剪切稀化的案例
CFD學習：臨界剪切應力對剪切稀化和剪切增稠流體的影響
要點
作用在流體上引起剪切流的外力稱為剪切應力。
屈服應力是流體達到結構化流動時所施加的應力。
在剪切增稠流體中，剪切稀化行為的破壞發生在臨界剪切應力下，并隨著粘度的增加而在流體行為中帶來類似固體的轉變
在剪切稀化流體中，粘度發生大幅下降時的剪切應力值稱為臨界剪切應力
流體變形與力和時間有關。流變學是對流動以及變形如何與力和時間相互關聯的研究。流變學研究涉及固體變形、液體流動和粘彈性材料的行為，顯示固體和液體的特性。
在研究流體變形時，您可能會遇到不同的牛頓和非牛頓流體行為。兩種這樣的行為是剪切稀化和剪切增稠。臨界剪切應力表示剪切稀化流體行為變化的開始。在剪切增稠中，在臨界剪切應力下觀察到類固體轉變。
在本文中，我們將研究臨界剪切應力對剪切稀化和稠化流體的影響。
剪切流、剪切應力、剪切應變和剪切速率
在剪切流和拉伸流中，前者是最常見的流動行為。在剪切流中，流體層彼此滑動的速度大于其下方層的速度。最大速度位于頂層，底層靜止。
作用在流體上引起剪切流的外力稱為剪切應力。表示的剪切應力是每單位面積的力。
流體層上的位移梯度稱為剪切應變。當剪切應力在剪切應力的作用下繼續增加時，就會產生速度梯度。
速度梯度，也稱為剪切率或應變率，是應變隨時間的變化率。流體的行為隨剪切速率或剪切應力的值而變化。其中一種行為是剪切稀化。
剪切稀化和臨界剪切應力
剪切稀化是非牛頓流體中常見的行為。它也稱為假塑性流動。剪切稀化是由流體中微觀結構水平的重新排列造成的。在施加剪切應力的平面中發生的重新排列改變了流體的行為。在剪切稀化流體中，隨著施加的應力增加，流體速度降低。
展開 定量核磁表征聚乙烯長鏈支化結構及開發高性能吹膜樹脂中的應用
這些結果充分證明，梯形聚合物能夠同時兼具LDPE優異的剪切稀化特性和LDPE/LLDPE共混物良好的熔體強度，非常適合吹塑薄膜的生產應用。
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新能源汽車用聚丙烯基微發泡材料應該更關注熔體粘度還是熔體強度？
熔融指數儀在標準化的溫度、負荷（通常為2.16kg，5kg等）和口模尺寸下，測量10分鐘內從口模擠出的熔體質量（MFR，單位g/10min）或體積（MVR）。MFR值與熔體粘度呈反比關系，即MFR值越高，表明材料在該測試條件下的粘度越低。此方法優點是設備成本低、操作簡單快捷、標準化程度高，被廣泛用于來料檢驗和品質控制。但其主要缺點是只能在單一低剪切速率（約10-50 s?1）下提供數據，無法反映實際加工中寬廣剪切速率范圍內粘度的變化（剪切稀化行為）。
旋轉流變儀和毛細管流變儀則用于獲取全面流變數據。旋轉流變儀（通常采用平行板或錐板夾具）可在很寬的頻率（剪切速率）范圍內施加振蕩剪切，精確測量材料的復數粘度、儲能模量（G'） 和損耗模量（G''），從而深入表征材料的粘彈性。毛細管流變儀則更接近于模擬擠出或注塑過程中的剪切流動，能夠在高剪切速率（可達10? s?1）下測量材料的剪切粘度及其對剪切速率和溫度的依賴性，并提供剪切稀化指數（n）等關鍵參數。這些數據對于計算機輔助工程（CAE）模擬和精確的工藝優化極為有價值。
國高材分析測試中心流變研究室
高壓毛細管流變儀（左）、轉矩流變儀（右）
