摘要：

隨著能源危機與環境壓力的加劇，生物柴油作為一種綠色可再生的發動機替代燃料備受關注。然而，其不完全燃燒產生的碳煙（Biodiesel Soot, BDS）的處置與利用成為新的挑戰。與此同時，水基潤滑劑因其環保、成本低廉等優點展現出巨大應用潛力，但亟待開發高性能的環保添加劑。本研究創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行改性，制備了熱氧化生物柴油碳煙（Thermally Oxidized BDS, TO-BDS），并系統探究了其作為水基潤滑添加劑的性能與機理。研究發現，TO-BDS因其表面豐富的含氧官能團和更高的表面負電荷，在水中具有遠優于原始BDS的分散穩定性。摩擦學測試表明，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，在高載荷下表現尤為突出。機理分析揭示，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生剝離，進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雙通道動態界面張力儀的精準測量，首次從潤濕性角度定量闡釋了TO-BDS的增效機制：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°），這直接促進了更穩固、更易形成的邊界潤滑膜，成為其卓越潤滑性能的關鍵因素之一。 本研究不僅為生物柴油碳煙的高值化利用提供了新途徑，也為開發高性能、環境友好的水基潤滑添加劑提供了新的思路和實驗依據。

一、 引言

全球能源緊缺與環境保護法規的日益嚴格，共同驅動著汽車發動機替代燃料的研發熱潮。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勢，成為化石燃料最具潛力的替代品之一。然而，在實際應用過程中，即便生物柴油的含氧量高于傳統柴油，在燃燒條件不佳時仍會產生碳煙顆粒物。這些碳煙一部分排入大氣，污染環境、危害健康；另一部分則進入發動機潤滑系統，成為油液中的污染物。傳統觀點認為，潤滑油中的碳煙會刮擦磨損表面、吸附有效添加劑，對發動機造成危害。但近年來的研究也揭示了另一面：在適當條件下，某些碳煙顆粒本身或其改性產物可能具備獨特的潤滑特性，尤其是具有類石墨結構的碳材料，作為固體潤滑添加劑具有潛在價值。

另一方面，在工業潤滑領域，水基潤滑劑因其不可燃、冷卻性好、成本極低且環境友好等特性，正在機械加工、軋制、壓鑄等場景中逐步替代傳統油基潤滑劑。然而，純水的潤滑性能，特別是極壓抗磨性能較差，限制了其廣泛應用。因此，向水中添加高效、環保的潤滑添加劑是推動其發展的關鍵。碳基納米材料，如石墨烯、納米金剛石、洋蔥狀碳等，因其優異的自潤滑性和化學穩定性，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雜、成本高昂的瓶頸，制約了其大規模應用。

在此背景下，本研究提出一種“以廢治廢、變廢為寶”的創新思路：利用發動機燃燒生物柴油產生的廢棄物——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構，這為其改性成為潤滑材料奠定了基礎。本研究旨在系統闡述TO-BDS的制備、表征、摩擦學性能，并深入剖析其潤滑機理，特別是利用先進的界面張力儀，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根源，為生物柴油副產物的資源化利用和水基潤滑技術的發展提供了兼具學術價值與應用前景的解決方案。

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）。將不同質量分數（0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%）的TO-BDS加入超純水中，經攪拌和超聲處理，制備成分散均勻的H?O+TO-BDS潤滑體系。

2. 材料結構與性質表征

采用場發射透射電子顯微鏡（FETEM）觀察BDS和TO-BDS的微觀形貌與結構。通過X射線光電子能譜（XPS）分析表面元素組成與化學態。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聚體尺寸，評估其分散穩定性。拉曼光譜用于分析碳材料的石墨化程度。

3. 摩擦學性能評價

摩擦磨損實驗在球-盤往復式試驗機上進行。摩擦副為GCr15軸承鋼球與盤。實驗參數設定為：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曲線計算平均摩擦系數，并使用3D激光掃描顯微鏡測量上試球的磨斑直徑，進而計算磨損體積。每個條件重復三次取平均值以保證數據可靠性。

4. 潤滑機理分析手段

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

5. 潤濕性關鍵分析：界面張力儀的核心應用

本研究中，為深入探究潤滑機理，一項關鍵的界面性質測量得以實施：使用芬蘭Kibron dIFT雙通道動態界面張力儀，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鋼盤表面的靜態接觸角。 該儀器通過光學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據的準確性與可比性。接觸角是衡量液體在固體表面鋪展能力的直接指標，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重要的界面化學證據。