JPH08281095A - ダイラタンシー性液体 - Google Patents

ダイラタンシー性液体

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JPH08281095A
JPH08281095A JP8025098A JP2509896A JPH08281095A JP H08281095 A JPH08281095 A JP H08281095A JP 8025098 A JP8025098 A JP 8025098A JP 2509896 A JP2509896 A JP 2509896A JP H08281095 A JPH08281095 A JP H08281095A
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JP
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liquid
dilatancy
inorganic particles
particles
liquid according
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JP8025098A
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Seiho Tanigawa
正峰 谷川
Koichi Kurono
晃一 黒野
Masahiro Ogawa
正宏 小川
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】機械的強度が高くダイラタンシー性の発現が早
い応答の良い新規なタイプのダイラタンシー性液体を提
供する。 【解決手段】真球度が1.1以下で粒径粒径0.05〜
5μmの無機粒子と該無機粒子間に保持された液体とか
らなり低剪断応力下でゾル状となり高剪断応力下でゲル
状となるダイラタンシー性液体。このダイラタンシー性
液体は、極めて真球度の高い無機粒子を使用しているた
め、粒子は分散媒中に最密に充填され易い。そして高剪
断力の作用により粒子の充填状態が急激に変化し、短時
間にダイラタンシー性を発現できる。また、粒子の真球
度が高いため低剪断応力下の通常状態での粘性抵抗が低
くスムーズな流れとなる。さらに、粒子が無機粒子であ
るため、機械的に強くかつ熱に安定である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高剪断力下で高粘性
となり低剪断力下では低粘性となるダイラタンシー性を
示す液体に関する。かかる液体は2個の近接して相対移
動する物体間に配置され、高いずり速度の下では高トル
クを伝達し、低いずり速度の下で低いトルクを伝達する
クラッチとか、防振装置等の作動液体等として利用でき
る。
【0002】
【従来の技術】従来より、微細粒子を分散した液体に剪
断力を加えると低い剪断力では低い粘性を示すが、剪断
力を増すと急激に高い粘性を示す現象、すなわちダイラ
タンシー性を示すことが知られている。この現象は、剪
断力により液体中の微細粒子の相対的な配置関係が変化
し、微細粒子間に存在する自由空間が増大し、その増大
した自由空間を埋めるため液体を周囲より引きつける一
種の負圧作用により微細粒子が互いに引きつけられ抵抗
が増大するものと考えられる。
【0003】かかるダイラタンシー性を示す液体として
ドイツのBASF社の商品である「ダイラタール」(商
標)が知られている。このダイラタンシー性液体はアク
リル酸エステル・スチレン共重合体微粒子を水に分散し
たものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来より知られていた
ダイラタンシー性液体は、分散粒子が樹脂のため機械強
度が弱いといった問題があった。また、剪断力等の変位
を加えてからダイラタンシー性を発現し、応答するまで
に、数秒から数分の時間がかかっていた。本発明は機械
的強度が高く、低剪断応力下で粘性が低く高剪断応力下
で粘性が高い、すなわち剪断応力の増大により粘性抵抗
の増大変化が大きい、新規なタイプのダイラタンシー性
液体を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、発明者が、極
めて真球度の高い無機微粒子を分散した液体が極めて優
れたダイラタンシー性を示すことを偶然に発見したこと
に基づく。すなわち、本発明のダイラタンシー性液体
は、真球度が1.1以下で0.05〜5μmの無機粒子
と該無機粒子間に保持された液体とからなり低剪断応力
下でゾル状となり高剪断応力下でゲル状となるものであ
る。
【0006】本発明のダイラタンシー性液体を構成する
無機粒子は真球度が1.1以下、より好ましくは真球度
が1.01以下のように限り無く真球度が1に近いもの
が好ましい。なお、何故真球度が1に近いものがダイラ
タンシー粒子として優れているのかは物性的に明らかで
はない。しかし真球度が1に近い丸い粒子程流動性が高
く、少なくとも低剪断応力下で粘性が低い。このため高
剪断応力下での粘性と比較した粘性抵抗変化が大きく、
これが優れたダイラタンシー性を示す要因の一つとして
考えられる。
【0007】この無機粒子の粒径は0.05〜5μm、
より好ましくは0.1〜1.5μmである。無機粒子の
粒径が大きくなると粒子の分散が不安定となり、沈降し
て溶媒と分離してしまい好ましくない。逆に粒径が小さ
すぎるとゾル状態下での粘度が増加し、典型的なダイラ
タンシー性を示しにくく好ましくない。無機粒子の表面
は凹凸の少ない平滑な程好ましい。粒子の表面が平滑な
程、互いに滑る際に抵抗が少ないことのためだと考えら
れる。
【0008】無機粒子の化学組成としては、Si、A
l、Mg、Zrの酸化物あるいは窒化物が好ましい。か
かる酸化物、窒化物は、固くかつ化学的に安定してい
る。したがって使用中に割れたり、変質したりする恐れ
が少ない。具体的な無機粒子としてはシリカ、アルミ
ナ、マグネシア、ジルコニアなどを挙げることができ
る。シリカの1つとしてアドマテック社の商標アドマフ
ァインSO−C2(平均粒径0.5μm、粒度分布0.
