt, ist es wichtig, tiefer in die chemischen Aspekte einzutauchen, um ein besseres Verständnis für die Anwendung und Verarbeitung dieses Polymers zu erhalten. Anschließend werden die typischen Eigenschaften des Materials mit den PVB-Eigenschaften verglichen. Anhand dieser Informationen wird deutlich, in welchen typischen Nischenanwendungen der Einsatz von EVA von Vorteil sein kann. Abschließend wird die Verarbeitung von EVA besprochen und einige typische Techniken zur Qualitätsbewertung, die in der PVB-Analyse nicht häufig verwendet werden, kurz besprochen.

EVA steht für Ethylen-Vinylacetat-Copolymer. Abbildung 1 zeigt die Struktur dieses Polymers.

Das Polymer gehört zur breiten Polyolefinfamilie, in der sich Ethylenbausteine ​​(x) mit Vinylacetatblöcken (y) abwechseln. Die Menge der Vinylacetatanteile bzw. der VA-Gehalt bestimmt die Eigenschaften des Polymers und liegt typischerweise im Bereich von 4 % bis 40 %. Je niedriger der VA-Gehalt ist, desto mehr ähnelt das EVA den Eigenschaften eines Polyethylens, das ein typischerweise kristallines Polymer ist. Je höher der VA-Gehalt ist, desto amorpher wird das Polymer. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf Eigenschaften wie die Transparenz (je höher der VA-Gehalt, desto transparenter das Polymer) und den Schmelzpunkt (je höher der VA-Gehalt, desto niedriger der Schmelzpunkt). EVAs mit hohem VA-Gehalt sind außerdem weicher und weniger spröde. Für Zwischenschicht- und Solarverkapselungsanwendungen werden EVAs mit hohem VA-Gehalt und einem typischen Wert zwischen 26 und 28 % verwendet. Früher wurden auch Polymere mit 32 – 33 % VA-Gehalt verwendet, diese sind heutzutage jedoch seltener anzutreffen. EVAs mit höherem VA-Gehalt finden normalerweise Anwendung in Leimsystemen.

EVA-Polymere sind thermoplastische Polymere und haben bei einem VA-Anteil zwischen 26 – 28 % einen ausgeprägten Schmelzpunkt zwischen 70 und 75 °C. Oberhalb des Schmelzpunktes befindet sich ein thermoplastisches Polymer in einem geschmolzenen Zustand mit einem ausgeprägten Schmelzfluss, abhängig von den Polymereigenschaften wie Kettenlänge und Polymerkettenverzweigung. Bei den EVA-Typen, die beispielsweise in Bauglasanwendungen verwendet werden, ist der Schmelzfluss recht hoch und beträgt etwa 25 g/10 Min., gemessen mit einem Schmelzflussindexmessgerät, einem speziellen Test zur Messung der Fließeigenschaften von geschmolzene Polymere.

Die niedrige Schmelztemperatur und der hohe Schmelzfluss dieses Materials wirken sich deutlich beim Laminieren aus. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine „flüssigere“ Polymereigenschaft benötigt wird, könnte EVA eine Lösung bieten. Bei Anwendungen, bei denen beispielsweise große Hohlräume gefüllt werden müssen, könnte es interessant sein, EVA in Betracht zu ziehen. Dies erklärt auch, warum das Hauptanwendungsgebiet von EVA-Laminierfolien in der Laminierung kristalliner Photovoltaikmodule liegt, bei denen ein geschmolzenes Polymer Lücken zwischen Zellen füllen muss. Die Anwendung von EVA im Vergleich zu PVB wird später in diesem Dokument besprochen.

Wie beschrieben hat ein niedriger Schmelzpunkt gewisse Auswirkungen auf die Laminierung, beeinflusst aber auch die Lebensdauer des Glaslaminats. In bestimmten Umgebungen kann problemlos eine Temperatur von 75 °C erreicht werden, wobei selbst eine Betriebstemperatur von bis zu 100 °C keine Ausnahme darstellt. Dies kann zum Schmelzen des EVA-Polymers führen und wenn das Laminat nicht richtig durch einen Rahmen geschützt ist, kann es zur Delaminierung der Glasscheiben kommen.

Daher ist für Außenanwendungen die Formulierung von EVA mit einem Vernetzungssystem wünschenswert. Ein solches Vernetzungssystem wird verwendet, um Polymerketten miteinander zu verbinden. Das tatsächliche Schmelzen dieser verknüpften Polymerketten ist nicht mehr möglich und die Zwischenschicht bleibt bei hoher Betriebstemperatur fest. Wie später in diesem Dokument erläutert wird, erfolgt die Vernetzung am Ende des Laminierungszyklus, nach dem Schmelzen und Fließen des EVA. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des Vernetzungsmechanismus.

