JPH06234512A - 電気粘性流体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電圧無印加時の粘度（初期粘度）を低下させた
電気粘性流体の提供。 【構成】電気絶縁性に優れた油状媒体に誘電体微粒子を
分散せしめることにより得られる電気粘性流体において
分散質として使用される粒子の比表面積が４０m²/g以下
であることを特徴とする電気粘性流体。上記粒子の平均
粒径が０．５〜４０μｍ、２０μｍを超える粒子の割合
が１重量％以下、粒径１．６μｍ未満の粒子の割合が３
０重量％以下であるのが好ましい。炭素質粉末のＣ／Ｈ
（原子数比）は２．００〜３．５０とするのがよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】電気粘性流体とは流体に電場を印
加することにより、流体の見掛け粘度が迅速かつ可逆的
に変化する現象を呈する流体であり、一般には電気絶縁
性の優れた油状媒体に誘電体である微粒子を分散させる
ことにより構成されている。この電気粘性流体の特徴は
古くから知られ、クラッチ、バルブ、衝撃吸収体等の低
い電気的出力により強力な力が必要な装置への応用が検
討されてきた。本発明はかかる電気粘性流体、特に優れ
た電気粘性効果を実現可能な誘電性を有する新規な微粒
子を用いた電気粘性流体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまでに検討された電気粘性流体とし
ては、例えば米国特許第２８８６１５１号、第３０４７
５０７号あるいは特開昭５３−１７５８５号、同５３−
９３１８６号、同６１−４４９９８号、同６１−２５９
７５２号、同６２−９５３９７号、特開平１−２０７３
９６号等に開示されており、それらはスピンドル油、ト
ランス油、塩化パラフィン等の電気絶縁性の高い油状媒
体中にシリカゲル、デンプン、セルロース等の吸水性固
体微粒子を分散させたものであり、これらは、微粒子本
体に吸着された水分子の分極によって上記の効果を発現
するものである。

【０００３】しかしながらこれらの粉末体を用いた電気
粘性流体では、吸着水によって粒子の電導度が高くなっ
てしまい、電場を印加した際に電流が流れすぎてエネル
ギー効率が低いこと、長期使用時には固体微粒子からの
水の脱離による性能の経時変化が起きること、温度変化
に極めて不安定であること等、実用上の問題点が少なく
ない。

【０００４】実用可能な電気粘性流体に必要とされる要
件には、（１）電圧印加時と無印加時の流体の粘度変化
が大きいこと、すなわち、流体の粘度が電圧印加時に高
く、無印加時に低いこと、（２）電圧印加時に流体に流
れる電流値が低いこと、（３）流体中での固体微粒子の
分散性がよく、沈降しにくいこと、（４）使用可能な温
度範囲が広いこと、（５）経時的な特性劣化が少ないこ
と、（６）電圧印加時における粘度変化の応答性がよい
こと等がある。

【０００５】こうした観点から鋭意検討した結果、本発
明者らは特開平３−２７９２０６号明細書において優れ
た性能を発揮できる電気粘性流体用固体粒子を提案し
た。すなわち、上記明細書で提案した炭素質粉末を使用
することにより、上記した要件を満足できる電気粘性流
体が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
明細書で提案した炭素質粉末よりも改良された炭素質粉
末を用いることにより、絶縁性の油状媒体に炭素質粉末
を分散して電気粘性流体を調製したときに電圧無印加時
の粘度（初期粘度）がさらに低減した電気粘性流体を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、当該炭素
質粉末に関して検討を進めた結果、電圧無印加時の粘度
（初期粘度）を低くするために必要な要件を見出し、本
発明に到った。すなわち、本発明は、電気絶縁性に優れ
た油状媒体に誘電体微粒子を分散せしめることにより得
られる電気粘性流体において分散質として使用される炭
素質粉末の比表面積が４０m²/g以下であることを特徴と
する電気粘性流体を提供するものである。前記炭素質粉
末としては平均粒径が０．５〜４０μｍの範囲内で、２
０μｍを超える粒子の割合が１重量％以下、粒径１．６
μｍ未満の粒子の割合が３０重量％以下であることが好
ましい。前記炭素質粉末としては、石炭、石炭系ター
ル、ピッチ、石炭液化物、コークス類、石油、石油系タ
ール、ピッチ、縮合芳香環化合物を重合して得られるピ
ッチ、および樹脂類よりなる群より選ばれる有機化合物
を熱処理することで得られる炭素質粉末が好ましい。前
記炭素質粉末としては、炭素質粉末の元素分析による炭
素原子と水素原子の数の比である炭化度（Ｃ／Ｈ）が、
２．００〜３．５０であるのが好ましい。

