DE69101116T2

DE69101116T2 - Elektrorheologische Flüssigkeit.

Info

Publication number: DE69101116T2
Application number: DE69101116T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Endo; Yuichi Ishino; Takayuki Maruyama; Tasku Saito
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1990-02-21
Filing date: 1991-02-21
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2011-02-22
Also published as: EP0445594A1; EP0445594B1; DE69101116D1; US5252250A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrorheologische Flüssigkeit, deren Viskosität zunimmt, wenn eine elektrische Potentialdifferenz an sie angelegt wird.
Elektrorheologische Flüssigkeiten sind Suspensionen, bei denen ein feinzerteilter dielektrischer Feststoff in elektrisch isolierenden Ölen dispergiert vorliegt, und die Flüssigkeit kann ihre Viskosität schnell und reversibel bei Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen Potentialdifferenz ändern.
Um eine Viskositätsänderung herbeizuführen, ist die angelegte elektrische Potentialdifferenz entweder ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom, und die erforderliche Stromflußmenge ist so gering, daß es möglich ist, mit einer kleinen elektrischen Leistung einen breiten Bereich an Viskositätsänderungen vom flüssigen Zustand bis zum festen Zustand zu ermöglichen. Demgemäß wurden elektrorheologische Flüssigkeiten als Systembestandteile von Kontrollvorrichtungen oder Teilen von Vorrichtungen wie Kupplungen, Ventilen, Stoßdämpfern, Vibratoren, schwingungs-isolierenden Gummis, Betätigungselementen, Roboterarmen, Dämpfungsvorrichtungen usw. untersucht.
Als Feststoffteilchen, die ein Element der elektrorheologischen Flüssigkeiten darstellen, sind Cellulose, Stärke, Silikagele, Ionenaustauschharze, Lithiumpolyacrylat usw. bekannt, die pulverisiert vorliegen und die Wasser von der Oberfläche absorbiert haben, wie dies beispielsweise in den Patentschriften US 2 417 850; 3 047 507; 3 397 147; 3 970 573; 4 129 513; JP B 60-31211 [1985] und DE A 34 27 499 offenbart ist. Als Flüssigkeiten, die die anderen Elemente darstellen, die die elektroviskose Flüssigkeit bilden, sind halogenierte Diphenyle, Butylsebacat, Kohlenwasserstofföle, chlorierte Paraffine, Silikonöle usw. bekannt.
Ihre praktische Verwendbarkeit ist jedoch nicht zufriedenstellend, und eine elektrorheologische Flüssigkeit, die mit einer hervorragenden Leistungsfähigkeit und Stabilität anwendbar ist, war unbekannt.
Zu den Anforderungen, die an eine praktisch verwendbare elektrorheologische Flüssigkeit zu stellen sind, gehören eine leistungsfähige elektrorheologische Wirkung über einen breiten Temperaturbereich, ein geringer Energieverbrauch bei Anlegung einer elektrischen Potentialdifferenz, eine geringe Viskosität nach Entfernung der angelegten elektrischen Potentialdifferenz, keine Sedimentation der dispergierten Phase und eine Langzeitstabilität der Eigenschaften der elektrorheologischen Flüssigkeit.
Diejenigen dispergierten teilchenförmigen Stoffe, die Wasser enthalten, um die erhöhte elektrorheologische Wirkung zu erzielen, weisen als Nachteil eine große elektrische Strommenge auf, die durch die Teilchen fließt, was zu einem übermäßigen Verbrauch an elektrischer Leistung führt. Dieser Nachteil vergrößert sich insbesondere mit zunehmender Temperatur, und die obere Temperaturgrenze, bei der die herkömmlichen elektrorheologischen Flüssigkeiten, die derartige dispergierte Phasen verwenden, verwendbar sind, liegt bei ungefähr 70 - 80ºC. Wenn die elektrorheologische Flüssigkeit bei höheren Temperaturen als diesem Grenzwert verwendet wird, ist ein großer Bedarf an elektrischer Leistung erforderlich, und zwar aufgrund eines übermäßigen Stromflusses als auch aufgrund einer verminderten Leistungsfähigkeit und einer verzögerten Antwort der elektrorheologischen Wirkung mit zunehmender Zeit. Es war demnach unmöglich, diese elektrorheologische Flüssigkeit bei derartigen hohen Temperaturen zu verwenden.
Weiterhin zeigen die elektrorheologischen Flüssigkeiten, die zur Vergrößerung der elektrorheologischen Wirkung wasserenthaltende Teilchen verwenden, bei Temperaturen unter 0ºC keine elektrorheologische Wirksamkeit, da das Wasser bei Temperaturen unter 0ºC friert.
Demnach weist die wasserhaltige elektrorheologische Flüssigkeit, die in der dispergierten Phase für die elektrorheologische Wirksamkeit Wasser enthalten muß, beim einsetzbaren Temperaturbereich und bei der Beständigkeit aufgrund der Verdunstung des Wassers wesentliche Nachteile auf, und aufgrund dieser Nachteile konnte die elektrorheologische Flüssigkeit nicht verwendet werden. Demnach bestand die Notwendigkeit, eine praktisch verwendbare, wasserfreie elektrorheologische Flüssigkeit für die dispergierte Phase bereitzustellen.
Elektrisch leitende feine Teilchen, die mit einem elektrisch isolierenden dünnen Film beschichtet sind, sind in der JP-A-1- 6093 offenbart. Derartige dielektrische feine Teilchen unterscheiden sich vollständig von den erfindungsgemäßen Teilchen, die an sich elektrisch isolierend sind, ohne daß ein dünner elektrisch isolierender Film bereitgestellt wird.
Die EP-A-0 361 106 offenbart eine Zusammensetzung aus feinzerteilten dielektrischen Feststoffen, die in einem elektrisch nichtleitenden Öl dispergiert sind. Die elektroviskose Flüssigkeit weist 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 x 10&supmin;&sup6; m²s&supmin;¹ bei 25ºC auf. Diese Druckschrift offenbart jedoch nicht die Bedeutung der Dielektrizitätskonstante des elektrisch isolierenden Öls, um eine elektrorheologische Wirkung zu erreichen. Weiterhin wird überhaupt kein spezifischer Bereich für die Dielektrizitätskonstante angegeben.
Der Mechanismus, der der elektrorheologischen Wirkung in einem wasserfreien System zugrunde liegt, ist wahrscheinlich der, daß bei Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz eine Grenzflächenpolarisation aufgrund der Bewegung der Elektronen oder positive Löcher in jedem Teilchen induziert werden, wobei eine wechselseitige Anziehung unter den elektrisch polarisierten Teilchen stattfindet, die Bildung von Brücken zwischen den Teilchen verursacht die Zunahme der Fließspannung als Bingham- Flüssigkeit, und die scheinbare Viskosität der Flüssigkeit, in der die Teilchen dispergiert vorliegen, wird erhöht.