¹ Zeichnung aus Kap. Hirschl et al., Solar Energy Materials & Solar Cells 152 (2016) 10-20

Der verwendete Vernetzungsinitiator ist ein Peroxid-basiertes System. Abhängig von der spezifischen Art des verwendeten Peroxids kann die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion stattfindet, verändert werden. Man spricht von Standard- (oder normaler) Heilung, schneller Heilung oder sogar ultraschneller Heilung. Für architektonische Anwendungen werden in der Regel langsamer aushärtende Peroxide verwendet, wobei die ultraschnellen Aushärtemechanismen hauptsächlich bei der Laminierung von Photovoltaikmodulen zum Einsatz kommen. Der Laminierprozess bestimmt, welches Peroxid-Härtungssystem verwendet werden kann, da nicht alle Laminierprozesse beispielsweise für eine ultraschnelle Aushärtung geeignet sind.

Ein weiterer wichtiger Unterschied in der Chemie zwischen EVA und PVB ist das Adhäsionssystem. PVB erhält seine Haftung auf Glas hauptsächlich über Wasserstoffbrückenbindungen der Hydroxylgruppen der PVB-Folie zu Silanolgruppen des Glases. Dies bedeutet auch, dass, wenn diesem System zusätzliche Feuchtigkeit zugeführt wird, die H-Brücke zwischen dem Glas und den Hydroxylgruppen des Polymers gestört werden kann. Der Adhäsionsmechanismus von PVB ist daher wasserempfindlich und reversibel. Dies ist bei EVA nicht der Fall. EVA haftet von Natur aus nicht auf Glasoberflächen. Es enthält keine Hydroxylfunktionalität wie PVB. Daher wird dem Polymer ein Organosilan-Haftvermittler zugesetzt. Abbildung 3 zeigt den Mechanismus dieses Organosilan-Haftvermittlers.

Es gibt viel Literatur zu Glasoberflächen, aber für diese Arbeit würde uns das zu weit führen. Im Wesentlichen besteht die Glasoberfläche aus einer sogenannten Gelschicht mit Silanol-Endgruppen und Wasser. Der in die EVA-Zwischenschicht eingemischte Organosilan-Haftvermittler hat zwei Seiten. Die Silanseite reagiert mit den Silanolgruppen auf der Glasoberfläche, was zur Freisetzung von Alkoholen führt. Bei dieser Bindung handelt es sich um eine kovalente, also irreversible Bindung. Dies ist ein großer Unterschied zum zuvor beschriebenen PVB-System. Die andere Seite des Kopplungssystems enthält eine Doppelbindungsfunktionalität, die mit dem EVA-Rückgrat reagieren kann. Auch die organische Seite verheddert sich mit dem EVA-Polymer. Die Silankopplung kann auch zur Bindung an Metalloberflächen genutzt werden und EVA kann auch an anderen Polymeroberflächen haften. Im letzteren Fall ist es jedoch manchmal erforderlich, bestimmte Verbindungsschichtpolymere zu entwerfen, um eine Polymer-Polymer-Verbindung zu ermöglichen.

Im Falle von PVB kann die Haftung auf der Glasoberfläche durch Zugabe bestimmter Salze zur PVB-Matrix fein eingestellt werden. Die Ionen im Salz stören die H-Brücken. Diese Feinabstimmung des Haftungsgrads ist von Vorteil, da sich die PVB-Zwischenschicht bei einem Aufprall auf das Glaslaminat von der Glasoberfläche lösen kann und somit einen Teil der Aufprallenergie absorbiert. In Kombination mit der Tatsache, dass PVB eine hohe Zugfestigkeit aufweist (siehe weiter unten), ist es ein hervorragendes Material für Sicherheitsglasanwendungen. Dies ist im Fall von EVA schwieriger, da Änderungen in der Konzentration des Silan-Haftvermittlers nicht unbedingt linear skalieren. Es handelt sich um einen chemischen Adhäsionsmechanismus und ein bisschen um eine Alles-oder-Nichts-Situation. Man kann das tatsächliche Niveau ein wenig beeinflussen, indem man die Konzentration des Silan-Haftvermittlers im EVA-Polymer reduziert, aber hier führen niedrigere Konzentrationen sehr schnell zu instabilen, unkontrollierbaren Haftungsniveaus. Obwohl die Haftung von EVA-Zwischenschichten auf einer Glasoberfläche relativ hoch ist (> 100 N/cm in einem 180°-Schältest), kann sie nicht einfach kontrolliert werden.

Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, ist die Formulierung von EVA im Zusammenhang mit den Eigenschaften während der Laminierung wichtig. Im Folgenden erfolgt ein kurzer Vergleich mit PVB. Tabelle 1 zeigt einen kurzen Vergleich einiger interessanter Eigenschaften beider Polymere.

Aus Tabelle 1 wird deutlich, dass sich die thermischen Eigenschaften beider Polymersysteme deutlich unterscheiden. Wie bereits erwähnt, ist EVA ein thermoplastisches Polymer, was bedeutet, dass es einen bestimmten Schmelzpunkt hat. Im Prinzip befindet sich das Polymer beim Überschreiten dieses Punktes in einem vollständig geschmolzenen Zustand. Das Gegenteil ist auch der Fall; Wenn das Polymer abgekühlt wird, verfestigt es sich im Prinzip, aber aufgrund des Vorhandenseins eines Peroxid-Vernetzungssystems ist dies bei den meisten kommerziell erhältlichen EVAs, die in Architekturverglasungsanwendungen verwendet werden, nicht mehr der Fall. Es gibt auch EVAs für Innenanwendungen, die kein Vernetzungssystem enthalten, die meisten jedoch Peroxide enthalten.

