三、 結(jié)果與討論

1. TO-BDS的結(jié)構(gòu)、組分與分散性優(yōu)化

FETEM觀察顯示，原始BDS與TO-BDS均由約35 nm的近球形一次顆粒團(tuán)聚成鏈狀。高分辨圖像表明，TO-BDS顆粒外層具有更多、更彎曲且呈同心取向的石墨片結(jié)構(gòu)，說明熱氧化處理提升了其石墨化有序度。拉曼光譜分析進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)：TO-BDS的D峰與G峰強(qiáng)度比（I_D/I_G = 2.712）低于BDS（3.010），表明其結(jié)構(gòu)無序度降低，石墨化程度更高。這種類洋蔥碳的結(jié)構(gòu)有利于在摩擦中發(fā)生片層剝離，發(fā)揮潤(rùn)滑作用。

XPS分析揭示了表面化學(xué)性質(zhì)的顯著變化。TO-BDS的表面氧含量（17.57%）遠(yuǎn)高于BDS（7.79%）。精細(xì)譜圖表明，TO-BDS表面引入了更多的C-OH、C-O-C和C=O等含氧官能團(tuán)。這些親水基團(tuán)的增加，極大地改善了TO-BDS與水的相容性。

分散性表征結(jié)果完美印證了上述化學(xué)分析。Zeta電位測(cè)試表明，TO-BDS在水中的表面電位為-17.6 mV，比BDS（-5.07 mV）負(fù)電性更強(qiáng)，顆粒間靜電排斥力更大，從而更不易團(tuán)聚。粒度分析顯示，TO-BDS團(tuán)聚體的平均水合粒徑（191.6 nm）小于BDS（213.2 nm）。宏觀沉降實(shí)驗(yàn)照片直觀顯示：BDS分散液靜置后出現(xiàn)瓶壁附著和沉降，而TO-BDS分散液均勻穩(wěn)定。所有證據(jù)一致表明，熱氧化改性通過增加表面含氧官能團(tuán)和表面電荷，顯著增強(qiáng)了TO-BDS在水中的分散穩(wěn)定性，這是其能夠作為有效水基添加劑的首要前提。

2. TO-BDS作為水基添加劑的摩擦學(xué)性能

摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果令人振奮。在50N載荷下，隨著TO-BDS添加量從0增至0.2%，平均摩擦系數(shù)從0.356顯著降至0.242，降幅達(dá)32.0%；同時(shí)，上試球的磨損體積也大幅減少60.0%。繼續(xù)增加添加量，摩擦系數(shù)和磨損體積變化趨于平緩，表明0.2%為較佳添加濃度。

更為重要的是，TO-BDS在較寬的載荷范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在20N至100N的載荷下，含0.2% TO-BDS的水溶液的摩擦系數(shù)和磨損體積均始終低于純水。特別是在100N的高載荷下，其摩擦系數(shù)（0.278）比純水（0.402）降低30.8%，磨損體積（1.7×10? μm3）比純水（4.6×10? μm3）大幅降低63.0%。這證明TO-BDS添加劑不僅能改善輕載下的潤(rùn)滑，在高承載條件下也能有效進(jìn)入摩擦界面，發(fā)揮持續(xù)的減摩抗磨作用。

3. 磨損表面分析與潤(rùn)滑機(jī)理初探

對(duì)磨損表面的微觀分析揭示了性能提升的直觀證據(jù)。3D形貌和FESEM圖像顯示，純水潤(rùn)滑下的磨痕寬而深，表面存在大量嚴(yán)重的腐蝕坑和犁溝，表現(xiàn)為腐蝕磨損與磨粒磨損的復(fù)合形式。相比之下，H?O+TO-BDS潤(rùn)滑下的磨痕窄而淺，僅可見輕微犁溝，無明顯的腐蝕坑。這表明TO-BDS的加入有效隔離了摩擦副的直接接觸，減輕了腐蝕和塑性變形。

拉曼光譜分析提供了更深層的化學(xué)信息。在純水潤(rùn)滑的磨痕上，無論黑色區(qū)還是白色區(qū)，均檢測(cè)到Fe?O?的特征峰，證實(shí)了摩擦過程中的氧化反應(yīng)。而在H?O+TO-BDS潤(rùn)滑的磨痕上，不僅檢測(cè)到Fe?O?，還在磨痕的黑色區(qū)域（及微弱的白色區(qū)域）檢測(cè)到了明顯的碳材料D峰和G峰，這直接證明了TO-BDS在摩擦過程中被碾壓、鋪展并在表面形成了含碳的潤(rùn)滑膜。此外，磨痕上碳膜的I_D/I_G值（2.928）高于原始TO-BDS（2.712），說明在摩擦剪切力作用下，TO-BDS的石墨片層發(fā)生了剝離，這些剝離的石墨片作為固體潤(rùn)滑劑，在界面間滑動(dòng)，進(jìn)一步降低了摩擦與磨損。

4. 界面張力儀揭示的核心機(jī)理：潤(rùn)濕性提升的關(guān)鍵作用

前述分析指出了TO-BDS的“微軸承”作用和石墨片層剝離的潤(rùn)滑貢獻(xiàn)，但一個(gè)根本性問題在于：TO-BDS顆粒及其分散液是如何更有效地進(jìn)入并駐留在苛刻的摩擦接觸區(qū)域的？芬蘭Kibron dIFT雙通道動(dòng)態(tài)界面張力儀提供的接觸角數(shù)據(jù)，為此提供了決定性的解釋。

