生物質(zhì)燃油碳煙顆粒的分散與吸附特性研究.pdf

1、生物質(zhì)燃油屬于可再生清潔能源，有望作為發(fā)動機(jī)的化石替代燃料來使用。發(fā)動機(jī)燃油碳煙顆粒進(jìn)入潤滑油中后，會引起潤滑油黏度的增長，磨損加劇，油泥增多和機(jī)油濾清器壓降增大甚至堵塞，從而影響發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的潤滑和工作。而碳煙顆粒的表面特性與燃油的種類與組成相關(guān)。為此，本學(xué)位論文主要對生物質(zhì)燃油碳煙（Bio fuel Soot，簡稱BS）的表面結(jié)構(gòu)、組成與形態(tài)特征加以表征，研究BS在潤滑油中的分散和吸附性能及其對發(fā)動機(jī)的磨損性能的影響，以期促進(jìn)和幫助生

2、物質(zhì)燃油在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。
　　論文設(shè)計(jì)制作了一臺碳煙顆粒捕集裝置。通過該裝置分別燃燒生物質(zhì)燃油和0＃柴油制備出BS和0＃柴油碳煙（Diesel Soot，簡稱DS），并對它們的表面特性與理化性能進(jìn)行了對比表征。在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上考察了BS對液體石蠟(Liquid Paraffin，簡稱LP，潤滑油基礎(chǔ)油的模擬物)摩擦學(xué)特性的影響。借助一系列分析手段研究了BS和DS的表面形態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)及它們的摩擦磨損機(jī)理。用傅里葉變換紅外光

3、譜儀(FTIR)檢測BS和DS中官能團(tuán)，用X射線衍射儀(XRD)分析BS和DS微粒的物相，用Zeta電位儀分析BS和DS分散在正庚烷中的粒度分布和平均粒徑，用拉曼光譜分析BS和DS石墨化程度，用掃描電子顯微鏡及附帶能譜儀(SEM/EDS)測試旋轉(zhuǎn)上球磨痕、BS和DS的形貌及元素組成，用場發(fā)射透射電子顯微鏡(HRTEM)分析BS顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)及尺寸，X射線光電子能譜儀(XPS)分析旋轉(zhuǎn)上球磨痕、BS和DS的表面元素化學(xué)價態(tài)和組成。結(jié)果表明，

4、BS和DS是由平均粒徑約38-40nm的球形或近球形顆粒組成鏈狀或簇狀團(tuán)聚體，顆粒組成以無定型碳為主，顆粒內(nèi)部呈細(xì)微石墨亂層結(jié)構(gòu)，且BS石墨化程度高于DS。BS和DS主要成份是氧和碳元素，二者表面均帶有一些極性含氧官能團(tuán)，但BS氧含量高于DS。BS在正庚烷溶劑中顆粒團(tuán)聚體的平均粒徑和粒度范圍均小于DS。隨著LP中BS含量的增加，最大無卡咬負(fù)荷(PB值)先增大后減小，平均磨斑直徑(AWSD)呈線性增大，平均摩擦系數(shù)先稍微減小后逐漸增大。磨

5、損機(jī)理分析顯示，BS中較多的含氧官能團(tuán)使BS在摩擦過程中易于吸附到摩擦面上，影響邊界潤滑膜的作用。同時BS的磨粒作用和腐蝕磨損作用使摩擦表面的金屬氧化膜在摩擦過程中易脫落成磨粒而加劇了磨損。
　　通過四球摩擦磨損試驗(yàn)考察了納米稀土化合物在主動控制碳煙顆粒摩擦磨損特性方面的效果，探討表面修飾的納米氟化鑭(nano-LaF3)顆粒在BS表面吸附行為對其摩擦學(xué)特性的影響。借助XRD分析nano-LaF3微粒的物相，用SEM/EDS分析磨

6、斑形貌和摩擦表面元素組成，用XPS分析摩擦實(shí)驗(yàn)后的碳煙、摩擦表面元素化學(xué)價態(tài)和組成，以及發(fā)動機(jī)缸套材料表面靜態(tài)吸附后的元素組成。結(jié)果顯示，不管LP中是否存在nano-LaF3，AWSD隨BS含量增大而增大。對含2.0wt％BS的LP而言，nano-LaF3的最適當(dāng)?shù)奶砑恿繛?.6wt％。Nano-LaF3能顯著增強(qiáng)含BS顆粒的LP抗磨減摩性能，對PB值也有貢獻(xiàn)。其機(jī)理主要是在摩擦過程中形成了含鐵氧化物、鑭及碳的邊界潤滑膜。同時nano-

7、LaF3優(yōu)先吸附BS，從而弱化了BS對摩擦表面的腐蝕磨損。
　　借助XPS、FTIR、全自動微孔物理吸附和化學(xué)吸附分析儀、Zeta電位儀、光學(xué)法接觸角/界面張力儀對比分析了BS和DS的表面特性，探討碳煙顆粒表面特性對LP/BS和LP/DS體系黏度的影響。發(fā)現(xiàn)40℃時隨著碳煙添加量增加，LP/BS和LP/DS體系的相對黏度均呈指數(shù)函數(shù)增加，相同碳煙含量下LP/DS體系的相對黏度更大。含碳煙4.8wt％的LP/BS和LP/DS體系有明

8、顯剪切稀化，LP/DS體系的黏度受剪切轉(zhuǎn)速的影響更大。BS和DS表面特性分析表明，二者表面均帶有一些含氧官能團(tuán)，但BS表面氧含量高于DS，BS比表面積小于DS，表面能低于DS，親油性強(qiáng)于DS。從而導(dǎo)致DS在LP中比BS更易團(tuán)聚，DS對油品黏度的影響大于BS。
　　采用黏度法、粒徑分布法及斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法研究BS和DS在LP中的分散特性，以及無灰分散劑T154（聚異丁烯丁二酰亞胺）對其分散性能的影響，借助FTIR和XPS分析了T154對B

9、S的分散機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在LP中T154對BS和DS的分散性均有良好的效果，但對BS的分散作用更好。T154亦可用作BS的分散劑在潤滑油中使用。這是因?yàn)锽S表面含有更多的羧基、酚羥基等酸性官能團(tuán)，可與T154中顯堿性的丁二酰亞胺基團(tuán)發(fā)生酸堿作用，亦可與N-H單元產(chǎn)生氫鍵而吸附T154;同時，T154中聚異丁烯基團(tuán)在LP中形成空間位阻，阻礙BS顆粒的團(tuán)聚，從而使BS穩(wěn)定地分散在潤滑油中。
　　采用黏度法、斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法、靜態(tài)沉降法及粒徑

10、分布法來考察三種鈣鹽清凈劑（高堿值合成磺酸鈣T106、高堿值硫化烷基酚鈣T115B、烷基水楊酸鈣T109）對BS在LP中分散性能的影響，并借助XPS和FTIR分析鈣鹽清凈劑對BS的分散機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BS含量在4.8wt％時，所有BS/鈣鹽清凈劑/LP體系剪切稀化現(xiàn)象明顯，呈非牛頓流體性質(zhì)。同時，BS/T109/LP分散體系黏度最小，油泥斑點(diǎn)分散值最大，清液層高度下降率最大，在正庚烷中BS團(tuán)聚體粒徑范圍和平均粒徑最小，因此T109對BS