宋浩永，王 煒，黃青丹，莫文雄

（廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

天然酯絕緣油由大豆、油菜籽、葵花籽、棕櫚果等植物基油料經過壓榨或浸出、精煉、改性等工藝制備而成，是一種新型防火與環(huán)保的絕緣液體[1]。其28天的生物降解率可達97%，萬一發(fā)生泄漏，不會對土壤和水源等造成環(huán)境污染[2]。在防火安全方面，天然酯絕緣油燃點高于300℃，屬于K級難燃類絕緣材料，能有效減少火災事故的發(fā)生[3]。天然酯絕緣油也具有良好的電氣性能，其2.5 mm標準電極間距下的擊穿電壓可達到75 kV，介電常數約為礦物絕緣油的1.5倍[3]。除此之外，天然酯絕緣油能夠延緩油紙絕緣中纖維素的熱老化速率、延長油紙絕緣的壽命、提高電力設備的耐過負載能力[4-5]。基于這些優(yōu)點，天然酯絕緣油在變壓器等電力設備中的應用越來越廣泛。

按照IEC 62770:2013的定義，天然酯絕緣油的主要成分為甘油三酸酯，不同天然酯絕緣油的主要區(qū)別在于甘油三酸酯上脂肪酸取代基的不同[6]。其中脂肪酸的種類有很多，通常其碳原子數為12～22，雙鍵數為1～3。脂肪酸類型、含量的差異決定著天然酯絕緣油理化性能的不同。脂肪酸分子飽和程度越高，對應油品的氧化安定性越好；但油的傾點越高，低溫流動性越差，油的黏度越大[4,7]。通過添加抗氧劑等添加劑可以使得絕緣油化學性能更穩(wěn)定[8]，但是添加劑的含量一般保持在1%以下，以防止過量的添加導致絕緣油的電導率上升到不可接受的水平，因此天然酯絕緣油的氧化安定性、低溫流動性等性質很大程度上仍取決于植物油本身。因此為了兼顧絕緣油的氧化安定性、低溫流動性和散熱性，在電力設備應用中選擇最適合的天然酯絕緣油，有必要研究不同天然酯絕緣油的脂肪酸種類和含量。

ISO 12966:2017提出通過氣相色譜法（GC）測定油脂中脂肪酸的類別和含量，這也是目前國內外最常用的脂肪酸測試方法[9]。它利用極性色譜柱分離不同碳鏈長度的脂肪酸，通過火焰離子化（FID）檢測器進行定性定量分析。雖然氣相色譜法具有檢測不確定度小、檢測結果重現性好的優(yōu)點，但是這種方法預處理過程復雜，需要將脂肪酸甲酯化。不恰當的預處理方法和操作會導致樣品的變化和污染，從而出現分析錯誤。除氣相色譜法外，近年來利用氣相色譜-質譜聯用技術（GC-MS）［10-12]、高效液相色譜法（HPLC）[13]進行脂肪酸測定的研究也越來越多。還有學者利用紅外光譜（IR）測定油脂的脂肪酸，該方法具有分析速度快、分析效率高、無污染、無需預處理、對樣品無損傷等優(yōu)點，但該方法建立在具有良好穩(wěn)定性和強適應性的數學模型之上，需要收集大量有代表性的植物油樣品，較為繁瑣[14]。核磁共振（NMR）波譜被提出作為油脂脂肪酸含量分析的替代方法[15-16]。它是一種非破壞性、非侵入性的研究方法，無需在測定前進行繁瑣的衍生化和預處理，通常只需要少量的樣品以及有機溶劑，就能快速直接地對油脂的脂肪酸含量進行定性分析。目前核磁共振技術在食用油脂的檢測分析方面有應用，例如鑒別食用油脂是否摻偽[17]、對食品或油料的含油量進行測定[18]以及為選種、育種、商檢、質檢提供新的手段[19]。

本研究提出采用核磁共振氫譜法（1H-NMR）測定天然酯絕緣油的脂肪酸含量，并和氣相色譜-質譜（GC-MS）法的結果及絕緣油廠家提供的典型值進行對比，分析3種不同種類天然酯絕緣油的脂肪酸含量，并計算天然酯絕緣油中飽和脂肪酸和單烯酸、二烯酸、三烯酸不飽和脂肪酸的含量。

1 實驗

1.1 天然酯絕緣油的選取

選取大豆基、菜籽基、山茶籽基天然酯絕緣油，3種天然酯絕緣油的主要化學結構均為甘油三酸酯，其化學結構中脂肪酸類型與含量不同是導致絕緣油理化性能不同的主要原因之一。表1列舉了這3種天然酯絕緣油的基本理化性能以及IEC 62770:2013給出的未使用天然酯絕緣油的理化性能限值。

