JPH06240280A

JPH06240280A - 電気粘性流体

Info

Publication number: JPH06240280A
Application number: JP5137793A
Authority: JP
Inventors: Toru Mashita; 徹真下; Junichi Tsugita; 純一次田; Tatsuo Nagai; 達夫永井
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1994-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】電気粘性流体の異方性粒子の凝集、沈澱を
防止する。【構成】電気粘性流体の絶縁性媒体中に異方性粒子
とともに、ポリマーを分散させる。異方性粒子は、長軸
の長さが０．１〜１０μｍで、アスペクト比が２以上の
針状、棒状あるいは板状であるものが望ましく、ポリマ
ーは、アクリル系またはメタクリル系の重合体あるいは
共重合体で、分子量が１０，０００以上、２５０，００
０以下であるのが望ましい。【効果】ポリマーにより、異方性粒子の凝集、沈澱
が有効に防止され、また、増粘率の増大が容易に可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界を印加することに
より流体の粘度を調整することが可能な電気粘性流体に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気粘性流体は、絶縁性の媒体中に微細
な固体粒子を分散させた懸濁液で、充分な電界の作用下
で速やかに粘度が増加する流体である。この流体の粘度
を変化させるためには直流および交流のいずれの電界を
作用させてもよく、また印加する電界強度を変化させる
ことで、流体の粘度を可能な範囲で任意に調整すること
が可能である。これを図に基づいて具体的に説明する
と、図１に示すように電気粘性流体１に電圧を印加して
いない零電場下では、電気絶縁媒体２中に分散している
異方性粒子３はブラウン運動によりランダムな方向に分
布している。

【０００３】しかし、図２に示すように、スイッチ４を
ＯＮにして、電気粘性流体１に電源５より電圧を印加す
ると、異方性粒子３内の誘電分極または、異方性粒子３
と電気絶縁媒体２との界面の電気二重層の偏りにより異
方性粒子３は、電場方向に対し平行に配向する。この異
方性粒子３は、電極６、６の両側から引力を受けている
ので、その場に固定されたのと同様の状態になり、流体
の流れ７に対して抵抗としての役割を果たすようにな
る。これにより流体の見かけの粘度が上昇する。そし
て、電界強度を変化させることで、異方性粒子に対する
引力および異方性粒子の配向度が変化し、抵抗としての
能力、すなわち流体の粘性の変化率を調整することが可
能になる。

【０００４】この電気粘性流体は、クラッチ、ショック
アブソーバ、アクチュエータ、ロボットアーム等を制御
するための機構として開発が進められている。これまで
に報告されている電気粘性流体としては、セルロースや
デンプン、シリカゲル（特開平１−３０４１８９号）、
炭素質粉末（特開平３−１５７４９８号）、高分子重合
体で被覆した炭素微粉末（特開平３−２４７６９８
号）、ポリメタクリル酸ナトリウム等の球状または粒状
の固体粒子を、シリコーン油（特開昭６３−３０５１９
６号）、炭化水素油、ハロゲン化パラフィン（特開平１
−２６６１９３号）等の電気絶縁性の媒体に分散させた
ものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の電気粘
性流体では、固体粒子と電気絶縁媒体との比重差が大き
いため、固体粒子が沈澱したり、沈澱しないまでも、固
体および液体の分散を長期間に渡り安定した状態に保つ
ことが難しく、電界を印加していない状態で常に一定な
粘度の電気粘性流体が得られないという問題がある。こ
れに対し、電気粘性流体に界面活性剤を添加することで
粒子の分散安定性を向上させる方法が考え出されている
が、高電圧を印加すると放電を起こすので、高電圧で高
い電気粘性効果を得ることができないという問題があ
る。また、絶縁媒体と固体粒子の比重差を小さくする方
法も考えられているが、特殊な絶縁媒体を用いるため製
造コストが上昇するという問題がある。

