熱固性電工絕緣材料為電力設(shè)備提供絕緣保護(hù)，是制造電工裝備的重要基礎(chǔ)性材料，被廣泛用于電纜、電機和變壓器等各類電工裝備的制作。熱固性電工絕緣材料包括熱固性樹脂及其復(fù)合材料，根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，分為交聯(lián)聚烯烴、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯和有機硅類等。

與熱塑性電工絕緣材料相比，熱固性電工絕緣材料的分子鏈由共價鍵連接，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而在耐熱、耐溶劑、耐電弧、耐電痕、尺寸穩(wěn)定和機械性能等上都有顯著提升。比如，低密度聚乙烯（LDPE）交聯(lián)后的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）使用上限溫度由70℃提高到90℃，且抗蠕變性、抗環(huán)境應(yīng)力開裂及耐沖擊性能均有提升。

2010~2015年間，全世界熱固性樹脂的總產(chǎn)量約達(dá)6500萬t。其中，熱固性電工絕緣材料占有相當(dāng)比例，約有10%的環(huán)氧樹脂被用作電工絕緣材料。傳統(tǒng)熱固性電工絕緣材料在其生命周期中存在諸多的環(huán)境問題。這些問題主要集中在材料生產(chǎn)和服役后處理兩個階段。在材料生產(chǎn)階段，熱固性電工絕緣材料多以不可再生原料為基礎(chǔ)。75%的環(huán)氧樹脂生產(chǎn)依賴雙酚A縮水甘油醚，大多數(shù)酚醛樹脂生產(chǎn)使用苯酚和甲醛。

這些單體存在一定毒性，使用會加速不可再生資源枯竭。生產(chǎn)中各類金屬催化劑和有機溶劑也易造成環(huán)境污染，損害作業(yè)人員的健康。在服役后處理階段，熱固性電工絕緣材料因具有穩(wěn)定共價網(wǎng)絡(luò)而難以修復(fù)、更換或回收，局部遭受破壞后易造成電工裝備整體廢棄。填埋和焚化是目前處理大量廢棄熱固性電工絕緣材料的主要手段，但易引起土地資源占用和環(huán)境污染。

近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展推進(jìn)，人們對環(huán)境友好熱固性電工絕緣材料的需求越加迫切，對于減少不可再生能源消耗，減緩溫室效應(yīng)和提高材料的循環(huán)利用具有重要意義，與之相關(guān)的研究開始受到重視。環(huán)境友好的熱固性絕緣材料在過去十年快速發(fā)展。已有一系列生物基熱固性電工絕緣材料被開發(fā)出來，一些綠色制備技術(shù)和含弱共價結(jié)構(gòu)的熱固性電工絕緣材料正獲得重視并被深入研究。

綠色合成和面向循環(huán)可回收的分子設(shè)計是發(fā)展環(huán)境友好熱固性電工絕緣材料的主要技術(shù)。這些技術(shù)主要表現(xiàn)在三個方面：可再生原料取代不可再生原料，生產(chǎn)環(huán)境友好化以及弱共價結(jié)構(gòu)引入。這些研究在應(yīng)對資源短缺，改善生產(chǎn)環(huán)境和減緩氣候變化上具有重要意義。

上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室（上海交通大學(xué)）、國家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心（上海交通大學(xué)）的研究人員綜述了近十年來國內(nèi)外在環(huán)境友好熱固性電工絕緣材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展。從生物基熱固性電工絕緣材料、熱固性電工絕緣材料的綠色制備和基于弱共價鍵的熱固性電工絕緣材料三個方面進(jìn)行綜述。最后，他們指出了目前環(huán)境友好熱固性電工絕緣材料發(fā)展中仍存在的問題，并對其研究方向進(jìn)行了展望。

1 生物基熱固性電工絕緣材料

與石油和天然氣等不可再生資源相比，生物質(zhì)資源再生速度快，廣泛存在于自然界中，比如植物纖維素的全球年產(chǎn)量高達(dá)1800億t。用于熱固性電工絕緣材料的生物質(zhì)資源包含植物油、多糖（主要為纖維素）和有機酸。從原材料來源看，生物基熱固性電工絕緣材料可分為三類：以商品化農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物和微生物為原料的生物基熱固性電工絕緣材料。這些材料的電氣和力學(xué)性能等可與傳統(tǒng)熱固性電工絕緣材料相當(dāng)，部分有望用于印制電路基板、絕緣漆和電容器等生產(chǎn)中。