Aufgrund dieser Interpretation konzentrierten sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung auf sogenanntes kohlenstoffhaltiges Material, das bei einer niederen Temperatur behandelt wurde, mit einer hohen Konzentration an stabilem Radikal (ungepaartes Elektron) und überprüften ihre Eignung für die dispergierte Phase einer elektrorheologischen Flüssigkeit und entwickelten eine elektrorheologische Flüssigkeit, die eine hohe elektrorheologische Wirkung bei einem geringeren Verbrauch an elektrischer Leistung in einem breiten Temperaturbereich bei Anlegung von Gleichstrom oder Wechselstrom aufweist.
Eine elektrorheologische Flüssigkeit, die als dispergierte Phase die kohlenstoffhaltigen Teilchen verwendet, ist in ihrer Beständigkeit gegen Wärme und Kälte und in ihrer Dauerhaftigkeit ausgezeichnet. Weiterhin bewirkt eine Flüssigkeit, die als Dispergiermedium ein Silikonöl wie Polydimethylsiloxan verwendet, bei Gummis ein so geringes Quellen, daß sie für vibrations-isolierende Gummis usw. verwendbar ist. Um jedoch in Kupplungen und Stoßdämpfern anwendbar zu sein, müssen derartige elektrorheologische Flüssigkeiten eine sehr hohe Wirksamkeit aufweisen. Weiterhin besteht das Problem, um eine vergrößerte elektrorheologische Wirksamkeit mit einer kohlenstoffhaltigen Teilchen als dispergierte Phase enthaltenden Flüssigkeit zu erhalten, in einem erhöhten Verbrauch an elektrischer Leistung aufgrund der Notwendigkeit, die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.
In der vorliegenden Anmeldung wurde gefunden, daß in einer elektrorheologischen Flüssigkeit, die kohlenstoffhaltige Teilchen verwendet, wie sie in der EP 0 361 106 beschrieben sind, die elektrorheologische Wirkung mit der Dielektrizitätskonstante des elektrisch isolierenden Öls in Beziehung steht, was zu der vorliegenden Erfindung führte.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wasserfreie, elektrorheologische Flüssigkeit bereitzustellen, die eine verstärkte elektrorheologische Wirkung bei Anlegen einer elektrischen Wechselstrom oder eines Gleichstrom-Potentialdifferenz aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrorheologische Flüssigkeit mit dielektrischen Teilchen, die in einem elektrisch stark isolierenden öligen Medium dispergiert vorliegen, gelöst, wobei die Teilchen kohlenstoffhaltige Teilchen mit einem Atomverhältnis von Kohlenstoffatomen zu Wasserstoffatomen (C/H) von 1,70-3,50 und einer mittleren Teilchengröße von 0,01-100 um sind, und das ölige Medium aus einem elektrisch isolierenden Öl mit einer Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 3 und einem spezifischen Volumenwiderstand von nicht weniger als 10&sup9; Ω.cm bei 25ºC besteht, ausgenommen Polymethyltrifluorpropylsiloxan als isolierendes Öl.
Figur 1 zeigt die Beziehung zwischen den Dielektrizitätskonstanten der elektrisch isolierenden Öle und der elektrorheologischen Wirkungen der elektrorheologischen Flüssigkeiten der Beispiele 1 - 7 und der Vergleichsbeispiele 1 - 3.
Zu den allgemeinen Eigenschaften, die elektrorheologische Flüssigkeiten aufweisen sollen, gehören, zusätzlich zu einer bemerkenswerten Zunahme der Viskosität bei Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz bei einem geringen Verbrauch an elektrischer Leistung, daß die Teilchen im öligen Medium nicht präzipitieren, bei einer Langzeitverwendung und bei Temperaturveränderungen stabil sind und auf die Anlegung der elektrischen Potentialdifferenz hervorragend ansprechen.
Um diese Eigenschaften elektrorheologischer Flüssigkeiten zu erfüllen, wurden Untersuchungen an kohlenstoffhaltigen Teilchen durchgeführt, die in der Lage sind, diesen Anforderungen zu genügen; es wurde gefunden, daß ein Atomverhältnis von Kohlenstoffatomen zu Wasserstoffatomen, basierend auf einer Elementaranalyse, (C/H) von 1,70 - 3,50, bevorzugt 2,00 - 3,50 und insbesondere bevorzugt von 2,20 - 3,00, ein wichtiger Faktor ist. D.h. dann, wenn das C/H-Verhältnis kleiner als 1,7 ist, sind die kohlenstoffhaltigen Teilchen nicht mehr in der Lage, als dielektrische Teilchen zu wirken, die für elektrorheologische Flüssigkeiten geeignet sind, und die erhaltene elektrorheologische Wirkung ist unzureichend. Andererseits ist dann, wenn das C/H-Verhältnis größer als 3,5 ist, der Stromfluß durch die elektrorheologische Flüssigkeit zu hoch, um einen verringerten Energieverbrauch zu bewirken.
Kohlenstoffhaltige Teilchen mit dem oben erwähnten C/M-Verhältnis, die als dispergierte Phase von elektrorheologischen Flüssigkeiten geeignet sind, werden durch die sogenannten niedertemperatur-behandelten kohlenstoffhaltigen Teilchen oder Kohlenstoffvorläuferteilchen beispielhaft veranschaulicht; hierzu gehören Teilchen, die aus verschiedenen kohlenstoffhaltigen Mesophasen zusammengesetzt sind, die durch Mitzebehandlung von Kohlenteerpech, Petrolpech oder eines Pechs, welches durch thermischen Abbau von Polyvinylchlorid oder der Teerbestandteile erhalten wurde, d.h. von Teilchen, die durch Lösungsmittelentfernung des Pechbestandteils aus den pech-enthaltenden optisch anisotropen Kügelchen (Mesophasen-Kügelchen) durch die oben genannte Wärmebehandlung erhalten wurden, und weitere Wärmebehandlung; weiterhin Teilchen, die durch Pulverisierung der obengenannten verschiedenen kohlenstoffhaltigen Mesophasen-Kügelchen erhalten wurden; Bulk-Mesophasen (vgl. JP A 30887/84), die durch Wärmebehandlung von Rohpechen erhalten wurden; feinpulverisiertes, teilweise kristallisiertes Pech; pulverisierte Teilchen, die durch eine Oxidation und weitere Wärmebehandlung von Rohpechen erhalten wurden; kohlenstoffhaltige Teilchen, die durch Wärmebehandlung eines Polymers mit einem hohen Kohlenstoffanteil nach der Carbonisierung erhalten wurden, beispielsweise Phenolharze, bei 300 - 800ºC; feinpulverisierte, thermisch behandelte Kohle wie Anthrazit und bituminöse Kohle; und pyrolisierte Produkte von Polyacrylnitril. Weiterhin kohlenstoffhaltige Teilchen, die durch Erhitzung unter Druck einer Mischung eines Vinylhydrocarbon-polymers wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol usw. erhalten wurden und chlor-enthaltende Polymere wie Polyvinylchorid, Polyvinylydenchlorid usw.; oder feinpulverisierte Produkte hiervon.
