Progress and Challenges in Shear Banding of Polymer Fluids

doi:10.7503/cjcu20250354

Abstract

Abstract:

Shear banding in polymer fluids represents a paradigmatic example of strain localization under strong nonlinear shear flow， with its physical origin and regulatory mechanisms standing as central scientific questions in polymer rheology. Large-scale molecular dynamics simulations have firmly established shear banding as an intrinsic bulk phenomenon under specific shear conditions， often accompanied by a stress plateau in the steady-state shear stress-shear rate curve. Emerging studies reveal that the spatial localization of shear bands is determined by the initial structural heterogeneity of the entanglement network， where pre-existing "weak spots" in the equilibrium state， such as regions with sparse multiple entanglements， act as nucleation sites for shear stain concentration. Investigations on bidisperse systems further demonstrate that chain-length-dependent migration and selective enrichment drive a "fast-band softening-slow-band hardening" coupling mechanism， which is critical for the long-term stability of shear bands. This review synthesizes recent advances in understanding shear banding， focusing on its intrinsic nature， formation mechanisms， dynamic evolution， and stability， and summarizes the key controversies， challenges， and future research directions in shear band studies. It emphasizes that achieving effective prediction and regulation of shear bands， through the development of high spatiotemporal resolution in-situ characterization techniques and the advancement of multi-scale simulations and theories， will provide critical theoretical support for guiding the precision forming of polymeric materials. This includes controlling rheological uniformity in processes such as injection molding and extrusion， as well as enabling the controlled fabrication of advanced products like ultra-thin films and ultra-fine fibers， thereby significantly enhancing processing efficiency and product performance.

Key words: Shear banding, Nonlinear rheology, Entanglement, Strain localization, Molecular dynamics

CLC Number:

O631

TrendMD:

LU Yuyuan, AN Lijia. Progress and Challenges in Shear Banding of Polymer Fluids[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250354.

