EA002591B1

EA002591B1 - Реологическая текучая среда

Info

Publication number: EA002591B1
Application number: EA199900222A
Authority: EA
Inventors: Катсуто Накатсука; Такафуми Атараси
Original assignee: Ниттецу Майнинг Ко., Лтд.; Катсуто Накатсука
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 2002-06-27
Also published as: NO990861D0; NO990861L; CN1234133A; WO1998008235A1; CN1161798C; US6280658B1; KR20000068210A; EP0980080A4; KR100470817B1; AU3867197A; EP0980080A1; AU732595B2; EA199900222A1; CA2264279A1

Abstract

Предложена электрореологическая, магнитореологическая или электромагнитореологическая текучая среда, содержащая среду, в которой диспергирован покрытый пленкой порошок, содержащий базовые магнитные частицы, имеющие на себе слой (слои) покрытия. Диспергированный порошок имеет цвет интерференции света между слоями покрытия, которые отличаются по показателю преломления, причем каждый слой содержит проводящий материал или диэлектрический материал, а диэлектрическая проницаемость слоев отличается от диэлектрической проницаемости базовых частиц. Благодаря такому выполнению текучая среда имеет способность легко активизироваться при приложении к ней электрического и магнитного поля и в случае ее использования в цветной струйной печати она позволяет записать изображение с высокой способностью сохраняться.

Description

Область техники

Изобретение относится к электрореологической текучей среде (ЕВЕ, ЭРТС), магнитореологической текучей среде (МВР, МРТС) и электромагнитореологической текучей среде (ЕМВР, ЭМТРС). Более конкретно, изобретение относится к реологическим текучим средам, которые содержат частицы, способные быстро и обратимо активизироваться путём приложения к ним электрического или магнитного поля, и которые под действием приложенного электрического или магнитного поля могут быстро и обратимо изменять текучесть, вязкость и т.п., и превращаться даже в состояние геля, не проявляющего никакой текучести. Ожидается, что когда порошок, диспергированный в текучей среде, имеет оптические свойства, реологическая текучая среда может находить различные применения. При применении порошка с многослойным покрытием яркого цвета реологические текучие среды могут быть использованы как цветные чернила, особенно для струйных принтеров, жидких цветовых тонеров или среды цветного отображения.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Реологические текучие среды - это функциональные текучие среды, которые обычно находятся в жидком состоянии и являются текучими, но при приложении электрического или магнитного поля, или их совместного применения подвергаются заметному увеличению вязкости и даже переходят в гель, не имеющий текучести.

Можно предположить, что электрореологические текучие среды представляют собой некоторый вид полимерного раствора и суспензий различных частиц. Однако известные текучие среды неудовлетворительно выполняют функции электрореологических текучих сред, поскольку у них при увеличении приложенного напряжения незначительно увеличивается вязкость. Как следствие, исследования выполнялись главным образом на последних текучих средах типа дисперсии частиц. Это связано с тем, что электрореологические текучие среды типа дисперсии частиц характеризуются достаточно удовлетворительным увеличением вязкости при увеличении приложенного напряжения (эффект \νίη51ο\ν) по сравнению с текучими средами типа полимерного раствора.

Диспергируемые материалы, известные как частицы, которые нужно диспергировать в масляной среде для того, чтобы приготовить электрореологические текучие среды, включают различные вещества, например, диоксид кремния, ионообменные смолы, титанат бария, водные фенолоальдегидные смолы и кристаллические цеолиты. Среди таких материалов, состоящих из частиц, неорганические вещества имеют высокий ЭРТС эффект, тогда как полимерные частицы имеют удовлетворительную дисперги руемость. Исходя из этого, было предложено осаждать тонкоизмельчённые частицы неорганического вещества на поверхности полимерных частиц, для образования составной неорганической/органической двухслойной структуры, чтобы таким образом порошок мог использоваться в электрореологических текучих средах (Секкап ТпЬо1оду, р. 24 (Аид. 1994)).

