聚亚烷基二醇结构与性能的关系概述

摘要：聚亚烷基二醇（聚醚，PAG）是一种性能优良的合成润滑剂，它是由环氧乙烷（EO）、环氧丙烷（PO）、环氧丁烷（BO）或四氢呋喃（THF）聚合得到的线性聚合物。聚合单体的不同表现出不同的黏度、黏度指数、倾点和溶解性等基本的理化性能，同时由于结构的差异表现出不同的浊点、氧化安定性和热安定性。然而PAG中醚键的独特结构使其具有独特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性，这些特性使聚醚可以应用在不同的场合。通过调节聚醚链中的可变因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以灵活地调整聚醚产品的性能，如黏压特性、牵引系数等，以满足润滑油市场多样性的需求。

关键词：聚醚；结构；性能；润滑剂

中图分类号：TE626.3文献标识码：A

0引言

聚亚烷基二醇（聚醚，PAG）是一种性能优良的合成润滑剂。根据结构的不同，它可分为水溶性、水不溶和油溶性三种。它是由环氧乙烷（EO）、环氧丙烷（PO）、环氧丁烷（BO）或四氢呋喃（THF）聚合而得的线性聚合物[1]。其结构通式为：

由于聚合原料的不同，导致聚醚的理化性能有所区别。环氧乙烷均聚物具有良好的水溶性。环氧乙烷与环氧丙烷共聚，可以改善聚醚的水溶性；环氧丙烷均聚物，为水不溶产品，是聚醚润滑剂的理想基础材料；环氧丙烷与环氧丁烷、四氢呋喃的共聚物或环氧丁烷的均聚物可溶解于矿物油和其他合成油，因此被称为油溶性聚醚。这一产品的出现极大地丰富了聚醚的产品库[2]。

水溶性聚醚、水不溶聚醚和油溶性聚醚均可以得到40 ℃运动黏度从8～200000 mm2/s的产品，然而各项性能却因结构的不同有很大区别。

1聚醚结构与性能

1.1黏度、黏度指数和倾点

聚醚的黏度、黏度指数和倾点与分子结构相关。分子主链中的起始剂的类型和比例、环氧烷烃的类型和比例、封端试剂的类型和浓度、聚合物分子量的大小均可以影响聚醚的黏度、黏度指数和倾点，详见表1。当环氧乙烷聚合而成的聚合物随着分子量的增加，黏度、黏度指数逐渐增加，然而倾点也出现大幅度的提高，因此环氧乙烷高聚物一般在室温条件下，均呈现膏状或蜡状物（表1，编号1-3）。需要指出的是，聚环氧丙烷存在同样的变化规律，但倾点只有小幅度的提高（表1，编号4-6），因此为了降低聚环氧乙烷的倾点，往往通过向聚环氧乙烷中加入少量的环氧丙烷来实现。进一步增加环氧烷烃的支链长度，可以发现，黏度指数与倾点随着黏度的增加而增加，然而增加的幅度小于聚环氧丙烷的增加幅度（表1，编号7、8）。表1中编号为9和10的结果显示了当环氧乙烷与环氧丙烷聚合时，得到聚合物的黏度指数大幅度提高，倾点大幅度降低；当环氧丙烷与环氧丁烷共聚时，得到聚合物的黏度指数与倾点虽然与其他基础油存在明显的优势，但是与环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物相比，仍然具有一定的差距（表1，编号11、12）。当环氧烷烃聚合物的端基被烷基或酯基封端后，聚合物的黏度指数大幅度增加，倾点大幅度降低（表1，编号13-21）；值得一提的是，聚合单体的不同，得到聚合物的黏度指数、倾点的变化规律与未封端聚合物一致。然而封端基团的正构和异构的结构差异，使得聚合物的黏度指数和倾点表现出了较大的差异（表1，编号19、21）。润滑油2014年第29卷

1.2黏压特性

黏压特性表示油品黏度随压力的变化关系，弹性流体润滑状态下的油膜厚度在很大程度上取决于润滑油的黏压特性，一般可用下式表示[3]。

黏压性能的差异一般由黏压系数体现，黏压系数的大小决定了润滑油在接触区的最小油膜厚度。

聚醚的黏压系数主要由聚合物的结构、链长和温度决定的。图1列出了不同聚醚结构的黏压系数关系图，从图中可知，在同一黏度条件下，随着聚合单体链长的增加，聚合物的黏压系数逐渐增加；而黏压系数与黏度的变化是一致的。