Unter den obengenannten kohlenstoffhaltigen Teilchen mit einem Kohlenstoffgehalt von 80 - 97 % werden hoch-aromatische mit einem Radikalgehalt von 10¹&sup8;/g und einem hohen spezifischen Volumenwiderstand von über 10&sup5;Ω.cm bei 25ºC zur Erreichung einer hohen elektrorheologischen Wirkung bei einem geringen Energieverbrauch bevorzugt.
Hieraus folgt, daß diejenigen kohlenstoffhaltigen Teilchen, die durch thermische Behandlung von Kohlenteerpech erhalten wurden, um optisch anisotrope Kügelchen (Mesophasen-Kügelchen) mit nachfolgender Entfernung des Pechbestandteils herzustellen, unter den obengenannten kunststoffhaltigen Teilchen ganz besonders bevorzugt sind.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung derartiger kohlenstoffhaltiger Teilchen aus Kohlenteerpech beschrieben. Kohlenteerpech wird bei 350 - 500º C thermisch behandelt, um optisch anisotrope Kügelchen von Kugelgestalt (Mesophasen-Kügelchen) entstehen zu lassen [J.D. Brooks und G.H. Taylor; Carbon 3, 185 (1965)]. Da die Größe der Mesophasen-Kügelchen von der Erhitzungstemperatur und von der Zeitdauer der Erhitzung abhängig ist, wird die Thermobehandlung auf einer Stufe abgebrochen, bei der die Mesophasen-Kügelchen zur gewünschten Größe gewachsen sind. Die Mesophasen-Kügelchen werden durch das Auflösen des verbliebenen Kohlenteerpechs mit einem Lösungsmittel abgetrennt und abgefiltert.
Das Mesophasen-Kügelchen hat eine Struktur, die einem Flüssigkristall ähnelt, und es ist ein kugelförmiges kohlenstoffhaltiges Teilchen. Ein Teil des Kohlenteerpechbestandteils (z.B. β-Harz), welcher bei einer Temperatur von 400 - 600º C in einem inerten Gas verdampfte, neigt dazu, auf der Oberfläche des Mesophasen-Kügelchens zu verbleiben, wenn es, wie oben beschrieben, abgetrennt wird (japanische Offenlegungsschrift Tokkaisho 60-25364); jedoch kann der Pechbestandteil, falls notwendig, durch thermische Behandlung bei 200 - 600º C unter einer inerten Gasatmosphäre entfernt werden, wodurch der elektrische Widerstand und die aromatische Spinradikalkonzentration des Mesophasen-Kügelchens verbessert wird.
Die Teilchengröße des Mesophasen-Kügelchens wird durch die Einstellung der Erhitzungszeitdauer und der Erhitzungstemperatur des Kohlenteerpechs kontrolliert; die Größe kann durch Pulverisierung verringert werden.
Bezüglich des Rohmaterials ist noch auszuführen, daß außer Kohlenteerpech auch Petrolpeche mit ähnlichen Strukturen in gleicher Weise behandelt werden können, um kohlenstoffhaltige Teilchen herzustellen, die zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignet sind.
Als Ergebnis einer weiteren Untersuchung, die in der JP-A-2- 175432 (1990) beschrieben wird, wurde gefunden, daß kohlenstoffhaltige Teilchen, die im wesentlichen keinen freien Kohlenstoff enthalten, hergestellt durch Entfernung von vorher vorhandenem freiem Kohlenstoff (isoliertem Kohlenstoff), der ursprüngich im Kohlenteerpech als Ausgangsmaterial verwendet wurde, enthalten war, zur Herabsetzung des Stromflußwertes durch eine elektrorheologische Flüssigkeit bei Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz und zur Verringerung des Verbrauchs an elektrischer Leistung insbesondere geeignet sind.
Das heißt, daß kohlenstoffhaltige Teilchen, die im wesentlichen keinen freien Kohlenstoff enthalten, für die vorliegende Erfindung bevorzugt sind. Der Gehalt an freiem Kohlenstoff in den kohlenstoffhaltigen Teilchen liegt bevorzugt bei nicht mehr als 10 Gew.-% und insbesondere bevorzugt bei nicht mehr als 5 Gew.-%. Eine elektrorheologische Flüssigkeit, die kohlenstoffhaltige Teilchen aufweist, die mehr als 10 Gew.-% an freiem Kohlenstoff enthält, wird aufgrund einer verringerten Energieeffizienz, verursacht durch einen übermäßigen Stromfluß, nicht bevorzugt.
In Teer oder Pech enthaltener freier Kohlenstoff liegt in Form feiner Teilchen aus amorphen, hoch carbonisiertem Kohlenstoff vor, und er wird während des Dampfphasen-Wärmeabbaus des Teers bei über 1.000ºC im Kohlenofen erzeugt. Gewöhlicherweise liegt freier Kohlenstoff in Form optisch isotroper feiner kohlenstoffhaltiger Teilchen mit einer Teilchengröße von unter 2 um vor, und wird als CI (Chinolin-unlöslicher Bestandteil) im Teer bestimmt. Wenn der hoch-carbonisierte freie Kohlenstoff in kohlenstoffhaltigen Teilchen enthalten ist, verursacht er nicht nur ganz allgemein eine Heterogenität, sonderen ebenfalls einen übermäßigen Stromfluß in der elektrorheologische Flüssigkeit, so daß die erwartete elektrorheologische Wirkung nicht erreichbar ist.
Der Wassergehalt der so erhaltenen kohlenstoffhaltigen Teilchen liegt bei höchstens 1 Gew.-%, und der Wassergehalt hat praktisch keinen Einfluß auf die elektrorheologische Wirkung.
Man nimmt an, daß die hohe aromatische Spin-Radikalkonzentration der kohlenstoffhaltigen Teilchen eine Grenzflächenpolarisation der Teilchen induziert, um die elektrorheologische Wirkung zu erhalten. Unter Verwendung derartiger kohlenstoffhaltiger Teilchen als dispergierter Phase kann demnach eine elektrorheologische Flüssigkeit mit einer hohen elektrorheologischen Wirkung in einem breiten Temperaturbereich über einen langen Zeitraum erhalten werden.
Man nimmt an, daß die aus den oben genannten Kügelchen zusammengesetzten kohlenstoffhaltigen Teilchen bei der elektrischen Leitfähigkeit aufgrund der optischen Anisotropie eine Anisotropie aufweisen, die zu einem geringeren Verbrauch an elektrischer Energie der elektrorheologischen Flüssigkeit führt, die derartige Teilchen als dispergierte Phase verwendet.
Die elektrische Leitfähigkeit der kohlenstoffhaltigen Teilchen kann durch Veränderungen im C/H-Verhältnis, bewirkt durch veränderte Kalzinierungstemperaturen, variiert werden. Die elektrorheologische Wirkung wird bei einem höheren C/H-Verhältnis vergrößert, was einen erhöhten Verbrauch an elektrischer Energie bewirkt. Es ist demnach notwendig, den elektrischen Widerstand der kohlenstoffhaltigen Teilchen bei einem optimalen Punkt unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs und der elektrorheologische Wirkung festzusetzen. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen liegt der am meisten bevorzugte elektrische Widerstand der kohlenstoffhaltigen Teilchen im Bereich von 10&sup7; bis 10¹&sup0; Ω cm bei 25ºC.
