摘要：

随着能源危机与环境压力的加剧，生物柴油作为一种绿色可再生的发动机替代燃料备受关注。然而，其不完全燃烧产生的碳烟（Biodiesel Soot, BDS）的处置与利用成为新的挑战。与此同时，水基润滑剂因其环保、成本低廉等优点展现出巨大应用潜力，但亟待开发高性能的环保添加剂。本研究创新性地以生物柴油碳烟为原料，通过简易、低成本的热氧化法对其进行改性，制备了热氧化生物柴油碳烟（Thermally Oxidized BDS, TO-BDS），并系统探究了其作为水基润滑添加剂的性能与机理。研究发现，TO-BDS因其表面丰富的含氧官能团和更高的表面负电荷，在水中具有远优于原始BDS的分散稳定性。摩擦学测试表明，添加微量（0.2 wt%）的TO-BDS即可显著提升纯水的减摩抗磨性能，在高载荷下表现尤为突出。机理分析揭示，TO-BDS在摩擦界面扮演了“微轴承”的角色，其石墨片层在剪切力作用下发生剥离，进一步起到固体润滑作用。特别值得注意的是，本研究通过芬兰Kibron dIFT双通道动态界面张力仪的精准测量，首次从润湿性角度定量阐释了TO-BDS的增效机制：TO-BDS的加入显著改善了润滑液在金属摩擦副表面的润湿性（接触角从98°降至77°），这直接促进了更稳固、更易形成的边界润滑膜，成为其卓越润滑性能的关键因素之一。 本研究不仅为生物柴油碳烟的高值化利用提供了新途径，也为开发高性能、环境友好的水基润滑添加剂提供了新的思路和实验依据。

一、 引言

全球能源紧缺与环境保护法规的日益严格，共同驱动着汽车发动机替代燃料的研发热潮。其中，生物柴油以其原料可再生、燃烧清洁、生物降解性好等突出优势，成为化石燃料最具潜力的替代品之一。然而，在实际应用过程中，即便生物柴油的含氧量高于传统柴油，在燃烧条件不佳时仍会产生碳烟颗粒物。这些碳烟一部分排入大气，污染环境、危害健康；另一部分则进入发动机润滑系统，成为油液中的污染物。传统观点认为，润滑油中的碳烟会刮擦磨损表面、吸附有效添加剂，对发动机造成危害。但近年来的研究也揭示了另一面：在适当条件下，某些碳烟颗粒本身或其改性产物可能具备独特的润滑特性，尤其是具有类石墨结构的碳材料，作为固体润滑添加剂具有潜在价值。

另一方面，在工业润滑领域，水基润滑剂因其不可燃、冷却性好、成本极低且环境友好等特性，正在机械加工、轧制、压铸等场景中逐步替代传统油基润滑剂。然而，纯水的润滑性能，特别是极压抗磨性能较差，限制了其广泛应用。因此，向水中添加高效、环保的润滑添加剂是推动其发展的关键。碳基纳米材料，如石墨烯、纳米金刚石、洋葱状碳等，因其优异的自润滑性和化学稳定性，被视为理想的水基润滑添加剂候选。然而，这些材料往往面临制备工艺复杂、成本高昂的瓶颈，制约了其大规模应用。

在此背景下，本研究提出一种“以废治废、变废为宝”的创新思路：利用发动机燃烧生物柴油产生的废弃物——生物柴油碳烟（BDS）为原料，通过简单的热氧化改性，制备出具有优异水基润滑性能的添加剂（TO-BDS）。前期研究表明，BDS本身已具备一定的类石墨有序结构，这为其改性成为润滑材料奠定了基础。本研究旨在系统阐述TO-BDS的制备、表征、摩擦学性能，并深入剖析其润滑机理，特别是利用先进的界面张力仪，从液-固界面相互作用这一全新视角，揭示了其性能提升的物理化学根源，为生物柴油副产物的资源化利用和水基润滑技术的发展提供了兼具学术价值与应用前景的解决方案。

二、 实验部分：材料、制备与表征

1. 原料与改性制备

本研究采用的生物柴油碳烟（BDS）由实验室自制的燃烧装置收集生物柴油不完全燃烧产物获得。改性过程采用热氧化法：将原始BDS置于管式炉中，在500°C的恒定空气流（40 mL/min）中氧化处理2小时，自然冷却后即得到热氧化生物柴油碳烟（TO-BDS）。将不同质量分数（0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%）的TO-BDS加入超纯水中，经搅拌和超声处理，制备成分散均匀的H₂O+TO-BDS润滑体系。

2. 材料结构与性质表征

采用场发射透射电子显微镜（FETEM）观察BDS和TO-BDS的微观形貌与结构。通过X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素组成与化学态。使用Zeta电位及粒度分析仪测量颗粒在水中的表面电位与团聚体尺寸，评估其分散稳定性。拉曼光谱用于分析碳材料的石墨化程度。

3. 摩擦学性能评价

摩擦磨损实验在球-盘往复式试验机上进行。摩擦副为GCr15轴承钢球与盘。实验参数设定为：行程5 mm，速度50 mm/s，时间30 min，载荷分别为20、50、100 N。通过实时记录的摩擦系数曲线计算平均摩擦系数，并使用3D激光扫描显微镜测量上试球的磨斑直径，进而计算磨损体积。每个条件重复三次取平均值以保证数据可靠性。

4. 润滑机理分析手段

磨损表面形貌通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）和3D激光显微镜进行观测，分析磨损机制（如磨粒磨损、腐蚀磨损等）。使用拉曼光谱仪对磨损区域进行面扫描分析，检测摩擦化学反应产物（如Fe₃O₄）以及转移的碳材料，揭示润滑膜的形成情况。

5. 润湿性关键分析：界面张力仪的核心应用

本研究中，为深入探究润滑机理，一项关键的界面性质测量得以实施：使用芬兰Kibron dIFT双通道动态界面张力仪，精确测量了纯水（H₂O）以及含0.2% TO-BDS的水溶液（H₂O+TO-BDS）在GCr15钢盘表面的静态接触角。 该仪器通过光学法自动捕获液滴轮廓并计算接触角，其高精度和自动化特性保证了数据的准确性与可比性。接触角是衡量液体在固体表面铺展能力的直接指标，接触角越小，表明液体对固体表面的润湿性越好，越易于在表面铺展形成连续的液膜或润滑膜。这项测量为解释TO-BDS如何改善润滑性能提供了至关重要的界面化学证据。