轉矩流變儀是一種模擬實際加工過程的綜合測試設備。物料在混合腔中經加熱、剪切，儀器通過測量驅動轉子所需的轉矩來反映物料的表觀粘度（轉矩越高，粘度越大）。通過分析“轉矩-時間”曲線，可獲取塑化時間、平衡轉矩及熱穩定性等關鍵加工參數。該設備還可通過配套的擠出脹大實驗，間接評估與熔體強度相關的熔體彈性（脹大比越大，彈性越強）。它尤其適用于評價共混、填充等配方的綜合加工性能，是連接實驗室數據與生產實踐的重要工具。
工程案例
吹膜工藝是體現熔體強度重要性的典型場景。
展開 
新能源汽車用聚丙烯基微發泡材料應該更關注熔體粘度還是熔體強度？
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工程案例
吹膜工藝是體現熔體強度重要性的典型場景。
展開 《AFM綜述`兩幅圖》生物合成水凝膠的可注射性：考慮到最小侵入性外科手術過程和3D生物打印
因此，在存在細胞的情況下，將生物合成水凝膠前體功能化以實現可注射性的大多數努力都試圖在化學和生物功能性之間取得平衡，以便在解決可注射性設計挑戰的同時保持細胞相容性。
因此，水凝膠交聯策略已經發展為包括使用光引發的“喀噠”化學反應或生物正交反應，并具有快速凝膠化動力學，并且在與細胞相容的水凝膠系統一起工作時所需的細胞毒性降至最低。隨著許多新的可注射生物合成材料的出現，它們在基于細胞的再生醫學和生物打印中的影響也越來越明顯。這篇綜述涵蓋了通過快速，細胞相容的物理或共價交聯賦予生物合成聚合物可注射性的主要策略，以及在細胞療法，組織再生和生物打印中使用所得可注射水凝膠的主要考慮因素。
【主圖導讀】
圖1
常用水凝膠生物加工方法的插圖。
生物合成水凝膠前體由生物和合成成分組成。可以為特定應用添加不同的部分，例如用于受控遞送的藥物。合并細胞以構建活組織替代物或用于局部細胞遞送。液體形式的水凝膠可與原位凝膠技術（藍色）一起使用，以直接給藥。原位凝膠化可以通過物理交聯機制（例如剪切稀化）或通過共價交聯（例如光聚合）進行。水凝膠還可以通過乳化，微流體或超疏水表面預制為微水凝膠（綠色）。可以使用各種技術（紅色）對水凝膠進行
3D打印以構建活組織。凝膠化可以通過剪切稀化后的固有自我修復，也可以通過外部觸發的凝膠化來實現，在這
種情況下，生物墨水在局部沉積后就可以開始交聯。液態水凝膠可以在印刷階段或在支持凝膠浴中交聯以保持形狀。
圖2
用于生物醫學應用的
3D水凝膠細胞封裝的示例。
A）使用微流控設備將人胰島包裹在PEG-4MAL微凝膠中，隨后將其用于移植后的免疫保護（比例尺：200 m）。B）體外藥物篩選平臺采用“人為”腫瘤，這些腫瘤是通過將腫瘤細胞包裹在PEG-纖維蛋白原水凝膠中而產生的。
展開 基于水性油墨《Small》3D打印分層結構的超分子聚合物液晶水凝膠
將方形曲折圖案印刷在鹽涂層的基材上，以使剪切對齊的PA溶液與表面接觸后進行離子交聯（圖1b）。作者發現，可以將墨水書寫的超分子聚合物水凝膠絲引導到帶有尖角的任意圖案中（圖1c）。偏振光學顯微鏡（POM）圖像顯示，當燈絲與偏振片成45°取向時，顏色均勻，表明水凝膠中PA納米纖維的單疇排列（圖1c）。掃描電子顯微鏡（SEM）成像證實了納米纖維沿擠出方向的大量排列（圖1d）。與印刷在基材上的凝膠相比，通過直接擠出到CaCl
