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。拉曼光譜分析進一步證實了這一點：TO-BDS的D峰與G峰強度比（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)揮潤滑作用。

XPS分析揭示了表面化學性質(zhì)的顯著變化。TO-BDS的表面氧含量（17.57%）遠高于BDS（7.79%）。精細譜圖表明，TO-BDS表面引入了更多的C-OH、C-O-C和C=O等含氧官能團。這些親水基團的增加，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分析。Zeta電位測試表明，TO-BDS在水中的表面電位為-17.6 mV，比BDS（-5.07 mV）負電性更強，顆粒間靜電排斥力更大，從而更不易團聚。粒度分析顯示，TO-BDS團聚體的平均水合粒徑（191.6 nm）小于BDS（213.2 nm）。宏觀沉降實驗照片直觀顯示：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和表面電荷，顯著增強了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性能

摩擦學測試結(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32.0%；同時，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滑，在高承載條件下也能有效進入摩擦界面，發(fā)揮持續(xù)的減摩抗磨作用。

3. 磨損表面分析與潤滑機理初探

對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，純水潤滑下的磨痕寬而深，表面存在大量嚴重的腐蝕坑和犁溝，表現(xiàn)為腐蝕磨損與磨粒磨損的復合形式。相比之下，H?O+TO-BDS潤滑下的磨痕窄而淺，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信息。在純水潤滑的磨痕上，無論黑色區(qū)還是白色區(qū)，均檢測到Fe?O?的特征峰，證實了摩擦過程中的氧化反應。而在H?O+TO-BDS潤滑的磨痕上，不僅檢測到Fe?O?，還在磨痕的黑色區(qū)域（及微弱的白色區(qū)域）檢測到了明顯的碳材料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滑劑，在界面間滑動，進一步降低了摩擦與磨損。

4. 界面張力儀揭示的核心機理：潤濕性提升的關鍵作用

前述分析指出了TO-BDS的“微軸承”作用和石墨片層剝離的潤滑貢獻，但一個根本性問題在于：TO-BDS顆粒及其分散液是如何更有效地進入并駐留在苛刻的摩擦接觸區(qū)域的？芬蘭Kibron dIFT雙通道動態(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)為不浸潤狀態(tài)。而當水中添加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，即潤濕性得到顯著改善。

這一變化的物理意義和摩擦學影響至關重要：

?   促進潤滑劑輸送：更好的潤濕性意味著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顆粒輸送到需要潤滑的摩擦接觸區(qū)。

?   增強潤滑膜形成與保持：良好的潤濕性是形成穩(wěn)定、連續(xù)流體潤滑膜或邊界吸附膜的基礎。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合潤滑膜創(chuàng)造了有利條件。

?   關聯(lián)摩擦學結(jié)果：潤濕性的改善直接關聯(lián)到觀察到的優(yōu)異摩擦學性能。更容易鋪展和吸附的潤滑液，能保證在摩擦過程中始終有足夠的潤滑介質(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，界面張力儀的測量結(jié)果，將TO-BDS的表面改性（引入含氧基團）、分散液的性質(zhì)（潤濕性）與其宏觀摩擦學性能，通過物理化學中的“潤濕”概念緊密地聯(lián)系了起來，構(gòu)成了一個完整的機理鏈條：熱氧化改性 → 表面含氧官能團增多 → 分散性與潤濕性提升 → 潤滑劑更易進入并駐留摩擦界面 → 形成有效的含碳潤滑膜并發(fā)揮“微軸承”及片層潤滑作用 → 實現(xiàn)卓越的減摩抗磨效果。

四、 結(jié)論

本研究通過簡單、經(jīng)濟的熱氧化法，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（如C-OH, C=O），從而顯著增強了TO-BDS在水中的分散穩(wěn)定性和潤濕性。

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.  機理明晰：其潤滑機理是多方面協(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，起到固體潤滑作用；（c）最關鍵的是，TO-BDS的加入極大地改善了水溶液在金屬表面的潤濕性（接觸角從98°降至77°），這一由界面張力儀定量揭示的性質(zhì)，確保了潤滑液能更有效地潤濕、鋪展并吸附于摩擦副表面，為形成穩(wěn)定、高效的保護性潤滑膜奠定了物理化學基礎。

本研究的價值在于：一方面，為生物柴油碳煙這一環(huán)境負擔物的高值化資源利用開辟了一條新路徑，實現(xiàn)了“以廢治廢”；另一方面，開發(fā)了一種制備簡單、原料廉價、性能優(yōu)異且環(huán)境友好的新型水基碳基潤滑添加劑，為綠色潤滑技術(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量技術(shù)，成功地從界面科學角度揭示了添加劑提升潤滑性能的一個核心且常被忽視的機制——潤濕性調(diào)控，這對未來設計和評價高性能潤滑添加劑具有重要的方法論指導意義。