【０００８】

【作用】以下に本発明をさらに詳細に説明する。一般に
電気粘性流体に要求される特性としては、外部電界下で
より大きな粘性変化を示すこと、エネルギー効率の関係
から流れる電流が可能な限り少ないこと、分散質粒子が
油状媒体中で沈降しないこと、更に長期的な使用や温度
に対して安定であること、電界の印加に対する応答性に
優れること等があげられる。また、電圧無印加時の流体
の粘度（初期粘度）が低いことも重要な要件である。す
なわち、初期粘度が低い流体を達成する炭素質粉末は、
所定の初期粘度が要求される流体において、初期粘度が
高い流体の炭素質粉末に比し、炭素質粉末の配合量を高
めることができ、その結果高い電気粘性変化が実現でき
る。

【０００９】こうした電気粘性流体に要求される特性を
満足するに必要な炭素質粉末の特性について詳細に検討
した結果、分散質の微粒子として使用する炭素質粉末の
比表面積と初期粘度との間に相関があり、比表面積が増
加するにつれて初期粘度が上昇することを見出した。

【００１０】高比表面積をもった粒子を使用する場合に
かかる粒子を使用した流体の初期粘度を低下させるに
は、分散質として使用する炭素質粉末の含有率を下げる
か、粉末の粒径を増加させることが必要である。しかし
ながら、含有率を低下させた場合には電圧印加時の粘度
変化が低下し、特性そのものが低下する、粒径を増加し
た場合には流体中での粒子の沈降が早くなってしまい、
長期的な使用が不可能になる、といった不具合が生じ
る。このため、分散質粒子の比表面積はなるべく小さい
ことが望ましい。この場合の比表面積は４０m²/g以下、
より好ましくは２０m²/g以下、さらに好ましくは１０m²
/g以下であることが望ましい。この場合の比表面積は窒
素吸着によるＢＥＴ比表面積のことを言う。他の特性と
して炭素質粉末の平均粒径が０．５〜４０μｍの範囲内
であること、好ましくは０．５〜１０μｍの範囲内、特
に好ましくは０．５〜４μｍの範囲内であることが望ま
しい。平均粒径が４０μｍを超える場合には流体中での
粉末の沈降が著しくなる。一方、平均粒径が０．５μｍ
より小さい場合には流体に電場を印加しないときの粘度
が著しく高くなって電気粘性効果が小さくなる。また、
２０μｍを超える粒子の割合が１重量％以下であること
が望ましい。粒径が２０μｍを超える粒子は流体中での
沈降が速く、静置した場合に速やかに油状媒体と分離
し、再分散の困難なケークを形成する。さらに、粒径
１．６μｍ未満の粒子の割合が３０重量％以下であるこ
と、好ましくは２０重量％以下であることが望ましい。
３０重量％を超える場合には流体に電場を印加しないと
きの粘度が著しく高くなって電気粘性効果が小さくな
る。

【００１１】電気粘性流体用の炭素質粉末の好ましい他
の特性として、炭素質粉末の炭素化の程度を表す、元素
分析による炭素原子と水素原子の数の比であるＣ／Ｈが
２．００〜３．５０（より好ましくは２．２０〜３．０
０）であることが望ましい。Ｃ／Ｈ値が２．００未満の
時には炭素質粉末は誘電体としての機能を果たせず、結
果として十分な電気粘性効果を得ることができない。一
方、Ｃ／Ｈ値が３．５０を越える場合、電気粘性流体に
電流が流れ過ぎ、実用上エネルギー効率を低下させるば
かりでなく、ついには絶縁破壊をもたらす。

【００１２】また、電気粘性流体の高温時および長期的
な安定性を確保するために、炭素質粉末中の低沸点有機
成分をできる限り除去することが望ましい。特に、熱天
秤（ＴＧＡ）により窒素流通下１０℃／分で昇温した際
の室温〜２００℃の重量減少量が０．５重量％以下、好
ましくは０．３重量％以下であることが望ましい。こう
した低沸点有機成分は繰り返しの使用と高温時に揮発す
るため、電気粘性流体の安定性を阻害すると考えられ
る。

【００１３】さらに、炭素質粉末の組成はできるだけ均
質であることが必要である。例えば、通常炭素質粉末の
原料として使用されるコールタールピッチ類は、シリ
カ、アルミナ等の不純物を含有している。こうした不純
物は事前に除去するのが好ましいことは言うまでもない
が、この他に元来コールタールピッチ等に含まれるフリ
ーカーボン（別名、遊離炭素）も予め除去することが望
ましい。フリーカーボンはコークス炉において発生する
タールが１０００℃以上に加熱され、気相熱分解をうけ
て生成すると言われている極めて炭素化の進んだ無定形
の微細炭素質粒子である。したがって、かかるフリーカ
ーボンが炭素質粉末中に含有されていると不均一性をも
たらし、期待される電気粘性効果を得ることができな
い。