（1）“25PO-50B”表示聚合物以一元醇作为起始剂，PO/EO = 25/75的比例聚合，40 ℃运动黏度为50mm2/s。

（2）“50PO-50B”表示聚合物以一元醇作为起始剂，PO/EO = 50/50的比例聚合，40 ℃运动黏度为50 mm2/s 。

（3）“100PO-50B”表示聚合物以一元醇作为起始剂，PO/EO = 100/0的比例聚合，40 ℃运动黏度为50 mm2/s 。

（4）“100BO-50B”表示聚合物以一元醇作为起始剂，PO/EO = 25/75的比例聚合，40 ℃运动黏度为50 mm2/s。

（5）“100BO-110B”表示聚合物以一元醇作为起始剂，PO/EO = 25/75的比例聚合，40 ℃运动黏度为110 mm2/s。

起始剂的类型也是影响黏压系数的重要因素。图2列出了不同种类起始剂与黏压系数的关系图，从图中可知，随着起始剂中羟基数目的增加，黏压系数逐渐增加，然而增加的幅度趋于缓和。

1.3牵引系数

牵引系数表示润滑油传递动力元件所传递的切向力与作用在牵引元件上法向力的比值，它与滑移率有关，即滑移速度与滚动速度的比值，然而油品的分子结构是决定牵引系数的根本原因。由于牵引系数决定了油品防滑移性能，因此在变速器等应用领域应用较为广泛。

聚醚牵引系数的大小主要取决于醚链结构和环氧烷烃侧链的长短。图4列出了不同结构聚醚在同一测试条件下，牵引系数的大小关系。从图中可知，环氧乙烷均聚物的牵引系数最低，然而由于其在空气中极易吸收水分，从而对黏度和抗腐蚀性产生不良影响；而且，在高温条件下，容易产生气穴现象。这些原因导致了环氧乙烷均聚物的应用范围受到限制。随着聚合单体烷基链的增长，牵引系数也在逐渐增加，因此采用不同环氧烷烃混聚的方式可以克服环氧乙烷均聚物的缺点，同时维持较低的牵引系数，结果发现，当EO/PO/THF/Oxp混聚时，得到了满意的结果（图4中样品5）。

1.4溶解性能

聚醚溶解性能在很大程度上取决于聚醚分子中环氧烷烃的类型、比例和端基结构。根据其溶解度的大小可以将聚醚分为水溶性、水不溶和油溶性三种。

环氧乙烷均聚物完全可以溶于水中；随着环氧乙烷比例的下降，环氧丙烷比例的上升，聚合物的水溶性逐渐下降；当环氧乙烷的比例小于25%时，聚合物在水中的溶解度大幅下降，被称为水不溶性聚醚[4]。需要指出的是，聚醚在水中的溶解度随温度的升高而降低，在水中析出的温度点被称为浊点。聚醚浊点的大小由聚醚的分子量和环氧乙烷的比例共同决定。相同环氧乙烷含量的聚醚结构，增加分子量，浊点下降；相同分子量情况下，增加环氧乙烷的含量，浊点升高。其他因素也可以影响聚醚的浊点，如溶液中盐的浓度、酸和碱的浓度等[5]。

1.5氧化安定性

与矿物油和其他合成油相比，聚醚的氧化安定性并不出色。聚醚在氧气的存在下，高温时容易发生醚键的断裂，生成羰基化合物和羧酸，这些物质并最终降解为小分子化合物而挥发，不生成沉积物和胶状物质，因此聚醚被认为具有好的高温清净性[7]。

抗氧剂可以很好地阻止聚醚的氧化变质，如芳胺、硫氮杂蒽型的抗氧剂对聚醚具有明显的抗氧效果[8]，这类抗氧剂通过捕获自由基来阻止油品生成酸性物质、漆膜和沉积物，抑制黏度的增加。当油品中产生一系列自由基时，抗氧剂可以通过氢转移反应来捕获过氧化物自由基和氧化物自由基上的电子，同时也可以捕获烷基自由基的电子，可以三次捕获自由基电子，从而起到抗氧剂的抗氧作用。

