浙江大學(xué)玉泉校區(qū)的一間實(shí)驗(yàn)室，有個(gè)課題組研究橡膠補(bǔ)強(qiáng)持續(xù)了17年，終于有了一個(gè)新成果——“宋-鄭”兩相模型理論。2016年9月，課題組受邀撰寫的綜述文章在著名期刊《材料科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表。這個(gè)以研究者姓氏為名的理論，跳出了愛因斯坦黏度理論的框框，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(duì)橡膠材料生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。
輪胎里的“項(xiàng)鏈”與“葡萄”
浙江大學(xué)高分子系教授宋義虎是“宋-鄭”兩相模型理論課題組的主要成員之一。他的辦公室里有一塊透明的“橡皮泥”，他說，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。如果把橡膠分子比喻成一串分子項(xiàng)鏈，那幾百萬顆‘珍珠’串在一起才形成一個(gè)橡膠分子。長(zhǎng)長(zhǎng)的分子項(xiàng)鏈相互糾纏，形成項(xiàng)鏈網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)鏈越長(zhǎng)，彈性越好。”
輪胎為什么是黑的？宋義虎說，因?yàn)樗幸环N叫炭黑的物質(zhì)。“它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（0.1微米）左右的‘葡萄串’。”
在輪胎產(chǎn)業(yè)發(fā)展的100多年來，炭黑被證明是最好的填料。一個(gè)輪胎的胎面膠中，橡膠占比大約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(jiān)固耐磨的輪胎胎面膠。
“項(xiàng)鏈”與“葡萄串”的組合，為輪胎提供了強(qiáng)有力的力學(xué)性能。課題組另一位主要成員鄭強(qiáng)教授說：“許許多多炭黑‘葡萄串’形成一個(gè)三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而橡膠分子‘項(xiàng)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。”
國(guó)際上至少出現(xiàn)了五大理論流派
既要強(qiáng)度高，又要彈性好，這是一個(gè)好輪胎特別是重型卡車輪胎的基本要求。不同的使用場(chǎng)合，又對(duì)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(qiáng)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)的黏彈性的。”
關(guān)于這個(gè)問題，教科書上、各路研究者的論文里都有出現(xiàn)過。宋義虎與鄭強(qiáng)先后通過分析梳理了700余篇文獻(xiàn)及常用、不常用的100多個(gè)理論模型，發(fā)現(xiàn)國(guó)際上針對(duì)橡膠模量（注：硬度的參數(shù)）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。
為此，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(jí)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。
發(fā)現(xiàn)存在了100多年的“偏見”
“國(guó)際上對(duì)于炭黑形成三維網(wǎng)絡(luò)，并提供力學(xué)支撐是有共識(shí)的，我們也通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。”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(jiǎn)化，造成了對(duì)事實(shí)的偏見。“工業(yè)上輪胎要用橡膠來做基礎(chǔ)，但沒有哪一個(gè)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邊思考，如果理論模型沒有一個(gè)參數(shù)能夠表示橡膠對(duì)材料彈性的影響，那這個(gè)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，分析了粒子對(duì)液體流場(chǎng)的影響。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(cè)理論仍然屬于對(duì)愛因斯坦方程的修正與改進(jìn)。
“一個(gè)基本的問題，為什么一定要用填料填充的橡膠來制造輪胎，而不用水懸浮體系制造輪胎。所以橡膠對(duì)材料性能的影響不能忽略。”宋義虎說，該重新審視這個(gè)持續(xù)了100多年的“偏見”了。
導(dǎo)致輪胎發(fā)熱的是橡膠分子
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(gè)網(wǎng)絡(luò)有強(qiáng)度，有彈性。課題組采用高溫?zé)g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(zhǎng)長(zhǎng)的橡膠分子靠近，炭黑就吸附住鏈條上的其中一點(diǎn)，形成非常穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。“即使你把個(gè)別沒被吸附的‘項(xiàng)鏈’抽出來，這個(gè)結(jié)構(gòu)也崩塌不了。”但是，高溫?zé)g的炭黑網(wǎng)絡(luò)不存在橡膠分子“項(xiàng)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(shí)驗(yàn)證據(jù)不強(qiáng)。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(dòng)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(huì)看到重型卡車司機(jī)提著水桶給輪胎澆水降溫。如果不降溫，輪胎會(huì)加速老化。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論則相反，是長(zhǎng)長(zhǎng)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。”
期待理論能用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)
鄭強(qiáng)介紹，兩相模型的關(guān)鍵是重新定位了炭黑和橡膠對(duì)輪胎性能的影響，解釋了輪胎補(bǔ)強(qiáng)的機(jī)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(dòng)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，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(zhēng)論，但有一點(diǎn)可以看到的是，國(guó)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(shí)驗(yàn)，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(shí)際生產(chǎn)，制造出強(qiáng)度高彈性好生熱小的高效輪胎。”
