轮胎为什么一定要用橡胶做？
这个看似只会出现在《十万个为什么》里的问题，长期以来却没有得到科学家系统的回答。
浙江大学高分子系宋义虎教授说，研究轮胎性能，过去许多经典的理论模型强调的是作为填料的炭黑的作用。人们都知道只有橡胶填了填料才能做成轮胎，但是理论模型里却找不到橡胶分子的影子。如果有人拿着这套理论说水加了填料也能做出轮胎，科学家 在理论上 只能表示无可奈何。
宋义虎所在的课题组十几年来致力于橡胶补强研究，该课题组首次提出橡胶材料对轮胎性能的理论解释，被国际同行以课题组两位主要成员 宋义虎和郑强教授的名字命名为 宋 郑两相模型 。
课题组受邀撰写的一篇综述文章近日发表在著名期刊《材料科学进展》上。宋义虎说，文章再次强调，是时候重新考虑橡胶的流变行为对于轮胎整体性能的影响，而 宋 郑两相模型 终结了以往理论模型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。
宋 郑两相模型 揭示橡胶分子的作用
宋义虎的办公室放着一块透明的 橡皮泥 。他告诉记者，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。
轮胎之所以不是透明的，是因为它里面还有一种叫炭黑的物质。蜡烛燃烧时产生的黑烟，就是黑乎乎的炭黑。炭黑是轮胎产业发展100多年来检验最好的填料。炭黑是碳元素的一种存在形式，结构就像一串串葡萄，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（0.01毫米）左右的 葡萄串 。
以往的模型只考虑了炭黑网络，但实验证据不强。我们提出的两相模型则考虑了橡胶的因素。 宋义虎说，这一模型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。
夏天的高速公路边，我们常常会看到重型卡车司机提着水桶给轮胎浇水降温。如果不降温，轮胎会加速老化。传统的观点认为，是轮胎中的炭黑颗粒相互摩擦而产生热量。 我们的实验结论则相反，是长长的橡胶分子的相互摩擦而产生热量。炭黑颗粒只是加速了它们之间的摩擦。
郑强介绍，两相模型关键的是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：炭黑等填料粒子形成网络结构，它们让橡胶分子链活动减慢，从而提高了轮胎胎面胶的弹性。
新理论能够更好指导实际生产
宋义虎、郑强轮胎分析梳理过700余篇文献，他们发现，100多年来，国际上针对橡胶模量至少出现了五大理论流派，但是模型之间相互矛盾，或与已有研究结果之间矛盾。工业界和学术界之间你说你的、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。
国际上对于炭黑形成三维网络，并提供力学支撑是有共识的，我们也通过实验证实了这一点。 宋义虎说，令他们比较迷茫的是，所有的理论模型都只关注炭黑网络，并没有考虑橡胶分子在其中的作用。这些模型过于简化，造成了对事实的偏见。 工业上轮胎要用橡胶来做基础，但没有哪一个理论能够表达出橡胶在里面起什么作用。所以我们一边工作一边思考，如果理论模型没有一个参数能够表示橡胶对材料弹性的影响，那这个理论肯定是不成熟的。
一个基本的问题，为什么一定要用填料填充的橡胶来制造轮胎，而不用水悬浮体系中制备轮胎。所以橡胶对材料性能的影响不能忽略。 宋义虎说，该重新审视这个持续了100多年的 偏见 。
课题组还利用其他填料来制备混炼胶材料，其流变学表现都符合 宋 郑两相模型 。
我不敢说我们的理论终结了已有的争论，但有一点可以看到的是，国际上沿用之前模型的研究已在慢慢变少，而引用我们理论的论文在逐年增多。 宋义虎说，课题组接下来还将做一些实验，探索如何减少高分子链之间的摩擦。 我们期待我们的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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