專注研究橡膠材料黏彈性17年 解釋輪胎如何又強又彈

【橡膠技術網 - 科技動態】

 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業存在100多年，一直沒有完美的理論解釋。浙江大學高分子系一課題組對橡膠補強持續研究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》（《材料科學進展》）發表。

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-鄭兩相模型終結了以往理論模型相互矛盾、無法有效指導生產的局面，有望對橡膠材料生產產生重要影響。

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，形成項鏈網絡。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。蠟燭燃燒時產生的黑煙，就是黑乎乎的炭黑。炭黑是輪胎產業發展100多年來檢驗最好的填料。炭黑是碳元素的一種存在形式，結構就像一串串的葡萄，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’形成一個三維的網狀結構，而橡膠分子‘項鏈’纏繞其間，經硫化，它們之間形成了死結，成了一團解不開的‘亂麻’，我們稱為‘交聯’。就像生雞蛋煮熟，蛋白質發生了變性。”

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 “炭黑網絡與橡膠網絡是怎么相互作用的，填料（炭黑）是怎么影響橡膠網絡的粘彈性的。”

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余篇文獻后說。100多年來，國際上針對橡膠模量至少出現了五大理論流派，但是模型之間相互矛盾，或與已有研究結果之間矛盾。工業界和學術界之間你說你的，我做我的。這種脫節，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絡，并提供力學支撐是有共識的，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注炭黑網絡，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。“工業上輪胎要用橡膠來做基礎，但沒有哪一個理論能夠表達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。”

從學術上來歸類，這一研究屬于高分子納米復合材料黏彈性的范疇。世界上最早研究這一體系的據說是愛因斯坦。他于1911年左右發表過幾篇關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、應用最為廣泛的黏度預測理論仍然屬于對愛因斯坦方程的修正與改進。

“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絡結構。這個網絡有強度，有彈性。課題組采用高溫燒蝕的方法，也得到了完整的炭黑網絡結構。記者見到了燒蝕法得到的塊狀炭黑網絡樣品，伸手輕輕一碰，炭黑網絡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，形成非常穩定的界面結構。“即使你把個別沒被吸附的‘項鏈’抽出來，這個結構也崩塌不了。”但是，高溫燒蝕的炭黑網絡不存在橡膠分子‘項鏈’，是不穩定的，脆性的。

“以往的模型只考慮了炭黑網絡，但實驗證據不強。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。傳統的觀點認為，是輪胎中的炭黑顆粒相互摩擦而產生熱量。“我們的實驗結論則相反，是長長的橡膠分子的相互摩擦而產生熱量。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絡結構，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的其他填料來制備混煉膠材料，其流變學表現都符合兩相模型。這一模型體系五年前發表后，即有同行科學家將其命名為“宋-鄭兩相模型”。“我不敢說我們的理論終結了已有的爭論，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實際生產，制造出強度高彈性好生熱小的高效輪胎。”

（周煒）