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第067篇｜剪切增稠
第067篇｜剪切增稠
Shear Thickening
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一句話定義
剪切增稠（Shear Thickening）是指材料在剪切速率（Shear Rate）增加時，黏度（Viscosity）反而上升的流變現象，又稱為膨脹流動（Dilatant Flow），常見於高固含量懸浮液、奈米粒子分散系統與特殊功能材料中。
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為什麼重要
大部分接著劑受到攪拌時。
會變得更容易流動。
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這種現象稱為：
剪切變稀。
⸻
然而少數材料卻呈現相反行為。
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當外力增加時。
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材料流動阻力反而提高。
⸻
甚至可能瞬間變硬。
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這種現象便是：
剪切增稠。
⸻
雖然剪切增稠在接著劑產業較少見。
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但在高固成分漿料。
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導電膠。
⸻
奈米材料。
⸻
防護材料。
⸻
3D列印材料。
⸻
電子封裝材料中。
⸻
卻是重要設計參數。
⸻
因此了解剪切增稠機制。
有助於避免加工異常。
也有助於開發特殊功能材料。
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基本原理
一般液體受到剪切力時。
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粒子排列方向逐漸一致。
⸻
流動阻力下降。
⸻
形成剪切變稀。
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然而在某些高濃度懸浮系統中。
⸻
當剪切速率增加時。
⸻
粒子之間開始互相碰撞。
⸻
形成暫時性粒子網路。
⸻
流動空間受到限制。
⸻
系統阻力快速增加。
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黏度因此上升。
⸻
此現象稱為：
Shear Thickening。
⸻
剪切增稠的物理意義
可以將粒子想像成高速公路上的車輛。
⸻
車流量低時。
⸻
車輛能自由移動。
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速度維持穩定。
⸻
當車流密度提高時。
⸻
車輛彼此干擾。
⸻
交通開始壅塞。
⸻
流動效率下降。
⸻
剪切增稠現象與此類似。
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粒子越密集。
⸻
高速流動時越容易形成阻塞效應。
⸻
剪切增稠形成機制
目前主要理論包括：
Hydrocluster Theory
流體團聚理論。
⸻
粒子在高剪切下形成局部聚集。
⸻
導致黏度上升。
⸻
Frictional Contact Theory
摩擦接觸理論。
⸻
粒子開始直接接觸。
⸻
形成摩擦網路。
⸻
導致流動阻力增加。
⸻
Jamming Transition
堵塞轉換理論。
⸻
粒子濃度過高時。
⸻
系統逐漸接近堵塞狀態。
⸻
造成黏度急遽上升。
⸻
連續剪切增稠與不連續剪切增稠
Continuous Shear Thickening（CST）
連續剪切增稠。
⸻
黏度逐步上升。
⸻
變化較平緩。
⸻
Discontinuous Shear Thickening（DST）
不連續剪切增稠。
⸻
黏度瞬間暴增。
⸻
變化十分劇烈。
⸻
DST常見於高濃度奈米粒子系統。
⸻
剪切增稠與剪切變稀差異
兩者屬於相反現象。
⸻
Shear Thinning
剪切速率增加。
↓
黏度下降。
⸻
Shear Thickening
剪切速率增加。
↓
黏度上升。
⸻
大部分接著劑屬於：
剪切變稀。
⸻
剪切增稠則較少見。
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Power Law模型
Power Law可用於描述剪切增稠現象。
⸻
其關係式為：
\tau=K\dot{\gamma}^{n}
其中：
τ = 剪切應力
K = 一致性指數
γ̇ = 剪切速率
n = 流動指數
⸻
當：
n > 1
⸻
表示材料具有剪切增稠特性。
⸻
當：
n = 1
⸻
表示牛頓流體。
⸻
當：
n < 1
⸻
表示剪切變稀系統。
⸻
重要數據或表格
常見材料剪切增稠表現
材料 剪切增稠程度
水 無
酒精 無
一般接著劑 極低
水性乳液 低
高固含量漿料 中
陶瓷漿料 高
奈米懸浮液 高
STF防護液 極高
⸻
剪切增稠對加工影響
性能 影響
幫浦輸送 ↓
塗佈穩定性 ↓
攪拌效率 ↓
抗衝擊能力 ↑
能量吸收能力 ↑
結構保護能力 ↑
⸻
剪切增稠與粒子濃度關係
粒子濃度越高。
⸻
越容易產生粒子接觸。
⸻
剪切增稠傾向越明顯。
⸻
因此高固成分系統。
需特別注意此現象。
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剪切增稠與奈米材料
奈米粒子具有巨大比表面積。
⸻
容易形成粒子網路。
⸻
因此奈米分散系統。
常具有剪切增稠傾向。
⸻
例如：
• Nano Silica
• Alumina Slurry
• Conductive Paste
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皆可能出現此現象。
