JPH1046182A

JPH1046182A - 電気粘性流体

Info

Publication number: JPH1046182A
Application number: JP20356196A
Authority: JP
Inventors: Akira Nishihara; 明西原; Yukiya Yamashita; 行也山下; Yuji Ota; 裕士太田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-08-01
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 1998-02-17

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的安価な化合物を使用し、室温で作動
し、長期的に使用可能な電気粘性流体を提供する。【解決手段】極性基を有する変性シリコーンオイル
を、これより低粘度の絶縁油 (例、未変性シリコーンオ
イルまたは炭化水素系絶縁油) に分散させたエマルショ
ンからなる電気粘性流体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械システムにお
いて振動吸収、トルク伝達、サーボ制御等のアクチュエ
ーターとして、あるいは光シャッター等の光学素子とし
て有用な、分散系の電気粘性流体に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気粘性流体とは、電圧を印加すると粘
性が瞬間的に大きくかつ可逆的に変化する (通常は増大
する) 流体のことである。

【０００３】電気粘性流体は、分散系と均一系とに大別
される。従来の電気粘性流体の多くは、電気分極性の微
粒子を絶縁油中に分散させた分散系のものである。分散
系電気粘性流体では、電圧をかけると、絶縁油中に分散
した微粒子が分極し、分極した粒子が電極間に数珠状に
並んで流体である絶縁油の流れを阻害するため、見かけ
上は粘度が増大したのと同じ挙動を示す。この分散系電
気粘性流体は大きな粘度変化が得られ、短期的には優れ
た性能を示すものの、分散粒子の沈降、電極の消耗、粒
子自体の破壊等の問題があり、実用化への大きな障害と
なっている。

【０００４】均一系の電気粘性流体としては、コレステ
リック液晶混合物や低分子液晶などの液晶を利用したも
のが主体であるが、ほかにニトロメタンやニトロベンゼ
ン等の極性液体、或いは強誘電性ポリマー溶液を用いる
方法も提案されている。

【０００５】特開平６−220483号公報には、１つの分子
鎖に２種以上の液晶性基 (メソゲン基) が結合した高分
子化合物 (例、シリコーン) からなる均一系の電気粘性
流体が開示されており、これは電圧印加により分散系に
匹敵する大きな粘度変化を示すことが記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に記
載のような高分子液晶化合物は、一般に液晶性の官能基
を高分子化合物中に側鎖として導入することにより合成
され、多段階の合成工程が必要で、合成に手間がかか
る。そのため、この化合物は非常に高価である。また、
液晶性化合物は、液晶性を示す温度範囲でなければ十分
な電気粘性効果が得られず、作動温度範囲が限られ、室
温では使用できないという問題もあった。電気粘性流体
の用途の多くは室温で操作されるので、室温で使用でき
ないと実用性は著しく乏しくなる。

【０００７】本発明は、比較的安価な化合物を使用し、
室温で作動し、長期的に使用可能な電気粘性流体を提供
することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、市販の変
性シリコーンオイルを絶縁油に分散させたエマルション
が、電圧印加により室温で大きな粘度変化を示すことに
気付き、一般に極性基を有する液状有機ポリマーを絶縁
油に分散させたエマルションにより上記課題を解決でき
ることを見出した。

【０００９】ここに、本発明は、極性基を有する液状有
機ポリマーを、それより低粘度の絶縁油に分散させたエ
マルションからなる電気粘性流体である。

【００１０】

【発明の実施の形態】極性基を有する液状有機ポリマー
の代表例は、シリコーンオイル (室温で液状のアルキル
ポリシロキサン、代表的にはジメチルポリシロキサン)
の分子末端および／または側鎖に極性基を導入すること
により変性した変性シリコーンオイルである。極性基と
しては、アミノ基、エポキシ基、アルコキシル基、フッ
素置換アルキル基 (例、トリフルオロメチル基) 、カル
ボキシル基などが挙げられる。これらの極性基は、適当
な結合基を介してポリシロキサンの分子鎖に結合させて
もよい。有機ポリマーは２種以上の極性基を有していて
もよい。

【００１１】このような変性シリコーンオイルは、繊維
の処理、各種シリコーン樹脂の原料等として工業的に幅
広く用いられており、比較的低価格で市販されている。
具体例としては、アミノ変性シリコーンオイル、エポキ
シ変性シリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイ
ル、カルボキシル変性シリコーンオイル等が挙げられ、
市販品の例としては、信越化学製シリコーンオイルKF-3
93、KF-854、X-22-161A、X-22-162A 、X-22-3637 、KF-
101、FL-100、BY16-754等がある。

