燃油碳煙顆粒的表面特性與潤滑油黏度行為

劉天霞，宋汝鴻，胡恩柱，徐玉福，胡獻國

（1合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

燃油碳煙顆粒的表面特性與潤滑油黏度行為

劉天霞1,2，宋汝鴻1，胡恩柱1，徐玉福1，胡獻國1

（1合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

發(fā)動機燃油碳煙顆粒不可避免地會進入潤滑油中，引起潤滑油黏度的增長，從而影響發(fā)動機的潤滑特性和使用性能。借助傅里葉紅外光譜儀、X射線光電子能譜儀、全自動微孔物理吸附和化學(xué)吸附分析儀、光學(xué)法接觸角/界面張力儀、Zeta電位儀等儀器，對比分析了生物質(zhì)燃油碳煙顆粒（BS）和0#柴油碳煙顆粒（DS）的表面特性，探討了BS和DS對液體石蠟（LP，潤滑油基礎(chǔ)油的模擬物）和碳煙分散體系的黏度的影響及碳煙表面特性對黏度的影響機理。結(jié)果表明，40℃時油品的相對黏度隨碳煙濃度的增加呈指數(shù)函數(shù)增加，并且相同碳煙濃度下DS污染的油品相對黏度更大，高濃度碳煙污染的油品呈明顯剪切稀化行為，DS污染的LP的黏度受剪切轉(zhuǎn)速的影響更大。BS和DS表面主要元素是碳和氧，且BS氧含量高于DS，表面均帶有一些含氧官能團。 表面特性分析顯示，DS的比表面積大于BS，表面能高于BS，親油性弱于BS，致使DS在LP中比BS更易團聚成大顆粒，這是DS對潤滑油黏度的影響大于BS的主要原因。

燃油；碳煙；表面特性；潤滑油；黏度

引 言

柴油機工作過程中會產(chǎn)生碳煙顆粒物，其中約29%從尾氣排放[1]，成為影響大城市空氣質(zhì)量的主要原因之一，其余大部分沉積在汽缸壁和活塞冠上。碳煙可通過兩種途徑進入潤滑油：一是通過漏氣帶入（約3%）；二是沉積在汽缸壁上的碳煙被活塞環(huán)刮下，由潤滑油洗脫下來進入到潤滑系統(tǒng)中[2]。而碳煙污染潤滑油會造成一系列危害：大顆粒會造成濾網(wǎng)堵塞，影響供油；使?jié)櫥宛ざ仍龃?，流動性變差；加劇磨損。同時，迫于環(huán)境保護和能源危機的壓力，人們在不斷地探尋可以替代石化燃料的新型燃油，可再生能源生物質(zhì)快速熱裂解油是目前最有希望的石油替代燃料之一。生物質(zhì)快速熱裂解油是在惰性氣氛中將生物質(zhì)以很高的升溫速率（＞373℃·min?1）加熱到中等溫度(400～650℃)，隨后在極短的停留時間下（0.1～2 s）進行熱裂解，得到氣體產(chǎn)物經(jīng)快速冷凝形成的液體產(chǎn)物[3]。該油品含氧量高、酸值大、熱值低，需經(jīng)精制改性后才有望作為發(fā)動機替代燃料使用[4]。將生物質(zhì)快速熱裂解油經(jīng)減壓蒸餾分離出的輕組分油按質(zhì)量濃度5%的加量與柴油通過乳化工藝，制得的生物質(zhì)燃油的主要理化性能與柴油接近[5]。將此燃油用于柴油發(fā)動機，所產(chǎn)生的生物質(zhì)燃油碳煙（BS）顆粒自身的特性、在潤滑油中的分散特性、對發(fā)動機的磨損性能以及尾氣排放性能等方面均需要深入研究。前期的研究發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)燃油碳煙的顆粒特性與柴油混合比例有關(guān)，生物質(zhì)油的含量影響碳煙的粒徑、石墨化程度、表面官能團種類及含量[6]。BS和柴油碳煙（DS）均是由球形或近球形納米顆粒組成的鏈狀團聚體，平均顆粒直徑約40 nm，顆粒內(nèi)部呈微細(xì)的石墨亂層結(jié)構(gòu)，主要是由無定型碳組成[6-8]。另外，課題組在研究碳煙顆粒在潤滑油中分散特性時，發(fā)現(xiàn)潤滑油無灰分散劑（T154）能顯著改善碳煙在潤滑油基礎(chǔ)油模擬物——液體石蠟(LP)中的分散特性[9]，從而改善體系的流變性能，而T154與不同碳煙顆粒表面的功能團的相互作用是其分散機理的關(guān)鍵所在，同時發(fā)現(xiàn)DS和BS對含碳煙LP體系的增稠作用均隨其含量的增加而增強。婁江峰等[10]也研究了納米石墨的顆粒形態(tài)和濃度對冷凍機油黏度的影響，發(fā)現(xiàn)納米石墨冷凍機油的黏度隨著納米顆粒濃度的增加而增大，相同濃度下添加粒狀石墨的納米冷凍機油黏度大于片狀，且在溫度高于313 K時黏度也有明顯上升。George等[11]用統(tǒng)計學(xué)方法設(shè)計實驗來研究DS污染對機油黏度的影響，結(jié)果表明40 ℃時機油黏度隨DS濃度的增長呈非線性變化。由于多元有機體系的黏度行為和表面性質(zhì)緊密相關(guān)[12]，而碳煙的顆粒特性與燃油的種類與組成相關(guān)，因此本文在對比分析BS和DS影響LP黏度的基礎(chǔ)上，著重考察BS和DS的顆粒特性，以及它們對潤滑油黏度影響的機制，以期為研究生物質(zhì)燃油發(fā)動機的潤滑油配方組成提供指導(dǎo)與幫助。