2溶液中形成的長絲具有較粗糙的邊緣和不均勻的雙折射圖案。這表明噴嘴中的剪切力和來自基材的伸長力都與納米纖維的排列有關。為了優化印刷條件和離子交聯的PA凝膠的排列，作者研究了納米纖維狀聚合物中的超分子內聚力如何影響油墨粘度，以及離子化合價和濃度如何確定印刷結構的保真度。以下各節概述了如何使用超分子化學來調節油墨的可印刷性以及如何利用印刷參數來增強功能。
圖1 擠出印刷液晶超分子聚合物水凝膠。
2.2通過分層的超分子相互作用調節油墨粘度
為了從水溶液進行有效的直接寫入打印，墨水必須具有高于水的粘度，以控制擠出過程中的流動。經發現，通過以10 s
-1的剪切速率測量粘度至少為80 mPa s的濃度增加到1 wt％以上，可以增加油墨中的PA含量，從而獲得適合3D打印的粘度曲線。在1.5 wt％的濃度下，E3和K3油墨在不同pH值的流量曲線測量中均顯示出較強的剪切稀化曲線（圖2a，b）。這些曲線可以與Carreau模型擬合，以提取PA油墨的零剪切粘度，無限剪切粘度，弛豫時間和剪切稀化指數。
圖2 PA納米纖維油墨在不同pH值下的粘度和結構。
相比之下，作者看到在K3的所有pH值下都有長的納米纖維（圖2f–h）。
展開 普林斯頓大學開發出可進行傷口治療的3D打印水凝膠
無化學剪切方法可用于傷口治療等領域。
由于它們的物理性質：孔隙度、含水量和松軟，水凝膠是許多科學學科中的重要物質。尤其在快速發展的生物3D打印領域，其中使用水凝膠將單獨的不可打印的活細胞保持為固體且轉化為可打印的形式。
創建一個有效的水凝膠是困難的，通常需要化學反應和物質相互作用，但普林斯頓的研究人員開發了一種水凝膠，不需要這樣的化學物質。相反，當纖維被迫通過注射器時，纖維相互滑動形成水凝膠。
研究人員對他們的新產品感到非常興奮，并認為它可以用來治療傷口，甚至為生物醫學和其他領域開辟了一個全新的可注射水凝膠。
研究論文的聯合主要作者Antonio Perazzo聲稱：“研究含有這種高柔性纖維的懸浮液中的物質流動從未真正嘗試過，但追求新穎的研究為我們帶來了前所未有的柔性纖維流動誘導凝膠的結果。”
軟性可延展凝膠行為的科學解釋是剪切增稠的現象，其導致纖維在應力下凝固和凝膠化。然而，一般而言，纖維和水的混合物將產生相反的效果：剪切稀化。
那么，是什么讓水凝膠變厚而不是變薄呢？
他們組織了一個詳細的研究，看看如何用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA），一種完全無毒的柔性和生物相容性塑料制成的微纖維發生這種剪切增稠。
這些超細纖維的直徑為35微米，長約12毫米，放入水中時最初以自由流動的非纏結狀態存在。但是，當放置在帶有旋轉頂板的流變儀中時（通過將纖維周圍旋轉對混合物施加壓力），纖維彎曲、互鎖和纏結。
最后，纖維纏繞在一起，與水分開，盡管有些水仍然留在水中。這產生具有明顯水凝膠性質的充水纖維網絡。甚至可以通過調整微纖維的長度和直徑來控制凝膠的性質。
普林斯頓大學的研究人員現在計劃通過優化材料在通過注射器時的凝膠化以及合并有用的物質如抗生素、營養素和生物分子來改善這一過程。
水凝膠最終可以用于傷口治療，注射器最終可以被生物3D打印機取代。
展開 通用流體仿真軟件VirtualFlow 2023：高效易用的多相流仿真平臺（免費試用）
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展開 《材料化學》超分子膠凝劑：具有抗菌特性的易于使用的局部用凝膠
