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轮胎产业存在百年的秘密被中国人破译了
2017-01-04 14:22:47 编辑:易小编 浏览次数:1761
每一只奔驰在路上的轮胎，都藏着一个柔软橡胶如何化身为强壮大力士的秘密。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“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《材料科学进展》发表。在文章的摘要部分，作者提出：是重新考虑橡胶流变行为对轮胎整体性能影响的时候了。
“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”。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。
轮胎中含有一种叫炭黑的物质，炭黑是轮胎产业发展100多年来最好的填料。炭黑的结构就像一串串葡萄，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”。
一条轮胎的胎面胶中，橡胶大约占比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，经硫化后成为坚固耐磨的轮胎胎面胶。
“项链”与“葡萄串”组合，为轮胎提供了强有力的力学性能。既要强度高，又要弹性好，是一条好轮胎，特别是重型卡车轮胎的基本要求。
课题组主要成员郑强教授说，十余年的研究过程中，他们最感兴趣的是：“炭黑网络与橡胶网络是怎么相互作用的？炭黑是怎么影响橡胶网络的粘弹性的？”
重新定位炭黑和橡胶
100多年来，工业界和学术界，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。“橡胶对材料性能的影响不能忽略。”宋义虎说。
课题组从未硫化的混炼胶材料中抽提出橡胶，得到完整的橡胶网络结构。同时，他们也提取到完整的炭黑网络结构。块状炭黑网络样品，伸手轻轻一碰，就会立刻像饼干一样碎掉。
宋义虎说，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，这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。“是橡胶分子相互摩擦产生热量。炭黑只是加速它们之间的摩擦。”
郑强介绍，两相模型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。“我不敢说这个理论终结了已有的争论，但有一点可以看到，国际上沿用之前模型的研究已在减少，而引用两相模型理论的论文逐年增多。”
他们期待这个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。
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