中国科学家研究17年 重新解释轮胎

每一只奔驰在路上的轮胎，都藏着一个柔软的橡胶如何化身成为强弹大力士的秘密。这个秘密伴随轮胎产业存在100多年，一直没有完美的理论解释。

浙江大学高分子系一课题组对橡胶补强持续研究17年，提出了被国际同行命名为“宋-郑两相模型”的理论解释。

2016年9月，课题组受邀撰写的综述文章在著名期刊《材料科学进展》发表。

在文章的摘要部分，作者提出：是时候重新考虑橡胶的流变行为对于轮胎整体性能的影响了。

宋-郑两相模型终结了以往理论模型相互矛盾、无法有效指导生产的局面，有望对橡胶材料生产产生重要影响。

轮胎里的“项链”与“葡萄”

课题组主要成员之一，宋义虎教授的办公室放着一块透明的“橡皮泥”。这是造轮胎所必需的生橡胶。

“橡胶是高分子材料中分子量最大的。”宋义虎说，如果把橡胶分子比喻成一串分子项链，那几百万颗“珍珠”串在一起才形成一个橡胶分子。

长长的分子项链相互纠缠，形成项链网络。项链越长，弹性越好。

轮胎中含有一种叫炭黑的物质。炭黑是轮胎产业发展100多年来最好的填料。

炭黑的结构就像一串串葡萄，每一粒“葡萄”是直径20纳米左右的碳粒子。肉眼能辨别的一粒烟灰，就是100纳米（0.01毫米）左右的“葡萄串”。

一条轮胎的胎面胶中，橡胶占比大约占比50%，炭黑占比40%以上。在50多种助剂的作用下，两者在混炼工艺中相互融合，经硫化后就成为坚固耐磨的轮胎胎面胶。

“项链”与“葡萄串”的组合，为轮胎提供了强有力的力学性能。

既要强度高，又要弹性好，这是一条好轮胎，特别是重型卡车轮胎的基本要求。

不同的使用场合，又对轮胎提出不同的要求。尤其是上矿山的大卡车，当轮胎碾过尖利的石头，要保证胎面不被刺穿。

课题组主要成员郑强教授说，十余年的研究过程中，他们最感兴趣的是：“炭黑网络与橡胶网络是怎么相互作用的，炭黑是怎么影响橡胶网络的粘弹性的。”

100多年的“偏见”

“教科书上，论文里，我们看到过不下100个理论模型。”宋义虎、郑强在分析梳理了700余篇文献后说。

100多年来，国际上至少出现五大理论流派，但是他们之间相互矛盾，或与已有研究结果矛盾。工业界和学术界，你说你的，我做我的。

这种脱节，使得高级轮胎制造仍属于各大轮胎厂的工艺“秘方”，谁能“试”出来谁赚钱。

宋义虎说，令他们比较迷茫的是，所有的理论模型都只关注炭黑网络，并没有考虑橡胶分子在其中的作用。

从学术上来归类，这一研究属于高分子纳米复合材料黏弹性的范畴。世界上最早研究这一体系的人，据说是爱因斯坦。

他在1911年前后发表过几篇关于悬浮液黏度的论文，分析了混入粒子之后，液体流场的变化。

虽然研究轮胎所用的材料变了，但最成功、应用最为广泛的黏度预测理论，仍然是对爱因斯坦方程的修正与改进。

“为什么一定要用填料填充的橡胶来制造轮胎，橡胶对材料性能的影响不能忽略。”宋义虎说，是时候重新审视这个持续100多年的“偏见”了。

重新定位炭黑和橡胶

课题组从未硫化的混炼胶材料中抽提出橡胶，得到完整的橡胶网络结构。这个网络有强度，有弹性。

同时，他们也提取到完整的炭黑网络结构。

块状炭黑网络样品，伸手轻轻一碰，就会立刻像饼干一样碎掉。

宋义虎说，炭黑颗粒的表面有吸附作用，当长长的橡胶分子靠近，炭黑就吸附住链条上的其中一点，形成非常稳定的界面结构。

“以往的模型只考虑炭黑网络，但实验证据不强。两相模型则考虑了橡胶的因素。”宋义虎说，这可以为轮胎滚动生热提供新的理论解释：发热的不是炭黑，而是橡胶分子。

夏天的高速公路边，常常会看到重型卡车的司机提着水桶给轮胎浇水降温。如果不降温，轮胎会加速老化。

传统观点认为，这是轮胎中的炭黑颗粒相互摩擦而产生热量。

“实验结论则相反，是橡胶分子相互摩擦产生热量。炭黑只是加速它们之间的摩擦。”

郑强介绍，两相模型重新定位了炭黑和橡胶对轮胎性能的影响，解释了轮胎补强的机理。

炭黑等填料粒子形成网络结构，让橡胶分子链活动减慢，从而提高轮胎胎面胶的弹性。

课题组利用包括白炭黑等在内的其他填料，制备混炼胶材料，其表现都符合两相模型。

“我不敢说这个理论终结了已有的争论，但有一点可以看到，国际上沿用之前模型的研究已在减少，而引用两相模型理论的论文逐年增多。”

宋义虎说，课题组接下来还将做一些实验，探索如何减少高分子链之间的摩擦。

他们期待这个理论能用于指导实际生产，制造出强度高弹性好生热小的高效轮胎。