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與接著工程的關係
剪切增稠直接影響：
Coating
塗佈加工。
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Pumpability
輸送能力。
⸻
Dispersion
分散效率。
⸻
Mixing
混合效率。
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Electronic Materials
電子材料加工。
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Conductive Adhesive
導電接著劑性能。
⸻
因此雖然接著劑較少利用剪切增稠。
仍需了解其可能帶來的加工風險。
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導電膠案例
銀粉導電膠。
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固含量通常極高。
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若粒子分散不佳。
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可能產生局部剪切增稠。
⸻
造成塗佈不穩定。
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陶瓷漿料案例
高固成分陶瓷漿料。
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在高速加工時。
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可能因剪切增稠造成設備負荷增加。
⸻
因此常需加入分散劑改善流變行為。
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防彈材料案例
Shear Thickening Fluid（STF）。
⸻
平時維持柔軟狀態。
⸻
受到高速衝擊時。
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黏度瞬間提高。
⸻
吸收衝擊能量。
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已應用於：
• 防彈背心
• 防護服
• 軍用材料
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常見應用
導電膠
Conductive Adhesive。
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電子漿料
Electronic Paste。
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陶瓷漿料
Ceramic Slurry。
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STF防護液
Shear Thickening Fluid。
⸻
奈米材料
Nano Materials。
⸻
高固成分分散系統
High Solid Systems。
⸻
相關名詞
• Rheology（流變學）
• Viscosity（黏度）
• Shear Rate（剪切速率）
• Shear Stress（剪切應力）
• Shear Thinning（剪切變稀）
• Thixotropy（觸變性）
• Yield Stress（屈服應力）
• Viscoelasticity（黏彈性）
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FAQ
Q1：剪切增稠與剪切變稀哪個較常見？
剪切變稀遠比剪切增稠常見。
大部分接著劑與塗料皆屬於剪切變稀系統。
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Q2：剪切增稠一定是不好的現象嗎？
不一定。
在防護材料與能量吸收材料中，剪切增稠反而是重要功能來源。
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Q3：如何降低剪切增稠風險？
可透過降低粒子濃度、改善分散性、調整粒徑分布或加入適當分散劑進行控制。
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APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，剪切增稠在一般接著劑中較少作為主要設計目標，但在高固成分系統、導電膠、奈米材料與功能性漿料中卻可能成為重要加工限制因素。
實務上若產品出現攪拌困難、輸送壓力異常升高、塗佈不穩定或設備負載增加等現象，除了檢查黏度外，也應評估是否存在剪切增稠行為。
建議同步分析 Shear Thickening（剪切增稠）、Shear Thinning（剪切變稀）、Yield Stress（屈服應力）與 Particle Size（粒徑）等因素，以建立完整流變評估機制。
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延伸閱讀
• Rheology（流變學）
• Viscosity（黏度）
• Shear Rate（剪切速率）
• Shear Stress（剪切應力）
• Shear Thinning（剪切變稀）
• Thixotropy（觸變性）
• Yield Stress（屈服應力）
• Particle Size（粒徑）
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參考文獻
1. Barnes, H.A. Shear-Thickening (“Dilatancy”) in Suspensions of Nonaggregating Solid Particles Dispersed in Newtonian Liquids.
2. Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
3. Larson, R.G. The Structure and Rheology of Complex Fluids.
4. Brown, E. & Jaeger, H.M. Shear Thickening in Concentrated Suspensions.
5. Journal of Rheology.
6. Rheologica Acta.
7. Polymer.
8. Progress in Polymer Science.
Shear Thickening
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一句話定義
剪切增稠（Shear Thickening）是指材料在剪切速率（Shear Rate）增加時，黏度（Viscosity）反而上升的流變現象，又稱為膨脹流動（Dilatant Flow），常見於高固含量懸浮液、奈米粒子分散系統與特殊功能材料中。
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為什麼重要
大部分接著劑受到攪拌時。
會變得更容易流動。
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這種現象稱為：
剪切變稀。
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然而少數材料卻呈現相反行為。
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當外力增加時。
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材料流動阻力反而提高。
⸻
甚至可能瞬間變硬。
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這種現象便是：
剪切增稠。
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雖然剪切增稠在接著劑產業較少見。
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但在高固成分漿料。
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導電膠。
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奈米材料。
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防護材料。
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3D列印材料。
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電子封裝材料中。
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卻是重要設計參數。
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因此了解剪切增稠機制。
有助於避免加工異常。
也有助於開發特殊功能材料。
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基本原理
一般液體受到剪切力時。
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粒子排列方向逐漸一致。
⸻
流動阻力下降。
⸻
形成剪切變稀。
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然而在某些高濃度懸浮系統中。
⸻
當剪切速率增加時。
⸻
粒子之間開始互相碰撞。
⸻
形成暫時性粒子網路。
⸻
流動空間受到限制。
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系統阻力快速增加。
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黏度因此上升。
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此現象稱為：
Shear Thickening。
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剪切增稠的物理意義
可以將粒子想像成高速公路上的車輛。
⸻
車流量低時。
⸻
車輛能自由移動。
⸻
速度維持穩定。
⸻
當車流密度提高時。
⸻
車輛彼此干擾。
⸻
交通開始壅塞。
⸻
流動效率下降。
⸻
剪切增稠現象與此類似。
⸻
粒子越密集。
⸻
高速流動時越容易形成阻塞效應。
⸻
剪切增稠形成機制
目前主要理論包括：
Hydrocluster Theory
流體團聚理論。
⸻
粒子在高剪切下形成局部聚集。
⸻
導致黏度上升。
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Frictional Contact Theory
摩擦接觸理論。
⸻
粒子開始直接接觸。
⸻
形成摩擦網路。
⸻
導致流動阻力增加。
⸻
Jamming Transition
堵塞轉換理論。
⸻
粒子濃度過高時。
⸻
系統逐漸接近堵塞狀態。
⸻
造成黏度急遽上升。
⸻
連續剪切增稠與不連續剪切增稠
Continuous Shear Thickening（CST）
連續剪切增稠。
⸻
黏度逐步上升。
⸻
變化較平緩。
⸻
Discontinuous Shear Thickening（DST）
不連續剪切增稠。
⸻
黏度瞬間暴增。
⸻
變化十分劇烈。
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DST常見於高濃度奈米粒子系統。
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剪切增稠與剪切變稀差異
兩者屬於相反現象。
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Shear Thinning
剪切速率增加。
↓
黏度下降。
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Shear Thickening
剪切速率增加。
↓
黏度上升。
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大部分接著劑屬於：
剪切變稀。
⸻
剪切增稠則較少見。
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Power Law模型
Power Law可用於描述剪切增稠現象。
⸻
其關係式為：
\tau=K\dot{\gamma}^{n}
其中：
τ = 剪切應力
K = 一致性指數
γ̇ = 剪切速率
n = 流動指數
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當：
n > 1
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表示材料具有剪切增稠特性。
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當：
n = 1
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表示牛頓流體。
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當：
n < 1
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表示剪切變稀系統。
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重要數據或表格
常見材料剪切增稠表現
材料 剪切增稠程度
水 無
酒精 無
一般接著劑 極低
水性乳液 低
高固含量漿料 中
陶瓷漿料 高
奈米懸浮液 高
STF防護液 極高
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剪切增稠對加工影響
性能 影響
幫浦輸送 ↓