A14N2S水性凝膠的剪切稀化及其抗菌活性表明，它可能是局部應用的潛在候選者。
【主圖】
示意圖1.該文研究的磺酸鹽
圖1.（a）水性（DMSO /水，1：1，v/v）凝膠的流變響應（掃頻）（b）TEM下干燥凝膠的形態（插圖：各個干燥凝膠的SEM圖像） 。
圖2.四種非膠凝劑鹽的超分子合成子和晶體堆積：（A）A2N2S，（B）A5N2S，（C）A6N2S，（D）A8N2S。
圖3.四種膠凝劑鹽的超分子合成子和晶體堆積：（A）A9N2S，（B）A11N2S，（C）A14N2S和A15N2S。
圖4.在各種條件下，A14N2S和A15N2S的PXRD圖。
圖5. A14N2S對金黃色葡萄球菌的抗菌特性：（a）不同劑量的區域抑制試驗；（b）濁度測定；（c）濁度和（d）INT測定的MIC計算; （e）劑量依賴性細菌生長。
圖6. A14N2S對金黃色葡萄球菌細胞形態的影響：（B）細胞的融合和聚集以及受損的細胞壁；（三）裂解細胞。
圖7.在各種染色條件下金黃色葡萄球菌的共聚焦顯微鏡圖像（處理：A14N2S處理的金黃色葡萄球菌）。
圖8.細菌RNA耗竭：AO分析的時間依賴性流式細胞儀。
圖9.細菌RNA消耗：AO分析中金黃色葡萄球菌的共聚焦顯微鏡圖像（處理：A14N2S處理的金黃色葡萄球菌）。
展開 UG模具設計——塑料及其性能
（3）按聚集狀態
結晶型塑料和非結晶型塑料（線性無定性型塑料） 結晶度
（四）聚合物的熱力學性能和成型加工適應性
（四）聚合物的熱力學性能和成型加工適應性
（五）聚合物的黏性流動
1．黏度與剪切稀化效應
（五）聚合物的黏性流動
（3） 假塑性液體的流變學性質
（六）塑料的工藝特性
1．熱塑性塑料的工藝特性
（1）收縮性
1）影響收縮的基本因素是：
(1)塑料種類
(2)化學結構的變化 熱固性塑料（交聯、固化）、熱塑性塑料
(3)熱收縮 塑料的膨脹系數比鋼大，塑料件冷卻收縮比模具大
(4)彈性恢復 當塑料件脫模時，由于壓力降低，產生彈性恢復而脹
大，這會減少總收縮。
(5)塑料制品結構 制品結構復雜、壁薄、嵌件多且均勻分布的，則收縮率小。
(6)成型工藝
有
預熱，成型溫度不高，成型壓力較大，保壓時間較長
的
，收縮率較小。
(7)澆口的型式、尺寸及位置(注射模塑與傳遞模塑)
（六）塑料的工藝特性
（六）塑料的工藝特性
1．熱塑性塑料的工藝特性
（3）兼容性
（4）吸濕性
（5）取向性
（6）降解和熱敏性
（六）塑料的工藝特性
展開 
高分子材料流變學簡介-流體
另一些Bingham塑性體，一旦開始流動后，流動行為并不遵循牛頓粘度定律，其剪切粘度隨剪切速率發生變化，被稱為非線性Bingham流體。
牙膏、油漆是典型的塑性流體。牙膏的特點是不擠不流，只有外力大到足以克服屈服應力時，才開始流出。油漆在涂刷過程中，要求涂刷使粘度要小，停止涂刷時要不出現流掛，因此要求其屈服應力足夠大到可以克服重力對流動的影響。
假塑性流體
隨著剪切速率值的增大而粘度下降的流動稱為假塑性流動，具有這種性質的流體稱為假塑性流體或剪切稀化（shear thinning）型流體。絕大多數粘彈性流體都屬于假塑性流體，如聚合物溶液、聚合物熔體、油漆、涂料等等，當原油在凝點以下，以及稠油都會表現出一定的假塑性。