Erfindungsgemäß wurde weiterhin gefunden, daß es wirkungsvoll ist, die Oberfläche der oben beschriebenen kohlenstoffhaltigen Teilchen entweder teilweise oder vollständig mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht zu überziehen, um einen hohen Grad an elektroviskoser Wirkung zusammen mit einem geringen Verbrauch an elektrischer Leistung zu erreichen. Dieses Verfahren ist insbesondere für kohlenstoffhaltigen Teilchen mit einem höheren C/H-Verhältnis und einem höheren Kohlenstoffgehalt wirksam.
Als elektrisch isolierende dünne Schicht kann ein belieger organischer oder anorganischer Film aufgetragen werden, falls er auf der Oberfläche der Teilchen mit einer mittleren Dicke von weniger als 1/10 des Teilchendurchmessers gebildet wird, obwohl die optimale Dicke von der elektrischen Leitfähigkeit der Teilchen abhängt. Bei Teilchen mit einer höheren Leitfähigkeit wird eine relativ dicke Schicht bevorzugt, und im Gegensatz dazu wird eine relativ dünne Schicht bei Teilchen mit einer geringeren Leitfähigkeit verlangt, um eine höhere elektrorheologische Wirkung und einen geringeren Stromfluß bei Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zu erreichen.
Die elektrisch isolierende dünne Schicht kann die Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Teilchen vollständig oder teilweise umhüllen.
Die elektrisch isolierenden dünnen Schichten werden durch die folgenden Verfahren gebildet: Durch Beschichten der Oberflächen der Teilchen mit einer Lösung des Polymeren; Hybridisierungsverfahren, bei dem Mikroteilchen eines elektrisch isolierenden Materials mit den kohlenstoffhaltigen Teilchen durch ein Trockenverfahren vermischt und auf der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Teilchen geschmolzen werden; Vakuumablagerung durch Sputtern; Plasmabehandlung; Polymerisierung eines Monomers auf der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Teilchen.
Als elektrisch isolierende Materialien werden beispielsweise die folgenden Materialien aufgezählt: synthetische Materialien mit einem hohen Molekulargewicht wie Polymethylmethacryl, Polystyrol, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenfluorid, Eproxyharze, Phenolharze, und solche Polymere, die am Ende der Polymerkette durch funktionelle reaktive Gruppen, beispielsweise eine Isocyanatgruppe, modifiziert sind; Silan- Kopplungsmittel wie Methyltrimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Hexamethyldisilazan und Trimethylchlorsilan; modifizierte Silikonpolymere oder silikon-oberflächenaktive Mittel mit Hauptketten aus Dimethylpolysiloxan oder Phenylmethylpolysiloxanstrukturen mit Carboxylgruppen oder Hydroxylgruppen; und anorganische Verbindungen wie Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Rutil.
In einigen Fällen wird die elektrisch isolierende dünne Schicht physikalisch auf der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Teilchen adsorbiert. Jedoch ist eine elektrisch isolierende dünne Schicht, die mit funktionellen Gruppen oder Resten auf der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Teilchen umgesetzt wird, gegen die elektrische Entladung beständiger. In diesem Sinne sind beispielsweise Vinylpolymere, die mit reaktiven funktionellen Gruppen, beispielsweise einer Isocyanatgruppe, modifiziert sind, für die elektrische isolierende dünne Schicht bevorzugte Materialien.
Durch Verwendung derart hergestellter kohlenstoffhaltiger Teilchen, die mit einer elektrisch isolierenden dünnen Schicht überzogen sind, als dispergierte Phase einer elektrorheologische Flüssigkeit, ist es möglich, eine elektrorheologische Flüssigkeit mit einer ausgezeichneten elektrorheologische Wirkung bei einem verringerten Energieverbrauch zu erhalten.
Die für eine dispergierte Phase einer der elektroviskosen Flüssigkeit geeignete Teilchengröße liegt im Bereich von 0,01 - 100 um, bevorzugt im Bereich von 0,1 - 20 um, und insbesondere bevorzugt im Bereich von 0,5 - 20 um, und eine enge Teilchengrößenverteilung wird bevorzugt. Wenn die Teilchengröße unter 0,01 um liegt, wird die Anfangsviskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit bei nicht-Anlegung einer elektrischen Potentialdifferenz zu hoch, wodurch ein geringerer Viskositätswechsel durch die elektrorheologische Wirkung resultiert, und wenn die Teilchengröße größer als 100 um ist, kann keine dispergierte Phase bereitgestellt werden, die für eine elektrorheologische Flüssigkeit ausreichend stabil ist.
Erfindungsgemäß wurde bei der Untersuchung verschiedener elektrisch isolierender Öle durch Verwendung dieser kohlenstoffhaltigen Teilchen als dispergierte Phase gefunden, daß die Dielektrizitätskonstante eines elektrisch isolierenden Öls die elektrorheologische Wirkung bemerkenswert beeinflußt, und daß eine höhere elektrorheologische Wirkung bei Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz mit Wechselstrom und Gleichstrom erreicht wird, wenn ein elektrisch isolierendes Öl mit einer Dielektrizitätskonstante von größer als 3, bevorzugt von 4 - 30 und bevorzugter von 5 - 15 als Dispergiermedium verwendet wird.
Elektrisch isolierende Öle mit einer Dielektrizitätskonstante von über 3 sind beispielsweise Fluorsilikonöle, halogenierte gesättigte Kohlenwasserstofföle, halogenierte aromatische Öle, Esteröle einschließlich monobasischer Säureester, dibasischer Säureester, tribasischer Säureester, Polyolester, Phosphorsäureester, halogenierter aromatischer Monocarbonsäureester, halogenierter aromatischer Dicarbonsäureester, halogenierter Tricarbonsäureester und Mischungen hiervon. Derartige Öle werden nachfolgend näher beschrieben.
Fluorsilikonöle sind durch die nachfolgende Formel gekennzeichnet
[RfmRnSiO(4-m-n)/2]x
