微胶囊化添加剂

推进润滑油技术有助于延长一系列应用中的换油周期，但恶劣的操作条件仍可能耗尽换油之间至关重要的添加剂。目前正在进行的研究是微小的聚合物微球如何在润滑油的使用寿命期间产生巨大的性能优势。

微型胶囊将微粒包裹在壳中，防止与其他物质相互作用，直到壳破裂或磨损。该技术自20世纪50年代开始使用，并且已经在许多行业中占据一席之地，包括杀虫剂、食品和药品，以实现随时间控制释放、防止氧化和避免化学相互作用等目标。

然而，使用传统技术制造的微胶囊在大多数润滑环境中不能承受高温、高压和高剪切条件。乔治华盛顿大学工程与应用科学学院机械与航空航天工程系教授Stephen Hsu已经研发出制备适应性更强的微胶囊的方法，因此了解这项技术可以使润滑油受益。

Hsu制备的微胶囊可用于补充润滑油中耗尽的添加剂，并减少与其他化学品的相互作用。他在明尼阿波利斯举行的2018年摩擦学者和润滑工程师协会年会上告知与会者，将添加剂放入胶囊中也可避免添加剂结块，并有助于保持润滑油中添加剂的最佳浓度。

该技术还可以应用于处理液和冷却剂，这些流体的操作条件与润滑油一样苛刻。

封装保护

因为石油添加剂随着发动机油在其使用寿命期间降解而逐渐耗尽，而为了延长添加剂的有效性，Hsu已经花费了几年时间研究这种方法。在中国北京举办的2017年世界摩擦学大会上，Hsu在提交的摘要中指出，“部分添加剂，如摩擦改性剂，可能会很快失去有效性，从而使润滑油的能效或燃油经济性能下降。”添加剂化学物之间可能会相互抵抗，尤其是当添加已经耗尽的添加剂到使用中的配方时更是如此。Hsu列举了二烷基二硫代磷酸锌（一种抗磨添加剂）与摩擦改进剂相互作用的例子，由于摩擦改性剂的分子结构与ZDDP的分子结构不能很好地相互作用，因此可能会使其功能失效。

而这就是微型胶囊能发挥作用的情况。Hsu随后告知Lubes'n'Greases，“胶囊可以使一种添加剂与其他添加剂分离，直到它被触发并释放到润滑油中为止。这样可以定时释放选定的添加剂，以增强耗尽的添加剂，从而保持摩擦降低性能或提高燃料经济性。”他解释道，由于所有添加剂都快速耗尽，许多其他添加剂已用完，那么封装添加剂可以在没有太多干扰的情况下产生作用。

固体润滑油颗粒如二硫化钼和石墨也可以被密封，以用作润滑油和润滑脂配方中的摩擦和磨损控制剂。

Hsu表示，微型胶囊可防止它们与粘度指数改进剂、分散剂和洗涤剂混杂在一起。

微型胶囊的制备包括含有待密封添加剂的油相和水相。使用乳化剂制备乳液，然后加入单体和催化剂开始聚合。

在此过程中必须小心控制pH、温度、反应序列、冷却和聚合物化学等参数，以产生理想尺寸、形状和均匀性。

Hsu在他的演讲中解释说，“我们选择这种方法是因为它可以提供非常可控的壳厚度，”并补充道，研究人员可以控制壳的厚度在0.1微米到几微米之间。多种聚合物可用作壳，包括聚脲、聚氨酯、聚酰胺、聚酯和聚甲基丙烯酸酯。

该工艺适用于具有对称结构的添加剂，例如ZDDP，以及胺类、抑制剂（防锈和缓蚀剂、抗氧化剂），粘度指数改进剂、分散剂、洗涤剂以及钼基和有机摩擦改性剂。

多种添加剂可以包装在一起。“你可以将不同的添加剂放入同一个胶囊中，”Hsu说。

确保性能

为了测试微型胶囊的性质，Hsu在2017的年摘要中建议将一批填充有添加剂的胶囊称重并溶解在油或溶剂中，它们的外壳会受剪切或热应力而破坏。添加剂和聚合物外壳材料应通过过滤器和筛分离，然后再次称重。重新获得的添加剂可以就原始添加剂的性能进行测试，确定等效性。

