DE69009930T2 - Elektrorheologische Flüssigkeit. - Google Patents

Elektrorheologische Flüssigkeit.

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    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M171/00Lubricating compositions characterised by purely physical criteria, e.g. containing as base-material, thickener or additive, ingredients which are characterised exclusively by their numerically specified physical properties, i.e. containing ingredients which are physically well-defined but for which the chemical nature is either unspecified or only very vaguely indicated
    • C10M171/001Electrorheological fluids; smart fluids

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Description

    Gegenstand der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektrorheologische Flüssigkeiten, die in der Lage sind, ihre viskoelastische Eigenschaft beachtlich und reversibel durch Regulation der hieran angelegten elektrischen Potentialdifferenz zu verändern. Die Flüssigkeit ist zur elektrischen Regulation von mechanischen Vorrichtungen wie Motorlagern, Stoßdämpfern, Ventilen, Stellgliedern, Kupplungen usw. geeignet.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Die Veränderung der scheinbaren Viskosität einer Flüssigkeit durch Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz ist seit vielen Jahren als Winslow-Effekt bekannt. Im Anfangsstadium der Entwicklung bestand die Flüssigkeit aus Stärke oder ähnlichem, dispergiert in einem Mineralöl oder in einem Schmieröl. Obwohl die Flüssigkeit in der Lage war, die elektrorheologische Wirkung zu zeigen, war die Wiederholbarkeit der elektrorheologischen Wirkung nicht zufriedenstellend.
  • Um Flüssigkeiten zu erhalten, die eine vorzügliche elektrorheologische Eigenschaft und Wiederholbarkeit aufweisen, wurden viele Vorschläge gemacht, die hauptsächlich die Verwendung von Teilchen als Dispersoid betrafen. Beispielsweise sind stark hygroskopische Harzteilchen mit Säuregruppen ähnlich der Polyacrylsäure (vorläufige japanische Patentveröffentlichung Tokkai Sho 53-93186 [1978]), Ionenaustauschharze (japanische Patentveröffentlichung Tokko Sho 60-31211 [1985]), Aluminosilicate (vorläufige japanische Patentveröffentlichung Tokkai Sho 62- 95397 [1987]), usw. bekannt.
  • Alle diese elektrorheologischen Flüssigkeiten werden durch Dispergieren von wassertragenden hydrophilen Teilchen in einem elektrisch isolierenden öligen Medium hergestellt, und aufgrund des Verhaltens von Wasser tritt eine Polarisation der Teilchen auf, wenn von außen eine elektrische Potentialdifferenz angelegt wird. Die Viskositätszunahme soll durch die Bildung von Brücken zwischen den Teilchen in Richtung des elektrischen Feldes unter Einfluß der Polarisation verursacht werden.
  • In elektrorheologischen Flüssigkeiten, die wassertragende Dispersoide zur Induzierung ihrer elektrorheologischen Wirkungen verwenden, treten jedoch Nachteile auf, wie z.B. eine Zunahme im Verbrauch an elektrischer Leistung, insbesondere bei hohen Temperaturen aufgrund eines erhöhten elektrischen Stroms durch die Dispersoidteilchen, eine Beschränkung der einsetzbaren Temperaturen, um die Verdunstung oder das Gefrieren des Wassers zu vermeiden, und eine Fluktuation der Zusammensetzung und der Leistung, verursacht durch die Verdampfung von Wasser während eines langen Verwendungszeitraums.
  • In jüngster Zeit wurden elektrorheologische Flüssigkeiten vom nichtwäßrigen Typ vorgeschlagen, die im wesentlichen kein Wasser enthalten und stark dielektrische Materialien oder Halbleiterteilchen als Dispersoid verwenden. Beispielsweise wurden Flüssigkeiten vorgeschlagen, die organische Halbleiterteilchen wie Polyacenchinon (vorläufige japanische Patentveröffentlichung Tokkai Sho 61-216202 [1986]) und dielektrische Teilchen, hergestellt durch Bildung eines leitenden dünnen Films auf der Oberfläche organischer Feststoffteilchen und anschließender weiterer Bildung eines elektrisch isolierenden dünnen Filmes hierauf (vorläufige japanische Patentveröffentlichung Tokkai Sho 63-97694 [1988]), verwenden.
  • Untersuchungen zur Verwendung elektrorheologischer Flüssigkeiten vom nichtwäßrigen Typ werden weiterhin durchgeführt, da von ihnen erwartet wird, daß sie Möglichkeiten aufweisen, die verschiedenen herkömmlichen Nachteile von wassertragenden elektrorheologischen Flüssigkeiten zu überwinden, die auf das Vorliegen von Wasser zurückzuführen sind.
  • Von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung wurde aufgrund ihrer auf diesen Überlegungen basierenden Forschung gefunden, daß optisch anisotrope Kohlenstoffteilchen in elektrorheologischen Flüssigkeiten vom nichtwäßrigen Typ eine überlegene elektrorheologische Wirkung aufweisen können (japanische Patentanmeldung Sho 63-212615 [1988]).
