摘要：

隨著能源危機(jī)與環(huán)境壓力的加劇，生物柴油作為一種綠色可再生的發(fā)動機(jī)替代燃料備受關(guān)注。然而，其不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙（Biodiesel Soot, BDS）的處置與利用成為新的挑戰(zhàn)。與此同時，水基潤滑劑因其環(huán)保、成本低廉等優(yōu)點展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，但亟待開發(fā)高性能的環(huán)保添加劑。本研究創(chuàng)新性地以生物柴油碳煙為原料，通過簡易、低成本的熱氧化法對其進(jìn)行改性，制備了熱氧化生物柴油碳煙（Thermally Oxidized BDS, TO-BDS），并系統(tǒng)探究了其作為水基潤滑添加劑的性能與機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，TO-BDS因其表面豐富的含氧官能團(tuán)和更高的表面負(fù)電荷，在水中具有遠(yuǎn)優(yōu)于原始BDS的分散穩(wěn)定性。摩擦學(xué)測試表明，添加微量（0.2 wt%）的TO-BDS即可顯著提升純水的減摩抗磨性能，在高載荷下表現(xiàn)尤為突出。機(jī)理分析揭示，TO-BDS在摩擦界面扮演了“微軸承”的角色，其石墨片層在剪切力作用下發(fā)生剝離，進(jìn)一步起到固體潤滑作用。特別值得注意的是，本研究通過芬蘭Kibron dIFT雙通道動態(tài)界面張力儀的精準(zhǔn)測量，首次從潤濕性角度定量闡釋了TO-BDS的增效機(jī)制：TO-BDS的加入顯著改善了潤滑液在金屬摩擦副表面的潤濕性（接觸角從98°降至77°），這直接促進(jìn)了更穩(wěn)固、更易形成的邊界潤滑膜，成為其卓越潤滑性能的關(guān)鍵因素之一。 本研究不僅為生物柴油碳煙的高值化利用提供了新途徑，也為開發(fā)高性能、環(huán)境友好的水基潤滑添加劑提供了新的思路和實驗依據(jù)。

一、 引言

全球能源緊缺與環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日益嚴(yán)格，共同驅(qū)動著汽車發(fā)動機(jī)替代燃料的研發(fā)熱潮。其中，生物柴油以其原料可再生、燃燒清潔、生物降解性好等突出優(yōu)勢，成為化石燃料最具潛力的替代品之一。然而，在實際應(yīng)用過程中，即便生物柴油的含氧量高于傳統(tǒng)柴油，在燃燒條件不佳時仍會產(chǎn)生碳煙顆粒物。這些碳煙一部分排入大氣，污染環(huán)境、危害健康；另一部分則進(jìn)入發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)，成為油液中的污染物。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，潤滑油中的碳煙會刮擦磨損表面、吸附有效添加劑，對發(fā)動機(jī)造成危害。但近年來的研究也揭示了另一面：在適當(dāng)條件下，某些碳煙顆粒本身或其改性產(chǎn)物可能具備獨特的潤滑特性，尤其是具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳材料，作為固體潤滑添加劑具有潛在價值。

另一方面，在工業(yè)潤滑領(lǐng)域，水基潤滑劑因其不可燃、冷卻性好、成本極低且環(huán)境友好等特性，正在機(jī)械加工、軋制、壓鑄等場景中逐步替代傳統(tǒng)油基潤滑劑。然而，純水的潤滑性能，特別是極壓抗磨性能較差，限制了其廣泛應(yīng)用。因此，向水中添加高效、環(huán)保的潤滑添加劑是推動其發(fā)展的關(guān)鍵。碳基納米材料，如石墨烯、納米金剛石、洋蔥狀碳等，因其優(yōu)異的自潤滑性和化學(xué)穩(wěn)定性，被視為理想的水基潤滑添加劑候選。然而，這些材料往往面臨制備工藝復(fù)雜、成本高昂的瓶頸，制約了其大規(guī)模應(yīng)用。