worin Rf eine gesättigte Fluoralkylgruppe mit 1 - 13 Kohlenstoffatomen ist. Die Fluoralkylgruppe Rf wird beispielsweise ausgewählt aus 3,3,3-Trifluorpropylgruppe, 3,3,4,4,5,5,5-Heptafluorpentylgruppe und 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10- Heptadecafluordecylgruppe. Unter diesen Gruppen wird die 3,3,3-Trifluorpropylgruppe bevorzugt. R ist eine substituierte oder nicht substituierte Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 - 6 Kohlenstoffatomen. Die Kohlenwasserstoffgruppe R wird beispielsweise ausgewählt aus der Methylgruppe, Ethylgruppe, Propylgruppe, Butylgruppe, Cycloalkylgruppen wie der Cyclohexylgruppe und der Phenylgruppe; hierbei wird die Methylgruppe bevorzugt. In der obengenannten Formel bedeuten m, n, und x Zahlen, um die Struktur des Fluorsilikonöls zu spezifizieren, die den nachfolgenden Beziehungen genügen: 1,5 < m+n < 2,5, 0,05 < m/n ≤ 1, und 3 ≤ x; bevorzugt 1,9 < m+n < 2,2, 0,2 < m/n ≤ 1 und 5 ≤ x; sie werden so ausgewählt, daß die gewünschte Viskosität und die gewünschte Dielektrizitätskonstante erhältlich sind. Polymethyltrifluorpropylsiloxan ist als isolierendes Öl ausgenommen.
Zu den Esterölen gehören beispielsweise Monoester, Diester und Triester, die Ester von folgenden Säuren sind, eingeschlossen aliphatische Monocarbonsäuren wie Neocaprinsäure; aromatische Monocarbonsäuren wie Benzoesäure und ihre Halogenide, beispielsweise Fluoride, Chloride und Bromide; aliphatische Dicarbonsäuren wie Adipinsäure, Glutarsäure, Sebacinsäure, Azelainsäure; aromatische Dicarbonsäuren wie Phthalsäure, Isophthalsäure, Tetrahydrophthalsäure oder ihre Halogenide; aliphatische Tricarbonsäuren wie Citronensäure; und aromatische Tricarbonsäuren wie Trimellithsäure oder Halogenide hiervon; mit Alkoholen einschließlich aliphatischen Alkoholen wie Methylalkohol, Ethylalkohol, Butylalkohol, 2-Ethylhexylalkohol, Octylalkohol, Isooctylalkohol, Isobutylalkohol, Heptylalkohol, Isodecylalkohol, Hexylalkohol, Decylalkohol, Undecylalkohol; und aromatische Alkohole wie Benzylalkohol. Als Phosphorsäureester seien erwähnt beispielsweise Trimethylphosphat, Triethylphosphat, Tributylphosphat, Tri-(2-ethylhexyl)-phosphat, 2- Ethylhexyldiphenylphosphat, Triphenylphosphat, Tricresylphosphat, Cresyldiphenylphosphat, Isodecyldiphenylphosphat, Trixylenylphosphat und Xylenyldiphenylphosphat.
Als Polyolester seien erwähnt Ester von Polyalkoholen wie Pentaerythritol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol und Glycerin mit höheren Fettsäuren.
Als halogenierte Hydrocarbonsäuren seien erwähnt chlorierte Paraffine mit verschiedenen Chlorierungsgraden und halogenierte aromatische Kohlenwasserstoffe wie Tetrachlortriphenylmethan, Trichlordiphenylether, Trichlordiphenylmethan.
Unter den obengenannten Ölen sind Fluorsilikonöle aufgrund der überlegenen elektrischen Isolierung und des höheren spezifischen Gewichts am meisten bevorzugt.
Die spezifischen Volumenwiderstände der elektrisch isolierenden Öle für die erfindungsgemäßen elektrorheologischen Flüssigkeiten werden bei über 10&sup9; Ω.cm bei 25ºC, bevorzugt bei über 10¹¹ Ω.cm bei 25ºC insbesondere bevorzugt bei mehr als 10¹² Ω.cm bei 25ºC angesetzt. Wenn der Wert unter 10&sup9; Ω.cm bei 25ºC liegt, nimmt der Stromfluß bei Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz bemerkenswert zu, und die Energieeffizienz für die Vorrichtung, in der die Flüssigkeit angewand wird, ist verringert.
Die erfindungsgemäßen elektrorheologischen Flüssigkeiten sind grundsätzlich sowohl bei Anlegen einer Wechselstrom- als auch einer Gleichstrom-Potentialdifferenz anwendbar; jedoch kann auf einer Elektrodenseite aufgrund der Elektrophorese manchmal in Abhängigkeit von den Auflagungsbedingungen der Teilchen eine Teilchenkoagulation stattfinden. Bei derartigen Situationen wird empfohlen, eine Wechselstrom-Potentialdifferenz anzulegen, um die Kathode und die Anode häufig zu wechseln.
Um Öle mit einer verbesserten elektrischen Isolation zu erhalten, kann ein Öl mit einer hohen Dielektrizitätskonstante mit einem Öl mit einer geringen Dielektrizitätskonstante, jedoch einem hohen elektrischen Widerstand vermischt werden, und letzteres umfaßt Silikonöle mit Hauptketten aus Polydimethylsiloxan oder Polymethylphenylsiloxan, Mineralöle und fluorierte Öle wie Perfluorpolyether, Polytrifluorchloretyhlen und Mischungen hiervon usw. Wenn ein Mischöl hergestellt wird, ist es notwendig, daß die zu mischenden Öle untereinander verträglich sind, und das Mischöl weist eine Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 3 auf. Mischungen aus fluoriertem Öl und Fluorsilikonöl werden bevorzugt, um Öle mit Dichten nahe den Dichten der kohlenstoffhaltigen Teilchen mit höheren Dielektrizitätskonstanten und höheren spezifischen Volumenwiderständen zu erhalten. Der geringere Unterschied in den Dichten kohlenstoffhaltiger Teilchen und Öle trägt zur Stabilität der elektrorheologischen Flüssigkeiten für eine lange Zeitdauer bei.
Die Viskositäten der elektrisch isolierenden Öle werden auf 0,65-1000 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, bevorzugt 5-200 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹ und bevorzugter 10-50 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹ bei 25ºC eingestellt. Bei einer zu geringen Viskosität enthält die flüssige Phase zu viele flüchtige Bestandteile und beeinträchtigt ihre Stabilität, und eine zu hohe Viskosität ergibt eine hohe Anfangsviskosität bei Nicht-Anlegung einer elektrischen Potentialdifferenz, was zu einer verminderten Viskositätsänderung aufgrund der elektrorheologischen Wirkung führt. Eine dispergierte Phase kann unter Verwendung eines elektrisch isolierenden Öls mit einer geeigneten geringen Viskosität wirksam suspendiert werden.
Erfindungsgemäß weist die dispergierte Phase, zusammengesetzt aus den oben genannten kohlenstoffhaltigen Teilchen, einen Anteil von 1 bis 60 Gew.-% und bevorzugt von 20 bis 50 Gew.-% und die flüssige Phase, zusammengesetzt aus einem oben genannten elektrisch isolierenden Öl, einen Anteil von 99 bis 40 Gew.-% und bevorzugt von 80 bis 50 Gew.-% auf. Eine dispergierte Phase von unter 1 Gew.-% weist eine geringere elektrorheologische Wirkung auf und eine dispergierte Phase von über 60 Gew.-% zeigt eine bemerkenswert große Anfangsviskosität, wenn keine elektrische Potentialdifferenz angelegt wird.
In die erfindungsgemäßen elektrorheologischen Flüssigkeiten können Additive wie andere dispergierte Phasen, oberflächenaktive Mittel, Dispergiermittel, Antioxidantien usw. aufgenommen werden, falls sie die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht zu sehr beeinträchtigen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die nicht beschränkenden Ausführungsbeispiele beschrieben.