К текучим средам, которые активизируются магнитным полем, относятся магнитные текучие среды. Тонкодисперсные частицы магнитного материала, которые имеют диаметр частиц от 0,006 до 0,015 мкм, используются в магнитных текучих средах при сохранении диспергированных частиц в коллоидном состоянии. Однако концентрация частиц магнитного материала в магнитных текучих средах составляет, приблизительно, максимум 35%, потому что на поверхности сверхтонких частиц образуется слой поверхностно-активного вещества. Кроме того, поскольку эти частицы магнитного материала малы, интенсивность их магнитных свойств (намагниченность) так низка, что составляет 70-80% от интенсивности больших частиц. Следовательно, когда такие сверхтонкие частицы используют для получения реологической текучей среды, сила активизации, проявляемая этой текучей средой, настолько мала, что не возникает необходимая сила активизации или требуется слишком сильное магнитное поле.

С другой стороны, в качестве цветных чернил для струйных принтеров традиционно используется растворитель, окрашенный красителем. Однако, когда в качестве цветных чернил для струйного принтера используются чернила, приготовленные путём окрашивания растворителем, полученные отпечатки имеют тот недостаток, что они не могут долго сохраняться из-за недостаточной светостойкости и влагостойкости.

Следовательно, задача изобретения состоит в том, чтобы устранить эти недостатки и получить реологическую текучую среду, которая сильно и определённо активизируется в ответ на электрическое поле или магнитное поле, или на действие обоих полей, и создать реологическую текучую среду яркого цвета, которая активизируется в ответ на электрическое поле или магнитное поле, или на действие обоих полей.

Другая задача изобретения состоит в том, чтобы получить реологическую текучую среду, активизацию которой в электрическом поле легко осуществить.

Ещё одна задача изобретения состоит в том, чтобы получить такую реологическую текучую среду, которая, в случае ее использования в цветной струйной печати, позволяет записать изображения с высокой способностью сохраняться.

Сущность изобретения

Изобретатель провёл интенсивные исследования. В результате было обнаружено, что вышеупомянутые задачи могут быть решены посредством формирования одного или более слоев покрытия на поверхности базовых частиц, изготовленных из изолирующего материала, диэлектрика или проводящего материала, чтобы получить покрытый плёнкой порошок или порошок с многослойным покрытием, и диспергирования покрытого порошка в среде для получения реологической текучей среды. Изобретение было осуществлено следующим, описанным ниже способом.

Решение поставленной задачи выполняется за счет того, что реологическая текучая среда характеризуется следующими признаками:

(1) Реологическая текучая среда содержит среду, в которой диспергируется покрытый плёнкой порошок, содержащий базовые частицы со слоем (слоями) покрытия.

(2) Реологическая текучая среда по п. 1, в которой порошок является порошком с многослойным покрытием, имеющим слои покрытия, которые отличаются друг от друга показателем преломления.

(3) Реологическая текучая среда по п.1, которая имеет средний диаметр частиц 0,015 - 100 мкм.

(4) Реологическая текучая среда по п. 1, в которой базовые частицы порошка выбираются из проводящего материала, диэлектрического материала, изолирующего материала и магнитного материала.

(5) Реологическая текучая среда по п.2, в которой порошок с многослойным покрытием имеет цвет, присущий интерференции.

(6) Реологическая текучая среда по п. 1, в которой, по меньшей мере, один из слоев покрытия является слоем неорганического металлического соединения.

(7) Реологическая текучая среда по п. 1, в которой, по меньшей мере, один из слоев покрытия является слоем металла или слоем сплава.

(8) Реологическая текучая среда по п. 1, в которой, по меньшей мере, один из слоев покрытия является органическим слоем.

(9) Реологическая текучая среда по п. 1, в которой поверхность порошка снабжена многослойным покрытием, нанесенным предварительно для обеспечения сродства к растворителям.

(10) Реологическая текучая среда по п.1, в которой среда окрашена пигментом.

