每一只奔馳在路上的輪胎，都藏著一個柔軟的橡膠如何化身成為強(qiáng)彈大力士的秘密。這個秘密伴隨輪胎產(chǎn)業(yè)存在100多年，一直沒有完美的理論解釋。

浙江大學(xué)高分子系一課題組對橡膠補(bǔ)強(qiáng)持續(xù)研究17年，提出了被國際同行命名為“宋-鄭兩相模型”的理論解釋。

2016年9月，課題組受邀撰寫的綜述文章在著名期刊《材料科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表。

在文章的摘要部分，作者提出：是時候重新考慮橡膠的流變行為對于輪胎整體性能的影響了。

宋-鄭兩相模型終結(jié)了以往理論模型相互矛盾、無法有效指導(dǎo)生產(chǎn)的局面，有望對橡膠材料生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。

輪胎里的“項鏈”與“葡萄”

課題組主要成員之一，宋義虎教授的辦公室放著一塊透明的“橡皮泥”。這是造輪胎所必需的生橡膠。

“橡膠是高分子材料中分子量最大的?！彼瘟x虎說，如果把橡膠分子比喻成一串分子項鏈，那幾百萬顆“珍珠”串在一起才形成一個橡膠分子。

長長的分子項鏈相互糾纏，形成項鏈網(wǎng)絡(luò)。項鏈越長，彈性越好。

輪胎中含有一種叫炭黑的物質(zhì)。炭黑是輪胎產(chǎn)業(yè)發(fā)展100多年來最好的填料。

炭黑的結(jié)構(gòu)就像一串串葡萄，每一粒“葡萄”是直徑20納米左右的碳粒子。肉眼能辨別的一粒煙灰，就是100納米（0.01毫米）左右的“葡萄串”。

一條輪胎的胎面膠中，橡膠占比大約占比50%，炭黑占比40%以上。在50多種助劑的作用下，兩者在混煉工藝中相互融合，經(jīng)硫化后就成為堅固耐磨的輪胎胎面膠。

“項鏈”與“葡萄串”的組合，為輪胎提供了強(qiáng)有力的力學(xué)性能。

既要強(qiáng)度高，又要彈性好，這是一條好輪胎，特別是重型卡車輪胎的基本要求。

不同的使用場合，又對輪胎提出不同的要求。尤其是上礦山的大卡車，當(dāng)輪胎碾過尖利的石頭，要保證胎面不被刺穿。

課題組主要成員鄭強(qiáng)教授說，十余年的研究過程中，他們最感興趣的是：“炭黑網(wǎng)絡(luò)與橡膠網(wǎng)絡(luò)是怎么相互作用的，炭黑是怎么影響橡膠網(wǎng)絡(luò)的粘彈性的?！?

100多年的“偏見”

“教科書上，論文里，我們看到過不下100個理論模型?！彼瘟x虎、鄭強(qiáng)在分析梳理了700余篇文獻(xiàn)后說。

100多年來，國際上至少出現(xiàn)五大理論流派，但是他們之間相互矛盾，或與已有研究結(jié)果矛盾。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界，你說你的，我做我的。

這種脫節(jié)，使得高級輪胎制造仍屬于各大輪胎廠的工藝“秘方”，誰能“試”出來誰賺錢。

宋義虎說，令他們比較迷茫的是，所有的理論模型都只關(guān)注炭黑網(wǎng)絡(luò)，并沒有考慮橡膠分子在其中的作用。

從學(xué)術(shù)上來歸類，這一研究屬于高分子納米復(fù)合材料黏彈性的范疇。世界上最早研究這一體系的人，據(jù)說是愛因斯坦。

他在1911年前后發(fā)表過幾篇關(guān)于懸浮液黏度的論文，分析了混入粒子之后，液體流場的變化。

雖然研究輪胎所用的材料變了，但最成功、應(yīng)用最為廣泛的黏度預(yù)測理論，仍然是對愛因斯坦方程的修正與改進(jìn)。

“為什么一定要用填料填充的橡膠來制造輪胎，橡膠對材料性能的影響不能忽略。”宋義虎說，是時候重新審視這個持續(xù)100多年的“偏見”了。

重新定位炭黑和橡膠

課題組從未硫化的混煉膠材料中抽提出橡膠，得到完整的橡膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這個網(wǎng)絡(luò)有強(qiáng)度，有彈性。

同時，他們也提取到完整的炭黑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

塊狀炭黑網(wǎng)絡(luò)樣品，伸手輕輕一碰，就會立刻像餅干一樣碎掉。

宋義虎說，炭黑顆粒的表面有吸附作用，當(dāng)長長的橡膠分子靠近，炭黑就吸附住鏈條上的其中一點(diǎn)，形成非常穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。

“以往的模型只考慮炭黑網(wǎng)絡(luò)，但實驗證據(jù)不強(qiáng)。兩相模型則考慮了橡膠的因素?！彼瘟x虎說，這可以為輪胎滾動生熱提供新的理論解釋：發(fā)熱的不是炭黑，而是橡膠分子。

夏天的高速公路邊，常常會看到重型卡車的司機(jī)提著水桶給輪胎澆水降溫。如果不降溫，輪胎會加速老化。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，這是輪胎中的炭黑顆粒相互摩擦而產(chǎn)生熱量。

“實驗結(jié)論則相反，是橡膠分子相互摩擦產(chǎn)生熱量。炭黑只是加速它們之間的摩擦?！?

鄭強(qiáng)介紹，兩相模型重新定位了炭黑和橡膠對輪胎性能的影響，解釋了輪胎補(bǔ)強(qiáng)的機(jī)理。

炭黑等填料粒子形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓橡膠分子鏈活動減慢，從而提高輪胎胎面膠的彈性。

課題組利用包括白炭黑等在內(nèi)的其他填料，制備混煉膠材料，其表現(xiàn)都符合兩相模型。

“我不敢說這個理論終結(jié)了已有的爭論，但有一點(diǎn)可以看到，國際上沿用之前模型的研究已在減少，而引用兩相模型理論的論文逐年增多?！?

宋義虎說，課題組接下來還將做一些實驗，探索如何減少高分子鏈之間的摩擦。

他們期待這個理論能用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)，制造出強(qiáng)度高彈性好生熱小的高效輪胎。