Beispiel 1

Kohlenteer, der keinen freien Kohlenstoff enthält, wird bei 450 ºC in einem 20 Liter Autoklaven unter einer im wesentlichen inerten Atmosphäre einer Hitzebehandlung unterzogen. Das hitzebehandelte Material wurde einer Extraktion-Filtration unter Verwendung eines Teer-Mittelöls (Siedepunkt im Bereich von 120 bis 250 ºC) unterzogen, und der Rest hiervon wurde wiederum einer Hitzebehandlung bei 500 ºC bei einem Stickstoffgas-Strom von 2,0 Litern pro Minute unter Verwendung eines Batch-Typ-Rotationsreaktors mit einer Kapazität von 2 Litern hitzebehandelt, um kohlenstoffhaltige Teilchen mit einem C/H-Verhältnis von 2,38 zu erhalten. Die Teilchen wurden pulverisiert und mit einem Windsichter klassifiziert, um eine mittlere Teilchengröße von 3,8 um zu erhalten.
Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines Fluorsilikonöls mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 86 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht (= relative Dichte) von 1,216, einer Dielektrizitätskonstante von 6,6 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 6,31 x 10¹¹ Ω cm bei 25 ºC.
Die Bestimmung der elektrorheologischen Wirkung wurde durchgeführt mit einem Rotationsviskosimeter vom Doppel-Zylindertyp, wobei die Zunahme der Scherspannung (Δτ) bei einer Schergeschwindigkeit von 366 sec&supmin;¹ unter Anlegen einer wirksamen Wechselstrom-Potentialdifferenz von 2 KV/mm zwischen den äußeren und inneren Zylindern bestimmt wurde. Die elektrorheologische Wirkung (Δτ) betrug 359,6 Pa. Eine ähnliche elektrorheologische Wirkung wurde bei Anlegung einer Gleichstrom-Potentialdifferenz erhalten.

