DE102010026782A1

DE102010026782A1 - Plättchenförmige Eisenpigmente, magnetorheologisches Fluid und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102010026782A1
Application number: DE102010026782A
Authority: DE
Inventors: Christian Wolfrum; Dr. Trummer Stefan; Dr. Greb Marco
Original assignee: Eckart GmbH
Current assignee: Eckart GmbH
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-12
Also published as: EP2591058A1; WO2012004236A1; CN103003372A; CN103003372B; US20130112912A1

Abstract

Die Erfindung betrifft plättchenförmige Eisenpigmente hergestellt durch Verformung von Carbonyleisenpulver, wobei die plättchenförmigen Eisenpigmente eine Größenverteilung von einem D50-Wert aus einem Bereich von 3 bis 16 μm und ein Größen-Dicken-Verhältnis aus einem Bereich von 2 bis 50 aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner ein magnetorheologisches Fluid, das die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente enthält, als auch eine Vorrichtung, die das magnetorheologische Fluid enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft plättchenförmige Eisenpigmente, die durch mechanische Verformung von Carbonyleisenpulver hergestellt sind, sowie deren Verwendung in einem magnetorheologischen Fluid. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein magnetorheologisches Fluid, das plättchenförmige Eisenpigmente enthält, sowie eine Vorrichtung, die das erfindungsgemäße magnetorheologische Fluid enthält.
Magnetorheologische Fluide (MRF) sind Suspensionen, die in einem Trägerfluid verteilte magnetische oder magnetisierbare Teilchen enthalten, wobei sich die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit unter Anlegung eines Magnetfeldes stark verändert. Die Viskosität kann sich dabei so stark erhöhen, dass sich das magnetorheologische Fluid verfestigt.
Bei Einwirkung eines Magnetfeldes auf das magnetorheologische Fluid (MRF) werden die Partikel ausgerichtet und bilden Kettenstrukturen entlang der magnetischen Feldlinie. Mit dem Ansteigen der magnetischen Feldstärke wird die Viskosität des magnetorheologischen Fluids erhöht. Bei Abschaltung des Magnetfeldes nimmt die Viskosität ab, da die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel eine statistische Verteilung einnehmen, mithin die in dem Fluid von den magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln ausgebildeten Ketten zerfallen.
Die magnetorheologischen Fluide finden Anwendung in Fahrwerks-Stoßdämpfern, Dämpfern in Sitzen, Motorlagern, Allradantrieb-Kupplungen, Dämpfern in Brücken oder Hochhäusern oder auch in der Medizintechnik in Prothesen.
Die WO 01/03150 A1 betrifft ein magnetorheologisches Material, das ein Trägerfluid, magnetisierbare sphärische Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 bis 1000 μm und einen von Bentonit stammenden hydrophoben organmineralischen Ton enthält. Der hydrophobe organmineralische Ton wird als Anti-Absetzmittel, Verdickungsmittel und Rheologiehilfsmittel verwendet.
Das US-Patent US 5,667,715 offenbart ein magnetorheologisches Fluid, bei dem sphärische magnetische Partikel in einem Fluid dispergiert sind, wobei die sphärischen Partikel aus zwei Gruppen von Partikeln mit unterschiedlichen Durchmesserverteilungen bestehen.
Das europäische Patent EP 0 856 190 B1 offenbart ein magnetorheologisches Fluid mit einer Komponente aus magnetisierbaren Partikeln, die eine partielle Packungsdichte von wenigstens 0,50 vor dem Ansatz in dem magnetorheologischen Fluid aufweisen. Um diese Packungsdichte zu erreichen werden mindestens zwei Metallpulver miteinander vermischt, die jedes für sich eine partielle Packungsdichte von weniger als 0,50 besitzen. Dadurch werden Partikelmischungen erhalten, die im Hinblick auf ihre Partikelverteilung bimodal, trimodal oder multimodal sind.
Aus der WO 02/25674 A2 ist eine magnetorheologische Fettzusammensetzung bekannt, die neben magnetisierbaren Partikeln und einem Trägerfluid 30 bis 90 Vol.-% Verdickungsmittel enthält. Die magnetisierbaren Partikel weisen dabei eine sphärische, elipsoide oder irreguläre Form auf, die durch Zerstäubung von geschmolzenem Eisen erhalten werden kann.
Das europäische Patent EP 0 845 790 B1 offenbart magnetorheologische Flüssigkeiten, die magnetisierbare Teilchen, eine oleophile Flüssigkeit und optional ein Verdickungsmittel enthalten, wobei die magnetisierbaren Teilchen zunächst silanisiert und sodann mit einem organischen Polymer beschichtet sind.
Die magnetisierbaren Teilchen können unregelmäßig, stäbchen- oder nadelförmig geformt sein. Bevorzugt wird jedoch, dass die magnetisierbaren Teilchen kugelförmig vorliegen.
Die DE 10 2004 041 651 A1 betrifft magnetorheologische Materialien, die magnetische und nicht-magnetische anorganische Materialien und/oder Kompositpartikel davon enthalten. Die nicht-magnetischen anorganischen Materialien können dabei anisotrope Partikel wie Plättchen oder Stäbchen sein. Als Plättchen werden Schichtsilikate, wie beispielsweise Glimmer, bevorzugt.
Aus dem europäischen Patent EP 0 672 294 B1 ist ein magnetorheologisches Material bekannt, bei dem die magnetisierbaren Partikel oberflächlich von Kontaminationsprodukten befreit sind.
Aus dem europäischen Patent EP 0 755 563 B1 ist ein magnetorheologisches Material bekannt, bei dem die Kontaminationen auf den magnetisierbaren Partikeln nicht oder nicht vollständig entfernt worden sind.
Die US 2006/0033068 A1 offenbart ein magnetorheologisches Fluid, wobei die magnetisierbaren Partikel eine Gruppe mit einem niedrigen Größen-Dicken-Verhältnis von 1 bis weniger als 1,5 aufweisen, mithin kugelförmig sind, und eine zweite Gruppe, die ein Größen-Dicken-Verhältnis von größer als 1,5 aufweist.
Die US 2006/0033069 A1 offenbart ein magnetorheologisches Fluid, in dem eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einem kleinen Größen-Dicken-Verhältnis mit ineinandergreifenden Strukturen vorhanden sind. Ferner wird ein magnetorheologisches Fluid offenbart, bei dem die magnetisierbaren Partikel eine Vielzahl von Partikeln mit großem Größen-Dicken-Verhältnis von mehr als 1,5, aufweisen, wobei das magnetorheologische Fluid vorzugsweise zusätzlich eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit ineinandergreifenden Strukturen mit einem niedrigen Größen-Dicken-Verhältnis in einem Bereich von 1 bis 1,5 enthält.
Die vorbekannten magnetorheologischen Fluide erfordern nachteiligerweise einen großen Gehalt an magnetisierbaren Partikeln. Des weiteren ist es nachteiligerweise häufig erforderlich, dass wenigstens zwei Partikelverteilungen in vorgegebenen Verhältnissen miteinander vermengt werden müssen, um die erforderlichen bimodalen, trimodalen oder multimodalen Größenverteilungen zu erhalten. Ebenfalls ist nachteilig, wenn die Partikel so ausgebildet werden müssen, dass sie ineinandergreifende Strukturen aufweisen. Diese gemäß dem Stand der Technik erforderlichen Eigenschaften führen dazu, dass die Herstellung und Bereitstellung dieser magnetorheologischen Fluide kostenintensiv ist.
Ferner besteht ein Bedarf an magnetorheologischen Fluiden, die eine möglichst niedrige Relaxationszeit aufweisen, d. h. einen möglichst kurzen Zeitraum, innerhalb dessen es zu einer Abnahme der Viskosität nach Abschaltung des Magnetfeldes kommt.
Die DE 101 14 446 A1 offenbart ein plättchenförmiges Eisenpigment, das aus reduzierend behandeltem Carbonyleisenpulver hergestellt ist. Das plättchenförmige Eisenpigment weist vorzugsweise eine Partikelgröße in einem Bereich von 6 bis 60 μm auf. Die aus der DE 101 14 446 A1 bekannten plättchenförmigen Eisenpigmente werden als Effektpigmente in Farben und Lacken, für Kunststoffeinfärbungen, im Druck, in der Kosmetik sowie als Reflektormaterial verwendet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, magnetisierbare Partikel bereitzustellen, die insbesondere zur Verwendung in magnetorheologischen Fluiden geeignet sind. Insbesondere sollen die magnetisierbaren Partikel eine Verringerung des Gehaltes an magnetisierbaren Partikeln unter Beibehaltung der magnetischen Suszeptibilität in einem magnetorheologischen Fluid ermöglichen bzw. bei gleichem Gehalt eine erhöhte magnetische Suszeptibilität aufweisen, wodurch eine ausgeprägtere Erhöhung der Viskosität bei gleichem Magnetfeld resultiert. Auch sollen die magnetisierbaren Partikel eine verringerte Neigung zur Absetzung aufweisen. Des Weiteren ist es erwünscht, ein magnetorheologisches Fluid bereitzustellen, das sich durch eine möglichst niedrige Relaxationszeit auszeichnet.
Zumeist beeinflussen sich die genannten Effekte bzw. Parameter gegenseitig. Häufig bewirkt die Verbesserung eines anwendungstechnischen Parameters eine Verschlechterung eines anderen Parameters. Somit ist es ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein magnetorheologisches Fluid bereit zu stellen, welches eine Optimierung der vorstehend genannten anwendungstechnischen Eigenschaften aufweist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch Bereitstellung von plättchenförmigen Eisenpigmenten, die durch Verformung von Carbonyleisenpulver erhalten werden, gelöst, wobei die plättchenförmigen Eisenpigmente eine Größenverteilung mit einem D₅₀-Wert aus einem Bereich von 3 bis 16 μm aufweisen.
