DE69200136T2

DE69200136T2 - Elektrorheologische Flüssigkeiten und Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung.

Info

Publication number: DE69200136T2
Application number: DE69200136T
Authority: DE
Inventors: Elio Eusebi; Robert Thomas Foister
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1991-04-15
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2012-03-31
Also published as: EP0509573B1; EP0509573A1; US5279754A; DE69200136D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidzusammensetzungen, welche signifikante Änderungen in ihren Fluideigenschaften in der Gegenwart eines elektrischen Feldes zeigen. Insbesondere bezieht sie sich auf eine elektrorheologische Zusammensetzung, die eine Feststoffphase enthält, die innerhalb einer Flüssigphase suspendiert ist wie nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert.
Die elektrorheologische Reaktion ist ein Phänomen, in welchem die Rheologie eines Fluids durch die Aufprägung eines elektrischen Feldes modifiziert wird. Fluide, welche signifikante Änderungen in ihren Eigenschaften des Flußes in der Gegenwart eines elektrischen Feldes zeigen, sind seit mehreren Jahrzehnte bekannt gewesen. Das Phänomen der Elektrorheologie wurde von W. M. Winslow, US-Patent Nr. 2 417 850, 1947 berichtet. Winslow demonstrierte, daß bestimmte Suspensionen von Feststoffen in Flüssigkeiten große reversible elektrorheologische Effekte zeigen. In der Abwesenheit des elektrischen Feldes zeigen elektrorheologische Fluide im allgemeinen Newton'sches Verhalten. Das heißt, die angelegte Kraft pro Einheitsfläche, bekannt als Scherkraft ist direkt proportional dem Scher- bzw. Geschwindigkeitsgefälle, d.h. der relativen Geschwindigkeit pro Einheitsdicke. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, tritt ein Fließspannungsphänomen auf und keine Scherung findet statt, bis die Scherspannung einen Fließwert überschreitet, welcher im allgemeinen mit der sich erhöhenden elektrischen Feldstärke ansteigt. Dieses Phänomen kann als eine Erhöhung der scheinbaren Viskosität von mehreren und häufig vielen Größenordnungen auftreten. Die Reaktionszeit auf elektrische Felder liegt häufig in der Größenordnung von Millisekunden. Diese schnelle Reaktionscharakteristiken von elektrorheologischen Fluiden machen sie für die Verwendung als Elemente in mechanischen Geräten attraktiv.
Ein vollständiges Verständnis der Mechanismen, durch welche elektrorheologische Fluide ihr spezielles Verhalten zeigen, hat sich Fachleuten entzogen.
Viele haben über die Mechanismen spekuliert, die Anlaß zu den Verhaltenseigenschaften von elektrorheologischen Fluiden Anlaß geben. Eine erste Theorie ist, daß das angelegte elektrische Feld die Freiheit der Teilchen zu rotieren beschränkt, so daß ihr Mengenverhalten geändert wird. Eine zweite Theorie schreibt eine Änderung der Eigenschaften der Bildung von filamentähnlichen Aggregaten zu, welche sich längs der Linien des angelegten elektrischen Feldes bilden. Eine Theorie schlägt vor, daß diese "induzierte Fibrillierung" aus kleinen lateralen Migrationen von Teilchen zu Bereichen von hoher Feldintensität zwischen Lücken von unvollständigen Ketten von Teilchen resultiert, gefolgt durch die gegenseitige Anziehung dieser Teilchen.
Eine dritte Theorie bezieht sich auf eine "elektrisch doppelte Schicht", in welcher der Effekt erklärt wird, indem die Hypothese aufgestellt wird, daß die Anlegung des elektrischen Feldes eine Schicht von Materialien, die auf den Teilchen der diskreten Phase absorbiert sind, veranlaßt, sich relativ zu den Teilchen in der Richtung längs des Feldes in Richtung auf die Elektrode mit einer Ladung entgegengesetzt jener der mobilen Ionen in der adsorbierten Schicht zu bewegen.
Noch eine andere Theorie schlägt vor, daß das elektrische Feld Wasser an die Oberfläche der Teilchen der diskreten Phase durch einen Prozeß der Elektroosmose treibt. Der resultierende Wasserfilm auf den Teilchen wirkt dann als ein Klebstoff, welcher Teilchen zusammenhält.
Die Kritik einer einfachen Fibrillierungstheorie ist auf den Grundlagen durchgeführt worden, daß der Effekt viel zu schnell für eine derart intensive Aufbaubildung ist, um aufzutreten. Fachleute haben eine Zeitskala für die Fibrillierung von näherungsweise 20 Sekunden beobachtet, welches in großem Maß im Übermaß über die Zeitskala für die rheologische Reaktion von elektrorheologischen Fluiden ist. Einige Leute schlagen vor, daß die Sequenz der Ereignisse als ein möglicher Mechanismus umfaße: die ionische Migration, die nachfolgende Elektroosmose von Feuchtigkeit auf einem Pol des Teilchens (wahrscheinlich dem kationischen Bereich) und infolge die Oberflächenlieferung von Wasser, hinreichend für die Brückenbildung. Dieser Feuchtigkeitsbrückenmechanismus ist nicht der einzige Prozeß, durch welchen elektrorheologische Effekte auftreten. Das Aufkommen von nicht-wässrigem elektrorheologischem Fluid bedeutet, daß die Wasserbrückenbildung kein essentieller Mechanismus ist und in der Tat überhaupt nicht wirksam sein muß.
Trotz der zahlreichen Theorien und Spekulationen wird allgemein übereingestimmt, daß der anfängliche Schritt in der Entwicklung von elektrorheologischem Verhalten die Polarisierung unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes miteinbezieht. Diese induziert dann irgendeine Form der Wechselwirkung zwischen Teilchen oder zwischen Teilchen und den aufgeprägten elektrischen oder Scherfeldern, was die rheologischen Manifestationen des Effektes zur Folge hat. Siehe Carlson, US-Patent Nr. 4 772 407 und Block et al "Electro-Rheology", IEEE Symposium, London 1985. Trotz dieses einen allgemein akzeptierten Mechanismus bleibt die Entwicklung von geeigneten elektrorheologischen Fluiden und Verfahren zur Verbesserung derselben in großem Maße unvorhersagbar.
