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 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強持續(xù)研究17年，提出了被國際同行命名為“Two phase model of Song and Zheng”（ 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《Progress in Materials Science》（《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”，他告訴記者，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。”宋義虎說，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。”

輪胎之所以不是透明的，是因為它還有一種叫炭黑的物質(zhì)。蠟燭燃燒時產(chǎn)生的黑煙，就是黑乎乎的炭黑。炭黑是輪胎產(chǎn)業(yè)發(fā)展100多年來檢驗最好的填料。炭黑是碳元素的一種存在形式，結(jié)構(gòu)就像一串串的葡萄，而每一粒“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”。

一個輪胎的胎面膠中，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，為輪胎提供了強有力的力學(xué)性能。課題組主要成員鄭強教授說，“許許多多炭黑‘葡萄串’形成一個三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而橡膠分子‘項鏈’纏繞其間，經(jīng)硫化，它們之間形成了死結(jié)，成了一團(tuán)解不開的‘亂麻’，我們稱為‘交聯(lián)’。就像生雞蛋煮熟，蛋白質(zhì)發(fā)生了變性。”

既要強度高，又要彈性好，這是一個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。”鄭強說，十余年的研究過程中，課題組最感興趣的就是 “炭黑網(wǎng)絡(luò)與橡膠網(wǎng)絡(luò)是怎么相互作用的，填料（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。”宋義虎、鄭強在分析梳理了700余篇文獻(xiàn)后說。100多年來，國際上針對橡膠模量至少出現(xiàn)了五大理論流派，但是模型之間相互矛盾，或與已有研究結(jié)果之間矛盾。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間你說你的，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。

“國際上對于炭黑形成三維網(wǎng)絡(luò)，并提供力學(xué)支撐是有共識的，我們也通過實驗證實了這一點。”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。這些模型過于簡化，造成了對事實的偏見。“工業(yè)上輪胎要用橡膠來做基礎(chǔ)，但沒有哪一個理論能夠表達(dá)出橡膠在里面起什么作用。所以我們一邊工作一遍思考，如果理論模型沒有一個參數(shù)能夠表示橡膠對材料彈性的影響，那這個理論肯定是不成熟的。”

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據(jù)說是愛因斯坦。他于1911年左右發(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。雖然之后的研究輪胎所用的材料體系變了，但最成功、應(yīng)用最為廣泛的黏度預(yù)測理論仍然屬于對愛因斯坦方程的修正與改進(jìn)。

“一個基本的問題，為什么一定要用填料填充的橡膠來制造輪胎，而不用水懸浮體系中制備輪胎。所以橡膠對材料性能的影響不能忽略。”宋義虎說，該重新審視這個持續(xù)了100多年的“偏見”。

國際命名的“宋-鄭”模型

課題組采用溶劑浸泡的方法，從未硫化的混煉膠材料中抽提出橡膠，得到了完整的炭黑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這個網(wǎng)絡(luò)有強度，有彈性。課題組采用高溫?zé)�蝕的方法，也得到了完整的炭黑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。記者見到了燒蝕法得到的塊狀炭黑網(wǎng)絡(luò)樣品，伸手輕輕一碰，炭黑網(wǎng)絡(luò)立刻像華夫餅干一樣碎了。宋義虎告訴記者，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，形成非常穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。“即使你把個別沒被吸附的‘項鏈’抽出來，這個結(jié)構(gòu)也崩塌不了。”但是，高溫?zé)�蝕的炭黑網(wǎng)絡(luò)不存在橡膠分子‘項鏈’，是不穩(wěn)定的，脆性的。

“以往的模型只考慮了炭黑網(wǎng)絡(luò)，但實驗證據(jù)不強。我們提出的兩相模型則考慮了橡膠的因素。”宋義虎說，這一模型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，我們常常會看到重型卡車的司機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)的觀點認(rèn)為，是輪胎中的炭黑顆粒相互摩擦而產(chǎn)生熱量。“我們的實驗結(jié)論則相反，是長長的橡膠分子的相互摩擦而產(chǎn)生熱量。炭黑顆粒只是加速了它們之間的摩擦。”

鄭強介紹，兩相模型關(guān)鍵的是重新定位了炭黑和橡膠對輪胎性能的影響，解釋了輪胎補強的機理：炭黑等填料粒子形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它們讓橡膠分子鏈活動減慢，從而提高了輪胎胎面膠的彈性。

課題組還利用包括白炭黑等在內(nèi)的其他填料來制備混煉膠材料，其流變學(xué)表現(xiàn)都符合兩相模型。這一模型體系五年前發(fā)表后，即有同行科學(xué)家將其命名為“宋-鄭兩相模型”。“我不敢說我們的理論終結(jié)了已有的爭論，但有一點可以看到的是，國際上沿用之前模型的研究已在慢慢變少，而引用我們的理論的論文在逐年增多。”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。“我們期待我們的理論能用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)，制造出強度高彈性好生熱小的高效輪胎。”

（周煒）