Die durch mechanische Verformung von Carbonyleisenpulver erhaltenen plättchenförmigen Eisenpigmente werden vorzugsweise hergestellt, wie in der DE 101 14 446 A1 beschrieben, deren Offenbarung hiermit unter Bezugnahme aufgenommen wird.
Im Unterschied zur Lehre der DE 101 14 446 A1 weist das einzusetzende Carbonyleisenpulver eine äußerst enge Partikelgrößenverteilung auf. So weisen die einzusetzenden Carbonyleisenpulverpartikel einen mittleren Partikeldurchmesser (D₅₀) aus einem Bereich von 1,2 bis 5 μm, vorzugsweise von 1,5 bis 4,5 μm, noch weiter bevorzugt von 1,8 μm bis 4,0 μm, auf. Als sehr geeignet hat sich eine Partikelgrößenverteilung mit einem mittleren Partikeldurchmesser (D₅₀) im Bereich von 1,9 bis 3,8 μm erwiesen.
Das Carbonyleisenpulver wird durch Zersetzung von dampfförmigem Eisenpentacarbonyl Fe(CO)₅ in Hohlraumzersetzern hergestellt und ist kommerziell erhältlich bei der BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland.
Dieses Eisencarbonylpulver enthält bis zu 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1 Gew.-% Sauerstoff und bis zu 1 Gew.-% Stickstoff. Der Eisengehalt liegt mithin bei etwa 96 bis 97 Gew.-%. Dieses Carbonyleisenpulver wird bevorzugt einer reduzierenden Behandlung, beispielsweise in einem Wasserstoffstrom oder in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, unterzogen, durch das dann das sogenannte „reduzierte Carbonyleisenpulver” erhalten wird, das sich durch einen Eisengehalt von mehr als 99 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 99,5 Gew.-% und eine hohe Duktilität auszeichnet. Dieses reduzierte Carbonyleisenpulver ist ebenfalls im Handel erhältlich, beispielsweise von der BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland.
Die plättchenförmigen Eisenpigmente werden durch, vorzugsweise mechanische, Verformung von Carbonyleisenpulver, insbesondere von in einer reduzierenden Atmosphäre behandeltem Carbonyleisenpulver, hergestellt. Die mechanische Verformung erfolgt üblicherweise in Mühlen, insbesondere in Rührwerkskugelmühlen, Kollermühlen, Trommelkugelmühlen, Drehrohrkugelmühlen, etc.
Die mechanische Verformung erfolgt in der Regel durch Nassvermahlung, d. h. durch Vermahlung des Carbonyleisenpulvers zusammen mit Lösemittel, insbesondere organischem Lösemittel wie Testbenzin, und in Gegenwart von Schmiermitteln bzw. Netz- und/oder Dispergieradditiven wie Ölsäure, Stearinsäure etc.. Die Vermahlung erfolgt in Gegenwart von Mahlkörpern, üblicherweise von Mahlkugeln, wobei der Kugeldurchmesser üblicherweise in einem Bereich von 0,5 bis 10 mm, bevorzugt von 0,8 bis 4,0 mm, liegt. Die Mahlkörper sind in der Regel aus Keramik, Glas oder Stahl. Vorzugsweise werden als Mahlkörper Stahlkugeln verwendet.
Um die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente zu erhalten, wird vorzugsweise das eingesetzte, vorzugsweise reduzierte, Carbonyleisenpulver größenklassiert und dieses sodann unter Erhalt von plättchenförmigen Eisenpigmenten in einer Größenverteilung mit einem D₅₀-Wert aus einem Bereich von 3 bis 16 μm mechanisch verformt. Die Klassierung kann beispielsweise mit Windsichtern, Zyklonen, Sieben und/oder anderen bekannten Einrichtungen durchgeführt werden. Der D₅₀-Wert kann mittels Lasergranulometrie bestimmt werden, beispielsweise mit einem Cilas 1064 der Firma Cilas, Frankreich. Bei einem D₅₀-Wert liegen 50% der Partikel unter und 50% aller Partikel über diesem Wert.
Bei dieser Methode können die Metallpartikel in Form einer Dispersion von Partikeln vermessen werden. Die Streuung des eingestrahlten Laserlichtes wird in verschiedenen Raumrichtungen erfasst und gemäß der Fraunhofer Beugungstheorie mit dem CILAS-Gerät gemäß Herstellerangaben ausgewertet. Dabei werden die Partikel rechnerisch als Kugeln behandelt. Somit beziehen sich die ermittelten Durchmesser stets auf den über alle Raumrichtungen gemittelte Äquivalentkugeldurchmesser, unabhängig von der tatsächlichen Form der Metallpartikel. Es wird die Größenverteilung ermittelt, die in Form eines Volumenmittels (bezogen auf den Äquivalentkugeldurchmesser) berechnet wird. Diese volumengemittelte Größenverteilung kann u. a. als Summenhäufigkeitsverteilung dargestellt werden. Die Summenhäufigkeitsverteilung wiederum wird meist vereinfachend durch bestimmte Kennwerte charakterisiert, z. B. den D₅₀- oder D₉₀-Wert. Unter einem D₉₀-Wert wird verstanden, dass 90% aller Partikel unter dem angegebenen Wert liegen. Anders ausgedrückt, liegen 10% aller Partikel oberhalb des angegebenen Wertes. Bei einem D₅₀-Wert liegen 50% aller Partikel unter und 50% aller Partikel oberhalb des angegebenen Wertes. Die Summenhäufigkeitsverteilung wird auch als Summendurchgangskurve bezeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Carbonyleisenpulver, insbesondere das durch reduzierende Behandlung erhaltene Carbonyleisenpulver („reduziertes Carbonyleisenpulver”), zunächst vermahlen und sodann größenklassiert werden, um die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente mit einer Größenverteilung mit einem D₅₀-Wert aus einem Bereich von 3 bis 16 μm zu erhalten. Die Größenverteilung bezieht sich auf den Durchmesser der plättchenförmigen Eisenpigmente.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die plättchenförmigen Eisenpigmente ein Größen-Dicken-Verhältnis aus einem Bereich von 2 bis 50, vorzugsweise von 3 bis 30, weiter bevorzugt von 4 bis 20, noch weiter bevorzugt von 5 bis 15 auf. Eine weitere ganz besonders bevorzugte Ausführungsform weist plättchenförmige Eisenpigmente mit einen Größen-Dicken-Verhältnis aus einem Bereich von 13 bis 50 auf. Das Größen-Dicken-Verhältnis wird auch als Durchmesser-Dickenverhältnis bezeichnet.
Erstaunlicherweise ist das Größen-Dicken-Verhältnis für die erfindungsgemäßen plättchenförmige Eisenpigmente sehr niedrig.
Bei herkömmlichen Eiseneffektpigmenten liegt das Größen-Dicken-Verhältnis üblicherweise deutlich oberhalb von 100. Bei PVD-Pigmenten liegt das Größen-Dicken-Verhältnis typischerweise in einem Bereich von etwa 400 und größer.
Äußerst bevorzugt sind plättchenförmige Eisenpigmente, die eine Größenverteilung mit einem D₅₀-Wert aus einem Bereich von 3 bis 16 μm und ein Größen-Dicken-Verhältnis von 4 bis 20 aufweisen.
Die Erfinder haben überraschend festgestellt, dass sich durch die mechanische Verformung des Carbonyleisenpulvers die magnetische Suszeptibilität eines magnetorheologischen Fluids, das die durch Verformung erhaltenen plättchenförmigen Eisenpigmente umfasst, signifikant erhöht. Es wird vermutet, dass es durch die mechanische Verformung des Carbonyleisenpulver, insbesondere des in reduzierender Atmosphäre behandelten Carbonyleisenpulvers, zu einer Verschiebung der Bloch-Wände und somit einer wesentlichen Veränderung der magnetischen Domänenstruktur in dem plättchenförmigen Eisenpigment kommt.
Bereits bei geringer Verformung des Carbonyleisenpulvers, insbesondere des in reduzierender Atmosphäre behandelten Carbonyleisenpulvers, und mithin bei einem noch niedrigen Größen-Dicken-Verhältnis kommt es zu einem Anstieg der auf die Sättigungsmagnetisierung normierten magnetischen Suszeptibilität (normierte Suszeptibilität). Erstaunlicherweise steigt die normierte magnetische Suszeptibilität in einem Bereich des Größen-Dicken-Verhältnis von 2 bis 20 zunächst sehr stark an, um dann asymptotisch abzuflachen.
Es hat sich gezeigt, dass eine mechanische Verformung von Carbonyleisenpulver, insbesondere von in reduzierender Atmosphäre behandeltem Carbonyleisenpulver, über ein Größen-Dicken-Verhältnis von mehr als 50 keinen wesentlichen Vorteil in Bezug auf die normierte magnetische Suszeptibilität des magnetorheologischen Fluids bringt.
Aus bislang nicht verstandenen Gründen ist der Anstieg der normierten magnetischen Suszeptibilität besonders stark bei einem Größen-Dicken-Verhältnis im Bereich von 2 bis 30, insbesondere von 3 bis 20.
Da eine erhöhte normierte magnetische Suszeptibilität bereits bei einem niedrigen Größen-Dicken-Verhältnis erhalten wird, muss äußerst vorteilhaft das Carbonyleisenpulver, insbesondere das in einer reduzierenden Atmosphäre behandelte Carbonyleisenpulver, nicht so stark verformt werden und kann mithin kostengünstig und nach kurzer Zeit bereitgestellt werden.
Da die magnetische Suszeptibilität bei den erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmenten, verglichen mit einer gleichen Masse an sphärischen oder irregulär geformten Eisenpigmenten signifikant erhöht ist, kann zur Erzielung des gleichen magnetischen Ansprechverhaltens eines magnetorheologischen Fluids weniger Masse an plättchenförmigem Eisenpigment verwendet werden. Bei Verwendung der gleichen Menge an dem erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigment in einem magnetorheologischen Fluid wie an sphärischen oder irregulär geformten Carbonyleisenpulver, kann ein magnetorheologisches Fluid mit einem wesentlich stärkeren magnetischen Ansprechverhalten bereitgestellt werden.