1 實驗部分

1.1 原料與設(shè)備

液體石蠟（衡水帝乙石化有限公司）；0#柴油（市售）；生物質(zhì)快速熱裂解油（由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物質(zhì)潔凈能源實驗室用自熱式生物質(zhì)熱解液化實驗裝置以稻殼為原料制?。?；SP乳化劑（用Span 80和Tween 80按HLB值5.9配制）；高剪切實驗室乳化機（SG400型，上海尚貴流體設(shè)備有限公司）；旋轉(zhuǎn)黏度計（NDJ-5S型，寧波維德儀器有限公司，儀器滿量程測量精度：±2.0%）；燃油碳煙捕集裝置（自制[9]）；雙頻數(shù)控超聲清洗器（KQ-300VDE型，昆山市超聲儀器有限公司）；四球長時摩擦磨損試驗機（MQ800，濟南試驗機廠）。

1.2 BS和DS的制備

根據(jù)文獻[13]報道的方法制備生物質(zhì)燃油（生物質(zhì)原油在真空度80 kPa、96℃下進行蒸餾，收集餾出的輕組分生物質(zhì)油，按質(zhì)量濃度5%的加量與93%的0#柴油、2% SP乳化劑混勻，用高剪切實驗室乳化機在65℃和1500 r·min?1下乳化60 min制得，該油基本理化指標(biāo)和柴油接近，可以在現(xiàn)有柴油發(fā)動機中正常使用）。用自制的燃油碳煙捕集裝置燃燒生物質(zhì)燃油制取BS，燃燒0#柴油制取DS，每燃燒100 g生物質(zhì)燃油可捕集1.5～2.0 g BS，每燃燒100 g 0#柴油可捕集2.4～3.0 g DS，生物質(zhì)燃油碳煙顆粒物排放少于柴油。收集到的BS和DS在真空干燥箱中110℃干燥4h備用。

1.3 碳煙對LP 黏度的影響實驗

式中，μ為含碳煙LP的黏度，mPa·s；0μ為純LP的黏度，mPa·s，rμ為相對黏度，量綱1。

1.4 含碳煙LP的黏度與剪切速度關(guān)系實驗

參考SH/T 0760—2005柴油機油性能評定法(Mack T-8法)選定質(zhì)量濃度4.8%的高煙炱水平濃度考察含碳煙LP的黏度與剪切速度的關(guān)系。配制碳煙質(zhì)量濃度4.8%的BS/LP和DS/LP樣品，玻璃棒充分?jǐn)嚢杌靹蛑敛ＡО羯蠠o明顯固體顆粒沉積后，在40℃水浴中用高剪切實驗室乳化機800 r·min?1混合30 min，分別在旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)速為6、12、30、60 r·min?1下測定各試樣黏度，每個樣品測3次，