1.6热安定性

热安定性是指在规定的试验温度及时间条件下，在隔绝空气的状态中，因受热发生热裂解和热聚合时所表现出的热稳定性。一般来讲，聚醚在260 ℃时作为热传导液可以长时间使用，性能保持稳定。然而当加热温度继续上升至315 ℃时，热分解明显增加；在密闭体系中，维持1.5 h，体系压力增加359 kPa，聚醚40 ℃黏度下降40%，酸值增加0.7 mgKOH/g；在敞开体系中维持6 h，聚醚蒸发损失达到34%，40 ℃黏度下降34%。因此聚醚一般在不高于260 ℃的温度条件下作为热传导液使用。

热安定性与聚合物的结构有关。聚醚结构中含有甲基、亚甲基、次甲基、次亚甲基等烷基基团，这些基团的热稳定性依次降低，因此可以根据聚醚结构中含有烷基基团类型的比例判断聚合物的热安定性的优劣。

2总结

聚醚是一类独特的合成润滑剂，由于结构的不同表现出不同的黏度、黏度指数、倾点和溶解性等基本的理化指标，同时由于结构的差异表现出不同的浊点、氧化安定性和热安定性。然而醚键的独特结构使其具有独特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性等，这些特性使聚醚可以应用在不同的场合。

通过调节聚醚链中的可变因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以灵活地调整聚醚产品的性能，如黏压特性、牵引系数等，以满足润滑油市场多样性的需求。聚醚的这些特点为它的实际应用开辟了广阔前景。

参考文献：

[1] 程亮. 聚亚烷基二醇制备方法概述＼[J＼]. 润滑油， 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， 郭建国， 朱诚身，等. EO/PO无规共聚醚的浊点研究＼[J＼]. 东华大学学报（自然科学版）， 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，李洪伟，孔令杰，等. 油溶性聚醚的制备及其抗氧化性能考察＼[J＼]. 石油炼制与化工， 2014， 45（6）： 86-89.

1.4溶解性能

聚醚溶解性能在很大程度上取决于聚醚分子中环氧烷烃的类型、比例和端基结构。根据其溶解度的大小可以将聚醚分为水溶性、水不溶和油溶性三种。

环氧乙烷均聚物完全可以溶于水中；随着环氧乙烷比例的下降，环氧丙烷比例的上升，聚合物的水溶性逐渐下降；当环氧乙烷的比例小于25%时，聚合物在水中的溶解度大幅下降，被称为水不溶性聚醚[4]。需要指出的是，聚醚在水中的溶解度随温度的升高而降低，在水中析出的温度点被称为浊点。聚醚浊点的大小由聚醚的分子量和环氧乙烷的比例共同决定。相同环氧乙烷含量的聚醚结构，增加分子量，浊点下降；相同分子量情况下，增加环氧乙烷的含量，浊点升高。其他因素也可以影响聚醚的浊点，如溶液中盐的浓度、酸和碱的浓度等[5]。

1.5氧化安定性

与矿物油和其他合成油相比，聚醚的氧化安定性并不出色。聚醚在氧气的存在下，高温时容易发生醚键的断裂，生成羰基化合物和羧酸，这些物质并最终降解为小分子化合物而挥发，不生成沉积物和胶状物质，因此聚醚被认为具有好的高温清净性[7]。

抗氧剂可以很好地阻止聚醚的氧化变质，如芳胺、硫氮杂蒽型的抗氧剂对聚醚具有明显的抗氧效果[8]，这类抗氧剂通过捕获自由基来阻止油品生成酸性物质、漆膜和沉积物，抑制黏度的增加。当油品中产生一系列自由基时，抗氧剂可以通过氢转移反应来捕获过氧化物自由基和氧化物自由基上的电子，同时也可以捕获烷基自由基的电子，可以三次捕获自由基电子，从而起到抗氧剂的抗氧作用。

1.6热安定性

热安定性是指在规定的试验温度及时间条件下，在隔绝空气的状态中，因受热发生热裂解和热聚合时所表现出的热稳定性。一般来讲，聚醚在260 ℃时作为热传导液可以长时间使用，性能保持稳定。然而当加热温度继续上升至315 ℃时，热分解明显增加；在密闭体系中，维持1.5 h，体系压力增加359 kPa，聚醚40 ℃黏度下降40%，酸值增加0.7 mgKOH/g；在敞开体系中维持6 h，聚醚蒸发损失达到34%，40 ℃黏度下降34%。因此聚醚一般在不高于260 ℃的温度条件下作为热传导液使用。

热安定性与聚合物的结构有关。聚醚结构中含有甲基、亚甲基、次甲基、次亚甲基等烷基基团，这些基团的热稳定性依次降低，因此可以根据聚醚结构中含有烷基基团类型的比例判断聚合物的热安定性的优劣。