Dieses Ergebnis ist erstaunlich und ermöglicht mithin die Bereitstellung von wesentlich verbesserten magnetorheologischen Fluiden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente einen Randbereich auf, der wenig ausgefranst, vorzugsweise nicht ausgefranst, ist. Der Randbereich der erfindungsgemäßen Eisenpigmente ist mithin im wesentlichen geschlossen, d. h. weist im wesentlichen keine, vorzugsweise keine, Einkerbungen oder Einrisse auf.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung weisen die plättchenförmigen Eisenpigmente einen Randbereich mit einem Rundlichkeitsfaktor R_f gemäß Formel (I) auf:
Der Rundlichkeitsfaktor R_f eine Partikelform wird mit Hilfe einer Bildauswertesoftware (Axiovision 4.6, Zeiss, Deutschland) anhand von lichtmikroskopischen und/oder REM-Aufnahmen statistisch ermittelt. Dazu wird aus einer statistisch signifikanten Anzahl von Partikeln N jeweils die Länge der Umfangslinie bestimmt. Die statistisch signifikante Anzahl von Partikeln N ist üblicherweise ca. 100. Anschließend wird die Fläche bestimmt und aus der Fläche jeweils der Äquivalentumfang eines flächengleichen Kreises errechnet. Aus allen bestimmten Werten wird anschließend der arithmetische Mittelwert bestimmt. Die erhaltenen Werte werden nach Formel (I) ins Verhältnis gesetzt, wobei sich die Anzahl N der ausgewerteten Partikel herauskürzt und der Rundlichkeitsfaktor R_f gemäß der Formel (I) erhalten. Dieser gibt dadurch ein quantitatives Maß für den Grad der Ausfransung in den Randbereichen der Partikel. Somit hat ein idealer kreis- bzw. scheibenförmiger Partikel einen Rundlichkeitsfaktor R_f gleich 1.
Der Rundlichkeitsfaktor R_f der erfindungsgemäßen Partikel liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,83 bis 0,98 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,85 bis 0,97.
Vorzugsweise weisen die plättchenförmigen Eisenpigmente im Randbereich im wesentlichen keine ineinander eingreifenden Strukturen auf. Diese sind insbesondere bei Partikeln mit höheren Größe-Dicken-Verhältnissen, z. B. bei Größe-Dicken-Verhältnissen von > 100 zu beobachten, die beispielsweise einen Rundlichkeitsfaktor R_f < 0,8 aufweisen.
Vorteilhaft für technische Anwendungen ist dabei, dass die Standardabweichung des Rundlichkeitsfaktors bei Partikeln mit kleinem Größen-Dicken-Verhältnis niedriger als bei solchen mit großem Verhältnis ist. Bei Partikeln mit Größen-Dicken-Verhältnissen oberhalb von 100 liegt diese im Bereich von plus/minus 10 bis 20%, während sie bei den erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmenten vorzugsweise 2 bis 8% und besonders bevorzugt kleiner als 2,5 bis 5% ist.
Die im wesentlichen vollständige Abwesenheit von ineinander eingreifenden Strukturen, also beispielsweise von Einkerbungen und/oder von Einrissen, verhindert, dass die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente Strukturen ausbilden können, bei denen die Eisenpigmente über die randständig ausgebildeten Strukturen ineinander eingreifen und sich beispielsweise aneinander bzw. miteinander verhaken. Dieses Ineinandergreifen der Plättchen kann beispielweise bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes auftreten, da sich die Plättchen, wie beschrieben, zu Ketten zusammenlagern, und bleibt anschließend nach Abschalten des äußeren Magnetfeldes bestehen, so dass die Rückstellung der Viskosität auf das Anfangsniveau signifikant verzögert wird. Das ist für technische Anwendungen jedoch nachteilig, da die Relaxationszeiten relativ hoch sind.
Die im wesentlichen vollständige Abwesenheit von ineinander eingreifenden Strukturen im Randbereich der erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente ist daher von Vorteil, da bei Verwendung dieser plättchenförmigen Eisenpigmente in einem magnetorheologischen Fluid die Relaxationszeit t_r verkürzt wird.
Mit der Relaxationszeit t_r wird erfindungsgemäß die Zeit bezeichnet, die benötigt wird, damit nach einem Abschalten des Magnetfeldes die Viskosität auf das Niveau des ursprünglichen Zustands (ohne Magnetfeld) zurückgeht. Da die plättchenförmigen Eisenpigmente der vorliegenden Erfindung vorzugsweise keine ineinandergreifenden Strukturen im Randbereich aufweisen, erfolgt die statistische Verteilung der plättchenförmigen Eisenpigmente nach einem Abschalten des Magnetfeldes in einem wesentlich kürzeren Zeitraum als dies der Fall ist, wenn die Eisenpigmente ineinandergreifende Strukturen im Randbereich aufweisen und miteinander verhakt sind.
Die Erfinder haben überraschend festgestellt, dass sich durch die mechanische Verformung des Carbonyleisenpulvers die magnetische Suszeptibilität eines magnetorheologischen Fluids signifikant erhöht. Es wird vermutet, dass es durch die mechanische Verformung des Carbonyleisenpulver, insbesondere des in reduzierender Atmosphäre behandelten Carbonyleisenpulver, zu einer Verschiebung der Bloch-Wände kommt und somit einer wesentlichen Veränderung der magnetischen Domänenstruktur.
Bereits bei geringer Verformung des Carbonyleisenpulvers, insbesondere des in reduzierender Atmosphäre behandelten Carbonyleisenpulvers, und mithin bei einem noch niedrigen Größen-Dicken-Verhältnis kommt es zu einem Anstieg der auf die Sättigungsmagnetisierung normierten magnetischen Suszeptibilität (normierte Suszeptibilität). Erstaunlicherweise steigt die normierte magnetische Suszeptibilität in einem Bereich des Größen-Dicken-Verhältnis von 2 bis 20 zunächst sehr stark an, um dann asymptotisch abzuflachen.
Es hat sich gezeigt, dass eine mechanische Verformung von Carbonyleisenpulver, insbesondere von in reduzierender Atmosphäre behandeltem Carbonyleisenpulver, über ein Größen-Dicken-Verhältnis von mehr als 50 keinen wesentlichen Vorteil in Bezug auf die normierte magnetische Suszeptibilität des magnetorheologischen Fluids bringt.
Aus bislang nicht verstandenen Gründen ist der Anstieg der normierten magnetischen Suszeptibilität besonders stark bei einem Größen-Dicken-Verhältnis im Bereich von 2 bis 30, insbesondere von 3 bis 20.
Da eine erhöhte normierte magnetische Suszeptibilität bereits bei einem niedrigen Größen-Dicken-Verhältnis erhalten wird, muss äußerst vorteilhaft das Carbonyleisenpulver, insbesondere das in einer reduzierenden Atmosphäre behandelte Carbonyleisenpulver, nicht so stark verformt werden und kann mithin kostengünstig und nach kurzer Zeit bereitgestellt werden.
Da die magnetische Suszeptibilität bei den erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmenten, verglichen mit einer gleichen Masse an sphärischen oder irregulär geformten Eisenpigmenten signifikant erhöht ist, kann zur Erzielung des gleichen magnetischen Ansprechverhaltens eines magnetorheologischen Fluids weniger Masse an plättchenförmigem Eisenpigment verwendet werden. Bei Verwendung der gleichen Menge an dem erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigment in einem magnetorheologischen Fluid wie an sphärischen oder irregulär geformten Carbonyleisenpulver, kann ein magnetorheologisches Fluid mit einem wesentlich stärkeren magnetischen Ansprechverhalten bereitgestellt werden.
Dieses Ergebnis ist erstaunlich und ermöglicht mithin die Bereitstellung von wesentlich verbesserten magnetorheologischen Fluiden. Die erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluide sind insbesondere durch eine Optimierung der Parameter Basisviskosität, magnetische Suszeptibilität und Viskositätsänderung im Magnetfeld und dem Absetzverhalten der Partikel innerhalb des Fluids gekennzeichnet. Die Optimierung wird hierbei durch optimale Auswahl der Teilchengröße, Größen-Dicken-Verhältnis und Morphologie der vermahlenen Eisenpartikel gekennzeichnet.
Als Basisviskosität wird die Viskosität verstanden, die ein magnetorheologisches Fluid ohne Einwirkung eines von außen angelegten Magnetfeldes aufweist. Die Basisviskosität ist temperaturabhängig und kann über typische Verfahren der Rheologie bestimmt werden, z. B. mit einem Viskosimeter in einer Platte-Platte-Konfiguration.
Als Magnetfeld-induzierte Viskosität wird die Viskosität verstanden, die ein magnetorheologisches Fluid unter Einwirkung eines von außen angelegten Magnetfeldes mit einer definierten Magnetfeldstärke aufweist. Die Magnetfeld-induzierte Viskosität ist ebenfalls temperaturabhängig und kann über spezielle Verfahren der Rheologie bestimmt werden, z. B. mit einem Magnetviskosimeter der Fa. Anton-Paar.
Die Viskositätsveränderung ist die Differenz aus Basisviskosität und Magnetfeld-induzierter Viskosität bei einer bestimmten Temperatur und einem definiertem Magnetfeld. Vorzugsweise wird hierbei auf die Viskositäten, gemessen bei einer Temperatur von 40°C und einem Magnetfeld von 0 (Basisviskosität) und bis zu 1,3 Tesla, abgestellt.