典型的假塑性流體的流動曲線中分為三個區域：當剪切速率接近0時，流體流動性質與牛頓型流體相似，粘度趨于常數，稱為零剪切粘度η0。這一區域稱為線性流動區，或第一牛頓區。零剪切粘度是物料的一個重要材料常數，與材料的平均分子量、粘流活化能相關，是材料最大松弛時間的反映。
當剪切速率超過某個臨界剪切速率后，材料流動性質出現剪切變稀行為，這個區域是高分子材料加工的典型流動區。這時曲線上一點的切線與縱坐標的交點類似塑性流體的屈服點，故稱為假塑性區域，或非牛頓流動區，或剪切變稀區域。
當剪切速率非常高，剪切速率又會趨于另一個定值，稱為無窮剪切粘度，該區域被稱為第二牛頓區。實際上這一區域很難達到，因為在此之前，流動已經變得極不穩定，甚至被破壞。
脹流性流體
脹流性流體的主要特征是剪切速率很低時，流動行為類似牛頓流體；剪切速率超過某一個臨界值后，剪切粘度隨剪切速率增大而增大，呈剪切變稠效應，研究發現，發生剪切變稠時，流體表觀“體積”略有膨脹，故稱為脹流性流體。
展開 黑神話悟空中的流體力學
帥臣：對，這可能是職業病吧，看到游戲中有關流動的現象就會很自然地聯想到這種現象是如何產生的，因為人體內的血液是比較典型的剪切稀化流體，而虎先鋒的血池內的血液是在體外的，可能會凝固，力學性質就復雜了。
朦朦：工程上，人們對于非牛頓流體的模擬，提出了很多經驗性質的模型來表示粘性和應力應變的關系，比如冪次模型、交叉模型等。但在游戲中，不會這么精細，所謂血池，可能僅僅是變了顏色和密度的水，其余處理過程就和普通牛頓流體差不多。
帥臣：還有像第二章沙子上的滑行、第四章盤絲洞蟲子射的毒液、第五章巖漿，巖漿可能就是貼圖了，畢竟粘性很大，流動感不是很強，巖漿的流動看起來貌似是靜止的，這是典型的層流。
說到這我還想吐槽一下，天命人在沙子上的滑行不符合能量守恒，跳起來之后好像水平方向的速度分量就突然消失了。
朦朦：這會兒可能又會飄過彈幕感嘆帥臣的關注點。其實前面舉了這么多黑悟空中的例子呀，就是想告訴大家游戲中的物理引擎和工程中的物理引擎是同根同源頭，或者說游戲中對現實世界的仿真模擬與工業級的仿真模擬同根同源。其實世界上第一臺通用計算機在1946年出現時，當時的目的就是為了計算火炮的彈道，這個場景和現在的槍戰游戲很接近。
帥臣：而且，不僅游戲物理引擎會對物理規律做簡化，工程上仿真軟件里也一樣會做簡化，比如對N-S方程的簡化，工程中最常用的雷諾平均模型，就是面對大量計算做出的無奈妥協。而游戲物理引擎在這個妥協的基礎上又往前邁了一步而已。
朦朦：但現在隨著計算機性能越來越好，游戲物理引擎其實也在精度上逐漸提高。甚至有些工程場景，希望有快速結果且對精度要求不高的，也會用游戲引擎做模擬。比如汽車碰撞模擬、洪水災害模擬、履帶車駕駛模擬，甚至航天員的訓練。
展開 聚合物的流變性能，你知道嗎？
可使熔體粘度降低二至三個數量級，產生了剪切稀化作用。在高剪切區，當剪切速率很高粘度可降至最小，并且難以維持恒定，大分子鏈段纏結在高剪切下已全部被拉直，表現出牛頓流體的性質。如果剪切速率再提高，出現不穩定流動，這種不穩定流動形成彈性湍流熔體出現波紋，破裂現象是熔體不穩定的重要標志。
當剪切速率達到彈性湍流時，熔體不僅不會繼續變稀，反而會變稠。這是因為熔體發生破裂。
（4）溫度對粘度的影響
粘度依賴于溫度的機理是分子鏈和“自由體積”與溫度之間存在著關聯。當在玻璃化溫度以下時，自由體積保持恒定，體積隨溫度增長而大分子鏈開始振動。當溫度超過玻璃化溫度時，大鏈段開始移動，鏈段之間的自由體積增加，鏈段與鏈段之間作用力減小，粘度下降。不同的聚合物粘度對溫度的敏感性有所不同。