2总结

聚醚是一类独特的合成润滑剂，由于结构的不同表现出不同的黏度、黏度指数、倾点和溶解性等基本的理化指标，同时由于结构的差异表现出不同的浊点、氧化安定性和热安定性。然而醚键的独特结构使其具有独特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性等，这些特性使聚醚可以应用在不同的场合。

通过调节聚醚链中的可变因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以灵活地调整聚醚产品的性能，如黏压特性、牵引系数等，以满足润滑油市场多样性的需求。聚醚的这些特点为它的实际应用开辟了广阔前景。

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1.4溶解性能

聚醚溶解性能在很大程度上取决于聚醚分子中环氧烷烃的类型、比例和端基结构。根据其溶解度的大小可以将聚醚分为水溶性、水不溶和油溶性三种。

环氧乙烷均聚物完全可以溶于水中；随着环氧乙烷比例的下降，环氧丙烷比例的上升，聚合物的水溶性逐渐下降；当环氧乙烷的比例小于25%时，聚合物在水中的溶解度大幅下降，被称为水不溶性聚醚[4]。需要指出的是，聚醚在水中的溶解度随温度的升高而降低，在水中析出的温度点被称为浊点。聚醚浊点的大小由聚醚的分子量和环氧乙烷的比例共同决定。相同环氧乙烷含量的聚醚结构，增加分子量，浊点下降；相同分子量情况下，增加环氧乙烷的含量，浊点升高。其他因素也可以影响聚醚的浊点，如溶液中盐的浓度、酸和碱的浓度等[5]。

1.5氧化安定性

与矿物油和其他合成油相比，聚醚的氧化安定性并不出色。聚醚在氧气的存在下，高温时容易发生醚键的断裂，生成羰基化合物和羧酸，这些物质并最终降解为小分子化合物而挥发，不生成沉积物和胶状物质，因此聚醚被认为具有好的高温清净性[7]。

抗氧剂可以很好地阻止聚醚的氧化变质，如芳胺、硫氮杂蒽型的抗氧剂对聚醚具有明显的抗氧效果[8]，这类抗氧剂通过捕获自由基来阻止油品生成酸性物质、漆膜和沉积物，抑制黏度的增加。当油品中产生一系列自由基时，抗氧剂可以通过氢转移反应来捕获过氧化物自由基和氧化物自由基上的电子，同时也可以捕获烷基自由基的电子，可以三次捕获自由基电子，从而起到抗氧剂的抗氧作用。

1.6热安定性

热安定性是指在规定的试验温度及时间条件下，在隔绝空气的状态中，因受热发生热裂解和热聚合时所表现出的热稳定性。一般来讲，聚醚在260 ℃时作为热传导液可以长时间使用，性能保持稳定。然而当加热温度继续上升至315 ℃时，热分解明显增加；在密闭体系中，维持1.5 h，体系压力增加359 kPa，聚醚40 ℃黏度下降40%，酸值增加0.7 mgKOH/g；在敞开体系中维持6 h，聚醚蒸发损失达到34%，40 ℃黏度下降34%。因此聚醚一般在不高于260 ℃的温度条件下作为热传导液使用。

热安定性与聚合物的结构有关。聚醚结构中含有甲基、亚甲基、次甲基、次亚甲基等烷基基团，这些基团的热稳定性依次降低，因此可以根据聚醚结构中含有烷基基团类型的比例判断聚合物的热安定性的优劣。

2总结

聚醚是一类独特的合成润滑剂，由于结构的不同表现出不同的黏度、黏度指数、倾点和溶解性等基本的理化指标，同时由于结构的差异表现出不同的浊点、氧化安定性和热安定性。然而醚键的独特结构使其具有独特的性能，如水溶性、水不溶和油溶性等，这些特性使聚醚可以应用在不同的场合。

通过调节聚醚链中的可变因子（R1、R2、R3、R4、m、n），可以灵活地调整聚醚产品的性能，如黏压特性、牵引系数等，以满足润滑油市场多样性的需求。聚醚的这些特点为它的实际应用开辟了广阔前景。

参考文献：

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＼[8＼] 程亮，李洪伟，孔令杰，等. 油溶性聚醚的制备及其抗氧化性能考察＼[J＼]. 石油炼制与化工， 2014， 45（6）： 86-89.