取平均值作為體系黏度。

1.5 BS和DS的接觸角測量

取BS或DS適量，用壓片模具在四球長時摩擦磨損試驗機的加壓系統(tǒng)作用下加壓到8.32 MPa并保壓1 min，壓成直徑15 mm的圓片，用光學(xué)法接觸角/界面張力儀測定蒸餾水在碳煙壓片上的接觸角。由公式（2）計算固體臨界表面張力[14]

此位置為本機機車單獨制動手柄在制動位時，重聯(lián)機車受機車間制動管軟管、總風(fēng)軟管、平均軟管壓力控制，而發(fā)生作用的位置，其制動應(yīng)和本機同步。

式中，cσ為固體臨界表面張力，mN·m?1，也表征非極性固體的表面能；glσ為液氣表面張力，mN·m?1；θ為接觸角，rad。

1.6 分析表征

采用傅里葉紅外光譜儀（FT-IR，Nicolet 6700，Thermo Nicolet）KBr壓片法檢測BS和DS中官能團；用X射線光電子能譜儀（XPS，ESCALAB250，Thermo）分析BS和DS的表面元素含量及化學(xué)價態(tài)；光學(xué)法接觸角/界面張力儀（SL 200KS型，上海梭倫信息科技有限公司）測試蒸餾水在碳煙壓片上的接觸角；全自動微孔物理吸附和化學(xué)吸附分析儀（ASAP 2020 M+C型，美國Micromeritics）分析BS和DS的比表面積； Zeta電位儀（Nano-ZS90型，英國Malvern）測試BS和DS分散在LP中粒徑。

2 實驗結(jié)果

2.1 碳煙濃度對黏度的影響

碳煙污染潤滑油形成的體系實際上是一種由碳煙納米粒子和基礎(chǔ)油品組成的固-液混合體系，其黏度受溫度、顆粒直徑和體積分率的影響[15]。圖1給出BS和DS濃度對含碳煙LP的相對黏度μr影響?？梢钥闯鲭S著BS和DS濃度的增加，油品相對黏度均增大，同一碳煙濃度時，DS污染的LP相對黏度高于BS，說明DS對體系增黏作用大于BS。對圖1中各實驗點進行擬合發(fā)現(xiàn)相對黏度隨碳煙濃度的增加呈指數(shù)函數(shù)變化，BS擬合關(guān)系式為μr=0.7489+0.2525e0.5792?，式中，?為BS質(zhì)量分率，R2=0.9972；DS擬合關(guān)系式為μr=0.2494+ 0.7213e0.5502?，式中，?為DS質(zhì)量分率，R2=0.9674；滿足指數(shù)關(guān)系說明在沒有添加分散劑時碳煙對油品黏度的影響非常顯著。對比上述兩個關(guān)系式可知：DS污染的油品黏度受DS濃度影響更大，而且相同碳煙濃度下DS污染的油品黏度更高。

圖1 BS和DS濃度對含碳煙LP的相對黏度影響Fig.1 Effect of BS and DS content on relative viscosity of LP with BS or DS

2.2 剪切速度對黏度的影響

含碳煙油品的流變性能是非常復(fù)雜的，它受到碳煙顆粒的濃度、膠體穩(wěn)定性、連續(xù)相基本黏度、溫度、剪切歷史等多種因素影響[16]。圖2為不同的剪切速度下含碳煙質(zhì)量濃度4.8%的LP分散體系的黏度變化曲線?？梢钥闯觯弘S著剪切速度的增加，含碳煙質(zhì)量濃度4.8%的LP分散體系黏度下降，有明顯剪切稀化現(xiàn)象，呈非牛頓型流體特性。這是因為碳煙污染的油品黏度取決于形成大體積的團聚體結(jié)構(gòu)的顆粒團聚過程和通過水動力作用破壞團聚結(jié)構(gòu)以形成小而緊密的絮凝單元的競爭結(jié)果，隨著剪切速度增加，能增加團聚體的破碎程度，碳煙粒徑分布發(fā)生變化，而懸浮液中粒徑分布對黏度有顯著影響，集中的多峰分散比同等濃度下單分散體系黏性低，隨著剪切速度增加，更多的變?yōu)槎喾宸稚⒌?，因此黏性下降[16]。對圖2中各實驗點進行擬合發(fā)現(xiàn)在測量轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，動力黏度隨轉(zhuǎn)速的增加呈冪函數(shù)關(guān)系減小，BS擬合關(guān)系式為μ=1626.2r?0.3955，R2=0.9872；DS擬合關(guān)系式為μ=3833.5r?0.5493，R2=0.9950，式中，r為旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)速（r·min?1），轉(zhuǎn)速范圍為6～60 r·min?1，對比BS和DS的擬合關(guān)系式可知，測量轉(zhuǎn)速從6 r·min?1到60 r·min?1，DS的黏度下降率為71.77%，而BS的黏度下降率為59.81%，說明DS污染的LP的黏度受剪切速度影響更大。