Die potentielle Nützlichkeit von elektrorheologischen (ER-) Fluiden in Automobilanwendungen, wie der Vibrationsdämpfung, Stoßdämpfern oder der Drehmomentübertragung rührt von ihrer Fähigkeit her, ihre scheinbare Viskosität um Größenordnungen auf die Anlegung eines elektrischen Feldes hin zu erhöhen. Diese Erhöhung kann mit sehr schnellen (in der Größenordnung von Millisekunden) Reaktionszeiten und mit minimalen Leistungsanforderungen erreicht werden. Obwohl ER-Fluide seit den frühen 40iger Jahren dieses Jahrhunderts untersucht worden sind, haben grundlegende Beschränkungen ihre Verwendbarkeit in praktischen Vorrichtungen verhindert. Die am ernsthaftesten beschränkenden dieser Begrenzungen sind (1) daß die Suspensionen stabil sein sollen, d.h. ohne weiteres nach einem Stehen wiederdispergierbar sein sollten, selbst wenn Absetzen auftritt, und (2) sie nicht durch die Beschränkung beeinträchtigt werden, die durch die Anwesenheit von Wasser gegeben ist, so daß bei erweiterten Temperaturen, d.h. außerhalb von 0 bis 100 Grad C, die Funktion und die Beständigkeit erreicht werden kann. Diese letzte Anforderung ist insbesondere dadurch beschränkend, daß die meisten Fluidzusammensetzungen Wasser als einen ER-Aktivator erfordern, so daß in vollständig trockenen Systemen der ER-Effekt gänzlich abwesend oder so klein ist, daß er nicht auf effektive Weise nützlich ist.
Eine elektrorheologische Zusammensetzung gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale gekennzeichnet, die in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 spezifiziert sind.
Ein Ziel dieser Erfindung ist, ein stabiles, im wesentlichen wasserfreies oder nicht-wässriges ER-Fluid mit verbesserten Eigenschaften zu formulieren. Mit anderen Worten ist ein Ziel dieser Erfindung, Wasser zu entfernen, ohne den elektrorheologischen Effekt einem Kompromiß zu unterwerfen.
Diese Erfindung umfaßt elektrorheologische Fluide mit Propylencarbonat, das auf der Oberfläche einer festen Phase davon adsorbiert ist, in welcher die feste Phase chemisch entblättertes Vermikulit ist und das Fluid nicht wässrig ist.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen offenbar, in welchen:
Fig. 1 eine graphische Veranschaulichung des Effektes auf die Viskosität eines Esteradditivs zu einem elektrorheologischen Fluid ist.
Fig. 2 eine graphische Veranschaulichung des Effektes auf die Viskosität der Behandlung einer festen Phase eines elektrorheologischen Fluids mit einem Aminsalz ist.
Fig. 3 eine graphische Veranschaulichung des Effektes auf die Viskosität der Änderung der Frequenz eines angelegten Feldes und der Temperatur eines elektrorheologischen Fluids ist.
Fig. 4 eine graphische Veranschaulichung des Effektes des Variierens der Temperatur eines elektrorheologischen Fluids und des Variierens der Frequenz eines angelegten Feldes ist, um konstante Viskosität aufrechtzuerhalten.
Fig. 5 eine graphische Veranschaulichung des Effektes auf die Viskosität des Adsorbierens von Propylencarbonat auf einer festen Phase eines elektrorheologischen Fluids ist.
Fig. 6 eine graphische Veranschaulichung des Effektes auf die Viskosität des Absorbierens von Propylencarbonat auf die feste Phase und eines Esteradditivs zu einem elektrorheologischen Fluid ist.
Vermikulit ist ein goldfarbiges Mineral mit der Formel 3MgO(FeAl)&sub2;O&sub3;,3SiO&sub2;. Chemisch entblättertes Vermikulit in einer plattenartigen Al-Mg-Blattsilikatform ist kommerziell von W. R. Grace, Inc. USA unter dem Handelsnamen MICROLITE 903 erhältlich. Der Ausdruck "plattenartige Al-Mg-Blattsilikatform" bedeutet, daß die Teilchen aus multipel geschichteten Ebenen ("Blättern") aufgebaut sind, die aus extensiven Si-O-Verbindungen (Silikaten) bestehen. Die Ebenen sind ionisch aneinander über Kationen wie Al³&spplus; und Mg²&spplus; gebunden. Die Teilchen von Vermikulit sind teilweise leitfähige Teilchen. In dieser kommerziellen Form ist das Vermikulit hydrophil, was es a) schwierig in typischen basiselektrorheologischen Fluidphasen wie Silikonölen und Kohlenwasserstoffen zu dispergieren und b) nicht wahrscheinlich macht, dispergiert zu bleiben. Wenn das Vermikulit nicht dispergiert bleibt, setzt es sich ab und bildet ein Kuchenmaterial. Dies ist unerwünscht, weil beträchtliche mechanische Energie aufgewendet werden muß, um den Feststoff kontinuierlich wieder zu dispergieren, damit das Material als ein elektrorheologisches Fluid wirkt. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren der Behandlung dieses Vermikulits, um vorteilhafte Resultate zu erreichen.