Nach dem Durchlaufen von etwa 130 °C vernetzt das EVA-Polymer, was ein Schmelzen bei Außenanwendungen verhindert. PVB ist kein reines thermoplastisches Polymer, es hat auch elastische Eigenschaften. Dies bedeutet, dass es keinen eindeutigen Schmelzpunkt und keinen Übergang in einen rein geschmolzenen Zustand gibt. Wenn dieses Material erhitzt wird, wird es immer weicher.

Darüber hinaus ist auch der Unterschied im Schmelzindex (MFI) zwischen beiden Polymeren sehr unterschiedlich. Bei PVB ist sie relativ gering, selbst wenn ein höheres Gewicht von 5 kg aufgebracht wird. Der MFI für EVA liegt angesichts des geringeren Gewichts deutlich höher. Dies bedeutet, dass das EVA-Polymer im geschmolzenen Zustand ebenfalls sehr „flüssig“ ist, während das PVB-Polymer bei höherer Temperatur in einem gummiartigen Zustand vorliegt und viel weniger fließt. Daher eignet sich EVA sehr gut für Anwendungen, bei denen große Hohlräume gefüllt werden müssen. Ein Beispiel ist der Einsatz von Glas mit einer tiefen Oberflächenstruktur, bei der Hohlräume gefüllt werden müssen. Bei (dicken PVB-)Schichten kann die mangelnde Fließfähigkeit dieses Polymers zur Blasenbildung in den Hohlräumen führen. Eine weitere Anwendung findet sich in der Einkapselung von beispielsweise Stoffen oder Metallgeflechten zwischen Zwischenschichten. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel. Aufgrund der hohen Fließfähigkeit von EVA können alle mikroskopisch kleinen Hohlräume effizient gefüllt werden.

Neben dem hervorragenden Fließverhalten von EVA macht auch die im vorherigen Abschnitt erläuterte Haftung an Metallen aufgrund des Silansystems die Einkapselung von Metalleinsätzen und -netzen in Glaslaminaten zu einem typischen Anwendungsgebiet für EVA.

Ein weiterer großer Unterschied in den thermischen Eigenschaften ist die Glasübergangstemperatur (Tg). Bei rohen PVB-Polymeren ist diese ziemlich hoch (ca. 50 °C), was PVB zu einem spröden Polymer macht. Daher wird ein Weichmacher hinzugefügt, um die Tg auf etwa 6–20 °C zu senken. Die Tg für EVA ist sehr niedrig und liegt im Bereich von -40 °C bis -30 °C. Dadurch ist EVA im Vergleich zu PVB ein sehr weiches Material. Die Weichheit hat einerseits Auswirkungen auf mechanische Belastungen, andererseits ist EVA aufgrund der niedrigen Tg sehr gut für Anwendungen bei (sehr) niedrigen Temperaturen geeignet.

Wenn wir die mechanischen Eigenschaften in Tabelle 1 vergleichen, kann auch ein großer Unterschied in der Zugfestigkeit und Dehnung beobachtet werden. Die Zugfestigkeit von PVB ist deutlich höher als die von EVA. Das bedeutet, dass das PVB-Material im Vergleich zu EVA eine zusätzliche Festigkeit aufweist. Außerdem hat EVA eine viel höhere Bruchdehnung, was es zu einem viel flexibleren Material macht. Für Anwendungen mit Schlagfestigkeit ist PVB die bessere Wahl, da es ein stärkeres Zwischenschichtpolymer sein kann. Tabelle 2 zeigt einen Vergleich der Schlagleistung zweier EVA-Marken und einer PVB-Marke.

Beide Polymere zeigen eine ähnliche optische Leistung. Beide Zwischenschichten haben einen Brechungsindex, der nahe am Brechungsindex von Glas (1,52) liegt, wodurch sich diese Materialien besonders für den Einsatz als Zwischenschichtmaterialien eignen. Wie bereits erwähnt, ist EVA ein sehr amorphes Polymer, das eine hohe Lichtdurchlässigkeit und eine geringe Streuung aufweist, die zur Bildung von Trübungen führen kann. Die Transmission von EVA ist mit 91 % sehr gut und macht das Polymer für hochästhetische Anwendungen geeignet, bei denen eine geringe Trübung erwünscht ist. Allerdings hängt viel von der Verarbeitung des Laminats ab, genauer gesagt von der Geschwindigkeit, mit der das Laminat abgekühlt wird. Je langsamer die Geschwindigkeit, desto mehr Zeit haben die Polymere, kleine kristalline Bereiche in der amorphen Masse des Materials zu bilden. Diese mikroskopisch kleinen kristallinen Inseln können Licht streuen und zur Bildung von Trübungen führen. EVA-Zwischenschichten reagieren sehr empfindlich auf dieses Phänomen, da sie einen größeren Polyethylenanteil haben. Deshalb kann bei der Verwendung von EVA als Zwischenschicht eine Zwangskühlung sinnvoll sein, insbesondere in Kombination mit dicken Glasscheiben. Bei kontrollierter Kühlung können mit EVA aufgrund seiner amorphen Struktur kristallklare Laminate erhalten werden.

