利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和频域光谱技术探究天然酯类纳米流体中的氧化老化过程

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Probing oxidative aging in natural ester nanofluids using FTIR and frequency domain spectroscopy

天然酯绝缘液纳米流体氧化稳定性与介电性能研究。采用TiO?（5-30nm）和SiO?（5-20nm）纳米粒子制备纳米流体，通过FTIR和FDS分析发现，5nm TiO?纳米流体在0.25wt%负载时氧化稳定性最佳，其羰基（1740cm?1）和酯键（1155cm?1）特征峰衰减最弱，且介电损耗因子（tanδ）最低（0.0122），较基油提升26.5%的AC击穿电压。研究证实纳米粒子通过吸附自由基和形成物理屏障抑制氧化链反应，其中TiO?纳米粒子的半导体特性优于绝缘的SiO?，小尺寸粒子因高比表面积更有效延缓分子降解。

　　自然酯绝缘液体因其可生物降解性和较低的环境影响，被视为矿物油的有前景替代品。然而，在实际应用中，特别是在高温或氧气暴露的条件下，这些液体的氧化老化问题仍然显著，限制了其在高压系统中的广泛使用。为了解决这一问题，研究者们开始探索纳米技术的应用，通过添加纳米颗粒来增强自然酯的抗氧化性能和电绝缘性能。本研究采用二氧化钛（TiO?）和二氧化硅（SiO?）纳米颗粒，结合不同的粒径和浓度，对基于油菜籽的自然酯绝缘液体进行了系统评估，以分析其在氧化老化过程中的表现。

研究团队首先制备了纳米流体。他们通过两步分散法将不同粒径（5–30纳米）和浓度（0.05–0.25 wt%）的TiO?和SiO?纳米颗粒分散到自然酯中。在制备过程中，使用了Span 80作为表面活性剂，以提高纳米颗粒的分散性。制备完成后，所有纳米流体均在视觉观察下保存了90天，未出现沉淀现象，表明其具有良好的稳定性。

为了评估氧化稳定性，研究采用了ASTM D2440方法，通过模拟加速的热氧化条件对样品进行处理。研究结果显示，TiO?纳米颗粒，特别是5纳米粒径的纳米流体，在氧化过程中表现出更高的稳定性。FTIR分析显示，含有TiO?的纳米流体在氧化相关的官能团分子稳定性方面优于SiO?纳米流体。这表明，TiO?纳米颗粒能够更有效地抑制氧化反应，提高绝缘液体的化学稳定性。此外，FDS测量进一步支持了这一结论，显示氧化后的TiO?纳米流体具有更低的电导率和介电损耗，这表明其在分子层面具有更好的介电稳定性。

研究还探讨了纳米颗粒对绝缘液体电击穿电压的影响。结果表明，添加纳米颗粒可以显著提高电击穿电压，其中5纳米粒径的TiO?纳米流体表现最佳。这说明纳米颗粒的添加不仅有助于提高绝缘性能，还能够增强绝缘液体在高压条件下的可靠性。然而，随着纳米颗粒浓度的增加，电击穿电压开始下降，这可能是由于纳米颗粒之间的相互作用导致导电桥的形成，从而降低了绝缘性能。

纳米颗粒在增强自然酯氧化稳定性方面的机制主要包括其作为自由基清除剂的作用，以及其在绝缘液体中形成物理屏障的能力。纳米颗粒能够吸附氧化过程中产生的极性中间产物，如过氧化物、醛类和酸类，从而减少这些物质对绝缘液体性能的影响。此外，纳米颗粒的高表面积提供了更多的吸附位点，有助于抑制氧化链反应的传播。这种物理屏障还能限制氧气的扩散，减缓氧化过程的发生。

研究结果还表明，纳米颗粒的粒径对氧化稳定性具有显著影响。较小的纳米颗粒由于其更高的表面积，能够更有效地与绝缘液体分子相互作用，从而提高其抗氧化能力。相比之下，较大的纳米颗粒在抗氧化性能上表现较弱，这可能与其较低的表面活性有关。因此，选择合适的纳米颗粒类型和粒径对于提高自然酯绝缘液体的性能至关重要。

此外，研究还发现，纳米颗粒的添加在一定程度上提高了绝缘液体的电导率，但在氧化老化后，所有纳米流体的电导率均低于未氧化的自然酯，这表明纳米颗粒能够有效减少氧化过程中产生的极性物质。介电损耗的测量结果也显示，含有TiO?的纳米流体在氧化后表现出更低的损耗，进一步证明其在电绝缘性能方面的优势。

综上所述，本研究通过FTIR和FDS技术，系统地分析了不同类型的纳米颗粒及其粒径对自然酯绝缘液体氧化老化行为的影响。结果表明，TiO?纳米颗粒，尤其是5纳米粒径的纳米流体，在提高氧化稳定性和电绝缘性能方面表现出显著优势。这些发现为未来开发更耐用、高性能的绿色绝缘液体提供了重要的理论依据和技术支持。尽管如此，进一步的研究仍需关注纳米颗粒在实际应用中的长期稳定性、与其他材料的兼容性、再生能力以及成本和环境影响等问题，以确保其在电力系统中的广泛应用。