In einem Verfahren werden chemisch delaminierte Vermikulitplatten mit einem organischen Aminsalz oberflächenbehandelt. Eine ionische Bindung wird zwischen dem Vermikulit und dem Aminsalz gebildet. Das Aminsalz dient zwei Zwecken. Erstens erlaubt das Aminsalz dem Vermikulit nach der geeigneten Trocknung, eine sehr stabile Dispersion mit Silikonöl oder anderen nichtwässrigen Flüssigkeiten wie Kohlenwasserstoffflüssigphasenmaterialien zu bilden. Zweitens erlaubt das Aminsalz den individuellen plattenartigen Vermikulitteilchen, in einem elektrischen Feld ohne die Gegenwart von Wasser polarisiert zu werden. Die Polarisierung der Teilchen ist eine notwendige Anforderung für ein System, um ein ER-Verhalten zu demonstrieren. Die Geometrie der plattenartigen Vermikulitteilchen erzeugt eine größere Polarisierung in einem elektrischen Feld als andere Formen. Vorzugsweise hat das plattenartige Vermikulit einen Durchschnittsoberflächendurchmesserbereich von 1 bis 30 Mikrometern und eine Teilchendicke von 6 bis 10 Nanometern (60 bis 100 Angström). Das Vermikulit kann in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-Prozent und vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-Prozent der Zusammensetzung vorhanden sein. Aspekte dieses Verfahrens werden in unserer ebenfalls anhängigen EP-A-0 509 574, entsprechend der USSN 684 748, betitelt "Electro-rheological Fluids and Methods of Making and Using the Same" beansprucht, die zum selben Datum wie das Einreichungsdatum dieser Anmeldung eingereicht wurde.
Das chemisch entblätterte Vermikulit wird Oberflächenbehandelt, indem Lithium auf der Oberfläche eines Aminkations ausgetauscht wird. Das Aminkation kann primär, sekundär oder tertiär sein und ist vorzugsweise ein quaternäres Ammoniumsalz. Geeignete Behandlungsmaterialien sind Aminsalze, die zumindest eines ausgewählt aus der Gruppe umfassen, die aus Alkylammoniumhalogeniden, vorzugsweise mit einer Alkylgruppe mit 2 bis 18 Kohlenstoffen und insbesondere bevorzugt 12 Kohlenstoffen oder Dodecylaminsalz besteht. Geeignete Aminsalze und spezielle quaternäre Ammoniumsalze, die betrachtet werden, schließen jene ein, die in Bosso et al, US-Patent Nr. 3 839 252 aufgelistet sind.
Ein quaternäres Ammoniumsalz ist ein Typus von organischer Stickstoffverbindung, in welcher der molekulare Aufbau ein zentrales Stickstoffatom umfaßt, das mit vier Gruppen verbunden ist (das Kation) und ein Anion, die Struktur wie angegeben als:
worin R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; Alkyl- oder aromatische Gruppen oder Wasserstoff sind und worin zumindest eine der R-Gruppen von 2 bis 18 Kohlenstoffen hat und die anderen R-Gruppen von 2 bis 18 Kohlenstoffatomen haben.
Insbesondere geeignete quaternäre Aminoniumsalze umfassen zumindest eines ausgewählt aus der Gruppe, die aus Oktadecyldimethylbenzylammoniumchiorid, Hexamethoniumchlorid und Laurylpyridinchlorid besteht.
Typischerweise wird das Vermikulit in einer Lösung von Aminsalzen angeordnet, die das Aminsalz und deionisiertes Wasser als ein Lösungsmittel umfassen. Das Äquivalent von Amin in Lösung zu Vermikulit kann von 5 zu 1, vorzugsweise 2 zu 1 und insbesondere bevorzugt 1 zu 1 reichen. Die Zeitspanne, für welche das Vermikulit behandelt wird, kann abhängig von der Temperatur von 3 bis 24 Stunden, vorzugsweise 3 bis 12 Stunden und insbesondere bevorzugt 6 bis 12 Stunden bei Raumtemperatur reichen. Höhere Temperaturen erfordern weniger Zeit, um die Teilchen zu behandeln. Die angehefteten Kohlenwasserstoffketten auf dem behandelten Material werden es im wesentlichen hydrophob machen, wodurch sich seine inhärente Dispersionsfähigkeit genauso wie seine Stabilität gegen Koagulation erhöht.
Als nächstes wird Überschußamin von dem behandelten Material entfernt, indem mit Ethanol gewaschen wird. Der Feststoff wird gefiltert und unter Vakuum bei einer Temperatur getrocknet, die von 60ºC bis 110ºC, vorzugsweise 75ºC bis 110ºC und insbesondere bevorzugt 100ºC reicht, was weniger als das ist, was die Änderung der Oberflächenbehandlung veranlaßt, aber hoch genug ist, um die Entfernung von Restwasser in einer vernünftig kurzen Zeitspanne zu begünstigen. Das getrocknete behandelte Vermikulit ist im wesentlichen frei von Wasser. Der Ausdruck "im wesentlichen frei von Wasser" bedeutet, daß weniger als 1 Gew.- % Wasser an dem Vermikulit anhaftet. Vorzugsweise ist die Menge an Wasser, die an dem Vermikulit anhaftet, weniger als jene, die erforderlich ist (näherungsweise 6 bis 10 Gew.-%), damit das Wasser ein "Aktivator" der ER-Reaktion ist. Das heißt, die Menge von Wasser, die an dem Vermikulit anhaftet, ist nicht hinreichend, um Wasserbrücken zwischen Teilchen unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes zu bilden. Diese Trocknung wird vorzugsweise unter Vakuum zu einem konstanten Druck ausgeführt, der von 13,3322 bis 66,661 Pa (100 bis 500 mTorr), vorzugsweise 13,3322 bis 33,3305 (100 bis 250 mTorr) und insbesondere bevorzugt zumindestens 19,9983 Pa (150 mTorr) reicht.
Die resultierenden behandelten getrockneten Materialien werden dann in einer Basisfluidzusammensetzung durch Kugelmahlen für 22 Stunden dispergiert. Das Kugelmahlen reduziert im wesentlichen den Durchschnittsoberflächendurchmesser zu zumindest dem Bereich von 5 bis 25 Mikrometer, vorzugsweise 1 bis 5 Mikrometer, insbesondere bevorzugt 1 Mikrometer bis 3 Mikrometer und insbesondere bevorzugt weniger als 1 Mikrometer, was auch die Suspensionsstabilität und die Dispergierfähigkeit begünstigt. Das Kugelmahlbasisfluid kann irgendein geeignetes in der Technik bekanntes Fluid umfassen und ist vorzugsweise 75 % Silikonöle/25 % Butylbenzoat. Andere geeignete Kugelmahlfluide umfassen Mineralöle oder ein Material, das als die Flüssigphase des ER-Fluids zu verwenden ist.
Geeignete Flüssigphasenmaterialien sind in Block et al "Electro-Rheology", IEEE Symposium, London, 1985, offenbart, welches hierin durch Bezugnahme eingegliedert ist. Ein geeignetes Silikonöl ist kommerziell von der Dow Corning Corporation, USA, unter dem Handelsnamen Dow Corning 200 Fluid (20cS)R erhältlich.
Das folgende Beispiel veranschaulicht eine Ausführung einer derartigen Suspension:

BEISPIEL I

Eine Entblättertes-Vermikulat -Suspension wird hergestellt, indem 7 bis 15 Gramm von chemisch entblättertem Vermikulit zu 1 bis 100 ml von deionisiertem Wasser zugegeben werden. Ein geeignetes chemisch entblättertes Vermikulit ist MICROLITE 903 . Die wässrige Entblättertes-Vermikulit -Suspension wird tropfenweise zu einer wässrigen Lösung von Überschußaminhydrochloridlösung zugegeben, für sechs Stunden mechanisch bewegt und dann gefiltert. Die Aminhydrochloridlösung kann 6,2 Gew.- % von Octylaminhydrochlorid oder 3,0 % von Dodecylaminhydrochlorid in einer wässrigen Lösung sein. Der Feststoff wird wieder dispergiert und zweimal mit Ethanol gefiltert, um jedweden Überschuß Aminhydrochlorid zu entfernen. Der Feststoff wird dann in einem Vakuum bei 100 Grad C getrocknet bis zumindest ein 19,9983 Pa (150 Millitorr) Vakuum erreicht wird. Das Amin-behandelte Vermikulit wird mit einem Basisfluid (z.B. 75 % Silikonöl/25 % Butylbenzoat) für 24 Stunden kugelgemahlen.
Das obige Verfahren wurde verwendet, um ein Vermikulit herzustellen, das mit Octylamin oder Dodecylaminhydrochlorid behandelt wurde. Die Kohlenstoffanalyse, die die Effizienz der Oberflächenbehandlung zeigt, ist in Tabelle I aufgelistet. "Effizienz der Oberflächenbehandlung" zeigt den Prozentsatz des Kationenaustausches an und ist hergeleitet aus dem Dividieren des experimentellen Wertes des Prozentsatzes des Kationenaustausches durch den entsprechenden theoretischen Wert des Prozentsatzes des Kationenaustausches. So reicht von den Werten, die in Tabelle I aufgelistet sind, die Kationenaustauscheffizienz von ungefähr 58 Prozent für die Octylamin-behandelten Vermikulitteilchen zu ungefähr 95 Prozent für die Dodecylamin-behandelten Vermikulitteilchen. TABELLE I KOHLENSTOFFANALYSE* Material Theoretisch Experimentell Octylamin-behandelt Dodecylamin-behandelt Unbehandeltes Vermikulit * Analyse auf LECO Corp. Modell CS-444 Kohlenstoff-/Schwefelanalysator ausgeführt.
Für feste Phasen, welche Wasser erfordern, um die Polarisierung unter elektrischen Feldern zu erreichen, nimmt der elektrorheologische Effekt ab, wenn das Wasser entfernt wird. Dieser Effekt kann wiederhergestellt und in speziellen Formulierungen in großem Maß verstärkt werden, indem in die Fluidphase der elektrorheologischen Zusammensetzung ein zusätzliches Fluid, wie ein hoch siedender Ester gemischt wird. Geeignete Ester umfassen zumindest einen ausgewählt aus der Gruppe, die Benzoate, vorzugsweise Alkyl-, oder Alkyladipate umfaßt. Die Alkylgruppe kann von C&sub1; bis C&sub1;&sub8; reichen und vorzugsweise ist der Ester n-Butylbenzoat. Bevorzugte Adipate umfassen Di-isononyladipat und Dioctyladipat. Die Menge der zusätzlichen Flüssigkeit kann 5 bis 75 % umfassen, vorzugsweise 5 bis 50 % und insbesondere vorzugsweise 5 bis 25 % an Volumen des elektrorheologischen Fluids. Das zusätzliche Fluid trägt zu der inhärenten Stabilität und Dispergierfähigkeit der behandelten festen Phase genauso bei, wie es wirkt, die Basisfluidviskosität ziemlich wesentlich zu erniedrigen und somit die Feld-Null- Viskosität der Suspension. Aspekte dieses Ausführungsbeispiels werden in unserer ebenfalls anhängigen EP-A-0 509 572 entsprechend der USSN 684 750, betitelt "Elektrorheological Fluids and Methods of Making and using the Same", beansprucht, die zum gleichen Datum wie das Einreichungsdatum dieser Anmeldung eingereicht wurde.
Die primäre Grundlage für die Verwendbarkeit des elektrorheologischen Effektes ist die Änderung der Scherkraft (d.h. die Erhöhung der scheinbaren Viskosität) und zwar mit dem angelegten elektrischen Feld. Beim Feld Null hat eine elektrorheologische Fluidzusammensetzung, die 10 % Vermikulit, das mit Dodecylamin behandelt ist, 75 % Silikonöle/25 % Butylbenzoat umfaßt, die in einer oben beschriebenen Weise hergestellt wurde, eine Viskosität bei einem Schergefälle von 400/Sekunde (was die Standardbedingungen für die Zwecke der Veranschaulichung sein werden) von 28 mPa sec (cP). Bei einer Feldstärke von 3,45 kV/mm (Wechselstrom, 