聚亞烷基二醇結構與性能的關系概述

摘要：聚亞烷基二醇（聚醚，PAG）是一種性能優良的合成潤滑劑，它是由環氧乙烷（EO）、環氧丙烷（PO）、環氧丁烷（BO）或四氫呋喃（THF）聚合得到的線性聚合物。聚合單體的不同表現出不同的黏度、黏度指數、傾點和溶解性等基本的理化性能，同時由于結構的差異表現出不同的濁點、氧化安定性和熱安定性。然而PAG中醚鍵的獨特結構使其具有獨特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性，這些特性使聚醚可以應用在不同的場合。通過調節聚醚鏈中的可變因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以靈活地調整聚醚產品的性能，如黏壓特性、牽引系數等，以滿足潤滑油市場多樣性的需求。

關鍵詞：聚醚；結構；性能；潤滑劑

中圖分類號：TE626.3文獻標識碼：A

0引言

聚亞烷基二醇（聚醚，PAG）是一種性能優良的合成潤滑劑。根據結構的不同，它可分為水溶性、水不溶和油溶性三種。它是由環氧乙烷（EO）、環氧丙烷（PO）、環氧丁烷（BO）或四氫呋喃（THF）聚合而得的線性聚合物[1]。其結構通式為：

由于聚合原料的不同，導致聚醚的理化性能有所區別。環氧乙烷均聚物具有良好的水溶性。環氧乙烷與環氧丙烷共聚，可以改善聚醚的水溶性；環氧丙烷均聚物，為水不溶產品，是聚醚潤滑劑的理想基礎材料；環氧丙烷與環氧丁烷、四氫呋喃的共聚物或環氧丁烷的均聚物可溶解于礦物油和其他合成油，因此被稱為油溶性聚醚。這一產品的出現極大地豐富了聚醚的產品庫[2]。

水溶性聚醚、水不溶聚醚和油溶性聚醚均可以得到40 ℃運動黏度從8～200000 mm2/s的產品，然而各項性能卻因結構的不同有很大區別。

1聚醚結構與性能

1.1黏度、黏度指數和傾點

聚醚的黏度、黏度指數和傾點與分子結構相關。分子主鏈中的起始劑的類型和比例、環氧烷烴的類型和比例、封端試劑的類型和濃度、聚合物分子量的大小均可以影響聚醚的黏度、黏度指數和傾點，詳見表1。當環氧乙烷聚合而成的聚合物隨著分子量的增加，黏度、黏度指數逐漸增加，然而傾點也出現大幅度的提高，因此環氧乙烷高聚物一般在室溫條件下，均呈現膏狀或蠟狀物（表1，編號1-3）。需要指出的是，聚環氧丙烷存在同樣的變化規律，但傾點只有小幅度的提高（表1，編號4-6），因此為了降低聚環氧乙烷的傾點，往往通過向聚環氧乙烷中加入少量的環氧丙烷來實現。進一步增加環氧烷烴的支鏈長度，可以發現，黏度指數與傾點隨著黏度的增加而增加，然而增加的幅度小于聚環氧丙烷的增加幅度（表1，編號7、8）。表1中編號為9和10的結果顯示了當環氧乙烷與環氧丙烷聚合時，得到聚合物的黏度指數大幅度提高，傾點大幅度降低；當環氧丙烷與環氧丁烷共聚時，得到聚合物的黏度指數與傾點雖然與其他基礎油存在明顯的優勢，但是與環氧乙烷和環氧丙烷的共聚物相比，仍然具有一定的差距（表1，編號11、12）。當環氧烷烴聚合物的端基被烷基或酯基封端后，聚合物的黏度指數大幅度增加，傾點大幅度降低（表1，編號13-21）；值得一提的是，聚合單體的不同，得到聚合物的黏度指數、傾點的變化規律與未封端聚合物一致。然而封端基團的正構和異構的結構差異，使得聚合物的黏度指數和傾點表現出了較大的差異（表1，編號19、21）。潤滑油2014年第29卷

1.2黏壓特性

黏壓特性表示油品黏度隨壓力的變化關系，彈性流體潤滑狀態下的油膜厚度在很大程度上取決于潤滑油的黏壓特性，一般可用下式表示[3]。

黏壓性能的差異一般由黏壓系數體現，黏壓系數的大小決定了潤滑油在接觸區的最小油膜厚度。

聚醚的黏壓系數主要由聚合物的結構、鏈長和溫度決定的。圖1列出了不同聚醚結構的黏壓系數關系圖，從圖中可知，在同一黏度條件下，隨著聚合單體鏈長的增加，聚合物的黏壓系數逐漸增加；而黏壓系數與黏度的變化是一致的。

