轮胎为什么用橡胶做?浙大两教授破译百年难题

浙江大学玉泉校区的一间实验室,有个课题组研究橡胶补强持续了17年,终于有了一个新成果——“宋-郑”两相模型理论。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》上发表。这个以研究者姓氏为名的理论,跳出了爱因斯坦黏度理论的框框,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”

浙江大学高分子系教授宋义虎是“宋-郑”两相模型理论课题组的主要成员之一。他的办公室里有一块透明的“橡皮泥”,他说,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。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。”

轮胎为什么是黑的?宋义虎说,因为它有一种叫炭黑的物质。“它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(0.1微米)左右的‘葡萄串’。”

在轮胎产业发展的100多年来,炭黑被证明是最好的填料。一个轮胎的胎面胶中,橡胶占比大约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。课题组另一位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。”

国际上至少出现了五大理论流派

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黏弹性的。