Figures/Tables 9

References 102

[1]	Rubinstein M.， Colby R. H.， Polymer Physics， Oxford University Press， New York， 2003
[2]	Dealy J. M.， Larson R. G.， Structure and Rheology of Molten Polymers： from Structure to flow Behavior and Back Again， Hanser Publishers， Munich， 2006
[3]	Wang S. Q.， Nonlinear Polymer Rheology： Macroscopic Phenomenology and Molecular Foundation， John Wiley & Sons， Hoboken， 2018
[4]	Malkin A. Y.， Rheology Fundamental， ChemTec Publishing， Toronto， 1994
[5]	Macosko C. W.， Rheology： Principles， Measurements and Applications， Wiley⁃VCH， New York， 1994
[6]	Morrison F. A.， Understanding Rheology， Oxford University Press， New York， 2001
[7]	Doi M.， Edwards S. F.， The Theory of Polymer Dynamics， Oxford University Press， New York， 1986
[8]	Lu Y.， An L.， Wang J.， Acta Polym. Sin.， 2016， 47， 688—697
[9]	Ruan Y.， Wang Z.， Lu Y.， An L.， Acta Polym. Sin.， 2017， 5， 727—743
[10]	Ruan Y.， Lu Y.， An L.， Acta Polym. Sin.， 2018， 12， 1493—1506
[11]	Ma L. C.， Mechanistic Investigation of Nonlinear Rheological Behavior in Entangled Polymer Fluids During Start⁃up Shear via Molecular Dynamics Simulation， University of Science and Technology of China， Hefei， 2025
	马立成. 启动剪切下缠结高分子流体非线性流变行为的分子动力学模拟与分子机理研究，合肥：中国科学技术大学， 2025
[12]	Tapadia P.， Wang S. Q.， Phys. Rev. Lett.， 2006， 96， 016001
[13]	Wang S. Q.， Ravindranath S.， Boukany P.， Olechnowicz M.， Quirk R. P.， Halasa A.， Mays J.， Phys. Rev. Lett.， 2006， 97， 187801
[14]	de Gennes P. G.， European Phys. J. E， 2007， 23， 3
[15]	Hatzikiriakos S. G.， Prog. Polym. Sci.， 2012， 37， 624—643
[16]	Olmsted P. D.， Rheologica Acta， 2008， 47， 283—300
[17]	Wang S. Q.， Ravindranath S.， Boukany P. E.， Macromolecules， 2011， 44， 183—190
[18]	Ravindranath S.， Wang S. Q.， J. Rheology， 2008， 52， 957—980
[19]	Divoux T.， Fardin M. A.， Manneville S.， Lerouge S.， Shear Banding of Complex Fluids， in Annual Review of Fluid Mechanics， Davis S. H.， Moin P.， Eds.， Annual Reviews， Palo Alto， 2016， 48， 81—103
[20]	Fielding S. M.， Soft Matter， 2007， 3， 1262—1279
[21]	Wang S. Q.， Macromol. Chem. Phys.， 2019， 220， 1800327
[22]	Doi M.， Edwards S. F.， J. Chem. Soc.， Faraday Transactions 2： Mole. Chem. Phys.， 1978， 74， 1789—1801
[23]	Doi M.， Edwards S. F.， J. Chem. Soc.， Faraday Transactions 2： Mole. Chem. Phys.， 1978， 74， 1802—1817
[24]	Doi M.， Edwards S. F.， J. Chem. Soc.， Faraday Transactions 2： Mole. Chem. Phys.， 1978， 74， 1818—1832
[25]	Doi M.， Edwards S. F.， J. Chem. Soc.， Faraday Transactions 2： Mole. Chem. Phys.， 1979， 75， 38—54
[26]	Wang S. Q.， Macromol. Mater. Eng.， 2007， 292， 15—22
[27]	Burroughs M. C.， Zhang Y.， Shetty A. M.， Bates C. M.， Leal L. G.， Helgeson M. E.， Phys. Rev. Lett.， 2021， 126， 207801
[28]	Wang Z.， Lam C. N.， Chen W. R.， Wang W.， Liu J.， Liu Y.， Porcar L.， Stanley C. B.， Zhao Z.， Hong K.， Wang Y.， Phys. Rev. X， 2017， 7， 031003
[29]	Cao J.， Likhtman A. E.， Phys. Rev. Lett.， 2012， 108， 028302
[30]	Ruan Y.， Lu Y.， An L.， Wang Z. G.， ACS Macro Lett.， 2021， 10， 1517—1523