Порошок с плёночным покрытием (что означает порошок, имеющий, по меньшей мере, один слой) или порошок с многослойным покрытием для использования в настоящем изобретении представляет собой порошок, который изготовляется путём формирования многочисленных плёнок с различными показателями преломления на поверхности базовых частиц, выполненных из изолирующих материалов, диэлектрических материалов или проводящих материалов так, чтобы покрытый порошок имел цвет, обусловленный многолучевой интерференцией от плёнок.

Материал частицы, составляющей сердцевину (базовая частица) может быть любым из изолирующих материалов, диэлектрических материалов или проводящих материалов. В случае изолирующего материала предпочтительно использовать порошковую смолу, особенно в связи с тем, что она менее склонна к образованию осадка благодаря малому удельному весу. В качестве порошковой смолы могут применяться порошки, состоящие из сферических или измельченных частиц акрилового полимера, стиролового полимера, сополимера, винилового полимера и им подобных. Особенно предпочтительной порошковой смолой является акриловая порошковая смола, состоящая из сферических частиц, получаемых посредством полимеризации акрилового или метакрилового сложного эфира.

В качестве диэлектрического материала могут применяться материалы, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость, например, оксиды титана, бария, свинца, лития, хрома, алюминия, кремния и магния, а также соединения оксидов этих металлов, например, титанат бария, титанат свинца и т.п., и далее включают глинозёмы и стёкла.

Предпочтительный пример базовых частиц, выполненных из проводящих материалов, включает металлы, например, железо, никель, хром, титан, алюминий, кобальт и т.п.; металлические сплавы, типа железо-кобальт, железоникель и т.п.; металлические нитриды, типа нитрида железа-никеля-кобальта и т.п.; и карбиды металлов, типа карбида железа, и т.п.

В случае магнитного материала, предпочтительными примерами таких материалов являются металлы, типа железа, никеля, хрома, титана, алюминия, кобальта и т.п.; магнитные металлические сплавы, такие как сплавы железокобальт, железо-никель, и т.п.; нитриды металлов, типа нитрида железа-никеля-кобальта и т.п.; карбиды металлов, типа карбида железа и т.п.; оксиды, типа магнетита, γ-гематита, оксида никеля, и т.п.; и сложные оксиды металлов, типа феррита марганца, феррита кобальта, и т.п., хотя некоторые из них уже были отмечены в качестве вышеупомянутых веществ.

Многочисленные покрывающие слои, сформированные на поверхности базовой частицы, отличаются друг от друга показателем преломления, или показателем преломления и диэлектрической проницаемостью. Эти материалы предпочтительно выбирать из неорганических металлических соединений, металлов, сплавов и органических веществ.

Типичные неорганические металлические соединения, которые могут составлять слои покрытия, включают слои оксидов металлов. В качестве характерных примеров могут быть на5 званы оксиды железа, олова, никеля, хрома, титана, алюминия, кремния, кальция, магния, бария, свинца, стронция и т.п.; и сложные оксиды, типа титаната бария, титаната свинца, титаната стронция и т.п. Примерами металлических соединений, отличающихся от оксидов металлов, являются металлические нитриды, типа нитрида железа, металлических карбидов и т. п.

В качестве элементарных металлов, которые могут составлять слои покрытия, можно назвать металлическое серебро, металлический кобальт, металлический никель, металлическое железо, металлический индий и металлический палладий. В качестве сплавов металлов могут применяться сплавы железа-никеля, железокобальтовые сплавы, сплавы нитридов железо никеля и сплавы нитридов железа-никелякобальта.

Органические вещества, способные образовать слои покрытия, в целом не ограничены. Однако предпочтительными являются смолы. В качестве смол применяют порошки целлюлозы, порошки ацетата целлюлозы, полиамиды, эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, меламиновые смолы, полиуретаны, винил-ацетатные смолы, силиконовые смолы, а также полимеры или сополимеры акриловых сложных эфиров, метакриловых сложных эфиров, стирола, этилена, пропилена и их производных.

