JPH03252498A - 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】 イ０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、疎水性で非導電性の油の中に微細に分
割した親水性の固体が分散している懸濁液で、十分に強
い電場の作用の下で極めて速やかに、しかも可逆的に流
体の粘度が増加し、プラスチックまたは固体の状態とな
るものである。

粘度を変化させるためには直流の電場だけではなく交流
の電場も使用することができ、必要な電流は非常に小さ
く、少ない電力によって強力な力を与えるので、例えば
、クラッチ、水圧弁、ショックアブソーバ−、バイブレ
ータ−１防振ゴム、或はワークピースを正常な位置に保
持するシステムを制御するための電気−機械のインター
フェイス等における構成要素として使用することができ
る。

従来、電気粘性流体の構成要素の一つである分散相固体
粒子としては、表面から水を吸収させ微細化させたセル
ロース、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
としてはＰＣＢ、セバシン酸ブチル、トランス油、塩化
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か
つ安定性の高い電気粘性流体はいまだに存在しない。

実用的な電気粘性流体に要求される特性としては、大き
な電気粘性効果を示し、電場がかかった時の消費電力が
少なく、かつ電場の印加および除去に瞬時に応答するこ
とである。

しかしながら前記のような電気粘性効果の発現のために
水を吸収させた分散相では水分量の増加にしたがって粒
子閘を流れる電流も同時に増えてしまうため電力消費の
点で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７０〜８０
℃程度で、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（なるとともに電気粘性
効果の発現力や応答性の低下等が時間とともに起こり、
自動車のエンジンルーム等、高温環境下で使用する構成
要素への応用は不可能であった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、高温で高い電気粘性効果を示すが、電力消費
が少ない電気粘性流体の開発を目的としたものである。

口８発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明の電気粘性流体は、導電層と電気絶縁層が多層構
造を形成した平均粒径０．０１〜１００ミクロンの複合
粒子１〜６０重量％の分散相と、室温における粘度０．
６５〜５００センチストークス（ｃＳｔ）の電気絶縁油
４０〜９９重量％の液相とから構成されていることを特
徴とする。

複合粒子において導電層を形成する物質の導電率は１０
−’Ｓ−ｃ＋ｎ−’以上、好ましくは１０−’Ｓｃｍ−
以上が良い。導電率が１０−’Ｓ−ｃｍ−’未満だと電
荷担体の濃度が小さいために大きな電気粘性効果が得ら
れないし、電場印加及び除去の際の応答性が悪くなる。

その候補物質としては、金属材料や、金属酸化物、金属
炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物等の
セラミック材料、炭素材料、導電性高分子等の有機材料
の中で前記導電率の範囲に入るものであればあらゆる物
質を挙げることができる。また、導電層を形成する物質
は電子伝導体でもイオン伝導体でも何れでも良いが、導
電率の温度依存性が小さい点で電子伝導体が好ましい。

さらに導電層は連続層であっても不連続層であっても良
いが、消費電力が小さくなる点で不連続層が好ましい。

複合粒子において電気絶縁層を形成する物質の導電率は
１０−”ＳＣｍ−’以下、好ましくは１０−”Ｓ−ｃ■
−１以下が良い＊　ｌ　Ｏ−”５−ｃｏ＋−’を越える
と消費電力が大きくなり、電気粘性流体の分散相として
は不利である。

その候補物質としては、金属酸化物、金属窒化物、ガラ
ス、等のセラミック材料や、ポリマー等の有機材料、シ
リコーン樹脂等の無機高分子材料の中で前記導電率の範
囲に入るものであればあらゆる物質を挙げることができ
る。

導電層と電気絶縁層の多層構造は、平面層でも同心内層
でも良いが、好ましくは平面層が良い。

また、層の配列は導電層と電気絶縁層が交互あるいは規
則性をもって配列してても良いし、ランダム配列でも良
い、さらに、全暦数は５層以上であり、最外層は電気絶
縁層であることが好ましい。

導電層と電気絶縁層の多層構造を形成する手段としては
、１）あらかじめ層状構造を有している材料を活用する
方法と、２）化学的、物理的手法により積層させる方法
がある。１）の場合は、電気絶縁性層状構造物質の層間
に残炭率の大きな有機化合物を挿入させた後炭化して導
電層を形成したり、直接導電性化合物を挿入させること
ができるし、さらにグラフファイト等の導電性層状構造
物質の層間に電気絶縁層を形成させたりすることもでき
る。また２）の場合には、ＣＶＤ、塗布、スピンコード
、蒸着、スパッタリング、溶射、等の薄膜形成法を利用
することができる。