Der Gelbstich bzw. die Farbe im Allgemeinen bei PVB kann viele Ursachen haben, angefangen bei der verarbeitungsbedingten Verschlechterung bis hin zur Farbe, die durch bestimmte Zusatzstoffe im Polymer verursacht wird. Die Erörterung der Farbe in Zwischenschichten liegt außerhalb des Rahmens dieses Dokuments, aber im Allgemeinen muss die Farbe vom Hersteller der Zwischenschicht gut kontrolliert werden. Dies geschieht durch die Steuerung des Herstellungsprozesses, aber auch durch die Auswahl der richtigen Additive in der Zwischenschichtformulierung. Dies gilt sicherlich auch für EVA. In der Vergangenheit hatte EVA den schlechten Ruf, leicht gelb oder sogar braun zu werden. Das Polymer enthält Acetatgruppen und aufgrund der Hitze- und Feuchtigkeitshydrolyse dieser Gruppen kann es zur Bildung von Essigsäure kommen, die schwere chemische Reaktionen hervorrufen kann. Darüber hinaus können auch nicht umgesetzte Peroxide Probleme verursachen. Insbesondere in Kombination mit anderen Polymeren oder Metallen kann es zu starker Blasenbildung und Verfärbung kommen. Heutzutage ist die Verfärbung von EVA weniger ein Thema, da moderne Stabilisierungsadditive den Polymerabbau viel besser vermitteln können, dennoch sollte man wachsam sein, da nicht alle Hersteller von EVA-Zwischenschichten die gleichen hohen Qualitätsstandards haben.

Über die Feuchtigkeitsaufnahme von Zwischenschichten wurde bereits viel geschrieben. Es ist bekannt, dass PVB im Laminat feuchtigkeitsempfindlich ist. Wenn offene Laminatkanten entwickelt werden müssen, ist besondere Aufmerksamkeit erforderlich. Wie bereits erwähnt, ist der Adhäsionsmechanismus von PVB an Glas aufgrund der H-Bindungen auf der Glasoberfläche reversibel. PVB wird vom Hersteller mit einem bestimmten angepassten Feuchtigkeitsgehalt geliefert. Dieser angepasste Feuchtigkeitsgehalt ist wichtig, da er den anfänglichen Haftungsgrad im Laminat bestimmt. Darüber hinaus geht aus Tabelle 1 hervor, dass PVB ziemlich viel Feuchtigkeit aufnehmen kann, wenn man die Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR) und die Feuchtigkeitsaufnahme dieses Polymers betrachtet. Beispielsweise kann bei Anwendungen mit offenen Kanten Feuchtigkeit aufgenommen werden, wodurch das PVB während der Lebensdauer des Laminats aufquillt und die Haftung verringert.

Beim erneuten Austrocknen der Kanten schrumpft die PVB-Zwischenschicht und es entsteht ein fortschreitender Haftungsriss zwischen Glas und Zwischenschicht. Bei EVA ist das anders. EVA wird möglichst trocken hergestellt. Feuchtigkeit wird unbedingt vermieden, wenn auch das Abschrecken des Materials nach der Extrusion möglichst trocken erfolgt. Dies liegt daran, dass der Organosilan-Haftvermittler nicht mit Feuchtigkeit reagieren sollte, bevor er mit der Glasoberfläche reagieren kann. Nach der Verarbeitung ist die Verbindung zwischen Glas und EVA irreversibel. EVA, ein Polyolefin-Material, nimmt Wasser nicht so leicht auf wie PVB (wie in Tabelle 1 zu sehen ist) und wenn dies der Fall ist, ist die Klebeverbindung zwischen der Glasoberfläche und der Zwischenschicht wesentlich widerstandsfähiger. EVA ist ein geeignetes Material für Open-Edge-Anwendungen. Mit der geringeren Feuchtigkeitsaufnahme von EVA sind die besseren elektrischen Isolationseigenschaften verbunden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass EVA im Vergleich zu PVB deutlich andere Eigenschaften aufweist. Beide Zwischenschichtmaterialien haben ihr spezifisches Anwendungsgebiet. Als starkes, weniger flexibles und härteres Material eignet sich PVB besonders für Sicherheitsglasanwendungen. Das Material kann Stöße sehr gut absorbieren und, wie im vorherigen Abschnitt besprochen, kann die Haftung so fein eingestellt werden, dass es sich bei einem Aufprall vom Glas lösen kann. EVA hingegen ist ein weiches, transparentes Material mit hervorragenden Fließeigenschaften. Sein Adhäsionssystem ist irreversibel und nicht so empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. All dies ist besonders interessant für dekorative und ästhetische Anwendungen, bei denen man beispielsweise alle Arten von Einlagen (Stoffe, Metallgeflechte, Metalleinlagen, Polyesterfolien, …) in einem Laminat verkapseln möchte.