表1 3種天然酯絕緣油的基本理化性能Tab.1 Fundamental physical and chemical properties of three types of natural ester insulating oil

從表1可以看出，3種天然酯絕緣油的燃點和開口閃點均超過300℃，屬于K級難燃類絕緣材料。相對于礦物油40℃下的運動黏度（3～16 mm2/s），天然酯絕緣油的黏度均大于30 mm2/s，一定程度上會影響其散熱能力。在低溫流動性方面，天然酯絕緣油的傾點在-20℃左右，遠高于礦物油的-45℃，因此一般會通過添加降凝劑的方法來改善天然酯絕緣油的低溫性能[20]。

1.2 試劑與儀器

正庚烷、氘代氯仿，色譜純；3%甲醇鈉溶液、14%三氟化硼甲醇溶液、飽和氯化鈉溶液、無水硫酸鈉，分析純，上海易恩化學技術有限公司。

氣質聯用儀，7890B-5977A型，安捷倫科技有限公司；核磁共振儀，AVANCEⅢHD 600 MHz型，瑞士布魯克公司。

1.3 氣相色譜-質譜分析

參考 ISO 12966-2:2017《Animal and vegetable fats and oils—Gas chromatography of fatty acid methyl esters》進行樣品的甲酯化與氣相色譜-質譜儀分析條件的設定[9]。

1.3.1 試樣的預處理步驟

稱取油樣0.2 g置于100 mL三口燒瓶中。加入5～10 mL的3%甲醇鈉溶液，將冷凝管固定于燒瓶上，水浴鍋加熱至（80±1）℃時，將燒瓶置于水浴中，加熱回流直至油滴消失。用移液管從冷凝管頂部向燒瓶加入5～10 mL的14%三氟化硼甲醇溶液，在（80±1）℃水浴中繼續(xù)回流反應5～10 min，使試劑甲酯化完全。用少量水沖洗回流冷凝器以減少冷凝管上甲酯化樣品的殘留。停止加熱，從水浴上取下燒瓶，迅速冷卻至室溫。經三口燒瓶瓶口準確加入10 mL正庚烷，振搖2 min，靜置分層后，加入飽和氯化鈉溶液使得水層移動至燒瓶瓶頸的下端，吸取上層的正庚烷提取液5～25 mL于試管中。加入少量無水硫酸鈉，振搖1 min，靜置分層，吸取上層溶液到進樣瓶中等待測定。

1.3.2 分析條件

選用VF-WAXms極性色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），進樣口溫度設置為250℃，分流比設置為1∶30，進樣量為1 μL，載氣為99.999%高純氦氣，程序升溫過程：初始溫度為180℃，保持8 min，以10℃/min的速率升溫至230℃，保持30 min。質譜部分掃描方式為SCAN掃描，離子源選擇EI源，傳輸線為250℃，電離能量為70 eV，離子源溫度為230℃，四極桿溫度為150℃，掃描范圍為35～500 m/z，溶劑延遲為2.5 min。

1.4 核磁共振氫譜分析

1.4.1 樣品的預處理步驟

稱取80 mg的絕緣油至5 mm的核磁共振樣品管中，加入約0.6 mL氘代氯仿，將制好的樣品充分振搖，進行核磁測定。

1.4.2 樣品的1H-NMR譜圖分析

能夠用1H-NMR測定天然酯絕緣油的脂肪酸含量的關鍵原因是：天然酯絕緣油的主要成分為甘油三酸酯，它由甘油骨架和不同種類的脂肪酸構成，且其中不飽和脂肪酸主要成分包含單烯酸、二烯酸和三烯酸。甘油三酸酯中甘油骨架和脂肪酸上共存在有10種不同化學位移的氫核，本研究將其分別標注為A～J，如圖1所示。這10種不同種類的氫核對應的化學位移不同，且1H-NMR信號峰面積的積分與對應氫核的數量成正比。因此通過歸屬甘油三酸酯中不同脂肪酸和甘油骨架氫核與1H-NMR譜圖的對應關系，就能計算出不同脂肪酸的摩爾分數。天然酯絕緣油1H-NMR譜圖中各信號峰的歸屬如表2所示。

表2 天然酯絕緣油核磁共振氫譜中各峰的歸屬Tab.2 Assignment of peaks in1H-NMR of natural ester insulating oil

圖1 甘油單元和脂肪酸鏈的信號歸屬Fig.1 Assignment of signals of glycerol units and fatty acid chains

