DE69020928T2

DE69020928T2 - Elektroviskose Flüssigkeit.

Info

Publication number: DE69020928T2
Application number: DE69020928T
Authority: DE
Inventors: Eiji Hattori; Yasuo Oguri; Koji Shima
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: US5750048A; DE69020928D1; KR900015184A; AU5133490A; US5849212A; AU623235B2; EP0387857B1; JPH02240197A; EP0387857A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektroviskose Flüssigkeit. Eine elektroviskose Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, die eine derartige elektrische Wirkung auf die Viskosität zeigt, daß sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes die scheinbare Viskosität schnell und reversibel ändert.
Bisher war als eine der elektroviskosen Flüssigkeiten eine Flüssigkeit bekannt, die zusammengesetzt ist aus einem flüssigen System, umfassend eine zusammenhängende Phase einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit, eine dispergierte Phase aus feinen Teilchen, die adsorbierte Ionen enthielten oder aufwiesen und eine geringe Menge Wasser. Dieses Wasser ist durch die feinen Teilchen zur Bildung von Ionen in den Teilchen adsorbiert, und bei Anlegen eines elektrischen Feldes bewegen sich die Ionen in den Teilchen, was zu einer schlechten Verteilung führt, so daß die Teilchen polarisiert werden, wodurch angenommenermaßen die elektroviskose Wirkung durch die Kohäsionskraft der Teilchen aufgrund der elektrostatischen Anziehung erzeugt wird. Es ist bei einer solchen elektroviskosen Flüssigkeit weiter bekannt, daß die elektroviskose Wirkung und der Verbrauch an elektrischer Energie in Abhängigkeit von der Wassermenge variieren (US-A-3,367,872).
Das in der konventionellen elektroviskosen Flüssigkeit enthaltene Wasser beschränkt jedoch die praktische Anwendung der elektroviskosen Flüssigkeit. So neigt das Wasser bei hoher Temperatur oder in einer Umgebung, wo eine hohe Scherspannung unter Erzeugung von Wärme ausgeübt wird, zum Verdampfen, wodurch sich keine angemessene elektroviskose Wirkung zeigt. Weiter gab es aufgrund der Anwesenheit von Wasser ein Problem dahingehend, daß die Vorrichtung korrodiert wurde und der Energieverbrauch zunahm.
Die US-A-4,772,407 beschreibt die Verwendung von Lithiumhydrazinsulfat als einem festen Elektrolyten, der bei hohen Temperaturen nicht genügend stabil ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektroviskose Flüssigkeit zu schaffen, um die obigen Probleme zu überwinden. Diese Aufgabe kann leicht dadurch gelöst werden, daß man feste Elektolytteilchen in einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit dispergiert.
Die vorliegende Erfindung schafft somit eine elektroviskose Flüssigkeit, umfassend eine elektrisch isolierende Flüssigkeit und darin dispergierte feste Eletrolytteilchen, wie in Anspruch 1 definiert.
In der beigefügten Zeichnung ist Figur 1 eine graphische Darstellung, die die viskositätserhöhende Wirkung der elektroviskosen Flüssigkeit der vorliegenden Erfindung aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes zeigt, worin die Abszisse die angelegte Spannung (kV mm-¹) und die Ordinate die Viskosität (Poise) [1 Poise = 0,1 Pa s] zeigt.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
Die elektroviskose Flüssigkeit der vorliegenden Erfindung wird hergestellt durch Dispergieren von Festelektrolyt-Teilchen in einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit.
Ein Festelektrolyt ist eine Substanz mit einer hohen ionischen Leitfähigkeit mit einem Niveau gleich einer Elektrolytlösung oder einem geschmolzenen Salz in einem festen Zustand innerhalb eines Temperaturbereiches, der beträchtlich unterhalb des Schmelzpunktes liegt, und der daher auch als ein festionischer, superionischer Leiter oder ein ionischer Hochgeschwindigkeitsleiter bezeichnet wird. Er ist nicht nur in Kristallform, sondern auch in einer amorphen oder polymeren Form erhältlich. Verschiedene Festelektrolyte sind in "Solid Ionics" von Tetsuichi Kudo und Kazuo Fueki, veröffentlicht durch Kodansha oder in "Ceramic Materials for Electronics", herausgegeben von Relva C. Buchanan, Marcel Dekker, Inc., New York, Basel, offenbart.