В случае оксидов можно назвать оксиды титана, бария, свинца, лития, хрома, алюминия, кремния и магния, а также сложные соединения этих металлов, типа титаната бария, титаната свинца и т. п.

Хотя могут использоваться различные материалы для выполнения слоев покрытия так, как описано выше, подходящая комбинация материалов определяется с учетом получения желательного цвета интерференции с учетом показателя преломления каждого слоя покрытия.

Базовая частица, составляющая сердцевину, может быть любой формы. Хотя покрываться и окрашиваться могут частицы неправильной формы, типа размельчённых частиц и т.п., особенно предпочтительными являются сферические частицы.

Диаметр частиц порошка с многослойным покрытием, предназначенных для использования в данном изобретении, как правило, не ограничивается, и может соответствующим образом регулироваться в зависимости от целей использования текучей среды. Однако диаметр этих частиц обычно составляет от 0,015 до 300 мкм, предпочтительно от 0,02 до 100 мкм.

При наличии нескольких слоев покрытий, каждый отдельный слой покрытия имеет толщину от 0,015 до 30 мкм, предпочтительно от

0,02 до 20 мкм. Когда частица порошка окрашивается так, чтобы произвести многофункциональный порошок, имеющий цвет, отдельные слои покрытия являются предпочтительно такими, у которых толщины определяются таким образом, чтобы эти слои имели интерференционные пики отражения или интерференционные минимумы пропускания на той же самой специфической длине волны. Более предпочтительно, толщина каждого отдельного слоя определяется посредством определения базовой толщины этой плёнки, которая удовлетворяет следующему уравнению (1) η_£ х ά = т х λ/4 (1) в котором η обозначает комплексный показатель преломления; ά -базовую толщину плёнки; т целое (натуральное число); λ - длину волны, на которой возникает интерференционный пик отражения или интерференционный пик пропускания; а η_£ определяется следующим уравнением (2) и_£ = η + 1к (2) в котором η обозначает показатель преломления каждого отдельного слоя; ί обозначает комплексное число; и к обозначает коэффициент экстинкции, и корректируя действительную толщину отдельных слоев покрытия на основе функций, состоящий из сдвига фазы, возникающего на границах раздела плёнок, и сдвига пика, который может быть обусловлен дисперсией (зависимость от длины волны) показателя преломления и формой частиц, так что отдельные слои покрытия имеют интерференционные пики отражения или интерференционные минимумы пропускания на одной специфической длине волны, как описано выше.

Способ формирования многослойной плёнки, составленной из слоев оксида металла, имеющего высокий показатель преломления, которые чередуются со слоями оксида металла, имеющего низкий показатель преломления, подробно объясняется ниже на примере. Сначала порошок диспергируют в спиртовом растворе алкоголята титана, циркония и т. п. Смешанный раствор воды, спирта и катализатора по каплям добавляют в дисперсную систему с размешиванием для гидролиза алкоголята, чтобы таким образом сформировать на поверхности частиц порошка плёнку оксида титана или оксида циркония, как плёнку с высоким показателем преломления.

Затем этот порошок извлекают сепарацией жидкость/твёрдое вещество, сушат и затем подвергают термообработке. Сушка может проводиться любым средством, выбранным из вакуумной сушки с нагревом, вакуумной сушки и естественной сушки. Так же можно использовать устройство, например, устройство распылительной сушки в атмосфере инертного газа, при этом регулируя атмосферу. Термообработка может выполняться путём нагрева порошка при температуре 300 - 600°С на протяжении от 1 мин до 3 ч либо в воздухе, если порошок не поддаётся окислению, либо в атмосфере инертного газа, если порошок поддаётся окислению.

Затем частицы, имеющие образовавшуюся на них плёнку с высоким показателем преломления, диспергируются в спиртовой раствор алкоголята металла с получением оксида, имеющего низкий показатель преломления, например, алкоголят кремния, алкоголят алюминия и т.п. Смешанный раствор воды, спирта и катализатора по каплям добавляют в полученную дисперсную систему с размешиванием для гидролиза алкоголята, чтобы таким образом сформировать на поверхности частиц порошка плёнку оксида кремния или оксида алюминия, как плёнку с низким показателем преломления.