測(cè)量結(jié)果顯示，純水在GCr15鋼盤表面的接觸角為98°，表現(xiàn)為不浸潤(rùn)狀態(tài)。而當(dāng)水中添加0.2%的TO-BDS后，其接觸角顯著降低至77°。接觸角的減小意味著液體在固體表面的鋪展能力增強(qiáng)，即潤(rùn)濕性得到顯著改善。

這一變化的物理意義和摩擦學(xué)影響至關(guān)重要：

?   促進(jìn)潤(rùn)滑劑輸送：更好的潤(rùn)濕性意味著H?O+TO-BDS分散液能更快速、更均勻地鋪展并覆蓋整個(gè)摩擦副表面，包括微小的凹槽和縫隙，從而更有效地將TO-BDS顆粒輸送到需要潤(rùn)滑的摩擦接觸區(qū)。

?   增強(qiáng)潤(rùn)滑膜形成與保持：良好的潤(rùn)濕性是形成穩(wěn)定、連續(xù)流體潤(rùn)滑膜或邊界吸附膜的基礎(chǔ)。接觸角小，表明液體與金屬表面的吸附功大，液體分子（及其中的添加劑顆粒）更傾向于吸附在金屬表面而非自身團(tuán)聚。這使得TO-BDS顆粒更容易在金屬表面吸附、富集，為后續(xù)形成包含碳顆粒的復(fù)合潤(rùn)滑膜創(chuàng)造了有利條件。

?   關(guān)聯(lián)摩擦學(xué)結(jié)果：潤(rùn)濕性的改善直接關(guān)聯(lián)到觀察到的優(yōu)異摩擦學(xué)性能。更容易鋪展和吸附的潤(rùn)滑液，能保證在摩擦過程中始終有足夠的潤(rùn)滑介質(zhì)覆蓋在接觸區(qū)域，即使在高載荷下被擠出，也能更快地回流補(bǔ)充。這解釋了為何H?O+TO-BDS體系在各種載荷下都能保持穩(wěn)定的低摩擦和低磨損。

因此，界面張力儀的測(cè)量結(jié)果，將TO-BDS的表面改性（引入含氧基團(tuán)）、分散液的性質(zhì)（潤(rùn)濕性）與其宏觀摩擦學(xué)性能，通過物理化學(xué)中的“潤(rùn)濕”概念緊密地聯(lián)系了起來，構(gòu)成了一個(gè)完整的機(jī)理鏈條：熱氧化改性 → 表面含氧官能團(tuán)增多 → 分散性與潤(rùn)濕性提升 → 潤(rùn)滑劑更易進(jìn)入并駐留摩擦界面 → 形成有效的含碳潤(rùn)滑膜并發(fā)揮“微軸承”及片層潤(rùn)滑作用 → 實(shí)現(xiàn)卓越的減摩抗磨效果。

四、 結(jié)論

本研究通過簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的熱氧化法，成功將生物柴油燃燒副產(chǎn)物——碳煙（BDS）轉(zhuǎn)化為一種高性能的水基潤(rùn)滑添加劑（TO-BDS）。系統(tǒng)研究得出以下結(jié)論：

1.  成功改性：熱氧化處理有效提升了BDS的石墨化程度，并大幅增加了其表面的含氧官能團(tuán)（如C-OH, C=O），從而顯著增強(qiáng)了TO-BDS在水中的分散穩(wěn)定性和潤(rùn)濕性。

2.  性能卓越：添加微量（0.2 wt%）的TO-BDS即可顯著改善純水的潤(rùn)滑性能。在100N載荷下，能使平均摩擦系數(shù)降低30.8%，磨損體積降低63.0%，且在不同載荷下均表現(xiàn)優(yōu)異。

3.  機(jī)理明晰：其潤(rùn)滑機(jī)理是多方面協(xié)同作用的結(jié)果：（a）TO-BDS顆粒在摩擦界面起到類似“滾動(dòng)軸承”的承載與分離作用；（b）在剪切力作用下，其石墨片層發(fā)生剝離，起到固體潤(rùn)滑作用；（c）最關(guān)鍵的是，TO-BDS的加入極大地改善了水溶液在金屬表面的潤(rùn)濕性（接觸角從98°降至77°），這一由界面張力儀定量揭示的性質(zhì)，確保了潤(rùn)滑液能更有效地潤(rùn)濕、鋪展并吸附于摩擦副表面，為形成穩(wěn)定、高效的保護(hù)性潤(rùn)滑膜奠定了物理化學(xué)基礎(chǔ)。

本研究的價(jià)值在于：一方面，為生物柴油碳煙這一環(huán)境負(fù)擔(dān)物的高值化資源利用開辟了一條新路徑，實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”；另一方面，開發(fā)了一種制備簡(jiǎn)單、原料廉價(jià)、性能優(yōu)異且環(huán)境友好的新型水基碳基潤(rùn)滑添加劑，為綠色潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展提供了新的材料選擇。研究中所采用的界面張力儀測(cè)量技術(shù)，成功地從界面科學(xué)角度揭示了添加劑提升潤(rùn)滑性能的一個(gè)核心且常被忽視的機(jī)制——潤(rùn)濕性調(diào)控，這對(duì)未來設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)高性能潤(rùn)滑添加劑具有重要的方法論指導(dǎo)意義。