1〜1μm、真球状)、アルミナの1つとして同じくア
ドマテック社の商標アドマファインAO−502(平均
粒径0.7μm、粒度分布0.1〜1.1μm、真球
状)が例示される。
【0009】溶媒としては、前記無機粒子を安定して分
散できる低分子の液体が良く使用温度範囲によっては高
沸点が要求される。これの条件を満たす液体としては低
級アルコ−ル、低級グリコール、グリコールエーテル
類、及びそれらの水溶液がある。例えばエチレングリコ
ールの水溶液が例示される。ダイラタンシー液体を構成
する無機粒子と液体の割合は、無機粒子300〜600
重量部に対して液体が100〜200重量部であるのが
好ましい。
【0010】なお、無機粒子の安定した分散を得るた
め、無機粒子と液体とは互いに似た特性をもつものの組
み合わせとする事が好ましい。特性の一つとして、極性
を挙げることができる。多くの無機粒子の表面は極性が
強い。このため液体として親水性の強い液体が推奨され
る。なお、無機粒子の表面を改質して親油性を持たせ、
親油性の液体を使用することもできる。
【0011】親油性を持たせる具体的な手段としてエス
テル化処理、塩化処理を挙げることができる。エステル
化処理は無機粒子を高温高圧のアルコール中で長時間加
熱して反応させ、無機粒子の表面にアルコールをエステ
ル化して固定するものである。アルコールとしてはエタ
ノール、ブタノール、プロパノール等を挙げることがで
きる。反応条件としては150℃で12時間処理により
エステル化処理が可能である。なお、残ったアルコール
は蒸発させて除去する。
【0012】塩化処理は塩化チオニル等を塩化剤として
使用することで可能となる。例えばシリカ50gと塩化
チオニル(S04 Cl)20ccをフッ素樹脂でライニ
ングした密閉容器に入れ150℃で12時間反応させる
ことで可能となる。無機粒子と液体との他の特性とし
て、比重を挙げることができる。無機粒子の比重と液体
の比重が異なる場合、両者は重力により分離し易い。こ
のため安定した分散を図るために、両者の比重を合わせ
るようにするのが好ましい。液体に高比重の無機塩を溶
解し、液体の比重を高くすることにより無機粒子の比重
に近ずけるのも一つの方法である。高比重の液体として
ジブロモメタン(CH2 Br2)、テトラブロモメタン
(CHBr3 )、1,2ジブロモエタン(CH2 BrC
2 Br)等のハロゲン化物を使用できる。
【0013】また、無機粒子の安定した分散を図るため
公知の分散向上剤を活用することもできる。通常、分散
向上剤は、無機粒子の持つ強い極性を弱め、凝集しにく
くさせるものである。この作用を高めるため、弱い極性
を持つ液体を使用し、耐食性を維持するため、pH6〜
11程度の弱アルカリ性とするのが良い。これらの条件
を満たす液体としてはアンモニア、脂肪族系アミンがあ
る。脂肪族系アミン類の1つとしてトリエタノールアミ
ンN(C2 4 OH)3 が例示される。
【0014】好ましい分散向上剤の量は1〜20重量部
である。また、ダイラタンシー性液体に流動性向上添加
剤を溶解させ極性をコントロールすることにより、無機
粒子の分散状態を変化させ、流動性を向上させることも
てきる。通常、強い極性を持つ無機微細粒子の分散した
液体に電解質の強い極性を持った塩を溶解させると凝集
することが一般に知られているが、発明者は無機粒子の
