JPH0873882A - 均一系の電気粘性流体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 沈降、凝集の問題がなく経時安定性に優れ、
広い温度範囲で用いることが可能で、なおかつ液晶性物
質と比較して低コストで得られる電気粘性流体を提供す
る。 【構成】 屈曲性分子鎖の両末端に、非剛直性でなおか
つ凝集性をもつ原子団が結合された化合物を電気粘性流
体として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明は均一系の電気粘性流体
に関するものであり、位置決め制御や振動吸収、トルク
伝達、人工筋肉などのアクチュエーターとして利用され
る。

【０００２】

【従来の技術】電圧印加により粘性が瞬間的かつ可逆的
に大きく変化する電気粘性流体は、既に１９４０年代よ
りシリカやでんぷんなどの含水微粒子を絶縁油に分散さ
せた、いわゆるＷｉｎｓｌｏｗ流体としてよく知られ
る。その後含水微粒子にイオン交換樹脂粒子やゼオライ
ト粒子を用いる方法、また有機半導体粒子、表面絶縁化
した導電体粒子などの非含水粒子を用いる方法など、多
くの改良が提案されている。しかしながら、これらの粒
子を用いる方法は、短期的には優れた性能を示すものの
長期的には粒子の沈降分離や沈降粒子の凝集粘土化が避
けがたく実用化の大きな障害になっている。

【０００３】一方、粒子沈降や凝集の問題を発生しない
均一系の電気粘性流体として液晶性物質が注目されてい
る。液晶性物質は、電圧印加により分子配向してその粘
度が増大する。特に一つの分子鎖に二つ以上の液晶性基
を結合した液晶性物質は、液晶性基の形成するドメイン
同士が屈曲性の分子鎖によって結合されるため電圧印加
による粘度増加は顕著である（特開平５−３２９８８号
公報）。しかしながら液晶性物質は、作動温度が比較的
高温に限定され、さらにコストが高いなどの実用に際し
ての問題点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、沈降凝集の
問題がなく、電気的安定性・経時安定性に優れ、広い温
度範囲で用いることが可能で、なおかつ液晶性物質と比
較して低コストで得られる電気粘性流体を提供しようと
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の電
気粘性流体の欠点を解消すべく鋭意検討した結果、凝集
性のある原子団を両端にもつ化合物であれば、その粘度
を電場によって変化させることが可能であること、さら
にその凝集性をもつ原子団を非剛直なものとすることに
より電気粘性効果の発現温度範囲が拡大することを見出
し、本発明に到達した。すなわち本発明は、屈曲性分子
鎖の両末端に非剛直性で凝集性をもつ原子団が結合され
た化合物からなる電気粘性流体である。

【０００６】本発明における非剛直性であるとは、その
分子構造中に直線的な棒状の構造となる部分を含まない
原子団をいう。ここで棒状の構造とは、２つ以上の芳香
族炭化水素、シクロヘキサン、ジオキサン、ピリミジン
のそれぞれが、直接或いはエステル結合、イミド結合な
どを介して直列に結合されているため、自由回転が可能
な部分が少ない構造のことをいう。剛直性であると、電
気粘性効果を発現する温度が高くなり、かつその範囲が
狭くなるため好ましくない。

【０００７】非剛直性である原子団の具体的例として、
１）芳香族炭化水素および／または短鎖の脂肪族炭化水
素を主要な構成要素とし、アミド結合、ウレタン結合、
ウレア結合などの水素結合性基や、エステル結合、カー
ボネート結合、エーテル結合などの極性基を含んでなる
原子団を基本単位とする繰り返し構造（具体例は化学式
１から４など）、２）脂肪族炭化水素を主鎖として側鎖
に芳香族炭化水素をもつ原子団を基本単位とする繰り返
し構造（具体例は化学式５など）などが挙げられる。こ
れらの原子団は、芳香族環や脂肪鎖の凝集力、水素結合
基や極性基間の凝集力によってドメインを形成してかつ
電場に対する応答性を発現する。その重合度は１から１
００が好ましく、２から５０がより好ましい。また、本
発明の目的を損なわない限り、屈曲性分子鎖の両末端に
結合される、非剛直性で凝集性をもつ原子団の種類は同
一でも互いに異なっても良い。

【０００８】

【化１】

【０００９】

【化２】

【００１０】

【化３】

【００１１】

【化４】

【００１２】

【化５】

【００１３】ただし、上記の繰り返し基本単位中におい
て、上述したように、２つ以上の芳香族炭化水素、シク
ロヘキサン、ジオキサン、ピリミジンが直接或いはエス
テル結合、イミド結合などを介して直列に結合されてい
ると、剛直性が生じ、電気粘性効果を発現する温度が高
くなりかつその範囲が狭くなるため好ましくなく、本発
明でいう「非剛直性で凝集性をもつ原子団」にはあては
まらない。例えば、シッフ塩基系（化学式６）、安息香
酸エステル系（化学式７）、ビフェニル系（化学式
８）、シクロヘキシルカルボン酸エステル（化学式
９）、フェニルシクロヘキサン系（化学式１０）、ピリ
ミジン系（化学式１１）、ジオキサン系（化学式１
２）、シクロヘキシルシクロヘキサン系（化学式１３）
などの液晶性基は剛直性の原子団である。