Generell sind viele verschiedene Farben und Designs auf dem Markt erhältlich und daher ist EVA insbesondere für Designelemente im Innen- und Außenbereich eine interessante Alternative zu PVB. Der mit Abstand größte Markt für EVA-Folien ist der Photovoltaikmarkt (auf den in diesem Artikel nicht eingegangen wird). Aufgrund des hohen Fließvermögens (Füllen von Lücken zwischen kristallinen Zellen und Anschlüssen), des Vernetzungssystems (lange Lebensdauer unter schwierigen Bedingungen) und der sehr guten elektrischen Eigenschaften eignet sich dieses Polymer besonders für diese Anwendung, obwohl auch bestimmte Projekte im Architekturmarkt davon profitieren können auch aus dieser Zwischenschicht.

Handhabung und Aufbau

EVA ist feuchtigkeitsempfindlich, wenn es noch nicht laminiert ist. Daher wird im Allgemeinen eine feuchtigkeitsdichte, mit Aluminium ausgekleidete Verpackung verwendet, obwohl auch undurchsichtige Polyethylenbeutel verwendet werden. Die Folien müssen in diesen feuchtigkeitsdichten Beuteln gelagert werden und die Temperatur im Lagerraum muss unter 35 °C liegen, um ein Blockieren der Rolle zu vermeiden. Eine Lagerung der Rollen in einem Kühllager wie bei PVB ist jedoch nicht erforderlich. Die Temperatur kann zwar zur Selbstklebung führen, diese ist jedoch nicht in der gleichen Größenordnung wie bei PVB. Falls die Temperatur nicht unter 35°C geregelt werden kann (warme, tropische Regionen), wird empfohlen, EVA mit einer dünnen Zwischenfolie zu bestellen, aber im Allgemeinen ist dies nicht notwendig.

Der Haltbarkeit dieser Zwischenschicht muss jedoch besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Für PVB beträgt die „empfohlene Haltbarkeitsdauer“ im Allgemeinen 3 Jahre, für EVA gilt dies aufgrund des Haftvermittlers und des Vernetzungssystems jedoch nicht. Beides sind empfindliche Zusatzstoffe und können sich in der nicht verarbeiteten Folie mit der Zeit schnell zersetzen. Daher empfehlen die meisten EVA-Folienhersteller eine Haltbarkeit von 9 Monaten bis maximal einem Jahr, was deutlich kürzer als bei PVB ist. Eine häufig gestellte Frage ist, ob EVA nach dem Ablaufdatum noch verarbeitet werden kann. Dies sollte vermieden werden, denn neben der Tatsache, dass der Hersteller keine Garantie mehr gibt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich bei der Verarbeitung oder sogar während der Lebensdauer des Laminats Blasen bilden können, recht groß. Darüber hinaus ist es möglich, dass abgelaufene Materialien eine geringe Haftung aufweisen.

Für die Handhabung von EVA im Laminierraum sind keine besonderen Anforderungen erforderlich. Eine Klimatisierung oder Feuchtigkeitskontrolle ist im Allgemeinen nicht unbedingt erforderlich, es muss jedoch vermieden werden, dass Feuchtigkeit auf der EVA-Folie kondensieren kann, was auch bei der PVB-Verarbeitung gilt. Wenn EVA-Material aus der Verpackung genommen wird, sollte es sofort verwendet werden und übrig gebliebene Materialien sollten nach Gebrauch wieder verpackt werden. Als allgemeine Faustregel kann man sagen, dass das EVA nicht länger als 8 Stunden im Freien bleiben sollte.

Beim Auflegen der Folie ist es bei EVA üblich, die Folie auf die gleiche Breite wie die Glasscheibe zu schneiden. Teilweise dürfen maximal 5 mm herausragen, meist aber nicht mehr. EVA schrumpft und verformt sich nicht auf die gleiche Weise wie PVB und sollte an den Kanten nicht ausgeglichen werden. Aufgrund des hohen Schmelzflusses des EVA verträgt das Material auch das Einrollen der Kanten von gehärtetem Glas und andere lokale Verformungen des Glases besser. Wenn außerdem EVA zu weit über die Kanten hinausragt, kann es sich falten und an der Außenfläche schmelzen, was die Nachbearbeitung erschwert (siehe weiter unten).

Laminierung

Im Allgemeinen lässt sich EVA in Vakuumofenprozessen recht gut verarbeiten. Für die Entlüftung von EVA-Laminat können keine Walzenverfahren eingesetzt werden. Aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts und des hohen Schmelzindex des Materials fließt EVA viel leichter als PVB. Bei einem Quetschwalzenverfahren würde das EVA einfach aus den Glasscheiben herausgedrückt werden (wie Marmelade in einem Sandwich). Die Entlüftung erfolgt in der Regel im Vakuumverfahren. Dies kann ein Vakuumofenverfahren, ein Vakuumlaminierungsverfahren oder die Verwendung von (Einweg-)Vakuumbeuteln in Kombination mit einem Autoklaven sein.