（1）“25PO-50B”表示聚合物以一元醇作為起始劑，PO/EO = 25/75的比例聚合，40 ℃運動黏度為50mm2/s。

（2）“50PO-50B”表示聚合物以一元醇作為起始劑，PO/EO = 50/50的比例聚合，40 ℃運動黏度為50 mm2/s 。

（3）“100PO-50B”表示聚合物以一元醇作為起始劑，PO/EO = 100/0的比例聚合，40 ℃運動黏度為50 mm2/s 。

（4）“100BO-50B”表示聚合物以一元醇作為起始劑，PO/EO = 25/75的比例聚合，40 ℃運動黏度為50 mm2/s。

（5）“100BO-110B”表示聚合物以一元醇作為起始劑，PO/EO = 25/75的比例聚合，40 ℃運動黏度為110 mm2/s。

起始劑的類型也是影響黏壓系數的重要因素。圖2列出了不同種類起始劑與黏壓系數的關系圖，從圖中可知，隨著起始劑中羥基數目的增加，黏壓系數逐漸增加，然而增加的幅度趨于緩和。

1.3牽引系數

牽引系數表示潤滑油傳遞動力元件所傳遞的切向力與作用在牽引元件上法向力的比值，它與滑移率有關，即滑移速度與滾動速度的比值，然而油品的分子結構是決定牽引系數的根本原因。由于牽引系數決定了油品防滑移性能，因此在變速器等應用領域應用較為廣泛。

聚醚牽引系數的大小主要取決于醚鏈結構和環氧烷烴側鏈的長短。圖4列出了不同結構聚醚在同一測試條件下，牽引系數的大小關系。從圖中可知，環氧乙烷均聚物的牽引系數最低，然而由于其在空氣中極易吸收水分，從而對黏度和抗腐蝕性產生不良影響；而且，在高溫條件下，容易產生氣穴現象。這些原因導致了環氧乙烷均聚物的應用范圍受到限制。隨著聚合單體烷基鏈的增長，牽引系數也在逐漸增加，因此采用不同環氧烷烴混聚的方式可以克服環氧乙烷均聚物的缺點，同時維持較低的牽引系數，結果發現，當EO/PO/THF/Oxp混聚時，得到了滿意的結果（圖4中樣品5）。

1.4溶解性能

聚醚溶解性能在很大程度上取決于聚醚分子中環氧烷烴的類型、比例和端基結構。根據其溶解度的大小可以將聚醚分為水溶性、水不溶和油溶性三種。

環氧乙烷均聚物完全可以溶于水中；隨著環氧乙烷比例的下降，環氧丙烷比例的上升，聚合物的水溶性逐漸下降；當環氧乙烷的比例小于25%時，聚合物在水中的溶解度大幅下降，被稱為水不溶性聚醚[4]。需要指出的是，聚醚在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，在水中析出的溫度點被稱為濁點。聚醚濁點的大小由聚醚的分子量和環氧乙烷的比例共同決定。相同環氧乙烷含量的聚醚結構，增加分子量，濁點下降；相同分子量情況下，增加環氧乙烷的含量，濁點升高。其他因素也可以影響聚醚的濁點，如溶液中鹽的濃度、酸和堿的濃度等[5]。

1.5氧化安定性

與礦物油和其他合成油相比，聚醚的氧化安定性并不出色。聚醚在氧氣的存在下，高溫時容易發生醚鍵的斷裂，生成羰基化合物和羧酸，這些物質并最終降解為小分子化合物而揮發，不生成沉積物和膠狀物質，因此聚醚被認為具有好的高溫清凈性[7]。

抗氧劑可以很好地阻止聚醚的氧化變質，如芳胺、硫氮雜蒽型的抗氧劑對聚醚具有明顯的抗氧效果[8]，這類抗氧劑通過捕獲自由基來阻止油品生成酸性物質、漆膜和沉積物，抑制黏度的增加。當油品中產生一系列自由基時，抗氧劑可以通過氫轉移反應來捕獲過氧化物自由基和氧化物自由基上的電子，同時也可以捕獲烷基自由基的電子，可以三次捕獲自由基電子，從而起到抗氧劑的抗氧作用。