経済的かつミクロな多層構造を形成できる点では１）の
方法が好ましく、さらにその中でも実用性の点で層状粘
度鉱物等の電気絶縁性層状構造物質の層間に残炭率の大
きな有機化合物を挿入させた後炭化して導電層を形成す
る方法がより好ましい。以下に１）の手法について述べ
るが、これらは本発明の主旨をなんら限定するものでは
ない。

１）の方法で電気絶縁層に層状粘土鉱物を用いる場合、
その層状粘土鉱物としては、カオリナイト、デイツカイ
ト、ナクライト、ハワイサイト、アンチボライト、クリ
ソタイル、パイロフィライト、スフメタイト（スフメタ
イトは同型置換により、さらにモンモリロナイト、バイ
デライト、ノントロナイト、サボナイト、ヘクトライト
、そしてソーゴナイトに分類され、さらに、モンモリロ
ナイトは交換性陽イオンの種類によりベントナイト、酸
性白土に分類される。）、白雲母、マーガライト、タル
ク、バーミキュライト、金雲母、ザンソフィライト、モ
して緑泥石等の層状アルミノケイ酸塩や、Ｑ　−Ｎａｚ
Ｓｉ２０ｇ、β−ＮａｉＳｉｇＯｓ、ＫＨＳｉＪｓ　、
ＮａＨ５ｉｚＯ＠’３Ｈ２０、ＮａｚＳｉ４（１＋’５
ＨｚＯ１ＮａｚＳｉａＯ＋　ｔ　・ｘＨｚＯ１ＮａｚＳ
ｉｚ０２ｓ’ＸＨＪ　％　ＮａｔＳｉａｏ０４＋・ｘＨ
２Ｏ、ＨｌｌＳｉＪｇ　、ＨｉＳｉ４０ｓ−ｘＨｔＯ１
Ｈ＊５１ｓＯ＋ｖ・ｘＨｉＯ、ＨｔＳｉ＋４０＊ｅ’Ｘ
ＨｔＯ，そしてＨｘＳｌｉａ０４＋　’ＸＨｘＯ等の層
状ポリケイ酸塩、他種々が挙げられる。

層状構造物質の眉間に挿入する残炭率の大きな有機化合
物としては、極限酸素指数（ＬＯＩ）が１８以上の有機
化合物であれば熱可塑性ポリマーでも熱硬化性ポリマー
でも良く、また処理方法を選択すればＬＯＩが１８以上
のポリマーを生成するモノマーもしくはオリゴマーでも
用いることができる。

ここで、ＬＯＩについて簡単に述べる。有機化合物の中
には不活性ガス下の高温度で熱処理すると、炭化物を生
成する化合物がある。炭化物を生成する有機化合物の熱
処理を不活性ガス中で行うと一般に５００℃まで重量減
少が大きく、６００℃以降は徐々に重量減少は小さくな
ってゆく。８００℃以上においても極僅かの重量減少が
認められるが、６００℃までの変化に比べると小さい。

故に、不活性ガス下８５０℃の熱処理における炭化物の
生成する割合な残炭率と定義する。この残炭率は有機化
合物の燃焼性とも関係付けられ、難撚性の試験法である
極限酸素指数法（ＬＯＩ法）との関係が次のように求め
られている。（ポリマーの難燃化、西沢仁著、大成社刊
） ＬＯＩ＝１７．５＋〇、４ｘＣＲ 上式において、ＬＯＩとは酸素ガスと窒素ガスの混合ガ
スにおける酸素濃度であり、ＣＲは残炭率を重量％で表
した値である。即ち、ＬＯＩが１７．５以上の化合物で
あれば、不活性ガス下で熱処理したときに炭化物を生成
することが知られている。

不活性ガス下の熱処理により炭化物を生成する有機化合
物の例を挙げればセルロース等の天然高分子、ポリウレ
タン、メタクリル樹脂、ポリスチレン、ナイロン、ポリ
プロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、
フッ素樹脂、ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール
樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、フラン樹脂、等の合
成高分子、あるいはタール、ピッチ等の芳香族多環式化
合物を挙げることができる。また、処理方法を選択すれ
ばこれらの高分子を生成する千ツマ−オリゴマーも用い
ることができる。