  • Da die elektrorheologischen Eigenschaften von der Art der Kombinationen zwischen den Teilchen und dem öligen Medium abhängen und in Abhängigkeit hiervon variieren, gibt es Vorschläge von Kombinationen, die eine vergrößerte Viskositätsänderung aufweisen, wenn an sie eine elektrische Potentialdifferenz angelegt wird. Beispielsweise offenbart die vorläufige japanische Patentveröffentlichung Tokkai Hei 1-198696 [1989] eine Kombination aus Polyfluoralkylmethylsiloxan und Polymethacrylsäure, die eine verbesserte elektrorheologische Wirkung zeigt im Vergleich zu den bisher bekannten chlorierten Paraffinen, die in der GB-A-1570234 verwendet wurden. Weiterhin offenbaren die US-Patentschriften mit den Nrn. 3047507 und 4645614 Beispiele, in denen Siliconöle verwendet werden.
  • Da jedoch die meisten dieser Technologien in bezug auf elektrorheologische Flüssigkeiten in einem wäßrigen System unter Verwendung von wassertragenden Teilchen als Dispersoid entwickelt wurden, wurde der Einfluß des öligen Mediums auf die elektrorheologische Wirkung nicht deutlich erklärt, und die elektrorheologische Wirkung war für die praktische Anwendung nicht zufriedenstellend genug, trotz bemerkenswerter Verbesserungen in der Wirkung, die die jeweiligen Kombinationen zeigen, und es treten Probleme auf wie eine Zunahme des elektrischen Stromes, die der verbesserten elektrorheologischen Wirkung entgegensteht, oder eine geringere Dispersion aufgrund der Unterschiede der spezifischen Gewichte des öligen Mediums und der Teilchen in ihren bevorzugten Kombinationen, um eine verbesserte elektrorheologische Wirkung zu erreichen.
  • Da Siliconöle eine Dielektrizitätskonstante von etwa 2 aufweisen, tritt keine große Zunahme im elektrischen Strom bei Raumtemperatur auf, auch dann nicht, wenn sie für elektrorheologische Flüssigkeiten verwendet werden, die wassertragende Teilchen als Dispersoid verwenden, insoweit als kein überschüssiges Wasser hinzugegeben wird. Ihre elektrorheologischen Wirkungen sind jedoch nicht so bemerkenswert. Wenn Teilchen, die hauptsächlich aus organischen Polymeren wie stark hygroskopischen Harzen mit Säuregruppen wie Polyacrylsäuren (vorläufige japanische Patentveröffentlichung Tokkai Sho 53-93186 [1978]) als Teilchen verwendet werden, besteht weiterhin ein Problem bezüglich der Lebensdauer. Im Falle anorganischer Teilchen ist ein Mittel zum Unterdrücken der Sedimentation erforderlich, wenn Teilchen mit einem spezifischen Gewicht von mehr als 1,2, beispielsweise Zeolithe aufgrund der Lebensdauer, verwendet werden.
  • Wie oben beschrieben wurde, weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verschiedene Probleme auf, beispielsweise das Dispersionsproblem wie die Sedimentation von Teilchen, das Haltbarkeitsproblem (Lebensdauer) oder das Auftreten der elektrorheologischen Wirkung mit einem entsprechenden elektrischen Strom, gesehen vom Standpunkt der praktischen Anwendbarkeit aus.
  • Die EP 0 361 106 (Priorität vom 29.8.1988; Veröffentlichungstag am 4.4.1990) offenbart eine elektroviskose Flüssigkeit in Form einer Suspension, die aus einem fein verteilten, dielektrischen Feststoff, dispergiert in einem elektrisch nichtleitenden Öl, zusammengesetzt ist. Diese elektroviskose Flüssigkeit umfaßt 1-60 Gew.-% einer dispergierten Phase aus kohlenstoffhaltigen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,01-100 um und 99-40 Gew.-% einer kontinuierlichen flüssigen Phase eines elektrisch isolierenden Öls mit einer Viskosität von 0,65-500 Centistoke bei Raumtemperatur. Diese Druckschrift offenbart jedoch nicht die Verwendung spezifischer Phosphazenöle, wie sie erfindungsgemäß als elektrisch isolierendes öliges Medium verwendet werden.
  • Die EP 0 372 366 (Prioritätstag: 1.12.1988; Veröffentlichungstag: 13.6.1990) offenbart Teilchen mit einem Wassergehalt von nicht mehr als 4 Gew.-% und einer Teilchengröße von zwischen 0,5 und 5 um und einem spezifischen Gewicht von mehr als 1,2. Diese Druckschrift offenbart jedoch nicht die Verwendung der erfindungsgemäß verwendeten spezifischen Phosphazenöle als geeignetes Medium.