Beispiel 2

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines Fluorsilikonöls mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 22 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,067, einer Dielektrizitätskonstante von 4,7 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 5,01 x 10¹¹ Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 296,2 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom-Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.

Beispiel 3

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines Fluorsilikonöls mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 55,5 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,149, einer Dielektrizitätskonstante von 6,0 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 3,98 x 10¹¹ Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 352,5 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom-Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.

Beispiel 4

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines Fluorsilikonöls mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 33 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,186, einer Dielektrizitätskonstante von 6,4 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 7,94 x 10¹&sup0; Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 345,7 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom-Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.
Die in den Beispielen 1 bis 4 verwendeten Fluorsilikonöle waren Polytrifluorpropylmethlysiloxan oder ein Polymer aus Polytrifluorpropylmethylsiloxan und Polydimethylsiloxan.

Beispiel 5

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines chlorierten Paraffins mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 122 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,165, einer Dielektrizitätskonstante von 8,3 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 1,11 x 10¹¹ Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 446,4 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom-Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.

Beispiel 6

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines Trioctyltrimellitats mit einer dynamischen Viskosität bei 25 ºC von 220 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 0,97, einer Dielektrizitätskonstante von 4,3 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 5,71 x 10¹¹ Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 288,6 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom-Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.

Beispiel 7

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% von Di-(2- ethylhexyl)-phthalat mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 41 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 0,986, einer Dielektrizitätskonstante von 5,2 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 8,64 x 10¹¹ Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 305,4 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom-Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.

Beispiel 8

Kohlenteer, der keinen freien Kohlenstoff enthielt, wurde einer Hitzebehandlung bei 450 ºC unter einer im wesentlichen inerten Atmosphäre unterzogen, um Mesophasen-Kügelchen zu bilden. Das hitzebehandelte Material wurde einer wiederholten Extraktions-Filtrationsbehandlung unter Verwendung eines Teer- Mittelöls unterzogen, und der Rest hiervon wurde wiederum hitzebehandelt (kalziniert) bei 530 ºC unter Stickstoffgasstrom, um kohlenstoff-haltige Teilchen mit einem C/H-Verhältnis von 2,45 zu erhalten. Die kohlenstoff-haltigen Teilchen wurden mit einer Jet-Mühle pulverisiert und mit einem Windsichter klassifiziert, um kohlenstoff-haltige Teilchen mit einer mittleren Teichengröße von 5,2 um herzustellen. In 400 ml einer 1 Gew.-% Cyclohexanlösung, die Polystyrol mit einem Molekulargewicht von 5000 bis 10000, endmodifiziert mit Tolylendiisocyanat, wurden 100 g der kohlenstoff-haltigen Teilchen gegeben, und die Mischung wurde 2 Stunden bei 70 ºC gerührt. Anschließend wurde die Polystyrollösung abgetrennt, und die restlichen kohlenstoff-haltigen Teilchen wurden ausreichend getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen.
Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der kohlenstoff-haltigen Teilchen, beschichtet mit dem Polystyrol, in 80 Vol.-% eines Fluorsilikonöls mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 29 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,25, einer Dielektrizitätskonstante von 6,6 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 1,1 x 10¹² Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 944,8 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom-Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.

Beispiel 9

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% einer Mischung des Fluorsilikonöls, das in Beispiel 8 verwendet wurde, und Polytrifluormonochlorethylen (mit Mischungs-Gewichtsverhältnis 1:0,429) mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 20 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,40, einer Dielektrizitätskonstante von 5,7 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 1,03 x 10¹² Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 323,7 Pa. Bei Anlegen einer Gleichstrom- Potentialdifferenz wurde eine ähnliche elektrorheologische Wirkung erzielt.

Vergleichsbeispiel 1

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines Silikonöls (Polydimethylsiloxan) mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 20 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 0,95, einer Dielektrizitätskonstante von 2,7 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 1,98 x 10¹² Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 169,4 Pa.

Vergleichsbeispiel 2

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% eines Polytrifluormonochlorethylens mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 11 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,87, einer Dielektrizitätskonstante von 2,8 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 9,69 x 10¹¹ Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 200,0 Pa.

Vergleichsbeispiel 3

Eine elektrorheologische Flüssigkeit wurde hergestellt durch Dispergieren von 20 Vol.-% der gleichen wie im Beispiel 1 benutzten kohlenstoff-haltigen Teilchen in 80 Vol.-% von Perfluorpolyether mit einer kinematischen Viskosität bei 25 ºC von 54 . 10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹, einem spezifischen Gewicht von 1,86, einer Dielektrizitätskonstante von 2,0 und einem spezifischen Volumenwiderstand von 4,04 x 10¹² Ω cm bei 25 ºC. Die elektrorheologische Wirkung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 bestimmt; Δτ betrug 209,0 Pa.
Die Ergebnisse der Beispiele 1 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben, in der die dielektrische Konstante (relative Dielektrizitätskonstante) und der spezifische Volumenwiderstand bei 25 ºC unter Verwendung der in JIS-C2101 beschriebenen Verfahren bestimmt wurden. Tabelle 1 Elektrisch isolierendes Öl Viskosität bei 25 ºC (10&supmin;&sup6; m² s&supmin;¹) Dielektrizitätskonstante spezifischer Volumenwiderstand (Ω cm) bei 25 ºC spezifisches Gewicht Elektrorheologische Wirkung (Pa) Beisp. Vergleichsbeisp.
Die Beziehung zwischen den Dielektrizitätskonstanten der elektrisch isolierenden Öle und der elektrorheologische Wirkungen der elektrorheologischen Flüssigkeiten der Beispiele 1 bis 7 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 sind in der Fig. 1 gezeigt. In der Fig. 1 ist auf der Abszisse die Dielektrizitätskonstante und auf der Ordinate die elektrorheologische Wirkung (Δτ) angegeben; die weißen Kreise stehen für die Beispiele und die schwarzen Kreise für die Vergleichsbeispiele.
Wie die Tabelle 1 und die Fig. 1 zeigen, ist die elektrorheologische Wirkung einer ein elektrisch isolierendes Öl mit einer Dielektrizitätskonstante von mehr als 3 verwendenden Flüssigkeiten, veranschaulicht in den Beispielen 1 bis 7, bemerkenswert größer, als bei einer Flüssigkeit, die ein elektrisch isolierendes Öl mit einer Dielektrizitätskonstante von kleiner 3 verwendet, gezeigt in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3.
Weiterhin wird in der Tabelle 1 angegeben, daß die elektrorheologische Flüssigkeit, die mit einem Polymer beschichtete kohlenstoff-haltige Teilchen als dispergierte Phase verwendet (Beispiel 8), eine bemerkenswerte elektrorheologische Wirkung aufweist.
Weiterhin bewirkt ein Ölgemisch mit einer Dielektrizitätskonstante von größer als 3 (Beispiel 9) eine erhöhte elektrorheologische Wirkung.
Die erfindungsgemäß erhaltenen elektrorheologischen Flüssigkeiten sind in der Lage, eine höhere elektrorheologische Wirkung bei Anlegen einer Gleichstrom- oder Wechselstrom-Potentialdifferenz im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten elektrorheologische Flüssigkeiten zu erzielen, und sie weisen eine überlegene Hochtemperaturstabilität und eine Langzeitstabilität auf.
TEXT FEHLT

