聚合甘油在润滑剂中的摩擦学性能与耐磨性研究

聚合甘油是由甘油经催化缩合生成的低聚物混合物，根据聚合度不同可分为二聚甘油、三聚甘油至十聚甘油等系列产品。其分子结构中含有多个羟基（-OH），兼具亲水性与亲油性，且具有良好的生物降解性、无毒性和润滑兼容性，是传统矿物基润滑剂添加剂的理想绿色替代品。在润滑剂体系中，聚合甘油的摩擦学性能（减摩、抗磨）和耐磨性主要源于其分子结构与摩擦副表面的相互作用机制，具体研究与应用特性如下。

一、分子结构与润滑基础特性

聚合甘油的核心结构为甘油分子间通过醚键连接形成的直链或支链聚合物，其润滑特性与聚合度、羟基数量及分子构型密切相关：

羟基的吸附作用：分子中大量的极性羟基可通过物理吸附（氢键、范德华力）或化学吸附（与金属表面形成配位键）牢固结合在摩擦副金属表面，形成一层连续、致密的润滑保护膜，隔离摩擦界面的直接接触，减少黏着磨损和磨粒磨损。

聚合度对黏度的调控：随着聚合度升高，聚合甘油的分子量增大，黏度显著提升。二聚甘油、三聚甘油为低黏度液体，适合作为润滑油基础油或低黏度添加剂；高聚合度聚合甘油（如五聚、六聚）黏度较高，可增强润滑膜的承载能力，适用于重载润滑场景。

生物降解与兼容性：聚合甘油不含芳香族化合物和重金属，生物降解率可达90%以上，且与矿物油、合成酯、植物油等基础油的兼容性良好，可广泛用于液压油、金属加工液、齿轮油等润滑剂体系。

二、摩擦学性能：减摩与抗磨机制

摩擦学性能的核心指标是摩擦系数（衡量减摩效果）和磨斑直径/体积磨损量（衡量抗磨效果），聚合甘油的作用机制可分为界面润滑膜形成、摩擦化学改性、黏度效应三个层面。

1. 物理吸附膜的减摩效应

在轻载、常温的润滑条件下，聚合甘油主要通过物理吸附在摩擦副表面形成润滑膜：

极性羟基与金属表面（如钢铁表面的Fe?O?）形成强氢键或配位键，分子链的非极性部分朝向摩擦界面外侧，形成一层低剪切强度的润滑层；

当摩擦副发生相对运动时，润滑层内部的分子链发生滑动，而非摩擦副表面直接接触，从而显著降低摩擦系数。

体外四球摩擦实验显示，在矿物油中添加5%~10%的三聚甘油，摩擦系数可从0.15~0.18降至0.08~0.10，减摩率达40%~50%；且聚合度适中的三聚甘油、四聚甘油减摩效果优于二聚甘油（吸附膜强度不足）和高聚合度甘油（分子链缠结导致剪切阻力增大）。

2. 摩擦化学膜的抗磨与耐磨强化

在重载、高温或边界润滑条件下，聚合甘油与摩擦副表面发生摩擦化学反应，形成更稳定的化学吸附膜或反应膜，提升抗磨和耐磨性：

高温高压下，聚合甘油的羟基与金属表面发生脱水反应，生成金属有机化合物（如铁的甘油酯），沉积在摩擦副表面形成具有高硬度、高附着力的反应膜；

该反应膜可填充摩擦副表面的微凹坑，修复表面微小损伤，同时抵抗重载下的膜破裂，减少磨粒的产生和磨损的加剧。

磨损实验表明，添加8%三聚甘油的齿轮油，其磨斑直径较空白矿物油缩小30%~35%，体积磨损量降低50%以上；且反应膜的存在可使润滑剂的承载能力（最大无卡咬负荷PB值）提升2~3倍，适用于齿轮、轴承等重载摩擦部件。