【００１４】

【化６】

【００１５】本発明における、屈曲性分子鎖とは柔らか
くて比較的低温でも流動性を示し、かつ、電圧印加した
とき両末端に付加した非剛直性の原子団の凝集を妨げな
い分子鎖である。屈曲性分子鎖を構成する単位でオリゴ
マーあるいはポリマーを合成した場合、そのガラス転移
温度（Ｔｇ）が２５℃以下、好ましくは０℃以下、より
好ましくは−２０℃以下である。また、具体的には、た
とえば、以下の１）から５）に示すユニットの単独重合
体あるいは共重合体を主要部分とする分子鎖である。

【００１６】１）エチレン、プロピレン、イソブチレン
などの−ＣＨ₂ ＣＲ¹ Ｒ² −（ここでＲ¹ 、Ｒ² は、水
素あるいはメチル、エチルなど炭素数１から１０のアル
キル基を示し、Ｒ¹ 、Ｒ² は同一であっても異なっても
良い）で示されるアルキレン。 ２）ブタジエン、イソプレンなどの−（ＣＲ¹ Ｒ² ）＝
（ＣＲ³ Ｒ⁴ ）−（ここでＲ¹ 、Ｒ² 、Ｒ³ 、Ｒ⁴ は、
水素あるいはメチル、エチルなど炭素数１から１０のア
ルキル基を示し、Ｒ¹ 、Ｒ² 、Ｒ³ 、Ｒ⁴ は同一であっ
ても異なっても良い）で示されるオレフィン炭化水素。

【００１７】３）オキシメチレン、オキシエチレンなど
の−Ｏ（ＣＲ¹ Ｒ² ）_m −（ここでＲ¹ 、Ｒ² は前記と
同一、ｍ＝１−５）で示されるオキシアルキレン。 ４）チオメチレン、チオエチレンなどの−Ｓ（ＣＲ¹ Ｒ
² ）_m −（ここでＲ¹、Ｒ² 、ｍは前記と同一）で示さ
れるチオアルキレン。 ５）ジメチルシロキサンなどの−ＳｉＲ³ Ｒ⁴ Ｏ−（こ
こでＲ³ 、Ｒ⁴ は、水素あるいはメチル、エチルなど炭
素数１−１０のアルキル基を示し、Ｒ³ 、Ｒ⁴は同一で
も異なっても良い）などで示されるシロキサン。

【００１８】この屈曲性分子鎖の重合度は１から５０が
好ましく、より好ましくは２から２０である。また、電
気的な安定性の面から、その電気抵抗は１０⁸ Ωｃｍ以
上であることが好ましい。本発明に用いられる化合物の
合成方法としては、屈曲性の分子鎖と非剛直性で凝集性
をもつ原子団を各々合成しておき、それを後に連結する
ことにより目的とする構造を作り上げる方法、屈曲性の
分子鎖の合成後に非剛直性で凝集性を持つ原子団の原料
を添加し、両末端を成長させる逐次的な方法のいずれで
あってもよい。

【００１９】本発明の化合物は、本発明の目的を損なわ
ない範囲において変性して用いることができる。例え
ば、該化合物の末端や側鎖として極性の官能基を導入す
ることは、電場に対する分子の応答性を向上させる点で
好ましい手段である。また、該化合物に希釈剤や可塑剤
などを加えることも、化合物自体の粘度を低下させ電場
印加時の粘度変化を高めることができるという点で好ま
しい手段のひとつである。その場合、屈曲性の分子鎖と
近い構造をもつ希釈剤が特に好ましい。

【００２０】

【実施例】次に実施例により、本発明をさらに詳細に説
明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものでは
ない。なお電気粘性効果の測定は下記の方法に従って行
った。 〔電気粘性効果の測定方法〕プレート対向面全体が電極
を形成するように改造された１対の平行円盤（下側円盤
がモーターに接続して回転、上側円盤がトルク計に接続
してせん断応力を測定する）をもつパラレル・プレート
型の回転粘度計を用い電気粘性効果を測定した。電極間
に試料を挟み、所定の温度と所定のせん断速度で試料に
せん断を与えた際のせん断応力を電極間に電圧印加した
場合と電圧印加しない場合とで測定し、その差をもって
発生せん断応力とした。すなわち、本実施例における発
生せん断応力は次のように定義される。

【００２１】（発生せん断応力）＝（電圧印加時のせん
断応力）−（電圧無印加時のせん断応力） なお、本実施例における測定条件は、対向電極径３２ｍ
ｍ、電極間距離０．５０ｍｍ、平均せん断速度１０ｓｅ
ｃ^-1、印加電圧ＤＣ１ｋＶである。