【０００６】また、流体の粘度の増加率を挙げるために
は印加する電界強度を強くするか、流体中の固体粒子の
分散量を増やす方法があるが、電界強度を強くするため
に高電圧を印加した場合は、放電を起こしたり、放電を
しないまでも高電圧のため、電流値が数十μＡから数十
ｍＡと小さくても消費電力が大きくなるという問題があ
り実用的ではない。このため、流体中の固体粒子の分散
量を増やす方法が有望であるが、固体粒子の分散量を増
やした場合には、固体粒子同士が液中で凝集を起こし、
粒子サイズが大きくなって沈澱しやすく、比重差による
沈殿と同様の問題が生ずる。また、電極表面で粒子の付
着および凝集を起こした場合、この凝集を再分散させる
のに数日間を必要とする。このような凝集などが発生す
ると、電界が印加されていない状態での流体粘度が凝集
発生前と異なったり、電界の印加時に配向する粒子の数
が凝集発生前と異なって粘度が変化し、電気粘性流体と
して安定した性能が得られない。以上のように、異方性
粒子の凝集、沈殿を防止することは、電気粘性流体のよ
りよい性能を確保するために極めて重要な課題である。
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、異
方性粒子の凝集防止効果に優れ、また、粘度の増加率の
向上が可能な電気粘性流体を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明のう
ち、第１の発明は、電界を印加することにより流体の粘
度を制御する電気粘性流体において、電気絶縁性に優れ
た媒体中に、電界の印加により配向する異方性粒子と、
少なくとも一種のポリマーを含むことを特徴とする。そ
して、第２の発明は、前記異方性粒子が、長軸の長さが
０．１〜１０μｍで、アスペクト比が２以上の針状、棒
状あるいは板状であることを特徴とする。さらに、第３
の発明は、前記ポリマーが、アクリル系またはメタクリ
ル系の重合体あるいは共重合体で、分子量が１０，００
０以上、２５０，０００以下であることを特徴とする。

【０００８】

【作用】すなわち、本願発明によれば、絶縁媒体中にお
ける固体粒子の凝集、沈殿を有効に防止でき、また、電
界印加時に電極表面へ固体粒子が付着、凝集するのを防
止でき、固体粒子を長期間安定して絶縁媒体中に分散さ
せることができる。また、固体粒子を凝集、沈殿などを
招くことなく固体粒子の分散量を増大させることができ
るので、粘度の増加率を容易に向上させることが可能に
なる。

【０００９】また第２の発明によれば、優れた応答性能
と、大きな粘度変化が得られる。なお、現在の粒子の粉
砕技術および合成時の形状制御技術では長軸が０．１μ
ｍ未満の粒子を製造することは困難であり、また、粒子
の大きさが１０μｍを越えると粒子のブラウン運動が阻
害され、媒体中に安定して分散させることが難しくなる
とともに、配向時の液抵抗が大きくなり、電解に対する
応答性が低下するので、第２の発明では、長軸の長さを
限定した。さらに、アスペクト比が２未満の粒子では、
電圧を印加したときの配向能が低下し、粘度変化が小さ
くなって実用的な粘性流体を得ることができないので、
長軸長さと同様にアスペクト比を限定した。さらに我々
のこれまでの実験から、長軸の長さが０．３〜１μｍ、
アスペクト比が７以上の粒子でより好ましい結果が得ら
れている。

【００１０】さらに第３の発明によれば、固体粒子の凝
集、沈殿がより有効に防止される。第３の発明における
アクリル系、メタクリル系の重合体は、これらの効果に
優れている。その分子量は、１０，０００未満では上記
効果が不十分であり、また、２５０，０００を越えると
分散媒体に溶解しにくくなるとともに、却って粒子の凝
集にも悪影響を及ぼすので、分子量を限定した。また、
異方性粒子の分散性をより向上させるために、他のアク
リル系またはメタクリル系のポリマーや界面活性剤を複
合添加することも効果的である。なお、第３の発明で
は、アクリル系またはメタクリル系について分子量を規
定したが、これ以外の種別の重合体においても、同様の
理由で上記分子量範囲とするのが望ましい。また、本願
発明におけるポリマーの添加量は、重量％で１〜３０％
とするのが望ましい。これは、１％未満では、添加効果
が不十分であり、３０％を越えると、ポリマーの溶解量
が過飽和となり粒子の分散性を損なうためである。さら
に同様の理由で１０〜２５％とするのが一層望ましい。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
これらの実施例における粘性流体の粘度測定は、二重円
筒型回転粘度計（外筒１６ｍｍ、内筒１８ｍｍ）を使用
して行なった。また、粘性流体の沈殿試験は、粘性流体
を直径３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの硝子管内に収納して
室温で保存し、粒子の沈殿状態を観察するとともに粒子
濃度を測定することによって行なった。