Die magnetische Suszeptibilität des magnetorheologischen Fluids beschreibt die Magnetisierbarkeit eines magnetorheologischen Fluids im externen Magnetfeld. Die normierte magnetische Suszeptibilität ist die auf die Sättigungsmagnetisierung des magnetorheologischen Fluids bezogene magnetische Suszeptibilität des Fluids. Die Sättigungsmagnetisierung ist dabei in der Regel linear proportional zur Masse an magnetisierbarem Material in dem Fluid, so dass durch die Normierung der Einfluss der Masse des magnetisierbaren Materials bei Vergleich verschiedener magnetorheologischer Fluide heraus gerechnet werden kann.
Unter dem Absetzverhalten wird die Neigung der magnetisierbaren Partikel im magnetorheologischen Fluid verstanden, sich unter dem Einfluss der Gravitation in der Lösung abzusetzen und ein Sediment zu bilden.
Völlig überraschend wurde von den Erfindern festgestellt, dass es möglich ist, den Gehalt an magnetisierbaren Partikeln in einem erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluid im Vergleich zu einem magnetorheologischen Fluid, welches weitestgehend kugelige Carbonyleisenpulver (Größe-Dicken-Verhältnis < 1,5) beinhaltet, ohne Verlust der normierten magnetischen Suszeptibilität zu verringern.
Dies ist vermutlich auf die Erhöhung der normierten magnetischen Suszeptibilität des erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluids zurückzuführen. Diese Erhöhung ist bei den bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen besonders stark. Eine weitere Erhöhung des Größe-Dicke-Verhältnisses führt hingegen überraschenderweise zu keiner weiteren signifikanten Erhöhung der Viskositätsveränderung.
Bei Verwendung der gleichen Menge der erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente anstelle von sphärischem Carbonyleisenpulver wird die normierte magnetische Suszeptibilität stark erhöht, weshalb die Viskosität eines magnetorheologischen Fluids wesentlich stärker erhöht werden kann, als dies bei Verwendung des gleichen Gewichtsanteils an sphärischem Carbonyleisenpulver der Fall ist. Dies ist besonders signifikant bei geringen Magnetfeldstärken (< 0,6 Tesla), was erhebliche technische Vorteile bringt, da die Erzeugung von kleinen Magnetfeldstärken durch kleine Magnetfeldspulen erfolgen kann. Demnach haben die erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluide den Vorteil, dass eine starke Viskositätsänderung mit kleineren Spulen erzeugt werden kann. Durch die Verwendung von kleineren Spulen beispielsweise in einem Automobil ergeben sich die Vorteile, dass diese zum einen ein geringeres Gewicht aufweisen und zum anderen weniger Energie verbrauchen. Dadurch ist ein wirtschaftlich und ökologisch vorteilhafter Gebrauch möglich.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Eisenpigmente liegt im Vergleich zu Partikeln mit hohem Größe-Dicken-Verhältnis darin, dass die Relaxationszeit der erfindungsgemäßen Ausführung eines magnetorheologischen Fluids verkürzt wird. Somit wird bei einem Abschalten des Magnetfeldes die durch das Anlegen des Magnetfeldes induzierte erhöhte Viskosität des magnetorheologischen Fluids in einem kürzeren Zeitraum auf den niedrigviskosen Ausgangszustand zurückgeführt. Somit erlauben die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente die Bereitstellung eines magnetorheologischen Fluids, bei dem die Viskosität innerhalb eines kurzen Zeitraums erhöht und auch innerhalb eines kurzen Zeitraums abgesenkt werden kann. Das magnetische Ansprechverhalten eines unter Verwendung der erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente bereitgestellten magnetorheologischen Fluids ist mithin stark verbessert, verglichen mit einem magnetorheologischen Fluid, das stark verformte Carbonyleisenpartikel mit einem hohen Größen-Dicken-Verhältnis enthält. Das Relaxationsverhalten der erfindungsgemäßen Partikel ist einerseits ähnlich dem Verhalten von kugeligen Carbonyleisenpulver, weist jedoch zudem den Vorteil der signifikanten Erhöhung der magnetischen Suszeptibilität auf.
Aus den technischen Anforderungen für magnetorheologische Fluide ergibt es sich, dass diese eine möglichst niedrige Basisviskosität aufweisen sollen. Dies hat den Vorteil, dass ein besonders großer Unterschied zwischen der Viskosität ohne Magnetfeld und der unter Einwirkung eines Magnetfeldes zu erzielen ist. Für technische Anwendungen soll diese Viskositätsänderung möglichst hoch sein, damit durch die Variation des Magnetfeldes möglichst viele unterschiedliche Viskositätsbereiche eingestellt werden können. Durch eine möglichst große Spanne der Viskositätsänderung wird der technische Einsatzbereich für die entsprechenden Fluide größer, da die Viskosität für die verschiedenen Betriebszustände ideal angepasst werden kann. Die im Stand der Technik meist beschriebenen kugelförmigen magnetisierbaren Materialien bewirken einen relativ geringen Anstieg der Basisviskosität bei Einarbeitung in das entsprechende Trägerfluid. Plättchenförmige Partikel hingegen erhöhen die Viskosität deutlich stärker. Demnach ist die Zunahme der Basisviskosität bei gleichem Massenanteil bei plättchenförmigen Partikeln deutlich höher als bei kugelförmigen. Für magnetorheologische Fluide sind aus dieser Überlegung heraus eigentlich kugelige Partikel zu bevorzugen. Die Vorteile bei der Verwendung von plättchenförmigen Partikeln sind daher sehr überraschend.
Aufgrund der plättchenförmigen Struktur der erfindungsgemäßen Eisenpigmente ist das Absetzverhalten der erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente, verglichen mit sphärischen Carbonyleisenpartikeln, verringert. Auch hat sich gezeigt, dass im Falle einer langen Standzeit des magnetorheologischen Fluids, die sich möglicherweise abgesetzten erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente leicht und ohne weiteres redispergiert können. Es wird vermutet, dass dieses leichte Redispergierverhalten mit der plättchenförmigen Struktur zusammenhängt. Da die plättchenförmigen Eisenpigmente im Falle eines Absetzens eine statistische Orientierung haben und mithin die Plättchenebenen in verschiedene Richtungen ragen, wird vermutet, dass zwischen den plättchenförmigen Eisenpigmenten ausreichend Trägerfluid vorhanden ist, weshalb etwaig abgesetzte plättchenförmige Eisenpigmente leicht redispergiert werden können. Ferner wird vermutet, dass aufgrund des geringeren erforderlichen Gehaltes an plättchenförmigen Eisenpigmenten auch weniger plättchenförmige Eisenpigmente sedimentieren und sich mithin kein festes Sediment aus abgesetzten plättchenförmigen Eisenpigmenten ausbilden kann. Hingegen können rein sphärische Partikel aufgrund der Kugelform dichte Kugelpackungen ausbilden, die zu einem schwer-dispergierbaren Sediment (Agglomerate) führen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die plättchenförmigen Eisenpigmente wenigstens eine, vorzugsweise umhüllende, Beschichtung auf.
Bei der wenigstens einen Beschichtung kann es sich beispielsweise um eine Schutzschicht gegen Korrosion, die auch als Korrosionsschutzschicht bezeichnet wird, handeln.
Die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente können beispielsweise mit wenigstens einer Metalloxidschicht versehen sein. Die Beschichtung mit Metalloxiden, Metallhydroxiden und/oder Metalloxidhydraten erfolgt vorzugsweise durch Auffällung oder durch Sol-Gel-Verfahren oder durch nasschemische Oxidation der Metalloberfläche.
Bevorzugt werden für die Metalloxidbeschichtung Oxide, Hydroxide und/oder Oxidhydrate von Silizium, Aluminium, Cer, Zirkonium, Chrom und/oder Mischungen davon verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden Oxide, Hydroxide und/oder Oxidhydrate von Silizium und/oder Aluminium verwendet. Äußerst bevorzugt sind Oxide, Hydroxide und/oder Oxidhydrate von Silizium.
Die Schichtdicken der Metalloxidschichten, insbesondere von Siliziumoxid und/oder Aluminiumoxidschichten liegen im Bereich von vorzugsweise 5 bis 150 nm, bevorzugt von 10 bis 80 nm, weiter bevorzugt von 15 bis 50 nm.
Als Schutzschicht gegenüber Korrosion kann auch eine Schutzschicht aus organischen Polymeren aufgebracht sein. Als sehr geeignet haben sich Polyacrylat und/oder Polymethacrylat-Beschichtungen erwiesen. Selbstverständlich können auch Kunstharzbeschichtungen bestehend aus Epoxiden, Polyestern, Polyurethanen, Polystyrolen oder Mischungen davon verwendet werden.
Anstelle oder zusätzlich zu einer Beschichtung aus Metalloxiden und/oder polymerisierten Kunstharzen können auch sogenannte Passivierungsschichten aufgebracht werden. Der Wirkungsmechanismus der Passivierungsschichten ist komplex. Bei Inhibitoren beruht er zumeist auf sterischen Effekten.
Die Inhibitoren werden üblicherweise in niedrigen Konzentrationen in der Größenordnung von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten Metallpartikels, zugegeben.
Für die Inhibierung werden vorzugsweise die folgenden Beschichtungssubstanzen verwendet:

– Organisch modifizierte Phosphonsäuren bzw. deren Ester der allgemeinen Formel R-P(O)(OR₁)(OR₂), wobei: R = Alkyl, Aryl, Alkyl-aryl, Aryl-alkyl sowie Alkylether, insbesondere ethoxylierte Alkylether und R₁, R₂ = H, C_nH_2n+1, mit n = 1 bis 12, vorzugsweise 1–6 ist, wobei Alkyl jeweils verzweigt oder unverzweigt sein kann. R₁ kann gleich oder unterschiedlich zu R₂ sein.
– Organisch modifizierte Phosphorsäuren und -ester der allgemeinen Formel R-O-P(OR₁)(OR₂) mit R = Alkyl, Aryl, Alkyl-aryl, Aryl-alkyl sowie von Alkylether, insbesondere ethoxylierte Alkylether, und R₁, R₂ = H, C_nH_2n+1, mit n = 1 bis 12, vorzugsweise 1–6 ist, wobei Alkyl jeweils verzweigt oder unverzweigt sein kann. R₁ kann gleich oder verschieden von R₂ sein.

Verwendet werden können ebenfalls reine, anorganische Phosphonsäuren oder -ester oder Phosphorsäuren oder -ester oder beliebige Mischungen derselben.
Weiterhin kann die Beschichtung aus organisch funktionalisierten Silanen, aliphatischen oder cyclischen Aminen, aliphatischen oder aromatischen Nitroverbindungen, Sauerstoff-, Schwefel und/oder Stickstoff enthaltenden Heterocyclen, wie beispielsweise Thioharnstoffderivaten, Schwefel und/oder Stickstoffverbindungen höherer Ketone, Aldehyden und/oder Alkoholen (Fettalkoholen) und/oder Thiolen, oder Gemischen derselben bestehen oder diese umfassen. Die passivierende Inhibitorschicht kann aber auch aus den vorgenannten Substanzen bestehen. Bevorzugt sind organische Phosphonsäuren und/oder Phosphorsäureester oder deren Gemische. Bei Verwendung von Aminverbindungen weisen diese bevorzugt organische Reste mit mehr als 6 C-Atomen auf. Bevorzugt werden vorgenannte Amine zusammen mit organischen Phosphonsäuren und/oder Phosphorsäureester oder deren Gemische eingesetzt.
Die Passivierung über Korrosionsschutzbarrieren mit chemischer und physikalischer Schutzwirkung ist auf vielfältige Weise möglich.
Passivierende Korrosionsschutzschichten, die bei den plättchenförmigen Eisenpigmenten einen besonders guten Korrosionsschutz gewährleisten, umfassen oder bestehen aus Siliziumoxid, bevorzugt Siliziumdioxid, Chromaluminiumoxid, das vorzugsweise durch Chromatierverfahren aufgebracht wird, Chromoxid, Zirkoniumoxid, Ceroxid, Aluminiumoxid, polymerisiertem/n Kunststoffharz(en), Phosphat-, Phosphit- oder Boratverbindungen oder Mischungen derselben.
Bevorzugt sind Siliziumdioxidschichten und Chromaluminiumoxidschichten (Chromatierung). Weiterhin bevorzugt sind Ceroxid, -hydroxid oder oxidhydratschichten sowie Aluminiumoxid, -hydroxid oder -oxidhydratschichten, wie sie beispielsweise in der DE 195 20 312 A1 beschrieben sind.
Die SiO₂-Schichten werden bevorzugt durch Sol-Gel-Verfahren mit durchschnittlichen Schichtdicken von 10–150 nm und bevorzugt von 15–40 nm in organischen Lösemitteln hergestellt.
Weiterhin können die aufgeführten Beschichtungen kombiniert werden, so dass beispielsweise in einer besonderen Ausführungsform erfindungsgemäße Partikel eine Beschichtung aus einer SiO₂-Schicht mit anschließend aufgebrachter Schicht aus funktionaliserten Silanen aufweisen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch Bereitstellung eines magnetorheologischen Fluids gelöst, das die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente und Trägerfluid enthält.
Bei dem Trägerfluid können die üblicherweise für magnetorheologische Fluide bekannten Fluide und Öle verwendet werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung wird das Trägerfluid aus der Gruppe, die aus Wasser, wasserhaltigen Fluiden, ölhaltigen Fluiden, Öl, Kohlenwasserstoffen, Silikonen und Gelen oder aus Mischungen daraus besteht, ausgewählt.
Beispielsweise können Fettöle, Mineralöle, Silikonöle, Dicarbonsäureester, Dicarbonsäuremonoester, aliphatische Alkohole, Glykole, Diole, Wasser, Polyole, Neopentylpolyol, Neopentylpolyolester, Phosphatester, gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe, synthetische Paraffine, halogenierte Kohlenwasserstoffe, Silikonöle, fluorierte Silikone, organisch modifizierte Silikone sowie Copolymere daraus, Polyether und halogenierte Derivate daraus, Pentaerythrit, Poly-α-olefine oder Mischungen davon verwendet werden.
Das Trägerfluid kann dabei flüssig oder gelartig sein.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist das magnetorheologische Fluid ohne Anlegung eines Magnetfeldes bei einer Temperatur von 40°C und unter einer Scherrate von 650 s^–1 eine Viskosität im Bereich von 3 bis 1000 mPa·s auf, vorzugsweise von 4 bis 800 mPa·s, wobei die Viskosität wie folgt gemessen wird: Die Viskositäten können mit einen Anton-Paar-Viskosimeter MCR 301 (Anton Paar, Deutschland) bestimmt werden. Je nach Viskositätsbereich wird dabei in einem geeigneten Probenraum [(z. B. in Zylinder-Geometrie (bis 20 mPa·s) und bei Viskositäten größer 20 mPa·s in Kegel-Platte-Geometrie (20 mm Durchmesser, Messspalt 1 mm) gemessen. Die Bestimmung der Viskosität erfolgt bei Scherraten zwischen 100 und 1200 1/s bei 40°C durch Bestimmung der Steigung des erhaltenen Verlaufs der Schubspannung/Scherraten Funktion im Bereich zwischen 500 und 8q00 1/s. Der Verlauf der Viskosität wird dabei als Funktion der Magnetfeldstärke (zwischen 0 und 1 Tesla) bestimmt und das Magnetfeld wurde während der Messung mittels eines Teslameters (Hall-Sonde) gemessen. Besonders bevorzugt werden die Viskositäten bei Magnetfeldstärken von 0,1 T und/oder 0,3 T und/oder 0,6 T und einer Temperatur von 40°C gemessen. Dies entspricht sehr niedrigen Magnetfeldstärken.
Die Viskosität des erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluids ist ohne Anlegung eines Magnetfeldes und nach Abschaltung eines Magnetfeldes im Wesentlichen identisch, vorzugsweise identisch.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das magnetorheologische Fluid einen Anteil an plättchenförmigen Eisenpigmenten, der in einem Bereich von 25 bis 90 Gew.-%, weiter bevorzugt von 30 bis 80 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des magnetorheologischen Fluids, liegt.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Eisenpigmente auch nur in einem Anteil von 40 bis 70 Gew.-% in dem magnetorheologischen Fluid enthalten sein können.
Bislang mussten zur Bereitstellung von magnetorheologischen Fluiden bis zu 95 Gew.-% magnetisierbare Partikel enthalten sein.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht mithin die Bereitstellung von magnetorheologischen Fluiden, die einen wesentlich geringeren Anteil an magnetisierbaren Partikeln, d. h. an erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmenten enthalten. Dies ist, wie bereits vorstehend ausgeführt, möglich, da die auf die Masse normierte magnetische Suszeptibilität signifikant erhöht ist. Die magnetische Suszeptibilität normiert auf die Masse, kann für das erfindungsgemäße plättchenförmige Eisenpigment-enthaltene magnetorheologische Fluid das drei- bis siebenfache, üblicherweise das drei- bis fünffache, verglichen mit der gleichen Masse sphärischer Carbonyleisenpartikel, betragen.
Somit kann bei gleicher magnetischer Suszeptibilität der Masseanteil an magnetisierbaren Partikeln im Falle der Verwendung der erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente um den Faktor 3 bis 7, üblicherweise um den Faktor 3 bis 5, verringert werden, verglichen mit der Verwendung sphärischer Eisenpartikel. Mit dieser Verringerung des Anteils an magnetisierbaren Partikeln ist im Hinblick auf die Dichte von Eisen eine signifikante Verringerung des Gesamtgewichts des magnetorheologischen Fluids möglich. Dies ist bei vielen Anwendungen ein großer Vorteil. Beispielsweise ist bei Verwendung des magnetorheologischen Fluids in Stoßdämpfern eines Fahrzeugs das verringerte Gesamtgewicht ein großer Vorteil, da die Masse und mithin der Kraftstoffverbrauch, des Fahrzeugs insgesamt verringert werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das magnetorheologische Fluid kein weiteres plättchenförmiges Thixotropiermittel. Die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente selbst wirken im magnetorheologischen Fluid bereits als Thixotropiermittel. Somit kann ein weiterer Zusatz an plättchenförmigen Thixotropiermitteln wie beispielsweise Glimmer oder Kaolin eingespart werden, was zu einer Vereinfachung der Formulierung führt.
Bei einem erhöhten Gehalt an magnetisierbaren Partikeln kommt es bei herkömmlichen magnetorheologischen Partikeln auch im Hinblick auf die sphärische Struktur der Partikel zu einem signifikanten Absetzen der magnetisierbaren Partikel, die dann aufgrund des großen Gehaltes an magnetisierbaren Partikeln auch ein schwerer redispergierbares Sediment aus abgesetzten magnetisierbaren Partikeln bilden.
Um eine Verringerung der Sedimentation an magnetisierbaren Partikeln im Stand der Technik zu bewirken, werden herkömmlicherweise Thixotropiermittel zugesetzt.
Nachteiligerweise erhöhen die Thixotropiermittel auch die Grundviskosität, d. h. die Viskosität, die bei Nichtanlegung eines Magnetfeldes bzw. bei Ausschaltung eines Magnetfeldes vorliegt. Nachteiligerweise ist somit der Unterschied in der Viskosität, der bei Anlegen eines Magnetfeldes und Abschalten eines Magnetfeldes besteht, verringert.
Bei der erfindungsgemäßen Variante, bei der kein Thixotropiermittel in dem magnetorheologischen Fluid zugesetzt werden muss, ist der Unterschied zwischen der Viskosität bei Anlegung eines Magnetfeldes und bei Nichtvorhandensein oder bei Abschaltung eines Magnetfeldes größer.
Somit kann bei dem erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluid in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten Magnetfeldes die Viskosität des magnetorheologischen Fluids über eine größere Spannbreite und auch feiner variiert werden. Dies ist in der Anwendung ein großer Vorteil.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Anteil an Trägerfluid in einem Bereich von 2 bis 70 Gew.-%, weiter bevorzugt von 3 bis 60 Gew.-%, in einer besonders bevorzugten Variante 5 bis 50 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht an magnetorheologischem Fluid.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, liegt ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluids darin, dass der durch die Magnetisierung induzierte Zustand erhöhter Viskosität nach Abschaltung des Magnetfeldes rasch in einen Zustand mit geringer Viskosität übergeht. Somit ermöglicht das magnetorheologische Fluid der vorliegenden Erfindung ein schnelles Anschalten und Abschalten, wobei die Viskosität entsprechend schnell erhöht bzw. wieder verringert wird. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines magnetorheologischen Fluids mit schnellem Ansprechverhalten.
In dem magnetorheologischen Fluid können optional auch Additive enthalten sein. Beispielsweise können dem magnetorheologischen Fluid Farbstoffe oder Pigmente, abradierende Partikel, Gleitmittel, Antiverschleißmittel, Antioxidantien, pH-Wert-Regulatoren, Salze, Entsäuerungsmittel, Entschäumer, Korrosionsinhibitoren, Korrosionsschutzmittel, Antiabsetzmittel, Dispergiermittel, etc. enthalten sein.
