JPH03247698A - 電気粘性流体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １０発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電圧の印加によって粘性を増大する電気粘性
流体に関するものである。

［従来の技術］ 電気粘性流体は、非導電性の油の中に微細に分割した誘
電性の固体が分散している懸濁液で、充分に強い電場の
作用の下で極めて速やかに、しかも可逆的に粘度が変化
する流体である。

粘度を変化させるためには直流の電場だけでなく交流の
電場も使用することができ、必要な電流は非常に小さ（
、少ない電力によって液体からほぼ固体状態になるまで
大きな粘度変化を与えるので、例えば、クラッチ、バル
ブ、ショックアブソーバ−、パイブレーク、各種防振ゴ
ム、アクチュエータ、ロボットアーム、制振材などの装
置や部品を制御するための構成要素として、電気粘性流
体は検討されてきた。

従来、電気粘性流体の構成要素の一つである固体粒子と
しては、例えば米国特許第２４１７８５０号、第　３０
４７５０７号、第　３３９７１４７号、第　３９７０５
７３号、第４１２９５１３号公報、或は日本国公告公報
昭６０−３１２１１号、また西独公開特許第３４２７４
９９号などに開示されているように、表面から水を吸収
させ、微細化させたセルローズ、デンプン、シリカゲル
、イオン交換樹脂、ポリアクリル酸リチウム等を、また
他の構成要素である液相成分としては、ハロゲン化ジフ
ェニル、セバシン酸ブチル、炭化水素油、塩素化パラフ
ィン、シリコーン油等を使用したものが知られているが
、実用性に乏しく、実用価値のある極めて高性能且つ安
定度の高い電気粘性流体はいまだ存在しない。

実用的な電気粘性流体に要求される特性としては、広い
温度範囲において大きな電気粘性効果を示し、電場がか
かったときの電力消費が少なく、電場が取り除かれたと
きには小さな粘性を持ち、且つ分散相が沈降せず長期的
に安定した特性を持続することである。

しかしながら、上記のような電気粘性効果の発現を促進
するために水を吸収させた分散相では、粒子間を流れる
電流も同時に増えてしまうため電力消費に大きな問題が
あった。特にこの傾向は高温になるにつれて強まり、従
来の分散相を用いた電気粘性流体の使用温度の上限は７
０〜８０℃くらいで、それ以上の高温で使用すると電流
が過剰に流れてしまい消費電力が非常に高くなると共に
電気粘性効果の発現力や応答性の低下などが時間と共に
起こり、自動車のエンジンルーム等、高温の雰囲気で使
用する装置・部品への応用は不可能であった。

更に、このように水分を吸収させた分散相を含む水系電
気粘性流体ば０℃以下の低温では水分の凝固により電気
粘性効果を発現しな（なる。

こうように電気粘性流体として機能するために分散相が
水分を含有する必要のある水系電気粘性流体は、温度範
囲および水の蒸発に伴う耐久性に本質的な問題を持ち、
それらが長らく電気粘性流体が実用化しない理由となっ
ていた。

そのため１分散相に水分を必要としない実用化可能な非
水系の電気粘性流体の登場が待たれていた。

このような非水系の流体として最近米国特許第４６８７
５８９号、或は日本国公開公報昭６３−９７６９４号、
同昭６４−６（１９３号に開示さｔている本質的に水分
を含有しない液体や分散相を多層構造にした流体も提案
されてきたが、電気粘性効果が小さい、電力消費が大き
い、交流電場でしか機能しないなどの問題点もあり、現
在のところ実用可能で充分な特性を有する電気粘性流体
が開発されているとは言いがたい。