EVA-Folien haben eine geprägte Oberflächenstruktur. Bei EVA wird die Oberflächenstruktur beim Abkühlen der Schmelze in die Oberfläche eingeprägt (eingepresst). Dies bietet eine große Gestaltungsfreiheit und typischerweise hat jeder Hersteller sein eigenes Prägedesign. Außerdem ist die Oberflächenstruktur im Vergleich zu PVB im Allgemeinen tiefer und gut kontrolliert, sodass das Entlüften des Laminats recht gut beherrschbar ist. In vielen Fällen kann die Oberflächenprägung sogar asymmetrisch sein, mit einer rauen Seite auf der einen und einer glatten Seite auf der anderen. Dies ist in der Regel das Ergebnis eines asymmetrischen Prägewalzendesigns in der EVA-Extrusionslinie und hat im Allgemeinen nur begrenzte echte Vorteile (aber auch keinen Nachteil). Ein kleiner Vorteil besteht darin, dass man beim Auflegen der EVA-Platte mit der rauen Seite zur Glasoberfläche die Zwischenschicht immer noch in die richtige Position verschieben kann, was für manuelle Auflegelinien interessant sein kann. Bei der Verlegung auf der glatten Seite verhält es sich umgekehrt. Die Folie ist besser fixiert („klebrig“) und verrutscht beim Transport nicht. Normalerweise wird dies in vollautomatischen Linien bevorzugt.

Der größte Markt für EVA-Folien ist der Markt für die Laminierung von Photovoltaikmodulen. Das bei der Herstellung von PV-Modulen eingesetzte Vakuumlaminierverfahren ist bei weitem das am häufigsten verwendete Verfahren für EVA-Folien. PV-Laminiersysteme wurden in einem früheren Artikel beschrieben, aber es würde zu weit führen, die Laminierung von EVA-Folien in PV-Modulen in solchen Laminatoren zu beschreiben. Der Hauptnachteil der Verwendung eines PV-Laminators für Architekturglas ist die begrenzte Größe. PV-Module liegen in der Regel im Bereich von 1,7 bis 2 m² und daher sind die Laminiermaschinen meist für diese Größe ausgelegt.

Sehr oft werden EVA-Zwischenschichten mithilfe von Vakuumbeutelöfen laminiert. Dabei wird die Baugruppe in einen Vakuumbeutel (aus Silikon oder Einweg-Nylon) eingelegt und verschlossen. Anschließend wird der Vakuumbeutel in einen Ofen geschoben. Es sind viele Zyklen möglich. Aufgrund seiner einfachen Entlüftung und seines hohen Durchflusses verzeiht EVA die Laminierungsparameter recht gut. Komplizierter kann es werden, wenn Einlagen in das Laminat eingearbeitet werden. Hier müssen die Laminierparameter experimentell fein abgestimmt werden.

Ein typischer Vakuumofenprozess für EVA beginnt mit einem Kaltvakuum bei Raumtemperatur (20 °C), wobei das Vakuum normalerweise 30 Minuten pro Quadratmeter Laminatoberfläche aufrechterhalten wird. Anschließend kann der Vakuumbeutel in 30 Minuten auf 85°C erhitzt werden. In einem zweiten Schritt wird der Ofen je nach Einzelfall (Härtungssystem, Laminatkomplexität, Laminatgröße, …) weiter auf 130°C –150°C aufgeheizt. Wenn viel Durchfluss erforderlich ist, beispielsweise bei Gläsern mit einer tiefen Oberflächenstruktur, ist eine höhere Temperatur zu bevorzugen. Die hohe Temperatur muss je nach Glasdicke und Aushärtungsgrad des EVA 1 bis 3 Stunden lang aufrechterhalten werden. Nach dem Laminieren wird das Laminat unter Vakuum auf 40 °C abgekühlt, danach ist die Zwischenschicht kalt genug, um das Vakuum aufzuheben. Falls diese Abkühlzeit nicht eingehalten wird, kann es sein, dass die weiche EVA-Zwischenschicht beim Eindringen von Luft noch nicht stark genug ist, was zu Kantenfehlern führen kann. Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen EVA-Laminierungsprogramms unter Verwendung einer Vakuumofenmethode.

EVA ist ideal für die autoklavfreie Herstellung von Vakuumöfen geeignet. Aufgrund seiner guten Fließeigenschaften ist es oft die Zwischenschicht und Methode der Wahl, wenn komplexe Laminate mit strukturiertem und/oder gebogenem Glas und/oder Einlagen verarbeitet werden müssen.

Bei der PVB-Laminierung werden Autoklaven oft in Kombination mit Andruckwalzenverfahren und manchmal Vakuumbeutel-/Ringentlüftung verwendet. Beim Autoklavenprozess werden die erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck genutzt, um verbleibende Luft, die im Vorprozess nicht entfernt wurde, in der PVB-Matrix aufzulösen. Das Entlüften von EVA-Zwischenschichten ist weniger umständlich. Da Andruckwalzenverfahren nicht verwendet werden können, werden außerdem Vakuummethoden verwendet, die die Luft effizienter entfernen. Bei EVA-Zwischenschichten muss die gesamte Luft entfernt werden und es dürfen keine zusätzlichen Luftblasen vorhanden sein, bevor das Laminat bei höherer Temperatur fertiggestellt wird. Wenn noch Luftblasen vorhanden wären, würden diese in der Polymermatrix eingefroren, da das Vernetzungssystem das Fließverhalten sowohl des Polymers als auch der Luftblasen einschränkt. Wenn die Temperatur die Vernetzungstemperatur erreicht, können eventuell verbleibende Blasen nicht mehr entfernt werden. Dies bedeutet, dass für die EVA-Laminierung nicht unbedingt ein Autoklavenprozess erforderlich ist, aber wenn das Gut in der Laminieranlage vorhanden ist, kann es als groß angelegter Vakuumofen verwendet werden. Hochdruck ist unseres Wissens nach nicht unbedingt erforderlich.