塗佈穩定性 ↓
攪拌效率 ↓
抗衝擊能力 ↑
能量吸收能力 ↑
結構保護能力 ↑
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剪切增稠與粒子濃度關係
粒子濃度越高。
⸻
越容易產生粒子接觸。
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剪切增稠傾向越明顯。
⸻
因此高固成分系統。
需特別注意此現象。
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剪切增稠與奈米材料
奈米粒子具有巨大比表面積。
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容易形成粒子網路。
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因此奈米分散系統。
常具有剪切增稠傾向。
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例如：
• Nano Silica
• Alumina Slurry
• Conductive Paste
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皆可能出現此現象。
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與接著工程的關係
剪切增稠直接影響：
Coating
塗佈加工。
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Pumpability
輸送能力。
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Dispersion
分散效率。
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Mixing
混合效率。
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Electronic Materials
電子材料加工。
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Conductive Adhesive
導電接著劑性能。
⸻
因此雖然接著劑較少利用剪切增稠。
仍需了解其可能帶來的加工風險。
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導電膠案例
銀粉導電膠。
⸻
固含量通常極高。
⸻
若粒子分散不佳。
⸻
可能產生局部剪切增稠。
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造成塗佈不穩定。
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陶瓷漿料案例
高固成分陶瓷漿料。
⸻
在高速加工時。
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可能因剪切增稠造成設備負荷增加。
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因此常需加入分散劑改善流變行為。
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防彈材料案例
Shear Thickening Fluid（STF）。
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平時維持柔軟狀態。
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受到高速衝擊時。
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黏度瞬間提高。
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吸收衝擊能量。
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已應用於：
• 防彈背心
• 防護服
• 軍用材料
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常見應用
導電膠
Conductive Adhesive。
⸻
電子漿料
Electronic Paste。
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陶瓷漿料
Ceramic Slurry。
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STF防護液
Shear Thickening Fluid。
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奈米材料
Nano Materials。
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高固成分分散系統
High Solid Systems。
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相關名詞
• Rheology（流變學）
• Viscosity（黏度）
• Shear Rate（剪切速率）
• Shear Stress（剪切應力）
• Shear Thinning（剪切變稀）
• Thixotropy（觸變性）
• Yield Stress（屈服應力）
• Viscoelasticity（黏彈性）
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FAQ
Q1：剪切增稠與剪切變稀哪個較常見？
剪切變稀遠比剪切增稠常見。
大部分接著劑與塗料皆屬於剪切變稀系統。
⸻
Q2：剪切增稠一定是不好的現象嗎？
不一定。
在防護材料與能量吸收材料中，剪切增稠反而是重要功能來源。
⸻
Q3：如何降低剪切增稠風險？
可透過降低粒子濃度、改善分散性、調整粒徑分布或加入適當分散劑進行控制。
⸻
APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，剪切增稠在一般接著劑中較少作為主要設計目標，但在高固成分系統、導電膠、奈米材料與功能性漿料中卻可能成為重要加工限制因素。
實務上若產品出現攪拌困難、輸送壓力異常升高、塗佈不穩定或設備負載增加等現象，除了檢查黏度外，也應評估是否存在剪切增稠行為。
建議同步分析 Shear Thickening（剪切增稠）、Shear Thinning（剪切變稀）、Yield Stress（屈服應力）與 Particle Size（粒徑）等因素，以建立完整流變評估機制。
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延伸閱讀
• Rheology（流變學）
• Viscosity（黏度）
• Shear Rate（剪切速率）
• Shear Stress（剪切應力）
• Shear Thinning（剪切變稀）
• Thixotropy（觸變性）
• Yield Stress（屈服應力）
• Particle Size（粒徑）
⸻
參考文獻
1. Barnes, H.A. Shear-Thickening (“Dilatancy”) in Suspensions of Nonaggregating Solid Particles Dispersed in Newtonian Liquids.
2. Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
3. Larson, R.G. The Structure and Rheology of Complex Fluids.
4. Brown, E. & Jaeger, H.M. Shear Thickening in Concentrated Suspensions.
5. Journal of Rheology.
6. Rheologica Acta.
7. Polymer.
8. Progress in Polymer Science.
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