【００１２】（実施例１）硫酸シンコニジンのヨウ化物
結晶（平均長軸長０．３μｍ、アスペクト比１２の異方
性粒子）０．５ｇと、アクリレートポリマー（分子量４
０，０００のポリマー分散剤）２０．０ｇとをフッ素樹
脂（絶縁性媒体）に分散させて粘性流体１００ｇを作製
した。この粘性流体の粘度は、電圧を印加していない状
態で２３６ｍＰａｓである。さらに、商用交流電圧を１
ｋＨｚに周波数変換し、実効電圧を０〜１５００Ｖｒｍ
ｓ／ｍｍの範囲で変えて印加した場合の粘度変化を図３
に示す。図から、明らかなように、この粘性流体は、増
粘率が非常に優れている。また、この粘性流体の沈殿試
験では、４００日経過した時点でも粘性流体の外観およ
び粒子濃度に変化は見られなかった。

【００１３】（実施例２）２，５ジメチルピラジンのヨ
ウ化物結晶（平均長軸長０．５μｍ、アスペクト比９）
０．５ｇとメタクリレートポリマー（分子量１２０，０
００）１３．５ｇと、ただ一箇所管能基を持ったオクタ
ン酸セチル（界面活性剤）１．０ｇを鉱物油に分散させ
て粘性流体１００ｇを作製した。この粘性流体の粘度
は、電圧を印加していない状態で１４１．５ｍＰａｓで
あり、１ｋＨｚの交流電圧を実効電圧１５００Ｖｒｍｓ
／ｍｍで印加した場合は９６００ｍＰａｓに増粘した。
また、この粘性流体の沈殿試験では、４００日経過後も
外観および粒子濃度に変化は見られなかった。

【００１４】（実施例３）酸化チタン結晶（平均長軸長
１．０μｍ、アスペクト比７）２．５ｇとアクリレート
ポリマー（分子量２５０，０００）１０．０ｇとをフッ
素樹脂に分散させて粘性流体１００ｇを作製した。この
粘性流体の粘度は、電圧を印加しない状態で２０８．７
ｍＰａｓであり、周波数１ｋＨｚ、実効電圧１５００Ｖ
ｒｍｓ／ｍｍの交流電圧を印加した状態で１５，４００
ｍＰａｓに増粘した。また沈殿試験では、４００日経過
後も外観および粒子濃度に変化は見られなかった。

【００１５】（実施例４）硫酸シンコニジンのヨウ化物
結晶（平均長軸長１３．５μｍ、アスペクト比１０）
０．５ｇとアクリレートポリマー（分子量４０，００
０）２０．０ｇとをフッ素樹脂に分散させて粘性流体１
００ｇを作製した。この粘性流体の粘度は、電圧を印加
しない状態で２５４．３ｍＰａｓであり、周波数１ｋＨ
ｚ、実効電圧１５００Ｖｒｍｓ／ｍｍの交流電圧を印加
した状態で１６，３９０ｍＰａｓに増粘した。この実施
例では、固体粒子の長軸長が大きく、凝集防止効果は、
前記した実施例よりもやや劣っている。具体的には、電
圧を印加して１時間を経過したころより、電極表面で凝
集が発生し、時間の経過に伴い凝集が成長していった。
なお、電圧を印加して４時間を経過した時点における電
圧印加状態での流体粘度は、１５，９７０ｍＰａｓであ
り、６時間を経過した時点では１４，３４０ｍＰａｓで
あった。またこの粘性流体の沈殿試験では、１５０日経
過した時点で流体中の結晶は、硝子管の底に少量沈殿し
ており、粒子濃度は試験開始当初に比べ９３ｗｔ％に減
少していた。

【００１６】（実施例５）２，５ジメチルピラジンのヨ
ウ化物結晶（平均長軸長０．５μｍ、アスペクト比９）
０．５ｇとメタクリレートポリマー（分子量３００，０
００）１０．０ｇとをフッ素樹脂に分散させて粘性流体
１００ｇを作製した。この粘性流体の粘度は、電圧を印
加していない状態で１９７．８ｍＰａｓであり、１ｋＨ
ｚの交流電圧を実効電圧１５００Ｖｒｍｓ／ｍｍで印加
した場合は印加後１０分で電極表面に凝集が発生したた
め、粘度測定を行なえなかった。これから、本発明の構
成でもポリマーの分子量があまりに大きすぎると、電極
での凝集を招いてしまうことが判明した。ただし、粘性
流体の沈殿試験では、４００日経過後も外観および粒子
濃度に変化は見られなかった。