После этого порошок извлекают сепарацией жидкость/твёрдое вещество, сушат вакуумной сушкой и затем подвергают термообработке также, как описано выше. В результате вышеописанной процедуры получают порошок, в котором каждая из частиц порошка имеет на своей поверхности два слоя составленных из плёнки оксида металла с высоким показателем преломления и плёнки оксида металла с низким показателем преломления. Более того, вышеописанная процедура для формирования металлоксидных плёнок повторяется, чтобы таким образом получить порошок, в котором каждая частица имеет на своей поверхности многочисленные металлоксидные плёнки. Поскольку таким образом полученный порошок имеет плёнки оксида металла, имеющего высокий показатель преломления, которые чередуются с плёнками оксида металла, имеющего низкий показатель преломления, как утверждалось выше, то он является порошком, который имеет яркий цвет, благодаря интерференции, или вследствие того, что он имеет пики отражения и впадины пропускания в видимой области длин волн.

Для формирования металлической плёнки на базовых частицах, или на металлоксидной плёнке, можно использовать контактное электроосаждение, напыление или химикомеханическую обработку в краскотерке, помимо способа химического восстановления (нанесение покрытия химическим путём), описанного выше. Однако контактное электроосаждение имеет тот недостаток, что частицы порошка, не находящиеся в контакте с электродом, не получают покрытие, тогда как напыление имеет тот недостаток, что пар металла наносится неравномерно на частицы порошка. Более того, химико-механический способ может вызвать отшелушивание плёнки. А именно, толщина покрытия, сформированного любым из этих способов, варьируется от частицы к частице. В противоположность этому, способ формирования пленки способом химического восстановления являются более предпочтительным потому, что могут формироваться плотные и равномерные пленки, толщину которых легко регулировать. Металлическую плёнку предпочтительно нагревают после формирования плёнки таким же способом, как металл оксидных плёнок.

Порошок с многослойным покрытием для использования согласно изобретению будет подробно описываться далее.

Используемый здесь термин покрытый плёнкой порошок означает порошок, содержащий базовые частицы, имеющие на себе один или более слоев покрытия.

Когда покрытый порошок имеет одну плёнку, частицы порошка, полученные путём покрытия поверхности базовых частиц плёнкой, имеющей отличающуюся проницаемость или проводимость, в основном проявляют в электрическом поле большую поляризацию, чем базовые частицы, не имеющие покрывающей плёнки. Следовательно, когда комбинацию материалов базовых частиц/плёнки, толщину плёнки и т. п. выбирают должным образом, покрытые частицы проявляют усиленные электрореологические свойства. Это происходит потому, что каждая базовая частица покрытого плёнкой порошка функционирует как конденсатор.

Когда базовые частицы изготовлены из магнитного материала, покрытый порошок может применяться не только как электрореологическая текучая среда, которая активизируется в ответ на электрическое поле, но и как магнитореологическая текучая среда. Этот покрытый порошок также применим в качестве магнитоэлектрореологической текучей среды, когда электрическое поле и магнитное поле прикладываются к ней одновременно или поочерёдно. Управляя интенсивностями приложенных электрического поля и магнитного поля, можно точно управлять вязкостью, или текучая среда может сильно активизироваться, посредством чего достигается желаемое эффективное управление.

Есть случаи, где реологические текучие среды используют в окружающих средах, имеющих температуры от 100 до 500°С. Однако, если реологическая текучая среда, предназначенная для использования в таких применениях, изготавливается из простых металлических частиц, то реологическая текучая среда проявляет пониженный реологический эффект из-за того, что металлические частицы окисляются. Этого можно избежать путём использования оксидной плёнки, имеющей подходящую проницаемость; эта оксидная плёнка подавляет окисление и предохраняет реологическую текучую среду от уменьшения её эффекта.