圖2 含碳煙的LP動力黏度隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.2 Variation of dynamic viscosity of BS or DS contaminated LP and rotation speed

圖3 BS和DS的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectrum of BS and DS

3 分析與討論

由上述實驗結(jié)果可知BS和DS對LP黏度的影響是不同的，必須尋找它們的影響機制。為此采用FT-IR分析BS和DS的表面官能團，用XPS分析BS和DS表面元素含量及化學(xué)價態(tài)，在此基礎(chǔ)上討論表面官能團種類及含量對顆粒的極性和親油性能的影響，并通過接觸角分析、比表面積分析、粒徑分布分析來探討表面能、比表面積、顆粒在油中團聚性能對黏度的影響機理。

3.1 BS和DS的表面官能團及元素組成表征

BS和DS的FT-IR分析譜圖見圖3，可以看出BS和DS表面均有一些有機官能團，對圖3中BS的各峰進行歸屬[17]，其中3639 cm?1附近的吸收峰歸屬于伸縮振動峰；3049 cm?1附近的吸收峰歸屬于芳香族的伸縮振動峰，2916 cm?1附近的吸收峰歸屬于不對稱伸縮振動峰，1712 cm?1附近的吸收峰歸屬于羰基的伸縮振動峰，1589 cm?1附近的吸收峰歸屬于結(jié)合在芳環(huán)上的的伸縮振動[18]，1248 cm-1附近的吸收峰歸屬于芳香醚不對稱伸縮振動峰；874 cm?1、836 cm?1、752 cm?1附近的吸收峰歸屬于芳環(huán)面外變形振動峰[18]。對圖3中DS的各峰進行歸屬[17]，其中3460 cm?1附近的吸收峰歸屬于伸縮振動，因形成氫鍵使其伸縮振動吸收峰向低波數(shù)方向位移，1724 cm?1附近的吸收峰歸屬于醛類物質(zhì)中伸縮振動峰，1620 cm?1附近的吸收峰歸屬于烯烴的伸縮振動峰，1437 cm?1附近的吸收峰歸屬于酸類物質(zhì)中的變形振動，1380 cm-1附近吸收峰歸屬于芳香族的變形振動峰，1134 cm?1附近的吸收峰歸屬于芳香環(huán)面內(nèi)彎曲振動峰；625 cm?1附近的吸收峰歸屬于炔烴變形振動峰。對比BS和DS的FT-IR分析圖譜可以看出BS和DS中均含有一些含氧官能團，這些含氧官能團與石墨微晶片的邊緣或表面結(jié)合在一起形成碳煙的骨架結(jié)構(gòu)，是碳煙中的極性基團[16]。

由XPS分析可知BS和DS表面主要含有C元素和O元素，BS表面C含量為90.05%，O含量為9.95%，DS表面C含量為93.43%，O含量為6.57%（均為原子分?jǐn)?shù)），BS表面O含量高于DS。在役柴油機機油中提取出的碳煙中存在的Fe、Ca、Si、Zn、P、S元素[19]均未檢測到，主要是因為在役柴油機碳煙中的這些元素來自油品添加劑和磨粒。在生物質(zhì)油燃燒尾氣和殘余物中存在的N元素[20]也未檢測到，可能是由于XPS只能分析碳煙顆粒表面的元素組成。對BS和DS的XPS譜圖進行Gaussian曲線擬合（圖4）可知：結(jié)合能位于284.5 eV或284.9 eV的C1s譜峰歸屬于或鍵[21]；位于287.8 eV或287.4 eV的C1s譜峰歸屬于或鍵；位于531.7 eV或531.6 eV的O1s譜峰歸屬于或，位于533.2 eV或533.7 eV的O1s譜峰歸屬于。XPS譜圖顯示O原子以單鍵或雙鍵與C原子鍵合，這表明BS和DS表面含有羧基、羥基等含氧極性基團（表1），且BS表面氧含量大于DS，而碳煙表面氧含量代表碳煙活性，暗示BS的化學(xué)活性可能強于DS。另外，、官能團是疏水性的，而官能團是親水性的，有文獻用衰減全內(nèi)反射紅外光譜（ATR-IR）譜圖中總疏水官能團峰面積與總親水官能團峰面積之比來表示有機材料相對親水性，該比值越大，材料疏水性越強[18,22]，本文試用XPS結(jié)果分析總疏水官能團與總親水官能團的比值，發(fā)現(xiàn)BS表面總疏水官能團與總親水官能團比值大于DS（表2），說明BS疏水性強于DS，即DS親油性弱于BS，在油中團聚傾向大于BS，這可能是DS增稠作用大于BS的原因之一。