Die vorliegende Erfindung umfaßt β-Aluminiumoxid als einen anorganischen Festelektrolyten. Der Festelektrolyt der Erfindung hat eine elektrische Leitfähigkeit, erzeugt durch die Mobilität von Ionen bei der Einsatztemperatur der elektroviskosen Flüssigkeit, im Bereich von etwa 10&supmin;¹ bis 10&supmin;&sup8; S/cm, vorzugsweise von etwa 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup7; S/cm, was von der erforderlichen elektroviskosen Wirkung abhängt.
Die Komponentenelemente des anorganischen Festelektrolyten der Erfindung können teilweise durch andere Elemente ersetzt werden, solange sich die elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolyten im oben beschriebenen Zustand befindet.
Das elektrisch isolierende Material kann in den Teilchen in der Menge vorhanden sein, daß die elektrische Leitfähigkeit des Teilchens als Ganzes nicht gehemmt ist. Ein solcher Festelektrolyt wird in Form feiner Teilchen benutzt. Die Teilchengröße der feinen Teilchen ist nicht besonders eingeschränkt, solange die feinen Teilchen in einem stabilisierten Zustand im Dispersionsmedium, das im folgenden beschrieben wird, dispergiert werden können. Es ist jedoch bevorzugt, Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,05 bis 500 um, bevorzugter von 0,5 bis 50 um, einzusetzen. Solche Festelektrolyt-Teilchen enthalten aufgrund der Strukturen bewegliche Ionen, und sie enthalten keine flüchtige Komponente, wie Wasser. Eine unter Einsatz solcher Festelektrolyt-Teilchen hergestellte elektroviskose Flüssigkeit ist daher in der Lage, eine thermisch stabile, elektroviskose Wirkung zu schaffen.
Die elektrisch isolierende Flüssigkeit, die zum Einsatz als ein Dispersionsmedium geeignet ist, ist vorzugsweise eine, die zum stabilen Dispergieren der obigen Teilchen in der Lage ist und die einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, wie Siliconöl, Transformatoröl, Maschinenöl, ein Ester oder ein zweiwertiger Alkohol.
Die Menge der festen Elektrolytteilchen beträgt üblicherweise von 5 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise von 10 bis 40 Vol.-%, mit Bezug auf das Dispersionsmedium. Zum Dispergieren kann eine übliche Misch- und Dispersionsvorrichtung benutzt werden, repräsentiert durch eine Kugelmühle oder eine Ultraschall-Dispersionsvorrichtung.
Das Verfahren zum Messen der elektroviskosen Wirkung war derart, daß durch Benutzen eines Rotations-Viskosimeters mit einem koaxialen Doppelzylinder die Zunahme der Scherspannung bei Anlegen einer Spannung zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder bei gleicher Schergeschwindigkeit (162 s&supmin;¹) bestimmt und in die Viskositätsanderung umgewandelt wurde.
Die Fließfähigkeit der elektroviskosen Flüssigkeit kann durch die anzulegende Spannung kontrolliert werden. Ihre Entwicklung auf mechatronischem Gebiet der Computerkontrolle wird daher in der Zukunft erwartet. Spezifische Beispiele für ihre Anwendung können erwähnt werden. In der Automobilindustrie kann sie für solche Teile, wie Kupplungen, Drehmomentwandler, Ventile, Stoßdämpfer, Bremssysteme oder Servolenkungen eingesetzt werden. Auf dem Gebiete industrieller Roboter wird sie für verschiedene Betätigungseinrichtungen benutzt.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Es sollte jedoch kiar sein, daß die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf solche spezifischen Beispiele beschränkt ist.

