- 頭條華電學者發表衣康酸基環氧樹脂和雙酚A環氧樹脂的性能對比成果2022-08-19 作者：劉賀晨、郭展鵬 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為探索環保型生物基環氧樹脂在電氣領域的應用前景，華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室、中國電力科學研究院有限公司的研究人員劉賀晨、郭展鵬、李巖、周松松、吳璇，在2022年第9期《電工技術學報》上撰文，比較了一種生物基樹脂——衣康酸基環氧樹脂（EIA）與雙酚A環氧樹脂（DGEBA）在理化參數、熱性能、力學性能及電氣絕緣性能等方面的優缺點。 他們的研究結果表明， EIA作為基體樹脂受交聯密度與分子內酯鍵影響，較雙酚A環氧樹脂在力學性能、熱穩定性、電氣強度方面略有不足，耐熱性、黏性相近，而在可降解特性、環保性等方面更優異。后期可通過增加交聯度以及通過與雙酚A等其他類型環氧樹脂進行共混以提高其各項性能。
隨著人們對可再生資源利用以及環境保護意識的不斷提高，電工材料環?；壳耙言絹碓绞艿窖芯咳藛T及使用人員的重視。國內外研究人員目前已經在植物油變壓器（利用植物油替代礦物油）、環保型氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）絕緣氣體、環保型可回收電力電纜等方面開展了深入研究，部分研究成果已經投入生產應用，為國家創造了巨大的環境效益及經濟效益。
環氧樹脂憑借其較好的力學性能、耐高溫性能以及良好的絕緣性能，被廣泛應用于絕緣子芯棒、干式變壓器、互感器等電工設備絕緣。目前應用最廣泛的電工環氧樹脂為雙酚A二縮水甘油醚（Diglycidyl Ether of Bisphenol A, DGEBA），占據環氧樹脂市場的90%以上。
但DGEBA的原料幾乎全部來源于石油化工，而石化原料作為一種不可再生資源，存儲數量非常有限，且我國75%以上的石油資源嚴重依賴進口，存在較大的“石油危機”。此外其主要成分雙酚A（Bisphenol A, BPA）具有生物毒性，對環境污染嚴重。
利用可再生資源開發綠色、低碳、原料可再生的環氧樹脂（生物基環氧樹脂），部分替代現有石油基環氧樹脂，是實現電工材料環?；挠行緩街?，具有節約石油資源和保護環境的雙重功效，符合國家建設節能環保型電網的戰略定位，并為國家邁向碳達峰和碳中和打下基礎。
生物基環氧樹脂是指以可再生資源為原料，通過環氧化手段制備的環氧樹脂或固化劑，此類生物基環氧樹脂在減少高分子行業對石油化工依賴的同時也減少了CO2的排放。國內外研究人員利用可再生資源開發多種生物基環氧樹脂或生物基固化劑，這些生物質資源包括單寧、香蘭素、松香、多元醇、液化生物質和木質素等。
木質素基環氧樹脂由于大分子物質和復雜結構的低遷移率，導致固化速度緩慢和性能不穩定。通常松香基環氧樹脂顯示出令人滿意的熱穩定性，但稠環結構的引入在提高松香基環氧樹脂耐熱性能和結構剛度的同時，也會導致其脆性增大，韌性不足，綜合力學性能降低。
在生物基環氧樹脂領域，衣康酸（Itaconic Acid, IA）是一種通過生物發酵技術制備得到的生物基原料，應用前景廣泛，價格低廉，被美國能源部評選為最具發展潛力的12種生物基平臺化合物之一。衣康酸作為含有不飽和雙鍵的二元羧酸，化學性質活躍，除可本體聚合外，也能與其他烯烴類單體進行共聚合反應，以及進行各種酯化反應，加成反應和聚合反應，從而制備各種新型高分子材料。