（5）壓力對粘度的影響
聚合物熔體在注塑時，無論是預塑階段，還是注射階段，熔體都要經受內部靜壓力和外部動壓力的聯合作用。保壓補料階段聚合物一般要經受1500~2000kgf/cm2壓力作用，精密成型可高達4000kgf/cm2,在如此高的壓力下，分子鏈段間的自由體積要受到壓縮。
由于分子鏈間自由體積減小，大分子鏈段的靠近使分子間作用力加強即表現粘度提高。
在加工溫度一定時，聚合物熔體的壓縮性比一般液體的壓縮性要大，對粘度影響也較大。由于聚合物的壓縮率不同，所以粘度對壓力的敏感性也不同；壓縮率大的敏感性大。
聚合物也由于壓力提高會使粘度增加，能起到和降低熔體溫度一樣的等效作用。
（6）分子量對粘度的影響
一般情況下粘度隨分子量增加而增加，由于分子量增加使分子鏈段加度，分子鏈重心移動越慢，鏈段間的相對們移抵消機會越多，分子鏈的柔性加大纏結點增多，鏈的解脫和滑移困難。
展開 《ACS Materials Lett.》吉林大學孫俊奇：PVA/PAA超強水基超分子膠粘劑
（d）PVA
5
/PAA
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粘合劑的剪切稀化行為。（e）從注射器中擠出PVA
5
/PAA
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粘合劑以粘合兩塊載玻片的照片。
圖
2.
（a）使用載玻片作為被粘物的搭接剪切試驗的示意圖。用牢固的市售膠水將粘著的玻璃載玻片固定在鐵載玻片上，然后拉動兩塊鐵載玻片以確保最終的破壞發生在測試的粘合劑上。（b）PVA
5
/PAA
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粘合劑，PVA和PAA的搭接剪切強度。（c）用PVA
5
/PAA
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粘合劑膠粘的兩塊分離的載玻片的光學顯微鏡圖像和SEM圖像：（i）沒有粘合膜的載玻片；（ii，iii）具有粘合膜的載玻片。（d）PVA
m
/PAA
n_450k
粘合劑在PVA與PAA的進料單體摩爾比不同時的搭接剪切強度（m
：
n）。（e）提出的用于粘合被粘物的PVA/PAA粘合劑的機理。
圖
3.
（a）PVA
5
/PAA
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粘合劑的搭接剪切強度與老化時間的關系。（b）新制備的PVA
5
/PAA
1_450k
粘合劑和相同的粘合劑老化8天后的儲能模量與頻率的關系。（c）PVA
5
/PAA
1_Mw
粘合劑的搭接剪切強度隨PAA分子量的變化而變化。（d）具有不同分子量的PAA的PVA
5
/PAA
1_Mw
粘合劑的儲能模量與頻率的關系。
圖
4.
（a）具有不同進料單體摩爾比的PVA與PAA（m：n）的PVA
m
/PAA
n_450k-Lap
粘合劑的搭接剪切強度。（b）照片顯示，兩片載有PVA
1
/PAA
1.5_450k-Lap
粘合劑的載玻片可以支撐約15.5 kg的重量。
展開 