  • Die EP 0 374 525 offenbart eine elektroviskose Flüssigkeit, die 1-60 Gew.-% einer dispergierten Phase umfaßt, zusammengesetzt aus hygroskopischen anorganischen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,01-20 um und eingestellt auf einen Wassergehalt von 0,1-10 Gew.-%, wobei eine flüssige polare Verbindung mit einem hohen Siedepunkt adsorbiert wird, und 99-40 Gew.-% einer flüssigen Phase eines elektrisch isolierenden Öls mit einer Viskosität von 0,65-500 Centistoke bei Raumtemperatur. Diese Druckschrift offenbart jedoch nicht die Verwendung der spezifischen Phosphazenöle, die erfindungsgemäß als geeignetes, elektrisch isolierendes öliges Medium verwendet werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrorheologische Flüssigkeit bereitzustellen, die in der Lage ist, eine verbesserte elektrorheologische Wirkung bei einem geringeren Verbrauch an elektrischer Leistung aufzuweisen.
  • Erfindungsgemäß wird eine elektrorheologische Flüssigkeit bereitgestellt, umfassend (a) 1-60 Gew.-% an Teilchen mit einem spezifischen Gewicht von nicht kleiner als 1,2 und einem Wassergehalt von nicht mehr als 4 Gew.-%, dispergiert in (b) 99-40 Gew.-% eines elektrisch isolierenden öligen Mediums, das im wesentlichen eine Verbindung mit einer Ringstruktur darstellt, mit mehr als 3 Einheiten mit einer P=N-Bindung im Molekül und O-, N- oder C-Atomen, die direkt an die P-Atome des -P= N-Gerüsts gebunden sind, oder eine Kettenverbindung mit kontinuierlichen und wiederholten P=N-Bindungen im Molekül und O-, N- oder C-Atomen, die direkt an die P-Atome des -P=N-Gerüsts gebunden sind.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
  • Von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung wurden gründliche Untersuchungen zur Beziehung zwischen den Ölen und den Teilchen unternommen, die den grundlegenden Bestandteil der elektrorheologischen Flüssigkeiten bilden, um herauszufinden, daß durch eine geeignete Auswahl an Teilchen bezüglich ihres Wassergehaltes und ihres spezifischen Gewichtes und eine Auswahl des Öls, das mit den Teilchen in der elektrorheologischen Flüssigkeit kombiniert wird, eine bemerkenswerte elektrorheologische Wirkung erzielbar ist.
  • Die elektrorheologische Flüssigkeit der vorliegenden Erfindung umfaßt Teilchen mit einem spezifischen Gewicht von nicht weniger als 1,2 und einem Wassergehalt von nicht größer als 4 Gew.-%, dispergiert in einem elektrisch isolierenden öligen Medium mit P=N-Bindungen im Molekül.
  • Das zugrundeliegende Wissen, das die Durchführung der vorliegenden Anmeldung ermöglicht, kann wie folgt zusammengefaßt werden:
  • (1) Anorganische Teilchen weisen im allgemeinen eine höhere Lebensdauer und ein größeres spezifisches Gewicht im Vergleich zu organischen Teilchen auf. Ein größeres spezifisches Gewicht verursacht das Problem einer Sedimentation, so daß es notwendig ist, Teilchen mit einer kleineren Teilchengröße zu verwenden, oder ein öliges Medium mit einem größeren spezifischen Gewicht für diese Verbesserung zu verwenden.
  • (2) Zur Verstärkung der elektrorheologischen Wirkung wird die Verwendung eines Öls mit einer größeren Dielektrizitätskonstante bevorzugt. Im Falle einer elektrorheologischen Flüssigkeit eines wäßrigen Systems neigt jedoch eine große Dielektrizitätskonstante dazu, die Ionisierung des isolierten Wassers zu stimulieren, was zu einer Zunahme des elektrischen Stromes führt.
  • (3) Im Falle von elektrorheologischen Flüssigkeiten vom nichtwäßrigen Typ ist die Zunahme des elektrischen Stromes im Vergleich zur Verbesserung der elektrorheologischen Wirkung geringer, unabhängig von einer großen Dielektrizitätskonstante des Öls.
  • Aufgrund der oben genannten drei Beobachtungen wurde es möglich, durch die Verwendung eines elektrisch isolierenden öligen Mediums mit P=N-Bindungen im Molekül und durch die Verwendung von Teilchen, die für eine elektrorheologische Flüssigkeit vom nichtwäßrigen Typ einsetzbar sind, die kein Wasser erfordert, um die elektrorheologische Wirkung aufzuweisen, wie solche, die ein spezifisches Gewicht von nicht weniger als 1,2 und einen Wassergehalt von nicht mehr als 4 Gew.-% aufweisen und durch Dispergieren der Teilchen in dem öligen Medium eine so verstärkte elektrorheologische Wirkung hervorzurufen, ohne gleichzeitige bemerkenswerte Zunahme im elektrischen Strom, was durch irgendeine aus dem Stand der Technik bekannte Kombination bisher nicht erreichbar war.
