论文标题：Influence of Moisture Invasion on the Deterioration of Epoxy Resin Performance, and Modification and Enhancement Methods

论文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/18/18/4243

期刊名：Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

研究背景

环氧固封式高频变压器采用环氧树脂固体绝缘材料实现设备的整体绝缘，可有效减小绝缘距离，降低设备体积，提升功率密度。然而，高湿度环境可能引起环氧树脂的老化，导致材料介电性能等出现不同程度的劣化，进而导致使用寿命的减少。因此，亟需深入研究环氧树脂在水分侵袭下性能参数的变化规律，并提出相应改性增强方法，以确保以高频变压器为代表的电气设备在高湿度环境下的长期稳定运行。

针对这一需求，山东大学邹亮教授团队在Materials期刊发表题为“Influence of Moisture Invasion on the Deterioration of Epoxy Resin Performance, and Modification and Enhancement Methods”的研究成果。该研究基于分子动力学模拟方法，建立纯环氧树脂模型及三种掺杂纳米填料的环氧树脂基纳米复合材料模型；使用LAMMPS计算不同含水率下的热扩散系数（热导率和比热容）、玻璃转化温度及介电常数。结果表明，掺杂纳米填料的环氧树脂纳米复合材料的各性能都有不同程度的提升。考虑高频变压器高温运行工况及散热需求，石墨烯增强环氧树脂成为最优填料选择。

研究过程与结果

本研究基于分子动力学模拟，从微观角度研究水分入侵对环氧树脂性能劣化影响，并提出相应的改性增强方法。选择单体和固化剂分别为双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）与3,3’-二氨基二苯砜（33DDS）的双酚A型环氧树脂，33DDS通过氨基（-NH₂）与DGEBA的环氧基[-CH(O)CH-]发生联结或缩合反应从而实现交联，反应机理如图1所示。通过交联反应获得接近真实材料的纯交联环氧树脂（EP/neat）模型；选用单壁碳纳米管（SWCNT）、石墨烯（GR）、二氧化硅（SiO₂）作为纳米填料，在Materials Studio软件分别构建单壁碳纳米管/环氧树脂复合模型(EP/SWCNT)、石墨烯/环氧树脂复合模型（EP/GR）以及SiO₂/环氧树脂复合模型（EP/SiO₂），对应的环氧树脂模型结构如图2所示。同时，在每种模型分别加入不同浓度的水分子，以计算不同湿度条件下各项物理性能。

(a) DGEBA与-NH₂基团的一次反应

(b) DGEBA与-NH基团的二次反应

图1. 交联反应机理示意图

图2. 纯环氧树脂模型及环氧树脂纳米掺杂模型结构

表1为不同填料（GR、SWCNT、SiO₂和未掺杂体系）耐受潮老化具体性能对比。随吸湿率增加，不同纳米填料的增强体系在热扩散系数、玻璃转化温度和介电性能方面表现出显著差异。其中，GR综合性能最优，表现出最高热扩散系数、玻璃转化温度最低下降幅度以及较低的湿敏性，适用于高温、高湿环境。SWCNT次之，其一维增强结构显著改善环氧树脂在干燥条件下的强度和稳定性，但湿敏性略逊于GR，适用于对热学性能有一定要求的中性环境。SiO₂在抑制介电性能劣化方面效果明显，但热扩散性能较差且湿敏性较高，适用于对电性能稳定性要求更高的应用场景。基于高频变压器高温条件运行需求，GR增强环氧树脂成为最优填料选择。

表1. 各体系受潮前后性能表现情况

研究总结

本研究建立不同水分侵袭下环氧树脂材料模型，并提出纳米掺杂的改性增强方法。基于分子动力学模拟计算材料的热学性能，包括热扩散系数（热导率和比热容）、玻璃转化温度及介电常数，将不同含水量的纯交联环氧树脂与纳米掺杂环氧树脂复合材料参数进行比较。结果表明，环氧树脂纳米填料复合材料的热扩散系数均有所提升，吸水前后，EP/neat热扩散系数最低，EP/GR最高，EP/SWCNT次之，EP/SiO₂略高于EP/neat；纳米填料的掺杂均提高了环氧树脂纳米复合体系的玻璃转化温度，在饱和状态下，EP/SWCNT、EP/GR和EP/SiO₂与EP/neat相比，玻璃转化温度分别提高了17.05K、66.22K和15.70K；纳米填料的添加使环氧树脂介电性能得到提高。综合比较三种纳米掺杂环氧树脂复合模型，EP/GR表现最高热扩散系数、玻璃转化温度最低下降幅度以及较低的湿敏性。在高频变压器高温运行环境下，GR增强环氧树脂成为最优填料选择。