[31]	Fielding S. M.， Olmsted P. D.， Phys. Rev. E， 2003， 68， 036313
[32]	Fielding S. M.， Phys. Rev. Lett.， 2005， 95， 134501
[33]	Adams J. M.， Olmsted P. D.， Phys. Rev. Lett.， 2009， 102， 067801
[34]	Adams J. M.， Fielding S. M.， Olmsted P. D.， J. Rheol.， 2011， 55， 1007—1032
[35]	Cromer M.， Villet M. C.， Fredrickson G. H.， Leal L. G.， Phys. Fluids， 2013， 25， 051703
[36]	Cromer M.， Fredrickson G. H.， Leal L. G.， Phys. Fluids， 2014， 26， 063101
[37]	Peterson J. D.， Cromer M.， Fredrickson G. H.， Leal L. G.， J. Rheol.， 2016， 60， 927—951
[38]	Li Y.， Hu M.， McKenna G. B.， Dimitriou C. J.， McKinley G. H.， Mick R. M.， Venerus D. C.， Archer L. A.， J. Rheol.， 2013， 57， 1411—1428
[39]	Li Y.， Hu M.， McKenna G. B.， Dimitriou C. J.， McKinley G. H.， Mick R. M.， Venerus D. C.， Archer L. A.， J. Rheol.， 2014， 58， 1071—1082
[40]	Ma L. C.， Ruan Y. J.， Wang Z. H.， Lu Y. Y.， An L. J.， Chinese J. Polym. Sci.， 2024， 42， 1811—1823
[41]	Ma L. C.， Ruan Y. J.， Lu Y. Y.， An L. J.， Chinese J. Polym. Sci.， 2025， 43， 2150—2159
[42]	Marrucci G.， Grizzuti N.， J. Rheol.， 1983， 27， 433—450
[43]	Mead D. W.， Larson R. G.， Doi M.， Macromolecules， 1998， 31， 7895—7914
[44]	Likhtman A. E.， McLeish T. C. B.， Macromolecules， 2002， 35， 6332—6343
[45]	Graham R. S.， Likhtman A. E.， McLeish T. C. B.， Milner S. T.， J. Rheol.， 2003， 47， 1171—1200
[46]	Likhtman A. E.， Graham R. S.， J. Non⁃Newton. Fluid Mech.， 2003， 114， 1—12
[47]	Xie S. J.， Schweizer K. S.， Macromolecules， 2018， 51， 4185—4200
[48]	Schweizer K. S.， Xie S. J.， ACS Macro Lett.， 2018， 7， 218—222
[49]	de Gennes P. G.， J. Chem. Phys.， 1971， 55， 572—579
[50]	Osaki K.， Inoue T.， Isomura T.， J. Polym. Sci. Part B： Polym. Phys.， 2000， 38， 1917—1925
[51]	Osaki K.， Inoue T.， Uematsu T.， J. Polym. Sci. Part B： Polym. Phys.， 2000， 38， 3271—3276
[52]	Pearson D. S.， Kiss A. D.， Fetters L. J.， Doi M.， J. Rheol.， 1989， 33， 517—535
[53]	McLeish T. C. B.， Ball R. C.， J. Polym. Sci. Part B： Polym. Phys.， 1986， 24， 1735—1745
[54]	McLeish T. C. B.， J. Polym. Sci. Part B： Polym. Phys.， 1987， 25， 2253—2264
[55]	Ianniruberto G.， Marrucci G.， Masubuchi Y.， Macromolecules， 2020， 53， 5023—5033
[56]	Doi M.， J. Polym. Sci.： Polym. Phys. Ed.， 1983， 21， 667—684
[57]	Viovy J. L.， Rubinstein M.， Colby R. H.， Macromolecules， 1991， 24， 3587—3596
[58]	Marrucci G.， J. Non⁃Newton. Fluid Mech.， 1996， 62， 279—289
[59]	Spenley N. A.， Cates M. E.， McLeish T. C. B.， Phys. Rev. Lett.， 1993， 71， 939—942
[60]	Britton M. M.， Callaghan P. T.， Phys. Rev. Lett.， 1997， 78， 4930—4933
[61]	Callaghan P. T.， Gil A. M.， Macromolecules， 2000， 33， 4116—4124
[62]	Boukany P. E.， Wang S. Q.， Soft Matter， 2009， 5， 780—789
[63]	Wang S. Q.， Ravindranath S.， Wang Y.， Boukany P.， J. Chem. Phys.， 2007， 127， 064903
[64]	Hemingway E. J.， Fielding S. M.， Phys. Rev. Lett.， 2018， 120， 138002
[65]	Hu Y. T.， Wilen L.， Philips A.， Lips A.， J. Rheol.， 2007， 51， 275—295
[66]	Hu Y. T.， J. Rheol.， 2010， 54， 1307—1323