Hsu在摘要中写道，“由于微型胶囊以各种尺寸存在,性能测试期间的释放率可能因测试几何形状和测试条件而异，因此实际性能可能会有所不同。”

Hsu说，封装添加剂的测试必须考虑到它们的预期用途。“对于通过多孔壳而缓慢释放的，需要考虑释放率。对于定时释放的，润滑油需要进行氧化，并定期取样进行性能测量。”

他还强调，润滑油中微型胶囊壳的聚合物含量需要保持在较低水平，以避免油稠化倾向。他补充说，“用于润滑油应用的理想聚合物化学将是一种在高温下可溶于油的基本聚合物化学物质。”

使胶囊持续

发动机条件对微型胶囊的性能提出了要求。Hsu指出，来自油泵和滑动界面的高剪切应力会破坏聚合物外壳，杂散燃料和水可以作为溶剂损坏胶囊，发动机温度范围在-30到125摄氏度之间，需要出色的热稳定性。

此外，发动机中已经存在的添加剂如分散剂和洗涤剂，用于捕获油不溶性氧化产物，可能会与胶囊缠结并防止其正常作用。Hsu补充说，由发动机产生的漏气、废气再循环和油降解产生的酸性污染物会影响胶囊外壳。“发动机就像是一个恶劣的环境，所以前三年的首要问题是‘我们如何使胶囊稳定并且能够持久作用？”

第一代胶囊的添加剂与聚合物比率约为50:50，而由于壳的厚度，这些胶囊处于发动机中而不会释放其添加剂。因此，Hsu和他的团队不得不调整聚合物化学，使壳体更薄，更容易破碎。

研究人员一直致力于使胶囊尽可能小。

然而，这就导致了聚合物相对于添加剂数量过多。Hsu说，“我们想要最大化添加剂含量并尽量减少聚合物含量。”他说，理想的比例是大约70%的添加剂和30%的聚合物。

对于汽车应用，微型胶囊应在5至30微米之间，以避免被汽油过滤器卡住，而汽油过滤器的孔径直径通常为28微米。

Hsu也指出，“这都取决于你如何设计胶囊。如果胶囊很容易破碎，当它碰到[汽油]过滤器时会破裂并释放添加剂。”

测量

在2018年5月下旬的会议上，Hsu对测量SAE 0W-20和SAE 0W-16发动机油中摩擦改进剂的定时释放的测试进行概述。该测试旨在使样品经受由氧化引起的石油增稠来模拟延长排水间隔条件。

氧化试验在170℃下进行，空气鼓泡率为10立方厘米/秒。1%铁和1%环烷酸铜用作氧化催化剂，并且五种油样品含有0、0.5、1.0、1.5和2.0%摩擦改进剂胶囊。

抽取样品以在0、12、24、36和48小时测试摩擦性能与基线流体相比，每个油样的摩擦系数都有所降低。

36小时后，石油粘度增加，油降解，表明摩擦改进剂已经耗尽。然而与没有摩擦改进剂胶囊的样品相比，具有微胶囊的样品保持了更好的性能。Hsu强调，“胶囊允许[摩擦改进剂]缓慢释放，因此不会很快消耗。”

Hsu表示，他的团队已经学会了如何在微型胶囊中实现最佳添加剂量，并加快制造工艺。

润滑油添加剂的微胶囊化仍然不是商业可得的，但是Hsu已经向美国专利及商标局申请了该工艺的专利。

由于封装添加剂的技术仍较新颖，Hsu表示需要进行更多应用测试以确定其有效性。

他在演讲中表示已经进行了许多发动机测试，但现时研究人员旨在进行真实情况的发动机测试。“在某种程度上，序列测试对于评估这项技术并不合理，所以现在我们要进行更加真实的车辆测试。”