上海交通大学科研人员发表环境友好热固性电工绝缘材料的研究综述

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热固性聚合物兼具优异的电气性能、热稳定性和力学性能，被广泛用于电力设备的绝缘保护，是先进电力系统的重要组成部分。传统热固性电工绝缘材料在生产制造、设备运维和回收处理等环节存在工艺复杂、环境不友好等突出问题。近年来，随着绿色电网和可持续发展的推进，环境友好热固性电工绝缘材料愈加受到重视。绿色合成和面向循环可回收的分子设计是发展环境友好热固性电工绝缘材料的主要技术。

上海市电气绝缘与热老化重点实验室（上海交通大学）、国家能源智能电网（上海）研发中心（上海交通大学）的研究人员刘文杰、陈杰、江平开、黄兴溢，在2022年第5期《电工技术学报》上撰文，综述了近年来环境友好热固性电工绝缘材料的研究进展，重点介绍了生物基热固性电工绝缘材料、热固性电工绝缘材料的绿色制备技术和基于弱共价结构的热固性电工绝缘材料等，并对环境友好热固性电工绝缘材料的发展前景进行了展望。

热固性电工绝缘材料为电力设备提供绝缘保护，是制造电工装备的重要基础性材料，被广泛用于电缆、电机和变压器等各类电工装备的制作。热固性电工绝缘材料包括热固性树脂及其复合材料，根据化学结构不同，分为交联聚烯烃、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯和有机硅类等。

与热塑性电工绝缘材料相比，热固性电工绝缘材料的分子链由共价键连接，形成三维空间网络结构，因而在耐热、耐溶剂、耐电弧、耐电痕、尺寸稳定和机械性能等上都有显著提升。比如，低密度聚乙烯（LDPE）交联后的交联聚乙烯（XLPE）使用上限温度由70℃提高到90℃，且抗蠕变性、抗环境应力开裂及耐冲击性能均有提升。

2010~2015年间，全世界热固性树脂的总产量约达6500万t。其中，热固性电工绝缘材料占有相当比例，约有10%的环氧树脂被用作电工绝缘材料。传统热固性电工绝缘材料在其生命周期中存在诸多环境问题。这些问题主要集中在材料生产和服役后处理两个阶段。在材料生产阶段，热固性电工绝缘材料多以不可再生原料为基础。75%的环氧树脂生产依赖双酚A缩水甘油醚，大多数酚醛树脂生产使用苯酚和甲醛。

这些单体存在一定毒性，使用会加速不可再生资源枯竭。生产中各类金属催化剂和有机溶剂也易造成环境污染，损害作业人员健康。在服役后处理阶段，热固性电工绝缘材料因具有稳定共价网络而难以修复、更换或回收，局部遭受破坏后易造成电工装备整体废弃。填埋和焚化是目前处理大量废弃热固性电工绝缘材料的主要手段，但易引起土地资源占用和环境污染。

近年来，随着可持续发展推进，人们对环境友好热固性电工绝缘材料的需求越加迫切，对于减少不可再生能源消耗，减缓温室效应和提高材料的循环利用具有重要意义，与之相关的研究开始受到重视。环境友好热固性绝缘材料在过去十年快速发展。已有一系列生物基热固性电工绝缘材料被开发出来，一些绿色制备技术和含弱共价结构的热固性电工绝缘材料正获得重视并被深入研究。

绿色合成和面向循环可回收的分子设计是发展环境友好热固性电工绝缘材料的主要技术。这些技术主要表现在三个方面：可再生原料取代不可再生原料，生产环境友好化以及弱共价结构引入。这些研究在应对资源短缺，改善生产环境和减缓气候变化上具有重要意义。

上海市电气绝缘与热老化重点实验室（上海交通大学）、国家能源智能电网（上海）研发中心（上海交通大学）的研究人员综述了近十年来国内外在环境友好热固性电工绝缘材料领域的研究进展。从生物基热固性电工绝缘材料、热固性电工绝缘材料的绿色制备和基于弱共价键的热固性电工绝缘材料三个方面进行综述。最后，他们指出了目前环境友好热固性电工绝缘材料发展中仍存在的问题，并对其研究方向进行了展望。