[67]	Hayes K. A.， Buckley M. R.， Cohen I.， Archer L. A.， Phys. Rev. Lett.， 2008， 101， 218301
[68]	Wang S. Q.， Wang Y.， Cheng S.， Li X.， Zhu X.， Sun H.， Macromolecules， 2013， 46， 3147—3159
[69]	Fielding S. M.， J. Rheol.， 2016， 60， 821—834
[70]	Ruan Y.， Lu Y.， An L.， Wang Z. G.， Macromolecules， 2024， 57， 2792—2800
[71]	Schieber J. D.， Neergaard J.， Gupta S.， J. Rheol.， 2003， 47， 213—233
[72]	Schieber J. D.， J. Chem. Phys.， 2003， 118， 5162—5166
[73]	Schieber J. D.， Andreev M.， Annu. Rev. Chem. Biomol. Engineer.， 2014， 5， 367—381
[74]	Steenbakkers R. J. A.， Tzoumanekas C.， Li Y.， Liu W. K.， Kröger M.， Schieber J. D.， New J. Phys.， 2014， 16， 015027
[75]	Likhtman A. E.， Macromolecules， 2005， 38， 6128—6139
[76]	Masubuchi Y.， Takimoto J. I.， Koyama K.， Ianniruberto G.， Marrucci G.， Greco F.， J. Chem. Phys.， 2001， 115， 4387—4394
[77]	Chappa V. C.， Morse D. C.， Zippelius A.， Müller M.， Phys. Rev. Lett.， 2012， 109， 148302
[78]	Uneyama T.， Masubuchi Y.， J. Chem. Phys.， 2012， 137， 154902
[79]	Kremer K.， Grest G. S.， J. Chem. Phys.， 1990， 92， 5057—5086
[80]	Lee W. B.， Kremer K.， Macromolecules， 2009， 42， 6270—6276
[81]	Ramírez J.， Sukumaran S. K.， Vorselaars B.， Likhtman A. E.， J. Chem. Phys.， 2010， 133， 154103
[82]	Kröger M.， Hess S.， Phys. Rev. Lett.， 2000， 85， 1128—1131
[83]	Xu X.， Chen J.， An L.， J. Chem. Phys.， 2014， 140， 174902
[84]	Cao J.， Likhtman A. E.， ACS Macro Lett.， 2015， 4， 1376—1381
[85]	Everaers R.， Sukumaran S. K.， Grest G. S.， Svaneborg C.， Sivasubramanian A.， Kremer K.， Science， 2004， 303， 823—826
[86]	Sukumaran S. K.， Grest G. S.， Kremer K.， Everaers R.， J. Polymer Science Part B： Polym. Phys.， 2005， 43， 917—933
[87]	Hsu H. P.， Kremer K.， ACS Macro Lett.， 2018， 7， 107—111
[88]	Hsu H. P.， Kremer K.， Macromolecules， 2019， 52， 6756—6772
[89]	Kröger M.， Comput. Phys. Commun.， 2005， 168， 209—232
[90]	Shanbhag S.， Kröger M.， Macromolecules， 2007， 40， 2897—2903
[91]	Kröger M.， Dietz J. D.， Hoy R. S.， Luap C.， Comput. Phys. Commun.， 2023， 283， 108567
[92]	Tzoumanekas C.， Theodorou D. N.， Macromolecules， 2006， 39， 4592—4604
[93]	Anogiannakis S. D.， Tzoumanekas C.， Theodorou D. N.， Macromolecules， 2012， 45， 9475—9492
[94]	Sliozberg Y. R.， Yeh I. C.， Kröger M.， Masser K. A.， Lenhart J. L.， Andzelm J. W.， Macromolecules， 2018， 51， 9635—9648
[95]	Ben⁃Naim E.， Grest G. S.， Witten T. A.， Baljon A. R. C.， Phys. Rev. E， 1996， 53， 1816—1822
[96]	Likhtman A. E.， Ponmurugan M.， Macromolecules， 2014， 47， 1470—1481
[97]	Cao J.， Qin J.， Milner S. T.， Macromolecules， 2015， 48， 99—110
[98]	Baig C.， Mavrantzas V. G.， Kröger M.， Macromolecules， 2010， 43， 6886—6902
[99]	Hass J.， Heil C.， Weir M.， Thomas’ Calculus， 14th Ed.， Pearson， Boston， 2017
[100]	Shin S.， Kou Y.， Dorfman K. D.， Cheng X.， Macromolecules， 2021， 54， 4186—4197
[101]	Olmsted P. D.， Radulescu O.， Lu C. Y. D.， J. Rheol.， 2000， 44， 257—275
[102]	Foteinopoulou K.， Karayiannis N. C.， Mavrantzas V. G.， Kröger M.， Macromolecules， 2006， 39， 4207—4216