種類と添加量を調整することで、逆に粘度を下げ流動性
を向上させることができることを見いだした。
【0015】流動性を向上させるメカニズムは、電解質
のイオンの回りに無機粒子が集まり、クラスターを形成
し、見かけ上粒径の大きい粒子のように振る舞うため低
剪断域における流動性が向上するものである。これらの
条件を満たす電解質としては、NaCl、KCl、Li
Cl、CaCl2 、MgCl2 、NaNO3 、Na2
oO4 、Na2 SO4 、NaH2 PO4 などの強電解質
の無機塩がある。
【0016】好ましい流動性向上添加剤の量は1〜20
重量部である。ダイラタンシー性は粒子の充填状態が急
激な変位により一時的に変わることから起こる現象であ
る。このため粒子は分散媒中に最密に充填される必要が
あり、低剪断応力下の通常状態でのスムーズな流れと、
高剪断応力下の変位に対する敏感な反応と両立させるこ
とがポイントとなる。
【0017】この様に最密充填の配合を得るために、以
下の手順で調製するのが好ましい。まず、分散媒の液体
と分散向上剤の混合液中に微細粒子を少量ずつ攪拌しな
がら投入し分散させ、その後、ボールミル中で24時間
程度の長い時間攪拌混合する。微細粒子を全て一挙に投
入したり、逆に微細粒子に分散媒を投入する等の手順で
は十分な分散が得られず、沈降が起こったりすることが
あり、安定性に欠けるものとなることもある。
【0018】
【作用及び発明の効果】本発明のダイラタンシー性液体
は、極めて真球度の高い無機粒子を分散させている。粒
子の真球度が高いため粒子は分散媒中に最密に充填され
易い。そして高剪断力の作用により粒子の充填状態が急
激に変化し、短時間にダイラタンシー性を発現できる。
【0019】また、粒子の真球度が高いため低剪断応力
下の通常状態での粘性抵抗が低くスムーズな流れとな
る。さらに、粒子が無機粒子であるため、機械的に強く
かつ熱に安定である。
【0020】
【実施例】実施例を以下に示す。 (実施例1)実施例1のダイラタンシー性液体は、シリ
カ粒子(商標:アドマファインSO−C2、平均粒径=
0.5μm、真球度<0.01)400重量部と純水1
00重量部および10%アンモニア水5重量部からな
る。このダイラタンシー性液体は、まず純水と10%ア
ンモニア水とを混合し、次に少しずつシリカ粒子を加
え、ボールミル中で48時間攪拌混合して得たものであ
る。
【0021】ここで使用したシリカ粒子の粒子系分布を
図1に、シリカ粒子の顕微鏡写真図を図2に示す。次に
このダイラタンシー性液体のダイラタンシー性をみるた
め、K.K.コーデックス社製共軸二重円筒型粘度計
(試験機名Rheomat115)のロータ型式:MS
−HS−125/36を使用し、剪断速度(S-1)と粘
度(mPa.s)との関係を調べた。粘度は(剪断応力
/剪断速度)で表され、グラフの形状からダイラタンシ
ー性を判断しやすいため、この値をダイラタンシー性の
指標とした。測定は、ロータ回転数を6rpm/sから
730rpm/sまで上げてゆき、各剪断速度における
粘度を随時測定した。
【0022】その結果を図3に示す。図3より、24
(S-1)の剪断速度の時には3100(mPa.s)の
粘度であるが、26(S-1)の剪断速度になると590
0(mPa.s)の粘度となり、28(S-1)の剪断速
度になると7500(mPa.s)の粘度となる。この