BEISPIEL 1

β-Aluminiumoxid (hergestellt durch Kojundo Kagaku Kenkyujo) wurde in einem Mörtel pulverisiert, um Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 11 um zu erhalten, die 48 Stunden lang bei 250ºC getrocknet wurden, um Wasser gründlich zu entfernen. Dann gab man 11,24 g der Teilchen zu 13,08 g Siliconöl [Toray Silicone SH 200, 10 mm²/s (cs)] hinzu und dispergierte und vermischte die Mischung 12 Stunden lang mittels einer Kugelmühle.
Unter Anwendung eines Rotations-Viskosimeters mit einem koaxialen Doppelzylinder wurde bei der so erhaltenen elektroviskosen Flüssigkeit der vorliegenden Erfindung die Scherspannung bei Anlegen einer Spannung zwischen dem inneren und äußeren Zylinder bei der gleichen Schergeschwindigkeit (162 s&supmin;¹) gemessen (der Abstand zwischen den Elektroden: 1 mm). Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in Figur 1 gezeigt. Diese elektroviskose Flüssigkeit hatte eine Viskosität (anfängliche Viskosität) von 0,2 Poise ohne Anlegen eines elektrischen Feldes bei 25ºC, und die Viskosität nahm auf 6 Poise zu, wenn ein elektrisches Feld mit einer Intensität von 2 kV-mm&supmin;¹ angelegt wurde. Selbst nach einem 12-stündigen Erhitzen auf 120ºC zeigte sie genau die gleiche Viskosität, und es wurde keine Anderung in den Eigenschaften beobachtet. Weiter wurde diese elektroviskose Flüssigkeit erhitzt und die Viskosität bei 62ºC gemessen, wobei die anfängliche Viskosität 0,1 Poise betrug und die Viskosität bei Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Intensität von 2 kV mm&supmin;¹ auf 3 Poise anstieg.

VERGLEICHSBEISPIEL 1

Silicagel-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 um wurden 16 Stunden lang bei 250ºC getrocknet, um gründlich Wasser zu entfernen. Dann wurden zu 10,00 g der Teilchen 1,24 g einer wässerigen Natriumhydroxid-Lösung mit einer Konzentration von 13,1 mol/l hinzugegeben und die Mischung zu 18,68 g Siliconöl hinzugegeben und 12 Stunden lang mittels einer Kugelmühle dispergiert und vermischt.
Diese elektroviskose Flüssigkeit hatte eine anfängliche Viskosität von 0,5 Poise bei 25ºC, und die Viskosität nahm auf 16 Poise zu, wenn ein elektrisches Feld mit einer Intensität von 2 kV mm&supmin;¹ angelegt wurde. Nach einem 2-stündigen Erhitzen auf 120ºC nahm die Viskosität bei Anlegen des gleichen elektrischen Feldes jedoch auf 7 Poise ab. Nach 12-stündigem Erhitzen auf 120ºC zeigte sich selbst bei Anlegen eines elektrischen Feldes keine Viskositätsänderung.
Wie oben beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung eine elektroviskose Flüssigkeit, die eine konstante elektroviskose Wirkung innerhalb eines weiten Temperaturbereiches zeigt, verglichen mit den im Stande der Technik offenbarten Zusammensetzungen.

Claims

1. Elektroviskose Flüssigkeit, umfassend eine elektrisch isolierende Flüssigkeit und darin als Festelektrolyt-Teilchen dispergierte β-Aluminiumoxid-Teilchen, wobei die Festelektrolyt- Teilchen kein Wasser und keine flüchtigen Komponenten enthalten.

2. Elektroviskose Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die Festelektrolyt-Teilchen eine elektrische Leitfähigkeit von 10&supmin;¹ bis 10&supmin;&sup8; S/cm bei der Einsatztemperatur der elektroviskosen Flüssigkeit aufweisen.

3. Elektroviskose Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die Festelektrolyt-Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 0,05 bis 500 um aufweisen.

4. Elektroviskose Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die elektrisch isolierende Flüssigkeit Siliconöl, Transformatoröl, Maschinenöl, ein Ester oder ein zweiwertiger Alkohol ist.

5. Elektroviskose Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die Festelektrolyt-Teilchen in einer Menge von 5 bis 50 Vol.-% mit Bezug auf die elektrisch isolierende Flüssigkeit vorhanden sind.