1.4.3 脂肪酸含量的計算原理

樣品1H-NMR譜圖中的10個共振峰的峰面積與對應的氫核數量之間存在定量關系，因此可用于判斷天然酯絕緣油中不同脂肪酸含量。

根據天然酯絕緣油1H-NMR譜圖和各峰的歸屬可知，共振峰B只與三烯酸中的甲基氫有關，因此該峰面積積分值用于計算天然酯絕緣油中三烯酸的含量，其中天然酯絕緣油中的三烯酸均以亞麻酸的形式存在。因為與共振峰B相關的三烯酸甲基氫有3個，所以三烯酸的物質的量nTA可以通過測量信號峰B的面積得出。將信號峰A～J的面積積分值用AA～AJ表示，nTA與AB的關系如式（1）所示。

共振峰G處的信號是指兩個C=C雙鍵之間的亞甲基氫，只有二烯酸和三烯酸含有特征信號G，其中天然酯絕緣油中二烯酸均以亞油酸的形式存在。因為與共振峰G相關的三烯酸亞甲基氫有4個，二烯酸亞甲基氫有兩個，所以二烯酸的物質的量nDA可以通過對信號峰G處的面積進行積分，再減去三烯酸提供的峰面積確定，即式（2）。

共振峰J由所有不飽和脂肪酸中雙鍵上的氫產生，單烯酸、二烯酸和三烯酸都含有特征信號J，且與共振峰J相關的氫核，三烯酸含有6個，二烯酸含4個，單烯酸有兩個，因此單烯酸的物質的量nMA可以通過計算峰J的面積積分值，并且結合nTA和nDA，通過式（3）計算得出。

共振峰A由二烯酸、單烯酸和飽和脂肪酸的甲基產生，在峰A的總面積中扣除不飽和脂肪酸相關的部分，即可用于計算飽和脂肪酸的物質的量nSaturated，即式（4）。

ISO 12966測定動植物油脂脂肪酸含量的結果是用不同脂肪酸甲酯的質量分數來表示的，因此為了將核磁共振氫譜方法得到的測試結果與GC-MS方法比較，根據計算得到的不同種類脂肪酸物質的量和對應的相對分子質量，將天然酯絕緣油中脂肪酸的含量計算并表達為不同種類脂肪酸甲酯的質量分數。其中飽和脂肪酸的平均相對分子質量計算方法如下：天然酯絕緣油1H-NMR譜圖中的共振峰C是由-(CH2)n-上的氫核產生的，利用共振峰C的積分值，結合已經計算得到的各不飽和脂肪酸物質的量和飽和脂肪酸物質的量，可以計算出圖1所示飽和脂肪酸R1中(CH2)n的參數n值，如式（5）。從而確定飽和脂肪酸的鏈長為（n+4），進而可通過式（6）計算飽和脂肪酸甲酯的平均相對分子質量MSaturated。

式（6）中：14.03、15.04和44.01分別代表飽和脂肪酸甲酯中的亞甲基、甲基和-OCO-酯基的摩爾質量。

2 結果與分析

2.1 氣相色譜-質譜分析

對甲酯化后的大豆基天然酯絕緣油、菜籽基天然酯絕緣油和山茶籽基天然酯絕緣油進行GC-MS分析，氣相色譜將脂肪酸甲酯分離開，質譜結果與NIST質譜圖檢索庫進行對比，確定脂肪酸甲酯的種類。采用面積歸一化方法，依據不同脂肪酸甲酯各自的峰面積，定量分析出不同脂肪酸甲酯的相對質量分數，得到的3種天然酯絕緣油的脂肪酸甲酯含量如表3所示。

從表3可以看出，3種天然酯絕緣油中不飽和脂肪酸的含量均大于80%。大豆基天然酯絕緣油中亞油酸甲酯的含量最高，達到48.1%，菜籽基和山茶籽基天然酯絕緣油的油酸甲酯含量較多，達60%左右，菜籽基天然酯絕緣油的亞麻酸甲酯含量最高。計算得到大豆基、菜籽基、山茶籽基天然酯絕緣油的平均分子量分別為874.22、880.32、874.63。在三者化學結構相同、平均分子量相近的情況下，可以從微觀分子角度得到天然酯絕緣油黏度、傾點等理化性能與不飽和度的關聯。在不飽和脂肪酸中，碳碳雙鍵的順式結構導致絕緣油分子呈彎曲形，使得分子與分子之間無法緊密排列，導致其分子間的作用力減小，因此絕緣油的黏度和傾點會隨著不飽和度的增加而減小。計算得到大豆基天然酯絕緣油含有更多的不飽和脂肪酸，其不飽和度為1.46，菜籽基絕緣油的不飽和度為1.30，山茶籽基絕緣油的不飽和度為1.10。因此，大豆基天然酯絕緣油的黏度和傾點小于菜籽基和山茶籽基天然酯。