60 Hz), hat das Fluid eine scheinbare Viskosität von 1198 mPa sec, was 43mal dem Feld-Null-Wert entspricht. Diese Erhöhung der scheinbaren Viskosität wird in großem Maße vergrößert, wenn das Schergefälle abnimmt. Das Verhältnis der Viskosität bei 3,45 kV/mm zur Viskosität beim Feld Null als eine Funktion des Schergefälles ist in Fig. 1 gezeigt. Zum Vergleich in Fig. 1 auch gezeigt ist die gleiche Auftragung für dieselbe Zusammensetzung, aber ohne Butylbenzoat. Ein Vergleich dieser zwei Auftragungen betont (1) die signifikante Verstärkung der elektrorheologischen Effekte, welche durch den Zusatz von Butylbenzoat erreicht wird, und (2) den minimalen elektrorheologischen Effekt, der durch das nicht-wässrige System ohne n-Butylbenzoat dargestellt wird.
Fig. 2 ist eine Auftragung des Viskositätsverhältnisses als eine Funktion des Schergefälles (3,45 kV/mm zu Feld Null). Hier wird die oben beschriebene elektrorheologische Zusammensetzung (veranschaulicht durch Fig. 1) mit derselben Zusammensetzung verglichen, in welcher die Vermikulitteilchen aber nicht mit einem Amin behandelt sind, um die dispergierte Phase zu bilden. Obwohl der elektrorheologische Effekt für diese zwei Systeme vergleichbar ist, ist die Zusammensetzung, die die Vermikulitteilchen, die nicht mit einem Amin behandelt sind, enthält, im wesentlichen instabil zu dem Ausmaß, daß sich, auf die wiederholte Anlegung eines elektrischen Feldes, große Teilchenaggregate bilden und aus der Suspension ausfallen. Mit der Zeit wird sich das Fluid in zwei Phasen trennen und muß einem Kugelmahlen unterworfen werden, um den Feststoff wieder zu dispergieren. Dies ist nicht der Fall mit der behandelten Vermikulit-Zusammensetzung. Nach dem Setzen für bis zu sechs Monaten wird der Feststoff ohne weiteres dispergiert, indem die Zusammensetzung geschüttelt wird.
Ein Verfahren der Änderung der Frequenz eines elektrischen Wechselstromfeldes, das an ein elektrorheologisches Fluid angelegt wird, und der Temperatur des Fluids, kann verwendet werden, um die scheinbare Viskosität des Fluids einzustellen. Der Ausdruck "scheinbare Viskosität" ist das Verhältnis der Scherkraft zum Schergefälle. Ein elektrorheologisches Fluid, das 10 % Feststoffe, die wie oben beschrieben hergestellt sind, und eine Mischung von 25 % n-Butylbenzoat/75 % Polydimethylsiloxan -Fluid umfaßt, wurde hinsichtlich der Anderung der Viskosität als eine Funktion der Temperatur und der variierenden Frequenzen, wie in Fig. 3 gezeigt, bewertet. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird in dem Feld-Aus-Fall (untere Kurve bezeichnet 0 kV, 0 Hz) die normale exponentielle Abnahme der Viskosität (gemessen als das Schergefälle von 400/sec), das für eine teilchenförmige Suspension erwartet wird, beobachtet. Die anderen Kurven zeigen signifikante Erhöhungen/oder Abnahmen der Viskosität mit der Temperatur abhängig von der Frequenz und dem Temperaturbereich. Die Erfindung wird am besten veranschaulicht, indem die vertikale Linie bei einer Temperatur von 50 Grad C betrachtet wird. Indem die Frequenz kontinuierlich geändert wird, bei konstantem angelegten Potential, und zwar von 50 Hz bis 5000 Hz und vorzugsweise 60 Hz bis 1000 Hz, kann irgendeine gewünschte Viskosität in dem gezeigten Bereich erreicht werden, ohne daß das angelegte Potentials geändert wird. Dieses Verfahren kann für den Betrieb einer Vorrichtung, wie eines Stoßdämpfers oder einer Maschinen- bzw. Motoranbringung angenommen werden, welcher erfordert, daß die Viskosität kontinuierlich von dem Feld-aus-Wert zu irgendeinem maximalen Wert bei einer gegebenen Temperatur variiert wird. Weiter kann die Frequenz bei irgendeiner gegebenen Betriebstemperatur variiert werden, um eine gewünschte Viskosität zu erzeugen. Analoge Systeme oder "Nachschautabellen" können in dieser Hinsicht verwendet werden. Aspekte dieses Ausführungsbeispiels werden in unserer ebenfalls anhängigen EP-A-0 509 571, entsprechend der USSN 684,759, betitelt "Electro-rheological Fluids and Methods of Making and Using the Same", beansprucht, die zum gleichen Datum wie das Einreichungsdatum dieser Anmeldung eingereicht wurde.