層状粘土鉱物等の電気絶縁性層状構造物質の眉間に残炭
率の大きな有機化合物を挿入させる手段としては、電気
絶縁性層状構造物質を該有機化合物の溶液に浸漬するか
、残炭率の大きな有機化合物を生成するモノマー又はオ
リゴマーに浸漬したのち該千ツマ−又はオリゴマーを重
合させるなどの方法がある。

更に、これらの有機化合物を層状粘土鉱物の眉間に挿入
することが困難な場合は、シクロデキストリン等に包接
した形で挿入することもできる。

残炭率を大きくする目的で、眉間には該有機化合物とと
もに第四級アンモニウム塩が共存していても良い。第四
級アンモニウム塩としてはアルキル−トリメチルアンモ
ニウムクロライド、アルキル−トリメチルアンモニウム
ブロマイド、アルキル−ジメチル−エチルアンモニウム
クロライド、アルキル−ジメチル−エチルアンモニウム
ブロマイド、メチル−ドデシル−ベンジルトリメチルア
ンモニウムクロライド等のアルキル第四級アンモニウム
塩（アルキル基の炭素数１０〜１８が好ましい）や、ト
リメチル−ドデシル−チオメチルアンモニウムクロライ
ド、ジメチルーオキシェチルードデシルーチオメチルア
ンモニウムクロライドメチル−ジエチル−オクチル−チ
オエチルアンモニウムアイオダイド、トリメチル−デシ
ル−メチル−アミノエチルアンモニウムブロマイド、ド
デシル−メチル−アミノエチル−トリメチルアンモニウ
ムアイオダイド等の炭素以外の元素を有するアルキル第
四級アンモニウム塩を用いても良いし、またアルキル−
ジメチル−ベンジルアンモニウムクロライド、アルキル
−ジメチル−３・４−ジクロロベンジルアンモニウムク
ロライド、ジメチル−フェニル−ベンジルアンモニウム
クロライド、ミリスト−アミド−プロピル−ジメチル−
ベンジルアンモニウムクロライド、ジイソブチル−フェ
ノキシ−エトキシエチル−ジメチル−ベンジルアンモニ
ウムクロライド、ジイソブチル−フレジキシ−エトキシ
−エチル−ジメチル−ベンジルアンモニウムクロライド
等のアルキル・ベンジル第四級アンモニウム塩（アルキ
ル基の炭素数１０〜１８が好ましい）や、更には１−ヘ
キサデシル−ピリジニウムクロライド、ラウリル−コラ
ミノ−ホルミル−メチル−ピリジニウムクロライド、２
−ドデシル−インキノリニウムブロマイド、２−トリデ
シル−１−（２−ヒドロキシエチル）ベンジル−イミダ
ゾリニウムクロライド、ジメチル−ツボクラリンクロラ
イド等の窒素環を有する第四級アンモニウムなどがある
が、それらに限られたものではない。

このようにして得られた多層構造複合粒子は水分によら
ない粒子自身の分極作用によって電気粘性効果を示すた
め、該複合粒子を分散相とすることによって高温で消費
電力が少なく、且つ電気粘性効果を長時間維持できる電
気粘性流体を得ることができる。

電気粘性液体の分散相として適当な該多層構造複合粒子
の平均粒径は０．０１〜１００ミクロン好ましくは０．
３〜５ミクロンの範囲で、ｏ、。

１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く、ま
た１００ミクロンを越えると電気粘性流体の分散相とし
ての十分な安定性が得られない。

液相を構成する電気絶縁油としては、炭化水素油、エス
テル油、芳香族系油、シリコーン油やホスファゼン油な
どを例示することが出来る。これらは単独で用いること
ができ、また二種以上を併用することもできる。これら
の電気絶縁油のなかでもポリジメチルシロキサンやポリ
メチルフェニルシロキサンなどのシリコーン油は、ゴム
状の弾性を有する材料と直接接触する状態でも使用でき
るという点で優れているし、またホスファゼン油は比重
が比較的大きいため沈降防止性の点で優れている。