2 熱固性電工絕緣材料的綠色制備

熱固性電工絕緣材料的綠色制備核心在于催化劑和溶劑的綠色化。催化劑在熱固性酚醛的縮聚、環(huán)氧的固化及PU的擴鏈等熱固性電工絕緣材料制備反應(yīng)中扮演著重要角色。新型催化劑的開發(fā)不僅能夠提高催化效率，降低催化劑毒性，而且往往伴隨著新型合成路徑的形成，使更多低價值廢料轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦噪姽そ^緣材料。

使用有機催化劑代替金屬催化劑是實現(xiàn)催化劑綠色化的重要手段。溶劑常作為反應(yīng)介質(zhì)和稀釋劑，其綠色化有利于減少水體污染，降低能耗和改善空氣質(zhì)量等。使用水作為溶劑代替有機溶劑生產(chǎn)熱固性電工絕緣材料是主要發(fā)展方向。

3 基于弱共價結(jié)構(gòu)的熱固性絕緣材料

熱固性電工絕緣材料因分子鏈通過共價鍵連接而難以再次加工和回收利用，主要通過填埋、機械粉碎、熱解和溶劑等處理。這些處理方式能耗高，易造成大氣和土壤等污染。為了提高熱固性電工絕緣材料可回收性，常需在材料中引入弱共價結(jié)構(gòu)。

與非共價鍵結(jié)構(gòu)（氫鍵、π-π重疊和離子相互作用等）相比，弱共價結(jié)構(gòu)更能保持熱固性材料優(yōu)異的熱、力學(xué)和絕緣等性能。弱共價結(jié)構(gòu)分為不可逆和可逆兩類。在熱固性電工絕緣材料中，不可逆弱共價結(jié)構(gòu)主要包括三級酯結(jié)構(gòu)、（亞）磷酸酯結(jié)構(gòu)和亞硫酸結(jié)構(gòu)；可逆弱共價結(jié)構(gòu)主要包括D-A加成結(jié)構(gòu)、六氫三嗪結(jié)構(gòu)、二硫鍵和縮醛結(jié)構(gòu)。

研究人員表示，盡管環(huán)境友好的熱固性絕緣材料引起了業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視，但要使這些材料規(guī)?；瘧?yīng)用，還有不少問題需要解決：

1）生物原料具有比不可再生原料更加豐富的天然結(jié)構(gòu)，能賦予熱固性電工絕緣材料更加多樣化的性能，比如可降解性。所以，生物原料的選擇極為關(guān)鍵。另外，還需降低生物原料的收集、純化和改性成本，使其與不可再生原料相當(dāng)甚至更低。同時減少生物原料的生產(chǎn)對耕地和淡水的占用，避免潛在造成糧食和土地問題。

2）熱固性電工絕緣材料的綠色化制備主要集中在催化劑和溶劑的研究上。目前，熱固性電工絕緣材料的生產(chǎn)仍需大量使用金屬催化劑和有機溶劑。有機催化劑和綠色溶劑的使用是解決上述問題的有效措施。但是有機催化劑的合成一般較為復(fù)雜，規(guī)模化制備用于熱固性絕緣材料單體合成及固化的高效催化劑仍是巨大挑戰(zhàn)。綠色溶劑除了水以外，超臨界CO2和離子液體在熱固性電工絕緣材料中的應(yīng)用也值得關(guān)注。

3）熱固性電工絕緣材料難以修復(fù)和回收的根本在于穩(wěn)定共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的存在。讓弱共價結(jié)構(gòu)參與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建能賦予材料自修復(fù)和可回收等多重性能。目前，各種不可逆和可逆共價結(jié)構(gòu)被不斷開發(fā)出來。但值得注意的是，弱共價結(jié)構(gòu)的引入不應(yīng)過分犧牲熱固性電工絕緣材料固有的優(yōu)異機械、熱穩(wěn)定和絕緣性能。通過引入多重弱共價結(jié)構(gòu)以及與非共價結(jié)構(gòu)結(jié)合是綜合性電工絕緣材料的發(fā)展趨勢。

4）目前，環(huán)境友好熱固性電工絕緣材料的研究以概念性研究居多，對實際使用性能涉及較少，也缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，今后應(yīng)加強電工、材料、化學(xué)等多學(xué)科協(xié)同合作，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，引領(lǐng)、指導(dǎo)環(huán)境友好熱固性電工絕緣材料的研究和應(yīng)用。

本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“環(huán)境友好熱固性電工絕緣材料與制備技術(shù)”。論文第一作者為劉文杰，1998年生，博士研究生，研究方向為環(huán)境友好導(dǎo)熱絕緣材料。通訊作者為黃興溢，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力設(shè)備絕緣與功能電介質(zhì)。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的支持。