【００１７】（実施例６）無水グリシンのヨウ化物結晶
（平均長軸長１．０μｍ、アスペクト比１．７）０．５
ｇとメタクリレートポリマー（分子量４０，０００）２
０．０ｇとをフッ素樹脂に分散させて粘性流体１００ｇ
を作製した。この粘性流体の粘度は、電圧を印加しない
状態で２２７．５ｍＰａｓであり、周波数１ｋＨｚ、実
効電圧１５００Ｖｒｍｓ／ｍｍの交流電圧を印加した状
態で６３７０ｍＰａｓに増粘した。この実施例では、固
体粒子のアスペクト比が２未満であり、他の実施例に比
べてやや、増粘率が小さい。また沈殿試験では、４００
日経過後も外観および粒子濃度に変化は見られなかっ
た。

【００１８】（比較例１）ポリスチレン樹脂（平均粒径
３０．０μｍ）３８．５ｇを塩化パラフィンと塩化デカ
ンの混合液（混合比＝２：３）６１．５ｇに分散させて
粘性流体１００ｇを作製した。この粘性流体の粘度は、
電圧を印加しない状態で２３０ｍＰａｓであり、１５０
０Ｖｒｍｓ／ｍｍの直流電圧を印加した状態で１１，４
００ｍＰａｓに増粘した。また沈殿試験では、１００日
経過した状態で、硝子管の底に結晶の沈殿が見られ、粒
子濃度は試験開始当初に比べ、９４ｗｔ％に減少してい
た。

【００１９】（比較例２）炭素質粉末（炭素含有量９３
ｗｔ％、平均粒径３．０μｍ）３４．４ｇとエチレンオ
キシドおよびプロピレンオキシドで変性したポリシロキ
サン０．５ｇをシリコンオイル６５．１ｇに分散させて
粘性流体１００ｇを作製した。この粘性流体の粘度は、
電圧を印加しない状態で１１２ｍＰａｓであり、１５０
０Ｖｒｍｓ／ｍｍの直流電圧を印加した状態で３５０ｍ
Ｐａｓに増粘した。また沈殿試験では、５０日経過した
状態で、硝子管の底に結晶の沈殿が見られ、粒子濃度
は、試験開始当初に比べ、９３ｗｔ％に減少した。

【００２０】（比較例３）炭素質粉末（炭素含有量９３
ｗｔ％、平均粒径３．０μｍ）３４．４ｇとノニフェノ
ールのエチレンオキシド付加物０．５ｇをシリコンオイ
ル６５．１ｇに分散させて粘性流体１００ｇを作製し
た。この粘性流体の粘度は、電圧を印加しない状態で２
４２ｍＰａｓであり、１５００Ｖｒｍｓ／ｍｍの直流電
圧を印加した状態で４１０ｍＰａｓに増粘した。また沈
殿試験では、５０日経過した状態で、硝子管の底に結晶
の沈殿が見られ、粒子濃度は、試験開始当初に比べ、９
１ｗｔ％に減少した。

【００２１】

【発明の効果】すなわち、本願発明の電気粘性流体によ
れば、絶縁媒体中に異方性粒子とともにポリマーを含ま
せることにより、異方性粒子の分散性が向上し、凝集、
沈殿を有効に防止し、長期間にわたり、異方性粒子が安
定して分散する。また、異方性粒子の凝集防止効果によ
り、この粒子の分散量を増大させて増粘率を向上させる
ことが可能になり、同電圧下での電気粘性効果が従来の
粘性流体に比べて優れたものとなり、省電力化が可能に
なる効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、電気粘性流体の動作を示すものであ
り、異方性粒子に電圧が印加されていない状態を示す概
略図である。

【図２】図２は、同じく電気粘性流体の動作を示すもの
であり、異方性粒子に電圧が印加された状態を示す概略
図である。

【図３】図３は、実施例１における印加電圧と、粘性流
体の粘度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１電気粘性流体２電気絶縁媒体３異方性粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ１０Ｍ 135:10）Ｃ１０Ｎ 10:08 20:04 20:06 Ｚ 8217−4Ｈ 30:00 Ｄ 8217−4Ｈ 30:04 40:14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電界を印加することにより流体の粘度を
制御する電気粘性流体において、電気絶縁性に優れた媒
体中に、電界の印加により配向する異方性粒子と、少な
くとも一種のポリマーを含むことを特徴とする電気粘性
流体
【請求項２】異方性粒子は、長軸の長さが０．１〜１
０μｍで、アスペクト比が２以上の針状、棒状あるいは
板状であることを特徴とする請求項１記載の電気粘性流
体
【請求項３】ポリマーは、アクリル系またはメタクリ
ル系の重合体あるいは共重合体で、分子量が１０，００
０以上、２５０，０００以下であることを特徴とする請
求項１または２記載の電気粘性流体