圖4 BS和DS的XPS譜圖Fig.4 XPS spectra of BS and DS

表1 BS和DS表面氧官能團含量Table 1 Oxygen groups content on BS and DS surface

3.2 BS和DS的接觸角分析

采用光學(xué)法接觸角/界面張力儀測試蒸餾水在碳煙壓片上的接觸角，進一步驗證XPS結(jié)果分析中總疏水官能團與總親水官能團的比值與材料親水性的關(guān)系。水滴在固體材料表面的接觸角可以作為材料親水性的指標(biāo)，接觸角的大小取決于水滴與材料表面的相互作用強度，接觸角越小固體表面親水性越好，接觸角越大固體表面的疏水性越強。圖5給出BS和DS壓片在20℃的接觸角測量結(jié)果，測得BS的接觸角約為140°，DS的接觸角約為128°，說明BS疏水性強于DS，這一結(jié)果與XPS分析結(jié)果對應(yīng)。固體表面能的大小與其潤濕性質(zhì)有關(guān)：液體表面張力越小、固體表面能越高，液體越易于在這種固體表面鋪展[22]。查得水在空氣中的表面張力為72.7 mN·m?1，計算出BS的表面能為1.0 mJ·m?2，DS的表面能為2.7 mJ·m?2，DS的表面能高于BS，說明水更易于在DS表面黏附，而油更易于在BS表面浸潤。碳煙污染LP，碳煙顆粒周圍的液體分子有排擠“異己”顆粒的趨向，從而迫使這些顆粒相互靠攏、形成團聚，以減小固-液界面的方式降低體系的自由能，故而DS在油中更易發(fā)生團聚，引起黏度增加。

表2 BS和DS表面碳官能團含量Table 2 Carbon groups content on the BS and DS surface

圖5 BS和DS的接觸角Fig.5 Contact angle of BS and DS

3.3 BS和DS的比表面積分析

用全自動微孔物理吸附和化學(xué)吸附分析儀測試BS和DS的比表面積，測試溫度為?195.800℃，N2吸附，平衡時間間隔10 s，測試結(jié)果見圖6和表3。BS和DS的氮氣吸附-脫附等溫線如圖6所示，是典型的Ⅱ型等溫線，脫附曲線稍有滯后，結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知BS和DS的孔容很小，基本屬于無孔結(jié)構(gòu)，只有少量堆積孔，BS的比表面積小于DS。DS比表面積大可能是其增黏作用大的主要原因之一，因為比表面積大，表面能大而更易發(fā)生團聚，從而影響體系黏度。為了進一步說明這個結(jié)果，需要測試DS和BS在LP中團聚體的粒徑分布。

3.4 BS和DS在LP中的粒徑分布特征

圖6 BS和DS的N2吸附-脫附等溫線Fig.6 Adsorption-desorption isotherms of BS and DS

碳煙微粒表面自由能很高，在柴油機油中具有很強烈的自發(fā)聚結(jié)熱力學(xué)傾向。碳煙在潤滑油中也是以鏈狀或簇狀團聚體形式存在，潤滑油增稠和過度黏度增長與碳煙在油品中的團聚有關(guān)[23]。由于黏度直接與潤滑油中碳煙的表面積相關(guān)[11]，而碳煙的表面積取決于碳煙的含量和粒徑分布，本文用Zeta電位儀分析BS和DS在LP中粒徑分布。用梯度稀釋法和超聲分散法結(jié)合分別配制含BS和DS質(zhì)量濃度均為1.0×10?5的LP懸浮液，用Zeta電位儀測量樣品中團聚體的粒徑分布，發(fā)現(xiàn)BS在LP中團聚體的平均粒徑207 nm，DS在LP中團聚體的平均粒徑251 nm，粒徑分布見圖7。由圖7可以看出BS在LP中團聚體的粒徑范圍和平均粒徑均小于DS，說明在LP中DS比BS更易團聚成大顆粒。結(jié)合表面積測試結(jié)果可知DS比表面積大，表面能高，更易團聚，因而DS比BS更容易引起油品黏度增大。