  • Weiterhin wurde im Gegensatz zur obigen Beobachtung bemerkt, daß die Verwendung des öligen Mediums mit P=N-Bindungen im Molekül bei elektrorheologischen Flüssigkeiten vom wäßrigen Systemtyp nachteilig ist im Vergleich zur Verwendung von Siliconölen oder Mineralölen, da der elektrische Strom dazu neigt, leicht zu fließen, und zwar aufgrund seines leicht geringeren elektrischen Widerstandes, verglichen mit den Siliconölen oder Mineralölen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail erläutert werden.
  • Verbindungen mit P=N-Bindungen im Molekül werden als Phosphazenverbindungen bezeichnet, und die nachfolgenden drei Arten von Strukturen sind bekannt:
  • (1) eine Gruppe von Verbindungen mit einer Ringstruktur mit mehr als 3 Einheiten einer P=N-Bindung im Molekül;
  • (2) eine Gruppe von Kettenverbindungen mit kontinuierlichen und wiederholten P=N-Bindungen im Molekül; und
  • (3) eine Gruppe von Verbindungen, die durch P=N-Bindungen in Form eines dreidimensionalen Netzwerks strukturiert sind.
  • Zu den Verbindungen der Gruppe (1) gehören beispielsweise: Trimer, Tetramer und n-Abschnitte Polymer mit F-Atomen wie (PNF&sub2;)&sub3;, (PNF&sub2;)&sub4; und (PNF&sub2;)n, wobei [n< 14] ist; Trimer, Tetramer und n-Abschnitte Polymer mit Cl-Atomen wie (PNCl&sub2;)&sub3;, (PNCl&sub2;)&sub4; und (PNCl&sub2;)n, wobei [n< 14] ist; Trimer, Tetramer und n-Abschnitte Polymer mit Br-Atomen wie (PNBr&sub2;)&sub3;, (PNBr&sub2;)&sub4; und (PNBr&sub2;)n, wobei [n< 14] ist; Trimer, Tetramer und n-Abschnitte Polymer mit I-Atomen wie (PNI&sub2;)&sub3;, (PNI&sub2;)&sub4; und (PNI&sub2;)n, wobei [n< 14] ist; oder Verbindungen, bei denen die Halogenatome der oben genannten Verbindungen teilweise oder vollständig durch organische Gruppen substituiert sind.
  • Derartige durch organische Gruppen substituierte Verbindungen können dadurch erhalten werden, daß die Halogenatome im Trimer, Tetramer und den n-Abschnitte enthaltenden Polymerverbindungen mit nucleophilen Reagenzien wie CF&sub3;CH&sub2;ONa und C&sub6;H&sub5;ONa durch Halogenatome substituiert werden. Unabhängig vom verwendeten Syntheseverfahren ist eine ähnliche Wirkung der Verbindung erhältlich, insoweit als die Verbindung mehr als 3 Einheiten an P=N- Bindungen im Molekül und eine Ringstruktur aufweist.
  • Beispiele für Verbindungen, die zur Gruppe (2) gehören, sind: Kettenverbindungen mit P=N-Grundgerüststruktur und Halogenatomen in der Seitenkette wie (PNF&sub2;)n, wobei [n> 2], (PNCl&sub2;)n, wobei [n> 2], (PNBr&sub2;)n, wobei [n> 2] und (PNI&sub2;)n, wobei [n> 2]; Verbindungen, bei denen die Halogenatome der Verbindungen mit der oben genannten P=N-Grundgerüststruktur und ihre polymerisierten Formen teilweise oder vollständig durch organische Gruppen substuiert wurden.
  • Derartige durch organische Gruppen substituierte Kettenverbindungen oder -polymere können dadurch erhalten werden, daß die Halogenatome in den Halogen enthaltenden Verbindungen mit nucleophilen Reagenzien wie CF&sub3;CH&sub2;ONa und C&sub6;H&sub5;ONa substituiert werden. Unabhängig vom verwendeten synthetischen Verfahren ist eine ähnliche Wirkung der Verbindung erhältlich, insoweit als die Verbindung eine Grundgerüststruktur an P=N-Bindungen im Molekül aufweist.
  • Verbindungen, die zur Gruppe (3) gehören, sind fest, im allgemeinen in verschiedenen Lösungsmitteln unlöslich und sind während der Synthese von P=N enthaltenden Verbindungen, die zu (1) oder (2) oder stickstoffhaltigen Phosphorverbindungen gehören, erhältlich. Sie bestehen hauptsächlich aus P-Atomen und N-Atomen, und der Rest ist ein Teil an Elementen, die in den Ausgangsmaterialien für die Synthese enthalten sind, so daß ihre Zusammensetzung vom verwendeten Syntheseverfahren abhängt.
  • Unter den zu (1), (2) und (3) gehörenden Verbindungen sind diejenigen Verbindungen von (3) häufig in fester Form erhältlich, und sie sind für die vorliegende Erfindung nicht geeignet.
