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(dòng)機(jī)的化石替代燃料來(lái)使用。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油碳煙顆粒進(jìn)入潤(rùn)滑油中后，會(huì)引起潤(rùn)滑油黏度的增長(zhǎng)，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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的潤(rùn)滑和工作。而碳煙顆粒的表面特性與燃油的種類(lèi)與組成相關(guān)。為此，本學(xué)位論文主要對(duì)生物質(zhì)燃油碳煙（Bio fuel Soot，簡(jiǎn)稱(chēng)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(rùn)滑油中的分散和吸附性能及其對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。
　　論文設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)碳煙顆粒捕集裝置。通過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)DS），并對(duì)它們的表面特性與理化性能進(jìn)行了對(duì)比表征。在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上考察了BS對(duì)液體石蠟(Liquid Paraffin，簡(jiǎn)稱(chēng)LP，潤(rùn)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(cè)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(cè)試旋轉(zhuǎn)上球磨痕、BS和DS的形貌及元素組成，用場(chǎng)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(jià)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(wú)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(wú)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(guò)程中易于吸附到摩擦面上，影響邊界潤(rùn)滑膜的作用。同時(shí)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(guò)程中易脫落成磨粒而加劇了磨損。
　　通過(guò)四球摩擦磨損試驗(yàn)考察了納米稀土化合物在主動(dòng)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(duì)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(jià)態(tài)和組成，以及發(fā)動(dòng)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(duì)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(duì)PB值也有貢獻(xiàn)。其機(jī)理主要是在摩擦過(guò)程中形成了含鐵氧化物、鑭及碳的邊界潤(rùn)滑膜。同時(shí)nano-

7、LaF3優(yōu)先吸附BS，從而弱化了BS對(duì)摩擦表面的腐蝕磨損。
　　借助XPS、FTIR、全自動(dòng)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(duì)比分析了BS和DS的表面特性，探討碳煙顆粒表面特性對(duì)LP/BS和LP/DS體系黏度的影響。發(fā)現(xiàn)40℃時(shí)隨著碳煙添加量增加，LP/BS和LP/DS體系的相對(duì)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(duì)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(duì)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(wú)灰分散劑T154（聚異丁烯丁二酰亞胺）對(duì)其分散性能的影響，借助FTIR和XPS分析了T154對(duì)B

9、S的分散機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在LP中T154對(duì)BS和DS的分散性均有良好的效果，但對(duì)BS的分散作用更好。T154亦可用作BS的分散劑在潤(rùn)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(shí)，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(rùn)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(lái)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(duì)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(duì)BS的分散機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BS含量在4.8wt％時(shí)，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(shí)，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(duì)BS