電気絶縁油の粘度は２５℃において０．６５〜５００セ
ンチストークス（Ｃ５ｔ）であり、好ましくは１０〜５
０ｃＳｔ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電気粘性効果による粘度変化
が小さ（なる。また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く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
、前記多層構造複合粒子から成る分散相の含有量が１〜
６０重量％、好ましくは２０〜５０重量％であり、前記
電気絶縁油からなる液相の含有量が４０〜９９重量％、
好ましくは５０〜８０重量％である。分散相の量が１重
量％未満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太き（なる。

また、本発明の電気粘性流体は本発明の効果を損なわな
い範囲で他の分散相や界面活性剤、分散剤、無機塩等の
添加剤を配合することもできる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

［実施例１］ 平均粒径２．５ミクロンのモンモリロナイト系の層状粘
土鉱物粉末（水溜化学工業■製５ｉｌｔｏｎＬＰ−１）
　１００　ｇをベンジルジメチルテトラデシルアンモニ
ウムクロライド（東京化成工業■製）の０．０５ｍ、ｏ
ｌ／ｌ水溶液に加え２４時間放置した後、濾過、洗浄、
乾燥して第四級アンモニウム塩眉間化合物粉末を得た。

さらにこの粉末８０ｇをアクリロニトリル（関東化学工
業■製）５００ｍｌに浸漬し室温で３０時間放置するこ
とによって眉間にアクリロニトリルを挿入させた。その
後５０℃で３０時間加熱処理することによって層状粘土
鉱物層間のアクリロニトリルを重合させポリアクリロニ
トリルとした。そしてこれを濾過、洗浄、乾燥して第四
級アンモニウム塩・ポリアクリロニトリル層間化合物粉
末を得た。この粉末を窒素ガス雰囲気中６００℃で３時
間（昇温速度５℃／分）炭化処理することによって炭素
／層状粘土鉱物多層構造複合粉末を得た。この粉末は層
状粘土鉱物の眉間に炭素が挿入された多層構造を有する
ものであることは、Ｘ線回折測定により確認された。こ
の粉末２５重量％を、液相成分である２５℃における粘
度１０ｃＳｔのシリコーン油（東芝シリコーン■製ＴＳ
Ｆ−４５１−１０）７５重量％に良く分散し、懸濁液と
して電気粘性流体を得た。

［実施例２］ 実施例１と同様にして第四級アンモニウム塩・ポリアク
リロニトリル層間化合物粉末を得た。この粉末を空気中
２２０℃で３０時間加熱処理した後窒素ガス雰囲気中６
００℃で３時間（昇温速度５℃／分）炭化処理すること
によって炭素／層状粘度鉱物多層構造複合粉末を得た。

この粉末２５重量％を、液相成分である２５℃における
粘度１０ｃＳｔのシリコーン油（東芝シリコーン■製Ｔ
ＳＦ−４５１−１０）７５重量％に良く分散し、懸濁液
として電気粘性流体を得た。

実施例１．２で得られた各電気粘性液体について電気粘
性効果の測定を行った。電気粘性効果は二重円筒型回転
粘度計を使用して、内外円筒間に０〜２　ｋ　Ｖ　／　
ｍ　ｍの直流電圧を印加した時の剪断速度３６６　ｓ　
ｅ　ｃ−’、温度２５℃および１００℃の剪断力で評価
し、同時に内外円筒間に流れる電流を測定した。

第１表に電圧をかけない場合の剪断力Ｔｏ、電圧２ｋＶ
／ｍｍを印加した時の剪断力Ｔ、その差Ｔ−Ｔｏ、およ
び電圧２ｋＶ／ｍｍを印加した時の電流密度を示す。

第１表 第１表に示されるように実施例１．２で得られた炭素／
層状粘土鉱物積層構造複合粉末を分散相とする各電気粘
性液体は高温（１４０℃）でも安定した電気粘性効果を
示し、消費電力も小さい。

２５℃の値と比較しても、電気粘性効果（Ｔ−ＴＯ）は
大きく、消費電力（電流密度は僅かに上昇しているだけ
である。

［発明の効果］ 高温で大きな電気粘性効果を示し、かつ電力消費が小さ
い電気粘性液体が得られる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　導電層と電気絶縁層が多層構造を形成した平均粒径０
   ．０１〜１００ミクロンの複合粒子１〜６０重量％の分
   散相と、室温における粘度０．６５〜５００センチスト
   ークス（ｃＳｔ）の電気絶縁油４０〜９９重量％の液相
   とから構成されていることを特徴とする電気粘性流体。