  • Unter den zu (1) und (2) gehörenden Verbindungen sind die nachfolgenden Verbindungen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht geeignet: Diejenigen Verbindungen, die mehr als 1 Gew.-% Halogenatome wie F, Cl, Br und I direkt an das P-Atom gebunden enthalten; diejenigen Verbindungen, die in der Molekularstruktur mehr als 10 Gew.-% ionisierbare Atome enthalten, wenn sie in Wasser gegeben werden; diejenigen Verbindungen, die mehr als 10 Gew.-% und im engeren Sinne mehr als 1 Gew.-% an Verbindungen mit Atomen enthalten, die nicht O, N und C sind und die direkt an die P-Atome im -P=N-Skelett gebunden sind; und diejenigen Verbindungen mit einem Schmelzpunkt über 40ºC.
  • Demgemäß werden unter den Phosphazenverbindungen, die zu den oben genannten Gruppen (1), (2) und (3) gehören, diejenigen Verbindungen für die vorliegende Erfindung bevorzugt, die chemisch stabil sind, in ihrer elektrischen Isolierung überlegen sind und einen Schmelzpunkt von unter 40ºC aufweisen, ausgewählt aus den Gruppen (1) und (2). Beispiele für Verbindungen, die aus den Gruppen (1) und (2) ausgewählt werden, sind unten angegeben; sie stellen jedoch bloß Beispiele für Molekularstrukturen des öligen Mediums dar, und das ölige Medium, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
  • Typ 1: Verbindungen mit O-, N- oder C-Atomen, die direkt an die P-Atome des -P=N-Skeletts gebunden sind und die aufgezeigte Ringstruktur aufweisen. Hierzu gehören
  • (PNR&sub1;R&sub2;)n [n< 14]
  • R&sub1;: aliphatische oder aromatische Seitenkettengruppe einschließlich Alkoxy-, Amino-, Phenoxy- und Phenylgruppen wie -OCH&sub2;CF&sub3;, -OCH&sub2;CF&sub2;CF&sub3;, -N(CH&sub3;)&sub2;, -C&sub6;H&sub5;, -OC&sub6;H&sub5;, -NHC&sub6;H&sub5; etc.
  • R&sub2;: aliphatische oder aromatische Seitenkettengruppe einschließlich Alkoxy-, Amino-, Phenoxy- und Phenylgruppen wie -OCH&sub2;CF&sub3;, -OCH&sub2;CF&sub2;CF&sub3;, -N(CH&sub3;)&sub2;, -C&sub6;H&sub5;, -OC&sub6;H&sub5;, -NHC&sub6;H&sub5; etc., und Gruppen wie -CH&sub2;CH&sub3; und -NH&sub2;. R&sub2; kann gleich oder verschieden von R&sub1; sein.
  • Andere Verbindungen, die in Typ 1 enthalten sind, sind solche Verbindungen mit vollständig verschiedenen oder mehreren Arten an Seitenkettengruppen, die an die P-Atome im gleichen Molekül gebunden sind.
  • Zu denjenigen Verbindungen, die zum Typ 1 gehören, weisen Verbindungen wie (NP(NHC&sub6;H&sub5;)&sub2;)&sub3;, (NP(NHCH&sub2;CHCH&sub2;)&sub2;)&sub3;, (NP(OCH&sub2;CF&sub3;)&sub2;)&sub3;, (NP(OG&sub6;H&sub5;)&sub2;)&sub3;, (NP(OCH(CH&sub3;)&sub2;)&sub2;)&sub3; etc. einen hohen Schmelzpunkt oder eine geringe Haltbarkeit auf. Demgemäß ist es nicht bevorzugt, diese als hauptsächliches öliges Medium zu verwenden; ihre Verwendung in einer Menge von weniger als 30 Gew.-%, bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, im öligen Medium ist jedoch möglich, insoweit die Eigenschaften des Öls nicht verschlechtert werden.
  • Typ 2: Verbindungen mit O-, N- oder C-Atomen, die direkt an P-Atome des -P=N-Skeletts gebunden sind und die die aufgezeigte Ringstruktur aufweisen; hierzu gehören Verbindungen wie (PNR&sub1;R&sub2;)n [n< 2]
  • R&sub1;: aliphatische oder aromatische Seitenkettengruppe einschließlich Alkoxy-, Amino-, Phenoxy- und Phenylgruppen wie -OCH&sub2;CF&sub3;, -OCH&sub2;CF&sub2;CF&sub3;, -N(CH&sub3;)&sub2;, -C&sub6;H&sub5;, -OC&sub6;H&sub5;, -NHC&sub6;H&sub5; etc.
  • R&sub2;: aliphatische oder aromatische Seitenkettengruppe einschließlich Alkoxy-, Amino-, Phenoxy- und Phenylgruppen wie -OCH&sub2;CF&sub3;, -OCH&sub2;CF&sub2;CF&sub3;, -N(CH&sub3;)&sub2;, -C&sub6;H&sub5;, -OC&sub6;H&sub5;, -NHC&sub6;H&sub5; etc., und Gruppen wie -CH&sub2;CH&sub3; und -NH&sub2;. R&sub2; kann gleich oder verschieden von R&sub1; sein.