Ein Verfahren der Änderung der Frequenz eines elektrischen Wechselstromfeldes, das an ein elektrorheologisches Fluid angelegt wird, kann verwendet werden, um eine konstante Viskosität in dem Fluid über variierende Temperaturen aufrechtzuerhalten. Dieses Ausführungsbeispiel kann am besten durch Fig. 4 veranschaulicht werden, aus welcher hervorgeht, daß, um eine konstante Viskosität von 0,3 Pas (300 cP) (gemessen bei einem Schergefälle von 400/sec) zu erreichen, die Frequenz von 60 Hz bis 1000 Hz eingestellt werden kann, um die Variation der Temperaturen, die von 10 Grad C bis näherungsweise 85 Grad C reichen, zu kompensieren. Die veranschaulichten Daten in Fig. 4 beziehen sich auf auf ein elektrorheologisches Fluid, das hergestellt wurde wie oben für das Ausführungsbeispiel beschrieben, das durch Fig. 3 veranschaulicht wird. Aspekte dieses Verfahrens werden in unserer ebenfalls anhängigen EP-A-0 509 575 entsprechend der USSN 684 747, betitelt "Electro-rheological Fluids and Methods of Making and Using the Same", beansprucht, die zum selben Datum wie das Einreichungsdatum dieser Anmeldung eingereicht wurde.
Ein Verfahren zur Aktivierung (d.h. zum Anschalten oder Erzeugen eines gewünschten elektrorheologischen Effektes) oder Deaktivierung (d.h. zum Abschalten oder Eliminieren eines elektrorheologischen Effektes) einer elektrorheologischen Reaktion eines Fluids unter dem Einfluß eines im wesentlichen konstanten elektrischen Wechselstromfeldes umfaßt, daß die Frequenz des Feldes variiert wird, um das gewünschte Resultat zu erreichen. Das Verfahren kann erreicht werden, ohne die Temperatur des Feldes wesentlich zu variieren. Aspekte dieses Verfahrens werden in unserer ebenfalls anhängigen EP-A-0 509 571, entsprechend der USSN 684 759, betitelt: "Electro-rheological Fluids and Methods of Making and Using the Same", beansprucht, die zum gleichen Datum wie das Einreichungsdatum dieser Anmeldung eingereicht wurde.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer vorbestimmten Änderung der Viskosität eines elektrorheologischen Fluids umfaßt die Schritte, daß für eine vorbestimmte Spanne ein im wesentlichen konstantes elektrisches Wechselstromfeld an das elektrorheologische Fluid angelegt wird und die Frequenz des elektrischen Feldes von einem ersten Niveau, entsprechend einer ersten Viskosität, zu einem zweiten Niveau, entsprechend einer zweiten Viskosität bei einem gegebenen Schergefälle geändert wird. Die Differenz zwischen den ersten und zweiten Viskositäten wäre der vorbestimmten Änderung der Viskosität, die gewünscht wird, äquivalent oder gleich. In einem derartigen Verfahren reicht die Stärke des elektrischen Wechselstromfeldes von 1 bis 5 kV/mm, das erste Niveau der Frequenz ist größer als 10 Hz und das zweite Niveau der Frequenz ist kleiner als 10 kHz. Aspekte dieses Verfahrens werden in unserer ebenfalls anhängigen EP-A-0 509 571, entsprechend der USSN 684 759, betitelt "Electro-rheological Fluids and Methods of Making and Using the Same", beansprucht, die zum selben Datum wie das Einreichungsdatum dieser Anmeldung eingereicht wurde.
Die vorliegende Erfindung umfaßt Verbesserungen der Leistungsfähigkeit des elektrorheologischen Fluids, die durch die Absorption eines Aktivators, vorzugsweise Propylencarbonat direkt auf die Oberfläche einer festen Phase erreicht wird, und daß die so behandelte feste Phase in Kombination mit einem Adipat in der Flüssigphase der elektrorheologischen Zusammensetzung verwendet wird. Die feste Phae des elektrorheologischen Fluids wird in der oben beschriebenen Weise hergestellt mit dem zusätzlichen Schritt, daß ein Aktivator direkt auf die Oberfläche des Feststoffes adsorbiert wird. Propylencarbonat, welches in Silikonölen wie Polydimethylsiloxan unlöslich ist, wird auf den Feststoffen in spezifischen Gewichtsmengen adsorbiert. Zum Beispiel werden vorgewogene Mengen eines Feststoffes wie Vermikulit von 10 bis 50 