このような非水系の電気粘性流体の発現機構の一つとし
て電場を印加した際、分散相粒子中の電子または正孔の
移動による界面分極が起こり、分散相粒子が引き合い、
粒子のブリッジを形成し粘度を上昇させることが考えら
れる。このことから本発明者らは特許願昭和６３年２１
２６１５号明細書に開示したように、電子または正孔の
移動による界面分極に必要なラジカル（不対電子）濃度
が高く安定な、いわゆる低温処理炭素材料に注目し、非
水系電気粘性流体の分散相として使用することを検討し
た。その結果直流および交流電場の印加により広い温度
範囲で高い電気粘性効果を示すが、電力消費が少なく、
電気粘性効果を長時間維持できる炭素質微粉末を分散相
とする電気粘性流体を開発した。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の炭素質微粉末を分散相とした電気粘性流体は耐熱
耐寒性に優れ、またポリジメチルシロキサンからなるシ
リコーン油を分散媒として用いた場合はゴムへの膨潤性
がすくなく防振ゴムなどへの応用に好適であるが、クラ
ッチ、ショックアブソーバ−への応用には更に高い電気
粘性効果が求められている。一方、炭素質微粉末を分散
相とした電気粘性流体で高い電気粘性効果を得るために
は、炭素質微粉末の導電性を上げねばならず、消費電力
が太き（なってしまう問題があった。

本発明は直流または交流電場の印加により高い電気粘性
効果を示し、且つ低い消費電力しか必要としない非水系
の電気粘性流体の提供を目的とする。

口０発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、検討の結果、炭素質微粉末を電気絶縁油
に分散させた電気粘性流体であって、該炭素質微粉末が
表面を高分子重合体からなる薄膜層で被覆された炭素質
微粒子から構成され、該炭素質微粒子の炭素原子と水素
原子の数の比（Ｃ／Ｈ）の値が２．４〜３．０の範囲を
有するものであることを特徴とする電気粘性流体により
この目的を達成した。

本発明において電気粘性流体の分散相として用いる炭素
質微粉末は、炭素原子と水素原子の数の比（Ｃ／Ｈ）の
値が２．４〜３．０の範囲のものである。Ｃ／Ｈの値が
この範囲にある炭素質微粉末を分散相として用いた電気
粘性流体はそのままでも電気粘性効果を示すが、電圧印
加時に流れる電流値は大きい。

本発明者らはＣ／Ｈの値が２．４〜３．０の範囲にある
炭素質微粉末を構成する炭素質微粒子の表面を高分子重
合体からなる薄膜層で被覆することにより、該薄膜層で
被覆しない場合に比べ電気粘性効果が増大しかつ電圧印
加時の電流が低減できる事を見出した。Ｃ／Ｈ値が２．
４以下の場合は炭素質微粉末の電気抵抗が高すぎるため
、該薄膜層により電流は低減するが同時に電気粘性効果
も低下する。−万Ｃ／Ｈ値が３．０以上の場合は炭素質
微粉末の電気抵抗が低すぎるため、薄膜層で被覆しても
高電圧印加時に絶縁破壊しゃすくなり、また直流では分
散相の電気泳動により、可逆的で大きな電気粘性効果を
示さなくなる。

前記のＣ／Ｈ値を持つ炭素質微粉末の具体例としては、
コールタールピッチ、石油系ピッチ、ポリ塩化ビニルを
熱分解して得られるピッチ又はタール成分を加熱処理し
て得られる各種メンフェーズからなる微粉末、即ち加熱
により形成される光学的異方性小球体（球晶またはメソ
フェーズ小球体）を溶剤でピッチ成分を溶解し分別する
ことによって得られる微粉末、さらにそれを微粉砕した
もの、ピッチ原料を加熱処理によりバルクメソフェーズ
（例えば日本国公開特許昭５９−３０８８８７号参照）
とし、それを微粉砕したもの、また一部品質化したピッ
チを微粉砕したもの、フェノール樹脂などの熱硬化性樹
脂を低温で炭化したものなど、いわゆる低温処理炭素微
粉末及びそれらの熱処理物などが例示される。この中で
もコールタールピッチを熱処理することにより生成する
光学的異方性小球体をピッチ成分から分別することによ
り得られる炭素質微粉末を使用することが特に好ましい
。

さらに詳しく説明すると、コールタールピッチを３５０
〜５００℃で加熱処理した時にコールタールピッチの成
分より球状の光学的異方性小球体（球晶またはメソフェ
ーズ小球体）が成長する。

（Ｊ、　Ｄ、　Ｂｒｏｏｋｓ　ａｎｄ　Ｇ、　Ｈ，Ｔａ
ｙｌｏｒ、　Ｃａｒｂｏｎ　３．１８５）このメソフェ
ーズ小球体の大きさは加熱温度及び加熱時間によって決
定されるが、所望の大きさになった段階で加熱を止め、
キノリンやタール中油などの溶媒で残存のコールタール
ピッチを溶解し濾過することによりこのメソフェーズ小
球体を分別することができる。このメソフェーズ小球体
は液晶類似構造を有し、且つ球状の炭素質微粉末である
。