  • Andere Verbindungen, die in Typ 2 enthalten sind, sind solche Verbindungen mit vollständig verschiedenen oder mehreren Arten an Seitenkettengruppen, die an die P-Atome im gleichen Molekül gebunden sind.
  • Unter den zum Typ 2 gehörenden Verbindungen sind solche Verbindungen mit zwei aliphatischen Seitenketten, die an das gleiche P-Atom kein Halogen gebunden enthalten, wie (NP(NHCH&sub2;CHCH&sub2;)&sub2;)n und (NP(OCH(CH&sub3;)&sub2;)&sub2;)n, in ihrer Beständigkeit schlecht, und sie werden nicht bevorzugt. Weiterhin werden solche Verbindungen mit einem Molekulargewicht von mehr als mehreren zehntausend schwierig in den öligen Zustand umgewandelt, und sie werden nicht bevorzugt.
  • Phosphazenverbindungen, die für die vorliegende Erfindung verwendbar sind, sind auf diejenigen Verbindungen beschränkt, die zum oben genannten Typ 1 oder Typ 2 gehören, oder Mischungen von mehr als zwei Arten, ausgewählt aus dem Typ 1 und dem Typ 2.
  • Teilchen, die für die vorliegende Erfindung verwendbar sind, sind solche Teilchen, die für gewöhnliche elektrorheologische Flüssigkeiten vom nichtwäßrigen Typ verwendbar sind, die ein spezifisches Gewicht von mehr als 1,2 und einen Wassergehalt von weniger als 4 Gew.-% aufweisen.
  • Teilchen mit einem spezifischen Gewicht von unter 1,2 wie Glasballon werden nicht bevorzugt, da es schwierig ist, sie im öligen Medium gleichmäßig zu dispergieren, wenn sie mit den oben genannten Phosphazenölen kombiniert werden.
  • Die obere Grenze des spezifischen Gewichts liegt bevorzugt bei 8,0. Wenn das spezifische Gewicht über 8,0 liegt, nimmt die Sedimentation der Teilchen zu.
  • Der Wassergehalt, auf den hierin Bezug genommen wird, ist der Gehalt an Wasser, der von der Oberfläche der Teilchen bei Temperaturen zwischen 100ºC und 150ºC verdampft werden kann, und derartige Wasserarten, die über 150ºC stabil sind, wie Konstitutionswasser von Tonmineralien einschließlich Montmorillonit und Kaolinit oder Kristallwasser, gehören nicht zum Wassergehalt.
  • D.h., daß der Wassergehalt, auf den in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, ein Wassergehalt ist, der physikalisch an die Oberfläche der Teilchen adsorbiert ist, und der mit dem Karl-Fisher-Verfahren oder mit einem Infrarot-Feuchtigkeitsgehaltsmeßgerät meßbar ist.
  • Der Wassergehalt hängt teilweise von der Teilchengröße der Teilchen ab, und ein größerer Wassergehalt kann sogar für Teilchen mit der gleichen chemischen Struktur auftreten, wenn die Teilchengröße kleiner wird, da die Adsorptionskapazität des Wassers in Übereinstimmung mit der erhöhten Oberfläche zunimmt. Teilchen mit einem Wassergehalt von mehr als 4 Gew.-% ohne eine spezifische Zugabe von Wasser sind manchmal solche, die einen großen Anteil an Teilchen mit einer Größe kleiner 1 um enthalten oder solche Teilchen, die eine hohe Dimensionsstruktur der Teilchen enthalten. Wenn ein Phosphazenöl und Teilchen mit einem Wassergehalt von mehr als 4 Gew.-% vermischt werden, um eine elektrorheologische Flüssigkeit zu erhalten, und hieran eine elektrische Potentialdifferenz angelegt wird, neigt ein derartiges Wasser dazu, den elektrischen Strom zu erhöhen und es wird deshalb nicht bevorzugt eingesetzt.
  • Teilchen mit einem spezifischen Gewicht von nicht kleiner als 1,2 und einem Wassergehalt von nicht größer als 4 Gew.-%, die erfindungsgemäß einsetzbar sind, werden beispielhaft veranschaulicht durch Pulver der Nichtoxide wie Kohlenstoffpulver, SiC-Pulver, TiC-Pulver und B&sub4;C-Pulver, und Oxidpulver wie Zeolith, amorphes Siliciumdioxid, Al-Pulver mit leicht oxidierter Oberfläche, Bariumtitanat und Tonmineralien.
  • Unter den oben genannten Pulvern wird Zeolith durch die Formel M(x/n) [(AlO&sub2;)x(SiO&sub2;)y]wH&sub2;O (M ist ein Metallkation oder eine Mischung von Metallkationen mit n-Elektronen im Mittel; x und y sind je eine ganze Zahl; das Verhältnis von y zu x beträgt ungefähr 1-5, und w ist unbestimmt) repräsentiert, und es enthält manchmal mehr als 4 Gew.-% Wasser, das aus dem Syntheseschritt des Pulvers stammt.