Когда покрывающая плёнка формируется из двух или более различных плёнок, электрореологические свойства усиливаются при правильном выборе комбинации базовых частиц с материалами плёнок, толщинами плёнок и т.п. Особенно в порошке с многослойным покрытием - каждая частица, которая функционирует как конденсатор, как утверждалось выше, может быть конденсатором, имеющим большую ёмкость, если подходящая комбинация материалов базовой частицы/плёнки выбирается так, что, например, используются базовые частицы, изготовленные из проводящего материала, и они покрываются двумя или более плёнками, включающими диэлектрический или изолирующий материал как у первой плёнки. Таким образом, этот порошок с многослойным покрытием производит гораздо более высокий эффект диэлектрической поляризации, чем базовые частицы. В этом случае, когда базовые частицы выполняют из ферромагнитного материала, например, металла или сплава, может быть получена магнитоэлектрореологическая текучая среда, производящая сильный электрореологический эффект и сильный магнитореологический эффект. Когда частицы могут окрашиваться, реологическая текучая среда применима в более широком диапазоне применений.

На фиг. 1 изображен вид в разрезе, схематично иллюстрирующий структуру частицы порошка с многослойным покрытием. Эта частица с покрытием содержит частицу 1, являющуюся сердцевиной, и сформированные на ней покрывающие слои 2 и покрывающие слои 3, отличающиеся от слоев 2 показателем преломления. Частице может быть придана специальная функция посредством регулирования толщин покрывающих плёнок, отличающихся показателем преломления, поочерёдно сформированных на поверхности каждой частицы.

Например, покрывающие плёнки, отличающиеся показателем преломления, поочерёдно формируются на каждой частице порошка так, чтобы удовлетворить следующему уравнению (1). А именно, плёнки, которые изготовлены из вещества, имеющего показатель преломления п, и имеют толщину б, соответствующую т (целое число) кратному значению четверти длины волны видимого диапазона света, формируются с соответствующей толщиной и числом. В результате свет, имеющий определённую длину волны λ (свет, испытывающий френелевское интерференционное отражение), отражается и поглощается.

иб = т х λ/4 (1)

Эта функция применяется следующим образом. Оксидная плёнка, имеющая такие толщину и показатель преломления, которые удовлетворяют уравнению (1) на нужной длине волны видимого света, формируется на поверхности каждой частицы порошка, и эта плёнка покрывается оксидной плёнкой, имеющей отличающийся показатель преломления. Эта процедура проводится один раз, или повторяется один или более раз, чтобы таким образом сформировать плёнки, которые имеют характеристическую ширину полосы длин волн отражения или поглощения в видимом диапазоне света. В вышеупомянутой процедуре последовательность осаждения материала для образования плёнки определяется следующим образом. Когда частицы порошка, являющиеся сердцевинами, имеют высокий показатель преломления, плёнка, имеющая низкий показатель преломления, предпочтительно, формируется как первый слой. В противном случае, в качестве первого слоя предпочтительно формируется плёнка, имеющая высокий показатель преломления.

Толщина плёнки управляется на основе измерения, в котором изменение оптической толщины плёнки, которая является произведением показателя преломления плёнки и толщины плёнки, определяется как длина волны отражения с помощью спектрофотометра или чегото подобного. Толщина каждого слоя рассчитывается так, чтобы длина волны отражения соответствовала требуемой окончательно длине волны. Например, когда отдельные покрывающие плёнки, составляющие многослойную плёнку, имеют длины волн пиков отражения в различных позициях, порошок - белый. С другой стороны, когда отдельные покрывающие плёнки регулируются так, что длины волн их пиков отражения находятся точно в одинаковой позиции, то монохроматически окрашенный порошок, например, синий, зелёный или жёлтый порошок, может быть получен без использования красителя или пигмента.