在此背景下，本研究提出一種“以廢治廢、變廢為寶”的創(chuàng)新思路：利用發(fā)動機(jī)燃燒生物柴油產(chǎn)生的廢棄物——生物柴油碳煙（BDS）為原料，通過簡單的熱氧化改性，制備出具有優(yōu)異水基潤滑性能的添加劑（TO-BDS）。前期研究表明，BDS本身已具備一定的類石墨有序結(jié)構(gòu)，這為其改性成為潤滑材料奠定了基礎(chǔ)。本研究旨在系統(tǒng)闡述TO-BDS的制備、表征、摩擦學(xué)性能，并深入剖析其潤滑機(jī)理，特別是利用先進(jìn)的界面張力儀，從液-固界面相互作用這一全新視角，揭示了其性能提升的物理化學(xué)根源，為生物柴油副產(chǎn)物的資源化利用和水基潤滑技術(shù)的發(fā)展提供了兼具學(xué)術(shù)價值與應(yīng)用前景的解決方案。

二、 實驗部分：材料、制備與表征

1. 原料與改性制備

本研究采用的生物柴油碳煙（BDS）由實驗室自制的燃燒裝置收集生物柴油不完全燃燒產(chǎn)物獲得。改性過程采用熱氧化法：將原始BDS置于管式爐中，在500°C的恒定空氣流（40 mL/min）中氧化處理2小時，自然冷卻后即得到熱氧化生物柴油碳煙（TO-BDS）。將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%）的TO-BDS加入超純水中，經(jīng)攪拌和超聲處理，制備成分散均勻的H?O+TO-BDS潤滑體系。

2. 材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)表征

采用場發(fā)射透射電子顯微鏡（FETEM）觀察BDS和TO-BDS的微觀形貌與結(jié)構(gòu)。通過X射線光電子能譜（XPS）分析表面元素組成與化學(xué)態(tài)。使用Zeta電位及粒度分析儀測量顆粒在水中的表面電位與團(tuán)聚體尺寸，評估其分散穩(wěn)定性。拉曼光譜用于分析碳材料的石墨化程度。

3. 摩擦學(xué)性能評價

摩擦磨損實驗在球-盤往復(fù)式試驗機(jī)上進(jìn)行。摩擦副為GCr15軸承鋼球與盤。實驗參數(shù)設(shè)定為：行程5 mm，速度50 mm/s，時間30 min，載荷分別為20、50、100 N。通過實時記錄的摩擦系數(shù)曲線計算平均摩擦系數(shù)，并使用3D激光掃描顯微鏡測量上試球的磨斑直徑，進(jìn)而計算磨損體積。每個條件重復(fù)三次取平均值以保證數(shù)據(jù)可靠性。

4. 潤滑機(jī)理分析手段

磨損表面形貌通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）和3D激光顯微鏡進(jìn)行觀測，分析磨損機(jī)制（如磨粒磨損、腐蝕磨損等）。使用拉曼光譜儀對磨損區(qū)域進(jìn)行面掃描分析，檢測摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物（如Fe?O?）以及轉(zhuǎn)移的碳材料，揭示潤滑膜的形成情況。

5. 潤濕性關(guān)鍵分析：界面張力儀的核心應(yīng)用

本研究中，為深入探究潤滑機(jī)理，一項關(guān)鍵的界面性質(zhì)測量得以實施：使用芬蘭Kibron dIFT雙通道動態(tài)界面張力儀，精確測量了純水（H?O）以及含0.2% TO-BDS的水溶液（H?O+TO-BDS）在GCr15鋼盤表面的靜態(tài)接觸角。 該儀器通過光學(xué)法自動捕獲液滴輪廓并計算接觸角，其高精度和自動化特性保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可比性。接觸角是衡量液體在固體表面鋪展能力的直接指標(biāo)，接觸角越小，表明液體對固體表面的潤濕性越好，越易于在表面鋪展形成連續(xù)的液膜或潤滑膜。這項測量為解釋TO-BDS如何改善潤滑性能提供了至關(guān)重要的界面化學(xué)證據(jù)。