在全球向更高效和可持续的能源系统转型的背景下，电气设备的长期可靠性和延长使用寿命对绝缘材料提出了越来越严格的要求[1]、[2]、[3]、[4]。基于纤维素的生物绝缘材料由于其可再生性、出色的机械性能和固有的介电性能，已成为变压器和高压电气系统应用中的有希望的候选材料[5]、[6]、[7]。然而，传统的纤维素绝缘纸在长时间高温条件下容易发生热氧化和水解，从而限制了电气设备的运行可靠性和寿命[8]、[9]。同时，随着电力设备向更高功率密度和更紧凑的配置发展——特别是在大型高压变压器中——对于同时具备增强机械强度、改善导热性能和抗热老化能力的绝缘材料的需求日益迫切[10]、[11]、[12]。
近年来，纳米改性策略被广泛用于实现基于纤维素材料的机械性能、热性能和抗老化性能的协同提升[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。Tempo氧化纳米纤维素（TO-CNF）是一种通过Tempo（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧）氧化处理天然纤维素获得的纳米级纤维素材料。这种处理可以将纤维素分子中的羟基（–OH）转化为羧基（–COOH），从而改变纤维素的化学性质和结构，提高纳米纤维素的分散性和溶解性。同时，由于其高结晶度、超高的长径比和丰富的表面羟基，它可以通过氢键和范德华相互作用与纤维素基体形成密集的多尺度互连网络，赋予纤维素绝缘纸更好的机械性能、韧性和热稳定性[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。另一方面，无机纳米填料如碳纳米线[23]、SiC[24]、Al2O3[25]、SiO2[27]和h-BN[28]在微观层面上发挥着多种作用：它们的表面可以作为自由基和电子捕获位点来抑制氧化链反应，而碱性表面位点可以中和热老化过程中产生的酸性副产物。此外，这些纳米填料可以填充纤维间的空隙，减少水分和氧气的渗透，有效延缓纤维素结构的水解和氧化降解[29]、[30]。
将TO-CNF与无机纳米颗粒（如纳米MgO）杂化以构建复合系统，预期会产生显著的界面协同效应。具体来说，TO-CNF可以通过机械互锁和界面桥接增强纳米MgO在纤维素基体中的分散稳定性，同时建立连续的界面路径以实现高效的热传导。此外，纳米MgO不仅作为导热增强相，还提供表面羟基和缺陷位点，这些位点可作为抗氧化和中和酸的中心，从而双向抑制热诱导的老化，显著延长材料的使用寿命[31]。此外，MD模拟为纳米改性纤维素绝缘纸的合理设计提供了有效的理论框架和预测工具[16]、[17]。与传统实验方法相比，MD模拟能够从分子层面阐明界面相互作用，快速筛选最佳填料类型和尺寸分布，从而降低实验成本并指导有针对性的材料优化[32]。
在这项工作中，将MD模拟与实验研究相结合，开发了一种基于纳米改性的纤维素绝缘材料。通过拉伸强度和断裂伸长率评估了其机械性能，通过玻璃化转变温度和导热性能表征了其热性能。通过系统的加速老化和电气绝缘性能测试，定量评估了使用寿命的延长。这种综合方法旨在建立一种工业上可行的途径，用于制造具有显著延长耐久性的生物基绝缘材料。
