专注研究橡胶材料黏弹性17年 解释轮胎如何又强又弹

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 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“Two phase model of Song and Zheng”（ 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《Progress in Materials Science》（《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”，他告诉记者，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。”

轮胎之所以不是透明的，是因为它还有一种叫炭黑的物质。蜡烛燃烧时产生的黑烟，就是黑乎乎的炭黑。炭黑是轮胎产业发展100多年来检验最好的填料。炭黑是碳元素的一种存在形式，结构就像一串串的葡萄，而每一粒“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”。

一个轮胎的胎面胶中，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。课题组主要成员郑强教授说，“许许多多炭黑‘葡萄串’形成一个三维的网状结构，而橡胶分子‘项链’缠绕其间，经硫化，它们之间形成了死结，成了一团解不开的‘乱麻’，我们称为‘交联’。就像生鸡蛋煮熟，蛋白质发生了变性。”

既要强度高，又要弹性好，这是一个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。”郑强说，十余年的研究过程中，课题组最感兴趣的就是 “炭黑网络与橡胶网络是怎么相互作用的，填料（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，国际上针对橡胶模量至少出现了五大理论流派，但是模型之间相互矛盾，或与已有研究结果之间矛盾。工业界和学术界之间你说你的，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。

“国际上对于炭黑形成三维网络，并提供力学支撑是有共识的，我们也通过实验证实了这一点。”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。这些模型过于简化，造成了对事实的偏见。“工业上轮胎要用橡胶来做基础，但没有哪一个理论能够表达出橡胶在里面起什么作用。所以我们一边工作一遍思考，如果理论模型没有一个参数能够表示橡胶对材料弹性的影响，那这个理论肯定是不成熟的。”

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据说是爱因斯坦。他于1911年左右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。虽然之后的研究轮胎所用的材料体系变了，但最成功、应用最为广泛的黏度预测理论仍然属于对爱因斯坦方程的修正与改进。

“一个基本的问题，为什么一定要用填料填充的橡胶来制造轮胎，而不用水悬浮体系中制备轮胎。所以橡胶对材料性能的影响不能忽略。”宋义虎说，该重新审视这个持续了100多年的“偏见”。

国际命名的“宋-郑”模型

课题组采用溶剂浸泡的方法，从未硫化的混炼胶材料中抽提出橡胶，得到了完整的炭黑网络结构。这个网络有强度，有弹性。课题组采用高温烧蚀的方法，也得到了完整的炭黑网络结构。记者见到了烧蚀法得到的块状炭黑网络样品，伸手轻轻一碰，炭黑网络立刻像华夫饼干一样碎了。宋义虎告诉记者，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。“即使你把个别没被吸附的‘项链’抽出来，这个结构也崩塌不了。”但是，高温烧蚀的炭黑网络不存在橡胶分子‘项链’，是不稳定的，脆性的。

“以往的模型只考虑了炭黑网络，但实验证据不强。我们提出的两相模型则考虑了橡胶的因素。”宋义虎说，这一模型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，我们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。传统的观点认为，是轮胎中的炭黑颗粒相互摩擦而产生热量。“我们的实验结论则相反，是长长的橡胶分子的相互摩擦而产生热量。炭黑颗粒只是加速了它们之间的摩擦。”

郑强介绍，两相模型关键的是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，它们让橡胶分子链活动减慢，从而提高了轮胎胎面胶的弹性。

课题组还利用包括白炭黑等在内的其他填料来制备混炼胶材料，其流变学表现都符合两相模型。这一模型体系五年前发表后，即有同行科学家将其命名为“宋-郑两相模型”。“我不敢说我们的理论终结了已有的争论，但有一点可以看到的是，国际上沿用之前模型的研究已在慢慢变少，而引用我们的理论的论文在逐年增多。”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。“我们期待我们的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。”

（周炜）