APTES 改性平板绝缘纸的热 - 机电性能优化与增强机理研究

《Scientific Reports》：Integrated optimization of thermal and mechanical properties of electrical insulation paper based on APTES modification

　　

摘要

绉纸绝缘纸是110 kV及以上电压等级的干式高压套管的核心绝缘材料，对其热性能和机械性能的集成优化对于高端产品的开发至关重要。作为绉纸绝缘纸基材的平板绝缘纸本身的性能直接决定了最终产品的整体特性。在本文中，我们采用多尺度研究方法，结合分子模拟和实验验证，系统地探讨了APTES改性对平板绝缘纸热性能、机械性能和电性能的影响。分子动力学模拟表明，当APTES改性浓度为7%时，可以达到最佳改性效果：导热率为0.351 W/(m·K)，玻璃化转变温度为455 K，杨氏模量为3.91 GPa，介电常数为3.95，每个单元格中的氢键数量增加到351个。对含有0%、3%、5%、7%和10% APTES改性的基纸进行的实验研究表明，7%改性的样品表现出更优异的性能：玻璃化转变温度为418.98 K，热分解温度为585.95 K，拉伸强度为6.902 N/mm，断裂伸长率为1.492%，杨氏模量为3.602 GPa，介电常数为4.25，击穿强度为42.1 kV/mm，接触角减小至63.7°。进一步制备的环氧树脂/7% APTES改性基纸复合材料表现出更好的界面相容性，其玻璃化转变温度为398 K，击穿强度为68.2 kV/mm。这些结果揭示了一种涉及氢键网络重构和增强界面相互作用的机制，这种机制提高了与环氧树脂的润湿性并增强了界面键合，从而提升了产品的宏观性能。对于干式套管应用而言，导热率提高了约27.7%，这使得从绕组热点处更有效地散热成为可能，从而减少了热应力并有可能延长使用寿命。这一机制为高性能绝缘纸的靶向设计和开发提供了理论指导和实验支持。