- 头条华电学者发表衣康酸基环氧树脂和双酚A环氧树脂的性能对比成果导语为探索环保型生物基环氧树脂在电气领域的应用前景，华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室、中国电力科学研究院有限公司的研究人员刘贺晨、郭展鹏、李岩、周松松、吴璇，在2022年第9期《电工技术学报》上撰文，比较了一种生物基树脂——衣康酸基环氧树脂（EIA）与双酚A环氧树脂（DGEBA）在理化参数、热性能、力学性能及电气绝缘性能等方面的优缺点。 他们的研究结果表明， EIA作为基体树脂受交联密度与分子内酯键影响，较双酚A环氧树脂在力学性能、热稳定性、电气强度方面略有不足，耐热性、黏性相近，而在可降解特性、环保性等方面更优异。后期可通过增加交联度以及通过与双酚A等其他类型环氧树脂进行共混以提高其各项性能。
随着人们对可再生资源利用以及环境保护意识的不断提高，电工材料环保化目前已越来越受到研究人员及使用人员的重视。国内外研究人员目前已经在植物油变压器（利用植物油替代矿物油）、环保型气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）绝缘气体、环保型可回收电力电缆等方面开展了深入研究，部分研究成果已经投入生产应用，为国家创造了巨大的环境效益及经济效益。
环氧树脂凭借其较好的力学性能、耐高温性能以及良好的绝缘性能，被广泛应用于绝缘子芯棒、干式变压器、互感器等电工设备绝缘。目前应用最广泛的电工环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚（Diglycidyl Ether of Bisphenol A, DGEBA），占据环氧树脂市场的90%以上。
但DGEBA的原料几乎全部来源于石油化工，而石化原料作为一种不可再生资源，存储数量非常有限，且我国75%以上的石油资源严重依赖进口，存在较大的“石油危机”。此外其主要成分双酚A（Bisphenol A, BPA）具有生物毒性，对环境污染严重。
利用可再生资源开发绿色、低碳、原料可再生的环氧树脂（生物基环氧树脂），部分替代现有石油基环氧树脂，是实现电工材料环保化的有效途径之一，具有节约石油资源和保护环境的双重功效，符合国家建设节能环保型电网的战略定位，并为国家迈向碳达峰和碳中和打下基础。
生物基环氧树脂是指以可再生资源为原料，通过环氧化手段制备的环氧树脂或固化剂，此类生物基环氧树脂在减少高分子行业对石油化工依赖的同时也减少了CO2的排放。国内外研究人员利用可再生资源开发多种生物基环氧树脂或生物基固化剂，这些生物质资源包括单宁、香兰素、松香、多元醇、液化生物质和木质素等。
木质素基环氧树脂由于大分子物质和复杂结构的低迁移率，导致固化速度缓慢和性能不稳定。通常松香基环氧树脂显示出令人满意的热稳定性，但稠环结构的引入在提高松香基环氧树脂耐热性能和结构刚度的同时，也会导致其脆性增大，韧性不足，综合力学性能降低。
在生物基环氧树脂领域，衣康酸（Itaconic Acid, IA）是一种通过生物发酵技术制备得到的生物基原料，应用前景广泛，价格低廉，被美国能源部评选为最具发展潜力的12种生物基平台化合物之一。衣康酸作为含有不饱和双键的二元羧酸，化学性质活跃，除可本体聚合外，也能与其他烯烃类单体进行共聚合反应，以及进行各种酯化反应，加成反应和聚合反应，从而制备各种新型高分子材料。
环氧树脂是电力系统中应用最为广泛的固体绝缘材料之一，前期研究人员更多致力于其综合性能的提升，在电工环氧树脂环保化方面的研究相对较少；而目前衣康酸基环氧树脂或生物基树脂尚未在电工材料中有所应用，且也未见针对生物基环氧树脂电气性能的研究报道。
华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室、中国电力科学研究院有限公司的研究人员以电工装备用环氧树脂的应用为背景，选择了一种重要的生物基树脂——衣康酸基环氧树脂，除了对其固化体系的物理、热学和力学同目前电工材料中常用的双酚A环氧树脂展开对比研究，更进一步将其工频击穿强度、泄漏电流、宽频介电谱等电气特性同双酚A环氧树脂进行了比较，进而确定其优缺点及在电工领域的潜在应用前景，并通过后续系列研究使其达到满足电工材料应用的要求，最终实现电工环氧树脂环保化的目的。
研究人员表示，EIA环氧树脂的各项性能与DGEBA接近，但略低于DGEBA，其原因可能与二者的结构和交联密度等有关系。DGEBA树脂双酚A骨架中的苯环结构更加稳定，交联后固化物的交联密度更高，赋予其较好的力学强度、热稳定性及电气强度；同时，DGEBA中的醚键结构赋予其较好的耐水解性能。
他们分析认为，EIA树脂为链状结构，其固化物交联密度也略低于DGEBA，一定程度上影响了其力学强度、热稳定性及电气强度；另外，EIA中环氧基通过酯键与骨架相连（缩水甘油酯型环氧树脂），其耐水解性能较醚键结构较差，但赋予了其较好的降解性能，为后期可降解树脂的研制奠定结构基础；此外，试验所用的EIA树脂实测环氧值为0.5，低于理论值的0.68，表明其内部存在杂质，也一定程度上影响了其性能。
此外，虽然试验所研究EIA性能略低于DGEBA，但差异不大，可通过适当改进满足电工材料的应用需求。因此，EIA中存在的碳碳双键结构为其带来了更好的结构的可编辑性。针对其热-力-电性能略低于DGEBA的情况，可通过引入共聚单体调节树脂的性能，如可通过加入含有苯环结构的二乙烯基苯（Divinylbenzene, DVB）调节其固化体系刚柔性，进而改进其热-力-电性能；同时也可通过该双键结构上引入磷、溴等阻燃结构，提高树脂的阻燃性。
EIA及DGEBA固化物高温水解后的试样对比
研究人员最后总结了相关试验结论：
1）EIA交联密度较低，且受分子中酯基对孔隙的扩展作用以及酯键水解的影响，固化体系的吸水性更高；EIA和DGEBA树脂均具有典型的粘度-温度特性，且两者粘度近似，流变性能相当。
2）热分析结果表明，EIA固化体系的玻璃化转变温度接近DGEBA，分别为112℃和124℃，耐热性能较好；TGA测试与水热老化实验表明，EIA聚合物分子中的酯键易于断裂，使得EIA易于热分解，证实EIA具有良好的可降解特性，但同时也说明其热稳定性和耐高温水解性能有所不足，限制了EIA的应用范围。
3）EIA固化体系的平均抗拉强度和弯曲强度相比DGEBA固化体系分别低了15.3%和28.5%。EIA分子的柔性长链结构和纯度导致EIA交联不充分，后期可通过制备高纯度EIA以及引入苯环结构等来提升EIA的热-力-电性能。
4）受交联不充分以及吸水性的影响，EIA固化体系的电气强度相比于DGEBA有所降低；分子内酯键等强极性基团在增大EIA材料介电常数的同时也增大了介电损耗。
本文编自2022年第9期《电工技术学报》，论文标题为“衣康酸基环氧树脂和双酚A环氧树脂性能对比研究”。本课题得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目的支持。