表3 BS和DS的BET測試結(jié)果Table 3 BET results of BS and DS

圖7 BS和DS在LP中的粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of BS and DS in LP

4 結(jié) 論

（1）碳煙污染LP會明顯影響油品的黏度，相對黏度隨碳煙濃度的增加呈指數(shù)函數(shù)增加。DS對油品的增黏作用大于BS，高濃度碳煙污染的油品呈明顯的剪切稀化行為，且DS/LP體系黏度受剪切速度的影響大于BS/LP體系。

（2）BS和DS表面主要是由碳和氧組成，兩者表面均帶有一些含氧官能團，且BS氧含量高于DS。與BS相比，DS的比表面積大，表面能高，疏水性弱，使DS在LP中團聚傾向大于BS，這是DS的增黏作用大于BS的主要原因。

[1] Daido S, Kodama Y, Inohara T, Ohyama N, Sugiyama T. Analysis of soot accumulation inside diesel engines [J].JSAE Review, 2000, 21: 303-308.

[2] Gautam M, Chitoor K, Durbha M, Summers J. Effect of diesel soot contaminated oil on engine wear—investigation of novel oil formulations [J].Tribology International, 1999, 32 (12): 687-699.

[3] Serrano-ruiz J C, Dumesie J A. Catalytic routes for the conversion of biomass into liquid hydrocarbon transportation fuels [J].Energy & Environmental Science, 2011, 4 (1): 83-99.

[4] Xu Yufu (徐玉福), Wang Qiongjie (王瓊杰), Hu Xianguo (胡獻國), Zhu Xifeng (朱錫鋒). Preparation and tribological performance of micro-emulsified bio-oil [J].Acta Petrolei Sinica:Petroleum Processing Section(石油學(xué)報 (石油加工)), 2009, 25 (s1): 53-56+85.

[5] Xu Yufu (徐玉福), Hu Xianguo (胡獻國), Yu Huiqiang (俞輝強), Zhang Danyang (張丹陽), Xue Teng (薛騰), Wei Xiaoyang (魏小洋). Effect of bio-oil on the tribological performance of engine cylinder [J].Tribology(摩擦學(xué)學(xué)報), 2013, 33 (5): 514-521.

[6] Zhang Bin (張斌), Hu Enzhu (胡恩柱), Liu Tianxia (劉天霞), Hu Xianguo (胡獻國). Characterization of morphology, structure and composition of soot particles from biomass fuel [J].CIESC Journal(化工學(xué)報), 2015, 66 (1): 441-448.

[7] Patel M, Ricardo C L A, Scardi P，Aswath P B. Morphology, structure and chemistry of extracted diesel soot (Part Ⅰ): Transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and synchrotron X-Ray diffraction study [J].Tribology International, 2012, 52: 29-39.

[8] La Rocca A, Liberto G D, Shayler P J, Fay M W. The nanostructure of soot-in-oil particles and agglomerates from an automotive diesel engine [J].Tribology International, 2013, 61: 80-87.

[9] Liu Tianxia (劉天霞), Hu Enzhu (胡恩柱), Zhang Bing (張斌), Hu Xianguo (胡獻國). On the dispersion characteristic of biofuel soot particles [J].CIESC Journal(化工學(xué)報), 2015, 66 (4): 1506-1513.

[10] Lou Jiangfeng (婁江峰), Zhang Hua (張華), Wang Ruixiang (王瑞祥), Li Meng (李萌). Effect of particle morphology and concentration on density and viscosity of graphite nanolubricant [J].CIESC Journal(化工學(xué)報), 2014, 65 (10): 3846-3851.

[11] George S, Balla S, Gautam V, Gautam M. Effect of diesel soot on lubricant oil viscosity [J].Tribology International, 2007, 40: 809-818.

[12] Ling Jinlong (凌錦龍), Xu Minghong (徐敏虹), Yu Lili (俞麗麗). Viscous behaviour and surface properties of binary mixture of ethyl acetate and isopropanol [J].CIESC Journal(化工學(xué)報), 2012, 63 (1): 18-24.