1.6熱安定性

熱安定性是指在規定的試驗溫度及時間條件下，在隔絕空氣的狀態中，因受熱發生熱裂解和熱聚合時所表現出的熱穩定性。一般來講，聚醚在260 ℃時作為熱傳導液可以長時間使用，性能保持穩定。然而當加熱溫度繼續上升至315 ℃時，熱分解明顯增加；在密閉體系中，維持1.5 h，體系壓力增加359 kPa，聚醚40 ℃黏度下降40%，酸值增加0.7 mgKOH/g；在敞開體系中維持6 h，聚醚蒸發損失達到34%，40 ℃黏度下降34%。因此聚醚一般在不高于260 ℃的溫度條件下作為熱傳導液使用。

熱安定性與聚合物的結構有關。聚醚結構中含有甲基、亞甲基、次甲基、次亞甲基等烷基基團，這些基團的熱穩定性依次降低，因此可以根據聚醚結構中含有烷基基團類型的比例判斷聚合物的熱安定性的優劣。

2總結

聚醚是一類獨特的合成潤滑劑，由于結構的不同表現出不同的黏度、黏度指數、傾點和溶解性等基本的理化指標，同時由于結構的差異表現出不同的濁點、氧化安定性和熱安定性。然而醚鍵的獨特結構使其具有獨特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性等，這些特性使聚醚可以應用在不同的場合。

通過調節聚醚鏈中的可變因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以靈活地調整聚醚產品的性能，如黏壓特性、牽引系數等，以滿足潤滑油市場多樣性的需求。聚醚的這些特點為它的實際應用開辟了廣闊前景。

參考文獻：

[1] 程亮. 聚亞烷基二醇制備方法概述＼[J＼]. 潤滑油， 2012， 27（2）： 35-42.

＼[2＼] Lawford， S. Synthetics， Mineral Oils and Biobased Lubricants＼[M＼]. Boca Raton， Florida： CRC Press， 2006： 119-138.

＼[3＼] Sargent，Lowrie B. Pressure-Viscosity Coefficient of Liquid Lubricants＼[J＼]. ASLE Transactions， 1983， 26（1）： 1-10.

＼[4＼] Frederick E. B. Polymers and Plastics＼[M＼]. New York： John Wiley & Sons Press， 2005： 579-591.

＼[5＼] 苑仁旭， 郭建國， 朱誠身，等. EO/PO無規共聚醚的濁點研究＼[J＼]. 東華大學學報（自然科學版）， 2006（2）： 30-34.

＼[6＼] Gatto V J， Elnagar H Y， Moehle W E，et al. Redesigning Alkylated Diphenylamine Antioxidants for Modern Lubricants＼[J＼]. Lubrication Science， 2007， 19（1）： 25-40.

＼[7＼] Greaves M.Oil Soluble Synthetic Polyalkylene Glycols＼[J＼]. Lube Magazine， 2011， 104（77）： 21-24.

＼[8＼] 程亮，李洪偉，孔令杰，等. 油溶性聚醚的制備及其抗氧化性能考察＼[J＼]. 石油煉制與化工， 2014， 45（6）： 86-89.

1.4溶解性能

聚醚溶解性能在很大程度上取決于聚醚分子中環氧烷烴的類型、比例和端基結構。根據其溶解度的大小可以將聚醚分為水溶性、水不溶和油溶性三種。

環氧乙烷均聚物完全可以溶于水中；隨著環氧乙烷比例的下降，環氧丙烷比例的上升，聚合物的水溶性逐漸下降；當環氧乙烷的比例小于25%時，聚合物在水中的溶解度大幅下降，被稱為水不溶性聚醚[4]。需要指出的是，聚醚在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，在水中析出的溫度點被稱為濁點。聚醚濁點的大小由聚醚的分子量和環氧乙烷的比例共同決定。相同環氧乙烷含量的聚醚結構，增加分子量，濁點下降；相同分子量情況下，增加環氧乙烷的含量，濁點升高。其他因素也可以影響聚醚的濁點，如溶液中鹽的濃度、酸和堿的濃度等[5]。

1.5氧化安定性

與礦物油和其他合成油相比，聚醚的氧化安定性并不出色。聚醚在氧氣的存在下，高溫時容易發生醚鍵的斷裂，生成羰基化合物和羧酸，這些物質并最終降解為小分子化合物而揮發，不生成沉積物和膠狀物質，因此聚醚被認為具有好的高溫清凈性[7]。