Obgleich bei dem magnetorheologischen Fluid gemäß der vorliegenden Erfindung kein Thixotropieradditiv, vorzugsweise kein plättchenförmiges Thixotropieradditiv, zugesetzt werden muss, ist es selbstverständlich möglich, auch ein oder mehrere Thixotropieradditive zuzusetzen.
Diese optionalen Additive werden vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 20 Gew.-%, weiter bevorzugt von etwa 0,1 bis 15 Gew.-%, noch weiter bevorzugt von 0,5 bis etwa 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des magnetorheologischen Fluids verwendet. Als sehr geeignet hat sich auch eine Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% Additiv erwiesen.
Ein erfindungsgemäßes magnetorheologisches Fluid enthält vorzugsweise Dispergieradditive ausgewählt aus der Gruppe der Dispergieradditive auf Basis von üblichen kationischen, nichtionischen oder bevorzugt anionischen Tensiden, wie Carboxylate, Sulfonate oder Phosphonate von Kohlenwasserstoffen. In besonders einer bevorzugten Ausführung ist die Verwendung Insbesondere Alkyl- oder Arylverbindungen, langkettige Carbonsäuren wie Fettsäuren, z. B. der Kettenlängen C6-C24, davon abgeleitete Carboxylate oder Dispergiermittel auf Basis Säureester wie Alkyl- oder Arylcarbonsäurester, Alkylphosphor-, Alkylphosphonsäureestern, langkettigen Alkoholen oder Alkoholethoxylaten verwendet.
Kommen polymere Dispergieradditive zum Einsatz, so ist die Verwendung der Klassen der Fettsäurechemie, Polyester, Polyaminamide, Diels-Alder Addukte, Phosphorsäureester der Klassen Polyester/Polyether Polymere, Polyether Polymere, Additive der Klasse der Polyurethane, Polyetherurethane oder Polyesterurethane sowie Polyaminoverbindungen und auf Basis von Polyacrylaten.
Derartige polymere Dispergieradditive sind beispielsweise unter dem Namen BYK^® (Fa. BYK-Chemie) erhältlich.
Die Dispergieradditive können der magnetorheologischen Formulierung einerseits während der Mischungszubereitung und/oder bereits zum Vermahlungsprozess der erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpartikel zugesetzt werden.
Die genannten Dispergiermittel ermöglichen sowohl eine Dispergierung während des Mahlprozesses und wirken dabei als Mahlhilfsmittel um eine Aggregation der erhaltenen plättchenförmigen Partikel zu verhindern. Innerhalb des erfindungsgemäßen magnetorheologischen Fluids gewährleisten die Dispergieradditive neben der Dispergierung der Partikel auch eine gute Redispergierbarkeit nach möglicher Sedimentierung der Partikel. Zudem wird durch die Verwendung von Dispergieradditiven ein gutes Fließverhalten der magnetorheologischen Formulierung bei unterschiedlichen Temperaturbereichen gewährleistet, so ist beispielsweise das Fließverhalten bei tiefen Temperaturen gegeben.
Die optional zuzusetzenden Dispergieradditive verbessern die Redispergierbarkeit nach einer etwaigen Sedimentation der plättchenförmigen Eisenpigmente. Im Falle von Dispergierhilfsmittel reichen bereits geringere Mengen aus. Die Dispergieradditive sind in der erfindungsgemäßen Formulierung vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,05 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht an magnetorheologischem Fluid.
Sofern Thixotropieradditive zugesetzt werden, kann ein Absetzen der eingesetzten magnetisierbaren Partikel in der Flüssigkeit weiter beeinflusst werden. Bevorzugt werden erfindungsgemäß Thixotropieradditive auf Basis modifizierter Harnstoffe, hochmolekularer harnstoffmodifizierte Polyamide, Acrylatverdicker auf Polyacrylatbasis wie unter dem Namen BYK^® (Fa. BYK Chemie GmbH) vertrieben. Daneben können partikuläre Additive wie Metalloxide wie Titandioxide, Aluminiumoxide, Eisenoxide, Siliziumdioxid und/oder hochdisperse Kieselsäure zugesetzt werden wie z. B. pyrogene Kieselsäure unter dem Namen Aerosil (Fa. Degussa). Weiterhin können synthetische bzw. natürliche plättchenförmige Schichtsilikate, wie Glimmer, Kaolin, Bentonite, Hectorite oder Smectite oder z. B. hydrophob bzw. organisch modifizierten Varianten davon dem magnetorheologischen Fluid zugesetzt werden. Diese sind unter dem Namen Bentone^® (Fa. Elementis) bekannt. Die Thixotropieradditive können in der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführung vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,01 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 5 Gew.-% verwendet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Variante hingegen sind in dem magnetorheologischen Fluid keine weiteren plättchenförmigen Thixotropieradditve enthalten, da bereits aufgrund der plättchenartigen Form der erfindungsgemäßen Partikel ein gutes Absetzverhalten erhalten wird.
Als Gleitmittel können beispielsweise Teflonpulver, Molybdänsulfid und/oder Graphitpulver verwendet werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des weiteren durch Verwendung des erfindungsgemäßen plättchenförmigen Eisenpigmente zur Herstellung eines magnetorheologischen Fluids gelöst.
Auch wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch Bereitstellung einer Vorrichtung, die ein erfindungsgemäßes magnetorheologisches Fluid enthält, gelöst.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung, aus der Gruppe, die aus Bremsen, Dämpfer, Kupplungen, Lagern, Lenksystemen, Dichtungen, Prothesen und Aktoren besteht, ausgewählt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren und Beispielen näher veranschaulicht, ohne dabei darauf beschränkt zu sein.
Figuren
1 zeigt den Einfluss des Größen-Dicken-Verhältnisses auf die normierte magnetische Suszeptibilität.
2 zeigt erfindungsgemäße plättchenförmige magnetische Partikel mit einem Größen-Dickenverhältnis von 20:1 gemäß Beispiel 3
3 zeigt plättchenförmige magnetische Partikel mit einem Größen-Dickenverhältnis von 200:1 gemäß Vergleichsbeispiel 8
4: Abhängigkeit der Viskosität vom Größen-Dicken-Verhältnis der Teilchen bei unterschiedlichen Magnetfeldern.
Beispiele
1 Messmethoden:
Größe-Dicken-Verhältnis:
Das Größe-Dicken-Verhältnis einer Partikelprobe aus den aufgeführten Beispielen wurde aus der Auswertung von REM-Aufnahmen bestimmt.
Dabei wurde jeweils der Längendurchmesser mittels Cilas 1064 und die Dicke einer statistischen Anzahl (mindestens 100) an Partikeln ermittelt und das mittlere Größe-Dicken-Verhältnis durch Quotientenbildung aus Längendurchmesser zu Dicke errechnet.
Viskositäten:
Die Viskositäten wurden mit einen Anton-Paar-Viskosimeter MCR 301 (Anton Paar, Deutschland) bestimmt. Dazu wurden die notwendige Menge des entsprechenden Fluids in den für den jeweiligen Viskositätsbereich geeigneten Probenraum (ca. 40 g in Zylinder-Geometrie (bis 20 mPa·s) und 3 g in Kegel-Platte-Geometrie (größer 20 mPa·s) gegeben, und die Viskosität mittels eines geeigneten Messprotokolls vermessen. Die Bestimmung der Nullviskosität erfolgte bei Scherraten zwischen 100 und 1200 1/s bei 40°C durch Bestimmung der Steigung des erhaltenen Verlaufs der Schubspannung/Scherraten Funktion im Bereich zwischen 500 und 800 1/s. Die Bestimmung der Magnetfeld-induzierten Viskosität erfolgte in einer speziellen Messzelle (MRD 180/1 T [Anton Paar, Deutschland]) mit einer Platte-Platte Geometrie (20 mm Durchmesser, Messspalt 1 mm). Es wurden 3 g des Fluides eingebracht und der Verlauf der Viskosität als Funktion der Magnetfeldstärke (zwischen 0 und 1 Tesla) bestimmt. Das Magnetfeld wurde während der Messung mittels eines Teslameters (Hall-Sonde), welches direkt unter der Messzelle angeordnet war, gemessen.
Magnetische Suszeptibilität:
Die Bestimmung der normierten magnetischen Suszeptibilität erfolgte in einem Magnetometer (Vibrating Sample Magnetometer Lake Shore 7407 [Lake Shore Cryotronics, Inc, Westerville, Ohio, USA). Dazu wurde 1 g des Fluides in den Probenraum gegeben und die Probe anschließend mit Standardprotokollen des Herstellers vermessen. Die Auswertung erfolgte durch Auftragung der Funktion M(H). Die Anfangssuszeptibilität wurde als Steigung der der Funktion im linearen Bereich bestimmt. Dieser Werte wurde anschließend auf die Sättigungsmagnetisierung bezogen. Die Sättigungsmagnetisierung wurde bestimmt als Wert von H=unendlich durch lineare Extrapolation der Funktion M(1/H).
Absetzverhalten:
Die Formulierungen wurden jeweils in ein Reagenzglas mit einer Füllhöhe von 8 cm eingefüllt und nach 3 h die Höhe des klaren Flüssigkeitsüberstandes prozentual zur Gesamtfüllhöhe bestimmt.
Rundlichkeitsfaktor:
Der Rundlichkeitsfaktor R_f einer Partikelform wurde mit Hilfe einer Bildauswertesoftware anhand von lichtmikroskopischen und/oder REM-Aufnahmen statistisch ermittelt. Dazu wurde aus einer statistisch signifikanten Anzahl, üblicherweise 100 Partikel, von Partikeln jeweils die Länge der Umfangslinie bestimmt. Anschließend wurde die Fläche bestimmt und aus der Fläche jeweils der Äquivalentumfang eines flächengleichen Kreises errechnet. Aus allen bestimmten Werten wurde anschließend der arithmetische Mittelwert bestimmt. Die erhaltenen Werte wurden nach Formel (I) ins Verhältnis gesetzt und der Rundlichkeitsfaktor R_f erhalten.
II Herstellung:
Beispiel 1: Herstellung plättchenförmiger Eisenpigmente durch Vermahlung
Eine Mischung aus 50 g Carbonyleisenpulver SQ (mittlere Teilchengröße D₅₀ = 3,6 μm, Eisengehalt > 99,5%, Fa. BASF AG) und 150 g Testbenzin sowie 0,9 g Ölsäure als Dispergier- und Mahlhilfsmittel wurden in eine Topfmühle (Länge: 32 cm, Breite: 19 cm) zusammen 2 kg Stahlkugeln (Durchmesser: 1,5 mm) gefüllt mit 45 U/min für 1 h vermahlen. Das aus der Mühle entleerte Vermahlungsprodukt wurde mit Testbenzin ausgewaschen und mittels einer Siebung (40 μm) von den Mahlkugeln getrennt. Der Siebdurchgang wurde mittels einer Nutsche weitgehend von Testbenzin befreit. Der erhaltene Filterkuchen wurde mit 90 Gew.-% Feststoffanteil isoliert.
Die erhaltenen plättchenförmigen Eisenpigmente wiesen ein mittleres Größe-Dicken-Verhältnis von 10 (bestimmt aus einer statistischen Errechnung über REM-Aufnahmen) und eine mittlere Teilchengröße D₅₀ = 10,1 μm (CILAS) auf. Partikel mit anderen Größe-Dicken-Verhältnissen (für u. g. Beispiele) wurden hergestellt, indem die Mahldauer bei sonst gleichen Versuchsparametern verändert wurde.
Beispiel 2: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurden in einem 250 ml-Aluminiumbecher 44,4 g einer 90 Gew.-%igen Paste plättchenförmiger Eisenpartikel in Testbenzin mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 45 (mittlere Teilchengröße D₅₀ = 13,2 μm, CILAS, erhalten nach dem in Beispiel 1 genannten Verfahren) eingewogen und anschließend 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl (Enerpar M 1930, Viskosität bei 40°C 95 mPa·s, Fa. BP, UK) mit einem Rührgerät unter Verwendung einer Dissolverscheibe (Scheibendurchmesser 3 cm) bei 3000 U/min für 5 min eindispergiert.
Beispiel 3: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurde in Analogie zu Beispiel 2 verfahren:

– Magnetisierbare Partikel: 44,4 g plättchenförmige Eisenpartikel in Form einer 90 Gew.-%igen Testbenzinpaste mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 20 (REM) und mittleren Teilchengröße D₅₀ = 12,3 μm (CILAS) erhalten aus Vermahlung in Analogie zu Beispiel 1
– Trägeröl: 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl (Enerpar M 1930, Viskosität bei 40°C 95 mPa·s, Fa. BP, UK).

Beispiel 4: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurde in Analogie zu Beispiel 2 verfahren:

– Magnetisierbare Partikel: 44,4 g plättchenförmige Eisenpartikel in Form einer 90 Gew.-%igen Testbenzinpaste mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 10 (REM) und mittleren Teilchengröße D₅₀ = 7,9 μm (CILAS) erhalten aus Vermahlung in Analogie zu Beispiel 1
– Trägeröl: 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl (Enerpar M 1930, Viskosität bei 40°C 95 mPa·s, Fa. BP, UK).

Beispiel 5: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurde in Analogie zu Beispiel 2 verfahren:

– Magnetisierbare Partikel: 44,4 g plättchenförmige Eisenpartikel in Form einer 90 Gew.-%igen Testbenzinpaste mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 5 (REM) und mittleren Teilchengröße D₅₀ = 6,6 μm (CILAS) erhalten aus Vermahlung in Analogie zu Beispiel 1
– Trägeröl: 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl (Enerpar M 1930, Viskosität bei 40°C 95 mPa·s, Fa. BP, UK).

Beispiel 6 (Vergleichsbeispiel): Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer magnetorheologischen Flüssigkeit als Vergleichsbeispiel mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurde in Analogie zu Beispiel 2 verfahren:

– Magnetisierbare Partikel: 40 g kugelige Eisenpartikel mit einem Größe-Dicken-Verhältnis von 1 und einer Teilchengröße D₅₀ = 3,6 mm (CILAS) [Carbonyleisenpulver SQ, (Fa. BASF SE)]
– Trägeröl: 40 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl (medizinisches Weißöl: Enerpar M 1930, Viskosität bei 40°C 95 mPa·s, Fa. BP, UK).

Beispiel 7 (Vergleichsbeispiel): Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurde in Analogie zu Beispiel 2 verfahren:

– Magnetisierbare Partikel: 44,4 g plättchenförmige Eisenpartikel in Form einer 90 Gew.-%-igen Testbenzinpaste mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 80 (REM) und mittleren Teilchengröße D₅₀ = 14,5 μm (CILAS) erhalten aus Vermahlung in Analogie zu Beispiel 1.
– Trägeröl: 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl (Enerpar M 1930, Viskosität bei 40°C 95 mPa·s, Fa. BP, UK).

Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel): Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurde in Analogie zu Beispiel 2 verfahren:

– Magnetisierbare Partikel: 44,4 g plättchenförmige Eisenpartikel in Form einer 90 Gew.-%-igen Testbenzinpaste mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 200 (REM) und mittleren Teilchengröße D₅₀ = 19,1 μm (CILAS) erhalten aus Vermahlung in Analogie zu Beispiel 1.
– Trägeröl: 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl (Enerpar M 1930, Viskosität bei 40°C 95 mPa·s, Fa. BP, UK).