一方、これらの炭素質微粉末は仮焼温度などを変化する
事によりＣ／Ｈ値が変わり導電性が変化する。すなわち
Ｃ／Ｈ値が上昇すると共に電気粘性効果が高くなり、同
時に消費電流も増加する。

高分子重合体薄膜としては１０９Ω・ｃｍ以上の電気抵
抗を持ち電気絶縁性を示す薄膜を炭素質微粒子表面に粒
子径の１０分の１以下の平均厚さに形成できれば良いが
、薄膜の最適な平均厚さは炭素質微粉末の導電率に左右
される。即ち炭素質微粉末の導電率が高い場合は絶縁性
薄膜は相対的に厚いほうが良好で、逆に該微粉末の導電
率が低い場合には絶縁性薄膜は相対的に薄いことが、高
い電気粘性効果を保ち、電印加時の電流を低くするため
に必要である。

高分子重合体からなる薄膜層は、炭素質微粒子表面を全
体的に被覆していも良いし、部分的に被覆していても良
い。

このような高分子重合体薄膜は、高分子溶液からの粉体
へのコーティング、小径粒子を乾式で混合し粉体の表面
で溶融するハイブリダイゼーション、スプレードライ法
、モノマーからの重合などによって形成され、使用され
る高分子重合体としてはポリメチルメタクリレート、ポ
リスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリフ
ッ化ビニリデン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリ
コーン系ポリマーなどが例示され、高分子重合体の誘電
率は高い方が好ましい。

これらの高分子重合体は物理吸着により炭素質微粒子表
面に固定される場合もあるが、炭素質微粒子表面の表面
官能基またはラジカルと反応し化学結合している方がよ
り強固に固定され、絶縁破壊を起こしにくい。

このようにして作成された、表面に高分子重合体からな
る薄膜層を有する炭素質微粒子から構成され炭素原子と
水素原子の数の比（Ｃ／Ｈ）の値が２．４〜３．０の範
囲を有する炭素質微粉末を電気粘性流体の分散相として
用いることにより、高い電気粘性効果を示すが電気消費
量の少ない電気粘性流体を得ることができる。

電気粘性流体の分散相として好ましい粒径は、０．０１
−１００ミクロン、好ましくは０．１〜２０ミクロン、
さらに好ましくは０，５〜５ミクロンの範囲である。０
．０１ミクロン未満では電場のない状態で初期粘度が著
しく大きくなって電気粘性効果による粘度変化が小さ（
、また１００ミクロンを越えると流体の分散相としての
十分な安定性が得られない。

前記メンフェーズ小球体の粒径はコールタールピッチの
加熱時間及び加熱温度によってコントロールできる他、
ジェットミルなどによる粉砕処理によってさらに微細な
ものが得られる。

液相を構成する電気絶縁油としては８０℃の体積抵抗率
１０１０Ω・ｃｍ以上のものが好ましく、特に１０１２
Ω・ｃｍ以上のものが好ましい。具体的には、炭化水素
油、エステル系油、芳香族系油やシリコーン油などを例
示することができる。これらは単独で用いることができ
、また２種以上を併用することもできる。

電気絶縁油の粘度は２５℃において０．６５〜１０００
センチストークス（ｃＳｔ）、好ましくは５〜２００ｃ
Ｓｔ、さらに好ましくは１０〜５０ｃＳｔの粘度を有す
るものを用いる。液相の粘度が低すぎると揮発分が多く
なり液相の安定性が悪くなる。液相の粘度が高すぎると
電場のないときの初期粘度が高くなり電気粘性効果によ
る粘度変化が小さくなる。適度に低粘度の電気絶縁油を
液相とすることによって分散相を効率良（懸濁させるこ
とができる。

本発明の電気粘性流体を構成する分散相と液相の割合は
、前記炭素質微粉末からなる分散相の含有量が１〜６０
重量％、好ましくは２０〜５０重量％、前記電気絶縁油
からなる液相の含有量が９９〜４０重量％、好ましくは
８０〜５０重量％である。分散相の量が１重量％未瀾で
は電気粘性効果が小さく、６０重量％を越えると電場が
ない時の初期粘度が著しく大きくなる。