輪胎里的“項(xiàng)鏈”與“葡萄”
浙江大學(xué)高分子系教授宋義虎是“宋-鄭”兩相模型理論課題組的主要成員之一。他的辦公室里有一塊透明的“橡皮泥”，他說，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。如果把橡膠分子比喻成一串分子項(xiàng)鏈，那幾百萬顆‘珍珠’串在一起才形成一個(gè)橡膠分子。長(zhǎng)長(zhǎng)的分子項(xiàng)鏈相互糾纏，形成項(xiàng)鏈網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)鏈越長(zhǎng)，彈性越好。”
輪胎為什么是黑的？宋義虎說，因?yàn)樗幸环N叫炭黑的物質(zhì)。“它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（0.1微米）左右的‘葡萄串’。”
在輪胎產(chǎn)業(yè)發(fā)展的100多年來，炭黑被證明是最好的填料。一個(gè)輪胎的胎面膠中，橡膠占比大約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(jiān)固耐磨的輪胎胎面膠。
“項(xiàng)鏈”與“葡萄串”的組合，為輪胎提供了強(qiáng)有力的力學(xué)性能。課題組另一位主要成員鄭強(qiáng)教授說：“許許多多炭黑‘葡萄串’形成一個(gè)三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而橡膠分子‘項(xiàng)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。”
國(guó)際上至少出現(xiàn)了五大理論流派
既要強(qiáng)度高，又要彈性好，這是一個(gè)好輪胎特別是重型卡車輪胎的基本要求。不同的使用場(chǎng)合，又對(duì)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(qiáng)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)的黏彈性的。”
關(guān)于這個(gè)問題，教科書上、各路研究者的論文里都有出現(xiàn)過。宋義虎與鄭強(qiáng)先后通過分析梳理了700余篇文獻(xiàn)及常用、不常用的100多個(gè)理論模型，發(fā)現(xiàn)國(guó)際上針對(duì)橡膠模量（注：硬度的參數(shù)）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。
為此，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(jí)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。
發(fā)現(xiàn)存在了100多年的“偏見”
“國(guó)際上對(duì)于炭黑形成三維網(wǎng)絡(luò)，并提供力學(xué)支撐是有共識(shí)的，我們也通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。”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(jiǎn)化，造成了對(duì)事實(shí)的偏見。“工業(yè)上輪胎要用橡膠來做基礎(chǔ)，但沒有哪一個(gè)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邊思考，如果理論模型沒有一個(gè)參數(shù)能夠表示橡膠對(duì)材料彈性的影響，那這個(gè)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，分析了粒子對(duì)液體流場(chǎng)的影響。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(cè)理論仍然屬于對(duì)愛因斯坦方程的修正與改進(jìn)。
“一個(gè)基本的問題，為什么一定要用填料填充的橡膠來制造輪胎，而不用水懸浮體系制造輪胎。所以橡膠對(duì)材料性能的影響不能忽略。”宋義虎說，該重新審視這個(gè)持續(xù)了100多年的“偏見”了。
導(dǎo)致輪胎發(fā)熱的是橡膠分子
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(gè)網(wǎng)絡(luò)有強(qiáng)度，有彈性。課題組采用高溫?zé)g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(zhǎng)長(zhǎng)的橡膠分子靠近，炭黑就吸附住鏈條上的其中一點(diǎn)，形成非常穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。“即使你把個(gè)別沒被吸附的‘項(xiàng)鏈’抽出來，這個(gè)結(jié)構(gòu)也崩塌不了。”但是，高溫?zé)g的炭黑網(wǎng)絡(luò)不存在橡膠分子“項(xiàng)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(shí)驗(yàn)證據(jù)不強(qiáng)。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(dòng)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(huì)看到重型卡車司機(jī)提著水桶給輪胎澆水降溫。如果不降溫，輪胎會(huì)加速老化。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論則相反，是長(zhǎng)長(zhǎng)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。”
期待理論能用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)
鄭強(qiáng)介紹，兩相模型的關(guān)鍵是重新定位了炭黑和橡膠對(duì)輪胎性能的影響，解釋了輪胎補(bǔ)強(qiáng)的機(jī)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(dòng)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，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(zhēng)論，但有一點(diǎn)可以看到的是，國(guó)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(shí)驗(yàn)，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(shí)際生產(chǎn)，制造出強(qiáng)度高彈性好生熱小的高效輪胎。”