  • Für elektrorheologische Flüssigkeiten vom wäßrigen System werden diese hygroskopischen Teilchen bevorzugt verwendet, da hierdurch eine bemerkenswerte elektrorheologische Wirkung erreichbar ist; für die vorliegende Erfindung werden diese Teilchen jedoch nach der Entfernung des Wassers durch Vakuumtrocknung verwendet. Andere Teilchen als Zeolith, die eine große Menge an adsorbierten Wasser enthalten, werden für die vorliegende Erfindung bevorzugt verwendet, wenn das Wasser durch Vakuumtrocknung entfernbar ist. In der vorliegenden Erfindung wird das Wasser bis zu einer Menge von kleiner als 4 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 2 Gew.-% und noch bevorzugter kleiner als 1 Gew.-% entfernt, und die Teilchen werden zur Herstellung der elektrorheologischen Flüssigkeiten mit einem Phosphazenöl vermischt.
  • Kohlenstoffhaltige Teilchen, die als Dispersoide der elektrorheologischen Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind, werden nachfolgend im einzelnen näher erläutert.
  • Der Kohlenstoffgehalt der kohlenstoffhaltigen Teilchen beträgt bevorzugt 80-97 Gew.-%, bevorzugter 90-95 Gew.-%, und das Atomverhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff (C/H-Verhältnis) der kohlenstoffhaltigen Teilchen beträgt bevorzugt 1,2-5, bevorzugter 2-4.
  • Kohlenstoffhaltige Teilchen mit dem oben genannten C/H-Verhältnis werden konkret durch feinpulverisiertes Kohlenteerpech, Petrolpech und Pech aus dem thermischen Abbau von Polyvinylchlorid veranschaulicht; weiterhin durch Teilchen, die aus verschiedenen Mesophasen zusammengesetzt sind, erhalten durch Hitzebehandlung dieser Pech- oder Teerbestandteile wie Teilchen, erhalten aus optisch anisotropen Sphärolets (Sphärolith oder Mesophasen-Sphärolet) durch Entfernung der Pechbestandteile durch Auflösung in Lösungsmitteln; weiterhin pulverisierte Produkte dieser Teilchen; pulverisierte Bulk-Mesophase, erhalten durch Hitzebehandlung von Pech-Rohmaterial (vorläufige japanische Patentveröffentlichung Tokkai Sho 59-30887 [1984]); pulverisiertes, teilweise kristallisiertes Pech; Teilchen aus sogenanntem Niedertemperatur-behandeltem Kohlenstoff wie Niedertemperatur-carbonisierten wärmehärtbaren Harzen einschließlich Phenolharzen. Als Beispiele seien weiterhin genannt pulverisierte Kohle einschließlich Anthrazit und bituminöse Kohle oder ihre hitzebehandelten Produkte; kohlenstoffhaltige Sphärolets, erhalten durch Hitzebehandlung unter Druck von Mischungen von Kohlenwasserstoffpolymeren vom Vinyltyp wie Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol und Chlor enthaltenden Polymeren wie Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid; und kohlenstoffhaltige Sphärolets, erhalten durch ihre Pulverisierung.
  • Die mittlere Teilchengröße, die für das Dispersoid wünschenswert ist, beträgt 0,01-100 um, bevorzugt 0,1-20 um und bevorzugter 0,5-5 um. Wenn sie kleiner als 0,01 um ist, wird die Anfangsviskosität, wenn keine elektrische Potentialdifferenz angelegt ist, zu groß, so daß eine geringe Viskositätsänderung durch die elektrorheologische Wirkung verursacht wird, und eine Teilchengröße von mehr als 100 um bewirkt eine unzureichende Stabilität des Dispersoids in der flüssigen Phase.
  • Die Verhältnisse des Dispersoids zur Flüssigphase, die die elektrorheologischen Flüssigkeiten der vorliegenden Erfindung bildet, betragen 1-60 Gew.-%, bevorzugt 10-50 Gew.-% des Dispersoidgehalts, und 99-40 Gew.-%, bevorzugt 90-50 Gew.-% des Gehalts der flüssigen Phase, zusammengesetzt aus dem oben erwähnten, elektrisch isolierenden öligen Medium. Wenn der Dispersoidgehalt unter 1 Gew.-% liegt, ist die elektrorheologische Wirkung klein, und die Anfangsviskosität, wenn keine elektrische Potentialdifferenz angelegt ist, wird extrem groß, wenn der Gehalt über 60 Gew.-% liegt.