[13] Wang Qiongjie (王瓊杰). Study of lubricity of modified bio-oil by pyrolysis liquefaction of biomass [D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2009.

[14] Shen Zhong (沈鐘), Zhao Zhengguo (趙振國), Kang Wangli (康萬利). Colloid and Surface Chemistry (膠體與表面化學(xué)) [M]. 4th ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2012: 105-108.

[15] Mahbubul I M, Saidur R, Amalina M A. Latest developments on the viscosity of nanofluids [J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55:874-885.

[16] Esangbedo C, Boehman A L, Perez J M. Characteristics of diesel engine soot that lead to excessive oil thickening [J].Tribology International, 2012, 47: 194-203.

[17] Zhang Hua (張華). Modern Organic Wave Spectrum Analysis (現(xiàn)代有機波譜分析) [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 250-329.

[18] Han Chong, Liu Yongchun, Liu Chang, Ma Jinzhu, He Hong. Influence of combustion conditions on hydrophilic properties and microstructure of flame soot [J].The Journal of Physical Chemistry, 2012, 116: 4129-4136.

[19] Patel M, Aswath P B. Morphology, structure and chemistry of extracted diesel soot (Part Ⅱ): X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy and high resolution transmission electron microscopy [J].Tribology International, 2012, 52: 17-28.

[20] Williams A, Jones J M, Ma L, Pourkashanian M. Pollutants from the combustion of solid biomass fuels [J].Progress in Energy Combustion Science, 2012, 38: 113-137.

[21] Muller J O, Su D S, Wild U, Schlogl R. Bulk and surface structural investigations of diesel engine soot and carbon black [J].Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9: 4018-4025.

[22] Nieto-gligorovski L, Net S, Gligorovski S, Zetzsch C, Jammoul A, Dannaa B, George C. Interactions of ozone with organic surface films in the presence of simulated sunlight: impact on wettability of aerosols [J].Physical Chemistry Chemical Physics, 2008, 10, 2964-2971.

[23] La Rocca A, Di Liberto G, Shayler P J, Parmenter C D J, Fay M W. Application of nanoparticle tracking analysis platform for the measurement of soot-in-oil agglomerates from automotive engines [J].Tribology International, 2014, 70:142-147.

Effect of surface properties of fuel soot particles on viscosity of lubricating oil

LIU Tianxia1,2, SONG Ruhong1, HU Enzhu1, XU Yufu1, HU Xianguo1
(1School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,Anhui,China;2School of Chemistry and Chemical Engineering,Beifang University of Nationalities,Yinchuan750021,Ningxia,China)

It is inevitable for the soot particles from engine fuel to contaminate the lubricating oil, which may increase the viscosity of lubricating oil, and consequently influence the lubricity and usability of engine. In this paper, the surface properties of biomass fuel soot (BS) and diesel soot (DS) were contrastively investigated by means of Fourier infrared spectrometer, X-ray photoelectron spectroscopy, full-automatic micropore physisorption and chemisorption analyzer, optical contact angle/interface tension meter and Zeta potentiostat in order to study the effect of BS and DS particles on viscosity of liquid paraffin (LP, simulant of base oil for lubricating oil), and discuss the mechanism of influence of soot surface properties on the viscosity. Results showed that the relative viscosity increased by exponential function with increasing soot content at 40℃. The relative viscosity of oil contaminated by DS was higher than that of BS in case of the same soot contents. The oil contaminated with high concentration soot had the advantage of clearly identified shear thinning behavior, which was more severely in LP contaminated by DS. The main surface elements of BS and DS were carbon and oxygen. The surface oxygen content of DS was less than that of BS. There were some O-containing functional groups on the surfaces of BS and DS. The surface property analysis showed that the specific surface area and the surface energy of DS werehigher than those of BS. The lipophilicity of DS was less than that of BS. The DS was apt to agglomerate into larger agglomeration particles in LP, which was the main reason for the fact of DS affecting LP viscosity more severely compared with BS.

fuel; soot; surface property; lubricating oil; viscosity

Prof. HU Xianguo, xghu@hfut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150153

TK 6

：A

：0438—1157（2015）10—4123—08

2015-02-02收到初稿，2015-05-07收到修改稿。

聯(lián)系人：胡獻國。

：劉天霞（1975—），女，博士研究生，副教授。

國家自然科學(xué)基金項目（51275143，51405124）。

Received date: 2015-02-02.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51275143, 51405124).