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第068篇｜黏彈性
Viscoelasticity


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一句話定義
黏彈性（Viscoelasticity）是指材料同時具有黏性（Viscous Behavior）與彈性（Elastic Behavior）兩種特性的現象，受到外力時既會流動耗散能量，也會儲存能量並產生回復能力，是高分子材料最重要的流變特徵之一。


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為什麼重要
若材料只有黏性。


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材料會像液體一樣持續流動。


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無法維持形狀。


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若材料只有彈性。


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材料會像彈簧一樣立即回復。


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無法充分潤濕表面。


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然而大部分接著劑。


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既需要流動能力。


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又需要結構強度。


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因此同時具備：
黏性
與
彈性。


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這種特殊行為。


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稱為：
Viscoelasticity。


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黏彈性決定：
    •    初黏力
    •    剝離力
    •    持黏力
    •    抗震能力
    •    能量吸收能力
    •    加工性能


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因此黏彈性是接著工程的核心基礎之一。


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基本原理
材料受到外力時。


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可能產生兩種反應。


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Viscous Behavior
黏性行為。


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能量轉換成熱能。


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變形後無法恢復。


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例如：
水。


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蜂蜜。


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溶劑。


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Elastic Behavior
彈性行為。


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能量被暫時儲存。


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外力移除後恢復原狀。


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例如：
彈簧。


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橡膠。


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大部分高分子材料。


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介於兩者之間。


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同時具有：
流動
與
回復
能力。


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因此形成黏彈性。


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黏彈性的來源
高分子由長鏈分子組成。


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鏈段彼此纏結。


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形成複雜結構。


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受到外力時。


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部分鏈段開始移動。


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產生黏性效應。


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部分鏈段仍維持結構。


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產生彈性效應。


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兩種機制同時存在。


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因此形成黏彈行為。


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黏彈性與時間關係
黏彈性最大的特色之一。


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是具有時間依賴性。


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短時間施加外力。


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材料表現較像固體。


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長時間施加外力。


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材料表現較像液體。


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因此材料性能會隨時間改變。


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這也是高分子材料與金屬材料的重要差異。


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黏彈性與溫度關係
溫度改變。


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會影響鏈段活動能力。


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低溫時。


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鏈段活動受限。


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材料較具彈性。


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高溫時。


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鏈段活動增加。


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材料較具黏性。


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因此：
Tg
對黏彈性具有重大影響。


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Maxwell模型
黏彈性常利用：
Maxwell Model
描述。


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由：
彈簧
與
阻尼器
串聯組成。


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彈簧代表：
Elastic Component


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阻尼器代表：
Viscous Component


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此模型可模擬：
應力鬆弛行為。


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Kelvin-Voigt模型
另一常見模型為：
Kelvin-Voigt Model


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由：
彈簧
與
阻尼器
並聯組成。


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主要用於描述：
蠕變行為。


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儲能與耗能
黏彈材料受到振盪時。


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部分能量被儲存。


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部分能量被消耗。


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因此形成：
Storage Modulus
儲能模數。


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代表彈性能力。


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Loss Modulus
損耗模數。


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代表黏性能力。


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兩者共同決定材料表現。


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Loss Factor（Tan δ）
黏彈性常利用：
Tan δ
評估。


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其關係式為：
Tan,\delta=\frac{G’’}{G’}
其中：
G’
為儲能模數。


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G’’
為損耗模數。


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Tan δ越高。


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表示材料黏性越強。


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Tan δ越低。


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表示材料彈性越強。


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重要數據或表格
不同材料黏彈性特徵
材料    黏性    彈性
水    高    幾乎無
酒精    高    幾乎無
橡膠    低    高
PSA    中    中
TPU    中    高
密封膠    中    高


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黏彈性對性能影響
性能    主要來源
初黏力    黏性
潤濕性    黏性
持黏力    彈性
回彈性    彈性
能量吸收    黏彈性
抗震能力    黏彈性


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黏彈性與PSA關係
壓敏膠是典型黏彈材料。


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若黏性不足。


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無法快速潤濕表面。


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若彈性不足。


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無法提供持黏能力。


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因此PSA開發。
本質上就是黏彈性平衡設計。


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黏彈性與TPU關係
TPU具有：
Soft Segment
與
Hard Segment。


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軟鏈段提供黏性。


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硬鏈段提供彈性。


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因此TPU具有優異黏彈特性。


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黏彈性與耐衝擊性
材料受到衝擊時。


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部分能量轉換成熱能。


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部分能量被彈性儲存。


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因此良好黏彈性有助於：
    •    吸震
    •    緩衝
    •    抗衝擊
性能提升。


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與接著工程的關係
黏彈性直接影響：
Tack
初黏力。


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Peel Strength
剝離強度。


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Holding Power
持黏力。


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Impact Resistance
耐衝擊性。


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Vibration Resistance
耐振動性。


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Energy Absorption
能量吸收能力。


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因此黏彈性是接著工程的重要設計基礎。


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常見應用
PSA壓敏膠
Pressure Sensitive Adhesive。


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TPU
Thermoplastic Polyurethane。


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密封膠
Sealant。


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緩衝材料
Cushion Material。


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防震材料
Damping Material。


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電子材料
Electronic Materials。


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相關名詞
    •    Rheology（流變學）
    •    Viscosity（黏度）
    •    Storage Modulus（儲能模數）
    •    Loss Modulus（損耗模數）
    •    DMA（動態機械分析）
    •    Relaxation Time（鬆弛時間）
    •    Creep（蠕變）
    •    Stress Relaxation（應力鬆弛）


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FAQ
Q1：所有高分子都有黏彈性嗎？
大部分高分子材料皆具有不同程度的黏彈行為。


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Q2：黏彈性越高越好嗎？
不一定。
不同應用需要不同黏性與彈性比例。


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Q3：如何量測黏彈性？
常利用DMA或流變儀進行振盪測試分析。


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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，許多接著性能問題最終都能追溯至黏彈性設計。
實務上經常出現初黏力良好但持黏力不足，或持黏力優異卻無法快速貼合的情況。
其根本原因通常來自黏性與彈性之間失衡。
接著劑開發過程中，建議同步評估 Viscoelasticity（黏彈性）、Storage Modulus（儲能模數）、Loss Modulus（損耗模數）、Tg（玻璃轉移溫度）與 Relaxation Time（鬆弛時間）。
良好的接著系統通常建立於黏性與彈性的平衡，而非單一性能最大化。


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延伸閱讀
    •    Rheology（流變學）
    •    Viscosity（黏度）
    •    Storage Modulus（儲能模數）
    •    Loss Modulus（損耗模數）
    •    DMA（動態機械分析）
    •    Tg（玻璃轉移溫度）
    •    Relaxation Time（鬆弛時間）
    •    Stress Relaxation（應力鬆弛）


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參考文獻
    1.    Ferry, J.D. Viscoelastic Properties of Polymers.
    2.    Ward, I.M. & Sweeney, J. Mechanical Properties of Solid Polymers.
    3.    Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
    4.    Macosko, C.W. Rheology: Principles, Measurements and Applications.
    5.    Journal of Rheology.
    6.    Rheologica Acta.
    7.    Polymer.
    8.    Progress in Polymer Science.