3. 黏度与润滑膜厚度的协同作用

润滑剂的黏度直接影响润滑膜厚度，聚合甘油通过调节体系黏度，优化润滑膜的承载能力：

低聚合度聚合甘油可作为黏度调节剂，提升基础油的黏度指数，使润滑剂在宽温度范围内保持稳定黏度，避免高温下黏度下降导致的润滑失效；

高聚合度聚合甘油可增加润滑膜厚度，在中载条件下实现流体动压润滑，完全隔离摩擦副表面，进一步降低磨损。

例如，在植物油基切削液中添加10%的五聚甘油，其黏度指数从120提升至180，在150℃高温下仍能保持良好润滑性，刀具磨损量减少25%~30%。

三、影响聚合甘油摩擦学性能的关键因素

聚合甘油在润滑剂中的效果并非固定，受聚合度、添加量、摩擦条件、基础油类型等因素调控。

1. 聚合度的核心影响

聚合度是决定性能的关键参数，不同聚合度产品的适用场景差异显著：

二聚/三聚甘油：低黏度、高流动性，羟基密度大，吸附能力强，适合作为金属加工液、液压油的减摩抗磨添加剂，在轻载、高速摩擦条件下效果最佳；

四聚/五聚甘油：黏度适中，兼顾吸附膜强度与剪切流动性，适用于齿轮油、轴承油，可在中重载条件下发挥抗磨作用；

高聚合度甘油（六聚及以上）：黏度高、分子链长，易在摩擦表面形成厚膜，但剪切阻力较大，减摩效果下降，适合作为重载润滑剂的增黏抗磨组分，需与低聚合度产品复配使用。

2. 添加量的优化区间

聚合甘油的摩擦学性能存在最佳添加量，过量添加会导致效果下降：

当添加量为3%~10%时，随着添加量增加，摩擦系数和磨损量显著降低，因为足够的分子可在摩擦表面形成完整吸附膜；

当添加量超过10%时，分子间的缠结加剧，润滑膜剪切阻力增大，摩擦系数回升，同时可能导致润滑剂黏度过高，影响散热性能。

不同基础油的最佳添加量略有差异：矿物油中适宜的添加量为5%~8%，植物油中为8%~10%。

3. 摩擦条件与环境的适配性

载荷与速度：轻载高速条件下，聚合甘油的物理吸附膜即可满足减摩需求；重载低速条件下，需依赖摩擦化学反应膜强化抗磨性；

温度：常温至100℃时，物理吸附膜稳定；温度超过150℃时，化学吸附膜成为主导，且高温可促进摩擦化学反应，提升膜的致密性；

介质环境：在水基润滑剂中，聚合甘油的羟基可增强与水的相容性，同时吸附在金属表面形成疏水润滑膜，防止金属锈蚀；在油基润滑剂中，羟基的极性吸附作用更强，抗磨效果更显著。

四、在润滑剂中的应用优势与局限性

1. 应用优势

绿色环保：生物降解性好，无毒性，符合环保润滑剂的发展趋势，可替代含磷、含硫的传统抗磨添加剂，减少对环境的污染；

多功能性：兼具减摩、抗磨、防锈、增黏等多种功能，可简化润滑剂配方，降低生产成本；

兼容性强：与矿物油、合成酯、植物油等基础油及其他添加剂（如抗氧剂、防锈剂）配伍性好，无协同抑制效应。

2. 局限性

水解稳定性不足：在高温高湿环境下，聚合甘油的醚键易发生水解，导致润滑剂黏度下降、性能衰减，需添加水解稳定剂（如环氧丙烷衍生物）；

高聚合度产品的流动性差：高聚合度聚合甘油常温下为半固体，不易分散，需加热或与低黏度基础油复配使用；

成本较高：相较于传统矿物基添加剂，聚合甘油的生产工艺复杂，成本偏高，限制了其在低端润滑剂中的大规模应用。

聚合甘油凭借其独特的多羟基结构，在润滑剂中可通过物理吸附膜+摩擦化学膜的双重作用实现优异的减摩、抗磨和耐磨效果，且兼具绿色环保特性，是新一代润滑剂添加剂的重要发展方向。

本文来源于南京长江江宇能源科技有限公司官网http://www.cjjyny.com/