1  生物基热固性电工绝缘材料

与石油和天然气等不可再生资源相比，生物质资源再生速度快，广泛存在于自然界中，比如植物纤维素的全球年产量高达1800亿t。用于热固性电工绝缘材料的生物质资源包含植物油、多糖（主要为纤维素）和有机酸。从原材料来源看，生物基热固性电工绝缘材料可分为三类：以商品化农作物、农作物废弃物和微生物为原料的生物基热固性电工绝缘材料。这些材料的电气和力学性能等可与传统热固性电工绝缘材料相当，部分有望用于印制电路基板、绝缘漆和电容器等生产中。

2  热固性电工绝缘材料的绿色制备

热固性电工绝缘材料的绿色制备核心在于催化剂和溶剂的绿色化。催化剂在热固性酚醛的缩聚、环氧的固化及PU的扩链等热固性电工绝缘材料制备反应中扮演着重要角色。新型催化剂的开发不仅能够提高催化效率，降低催化剂毒性，而且往往伴随着新型合成路径的形成，使更多低价值废料转变为热固性电工绝缘材料。使用有机催化剂代替金属催化剂是实现催化剂绿色化的重要手段。溶剂常作为反应介质和稀释剂，其绿色化有利于减少水体污染，降低能耗和改善空气质量等。使用水作为溶剂代替有机溶剂生产热固性电工绝缘材料是主要发展方向。

3  基于弱共价结构的热固性绝缘材料

热固性电工绝缘材料因分子链通过共价键连接而难以再次加工和回收利用，主要通过填埋、机械粉碎、热解和溶剂等处理。这些处理方式能耗高，易造成大气和土壤等污染。为了提高热固性电工绝缘材料可回收性，常需在材料中引入弱共价结构。与非共价键结构（氢键、π-π重叠和离子相互作用等）相比，弱共价结构更能保持热固性材料优异的热、力学和绝缘等性能。弱共价结构分为不可逆和可逆两类。在热固性电工绝缘材料中，不可逆弱共价结构主要包括三级酯结构、（亚）磷酸酯结构和亚硫酸结构；可逆弱共价结构主要包括D-A加成结构、六氢三嗪结构、二硫键和缩醛结构。

研究人员表示，尽管环境友好热固性绝缘材料引起了业界和学术界的广泛重视，但要使这些材料规模化应用，还有不少问题需要解决：

1）生物原料具有比不可再生原料更加丰富的天然结构，能赋予热固性电工绝缘材料更加多样化的性能，比如可降解性。所以，生物原料的选择极为关键。另外，还需降低生物原料的收集、纯化和改性成本，使其与不可再生原料相当甚至更低。同时减少生物原料的生产对耕地和淡水的占用，避免潜在造成粮食和土地问题。

2）热固性电工绝缘材料的绿色化制备主要集中在催化剂和溶剂的研究上。目前，热固性电工绝缘材料的生产仍需大量使用金属催化剂和有机溶剂。有机催化剂和绿色溶剂的使用是解决上述问题的有效措施。但是有机催化剂的合成一般较为复杂，规模化制备用于热固性绝缘材料单体合成及固化的高效催化剂仍是巨大挑战。绿色溶剂除了水以外，超临界CO2和离子液体在热固性电工绝缘材料中的应用也值得关注。

3）热固性电工绝缘材料难以修复和回收的根本在于稳定共价交联网络的存在。让弱共价结构参与交联网络的构建能赋予材料自修复和可回收等多重性能。目前，各种不可逆和可逆共价结构被不断开发出来。但值得注意的是，弱共价结构的引入不应过分牺牲热固性电工绝缘材料固有的优异机械、热稳定和绝缘性能。通过引入多重弱共价结构以及与非共价结构结合是综合性电工绝缘材料的发展趋势。

4）目前，环境友好热固性电工绝缘材料的研究以概念性研究居多，对实际使用性能涉及较少，也缺少相关的标准和规范，今后应加强电工、材料、化学等多学科协同合作，制定相应的标准或规范，引领、指导环境友好热固性电工绝缘材料的研究和应用。

本文编自2022年第5期《电工技术学报》，论文标题为“环境友好热固性电工绝缘材料与制备技术”。论文第一作者为刘文杰，1998年生，博士研究生，研究方向为环境友好导热绝缘材料。通讯作者为黄兴溢，1979年生，教授，博士生导师，研究方向为电力设备绝缘与功能电介质。本课题得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

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