Abbildung 6 zeigt ein Beispiel eines Laminats, das mit einem Einweg-Vakuumbeutel aus Nylon hergestellt wurde. Die Kanten des Laminats sind mit einer Kombination aus gewebtem Nylon- und Baumwollstoff umwickelt, um zu verhindern, dass die Glaskanten durch den Vakuumbeutel kleben bleiben, und um außerdem die Luftzirkulation an den Laminatkanten zu erleichtern.

Diese Vakuumbeutel können in den Autoklaven überführt werden. Ein Beispiel für ein Autoklavenprogramm ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Vakuumbeutel werden unter konstantem Vakuum gehalten und der Autoklav wird zusätzlich mit 2 bar beaufschlagt.

Andere Autoklavenprogramme sind ebenfalls möglich, aber im Allgemeinen sind für die EVA-Laminierung keine hohen Drücke, lange Laminierungen und hohen Temperaturen erforderlich. Als Faustregel gilt, dass sichergestellt werden muss, dass die gesamte Luft aus dem Laminat entfernt ist (und auch dort bleibt), bevor die Stapel erhitzt werden und eine vollständige Vernetzung stattfindet. Man könnte bemerken, dass das Autoklav-Laminierungsverfahren dem Vakuumofenverfahren sehr ähnelt.

Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung von EVA-Laminaten ist in der Regel nicht schwierig. Ein Schwerpunkt besteht darin, EVA-Verschüttungen an den Rändern im Auge zu behalten. Aufgrund der hohen Strömung kommt es auch sehr häufig zu Randströmungen. Im Prinzip lassen sich solche Randstreifen leicht durch Zuschneiden entfernen, da EVA, wie bereits erwähnt, ein weiches Polymer ist. Allerdings kann die weiche Beschaffenheit auch zu Problemen führen, wenn die Kanten der Zwischenschicht zu weit aus dem Laminat herausragen. Dies kann bei der Verarbeitung zu Faltenbildung und Schmelzen des EVA auf der Außenfläche der Glasscheibe führen. Diese gefalteten Klebestreifen sind manchmal schwer zu entfernen. Ein Spritzer Isopropanol oder Aceton kann helfen.

Ein häufig verwendetes Werkzeug zum Trimmen von EVA ist ein beheiztes Messer. Obwohl es nicht wirklich notwendig ist, kann es die Arbeit des Bedieners erleichtern. Falls das EVA beim Kantenschneiden immer noch sehr flexibel ist oder leicht an der Oberfläche klebt, bedeutet dies, dass das EVA nicht richtig ausgehärtet wurde! In diesem Fall sollte der Optimierung des Prozesses mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden. Bei der Verwendung von EVA sollte die Ausrüstung regelmäßig überprüft und gereinigt werden, da dieses Material leicht anhaften und die Werkstatt verunreinigen kann.

Es ist nicht der Zweck dieses Abschnitts, alle Labortests aufzulisten, die an EVA-Laminaten durchgeführt werden. Viele der typischen Labortests für PVB-Laminate können auch für EVA-Laminate durchgeführt werden. Es gibt jedoch einige Ausnahmen und typische Merkmale, die Sie beachten sollten.

Eine in der Verbundglasindustrie sehr verbreitete Haftungsbewertung ist der Pummel-Test. Der Test wird bei einer reduzierten Temperatur von -18 °C durchgeführt, da diese deutlich unter der Glasübergangstemperatur von PVB liegt. Bei -18°C ist PVB recht spröde und adhäsive Wechselwirkungen zwischen dem Polymer und dem Glas lassen sich besser beurteilen. Wenn das Polymer zu weich ist (über Tg), werden Glasfragmente einfach in die Polymermasse gedrückt und der Test ist nicht wirklich aussagekräftig nur für die Haftung zwischen Glas und Polymer. Da die Tg von EVA bei einer viel niedrigeren Temperatur liegt (zwischen -40 °C und -30 °C), liefert der klassische Pummel-Test bei -18 °C ebenfalls ein verzerrtes Ergebnis. Um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, sollte man das Laminat beispielsweise auf unter -50°C abkühlen lassen, was jedoch praktisch nicht machbar (und sogar gefährlich) ist. Ein Pummel-Test an EVA kann bei -18 °C durchgeführt werden. Wenn jedoch keine größeren Probleme auftreten, sind die Werte normalerweise immer sehr hoch, da Glassplitter in das sehr weiche EVA gedrückt werden. Es ist jedoch immer sinnvoll, den Test durchzuführen, da bei einem wirklich großen Problem auch sehr niedrige Pummel-Werte beobachtet werden können.

