Молекулярное моделирование влияния влаги на микроструктурные свойства изоляционной бумаги
2025-10-28
Для внутренней изоляции силовых трансформаторов в основном используются масло-бумажные композитные материалы, причем характеристики изоляционной бумаги напрямую определяют срок службы трансформатора. В условиях эксплуатации бумага подвержена воздействию таких факторов, как электрическая нагрузка и тепловое воздействие, что приводит к разрушению целлюлозных цепей и последующему разложению и старению изоляции. Влага ускоряет этот процесс старения.
Технология молекулярного моделирования, как третий подход к исследованиям, отличный от экспериментальных и теоретических методов, позволяет исследовать явления и микроскопические физические процессы на молекулярном уровне, недоступные для непосредственного наблюдения. Она достигла значительных успехов в таких областях, как химическая инженерия, энергетика и фармацевтика. Применение молекулярного моделирования для изучения целлюлозы в изоляционной бумаге при рабочих температурах трансформатора позволяет исследовать влияние влаги на механические свойства, водородные связи и числа заполнения Мулликена. Это закладывает основу для дальнейшего изучения механизмов старения целлюлозы.
При построении модели использовался метод Теодору для моделирования аморфных полимеров с использованием модуля Amorphous Cell в программном пакете Materials Studio 4.0. Аморфная элементарная ячейка содержала одну целлюлозную цепь, состоящую из 20 фибринозных единиц, с содержанием воды 5% по массе, что соответствует примерно 20 молекулам воды.
Первоначально модель подвергалась динамической релаксации в системе NVT (канонический ансамбль) с использованием циклического отжига с интервалами 200 К от 1000 К до 400 К, а затем обратно до 1000 К. После отжига были проведены молекулярно-динамические симуляции при нормальной рабочей температуре трансформатора 343 К с использованием систем NPT (постоянное давление, постоянная температура) и NVT для модели целлюлозы. После кинетической релаксации внутренние напряжения в модели уменьшились, а распределение полостей в системе приблизилось к распределению в реальном материале, достигнув термодинамического равновесия.
Модуль Юнга, определяемый как отношение напряжения к деформации, служит модулем упругости, характеризующим сопротивление твердого материала деформации. Как параметр, измеряющий жесткость материала, более высокий модуль Юнга указывает на большую жесткость материала и повышенное сопротивление деформации, что напрямую отражает механическую прочность материала.
Сеть водородных связей в целлюлозе служит важным показателем для оценки механической прочности целлюлозной изоляционной бумаги. Изменения в этих внутренних водородных связях не только напрямую влияют на механические свойства изоляционной бумаги, но и глубоко влияют на ее сопротивление старению.
В условиях эксплуатации трансформаторов влага не изменяет тип химической связи, ответственной за раскрытие пиранного кольца. Вместо этого влага в первую очередь влияет на прочность связи C-O в пиранном кольце, тем самым влияя на легкость раскрытия кольца.
Полимерная целлюлоза состоит из мономеров целлюлозы, связанных гликозидными связями; разрыв этих связей напрямую снижает степень полимеризации целлюлозных цепей в изоляционной бумаге. Когда молекулы воды образуют новые водородные связи с гидроксильными группами на целлюлозных цепях, прочность соответствующих химических связей (O-H или C-O) ослабевает.
Выводы
(1) С увеличением массовой доли воды модуль Юнга уменьшается, что указывает на снижение прочности на разрыв, повышение пластичности и улучшение вязкости целлюлозы изоляционной бумаги;
(2) Попадание молекул воды нарушает исходную сеть водородных связей, образованную внутримолекулярными и межмолекулярными связями в молекулах целлюлозы, что влияет на механические свойства целлюлозы изоляционной бумаги.
(3) Влага снижает химическую прочность гликозидных связей целлюлозы, способствуя разрыву гликозидных связей.