Gewichts-Prozent in Ethanollösung immergiert, die 1 bis 25 Gewichts-Prozent von Propylencarbonat enthält. Nach gründlichem Mischen wird Ethanol aus dem Feststoff entfernt, indem zu ungefähr 100 Grad C unter Vakuum für 24 Stunden erhitzt wird. Diese Bedingungen wurden gewählt, um die Entfernung von Ethanol zu maximieren, wobei eine maximale Menge von Propylencarbonats auf dem Feststoff adsorbiert bleibt. Die spezifische Menge von adsorbiertem Propylencarbonat wurde bestimmt, indem der behandelte Feststoff gewogen wurde. Auf diese Weise wurden Feststoffe in Mengen von adsorbiertem Propylencarbonat hergestellt, die von 1,4 bis 16 Gew.-% reichen. Vorzugsweise reicht die Menge des adsorbierten Propylencarbonats für die verstärkte elektrorheologische Reaktion von 9 Gew.-% bis 16 Gew.-% und vorzugsweise 9 bis 12 Gew.-%. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird eine geringe Verstärkung des elektrorheologischen Effektes (gemessen als eine Differenz der Feld-An [2,07 kV/mm, 60 Hz Wechselstrom] zur Feld-Aus- Scherkraft geteilt durch den Feld-Aus-Wert) beobachtet, wenn eine Gesamtmenge von Propylencarbonat weniger als 9 Gew.-% auf dem Feststoff adsorbiert wird. Mit Mengen von 9 Gew.-% oder größer, die auf dem Festkörper adsorbiert werden, wird eine Erhöhung des elektrorheologischen Effektes über den ganzen Schergefällebereich registriert. Die Verwendung eines Aktivators, der auf der festen Phase adsorbiert ist, unterwirft die nicht-wässrige Natur des Fluids keinem Kompromiß.
Es ist überraschenderweise gefunden worden, daß die Kombination der Verwendung eines Adipats, wie Dioctyladipat (DOA) in der Flüssigphase und des Absorbierens von Propylencarbonat auf der Oberfläche der festen Phase mehr als einen additiven Effekt erzeugt. Die elektrorheologische Fluide wurden mit einem Feststoffgehalt von ungefähr 10 Gew.-% hergestellt. Ein erstes Fluid wurde hergestellt, das aminbehandeltes Vermikulit enthält, das 6 Gew.-% Propylencarbonat enthält, das auf dem Vermikulit adsorbiert ist, und in Silikonöl dispergiert wurde. Die ER-Reaktion wird durch eine erste Kurve von Fig. 6 repräsentiert. Ein zweites Material wurde mit aminbehandeltem Vermikulit in einer Flüssigphase hergestellt, die 65 Vol.-% DOA und 35 Vol.-% Silikonöl enthält. Diese ER-Reaktion des zweiten Fluids wird durch eine zweite Kurve von Fig. 6 repräsentiert. Ein drittes Fluid wurde hergestellt mit aminbehandeltem Vermikulit mit 6 % Propylencarbonat, das auf dem Vermikulit adsorbiert war, und einer Flüssigphase, die 65 % an Volumen DOA und 35 % an Volumen Silikonöl enthält. Die ER-Reaktion des dritten Fluids wird durch eine dritte Kurve von Fig. 6 dargestellt. Die drei Fluide wurden einer elektrischen Feldstärke von 2,07 kV/mm unterworfen. Die ER-Reaktion der Fluide ist als Scherkraftverhältnis (d.h. das Verhältnis der Überschußscherkraft unter dem Feld zu demselben Fluid bei Feld Null) gegen das Schergefälle aufgetragen. Wie gesehen werden kann, hat das dritte Fluid eine größere ER-Reaktion bei 50/sec Schergefälle als die ersten und zweiten Fluide zusammenaddiert.
Wo spezielle Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin im Ausdruck von Bereichen definiert sind, ist es beabsichtigt, daß die Erfindung den ganzen so definierten Bereich und jeden Unterbereich oder multiple Unterbereiche innerhalb des breiten Bereiches umfaßt. Beispielsweise ist es, wo die Erfindung beschrieben ist als 1 bis 100 Gew.-% der Komponente A zu umfassen, beabsichtigt, zu meinen, daß der Umfang der Erfindung auch zum Beispiel 5 bis 25 Gew.-% der Komponente A und 50 bis 75 Gew.-% der Komponente A umfaßt. In ähnlicher Weise ist es, wo die vorliegende Erfindung hierin beschrieben worden ist als A&sub1;&submin;&sub1;&sub0;&sub0;B&sub1;&submin;&sub5;&sub0; zu umfassen, beabsichtigt, innerhalb des Umfangs der Erfindung auch Zusammensetzungen wie A&sub1;&submin;&sub6;&sub0;B&sub1;&submin;&sub2;&sub0;, A&sub6;&sub0;&submin;&sub1;&sub0;&sub0;B&sub2;&sub5;&submin;&sub5;&sub0; und A&sub4;&sub3;B&sub3;&sub7; zu umfassen.

