中链三羟甲基丙烷酯绝缘油制备及其热老化特性研究

摘要

天然酯绝缘油来源于植物油料作物，是一种高燃点、绿色环保液体绝缘电介质，目前已在配电变压器中得到了推广和应用，但运动粘度较高、氧化安定性较弱的特点使其应用受限。因此研制一种高氧化安定性的植物油基酯类绝缘油，对安全环保型变压器的研发及应用具有重要的学术意义与工程应用价值。本文研究了三元醇酯分子结构对其热氧化稳定性的影响规律，获得高热氧稳定性的三元醇酯分子结构，采用酯化合成法制备了中链三羟甲基丙烷酯（TME）绝缘油，并研究了TME绝缘油的热老化特性。论文的主要研究内容为：　　①研究了醇分子结构、脂肪酸链长对三元醇酯热氧化稳定性的影响规律，构建了不同链长饱和脂肪酸（链长8~18）和不同类型的三元醇（甘油、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷）组成的三元醇酯分子模型，采用ReaxFF（Reactive Force-Field）反应力场对三元醇酯的热氧化过程进行分子模拟，比较热氧化稳定性差异。筛选高热氧稳定性的三元醇酯，并与天然酯的热氧化路径与产物进行对比。结果表明，不含β-H的醇使酯分子热稳定性更好，脂肪酸链长越短氧化安定性越高。在热氧化过程中C=C双键更易引发自由基氧化过程与缩聚反应。因此具有较好热氧稳定性的三元醇酯应不含β-H的醇且链长较短。　　②采用酯化合成法制备了TME绝缘油，研究了反应温度、催化剂类型、醇酸摩尔比等因素对TME绝缘油产率的影响规律，采用单因素试验法优化工艺参数，确定最优反应条件。研究碱炼、吸附等纯化方法对TME绝缘油性能的影响，优化纯化工艺。结果表明，合成TME的最佳反应条件为醇酸摩尔比1:3.2，温度为140℃，催化剂为0.8wt.%SnCl2，反应时间为5h，此时产率达到96.8%。TME经过两次碱炼与三次水洗后性能达到绝缘用油标准，而采用碱性氧化铝吸附代替碱炼可避免后处理问题。制备得到的TME绝缘油燃点较高（298℃），倾点较低（-45℃），氧化安定性与矿物油相当。　　③研究了TME绝缘油的热老化特性，获得了油品参量（水分、工频击穿、介质损耗因数等）随热老化时间的变化规律，并与热老化后的天然酯绝缘油性能进行对比，分析TME绝缘油抗老化机制。结果表明，TME绝缘油由于支链醇的空间位阻效应能够抑制水解的发生，与天然酯相比在热老化中不易水解。TME具有较好的热氧稳定性，不易发生缩聚反应和产生极性物质，因此老化后运动粘度几乎不变，介电性能劣化程度较低。

目录

1绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1酯类绝缘油研究现状

1.2.2酯类绝缘油稳定性研究现状

1.2.3酯类绝缘油稳定性提升方法研究现状

1.2.4基于ReaxFF力场的分子动力学模拟研究现状

1.3本文的主要研究内容

2三元醇酯热氧稳定性分子动力学模拟

2.1引言

2.2.1分子模型构建

2.2.2模拟与计算方法

2.2.3分子动力学模拟过程

2.3分子结构对酯分子热氧稳定性的影响

2.3.1醇分子结构对酯分子热氧化稳定性的影响

2.3.2脂肪酸链长对酯分子热氧化稳定性的影响

2.3.3三元醇酯的筛选

2.4天然酯与三羟基甲基丙烷酯热氧化过程对比

2.4.1热氧化路径分析

2.4.2热氧化产物分析

2.5小结

3中链三羟甲基丙烷酯绝缘油制备方法

3.1引言

3.2.1试验材料及实验方法

3.2.2制备工艺优化

3.3中链三羟甲基丙烷酯的纯化

3.3.1纯化方法

3.3.2纯化工艺优化

3.4.1结构表征

3.4.2基本电气及理化性能测试

3.5本章小结

4中链三羟甲基丙烷酯绝缘油热老化特性

4.1.1试验材料及试验流程

4.1.2测试方法

4.2.1介质损耗因数与工频击穿

4.2.2粘度与酸值

4.2.3水分

4.3.1水解稳定性对酸值的影响

4.3.2老化产物对介电性能的影响

4.4本章小结

5结论

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目情况

C.学位论文数据集

致谢