【００１２】極性基を持つ液状有機ポリマーはシリコー
ンオイルに限定されるものではなく、例えば、ポリアク
リル酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコー
ル等の炭素系有機ポリマーに上記極性基のいずれかを導
入したものでもよい。以下は、極性基を有する液状有機
ポリマーを、その代表例である変性シリコーンオイルで
代表させて説明する。

【００１３】この変性シリコーンオイルを分散させる絶
縁油は、電圧の印加により導通が生じないものであれば
よく特に限定されないが、一般的な例として、シリコー
ンオイルおよび炭化水素系オイルが挙げられる。絶縁油
は、実質的に無極性のものを使用する。即ち、シリコー
ンオイルではSiとＣとＨ、炭化水素系オイルではＣとＨ
からなるものが好ましい。絶縁油が極性を有している
と、極性を有する変性シリコーンオイルと相溶し易く、
目的とするエマルションを形成することが困難となる。

【００１４】絶縁油として使用できるシリコーンオイル
の例には、ジメチルポリシロキサン、メチルハイドロジ
エンポリシロキサン等があり、そのメチル基の一部はフ
ェニル基、アルキル基等の炭化水素基で置換されていて
もよい。市販品の例としては、信越化学製シリコーンオ
イルKF-56 、KF-96 、KF-99 等が挙げられる。

【００１５】炭化水素系絶縁油の具体例としては、アル
キルナフタレン、流動パラフィン、ケロシン、キシレ
ン、トルエン等が挙げられる。

【００１６】絶縁油は、これに分散させる変性シリコー
ンオイルより低粘度のものを使用する。それにより、絶
縁油中に変性シリコーンオイルを分散相として分散させ
た本発明の電気粘性流体が得られる。分散方法は特に限
定されないが、例えば、変性シリコーンと絶縁油の両者
を、これらを溶解できる共通溶媒中に溶解し、得られた
溶液から溶媒を蒸発により除去する方法、変性シリコー
ンオイルと絶縁油とを直接混合する方法等が可能であ
る。

【００１７】溶媒の除去は、常圧下で加熱により除去す
る方法と、減圧蒸発 (加熱または無加熱) のいずれでも
実施できる。溶媒は完全に除去する必要はなく、分散状
態が安定に保持できれば、一部の溶媒がエマルション中
に残留していてもよい。混合による分散は、機械的な攪
拌、超音波などにより実施すればよい。

【００１８】エマルションが水分を含有していると、電
圧の印加を効果的に行うことができないので、得られた
エマルションは必要に応じて脱水する。脱水処理は、エ
マルションを形成する前の変性シリコーンオイルと絶縁
油に別々に適用してもよい。脱水処理は、加熱脱水、脱
水剤の添加などにより実施できる。脱水剤としては、有
機溶媒の脱水に一般に使用されているモレキュラーシー
ブスが好ましい。

【００１９】変性シリコーンオイルと絶縁油の割合は、
絶縁油中に変性シリコーンオイルが分散したエマルショ
ンが得られる限り、特に制限されないが、通常はこの両
者の合計量に基づいて、変性シリコーンオイルが１〜70
重量％、絶縁油が残り30〜99重量％の割合であり、好ま
しくは変性シリコーンオイル５〜50重量％、絶縁油50〜
95重量％である。変性シリコーンオイルの量が１重量％
以下になると実質的に大きな粘度変化は得られず、また
70重量％以上でも同様に粘度変化が得られにくい。

【００２０】本発明の電気粘性流体は、分散相を構成す
る変性シリコーンオイル (極性基を有する有機ポリマ
ー) 、分散媒を構成する低粘度の絶縁油、場合により少
量残留していてもよい溶媒の他に、所望により、非イオ
ン系の界面活性剤等の添加成分を含有していてもよい。

【００２１】本発明において、変性シリコーンオイルと
絶縁油との相互作用は明らかとはなっていないが、変性
シリコーンオイル単独、または絶縁油単独では、いずれ
も電気粘性挙動を示さず、変性シリコーンオイルを絶縁
油中に分散させたときのみに電気粘性挙動を示す。ま
た、変性シリコーンオイルと絶縁油の両者を溶解できる
共通溶媒を添加して、エマルションを均一溶液とする
と、実質的な電気粘性挙動を得ることができない。従っ
て、エマルジョン状で絶縁油中に分散した状態の変性シ
リコーンオイルが、何らかの作用、例えば、エマルジョ
ン粒子の変形、結合等により、電気粘性挙動 (粘度変
化) に寄与しているものと考えられる。