ようにわずかの剪断速度の違いで、急激な粘度上昇を示
すことがわかる。
【0023】なお、実施例1の組成では、B型粘度計で
30rpmのとき7500cPの液体粘度となる。そし
て無機粒子と水との組成割合を変えることによりダイラ
タンシーの効果を若干変えることができる。この無機粒
子、すなわち、アドマファインSO−C2、400重量
部に対する純水の量は、通常65〜170重量部であ
り、65重量部以下では液体が得られず、170重量部
以上ではダイラタンシー性が発現しなくなる。 (実施例2)実施例2のダイラタンシー性液体は、シリ
カ(アドマファインSO−C2、平均粒径=0.5μ
m、真球度<0.01)400重量部、純水53.2重
量部、エチレングリコール53.2重量部および10%
アンモニア水1.3重量部とよりなる。この実施例2は
実施例1のダイラタンシー性液体の一部の水に代えてエ
チレングリコールを使用したものである。
【0024】この実施例2のダイラタンシー性液体も実
施例1のダイラタンシー性液体とほぼ同じダイラタンシ
ー性を示した。この実施例2のダイラタンシー性液体は
B型粘度計で30rpmで7,000cPの粘性を示し
た。このダイラタンシー性液体は常圧で−35℃〜11
0℃の温度範囲で使用可能である。
【0025】なお、水とかエチレングリコールに代えて
他のアルコ−ル類、グリコール類、グリコールエーテル
類、あるいはその水溶液を使用してもダイラタンシー液
体を得ることができる。そして液体の種類を変えること
により、使用温度範囲を変化、拡大できる。 (実施例3)実施例3のダイラタンシー性液体は、シリ
カ(アドマファインSO−C2、平均粒径=0.5μ
m、真球度<0.01)400重量部、純水53.2重
量部、エチレングリコール53.2重量部およびトリエ
タノールアミン3重量部とよりなる。この実施例3は実
施例2のダイラタンシー性液体の10%アンモニア水の
代わりにトリエタノールアミンを使用したものである。
【0026】この実施例3のダイラタンシー性液体も実
施例1のダイラタンシー性液体とほぼ同じダイラタンシ
ー性を示した。この実施例3のダイラタンシー性液体は
B型粘度計で30rpm、で7,000cPの粘性を示
した。この実施例で、10%アンモニア水の代わりに脂
肪族系アミンを使用してもよいことが明らかになった。
なお、本実施例のようにトリエタノールアミンを使用す
るとシリカの分散安定性が更に向上しより長期間安定し
た系となる。 (実施例4)実施例4のダイラタンシー性液体は、シリ
カ(アドマファインSO−C2、平均粒径=0.5μ
m、真球度<0.01)320重量部、シリカ(アドマ
ファインSO−C2、平均粒径=1.5mμ、真球度<
0.01)80重量部、純水61.4重量部、エチレン
グリコール61.4重量部および10%アンモニア水2
重量部とよりなる。なお、新たに使用したシリカ(アド
マファインSO−E5、平均粒径=1.5μm、真球度
<0.01)の粒度分布を図4に、その顕微鏡写真図を
図5に示す。
【0027】この実施例4のダイラタンシー性液体は、
実施例1で使用した粘度計を使用した。なお、ロータ型
式:MS−DIN145/108を使用した。測定され
た結果を図6に示す。図6より、8000(S-1)の剪
断速度の時には96(mPa.s)の粘度であるが、1
0000(S-1)の剪断速度になると120(mPa.