本発明の電気粘性流体には、本発明の効果を著しく損な
わない範囲内で、他の分散相や界面活性剤、分散剤、無
機塩等の添加剤を併用または配合することができる。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが
、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］ コールタールピッチを４５０℃で熱処理し、メンフェー
ズ小球体を成長させた後、タール中油で抽出、濾別を繰
り返し、ピッチ成分を除去、５１０℃で窒素気流中で再
度熱処理（仮焼）し、メソフェーズ小球体からなるＣ／
Ｈ値２．４６の炭素質微粉末を得た。この炭素質微粉末
をジェット粉砕機で粉砕後、風力分級し、平均粒径４，
３ミクロンの炭素質微粉末を得た。この炭素質微粉末１
００ｇを末端を変性した分子量５０００〜１００００の
ポリスチレン１重量％シクロヘキサン溶液４００ｍｉ！
、中に入れ、７０℃で２時間撹拌、反応後、残ったポリ
スチレン溶液を分離し、炭素質微粉末を十分乾燥して溶
媒を除去した。

このポリスチレンにより被覆された炭素質微粉末３６重
量％を粘度０．ＩＰ（ボイス）のポリジメチルシロキサ
ン油６４重量％に自動乳鉢で３０分分散し電気粘性流体
を得た。またポリスチレン被覆前の炭素質微粉末につい
ても同様に電気粘性流体を作成した。

【実施例２］ 仮焼温度を４９０℃とした以外は実施例■と同様にして
得たＣ／Ｈ値２．４４、平均粒径３，８ミクロンの炭素
質微粉末にスプレードライ法により水溶性フェノール樹
脂を被覆し、実施例１と同様な手法で電気粘性流体を得
た。また、フェノール樹脂被覆前の炭素質微粉末につい
ても同様に電気粘性流体を作成した。

［比較例１］ 仮焼温度を４５０℃とした以外は実施例１と同様にして
得たＣ／Ｈ値２．２８、平均粒径３．４ミクロンの炭素
質微粉末を実施例１と同様にしてポリスチレンを被覆し
、実施例１と同様な手法で電気粘性流体を得た。またポ
リスチレン被覆前の炭素質微粉末についても同様に電気
粘性流体を作成した。

［比較例２］ 仮焼温度を６００℃とした以外は実施例１と同様にして
得たＣ／Ｈ値３．１、平均粒径４，１ミクロンの炭素質
微粉末を実施例１と同様にしてポリスチレンを被覆し、
実施例１と同様な手法で電気粘性流体を得た。またポリ
スチレン被覆前の炭素質微粉末についても同様に電気粘
性流体を作成した。

実施例１，２及び比較例１，２で得た各電気粘性流体に
ついて電気粘性効果の測定を行った。電気粘性効果は二
重円筒型回転粘度計を用い内外円筒間に直流電圧を印加
したときの剪断速度３６６ｓｅｃ−’の室温におけるみ
かけの粘度を求め、同時に内外円筒間に流れる電流密度
を測定した。第１表に測定結果を示す。

第１表 ［作用］ 第１表に示すように、実施例１．２とも、炭素質微粒子
を高分子重合体で被覆したものは、電圧印加前後の粘度
変化が増大し、電流密度は低減している。

一方、比較例１では被覆により電流密度は低減するが電
圧印加前後の粘度変化も低減している。

また比較例２は被覆により絶縁破壊が起こった。

なお実施例１．２では直流印加で電気泳動はほとんど見
られなかった。

ハ２発明の効果 本発明の電気粘性流体は、直流または交流の印加により
高い電気粘性効果を示すと共に低い消費電力で機能する
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素質微粉末を電気絶縁油に分散させた電気粘性流体
   であって、該炭素質微粉末が表面を高分子重合体からな
   る薄膜層で被覆された炭素質微粒子から構成され、該炭
   素質微粒子の炭素原子と水素原子の数の比（Ｃ／Ｈ）の
   値が２．４〜３．０の範囲を有するものであることを特
   徴とする電気粘性流体。