【００２２】本発明において、大きな粘度変化を得たい
場合には、絶縁油は粘度が小さいものにし、一方、絶縁
油中に分散させる変性シリコーンオイルは粘度が大きい
方が好ましい。即ち、変性シリコーンオイルは絶縁油よ
り高粘度のものを使用するが、両者の粘度差が大きいほ
ど、得られた電気粘性流体の粘度変化が大きくなる傾向
がある。好ましくは、作動温度での変性シリコーンオイ
ルの動粘度 (ストークス粘度) が絶縁油の動粘度の３倍
以上であり、より好ましくは５倍以上である。なお、こ
の時の両者の動粘度は電圧を印加しない基底状態での値
である。

【００２３】一方、粘度変化よりも絶対的な高い粘度が
要求される用途では、絶縁油を比較的高粘度のものにし
た方が、求める粘度が得やすい。その場合には、上記の
動粘度の比は３倍未満であってもよい。

【００２４】粘度変化が特に大きくなるのは、変性シリ
コーンオイルが側鎖にエポキシ基、カルボキシル基また
はアミノ基を有している場合である。また、粘度変化
は、変性シリコーンオイル中に存在する極性基の量が多
い方が大きくなる。変性シリコーンオイル中の極性基の
存在割合は、各極性基当たりの分子量の指標である極性
基の当量または酸価 (極性基が酸の場合) で示すことが
できる (この当量が小さいほど、極性基の割合は多くな
る) 。

【００２５】本発明で使用する変性シリコーンオイル中
の極性基の存在割合は、極性基がエポキシ基またはアミ
ノ基である場合でエポキシ当量またはアミノ基当量が40
00 g/mol以下 (例、 200〜4000 g/molの範囲内) 、極性
基がカルボキシル基である場合で酸価が4000 mgKOH/g以
下 (例、 500〜4000 mgKOH/gの範囲内) となる割合であ
ることが好ましい。

【００２６】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。電気粘性流体の基本特性である電気粘性効果の測定
は下記の方法に従った。また、実施例に記載した粘度
（動粘度）はいずれも室温での測定値である。

【００２７】(基底粘度および電気粘性効果の測定)市販
Ｂ型粘度計 [東機産業 (株) 製：DVM-2 型] のローター
とカップに電極をつなぎ、電極を市販直流型耐圧計 [東
亜電波 (株) 製] に接続して 500Ｖの直流電圧を印加
し、電圧印加前（基底粘度）と印加後の粘度を測定し
た。

【００２８】

【実施例１】市販のエポキシ基を含有する変性シリコー
ンオイル [信越化学製KF-101；エポキシ当量350 g/mol
；動粘度1800 cSt] ５ｇと、市販の極性基を有しない
シリコーンオイル系絶縁油 [信越化学製KF−96；21 cS
t] 15ｇとを、ヘキサン30ｇ中に攪拌しながら溶解させ
た。得られた溶液を100 ℃で５時間加熱してヘキサンを
蒸発させ、残液を十分に攪拌して、変性シリコーンオイ
ルが絶縁油中に分散しているエマルションを得た。その
粘度変化を表１に示す。

【００２９】

【実施例２】実施例１で使用したエポキシ基含有変性シ
リコーンオイル (KF-101) ５ｇを市販の炭化水素系絶縁
油 [アルキルナフタレン：ライオン製ライオンＳ；60 c
St]20ｇと直接混合し、攪拌して、変性シリコーンオイ
ルが絶縁油中に分散しているエマルションを得た。その
粘度変化を表１に示す。

【００３０】

【実施例３】トリフルオロメチル基を含有するフッ素変
性シリコーンオイル [信越化学製FL-100；極性基の存在
割合は不明；100 cSt]３ｇを、実施例２で用いたのと同
じ炭化水素系絶縁油25ｇと直接混合し、攪拌して、変性
シリコーンオイルが絶縁油中に分散しているエマルショ
ンを得た。その粘度変化を表１に示す。