s)の粘度となり、8000(S-1)から10000
(S-1)への剪断応力り変化で粘度は1.25倍の上昇
を示し、高剪断速度域型のダイラタンシー性液体となっ
ている。
【0028】この実施例4のダイラタンシー性液体は、
B型粘度計で30rpmで4000cPの粘性を示し
た。この実施例から粒子の平均粒径あるいは粒径分布を
変化させることで、粒子の濃度を変えることなく、流体
の粘度を変えることができることがあきらかとなった。
すなわち平均粒径を大きくすることで、流体粘度を下げ
ることができた。 (実施例5)実施例5のダイラタンシー性液体は、アル
ミナ(アドマファインAO−502平均粒径=0.7、
真球度<0.01)570重量部、純水100重量部、
10%アンモニア水10重量部とよりなる。このアルミ
ナ(アドマファインAO−502平均粒径=0.7、真
球度<0.01)の粒度分布を図7に、その顕微鏡写真
図を図8に示す。
【0029】この実施例5のダイラタンシー性液体は、
B型粘度計の30rpmで1,1000cPの粘度を示
した。この実施例から無機粒子は他の無機化合物粒子で
もよいことがわかる。すなわち、真球状のシリカの他
に、真球状のアルミナ、真球状のマグネシア、真球状の
ジルコニア等の真球状の無機酸化物を使用することがで
きる。 (実施例6)実施例6のダイラタンシー性液体は、エス
テル化処理されたシリカ(アドマファインSO−C2、
平均粒径=0.5μm、真球度<0.01)400重量
部とベンジルアルコール100重量部とよりなる。エス
テル化処理されたシリカは、シリカとアルコールとを混
合し、密閉容器中で150℃で12時間反応させたもの
である。なお、残ったアルコールは蒸発させて除去し
た。
【0030】この実施例6のダイラタンシー性液体は、
B型粘度計の30rpmで8,000cPの粘度を示し
た。この実施例で使用したベンジルアルコールに代えて
他の高級アルコール、ハロゲン化物、シリコンオイルを
使用してもよい。 (実施例7)実施例7のダイラタンシー性液体は、エス
テル化処理されたシリカ(アドマファインSO−C2、
平均粒径=0.5μm、真球度<0.01)375重量
部、テトラブロモエタン141重量部とベンジルアルコ
ール31重量部とよりなる。エステル化処理されたシリ
カは、実施例6で使用したものと同じものである。比重
2.9のテトラブロモエタン141重量部と比重1.0
4のベンジルアルコール31重量部とでシリカの比重
2.2と同じ比重の混合溶液としている。
【0031】この実施例7のダイラタンシー性液体は、
B型粘度計の30rpmで9,000cPの粘度を示し
た。このダイラタンシー性液体は、分散媒と分散体とが
同じ比重をもつため重力および遠心力により分散媒と分
散体とが分離しない。このため強い遠心力の作用する所
で使用できる。 (実施例8)実施例8のダイラタンシー性液体は、塩化
処理されたシリカ(アドマファインSO−C5、平均粒
径=1.5μm、真球度<0.01)375重量部とテ
トラブロモエタン141重量部とベンジルアルコール3
1重量部とよりなる。塩化処理されたシリカは、シリカ
50gと塩化チオニル(S04 Cl)20ccをフッ素
樹脂でライニングした密閉容器に入れ150℃で12時
間反応させ、シリカの表面を塩化処理したものである。
【0032】この実施例8のダイラタンシー性液体は、
B型粘度計の30rpmで7,000cPの粘度を示し
た。 (実施例9)本実施例のダイラタンシー性液体として、
実施例4で用いたダイラタンシー性液体に流動性向上剤
を添加して調製した。流動性向上剤としてはNaCl、
LiCl、Na2 MoO4 、Na2 SO4 の無機塩一種
類を適当量溶解させた多種類のダイラタンシー性液体と
した。
【0033】本実施例の一価の塩のイオン当量1単位の
ダイラタンシー性液体は、流動性向上剤として一価の
塩、NaClまたはLiClを水に溶解して2mol/
kgの溶液を作り、その溶液の3.9gを取って実施例
4で用いたダイラタンシー性液体1000gに加え、そ
れをボールミルで混合分散させて調製した。イオン当量
2単位のダイラタンシー性液体は2mol/kgの溶液
の3.9gの2倍の7.8gを、イオン当量3単位およ
び4単位のダイラタンシー性液体は2mol/kgの溶
液の3.9gの3倍の11.7g、4倍の15.6g
を、加えて調製した。また、Na2 MoO4 およびNa
2 SO4 の2価の塩では2mol/kgの溶液の1.9
5gを実施例4で用いたダイラタンシー性液体1000