抗氧劑可以很好地阻止聚醚的氧化變質，如芳胺、硫氮雜蒽型的抗氧劑對聚醚具有明顯的抗氧效果[8]，這類抗氧劑通過捕獲自由基來阻止油品生成酸性物質、漆膜和沉積物，抑制黏度的增加。當油品中產生一系列自由基時，抗氧劑可以通過氫轉移反應來捕獲過氧化物自由基和氧化物自由基上的電子，同時也可以捕獲烷基自由基的電子，可以三次捕獲自由基電子，從而起到抗氧劑的抗氧作用。

1.6熱安定性

熱安定性是指在規定的試驗溫度及時間條件下，在隔絕空氣的狀態中，因受熱發生熱裂解和熱聚合時所表現出的熱穩定性。一般來講，聚醚在260 ℃時作為熱傳導液可以長時間使用，性能保持穩定。然而當加熱溫度繼續上升至315 ℃時，熱分解明顯增加；在密閉體系中，維持1.5 h，體系壓力增加359 kPa，聚醚40 ℃黏度下降40%，酸值增加0.7 mgKOH/g；在敞開體系中維持6 h，聚醚蒸發損失達到34%，40 ℃黏度下降34%。因此聚醚一般在不高于260 ℃的溫度條件下作為熱傳導液使用。

熱安定性與聚合物的結構有關。聚醚結構中含有甲基、亞甲基、次甲基、次亞甲基等烷基基團，這些基團的熱穩定性依次降低，因此可以根據聚醚結構中含有烷基基團類型的比例判斷聚合物的熱安定性的優劣。

2總結

聚醚是一類獨特的合成潤滑劑，由于結構的不同表現出不同的黏度、黏度指數、傾點和溶解性等基本的理化指標，同時由于結構的差異表現出不同的濁點、氧化安定性和熱安定性。然而醚鍵的獨特結構使其具有獨特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性等，這些特性使聚醚可以應用在不同的場合。

通過調節聚醚鏈中的可變因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以靈活地調整聚醚產品的性能，如黏壓特性、牽引系數等，以滿足潤滑油市場多樣性的需求。聚醚的這些特點為它的實際應用開辟了廣闊前景。

參考文獻：

[1] 程亮. 聚亞烷基二醇制備方法概述＼[J＼]. 潤滑油， 2012， 27（2）： 35-42.

＼[2＼] Lawford， S. Synthetics， Mineral Oils and Biobased Lubricants＼[M＼]. Boca Raton， Florida： CRC Press， 2006： 119-138.

＼[3＼] Sargent，Lowrie B. Pressure-Viscosity Coefficient of Liquid Lubricants＼[J＼]. ASLE Transactions， 1983， 26（1）： 1-10.

＼[4＼] Frederick E. B. Polymers and Plastics＼[M＼]. New York： John Wiley & Sons Press， 2005： 579-591.

＼[5＼] 苑仁旭， 郭建國， 朱誠身，等. EO/PO無規共聚醚的濁點研究＼[J＼]. 東華大學學報（自然科學版）， 2006（2）： 30-34.

＼[6＼] Gatto V J， Elnagar H Y， Moehle W E，et al. Redesigning Alkylated Diphenylamine Antioxidants for Modern Lubricants＼[J＼]. Lubrication Science， 2007， 19（1）： 25-40.

＼[7＼] Greaves M.Oil Soluble Synthetic Polyalkylene Glycols＼[J＼]. Lube Magazine， 2011， 104（77）： 21-24.

＼[8＼] 程亮，李洪偉，孔令杰，等. 油溶性聚醚的制備及其抗氧化性能考察＼[J＼]. 石油煉制與化工， 2014， 45（6）： 86-89.