【００３１】

【実施例４】カルボキシル基を含有する変性シリコーン
オイル [東レ・ダウコーニング・シリコーン社製BY16-7
54；酸価1000 mgKOH/g；3000 cSt] 10ｇを、メチルフェ
ニルポリシロキサンからなる絶縁油 [信越化学製KF−5
6；15 cSt] 30ｇと直接混合し、攪拌して、変性シリコ
ーンオイルが絶縁油中に分散しているエマルションを得
た。その粘度変化を表１に示す。

【００３２】

【実施例５】エポキシポリエーテル基を含有する変性シ
リコーンオイル [信越化学製X-22-3667;エポキシ当量38
00 g/mol；3000 cSt] ５ｇを、実施例２で用いたのと同
じ炭化水素系絶縁油15ｇと直接混合し、攪拌して、変性
シリコーンオイルが絶縁油中に分散しているエマルショ
ンを得た。その粘度変化を表１に示す。

【００３３】

【実施例６】アミノ基を含有する変性シリコーンオイル
[信越化学製KF-393；アミノ基当量360 g/mol ；60 cS
t] 10ｇを、実施例１で用いたのと同じシリコーンオイ
ル系絶縁油30ｇと直接混合し、攪拌して、変性シリコー
ンオイルが絶縁油中に分散しているエマルションを得
た。その粘度変化を表１に示す。

【００３４】

【比較例１】実施例１で用いた変性シリコーンオイル
(KF-101) の電気粘性効果を測定した結果を表１に示
す。

【００３５】

【比較例２】実施例１で用いた絶縁油 (KF-96)の電気粘
性効果を測定した結果を表１に示す。

【００３６】

【比較例３】変性シリコーンオイルとしてアルキル変性
シリコーンオイル [信越化学製KF-412；500 cSt]を用い
た以外は実施例４と同様の操作を行った。

【００３７】

【比較例４】アミノ基を含有する変性シリコーンオイル
[信越化学製KF-865；アミノ基当量4400 g/mol；4400 c
St] ５ｇを、実施例１で用いたのと同じシリコーンオイ
ル系絶縁油30ｇと直接混合し攪拌したところ、エマルシ
ョンではなく、両成分が均一に相溶した溶液が得られ
た。この溶液の粘度変化の測定結果を表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１からわかるように、極性基を有する変
性シリコーンオイルを絶縁油中に分散させた実施例１〜
６のエマルションは、電圧を印加すると粘度が大きく増
大し（実施例３のみ約1.5 倍、その他は３倍以上) 、電
気粘性流体として使用可能な粘度変化を示す。これに対
し、分散相である変性シリコーンオイルが極性基を有し
ていないか (比較例３) 、或いは極性基を有する変性シ
リコーンオイルを用いても、これが絶縁油と均質に混合
して溶液となると (比較例４) 、粘度変化は小さく、電
気粘性流体としては使用できない。

【００４０】なお、実施例１〜６および比較例３のエマ
ルションは、いずれも20℃で１週間放置しても、エマル
ション状態を保持しており、長期的に安定であることを
確認した。

【００４１】

【発明の効果】本発明の電気粘性流体は、室温で作動
し、簡便かつ安価に製造でき、電圧の印加により実用に
十分な粘度変化を示す。また、粒子を分散させた分散系
の電気粘性流体と異なり、液体を分散させたエマルショ
ンであり、分散状態が長期的に安定で保持される。本発
明の電気粘性流体を用いて、バルブ、クラッチ、ブレー
キ、トルクコンバーター等のアクチュエーター、防振材
料を含む機械システム、ならびに光透過率を制御する光
シャッター等の光学素子への応用が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── 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 155:02）Ｃ１０Ｎ 40:06 40:08 40:14 50:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】極性基を有する液状有機ポリマーを、そ
れより低粘度の絶縁油に分散させたエマルションからな
る、電気粘性流体。
【請求項２】該有機ポリマーがシリコーンオイルであ
る請求項１記載の電気粘性流体。
【請求項３】該極性基がアミノ基、エポキシ基、アル
コキシル基、フッ素置換アルキル基、およびカルボキシ
ル基よりなる群から選ばれる、請求項１または２記載の
電気粘性流体。
【請求項４】絶縁油が、極性基を有しない芳香族系炭
化水素およびシリコーンオイルよりなる群から選ばれ
る、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気粘性
流体。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項に記載
の電気粘性流体により作動する機械システムまたは光学
素子。