gに加えて調製した液体をイオン当量1単位のダイラタ
ンシー性液体とした。同様に、イオン当量2単位、イオ
ン当量3単位および4単位のダイラタンシー性液体は2
mol/kgの溶液の1.95gの2倍の3.9g、3
倍の5、85g、4倍の7.8gを、加えて調製した。
【0034】得られたこれらのダイラタンシー性液体を
B型粘度計を用い30rpmでその粘度を測定した。結
果を図9に示す。図9の横軸はダイラタンシー性液体の
イオン当量単位を縦軸は剪断粘度を示す。図9より、N
aCl、LiCl、Na2 MoO4 、Na2 SO4 の強
電解質の塩を溶解添加することによりダイラタンシー性
液体の剪断粘度が低下するのがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で使用したシリカ粒子の粒子系分布を
示す棒グラフ。
【図2】実施例1で使用したシリカ粒子の顕微鏡写真
図。
【図3】実施例1のダイラタンシー性液体の剪断速度と
粘度との関係を示す線図。
【図4】実施例4で使用したシリカ粒子の粒子系分布を
示す棒グラフ。
【図5】実施例4で使用したシリカ粒子の顕微鏡写真
図。
【図6】実施例4のダイラタンシー性液体の剪断速度と
粘度との関係を示す線図。
【図7】実施例5で使用したアルミナ粒子の粒子系分布
を示す棒グラフ。
【図8】実施例5で使用したアルミナ粒子の顕微鏡写真
図。
【図9】実施例9のダイラタンシー性液体の添加された
強電解質液体のイオン当量単位と剪断粘度との関係を示
す線図。
【手続補正書】
【提出日】平成8年2月15日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図5
【補正方法】変更
【補正内容】
【図5】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図8
【補正方法】変更
【補正内容】
【図8】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C10M 125:26 C10N 40:08)

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真球度が1.1以下で粒径が0.05〜5
    μmの無機粒子と該無機粒子間に保持された液体とから
    なり低剪断応力下でゾル状となり高剪断応力下でゲル状
    となるダイラタンシー性液体。
  2. 【請求項2】前記無機粒子の真球度は1.01以下であ
    る請求項1記載のダイラタンシー性液体。
  3. 【請求項3】前記無機粒子の粒径分布は0.1〜1.5
    μmである請求項1記載のダイラタンシー性液体。
  4. 【請求項4】前記無機粒子はSi、Al、Mg、Zrの
    酸化物あるいは窒化物である請求項1記載のダイラタン
    シー性液体。
  5. 【請求項5】前記液体は分散向上剤を含む請求項1記載
    のダイラタンシー性液体。
  6. 【請求項6】前記液体は流動性向上剤を含む請求項1記
    載のダイラタンシー性液体。
  7. 【請求項7】前記無機粒子の真比重を100とすると前
    記液体の比重は90〜110である請求項1記載のダイ
    ラタンシー性液体。
  8. 【請求項8】前記液体は水溶液である請求項1記載のダ
    イラタンシー性液体。
  9. 【請求項9】前記液体は有機液体である請求項1記載の
    ダイラタンシー性液体。
  10. 【請求項10】前記有機液体はシリコンオイルである請
    求項9記載のダイラタンシー性液体。
  11. 【請求項11】前記有機液体はアルコール、カルボン酸
    あるいはエステルである請求項9記載のダイラタンシー
    性液体。
  12. 【請求項12】前記有機液体はハロゲン化物である請求
    項9記載のダイラタンシー性液体。
  13. 【請求項13】前記無機粒子は親油性表面をもつ請求項
    1記載のダイラタンシー性液体。
  14. 【請求項14】前記無機粒子はハロゲン化処理、エステ
    ル化処理、アルキル化処理の処理がなされたものである
    請求項13記載のダイラタンシー性液体。
  15. 【請求項15】前記無機粒子はシリカ粒子であり、前記
    液体は水である請求項1記載のダイラタンシー性液体。
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