【００２２】

【実施例１】ブチルリチウムのヘキサン溶液１０ｍｌ
（１．６ｍｏｌ／ｌ）を精製済みのテトラヒドロフラン
（ＴＨＦ）で１０倍希釈し、そこへスチレンモノマーの
ＴＨＦ溶液３２０ｍｌ（１．０ｍｏｌ／ｌ）を霧状に吹
き込み０℃でポリスチレンの重合反応を行った。３０分
撹拌の後アリルブロマイド２．０ｇを添加して、重合反
応を停止した。これをメタノールで再沈精製して、平均
重合度２０のポリスチレン（片末端アリル）が約３０ｇ
得られた。

【００２３】上で得られた片末端に２重結合をもつポリ
スチレン２０．０ｇ、両末端にＳｉＨ基を持つポリシロ
キサン（重合度１５）５．１ｇをＴＨＦ１００ｍｌに溶
解し、塩化白金酸６水塩１０ｍｇを加えて６０℃で２４
時間反応させた。反応終了後、ＴＨＦを留去して屈曲性
分子鎖の両末端に非剛直性で凝集性をもつ原子団が結合
された化合物Ａを約１５ｇ得た。

【００２４】

【化７】

【００２５】この化合物Ａの発生せん断応力を測定した
ところ、３０℃において＋３４Ｐａ、０℃において＋４
８Ｐａであり、低温においても電気粘性効果を発現し
た。

【００２６】

【実施例２】安息香酸１０．０ｇ、ジシクロヘキシルカ
ルボジイミド２１．０ｇ、トリエチルアミン１２．０ｇ
を溶解したジクロロメタン溶液１５０ｍｌに、アリルア
ルコール６．３ｇ／ジクロロメタン３０ｍｌ溶液を滴下
してエステル化反応を行った。２４時間室温で撹拌の
後、析出したジシクロヘキシルウレアを濾過によって除
去した。その濾液を１０％塩酸で２回洗浄した後、ジク
ロロメタンを留去し、エタノールで再結晶を行うことに
より白色固体約１０ｇを得た。

【００２７】上で得られた白色固体５ｇと、両末端にＳ
ｉＨ基を持つシロキサン重合体（重合度４）４．４ｇを
ＴＨＦ１００ｍｌに溶解し、塩化白金酸６水塩１０ｍｇ
を加えて６０℃で２４時間反応させた。反応終了後、Ｔ
ＨＦを留去して屈曲性分子鎖の両末端に非剛直性で凝集
性をもつ原子団が結合された化合物Ｂ（化学式１５）を
約９ｇ得た。

【００２８】この化合物Ｂの発生せん断応力を測定した
ところ、３０℃において＋２９Ｐａ、０℃において＋４
１Ｐａであり、低温においても電気粘性効果を発現し
た。

【００２９】

【化８】

【００３０】

【比較例１】ｐ−ヒドロキシ安息香酸３７ｇを水酸化カ
リウム３０ｇ、水４０ｍｌ、エタノール１９０ｍｌの混
合液に溶解させた後、ヨウ化カリウム０．３ｇを加え、
５−ブロモペンテン４０ｇを滴下した。これを８０℃で
１２時間還流した後、塩酸でｐＨ３．０に保った水４０
０ｍｌに注ぎ、得られた沈殿を７０℃のエタノールに溶
解し再結晶し、生成物Ｃを約４０ｇを得た。

【００３１】１４ｇの生成物Ｃに塩化チオニル１６ｇと
数滴のジメチルホルムアミドを加え、室温で３０分撹拌
した後、真空下で過剰の塩化チオニルを留去した。これ
をＴＨＦ１１０ｍｌに溶解した後、ｐ−シアノフェノー
ル８ｇとトリエチルアミン９ｇを溶解した５℃のＴＨＦ
２８０ｍｌの中に滴下し、５℃で４時間撹拌した。その
後、ＴＨＦを減圧留去し、新たにジクロロメタン３００
ｍｌに溶解し、分液ロートを用いて３回水洗した。硫酸
ナトリウムで脱水後、シリカゲルを詰めたカラムを通し
て精製した。ジクロロメタン留去後、７０℃のエタノー
ルを用いて再結晶し、生成物Ｄ約２０ｇを得た。

【００３２】この生成物Ｄ１３．３ｇと両末端にＳｉＨ
基を持つシロキサン重合体（重合度４）６．１ｇをＴＨ
Ｆ１００ｍｌに溶解し、塩化白金酸６水塩１０ｍｇを加
えて６０℃で２４時間反応させた。反応終了後、ＴＨＦ
を留去して屈曲性分子鎖の両末端に液晶性基をもつ化合
物Ｅ（化学式１６）を得た。この化合物Ｅの発生せん断
応力を測定したところ、３０℃において＋４７Ｐａ、０
℃においては固化して測定不能であった。

【００３３】

【化９】

【００３４】

【発明の効果】本発明の構成とすることにより、沈降、
凝集の問題がなく経時安定性に優れ、広い温度範囲で用
いることが可能で、なおかつ液晶性物質と比較して、低
コストで得られる電気粘性流体を提供することができ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈曲性分子鎖の両末端に非剛直性で凝集
   性をもつ原子団が結合された化合物からなる電気粘性流
   体。