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    水分对绝缘纸微观特性影响的分子模拟研究2017.08.04

    摘 要:绝缘纸纤维素体系中加入的水分子主要通过破坏纤维素分子间的氢键网络,导致绝缘纸机械强度的降低,而纤维素分子内氢键对拉伸强度影响并不显著。

    电力变压器内部主要采用油纸组合的绝缘方式,绝缘纸性能的好坏直接决定变压器的运行寿命。在变压器运行条件下容易受到电、热等诸多因素作用而发生纤维素链断裂,从而导致绝缘纸的降解老化。水分对绝缘纸的老化存在加速作用。

    分子模拟技术作为区别于实验和理论的第3种研究方法,可以在分子层次上研究实验不能观测到的现象及微观物理过程,并已经在化工、能源和制药等领域取得了巨大成功。将分子模拟技术应用于变压器运行温度下绝缘纸纤维素的研究,探索水分对绝缘纸纤维素机械性能、氢键和Mulliken布居数的影响,为进一步研究绝缘纸纤维素的老化机理奠定了基础。

    模型的搭建均采用由Theodorou提出的无定形高聚物构建方法,运用Materals Studio 4.0程序包Amorphous Cell模块,无定形晶胞中包含1条含有20个纤维二糖单元的纤维素链,并加入质量分数为5%的水分,水分子数目约为20。图1是水分质量分数为5%的初始模型。

    先在NVT(canonical ensemble)系统下对初始模型进行动力学驰豫,采用每隔200K,从1000K降温到400K再升温到1000K的循环退火处理。退火处理后选择变压器正常运行温度343K下,对纤维素模型在NPT (constant-pressure,constant temperature)和NVT系统下进行MD模拟。在动力学驰豫后,模型内部应力减小,体系内空穴分布接近于真实材料,达到了热力学平衡状态。

    杨氏模量为应力与应变的比值,是用来描述固体材料抵抗形变能力的弹性模量。杨氏模量作为度量材料刚性的参数,其值越大表明材料的刚性越强,抵抗变形的能力就越强,可直接表征材料的机械强度。

    纤维素内部的氢键网络是衡量纤维素绝缘纸机械强度的一个重要指标,纤维素内部氢键的变化不但直接影响绝缘纸的机械性能,还对绝缘纸的抗老化性能产生深刻影响。

    在实际变压器运行环境中,水分并不会使导致吡喃环开环的化学键类型发生改变,水分主要对吡喃环上C-O键的化学键强度产生较大作用,进而影响吡喃环的开环难易程度。

    高分子纤维素由纤维素单体通过糖苷键连接而成,糖苷键的断裂将直接导致绝缘纸纤维素链聚合度的降低。水分子与纤维素链上的羟基产生新的氢键作用后,相应化学键(O-H或C-O键)的强度将被削弱。

    结论

    (1)随着水分质量分数的增加,杨氏模量将降低,即绝缘纸纤维素的拉伸强度减弱、可塑性增强、延展性增强;

    (2)水分子的加入使得纤维素分子内氢键和分子间氢键组成的原氢键网络破坏,从而影响绝缘纸纤维素的机械性能。

    (3)水分会导致纤维素糖苷键化学强度降低,从而促进糖苷键断裂。

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