甘蔗渣源无蜡绝缘纸板的可持续开发：基于组分多糖的热稳定与电绝缘性能研究

《Next Materials》：Sustainable development of wax free pressboards derived from sugarcane bagasse and constituent carbohydrate polymers

本研究针对电气设备对高热稳定性绝缘材料的迫切需求，以甘蔗渣(SCB)及其组分多糖(CPs)为原料，开发了无蜡绝缘纸板(PBs)。通过系统的光谱、热学和电学表征，证实了材料在300 °C和100 V下的优异热稳定性和介电性能，其中半纤维素(HCL)更展现出自熄特性。该研究为农业废弃物高值化利用和开发环保型电气绝缘材料提供了可持续路径。

　　

随着全球对可再生能源和绿色材料需求的日益增长，利用农业废弃物开发高附加值产品已成为可持续材料科学的重要方向。在电气工程领域，变压器和电动机等设备的核心部件——绕组，需要依赖绝缘纸板（Pressboards, PBs）来保证其热稳定性和电绝缘性能。传统上，这些绝缘材料主要来源于木材纤维素（Cellulose, CEL），然而，纤维素基材料在高温、高湿环境下易发生水解降解，导致其绝缘性能下降，甚至引发设备故障。特别是在工作温度超过200°C时，纤维素材料中的水分含量若超过5%（重量百分比），会通过自催化机制产生羧酸，加速聚合物链断裂，从而显著缩短绝缘材料的使用寿命。因此，开发新型、可持续且具有优异热稳定性和电绝缘性能的生物质材料迫在眉睫。

甘蔗渣（Sugarcane Bagasse, SCB）作为制糖工业的主要副产物，全球年产量高达2.79亿吨，其中大部分被简单焚烧处理，未能得到有效利用。甘蔗渣富含纤维素（40-50%）和半纤维素（Hemicellulose, HCL, 25-35%），是制备绝缘材料的理想候选者。然而，此前的研究多集中于整体甘蔗渣的应用，对其特定组分（如去蜡甘蔗渣Dewaxed Bagasse, DWB、全纤维素Holocellulose, HoCL、CEL和HCL）在绝缘材料中的系统性能评估尚属空白。发表在《Next Materials》上的这项研究，正是针对这一空白，深入探讨了甘蔗渣及其组分多糖作为无蜡、高热稳定性绝缘纸板材料的潜力。

为开展此项研究，研究人员采用了一系列关键的技术方法。首先，从甘蔗渣中通过索氏提取法去除蜡质，得到去蜡甘蔗渣（DWB）。随后，利用标准的ASTM方法从DWB中分离出纤维素（CEL）、半纤维素（HCL）和全纤维素（HoCL）。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）对材料的化学结构进行了表征。热重分析（TGA）、差热分析（DTA）和差示扫描量热法（DSC）被用于评估材料的热稳定性、分解行为和玻璃化转变温度。研究者还运用Coats-Redfern（CR）和Horowitz-Metzger（HM）模型进行了非等温动力学和热力学分析。此外，通过四探针法测量了材料在温度（25-105°C）和电压（1-100 V）调控下的直流电导率（σ_DC），并利用Kubelka-Munk方法和Tauc方程计算了材料的能带隙（E_g）。最后，基于Van Krevelen和Hoftyzer方程，通过热重分析得到的残炭率估算了材料的极限氧指数（LOI），以评估其阻燃性能。

3.1. 光谱分析

通过FTIR和UV-DRS光谱确认了SCB及其组分CPs的化学结构。FTIR谱图显示了羟基、碳氢键、碳氧键等特征吸收峰，证实了多糖聚合物的典型官能团。去蜡过程减少了SCB表面蜡质引起的烃类吸收峰，提高了多糖组分的信号强度，表明结构均匀性得到改善。UV-DRS分析显示，DWB和HoCL的最大吸收波长分别为344 nm和347 nm，而SCB、CEL和HCL的最大吸收波长分别为345 nm、376 nm和318 nm，与文献报道一致。

