摘要：传统环氧树脂作为干式变压器、电压互感器和复合绝缘子等电工装备的主要原材料，有着良好的力学性能和电学性能，但是其固化后形成的交联网络难溶难熔。随着环氧树脂基电工装备运行年限的增长，大量退役设备的处理面临巨大的挑战。华北电力大学刘贺晨、魏利伟、刘云鹏等在2024年

阅读提示：本文约 2900 字

研究背景

环氧树脂固化后能够形成高度交联的三维网状结构，具有尺寸稳定、不易开裂、电绝缘性能及力学性能优良等优点，因此其作为基体树脂被广泛应用于干式变压器、电压互感器及复合绝缘子等电工装备领域。但环氧树脂固化后形成的三维交联结构不可逆，这导致其降解、回收和再加工极为困难。为了解决上述问题，向环氧树脂中引入动态键制备类玻璃化环氧树脂材料（Vitrimers）成为近年来的研究热点。

论文所解决的问题及意义

酯交换反应是酯与醇在酸或碱的催化下生成新酯和新醇的过程。Virtimers材料中酯键和羟基之间的酯交换过程，使得聚合物中三维交联结构的解聚成为可能。酯键的引入无需特殊的官能团，制备工艺简单并且成本较低，该体系制备的关键在于催化剂的加入：一方面，催化剂起着加快交联反应的促进作用；另一方面，在一定温度下催化剂催化酯键的可逆反应，赋予类玻璃化环氧树脂动态交换性能。不同酯交换催化剂对类玻璃化环氧树脂的力学性能、电气性能、热性能、降解性能影响的研究为新型绿色电工装备的基体材料设计提供了新的策略，促进了Vitrimers材料在电工装备领域的应用和发展。

论文方法及创新点

1、酯交换体系构建

本文主要针对电工装备领域中对环氧树脂及复合材料的应用需求以在工业界应用最为广泛的双酚A二缩水甘油醚作为基体树脂，甲基六氢邻苯二甲酸酐为固化剂，选用四种常见催化剂制备了基于酯交换反应的类玻璃化环氧树脂。

图1 不同树脂体系在20℃/min下的固化反应曲线

2、多维性能研究

文章基于不同催化剂制备了基于酯交换的酸酐固化环氧树脂类玻璃高分子（Vitrimer）材料，与传统电工用环氧树脂对比，系统地研究了催化剂和固化剂配比对树脂结构、热学、力学及电气性能的影响。

图2 不同树脂体系的玻璃化转变温度

图3 不同树脂体系的力学性能

图4 不同树脂体系击穿电压的Weibull分布

3、化学降解模型构建及实验验证

基于酯交换的特点，Vitrimer 树脂能够在醇类溶剂中发生快速的酯交换反应从而实现化学降解回收。文章采用乙二醇开展化学降解回收研究，构建了乙二醇溶液化学降解模型并进行试验验证，研究不同树脂体系在乙二醇溶液中的降解性能的变化。

图5 Vitrimer树脂在乙二醇中降解原理

图6 不同树脂体系降解过程外观变化

结论

1）与传统环氧树脂相比，Vitrimers体系的弯曲强度和拉伸强度有所下降，但是由于催化剂的催化效果降低了Vitrimers体系分子链段的柔韧性，其断裂伸长率较高，表现出良好的韧性。其中V-TEOA的综合力学特性较优，其拉伸强度为77.33 MPa，弯曲强度为23.08 MPa，断裂伸长率为10.98%。

2）与传统环氧树脂相比，Vitrimers体系的工频击穿强度有所下降，其中金属离子催化剂Sn(Oct)2和Zn(acac)2催化的Vitrimers体系下降最为严重，分别为传统环氧树脂击穿强度的82.24%和84.33%。V-TBD的综合电气性能最优，其工频击穿场强为41.73 kV/mm，泄漏电流为36.02 μA，介质损耗因数为0.46%。

3）与传统环氧树脂相比，Vitrimers体系的热稳定性均低于传统树脂体系。但是V-TEOA体系的T5%与T-DMP相近，为342.35℃，热稳定性较优。此外V-TBD有着最高的玻璃化转变温度，为163.89℃。

4）与传统环氧树脂相比，Vitrimers体系在较高温度下表现出良好的的动态交换性能，其中V-TBD的应力松弛速率最快。

5）在乙二醇溶液中，传统环氧树脂无法溶解，而具有动态键的Vitrimers体系能够实现溶解，其中V-TBD的溶解效果最佳。

综上所述，TBD催化的类玻璃化环氧树脂具有良好的力学性能、电气性能和热性能，能够在乙二醇溶液中溶解，有望作为电工装备领域的基体树脂。

团队介绍

本文由华北电力大学输变电设备安全防御研究团队完成，研究团队长期针对电力装备和智能电网领域的重大科学技术需求开展工作，以国家级重大科研项目为载体，以解决基础科学问题与关键技术瓶颈为目的，重点开展电气设备状态监测与故障诊断技术、输变电设备绝缘技术、超特高压输变电关键技术、绿色高效电工材料的研制及评估等方面研究。

刘云鹏

教授，博士生导师，现任华北电力大学副校长，电气工程专业国家级实验教学示范中心副主任，河北省电机工程学会副会长，河北省电工技术学会常务理事，曼彻斯特大学访问学者，中国电机工程学会高级会员，IEEE member，中国电机工程学会测试仪表专委会委员，电力机器人专委会委员，中电联“电网电磁环境与噪声控制标准化技术委员会”副主任委员，《高电压技术》编委，华北电力大学校创新人才支持与培育计划学科带头人，教育部霍英东基金获得者、入选河北省“三三三”人才第一层次人才，荣获河北省先进工作者、河北省优秀教师等荣誉称号。主要研究方向为环保型电工复合材料，电气设备绝缘状态评估，新型复合横担/绝缘子芯棒研发，电网电磁环境与电磁兼容，电网环境保护，放电等离子体数值仿真与模拟等。

刘贺晨

博士，副教授，IEEE PES高压绝缘技术委员会（中国）及分技术委员会常务理事，入选华北电力大学青年骨干支持计划，获批2022年度燕赵英才服务卡A卡。主持国家自然科学基金青年项目和面上项目各1项，河北省青基1项、国家重点实验室项目1项、企事业委托项目6余项。主要研究方向为新型绝缘电介质材料研发及评估，主要包括环保型环氧树脂及其复合材料研制、玄武岩纤维复合材料研发及应用等。

魏利伟

硕士研究生，研究方向为环保树脂研发及特性研究、高降解环氧树脂的性能评估以及高性能纤维增强复合材料的特性研究，主要包括Vitrimers材料及其复合材料的设计构建、综合特性评估和高效降解回收。

本工作成果发表在2024年第16期《电工技术学报》，论文标题为“催化剂对基于动态酯交换Vitrimers材料性能的影响“。本课题得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

引用本文

刘贺晨, 魏利伟, 孙章林, 刘畅, 刘云鹏. 催化剂对基于动态酯交换Vitrimers材料性能的影响[J]. 电工技术学报, 2024, 39(16): 5134-5148. Liu Hechen, Wei Liwei, Sun Zhanglin, Liu Chang, Liu Yunpeng. Effect of Catalysts on the Performance of Vitrimers Based on Dynamic Ester Exchange. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(16): 5134-5148.

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来源：老李的科学课堂