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第070篇｜剪切應力
Shear Stress


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一句話定義
剪切應力（Shear Stress）是指作用於材料表面並使材料內部不同層之間產生相對滑動的單位面積作用力，通常以 Pa（Pascal）表示，是流變學、塗佈工程、接著工程與高分子加工領域的重要基本參數。


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為什麼重要
接著劑能夠開始流動。
需要外力作用。


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塗料能夠均勻展開。
需要外力作用。


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乳液能夠被攪拌混合。
需要外力作用。


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這些外力進入材料後。
最終會轉換成：
剪切應力。


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剪切應力決定：
材料是否開始流動。


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剪切應力決定：
材料是否產生變形。


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剪切應力決定：
材料是否破壞內部結構。


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因此。
剪切應力是流變學最基礎的物理量之一。


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在接著工程中。
許多施工現象皆與剪切應力有關。


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例如：
    •    塗佈
    •    貼合
    •    攪拌
    •    輸送
    •    噴塗


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皆涉及剪切應力作用。


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基本原理
當外力平行作用於材料表面時。


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材料內部會產生層與層之間的相對滑動。


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此時材料承受的內部作用力。


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稱為：
Shear Stress。


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與拉伸應力不同。


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拉伸應力使材料被拉長。


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剪切應力使材料產生滑移。


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因此：
剪切應力本質上是促使流體流動的重要力量。


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剪切應力的物理意義
可將一本書放在桌面上。


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手掌向側面推動書本封面。


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書頁之間產生相對位移。


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此時書頁所承受的作用力。


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即類似剪切應力。


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流體內部亦會產生相同現象。


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不同流層之間。


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彼此受到剪切作用。


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形成流動。


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剪切應力定義
剪切應力表示為：
\tau=\frac{F}{A}
其中：
τ = 剪切應力
F = 作用力
A = 受力面積


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國際單位為：
Pa
Pascal。


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即：
N/m²


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牛頓每平方公尺。


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剪切應力與剪切速率關係
牛頓流體中。


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兩者具有固定比例關係。


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可表示為：
\tau=\eta\dot{\gamma}
其中：
τ = 剪切應力
η = 黏度
γ̇ = 剪切速率


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因此：
剪切應力增加。


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剪切速率增加。


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流動速度提高。


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剪切應力與黏度關係
相同剪切速率下。


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黏度越高。


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需要更大剪切應力。


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例如：
水。


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極小力量即可流動。


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密封膠。


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需要較大力量才能流動。


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因此黏度越高。


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通常需要更高剪切應力。


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剪切應力與屈服應力關係
許多高分子材料具有：
Yield Stress
屈服應力。


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當剪切應力低於屈服應力時。


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材料維持靜止。


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當剪切應力超過屈服應力時。


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材料開始流動。


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因此：
屈服應力
可視為材料開始流動的門檻。


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重要數據或表格
常見製程剪切應力範圍
製程    剪切應力
靜置儲存    極低
慢速攪拌    低
高速攪拌    中
滾輪塗佈    中至高
刮刀塗佈    高
噴塗    高
擠出加工    極高


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剪切應力對材料影響
現象    影響
流動開始    ↑
結構破壞    ↑
剪切變稀    ↑
觸變性表現    ↑
分散效率    ↑
聚集體破壞    ↑


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剪切應力與高分子鏈
高分子鏈在低剪切應力下。


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維持纏結狀態。


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當剪切應力提高。


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鏈段逐漸排列。


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纏結減少。


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流動阻力下降。


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形成：
Shear Thinning
剪切變稀。


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因此高分子流變行為與剪切應力密切相關。


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剪切應力與乳液系統
乳液粒子受到剪切應力作用時。


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可能產生：
    •    分散
    •    聚集體破壞
    •    結構重整


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適當剪切應力有助於穩定加工。


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過高剪切應力則可能造成乳液失穩。


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與接著工程的關係
剪切應力直接影響：
Mixing
混合效率。


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Dispersion
分散能力。


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Coating
塗佈表現。


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Lamination
貼合加工。


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Pumpability
輸送能力。


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Sprayability
噴塗性能。


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因此剪切應力是接著製程的重要控制參數。


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無溶劑PU案例
無溶劑貼合設備中。


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塗佈輥之間形成高剪切應力。


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促使材料流動。


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提高塗佈均勻性。


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因此設備設計必須考量剪切應力條件。


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PSA案例
壓敏膠塗佈時。


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受到剪切應力作用。


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鏈段重新排列。


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影響：
    •    潤濕性
    •    流平性
    •    塗佈穩定性


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因此PSA開發需評估剪切應力影響。


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常見應用
接著劑開發
Adhesive Development。


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軟包裝貼合
Flexible Packaging Lamination。


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PSA壓敏膠
Pressure Sensitive Adhesive。


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工業塗料
Industrial Coating。


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油墨
Printing Ink。


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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）
    •    Shear Rate（剪切速率）
    •    Shear Thinning（剪切變稀）
    •    Shear Thickening（剪切增稠）
    •    Yield Stress（屈服應力）
    •    Thixotropy（觸變性）
    •    Viscoelasticity（黏彈性）


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FAQ
Q1：剪切應力與剪切速率有何差異？
剪切應力代表作用力大小。
剪切速率代表變形速度。
兩者屬於不同物理量。


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Q2：剪切應力越高越好嗎？
不一定。
過高剪切應力可能導致乳液破壞、氣泡增加或材料降解。


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Q3：剪切應力是否會影響黏度？
會。
非牛頓流體常因剪切應力增加而產生剪切變稀或剪切增稠現象。


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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，剪切應力是量產製程中極具影響力卻經常被忽略的參數之一。
許多產品在實驗室測試時表現正常，進入量產設備後卻出現黏度異常、塗佈不穩定、乳液失穩或飛膠問題，其根本原因往往來自不同設備所產生的剪切應力差異。
因此在產品開發與製程放大過程中，建議同步評估 Shear Stress（剪切應力）、Shear Rate（剪切速率）、Viscosity（黏度）與 Rheology（流變學）特性。
良好的製程穩定性來自材料流變特性與設備剪切條件的匹配。


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延伸閱讀
    •    Rheology（流變學）
    •    Viscosity（黏度）
    •    Shear Rate（剪切速率）
    •    Shear Thinning（剪切變稀）
    •    Shear Thickening（剪切增稠）
    •    Yield Stress（屈服應力）
    •    Thixotropy（觸變性）
    •    Viscoelasticity（黏彈性）


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參考文獻
    1.    Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
    2.    Macosko, C.W. Rheology: Principles, Measurements and Applications.
    3.    Barnes, H.A. A Handbook of Elementary Rheology.
    4.    Larson, R.G. The Structure and Rheology of Complex Fluids.
    5.    Journal of Rheology.
    6.    Rheologica Acta.
    7.    Polymer.
    8.    Progress in Polymer Science.