Claims

1. Eine elektrorheologische Zusammensetzung mit einer festen Phase, die innerhalb einer Flüssigphase suspendiert ist, wobei die Zusammensetzung eine elektrorheologische Reaktion in der Gegenwart eines elektrischen Feldes erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung eine nicht-wässrige Zusammensetzung ist, in welcher die feste Phase chemisch entblätterte Vermikulitteilchen mit Propylencarbonat, das darauf in einer Menge von 9 Gewichts-Prozent der Teilchen oder größer adsorbiert ist, ist; und die Flüssigphase ein nicht- leitendes oder dielektrisches Fluid umfaßt, das ein Alkyladipat enthält.

2. Eine elektrorheologische Zusammensetzung nach Anspruch 1, in welcher die Menge von Propylencarbonat, das auf den Teilchen adsorbiert ist, von 9 Prozent bis 16 Gewichts-Prozent der Teilchen reicht und das Alkyladipat Dioctyladipat ist.

3. Eine elektrorheologische Zusammensetzung nach Anspruch 2, in welcher die Flüssigphase zumindest 65 Vol.-Prozent des Dioctyladipats und bis zu 35 Vol.-Prozent des Silikonöls umfaßt.

4. Eine elektrorheologische Zusammensetzung nach Anspruch 1, 2 oder 3, in welcher die chemisch entblätterten Vermikulitteilchen mit einem quaternären Ammoniumsalz behandelt worden sind.

5. Eine elektrorheologische Zusammensetzung nach Anspruch 4, in welcher die Vermikulitteilchen plattenartig sind.

6. Ein Verfahren zur Verbesserung der elektrorheologischen Reaktion einer Zusammensetzung, die eine feste Phase umfaßt, die innerhalb einer Flüssigphase suspendiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt, daß Propylencarbonat auf die feste Phase in einer Menge von 9 Gewichts-Prozent der festen Phase oder größer adsorbiert wird und die Flüssigphase aus einem nichtleitenden oder dielektrischen Fluid gebildet wird, das ein Alkyladipat enthält.

7. Ein Verfahren zur Verbesserung der elektrorheologischen Reaktion einer Zusammensetzung nach Anspruch 6, in welcher das Propylencarbonat auf der festen Phase in einer Menge von 9 bis 16 Gewichts-Prozent der festen Phase adsorbiert wird.

8. Ein Verfahren zur Verbesserung der elektrorheologischen Reaktion einer Zusammensetzung nach Anspruch 6, in welcher die feste Phase chemisch entblätterte Vermikulitteilchen umfaßt und das Verfahren umfaßt, daß auf die Oberfläche der Teilchen 9 % bis 16 % Propylencarbonat adsorbiert werden.

9. Ein Verfahren zur Verbesserung der elektrorheologischen Reaktion einer Zusammensetzung nach Anspruch 8, in welchem die chemisch entblätterten Vermikulitteilchen mit einem quaternären Ammoniumsalz behandelt werden.