Claims

1. Elektrorheologische Flüssigkeit, die 1-60 Gew.-% an dielektrischen Teilchen, dispergiert in 99-40 Gew.-% eines öligen stark elektrisch isolierenden Mediums, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen kohlenstoffhaltige Teilchen mit einem Atomverhältnis von Kohlenstoffatomen zu Wasserstoffatomen (C/H) von 1,70-3,50 und einer mittleren Teilchengröße von 0,01-100 um sind, und das ölige Medium aus einem elektrisch isolierenden Öl mit einer Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 3 und einem spezifischen Volumenwiderstand von nicht weniger als 10&sup9; Ω.cm bei 25ºC besteht, ausgenommen Polymethyltrifluorpropylsiloxan als isolierendes Öl.

2. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin das elektrisch isolierende Öl ein Fluorsilikonöl, ein halogeniertes gesättigtes Kohlenwasserstofföl, ein halogeniertes aromatisches Kohlenwasserstofföl, einen Ester einer monobasischen Säure, wobei die monobasische Säure bevorzugt eine aromatische Monocarbonsäure oder ihr Halogenid ist, einen Ester einer dibasischen Säure, wobei die dibasische Säure bevorzugt eine aromatische Dicarbonsäure oder ihr Halogenid ist, einen Ester einer tribasischen Säure, wobei die tribasische Säure bevorzugt eine aromatische Tricarbonsäure oder ihr Halogenid ist, einen Phosphorsäureester, ein Polyolesteröl oder eine ihrer Mischungen umfaßt.

3. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin das elektrisch isolierende Öl eine Mischung eines Fluorsilikonöls, ein halogeniertes gesättigtes Kohlenwasserstofföl, ein halogeniertes aromatisches Kohlenwasserstofföl, ein Ester einer monobasischen Säure, ein Ester einer dibasischen Säure, ein Ester einer tribasischen Säure, ein Phophorsäureester, ein Polyolesteröl oder ihre Mischung mit einem Silikonöl, ein Mineralöl, ein fluoriertes Öl, bevorzugt Polytrifluormonochlorethylen, oder ihre Mischung ist.

4. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die kohlenstoffhaltigen Teilchen mit einer dünnen Schicht eines elektrisch isolierenden Materials oberflächenbeschichtet sind, wobei diese dünne Schicht bevorzugt teilweise oder vollständig die Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Teilchen bedeckt, und die Dicke der dünnen Schicht ein Zehntel oder weniger des mittleren Durchmessers der Teilchen beträgt.

5. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 4, worin das elektrisch isolierende Material ein Polymer ist, bevorzugt ein Vinylpolymer, modifiziert mit einer Verbindung mit einer Isocyanatgruppe, wobei bevorzugt das Vinylpolymer Polystyrol ist.

6. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin der Kohlenstoffgehalt der kohlenstoffhaltigen Teilchen in einem Bereich von 80-97 Gew.-% liegt.

7. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die kohlenstoffhaltigen Teilchen solche sind, die bei einer Temperatur von 200-600ºC kalziniert werden.

8. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die kohlenstoffhaltigen Teilchen optisch anisotrope Kügelchen umfassen, die durch Hitzebehandlung eines Kohlenteerpechs oder Erdölpechs bei einer Temperatur von 350- 500ºC und einer Abtrennung vom restlichen Teerbestandteil erhalten wurden.

9. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die kohlenstoffhaltigen Teilchen freien Kohlenstoff von nicht mehr als 10 Gew.-% enthalten.

10. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 2, worin das Fluorsilikonöl durch die nachfolgende Formel dargestellt wird

[RfmRnSiO(4-m-n)/2]x

worin Rf eine Fluoralkylgruppe mit 1-13 Kohlenstoffatomen ist; R eine nicht-substituierte oder substituierte Kohlenwasserstoffgruppe mit 1-6 Kohlenstoffatomen ist und m, n und x Zahlen sind, die den nachfolgenden Bedingungen genügen:

1,5 < m+n < 2,5, 0,05 < m/n ≤ 1 und 3 ≤ x,

wobei die Fluoralkylgruppe bevorzugt eine 3,3,3-Trifluorpropylgruppe und die Kohlenwasserstoffgruppe eine Methylgruppe ist.

11. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin das elektrisch isolierende Öl eine Viskosität von 0,65- 1000 10&supmin;&sup6;m²s&supmin;¹ bei 25ºC aufweist.

12. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die elektrorheologische Flüssigkeit 1-60 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Teilchen und 99-40 Gew.-% des elektrisch isolierenden Öls umfaßt.

13. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die kohlenstoffhaltigen Teilchen einen spezifischen Volumenwiderstand von 10&sup5; Ω.cm oder darüber bei 25ºC aufweisen.

14. Elektrorheologische Flüssigkeit nach Anspruch 1, worin die kohlenstoffhaltigen Teilchen pulverisierte Teilchen sind.