一种液晶环氧绝缘材料及其固化工艺的优化方法和应用

本发明属于液晶环氧绝缘材料固化，尤其涉及一种液晶环氧绝缘材料及其固化工艺的优化方法和应用。

背景技术：

1、可再生能源发电的规模化发展对电力系统的可靠性提出了更高要求。干式变压器以其安全性高、环保性能好、维护成本低、占地面积小等独特优势，在新能源发电和配电系统中得到广泛应用。

2、环氧树脂因其优异的绝缘性能与机械强度，被广泛用作干式变压器线圈的绝缘层。然而随着干式变压器应用电压等级的不断提高和设备容量的不断增加，其在运行过程中承受更大的热应力和机械应力，环氧绝缘层易形成微裂纹或缺陷，并随着时间推移逐渐发展，最终导致材料绝缘性能劣化乃至设备失效。

3、因此，开发兼具高韧性、高导热与高绝缘的环氧绝缘材料，对提高干式变压器服役可靠性具有重要意义。

4、为实现环氧树脂性能的提升，近年来研究者们尝试了多种改性策略。例如，通过引入高导热填料构建声子传输通路，可有效提升材料热导率，但过高的填充量会抑制基体交联反应，导致力学性能显著劣化；纳米粒子的引入可通过裂纹钉扎、塑性空洞等机制显著提升材料的断裂韧性，但其与基体之间形成的界面易成为电荷积聚和载流子迁移通道，造成材料电学性能下降；通过提高交联密度或引入刚性结构的分子设计，能有效提升体积电阻率等电学性能，但分子链段的高度受限通常会导致材料脆性增大，韧性下降。由此可见，常规改性策略往往顾此失彼，难以同时实现环氧树脂电热力性能的协同提升。

5、相比之下，液晶环氧树脂为突破这一困境提供了新思路：通过设计含萘环、联苯等介晶基元的液晶环氧，其高度有序排列的液晶域构建了连续的声子传输通路，显著提升材料的热导率；同时，这种自组装形成的液晶域能够引入深陷阱，有效抑制载流子迁移，从而在提升导热的同时提高击穿电压；在力学性能方面，液晶有序结构能够通过裂纹偏转和桥接及链段滑移等机制有效抑制裂纹扩展并耗散能量，同时弯曲强度、模量和热稳定性也得到同步改善。综上所述，液晶环氧在电学、热学和力学性能上展现出协同提升的潜力，而这些性能的改善均源于其固化过程中形成的液晶域。

6、因此，如何有效引导并锁定液晶有序结构，是充分发挥液晶环氧性能潜力的关键。有学者研究发现，固化温度和时间对液晶相的形成具有决定性影响。然而，目前对于固化工艺的确定多依赖经验或逐个尝试，缺乏定量的设计依据。此外，目前常规的固化工艺并未针对液晶环氧的自组装特性进行设计，导致液晶分子在预固化阶段因热运动剧烈而无法有效自组装，未能形成有序液晶域，最终产物呈各向同性，无法充分发挥液晶环氧树脂的潜能。

7、为解决上述问题，本发明提出了一种液晶环氧绝缘材料固化工艺的优化方法及应用。

8、经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的公开文献。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出了一种液晶环氧绝缘材料及其固化工艺的优化方法和应用，能够解决环氧树脂电、热、力性能难以协同提升、常规改性策略顾此失彼的问题。

2、本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

3、一种液晶环氧绝缘材料固化工艺的优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1、建立液晶环氧绝缘材料固化工艺模型，确定“自组装-结构锁定-充分固化”的三段式优化工艺所需的时间；

5、步骤2、基于步骤1构建的液晶环氧绝缘材料固化工艺模型，以及依据模型计算出各阶段所需时间，制备ep及tmbp/ep试样。

6、而且，所述步骤1的具体步骤包括：

7、（1）获取待固化液晶环氧树脂体系在5~20℃/min升温速率下的dsc热流曲线，分析其固化行为特征，获取各热流曲线的特征温度；

8、（2）采用温度外推法，基于步骤（1）中获得的不同升温速率下的特征温度，峰始温度ti、峰顶温度tp、峰终温度tf，线性拟合至升温速率为0，确定该体系的特征温度范围：ti为125~132℃，tp为164~169℃，tf为205~211℃。

9、（3）计算该体系的表观活化能ea，得到ea的范围为55~56 kj/mol；通过málek判据判定固化机理，拟合得到šesták-berggren双参数自催化固化动力学方程：

10、                  （1）

11、（4）基于固化动力学理论，对上述方程进行变量分离与积分变换，构建用于定量计算固化时间的工艺模型：

12、                    （2）

13、（5）基于步骤（4）构建的液晶环氧绝缘材料固化工艺模型，计算在特征温度130℃和165℃下各固化阶段所需的理论时间，结合工程可行性，确定“自组装-结构锁定-充分固化”的三段式优化工艺：第一段温度为100~110℃、时间1.5~2.5h，第二段温度为125~135℃、时间1.5~2.5h，第三段温度为160~170℃、时间2.5~3.5h。