2.2 核磁共振氫譜分析

利用核磁共振波譜儀測定的大豆基、菜籽基和山茶籽基天然酯絕緣油的1H-NMR譜圖如圖2所示。

圖2 天然酯絕緣油的1H-NMR譜圖Fig.2 1H-NMR spectra of natural ester insulating oil

為了驗證1H-NMR譜圖的正確性與消除核磁共振測量條件對峰強度的影響，因1個甘油骨架上含有4個亞甲基氫是恒定的，故在對譜圖的每個共振峰進行積分后，將甘油骨架上的亞甲基氫的信號峰H峰面積歸一化為4。發(fā)現共振峰I、F、D的面積分別為1、6、6，與甘油骨架上只有一個次甲基H、6個羰基α位質子氫、6個羰基β位質子氫完全一致，證明了1H-NMR譜圖的準確性。根據脂肪酸含量計算原理，測定天然酯絕緣油中單烯酸、二烯酸、三烯酸和飽和脂肪酸的含量，具體結果如表4所示。與表3通過GC-MS方法測試出來的脂肪酸含量進行比較，結果誤差均在可接受的范圍內，說明利用核磁共振氫譜法測量天然酯絕緣油中單烯酸、二烯酸、三烯酸和飽和脂肪酸含量是可靠的。

表3 天然酯絕緣油中各脂肪酸甲酯的含量及其分子結構性質Tab.3 Contents of fatty acid methyl esters in natural ester insulating oils and molecular structure properties

表4 1H-NMR測得脂肪酸甲酯的含量Tab.4 Contents of fatty acid methyl esters by1H-NMR

3 討論

為了檢驗核磁共振氫譜法測定天然酯絕緣油脂肪酸組成方法的準確性，本研究不僅將其得到的結果與通過氣相色譜-質譜法測定的結果進行比較，還收集了天然酯絕緣油生產廠家提供的脂肪酸含量的典型值作為參考，對比結果如表5～7所示。

從表5可以看出，對于大豆基天然酯絕緣油，1H-NMR法與GC-MS測得的飽和脂肪酸、單烯酸和三烯酸的含量誤差絕對值均小于1%，二烯酸含量相差1.62%。從表6可以看出，對于菜籽基天然酯絕緣油，1H-NMR法與GC-MS測得單烯酸的含量誤差最大為2.60%，仍符合誤差要求。對于山茶籽基天然酯絕緣油，未收集到廠家提供的典型值，從表7可以看出，1H-NMR法與GC-MS法測定的二烯酸含量相差最大，但絕對誤差僅為2.95%。最重要的是，與傳統(tǒng)的氣相色譜為標準的方法相比，核磁共振氫譜法不需要任何的樣品預處理過程，不僅省時、省力、減少了化學品的消耗，而且避免了預處理過程偏差帶來的分析錯誤。

表5 大豆基天然酯絕緣油脂肪酸測定Tab.5 Contents of fatty acid in soybean-based natural ester insulating oil

表6 菜籽基天然酯絕緣油脂肪酸測定Tab.6 Contents of fatty acid in rapeseed-based natural ester insulating oil

表7 山茶籽基天然酯絕緣油脂肪酸測定Tab.7 Contents of fatty acid in camellia-based natural ester insulating oil

4 結論

本研究將核磁共振氫譜法應用于天然酯絕緣油的脂肪酸含量測試，將結果與通過氣相色譜-質譜法測定結果相比，兩者可以互相驗證。大豆基天然酯中主要脂肪酸為二烯酸，兩種方法測得二烯酸誤差最大為1.62%；菜籽基天然酯和山茶籽基天然酯中主要脂肪酸為單烯酸，兩種方法測得脂肪酸含量誤差最大值分別為2.60%和2.95%，均符合誤差要求。更重要的是，核磁共振氫譜法避免了氣相色譜方法在測定之前需要繁瑣的甲酯化預處理過程，只需要少量的樣品與很短的時間，就能對天然酯絕緣油的脂肪酸含量進行定性分析，從而更快地掌握不同絕緣油理化性能變化的規(guī)律。此外還減少了化學品的消耗與廢液的產生，從經濟和環(huán)保角度也是有益的。綜上，利用核磁共振氫譜法對天然酯絕緣油的脂肪酸含量進行簡單、快速的測定是可行且可靠的。