Ein weiterer Haftungstest, der in der Glaszwischenschichtindustrie häufig verwendet wird, ist der Druckscherfestigkeitstest (CSS). CSS-Tests an EVA-Zwischenschichten können auf die gleiche Weise wie bei PVB-Laminaten durchgeführt werden, bei der Interpretation der Ergebnisse ist jedoch etwas Vorsicht geboten. Aufgrund der Weichheit und Dehnung (siehe Tabelle 1) der EVA-Zwischenschicht wird diese beim Schertest leichter verformt. Ein Teil der Energie wird bei der Verformung der Zwischenschicht auf andere Weise gespeichert als beim steiferen und festeren PVB. Daher können die CSS-Ergebnisse von EVA und PVB zunächst nicht miteinander verglichen werden. Wenn wir uns darüber hinaus die mechanischen Eigenschaften in Tabelle 1 merken, ist die Zugfestigkeit von EVA deutlich niedriger als die PVB-Werte. Dies könnte zu einem leichteren Zusammenbruch während des Tests führen. Auch wenn zu diesem Thema wahrscheinlich weitere theoretische Untersuchungen erforderlich sind, könnte es sein, dass man nicht die tatsächliche Haftfestigkeit misst, sondern eher ein kohäsives Versagen im Material ermittelt. Die Bestimmung der Druckscherfestigkeit von EVA-Proben liefert normalerweise recht hohe Werte, es ist jedoch nicht sicher, ob diese Werte der Wahrheit entsprechen.

Ein einfacherer Test zur Messung der EVA-Haftung ist ein Schältest. Es werden sowohl 180°- als auch 90°-Schältests verwendet, der 180°-Test ist jedoch höchstwahrscheinlich am wenigsten kompliziert durchzuführen. Für diesen Test wird ein Laminat aus Glas-EVA und einem Backsheet-Material hergestellt, das dem Test zusätzliche Steifigkeit verleiht. Bei diesem Rückseitenfolienmaterial kann es sich um eine photovoltaische Rückseitenfolie (auf PET-Basis, nicht auf Polyolefin-Basis) handeln. Das Glas ist an der Unterseite des Testgeräts befestigt und der Abzieharm besteht aus EVA und der Rückseitenfolie. Der Testaufbau ist unten in Abbildung 8 zu sehen. Da die CSS für EVA-Laminate immer hohe Werte liefern und nur wenige Differenzierungen erzielt werden, liefert der Peel-Test in der Regel eine gute Darstellung der Haftfestigkeit zwischen Glas und EVA. Für eine gute Qualität sollten EVA-Werte von mehr als 80 N/cm erreicht werden, in der Regel sind jedoch Schälwerte von mehr als 100 N/cm zu erkennen.

Leider ist es (nach unserem Kenntnisstand) schwierig, den Schältest für PVB-Proben durchzuführen, da PVB eine begrenzte Haftung auf Polymer-Rückseitenfolien oder Metallfolien-Rückseiten zeigt.

Eine weitere sehr typische EVA-Eigenschaft ist der Gelgehalt, der eine Beurteilung der Vernetzungsdichte darstellt. Wenn die Verarbeitungszeit zu kurz war oder beim Laminieren ein Fehler aufgetreten ist (z. B. aufgrund spezifischer Umstände eine zu niedrige Temperatur), hat das Peroxidsystem nicht reagiert. Dies führt zu einem unausgehärteten Material und kann, wie bereits beschrieben, zu Ausfällen während der Lebensdauer führen. Es gibt einige Möglichkeiten, die Vernetzungsdichte zu bestimmen, aber die folgenden Methoden liefern genaue und wiederholbare Ergebnisse: Bestimmung des Gelgehalts mittels Soxhlet-Extraktion und Messung mit Differential Scanning Colorimetry (DSC). Die DSC-Methode ist eine recht fortgeschrittene Technik und wird in diesem Artikel nicht im Detail besprochen. Es kann verwendet werden, um relative Messungen des verbleibenden Härtungspotentials einer Probe durchzuführen.

Die Soxhlet-Extraktionsmethode ist wahrscheinlich die einfachste und am häufigsten verwendete Methode zur Messung des Gelgehalts. Bei dieser Extraktionsmethode wird eine vorgewogene Probe aus ausgehärtetem EVA in ein warmes Lösungsmittel wie Xylol oder Toluol gegeben. Es führt uns zu weit, die Soxhlet-Methode im Detail zu diskutieren, aber die Extraktionsapparatur ist so konstruiert, dass frisches Lösungsmittel über die Probe zirkuliert. Vernetztes EVA löst sich im heißen Lösungsmittel nicht auf, nicht vernetztes Material jedoch schon. Nach einer Extraktionszeit von typischerweise 8 Stunden wird die EVA-Probe aus der Apparatur entnommen und in einem Ofen getrocknet. Das übrig gebliebene EVA ist ordnungsgemäß vernetzt und das Verhältnis von Anfangsgewicht und Restgewicht wird als Gelgehalt bezeichnet. Vorzugsweise sollte der Gelgehalt eines ordnungsgemäß ausgehärteten EVA über 75 % liegen, um ein gutes Alterungsverhalten des EVA zu gewährleisten.