14、而且，所述步骤2的具体步骤包括：

15、（1）原料混合：按照配方比例称取双酚f环氧树脂ep和液晶环氧单体tmbp。tmbp的添加量占ep与tmbp总质量的2.5~10wt%。将两者一并倒入搅拌釜中，在125~135℃下加热搅拌10~20min，使tmbp充分熔融并均匀分散在ep中，加入detda固化剂继续搅拌至溶液均匀透明；

16、（2）真空脱泡：将步骤（1）得到的混合溶液移至真空消泡装置中，在80~90℃下脱泡20~40min，直至气泡完全消失。

17、（3）浇筑固化：采用常压重力沉降法将步骤（2）混合好的溶液倒入预热的铜模具中。将模具放入恒温电热鼓风箱中进行固化：

18、温度100~110℃/1.5~2.5h + 125~135℃/1.5~2.5h + 160~170℃/2.5~3.5h

19、（4）获得试样：固化完成后，自然冷却至室温后脱模，最终获得样品7.5tmbp/ep-opt。

20、而且，一种液晶环氧绝缘材料固化工艺的优化方法制备获得的样品7.5tmbp/ep-opt。

21、而且，一种液晶环氧绝缘材料固化工艺的优化方法制备获得的样品7.5tmbp/ep-opt.在干式变压器绝缘中的应用。

22、本发明的优点和有益效果为：

23、1、本发明提出一种液晶环氧绝缘材料及其固化工艺的优化方法和应用，通过构建基于固化动力学理论的可定量计算固化时间的工艺模型，解决常规工艺参数依赖经验试错的问题；本发明基于固化动力学理论构建了可定量计算固化时间的工艺模型，通过非等温差式扫描量热法（dsc）获取任一环氧树脂体系的固化行为特征，即可采用数值积分法精确计算各阶段所需时间，解决了传统工艺参数依赖经验试错的问题。该方法适用于各类环氧树脂体系，用户可根据实际需求灵活设定固化度区间（如α从0到0.3、0.3到0.995等），实现工艺参数的定制化设计，具有良好的通用性和工程推广价值。

24、2、本发明通过设计“自组装-结构锁定-充分固化”的三段式优化工艺，解决现有固化工艺与液晶环氧自组装特性不适配、难以形成有序液晶域的问题；本发明的“自组装-结构锁定-充分固化”三段式优化工艺，精准匹配了液晶环氧的自组装特性与交联反应动力学。与传统工艺相比，该工艺成功引导并锁定了液晶有序结构，形成了连续均匀的微米级液晶域，为充分发挥液晶环氧的性能潜力提供了关键工艺保障。

25、3、发明通过三段式优化工艺制备液晶环氧复合材料，解决了常规改性策略顾此失彼、难以实现环氧树脂电、热、力性能协同提升的问题；本发明在步骤 1 中通过固化动力学计算精准确定各阶段的温度和时间参数，在步骤 2 中严格执行 “100~110℃自组装 - 125~135℃结构锁定 - 160~170℃充分固化” 的三段式固化流程，引导 tmbp 液晶单体在低粘度阶段通过 π-π 堆积充分自组装形成初步有序结构，并通过适度交联将其永久锁定在交联网络中，最终形成连续均匀的微米级液晶域。该液晶域一方面引入深陷阱能级有效抑制载流子迁移，保持材料优异的绝缘性能；另一方面构建连续的声子传输通路且界面结合紧密，显著降低界面热阻，提升材料导热系数；同时通过裂纹偏转、银纹化和剪切屈服等多重增韧机制耗散断裂能，大幅提高材料韧性。最终实现了材料绝缘、导热和力学性能的同步增强，成功突破了常规改性策略 “提升单一性能即牺牲其他性能” 的技术瓶颈

26、4、本发明提供了标准化的材料配方与可量化的固化工艺，为高性能干式变压器用环氧绝缘材料的产业化制备提供了具体可行的解决方案；本发明在步骤 2 中明确了 tmbp液晶单体 2.5~10wt% 的最优添加范围，以及 125~135℃加热搅拌混合、80~90℃真空脱泡、常压重力沉降浇筑的标准化操作参数，工艺重复性好，可直接放大应用于工业化生产。同时，步骤 1 中建立的固化工艺模型构建方法具有普适性，不局限于本发明的 tmbp/ep 体系，仅需通过非等温 dsc 实验获取任一环氧树脂体系的固化特征温度和动力学参数，即可采用相同的数值积分方法计算不同固化度区间所需的时间，定制化设计适配不同体系的固化工艺。该方法大幅缩短了新材料的工艺研发周期，可快速推广至各类环氧绝缘材料体系的工艺优化，具有极强的可迁移性和产业化推广价值。