1.4溶解性能

聚醚溶解性能在很大程度上取決于聚醚分子中環氧烷烴的類型、比例和端基結構。根據其溶解度的大小可以將聚醚分為水溶性、水不溶和油溶性三種。

環氧乙烷均聚物完全可以溶于水中；隨著環氧乙烷比例的下降，環氧丙烷比例的上升，聚合物的水溶性逐漸下降；當環氧乙烷的比例小于25%時，聚合物在水中的溶解度大幅下降，被稱為水不溶性聚醚[4]。需要指出的是，聚醚在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，在水中析出的溫度點被稱為濁點。聚醚濁點的大小由聚醚的分子量和環氧乙烷的比例共同決定。相同環氧乙烷含量的聚醚結構，增加分子量，濁點下降；相同分子量情況下，增加環氧乙烷的含量，濁點升高。其他因素也可以影響聚醚的濁點，如溶液中鹽的濃度、酸和堿的濃度等[5]。

1.5氧化安定性

與礦物油和其他合成油相比，聚醚的氧化安定性并不出色。聚醚在氧氣的存在下，高溫時容易發生醚鍵的斷裂，生成羰基化合物和羧酸，這些物質并最終降解為小分子化合物而揮發，不生成沉積物和膠狀物質，因此聚醚被認為具有好的高溫清凈性[7]。

抗氧劑可以很好地阻止聚醚的氧化變質，如芳胺、硫氮雜蒽型的抗氧劑對聚醚具有明顯的抗氧效果[8]，這類抗氧劑通過捕獲自由基來阻止油品生成酸性物質、漆膜和沉積物，抑制黏度的增加。當油品中產生一系列自由基時，抗氧劑可以通過氫轉移反應來捕獲過氧化物自由基和氧化物自由基上的電子，同時也可以捕獲烷基自由基的電子，可以三次捕獲自由基電子，從而起到抗氧劑的抗氧作用。

1.6熱安定性

熱安定性是指在規定的試驗溫度及時間條件下，在隔絕空氣的狀態中，因受熱發生熱裂解和熱聚合時所表現出的熱穩定性。一般來講，聚醚在260 ℃時作為熱傳導液可以長時間使用，性能保持穩定。然而當加熱溫度繼續上升至315 ℃時，熱分解明顯增加；在密閉體系中，維持1.5 h，體系壓力增加359 kPa，聚醚40 ℃黏度下降40%，酸值增加0.7 mgKOH/g；在敞開體系中維持6 h，聚醚蒸發損失達到34%，40 ℃黏度下降34%。因此聚醚一般在不高于260 ℃的溫度條件下作為熱傳導液使用。

熱安定性與聚合物的結構有關。聚醚結構中含有甲基、亞甲基、次甲基、次亞甲基等烷基基團，這些基團的熱穩定性依次降低，因此可以根據聚醚結構中含有烷基基團類型的比例判斷聚合物的熱安定性的優劣。

2總結

聚醚是一類獨特的合成潤滑劑，由于結構的不同表現出不同的黏度、黏度指數、傾點和溶解性等基本的理化指標，同時由于結構的差異表現出不同的濁點、氧化安定性和熱安定性。然而醚鍵的獨特結構使其具有獨特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性等，這些特性使聚醚可以應用在不同的場合。

通過調節聚醚鏈中的可變因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以靈活地調整聚醚產品的性能，如黏壓特性、牽引系數等，以滿足潤滑油市場多樣性的需求。聚醚的這些特點為它的實際應用開辟了廣闊前景。

參考文獻：

[1] 程亮. 聚亞烷基二醇制備方法概述＼[J＼]. 潤滑油， 2012， 27（2）： 35-42.

＼[2＼] Lawford， S. Synthetics， Mineral Oils and Biobased Lubricants＼[M＼]. Boca Raton， Florida： CRC Press， 2006： 119-138.

＼[3＼] Sargent，Lowrie B. Pressure-Viscosity Coefficient of Liquid Lubricants＼[J＼]. ASLE Transactions， 1983， 26（1）： 1-10.

＼[4＼] Frederick E. B. Polymers and Plastics＼[M＼]. New York： John Wiley & Sons Press， 2005： 579-591.

＼[5＼] 苑仁旭， 郭建國， 朱誠身，等. EO/PO無規共聚醚的濁點研究＼[J＼]. 東華大學學報（自然科學版）， 2006（2）： 30-34.

＼[6＼] Gatto V J， Elnagar H Y， Moehle W E，et al. Redesigning Alkylated Diphenylamine Antioxidants for Modern Lubricants＼[J＼]. Lubrication Science， 2007， 19（1）： 25-40.

＼[7＼] Greaves M.Oil Soluble Synthetic Polyalkylene Glycols＼[J＼]. Lube Magazine， 2011， 104（77）： 21-24.

＼[8＼] 程亮，李洪偉，孔令杰，等. 油溶性聚醚的制備及其抗氧化性能考察＼[J＼]. 石油煉制與化工， 2014， 45（6）： 86-89.