3.2. 水分含量

热重分析表明，除HCL（1.28 ± 0.1 wt%）外，其他材料（SCB, DWB, HoCL, CEL）的水分含量均在4.5 ± 0.1 wt%左右，符合商用绝缘纸板对水分含量（≤ 4.5%）的要求。在90°C时，SCB、DWB、HoCL和CEL的重量损失在3.58-4.37%之间，满足Y级绝缘材料（最高允许温度90°C）的标准；而HCL在90°C和105°C的重量损失分别为0.90%和1.21%，满足A级绝缘材料（最高允许温度105°C）的标准，适用于风冷变压器。

3.3. 绝缘纸板材料的热行为

热分析结果显示，SCB、DWB、HoCL和CEL的热重起始分解温度（TG onset）在200-272°C之间，结束温度（TG endset）在348-374°C之间，半衰期（t_?）约为31分钟。HCL表现出卓越的热稳定性，其TG onset为300°C，TG endset高达996°C，t_?长达87.14分钟。HCL在926°C出现DTG峰，对应于木聚糖主链的裂解。基于残炭率计算的极限氧指数（LOI）显示，SCB（24.5%）、DWB（23.90%）、HoCL（21.26%）和CEL（24.62%）具有中等阻燃性，而HCL的LOI为17.94%，表现出自熄特性。DSC分析揭示了HoCL、CEL和HCL的玻璃化转变温度（T_g）分别为82.54°C、92.00°C和70.92°C，其T_g/T_m比值在0.40-0.45之间，符合典型聚合物的规律。

3.4. 生物质材料的热力学和热动力学行为

采用CR和HM两种方法对材料的热分解进行了非等温动力学和热力学分析。CR方法计算得到的热分解活化能（E_a）顺序为HCL > HoCL > CEL > SCB ≈ DWB。吉布斯自由能变（ΔG）为正值，证实了材料的热稳定性。两种方法得出的结果存在一定差异，这归因于积分方法的不同，但均支持材料具有良好的热稳定性。木质素的存在（SCB和DWB中含量为19-24%）有助于提高材料的热稳定性。

3.5. 电学行为

通过Tauc图计算了材料的直接和间接能带隙（E_g）。所有材料的间接E_g（4.72-5.51 eV）均高于直接E_g（4.61-4.99 eV），且远高于导体材料的典型值（2.78 eV），表明它们都是良好的绝缘体。在25°C和100V条件下，所有绝缘纸板的直流电导率（σ_DC）约为0.44 mS/cm。随着温度升高至105°C（378.15 K），SCB和DWB制成的绝缘纸板的σ_DC显著增加了13.95%（达到约0.49 mS/cm），而HoCL和CEL制成的绝缘纸板的σ_DC仅增加了4.45%（达到约0.46 mS/cm）。Arrhenius图分析表明，SCB和DWB绝缘纸板的电导活化能（E_a）较高，分别为1.43 kJ/mol和1.33 kJ/mol，这与其去蜡后杂质离子减少有关。HCL、CEL和HoCL绝缘纸板的E_a依次降低。

综上所述，该研究系统论证了甘蔗渣及其组分多糖作为可持续、高热稳定性绝缘材料的巨大潜力。去蜡过程改善了甘蔗渣的结构均匀性和热稳定性。组分分析表明，半纤维素（HCL）具有独特的热稳定性和自熄性，而纤维素（CEL）和全纤维素（HoCL）则提供了良好的绝缘性能。所制备的无蜡绝缘纸板在300°C和100V的条件下表现出稳定的介电性能、中等阻燃性，并符合Y级绝缘标准，可直接应用于电机和变压器。这项工作不仅深化了对生物质材料构效关系的理解，更重要的是，为将大量未充分利用的农业废弃物转化为高价值的环保型电气绝缘材料开辟了一条切实可行的绿色路径，对推动循环生物经济和电气设备制造业的可持续发展具有重要意义。