三、 结果与讨论

1. TO-BDS的结构、组分与分散性优化

FETEM观察显示，原始BDS与TO-BDS均由约35 nm的近球形一次颗粒团聚成链状。高分辨图像表明，TO-BDS颗粒外层具有更多、更弯曲且呈同心取向的石墨片结构，说明热氧化处理提升了其石墨化有序度。拉曼光谱分析进一步证实了这一点：TO-BDS的D峰与G峰强度比（I_D/I_G = 2.712）低于BDS（3.010），表明其结构无序度降低，石墨化程度更高。这种类洋葱碳的结构有利于在摩擦中发生片层剥离，发挥润滑作用。

XPS分析揭示了表面化学性质的显著变化。TO-BDS的表面氧含量（17.57%）远高于BDS（7.79%）。精细谱图表明，TO-BDS表面引入了更多的C-OH、C-O-C和C=O等含氧官能团。这些亲水基团的增加，极大地改善了TO-BDS与水的相容性。

分散性表征结果完美印证了上述化学分析。Zeta电位测试表明，TO-BDS在水中的表面电位为-17.6 mV，比BDS（-5.07 mV）负电性更强，颗粒间静电排斥力更大，从而更不易团聚。粒度分析显示，TO-BDS团聚体的平均水合粒径（191.6 nm）小于BDS（213.2 nm）。宏观沉降实验照片直观显示：BDS分散液静置后出现瓶壁附着和沉降，而TO-BDS分散液均匀稳定。所有证据一致表明，热氧化改性通过增加表面含氧官能团和表面电荷，显著增强了TO-BDS在水中的分散稳定性，这是其能够作为有效水基添加剂的首要前提。

2. TO-BDS作为水基添加剂的摩擦学性能

摩擦学测试结果令人振奋。在50N载荷下，随着TO-BDS添加量从0增至0.2%，平均摩擦系数从0.356显著降至0.242，降幅达32.0%；同时，上试球的磨损体积也大幅减少60.0%。继续增加添加量，摩擦系数和磨损体积变化趋于平缓，表明0.2%为较佳添加浓度。

更为重要的是，TO-BDS在较宽的载荷范围内均表现出优异的性能。在20N至100N的载荷下，含0.2% TO-BDS的水溶液的摩擦系数和磨损体积均始终低于纯水。特别是在100N的高载荷下，其摩擦系数（0.278）比纯水（0.402）降低30.8%，磨损体积（1.7×10⁶ μm³）比纯水（4.6×10⁶ μm³）大幅降低63.0%。这证明TO-BDS添加剂不仅能改善轻载下的润滑，在高承载条件下也能有效进入摩擦界面，发挥持续的减摩抗磨作用。

3. 磨损表面分析与润滑机理初探

对磨损表面的微观分析揭示了性能提升的直观证据。3D形貌和FESEM图像显示，纯水润滑下的磨痕宽而深，表面存在大量严重的腐蚀坑和犁沟，表现为腐蚀磨损与磨粒磨损的复合形式。相比之下，H₂O+TO-BDS润滑下的磨痕窄而浅，仅可见轻微犁沟，无明显的腐蚀坑。这表明TO-BDS的加入有效隔离了摩擦副的直接接触，减轻了腐蚀和塑性变形。

拉曼光谱分析提供了更深层的化学信息。在纯水润滑的磨痕上，无论黑色区还是白色区，均检测到Fe₃O₃的特征峰，证实了摩擦过程中的氧化反应。而在H₂O+TO-BDS润滑的磨痕上，不仅检测到Fe₃O₄，还在磨痕的黑色区域（及微弱的白色区域）检测到了明显的碳材料D峰和G峰，这直接证明了TO-BDS在摩擦过程中被碾压、铺展并在表面形成了含碳的润滑膜。此外，磨痕上碳膜的I_D/I_G值（2.928）高于原始TO-BDS（2.712），说明在摩擦剪切力作用下，TO-BDS的石墨片层发生了剥离，这些剥离的石墨片作为固体润滑剂，在界面间滑动，进一步降低了摩擦与磨损。