環氧樹脂是電力系統中應用最為廣泛的固體絕緣材料之一，前期研究人員更多致力于其綜合性能的提升，在電工環氧樹脂環?；矫娴难芯肯鄬^少；而目前衣康酸基環氧樹脂或生物基樹脂尚未在電工材料中有所應用，且也未見針對生物基環氧樹脂電氣性能的研究報道。
華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室、中國電力科學研究院有限公司的研究人員以電工裝備用環氧樹脂的應用為背景，選擇了一種重要的生物基樹脂——衣康酸基環氧樹脂，除了對其固化體系的物理、熱學和力學同目前電工材料中常用的雙酚A環氧樹脂展開對比研究，更進一步將其工頻擊穿強度、泄漏電流、寬頻介電譜等電氣特性同雙酚A環氧樹脂進行了比較，進而確定其優缺點及在電工領域的潛在應用前景，并通過后續系列研究使其達到滿足電工材料應用的要求，最終實現電工環氧樹脂環保化的目的。
研究人員表示，EIA環氧樹脂的各項性能與DGEBA接近，但略低于DGEBA，其原因可能與二者的結構和交聯密度等有關系。DGEBA樹脂雙酚A骨架中的苯環結構更加穩定，交聯后固化物的交聯密度更高，賦予其較好的力學強度、熱穩定性及電氣強度；同時，DGEBA中的醚鍵結構賦予其較好的耐水解性能。
他們分析認為，EIA樹脂為鏈狀結構，其固化物交聯密度也略低于DGEBA，一定程度上影響了其力學強度、熱穩定性及電氣強度；另外，EIA中環氧基通過酯鍵與骨架相連（縮水甘油酯型環氧樹脂），其耐水解性能較醚鍵結構較差，但賦予了其較好的降解性能，為后期可降解樹脂的研制奠定結構基礎；此外，試驗所用的EIA樹脂實測環氧值為0.5，低于理論值的0.68，表明其內部存在雜質，也一定程度上影響了其性能。
此外，雖然試驗所研究EIA性能略低于DGEBA，但差異不大，可通過適當改進滿足電工材料的應用需求。因此，EIA中存在的碳碳雙鍵結構為其帶來了更好的結構的可編輯性。針對其熱-力-電性能略低于DGEBA的情況，可通過引入共聚單體調節樹脂的性能，如可通過加入含有苯環結構的二乙烯基苯（Divinylbenzene, DVB）調節其固化體系剛柔性，進而改進其熱-力-電性能；同時也可通過該雙鍵結構上引入磷、溴等阻燃結構，提高樹脂的阻燃性。
EIA及DGEBA固化物高溫水解后的試樣對比
研究人員最后總結了相關試驗結論：
1）EIA交聯密度較低，且受分子中酯基對孔隙的擴展作用以及酯鍵水解的影響，固化體系的吸水性更高；EIA和DGEBA樹脂均具有典型的粘度-溫度特性，且兩者粘度近似，流變性能相當。
2）熱分析結果表明，EIA固化體系的玻璃化轉變溫度接近DGEBA，分別為112℃和124℃，耐熱性能較好；TGA測試與水熱老化實驗表明，EIA聚合物分子中的酯鍵易于斷裂，使得EIA易于熱分解，證實EIA具有良好的可降解特性，但同時也說明其熱穩定性和耐高溫水解性能有所不足，限制了EIA的應用范圍。
3）EIA固化體系的平均抗拉強度和彎曲強度相比DGEBA固化體系分別低了15.3%和28.5%。EIA分子的柔性長鏈結構和純度導致EIA交聯不充分，后期可通過制備高純度EIA以及引入苯環結構等來提升EIA的熱-力-電性能。
4）受交聯不充分以及吸水性的影響，EIA固化體系的電氣強度相比于DGEBA有所降低；分子內酯鍵等強極性基團在增大EIA材料介電常數的同時也增大了介電損耗。
本文編自2022年第9期《電工技術學報》，論文標題為“衣康酸基環氧樹脂和雙酚A環氧樹脂性能對比研究”。本課題得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費專項資金資助項目的支持。
