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《Influence of imidazolium ionic liquids as organic filler dispersant on electrical properties of chitin/epoxy compositesInfluence of imidazolium ionic liquids as organic filler dispersant on electrical properties of chitin/epoxy composites》
题目：咪唑离子液体作为有机填料分散剂对甲壳素/环氧复合材料电学特性的影响
作者：阴凯，范祺红，李静，Taqi ur Rahman，张添胤，Ashish Paramane，陈向荣
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有机纤维纳米电介质作为电力设备绝缘材料逐渐引起人们的关注。然而，由于氢键作用力容易引发填料间的团聚，有机纤维纳米电介质综合性能的提升受到了限制。本文提出采用咪唑类离子液体对甲壳素纤维进行处理后填充环氧树脂，利用离子液体对有机纤维间氢键的破坏实现填料在环氧基体中的均匀分散，并重点关注离子液体的引入与环氧树脂的反应机理及其对复合材料电学性能的影响。研究成果对于改善有机填料在基体中的分散性，提升电工绝缘材料的改性效果具有指导意义。
本文中的环氧树脂复合材料含有恒定质量分数（2.5 wt%）的甲壳素纤维，并分别以0 wt%，0.75 wt%，1.5 wt%，2.5 wt%，5 wt%浓度的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体（IL）对甲壳素进行处理。复合材料的断面微观形貌如图1所示，离子液体处理的甲壳素填充环氧树脂会避免微孔形成，离子液体同时扮演了塑化剂的作用，断面呈现塑性脆断。
图1 (a)-(e) IL改性浓度为0 wt%，0.75 wt%，1.5 wt%，2.5 wt%，5 wt%的环氧复合材料断面SEM图像。(f) 1.5 wt% IL改性环氧复合材料的P、F和N元素分布。(g) 2.5 wt% IL样品的P、F和N元素含量图。
图2显示了所有样品在20kV/mm电场下的电导电流随时间的变化规律。离子液体的引入使得复合材料的电导电流逐渐增大，这是离子液体在强场下离子迁移导致的。结合图3中复合材料的击穿场强，可以得出离子液体因改善甲壳素的分散性，在低浓度下可以提升材料的击穿场强。但随着离子液体浓度的增加，离子液体中的阴阳离子的迁移将增加材料的电导率，劣化击穿场强。
图2 (a)环氧复合材料样品的电导电流和(b)电导率。
图3 离子液体改性甲壳素/环氧树脂复合材料的击穿特性。
咪唑类离子液体的有机阳离子会在环氧树脂固化过程中发生分解并参与固化反应，而分解产生的自由基以及阴离子六氟磷酸根将在外部场强下发生迁移。随着离子液体浓度的增加，游离的离子对环氧树脂绝缘性能的劣化程度大幅增加，因此选择离子液体改性有机填料时需要选择较低的浓度。
图4 离子液体改性甲壳素/环氧树脂的击穿机理
结论与后续研究
本研究介绍了不同浓度离子液体改性的甲壳素/环氧复合材料的电学特性。材料的断裂形貌表明，添加离子液体可以抑制孔隙缺陷的形成。然而，高浓度的离子液体会导致电导率的提升和绝缘强度的下降。实验结果显示0.75 wt%离子液体改性甲壳素/环氧树脂时复合材料电学特性最好。
Yin, K., et al.: Influence of imidazolium ionic liquids as organic filler dispersant on electrical properties of chitin/epoxy composites. High Voltage. 9(4), 930–938 (2024).
阴 凯，浙大城市学院-浙江大学联合培养博士后。2023年毕业于丹麦奥尔堡大学，获电气工程博士学位，于2015 年、2018 年分别获得华北电力大学电气工程本科、硕士学位。入选国家级海外引才计划博士后专项，获得中国博士后科学基金第73批面上项目资助，主要从事环氧基高性能绝缘材料制备、电力系统输电暂态过电压、电力电子绝缘封装等研究。
李 静，浙大城市学院，教授，博导，副院长，浙江省高校领军人才，杭州市西湖明珠人才。主要从事分布式能源智能控制领域研究，科研成果曾获省科技进步一等奖、中国电力科技进步二等奖、浙江电力科技进步一等奖奖励。
陈向荣，浙江大学电气工程学院教授，博士生导师，2020-2021年任浙江大学-UIUC联合学院副院长，现任浙江大学电气工程学院电力系统自动化所所长，IEEE 高级会员，高压绝缘领域国际权威期刊《IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation》副主编，《高电压技术》第九届编委会青年委员，国家机械教育协会第四届高电压与绝缘技术学科教学委员会副主任委员，浙江省电力学会高电压专业委员会副主任委员，浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室学术委员会委员，国家电网、南方电网公司总部项目专家，三峡集团科技委专家。2008 年、2011 年分别获得西安交通大学电气工程硕士、博士，2011-2016 年瑞典查尔姆斯理工大学博士后、助理教授和副教授，2017 年日本东京都市大学 Yasuhiro Tanaka教授实验室访问科学家。近五年以第一或通信作者身份在IEEE Trans.等国际期刊上发表高水平SCI论文 70 余篇，EI期刊论文130 余篇，担任《Advanced Materials》(IF=32.086)、《Matter》(IF=19.967)、《IEEE Trans. on Industrial Informatics》(IF=11.648)、《中国电机工程学报》、《电工技术学报》等国内外著名期刊审稿人。长期从事先进电气材料与高压绝缘测试技术，先进电力装备与新型电缆系统，高电压新技术等先进高压输电新技术的前沿基础和应用研究。
浙江大学电气学院电力系统自动化所先进高压输电新技术实验室是浙江省唯一开展先进高压输电新技术研究的高校团队。团队近五年承担了国家自然科学基金面上项目、浙江省自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目、国家电网公司、浙能集团、宁波东方电缆股份有限公司等企业多项重大课题，已培养出站博士后 2 名，毕业博士 5 名，硕士 14 名，其中 1 名博士后获得印度TOP 5高校 National Institute of Technology，Silchar 教授教职，1 名博士、1名硕士荣获2023届浙江省优秀毕业研究生，3 名博士、2 名硕士荣获浙江大学优秀毕业生，2 名博士、3 名硕士荣获国家奖学金，3 人荣获电气学院最高荣誉王国松奖学金，1 名硕士前往日本东京大学攻读博士学位。荣获浙江电力科学进步奖一等奖 1 项（2023年），中国电力建设科学技术进步奖二等奖
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