4. 界面张力仪揭示的核心机理：润湿性提升的关键作用

前述分析指出了TO-BDS的“微轴承”作用和石墨片层剥离的润滑贡献，但一个根本性问题在于：TO-BDS颗粒及其分散液是如何更有效地进入并驻留在苛刻的摩擦接触区域的？芬兰Kibron dIFT双通道动态界面张力仪提供的接触角数据，为此提供了决定性的解释。

测量结果显示，纯水在GCr15钢盘表面的接触角为98°，表现为不浸润状态。而当水中添加0.2%的TO-BDS后，其接触角显著降低至77°。接触角的减小意味着液体在固体表面的铺展能力增强，即润湿性得到显著改善。

这一变化的物理意义和摩擦学影响至关重要：

•   促进润滑剂输送：更好的润湿性意味着H₂O+TO-BDS分散液能更快速、更均匀地铺展并覆盖整个摩擦副表面，包括微小的凹槽和缝隙，从而更有效地将TO-BDS颗粒输送到需要润滑的摩擦接触区。

•   增强润滑膜形成与保持：良好的润湿性是形成稳定、连续流体润滑膜或边界吸附膜的基础。接触角小，表明液体与金属表面的吸附功大，液体分子（及其中的添加剂颗粒）更倾向于吸附在金属表面而非自身团聚。这使得TO-BDS颗粒更容易在金属表面吸附、富集，为后续形成包含碳颗粒的复合润滑膜创造了有利条件。

•   关联摩擦学结果：润湿性的改善直接关联到观察到的优异摩擦学性能。更容易铺展和吸附的润滑液，能保证在摩擦过程中始终有足够的润滑介质覆盖在接触区域，即使在高载荷下被挤出，也能更快地回流补充。这解释了为何H₂O+TO-BDS体系在各种载荷下都能保持稳定的低摩擦和低磨损。

因此，界面张力仪的测量结果，将TO-BDS的表面改性（引入含氧基团）、分散液的性质（润湿性）与其宏观摩擦学性能，通过物理化学中的“润湿”概念紧密地联系了起来，构成了一个完整的机理链条：热氧化改性 → 表面含氧官能团增多 → 分散性与润湿性提升 → 润滑剂更易进入并驻留摩擦界面 → 形成有效的含碳润滑膜并发挥“微轴承”及片层润滑作用 → 实现卓越的减摩抗磨效果。

四、 结论

本研究通过简单、经济的热氧化法，成功将生物柴油燃烧副产物——碳烟（BDS）转化为一种高性能的水基润滑添加剂（TO-BDS）。系统研究得出以下结论：

1.  成功改性：热氧化处理有效提升了BDS的石墨化程度，并大幅增加了其表面的含氧官能团（如C-OH, C=O），从而显著增强了TO-BDS在水中的分散稳定性和润湿性。

2.  性能卓越：添加微量（0.2 wt%）的TO-BDS即可显著改善纯水的润滑性能。在100N载荷下，能使平均摩擦系数降低30.8%，磨损体积降低63.0%，且在不同载荷下均表现优异。

3.  机理明晰：其润滑机理是多方面协同作用的结果：（a）TO-BDS颗粒在摩擦界面起到类似“滚动轴承”的承载与分离作用；（b）在剪切力作用下，其石墨片层发生剥离，起到固体润滑作用；（c）最关键的是，TO-BDS的加入极大地改善了水溶液在金属表面的润湿性（接触角从98°降至77°），这一由界面张力仪定量揭示的性质，确保了润滑液能更有效地润湿、铺展并吸附于摩擦副表面，为形成稳定、高效的保护性润滑膜奠定了物理化学基础。

本研究的价值在于：一方面，为生物柴油碳烟这一环境负担物的高值化资源利用开辟了一条新路径，实现了“以废治废”；另一方面，开发了一种制备简单、原料廉价、性能优异且环境友好的新型水基碳基润滑添加剂，为绿色润滑技术的发展提供了新的材料选择。研究中所采用的界面张力仪测量技术，成功地从界面科学角度揭示了添加剂提升润滑性能的一个核心且常被忽视的机制——润湿性调控，这对未来设计和评价高性能润滑添加剂具有重要的方法论指导意义。