【００１４】以上に説明した特性を有する炭素質粉末
を、シリコンオイル、スピンドル油、塩化パラフィン、
トランス油等の電気絶縁性の油状媒体に分散することに
より、低い初期粘度を有し、低い電流値で優れた電気粘
性効果を示し、温度安定性および長期安定性を備える電
気粘性流体の製造が可能である。

【００１５】次に炭素質粉末の具体的製造方法について
説明する。原料は石炭、石炭系タール、石炭系ピッチ、
石炭液化物、コークス類、石油、石油系タール、石油系
ピッチ、樹脂類あるいはアセナフチレン、ナフタレン、
メチルナフタレン、アントラセン等の縮合芳香環化合物
を重合して得られるピッチ、例えばナフタレンをＨＦ−
ＢＦ₃ 等の酸触媒を用いて重合したナフタレンピッチが
使用される。ここで、タール、ピッチ中にフリーカーボ
ン、アッシュ（Ａｓｈ）が含有される場合には必要に応
じてこれを除去することが好ましい。具体的には、遠心
分離法、各種の溶剤を添加することによる静置分離法
等、一般に工業的に実施されている方法が適用可能であ
る。さらに、これらの原料の選択にあたっては次工程で
ある熱処理において比表面積が増大しないような原料を
選ぶべきである。一般的には、熱処理時に溶融炭化する
ものを選ぶほうが望ましい。熱処理時には低分子量成分
の揮発により細孔が生成し、比表面積が増大するが、溶
融性の原料を使用することによってこれらの細孔は埋め
られ、比表面積の増大を避けることが可能である。熱処
理時に溶融しない原料ではこれらの細孔は埋まることな
く比表面積の増大をもたらす。ただし、比表面積の増大
した試料においても、熱処理時において原料タール・ピ
ッチおよび樹脂類の含浸・熱処理を繰り返し行うことに
より、細孔を埋めて比表面積を低下させることが可能で
ある。

【００１６】原料である石炭系、石油系タールあるいは
樹脂類は、熱処理、溶剤抽出等、一般にこうしたタール
・ピッチ類に適用される方法、またはこれらの方法の組
合せにより炭素化を進め、Ｃ／Ｈ値を制御することがで
きる。更に、炭素質粉末中の低沸点有機成分は熱処理・
溶剤抽出条件および乾燥工程等を新たに設けることによ
りＣ／Ｈ値の制御と別途に制御可能である。

【００１７】次いで、粒子径の制御を行う。具体的に
は、目的とする粒子径より大きい粒子を粉砕、分級等に
よって除去することで粒子径を制御する。粒子径の制御
は、好ましくはジェット式粉砕機、より好ましくは粒子
間衝突タイプのジェット式粉砕機が本発明の電気粘性液
体に用いられる比表面積を有する粒子を得る上で好まし
い。粒子間衝突タイプのジェット式粉砕機としては、例
えば複数のノズルより噴出した空気、窒素等の気流ジェ
ットの交差部および／または空気、窒素等の気流ジェッ
トの対向部で粒子同士の衝突によって粉砕が行われる方
式が挙げられる。

【００１８】このようにして得られた炭素質粉末をトラ
ンス油、スピンドル油、塩化パラフィン、シリコンオイ
ルなどに配合することにより、高電圧の印加においても
粘度、電流が安定で、初期粘度が低く、電気粘性特性に
優れた極めて安定な流体を得ることができる。前記炭素
質粉末の含有量は１〜６０重量％、好ましくは２０〜５
０重量％であり、電気電気絶縁性油の含有量は９９〜４
０重量％、好ましくは８０〜５０重量％である。炭素質
粉末の量が１重量％未満では電気粘性効果が小さく、６
０重量％を超えると電場がないときの初期粘度が著しく
大きくなり流動性が低下する。

【００１９】

【実施例】次に本発明を実施例に基づいて具体的に説明
する。 （実施例１）フリーカーボンを含有しないコールタール
を２０Ｌのオートクレーブを使用して５１０℃３時間で
窒素雰囲気中で熱処理した。得られた熱処理物をタール
系中油（沸点範囲１２０〜２５０℃）を使用し抽出・濾
過した。かかる抽出・濾過残留物を内容積２Ｌのバッチ
型の回転反応炉を使用し、温度５１０℃、３Ｌ／分の窒
素気流中で３時間再熱処理して炭素化物を得た。かかる
炭素化物を粒子間衝突タイプのジェットミル（日清エン
ジニアリング（株）製、型式ＣＪ−１０）を用いて粉砕
した後、風力分級機（日清エンジニアリング（株）製、
型式ＴＣ−１５Ｍ）を使用して平均粒径３．０μｍに調
整した。この時、１０μｍを超える粒子は検出されず、
１．６μｍ未満の粒子の割合は４．９重量％であった。
こうして得られた炭素質粉末のＣ／Ｈ値は２．３８、比
表面積は５．１m²/gであった。比表面積は、マイクロメ
リテックス社製フローソーブ２３００を使用し、試料
０．２〜０．５ｇを２００℃で１０分程度乾燥させた後
に窒素ガスによるＢＥＴ１点法で測定した。粒径の測定
はコールターカウンターを使用し、５０μｍのアパチャ
ーチューブを用いて行った。また、ＴＧＡ（熱天秤）に
よる測定の結果、２００℃以下の低沸点成分は０．２２
重量％であった。かかる炭素質粉末３６重量部を電気絶
縁性油状媒体である室温で０．１ポイズのシリコンオイ
ル６４重量部と均一に分散し、電気粘性流体とした。こ
の電気粘性流体の粘度を二重円筒型回転粘度計を使用し
て測定した。これらの結果を他の例とともに表１に示
す。