Beispiel 9: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurden in einem 250 ml-Aluminiumbecher 44,4 g einer 90 Gew.-%igen Paste plättchenförmiger Eisenpartikel in Testbenzin mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 10 (mittlere Teilchengröße D₅₀ = 7,9 μm, CILAS, erhalten in Analogie zu Beispiel 1 genannten Verfahren) eingewogen und anschließend 35,6 g des Trägeröls bestehend aus dem Dicarbonsäurester Butylbenzylphthalat (Viskosität bei 40°C 40 mPa·s, Chemos GmbH) mit einem Rührgerät unter Verwendung einer Dissolverscheibe (Scheibendurchmesser 3 cm) bei 3000 U/min für 5 min. eindispergiert.
Beispiel 10: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurden in einem 250 ml-Aluminiumbecher 44,4 g einer 90 Gew.-%-igen Paste plättchenförmiger Eisenpartikel in Testbenzin mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 10 (mittlere Teilchengröße D₅₀ = 7,9 μm, CILAS, erhalten in Analogie zu Beispiel 1 genannten Verfahren) eingewogen und anschließend 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Poly-α-olefin Durasyn 164 (Viskosität 40°C 11,6 mPa·s, BP Amoco, UK) mit einem Rührgerät unter Verwendung einer Dissolverscheibe (Scheibendurchmesser 3 cm) bei 3000 U/min für 5 min. eindispergiert.
Beispiel 11: Magnetorehologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurden in einem 250 ml-Aluminiumbecher 44,4 g einer 90 Gew.-%igen Paste plättchenförmiger Eisenpartikel in Testbenzin mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 10 (mittlere Teilchengröße D₅₀ = 7,9 μm, CILAS, erhalten in Analogie zu Beispiel 1 genannten Verfahren) eingewogen und anschließend 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Paraffinöl Nexbase 3020 (Viskosität 40°C 50 mPa·s, Fortum Corporation, Finnland) mit einem Rührgerät unter Verwendung einer Dissolverscheibe (Scheibendurchmesser 3 cm) bei 3000 U/min für 5 min. eindispergiert.
Beispiel 12: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 50 Gew.-% wurden in einem 250 ml-Aluminiumbecher 44,4 g einer 90 Gew.-%igen Paste plättchenförmiger Eisenpartikel in Testbenzin mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 10 (mittlere Teilchengröße D₅₀ = 7,9 μm, CILAS, erhalten in Analogie zu Beispiel 1 genannten Verfahren) eingewogen und anschließend 35,6 g des Trägeröls bestehend aus Poly-α-olefin Synfluid (Viskosität 40°C 51 mPa·s, ChevronPhillips Chemical Company, USA) mit einem Rührgerät unter Verwendung einer Dissolverscheibe (Scheibendurchmesser 3 cm) bei 3000 U/min für 5 min. eindispergiert.
Beispiel 13: Magnetorheologisches Fluid
Zur Herstellung von 80 g einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Gewichtsanteil von 75 Gew.-% wurden in einem 250 ml-Aluminiumbecher 66,6 g einer 90 Gew.-%igen Paste plättchenförmiger Eisenpartikel in Testbenzin mit einem gemittelten Größe-Dicken-Verhältnis von 10 (mittlere Teilchengröße D₅₀ = 7,9 μm, CILAS, erhalten in Analogie zu Beispiel 1 genannten Verfahren) eingewogen und anschließend 11,4 g des Trägeröls bestehend aus dem Dicarbonsäurester Butylbenzylphthalat (Viskosität bei 40°C 40 mPa·s, Chemos GmbH) unter Zusatz von 2,0 g des Thixotropieradditives BYK 411 (BYK-Chemie, Deutschland) zur mit einem Rührgerät unter Verwendung einer Dissolverscheibe (Scheibendurchmesser 3 cm) bei 3000 U/min für 5 min. eindispergiert.
Aus den in Tabelle 1 genannten Beispielen wird der Vorteil der Erfindung sehr deutlich. Die normierte magnetische Suszeptibilität des Vergleichsbeispiels 6 liegt bei 6,0 × 10^–3. Die Beispiele 2 bis 5 zeigen, dass die Suszeptibilitäten mit steigendem Größen-Dicken-Verhältnis stark ansteigen. Im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 6 ist die Suszeptibilität im Beispiel 2 um den Faktor 4 erhöht. Der Anstieg der Suszeptibilität bei noch größeren Größen-Dicken-Verhältnissen fällt hingegen gering aus. So ist die Suszeptibilität von Beispiel 7 nur noch gering höher als die von Beispiel 2. Demnach ist eine Erhöhung des Größen-Dicken-Verhältnisses über den erfindungsgemäßen Bereich hinaus nicht sinnvoll. Der Anstieg der Suszeptibilität ist bei den Beispielen 3–5 besonders stark, wodurch die in der Erfindung besonders bevorzugten Größen-Dicken-Verhältnisse erklärt werden können. Der beschriebene Verlauf wird in klar erkennbar.
Wie die erfindungsgemäßen Beispiele 2–5 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 6 exemplarisch belegen, verbessert das erfindungsgemäße Größen-Dicken-Verhältnis das Absetzverhalten von magnetorheologischen Formulierungen deutlich. Die Partikel setzen sich durch ihre Plättchenform deutlich weniger ab.
Partikel mit Größen-Dicken-Verhältnissen, die höher als die erfindungsgemäßen Verhältnisse sind, weisen zwar ein noch weiter verbessertes Absetzverhalten auf, jedoch ist die Viskosität solcher Formulierungen bereits ohne angelegtes Magnetfeld (Basisviskosität) sehr hoch, so dass die Viskositätsänderung durch Anlegen eines Magnetfeldes nur noch gering ausfällt. Demnach sind Partikel mit derart hohen Größen-Dicken-Verhältnissen technisch nicht oder nur sehr nachteilig einsetzbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Größen-Dicken-Verhältnissen ist in gezeigt. Die Partikel zeigen bereits bei kleinen Magnetfeldern eine signifikante Steigerung der Viskosität im Vergleich zur Basisviskosität.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 01/03150 A1 [0005]
US 5667715 [0006]
EP 0856190 B1 [0007]
WO 02/25674 A2 [0008]
EP 0845790 B1 [0009]
DE 102004041651 A1 [0011]
EP 0672294 B1 [0012]
EP 0755563 B1 [0013]
US 2006/0033068 A1 [0014]
US 2006/0033069 A1 [0015]
DE 10114446 A1 [0018, 0018, 0022, 0023]
DE 19520312 A1 [0083]

Claims

Plättchenförmige Eisenpigmente, hergestellt durch Verformung von Carbonyleisengrieß, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Eisenpigmente eine Größenverteilung mit einem D₅₀-Wert aus einem Bereich von 3 bis 16 μm und ein Größen-Dicken-Verhältnis aus einem Bereich von 2 bis 50 aufweisen.
Plättchenförmige Eisenpigmente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Eisenpigmente ein Größen-Dicken-Verhältnis aus einem Bereich von 3 bis 30 aufweisen.
Plättchenförmige Eisenpigmente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Eisenpigmente einen Randbereich mit einem Rundlichkeitsfaktor gemäß Formel (I) aufweisen:
wobei der Rundlichkeitsfaktor vorzugsweise in einem Bereich von 0,83 bis 0,98 liegt.
Plättchenförmige Eisenpigmente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Eisenpigmente im Randbereich im wesentlichen keine ineinander eingreifenden Strukturen aufweisen.
Plättchenförmige Eisenpigmente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Eisenpigmente wenigstens eine, vorzugsweise umhüllende, Beschichtung aufweisen.
Magnetorheologisches Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass es plättchenförmige Eisenpigmente nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Trägerfluid enthält.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an plättchenförmigen Eisenpigmenten in einem Bereich von 25 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des magnetorheologischen Fluids, liegt.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetorheologische Fluid keine weiteren plättchenförmigen Thixotropiermittel enthält.
Magnetorheologisches Fluid nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerfluid aus Gruppe, die aus Wasser, wasserhaltigen Fluiden, ölhaltigen Fluiden, Öl, Kohlenwasserstoffen, Silikonen und Mischungen davon besteht, ausgewählt wird.
Magnetorheologisches Fluid nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Trägerfluid in einem Bereich von 2 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an magnetorheologischem Fluid, liegt.
Magnetorheologisches Fluid nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetorheologische Fluid ohne Anlegung eines Magnetfeldes bei einer Temperatur von 40°C und einer Scherrate von 650 s^–1 eine Viskosität im Bereich von 3 bis 1.000 Pa·s aufweist, wobei die Viskosität mit einen Anton-Paar-Viskosimeter MCR 301 (Anton Paar, Deutschland) bestimmt wird, wobei bei einem Viskositätsbereich bis 20 mPa·s als Probenraum eine Zylinder-Geometrie und bei Viskositäten größer 20 mPa·s in einer Kegel-Platte-Geometrie (20 mm Durchmesser, Messspalt 1 mm) gemessen wird.
Verwendung von plättchenförmigen Eisenpigmenten nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines magnetorheologischen Fluids.
Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein magnetorheologisches Fluid nach einem der Ansprüche 6 bis 12 enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus der Gruppe, die aus Bremsen, Dämpfer, Kupplungen, Lagern, Lenksystemen, Dichtungen, Prothesen und Aktoren besteht, ausgewählt wird.