  • Ausführungsformen und Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden durch Ausführungsbeispiele näher veranschaulicht; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • Beispiel 1
  • Kohlenstoffhaltige Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 3 um, einem Kohlenstoffgehalt von 93,78 Gew.-%, einem C/H- Verhältnis von 2,35, einem Wassergehalt von 0,2 Gew.-% und einem spezifischen Gewicht von 1,4 wurden durch Hitzebehandlung eines Mesophasenkohlenstoffs aus Kohlenteerpech unter Stickstoffgasstrom hergestellt. Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 10 g der Teilchen in 34 g eines Phosphazenöls
  • (P&sub3;N&sub3;(OCH&sub2;CF&sub2;CF&sub2;CF&sub2;CF&sub2;H)n(OCH&sub2;CF&sub2;CF&sub3;)6-n; Mischung von n=1-6). Die elektrorheologische Wirkung wurde unter Verwendung eines Rotationsviskosimeters vom Doppelzylindertyp bestimmt, mit dem Viskositäten unter einer Schergeschwindigkeit von 366 s&supmin;¹ bei 25ºC bestimmt wurden, wenn eine elektrische Potentialdifferenz von 0 oder 2 KV/mm zwischen den Außen- und Innenzylindern angelegt wurde.
  • Die Viskositäten betrugen 5,8 P (Poise) und 37,4 P ohne bzw. unter Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz von 2 KV/mm, mit einer Viskositätsdifferenz von 31,6 P. Der elektrische Strom unter Anlegen von 2 KV/mm betrug 0,385 mA.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 10 g der gleichen kohlenstoffhaltigen Teilchen des Beispiels 1 in 19 g eines Siliconöls (einer Mischung von TSF451-10 und TSF451-500; je ein Produkt der Fa. Toshiba Silicone Co.). Die Flüssigkeit wurde einer Messung der elektrorheologischen Wirkung mit dem gleichen Verfahren, wie es in Beispiel 1 beschrieben wurde, unterzogen; die erhaltenen Viskositäten betrugen 5,9 P und 13,4 P, ohne bzw. unter Anlegen einer Potentialdifferenz von 2 KV/mm; die Viskositätsdifferenz betrug 7,5 P. Der elektrische Strom unter Anlegen von 2 KV/mm betrug 0,39 mA.
  • Beispiel 2
  • Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 10 g an SiC-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 5 um, einem Wassergehalt von 0,28 Gew.-% und einem spezifischen Gewicht von 3,2 in 34 g des gleichen Phosphazenöls, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde. Die Flüssigkeit wurde einer Messung der elektrorheologischen Wirkung unterzogen, und zwar mit dem gleichen Verfahren, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde; man erhielt Viskositäten von 7,2 P und 13,2 P, ohne bzw. unter Anlegen einer Potentialdifferenz von 2 KV/mm; die Viskositätsdifferenz betrug 6,0 P. Der elektrische Strom unter Anlegen von 2 KV/mm betrug 0,35 mA.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 10 g der gleichen SiC-Teilchen wie der aus Beispiel 2 in 19 g eines Siliconöls (einer Mischung von TSF451- 10 und TSF451-500; je ein Produkt der Fa. Toshiba Silicone Co.). Die Flüssigkeit wurde einer Messung der elektrorheologischen Wirkung unterzogen, wobei das gleiche wie in Beispiel 1 beschriebene Verfahren verwendet wurde; es wurden Viskositäten von 6,3 P und 6,4 P ohne bzw. unter Anlegen einer Potentialdifferenz von 2 KV/mm erhalten; die Viskositätsdifferenz betrug 0,1 P. Der elektrische Strom unter Anlegen einer Potentialdifferenz von 2 KV/mm konnte nicht bestimmt werden, da ein übermäßiger Stromfluß auftrat.
  • Die oben genannten Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1 Teilchen Öl ER-Wirkung Beispie Vergleichsbeispiel kohlenstoffhaltig SiC Phosphazenöl Siliconöl
  • Aus den oben gezeigten Ergebnissen ist klar erkennbar, daß elektrorheologische Flüssigkeiten, die das Phosphazenöl verwenden, eine höhere elektrorheologische Wirkung aufweisen.

Claims (2)

1. Elektrorheologische Flüssigkeit, umfassend (a) 1-60 Gew.- % an Teilchen mit einem spezifischen Gewicht von nicht kleiner als 1,2 und einem Wassergehalt von nicht mehr als 4 Gew.-%, dispergiert in (b) 99-40 Gew.-% eines elektrisch isolierenden öligen Mediums, das im wesentlichen eine Verbindung mit einer Ringstruktur darstellt, mit mehr als 3 Einheiten mit einer P=N-Bindung im Molekül und O-, N- oder C-Atomen, die direkt an die P-Atome des -P=N-Gerüsts gebunden sind, oder eine Kettenverbindung mit kontinuierlichen und wiederholten P=N-Bindungen im Molekül und O-, N- oder C-Atomen, die direkt an die P- Atome des -P=N-Gerüsts gebunden sind.
2. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, wobei die Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 0,01 - 100 um, bevorzugt 0,1 - 20 pm und bevorzugter 0,5 - 5 um, aufweisen.
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