[发明专利]一种指导纤维素分子设计及介电特性评估方法

说明书

本发明公开了一种指导纤维素分子设计及介电特性评估方法，包括以下步骤：S1：采用预设方法构建聚合物块体模型；S2：通过预设方法对聚合物块体模型进行优化，得到全局最优构型；S3：根据预设方法对全局最优构型的均方位移、玻璃化转变温度和分子间分子内氢键数进行计算，并获取计算结果；S4：通过均方位移、玻璃化转变温度和分子间分子内氢键数的计算结果来评估改性纤维素分子取向极化的强弱；S5：通过分子取向极化的评估结果判定介电常数的大小。有益效果：通过利用均方位移、玻璃化转变温度和分子间分子内氢键数三个参量来评估改性纤维素分子取向极化对介电常数的影响，从而有效地提高了介电常数的评估准确性。

技术领域

本发明涉及分子模拟方法技术领域，具体来说，涉及一种指导纤维素分子设计及介电特性评估方法。

背景技术

木质纤维素材料制成纤维素纸或纸板在矿物绝缘油中具有良好的相容性和绝缘特性，使得油-纸复合绝缘成为油浸式电气设备中最为经典的复合绝缘形式，并广泛应用于超特高压、大容量电力变压器中。纤维素的本征特性，导致其极性较高，浸油后绝缘纸的介电常数(ε_board＝4.1～4.8)约为矿物绝缘油(ε_oil＝2.2)的2倍。而在交变电场作用下，复合绝缘中材料分担的电场与材料介电常数成反比，因此在变压器主绝缘结构中，与纸板屏障相比，油隙承担了高出约一倍的电场强度，而绝缘油的击穿场强又远小于绝缘纸板，于是油隙成为了油纸绝缘体系的薄弱环节。降低绝缘纸的介电常数有助于电场的均匀分布，从而更大地发挥油-纸绝缘结构优势。

为了降低纤维素纸的介电常数，研究工作者开展了大量的改性探索性试验，并通过宽频介电谱等试验仪器检测改性后纤维素纸和油-纸复合绝缘体系的介电特性，进一步反馈指导试验的改性。然而，检测仪器通常受多个因素的影响，如温度、空气湿度、测量频率和样品形貌等，且改性和检测试验均存在耗时长、成本高等不足，因此亟需一种有效的预测介电常数的方法。随着计算机模拟的快速发展，分子模拟技术已广泛用于描述纤维素纸的基本性能如机械性能和热稳定性能。

基于Sarko和Blackwell课题组和Theodorou-Suter提出的纤维素结晶区和无定形区结构模型，前人采用分子动力学，模拟了纤维素无定形单轴拉伸加载过程中的应变-应力行为，并计算了模拟参数，如取向因子、自由体积、分子间的氢键和玻璃化转变温度，从而实现了对纤维素的力学性能的研究。结论均与实验结果相吻合，证实了研究方法的可靠性并为今后研究改性绝缘纸的机械特性奠定了理论基础。除此之外，文献还探究了纤维素纸和改性掺杂聚合物之间的界面相容性，以及在纤维素表面沉积的纳米粒子与相对界面的强度，为研究掺杂改性提供了理论指导。前人采用分子模拟，计算改性前后体系中水分子的扩散速率，各组分间氢键数量，以及玻璃化转变温度，预测改性前后纤维素的热稳定性变化，理论计算结论与试验结果相吻合，进一步证实分子模拟能高效指导纤维素纸的改性。虽然鲜有关于改性纤维素纸介电常数方面的分子模拟报道，但分子模拟已广泛用于估算溶液、水和蛋白质类材料的介电常数。研究工作者采用分子动力学模拟，计算液体乙醇模型的偶极子密度的纵向和横向分量随时间的变化，以及总偶极波动和偶极自相关函数，进而估算液体乙醇的静态和动态介电常数。通过计算偶极力矩等参数分析了键柔性对水的介电常数的影响。基于和Kirkwood提出的电介质理论，前人结合分子动力学模拟，预测了肌红蛋白等蛋白结构的静态介电常数。但结论与前人研究结果之间存在一定差异，主要是由于上述关于静态介电常数的计算仅考虑了固有偶极矩而忽略了分子转向极化的影响。分子取向极化与基团活动性有关，其活动性与其活动强度、所处的物理状态以及受阻程度相关。因此本专利提出利用三个参量均方位移(MSD)、分子间分子内氢键(H-bond)及玻璃化转变温度(T_g)评估改性纤维素分子取向极化对介电常数的影响。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了指导纤维素分子设计及介电特性评估方法，具备提高介电常数评估准确性的优点，进而解决背景技术中的问题。

(二)技术方案