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芬蘭Kibron專注表面張力儀測(cè)量技術(shù),快速精準(zhǔn)測(cè)量動(dòng)靜態(tài)表面張力

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從界面張力到摩擦性能:改性生物柴油碳煙作為水基潤(rùn)滑添加劑的構(gòu)效關(guān)系分析

來源: 瀏覽 472 次 發(fā)布時(shí)間:2026-05-08

摘要


隨著能源危機(jī)與環(huán)境壓力的加劇,生物柴油作為一種綠色可再生的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料備受關(guān)注。然而,其不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙(Biodiesel Soot, BDS)的處置與利用成為新的挑戰(zhàn)。與此同時(shí),水基潤(rùn)滑劑因其環(huán)保、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力,但亟待開發(fā)高性能的環(huán)保添加劑。本研究創(chuàng)新性地以生物柴油碳煙為原料,通過簡(jiǎn)易、低成本的熱氧化法對(duì)其進(jìn)行改性,制備了熱氧化生物柴油碳煙(Thermally Oxidized BDS, TO-BDS),并系統(tǒng)探究了其作為水基潤(rùn)滑添加劑的性能與機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),TO-BDS因其表面豐富的含氧官能團(tuán)和更高的表面負(fù)電荷,在水中具有遠(yuǎn)優(yōu)于原始BDS的分散穩(wěn)定性。摩擦學(xué)測(cè)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(xiàn)尤為突出。機(jī)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(fā)生剝離,進(jìn)一步起到固體潤(rùn)滑作用。特別值得注意的是,本研究通過芬蘭Kibron dIFT雙通道動(dòng)態(tài)界面張力儀的精準(zhǔn)測(cè)量,首次從潤(rùn)濕性角度定量闡釋了TO-BDS的增效機(jī)制:TO-BDS的加入顯著改善了潤(rùn)滑液在金屬摩擦副表面的潤(rùn)濕性(接觸角從98°降至77°),這直接促進(jìn)了更穩(wěn)固、更易形成的邊界潤(rùn)滑膜,成為其卓越潤(rùn)滑性能的關(guān)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(fā)高性能、環(huán)境友好的水基潤(rùn)滑添加劑提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。


一、 引言


全球能源緊缺與環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日益嚴(yán)格,共同驅(qū)動(dòng)著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料的研發(fā)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(yōu)勢(shì),成為化石燃料最具潛力的替代品之一。然而,在實(shí)際應(yīng)用過程中,即便生物柴油的含氧量高于傳統(tǒng)柴油,在燃燒條件不佳時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生碳煙顆粒物。這些碳煙一部分排入大氣,污染環(huán)境、危害健康;另一部分則進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng),成為油液中的污染物。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,潤(rùn)滑油中的碳煙會(huì)刮擦磨損表面、吸附有效添加劑,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成危害。但近年來的研究也揭示了另一面:在適當(dāng)條件下,某些碳煙顆粒本身或其改性產(chǎn)物可能具備獨(dú)特的潤(rùn)滑特性,尤其是具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳材料,作為固體潤(rùn)滑添加劑具有潛在價(jià)值。


另一方面,在工業(yè)潤(rùn)滑領(lǐng)域,水基潤(rùn)滑劑因其不可燃、冷卻性好、成本極低且環(huán)境友好等特性,正在機(jī)械加工、軋制、壓鑄等場(chǎng)景中逐步替代傳統(tǒng)油基潤(rùn)滑劑。然而,純水的潤(rùn)滑性能,特別是極壓抗磨性能較差,限制了其廣泛應(yīng)用。因此,向水中添加高效、環(huán)保的潤(rùn)滑添加劑是推動(dòng)其發(fā)展的關(guān)鍵。碳基納米材料,如石墨烯、納米金剛石、洋蔥狀碳等,因其優(yōu)異的自潤(rùn)滑性和化學(xué)穩(wěn)定性,被視為理想的水基潤(rùn)滑添加劑候選。然而,這些材料往往面臨制備工藝復(fù)雜、成本高昂的瓶頸,制約了其大規(guī)模應(yīng)用。


在此背景下,本研究提出一種“以廢治廢、變廢為寶”的創(chuàng)新思路:利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生物柴油產(chǎn)生的廢棄物——生物柴油碳煙(BDS)為原料,通過簡(jiǎn)單的熱氧化改性,制備出具有優(yōu)異水基潤(rùn)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(jié)構(gòu),這為其改性成為潤(rùn)滑材料奠定了基礎(chǔ)。本研究旨在系統(tǒng)闡述TO-BDS的制備、表征、摩擦學(xué)性能,并深入剖析其潤(rùn)滑機(jī)理,特別是利用先進(jìn)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(xué)根源,為生物柴油副產(chǎn)物的資源化利用和水基潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展提供了兼具學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景的解決方案。


二、 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室自制的燃燒裝置收集生物柴油不完全燃燒產(chǎn)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(shí),自然冷卻后即得到熱氧化生物柴油碳煙(TO-BDS)。將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%)的TO-BDS加入超純水中,經(jīng)攪拌和超聲處理,制備成分散均勻的H?O+TO-BDS潤(rùn)滑體系。


2. 材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)表征


采用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(FETEM)觀察BDS和TO-BDS的微觀形貌與結(jié)構(gòu)。通過X射線光電子能譜(XPS)分析表面元素組成與化學(xué)態(tài)。使用Zeta電位及粒度分析儀測(cè)量顆粒在水中的表面電位與團(tuán)聚體尺寸,評(píng)估其分散穩(wěn)定性。拉曼光譜用于分析碳材料的石墨化程度。


3. 摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)


摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在球-盤往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。摩擦副為GCr15軸承鋼球與盤。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為:行程5 mm,速度50 mm/s,時(shí)間30 min,載荷分別為20、50、100 N。通過實(shí)時(shí)記錄的摩擦系數(shù)曲線計(jì)算平均摩擦系數(shù),并使用3D激光掃描顯微鏡測(cè)量上試球的磨斑直徑,進(jìn)而計(jì)算磨損體積。每個(gè)條件重復(fù)三次取平均值以保證數(shù)據(jù)可靠性。


4. 潤(rùn)滑機(jī)理分析手段


磨損表面形貌通過場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和3D激光顯微鏡進(jìn)行觀測(cè),分析磨損機(jī)制(如磨粒磨損、腐蝕磨損等)。使用拉曼光譜儀對(duì)磨損區(qū)域進(jìn)行面掃描分析,檢測(cè)摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物(如Fe?O?)以及轉(zhuǎn)移的碳材料,揭示潤(rùn)滑膜的形成情況。


5. 潤(rùn)濕性關(guān)鍵分析:界面張力儀的核心應(yīng)用


本研究中,為深入探究潤(rùn)滑機(jī)理,一項(xiàng)關(guān)鍵的界面性質(zhì)測(cè)量得以實(shí)施:使用芬蘭Kibron dIFT雙通道動(dòng)態(tài)界面張力儀,精確測(cè)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(tài)接觸角。 該儀器通過光學(xué)法自動(dòng)捕獲液滴輪廓并計(jì)算接觸角,其高精度和自動(dòng)化特性保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(biāo),接觸角越小,表明液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性越好,越易于在表面鋪展形成連續(xù)的液膜或潤(rùn)滑膜。這項(xiàng)測(cè)量為解釋TO-BDS如何改善潤(rùn)滑性能提供了至關(guān)重要的界面化學(xué)證據(jù)。