【００２０】（実施例２）風力分級機の条件を調整して
平均粒径を２．２μｍとした他は実施例１と同様の方法
で調製した粉末を実施例１と同様に流体調製を行い粘度
を測定した。なおこの時、１０μｍを超える粒子は検出
されず、１．６μｍ未満の粒子の割合は１７．０重量％
であり、ＢＥＴ比表面積は７．３m²/gであった。初期粘
度の値を表１に示す。

【００２１】（実施例３）実施例１に使用したものとお
なじ炭素質粉末を再度、内容積２Ｌのバッチ型の回転反
応炉を使用し、温度６００℃、３Ｌ／分の窒素気流中で
３時間再熱処理した炭素化物を得た。こうして得られた
炭素質粉末の平均粒径は３．２μｍ、１０μｍを超える
粒子は検出されず、１．６μｍ未満の粒子の割合は４．
０重量％であり、Ｃ／Ｈ値は２．６０、ＢＥＴ比表面積
は３６m²/gであった。これを実施例１と同様に流体調製
を行い粘度を測定した。結果を表１に示す。

【００２２】（比較例１）実施例１に使用したものとお
なじ炭素質粉末を再度、内容積２Ｌのバッチ型の回転反
応炉を使用し、温度７００℃、３Ｌ／分の窒素気流中で
３時間再熱処理して炭素化物を得た。こうして得られた
炭素質粉末の平均粒径３．４μｍ、１０μｍを超える粒
子は検出されず、１．６μｍ未満の粒子の割合は３．９
重量％であり、Ｃ／Ｈ値は３．２０、ＢＥＴ比表面積は
４９m²/gであった。これを実施例１と同様に流体調製を
行い粘度を測定した。結果を表１に示す。

【００２３】

【００２４】

【発明の効果】本発明は、従来ほとんど検討されていな
かった炭素質微粒子の電気粘性流体への適用を可能にし
たもので、本発明による炭素質微粒子を使用することに
より極めて優れた電気粘性効果を有する電気粘性流体を
製造可能とした。当該炭素質粉末を使用することによ
り、初期粘度のより低い電気粘性流体を得ることを可能
にした。本発明は、従来の電気粘性流体の問題点を解決
し、電気粘性流体のクラッチ、バルブ、衝撃吸収体等の
産業上の応用を可能にする道を開くものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭素質粉末の比表面積と電気粘性流体の初期粘
度との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼木 香 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 羽多野 仁 美 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 福 田 典 良 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 丸 山 隆 之 東京都小平市小川東町３−１−１ (72)発明者 荻 野 隆 夫 東京都小平市小川東町３−１−１ (72)発明者 斎 藤 翼 東京都小平市小川東町３−１−１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気絶縁性に優れた油状媒体に誘電体微粒
   子を分散せしめることにより得られる電気粘性流体にお
   いて分散質として使用される粒子の比表面積が４０m²/g
   以下であることを特徴とする電気粘性流体。
2. 【請求項２】前記粒子の平均粒径が０．５〜４０μｍで
   あって２０μｍを超える粒子の割合が１重量％以下、粒
   径１．６μｍ未満の粒子の割合が３０重量％以下である
   請求項１に記載の電気粘性流体。
3. 【請求項３】前記粒子が石炭、石炭系タール、ピッチ、
   石炭液化物、コークス類、石油、石油系タール、ピッ
   チ、縮合芳香環化合物を重合して得られるピッチ、およ
   び樹脂類よりなる群より選ばれる有機化合物を熱処理す
   ることで得られる炭素質粉末である請求項１または２に
   記載の電気粘性流体。
4. 【請求項４】前記粒子の元素分析による炭素原子と水素
   原子の数の比である炭化度（Ｃ／Ｈ）が、２．００〜
   ３．５０である請求項１〜３のいずれかに記載の電気粘
   性流体。