Однако в случае реального порошка следует делать расчёт, учитывая диаметр и форму частиц порошка; фазовый сдвиг, возникающий на границах раздела между материалами плёнок и материалом базовых частиц; сдвиг пика, присущий зависимости показателя преломления от длин волн; и т. п. Например, когда базовые частицы имеют форму плоскопараллельной пластины, интерференция Френеля, вызванная параллельными плёнками, сформированными на плоской поверхности частицы, рассчитывается при условиях, включающих вышеприведённое уравнение (1), в котором п заменили на и_£, задаваемый следующим уравнением (2), даже несмотря на то, что форма частицы является формой плоскопараллельной пластины. В случае прозрачных оксидов (диэлектрики), коэффициент экстинкции к - является пренебрежимо малой величиной и_£ = η + 1к (2) в котором ί обозначает комплексное число. Когда коэффициент экстинкции к является большим, возникает увеличенный сдвиг фаз на границе раздела между материалом плёнки и материалом базовой частицы, и этот сдвиг фаз влияет на оптимальные интерференционные толщины всех слоев многослойной плёнки.

Из вышесказанного, простая регулировка геометрических толщин плёнок приводит к различным положениям пиков, и, следовательно, к более бледному цвету, особенно в монохроматическом окрашивании. Чтобы это преодолеть, выполняют предварительный расчёт посредством компьютерного моделирования, так чтобы прийти к оптимальной комбинации толщин плёнок, при этом учитывая влияние фазового сдвига на все плёнки.

Также имеет место фазовый сдвиг, вызванный оксидным слоем, присутствующим на металлической поверхности, и фазовый сдвиг, присущий зависимости показателя преломления от длин волн. Чтобы их скорректировать, необходимо использовать спектрофотометр или чтото подобное для того, чтобы найти оптимальные условия, при которых пики отражения или впадины поглощения возникают на нужных длинах волн в окончательном намеченном числе плёнок.

В плёнке, сформированной на искривлённой поверхности, например, у сферической частицы, интерференция возникает подобно тому, как в плоских пластинах и в основном по закону интерференции Френеля. Следовательно, способ окрашивания может быть разработан так, чтобы получался белый порошок и монохроматический порошок. Однако в случае искривлённой поверхности, свет который падает на порошок, отражаясь, вызывает сложную интерференцию. Результирующие интерференционные картины почти такие же как у плоских пластин, когда число плёнок мало. Однако, когда суммарное количество плёнок увеличивается, интерференция в многослойной плёнке становится более сложной. Также в случае многослойной плёнки, кривая спектра отражения может быть рассчитана предварительно на основе интерференции Френеля посредством компьютерного моделирования так, чтобы прийти к оптимальной комбинации толщин плёнок.

В частности, когда покрывающие плёнки формируются на поверхности частиц порошка, влияние фазового сдвига на поверхность частиц порошка и на все пленки учитывается при предварительном расчете посредством компьютерного моделирования с целью получения оптимальной комбинации толщин плёнок.

Кроме того, также учитываются сдвиг пика, вызванный оксидным слоем, присутствующим на поверхности частиц порошка и сдвиг пика, присущий зависимости показателя преломления от длин волн. При реальном изготовлении образца производится сравнение с рассчитанными спектральными кривыми и коррекция их в реальных плёнках, для чего следует использовать спектрофотометр или что-то подобное, изменяя при этом толщины плёнок так, чтобы найти оптимальные условия, при которых пики отражения и впадины поглощения возникают на заданных длинах волн в окончательном заданном количестве плёнок. Также, когда окрашивается порошок, имеющий неправильные формы частиц, благодаря многослойной плёнке возникает интерференция. Исходное проектирование плёнки, следовательно, выполняется с помощью сопоставления с условиями интерференции многослойной плёнки в случае сферических частиц.

Положение пика для каждой из отдельных плёнок, составляющих многослойную плёнку, может регулироваться путём изменения толщины слоя, и толщина плёнки может регулироваться изменением состава раствора, времени реакции и числа раз прибавления исходного материала. Таким образом, порошок можно окрашивать в желаемый оттенок.

Как обсуждалось выше, белый и монохроматический порошки могут быть получены путём подбора оптимальных условий, при которых пики отражения и впадины поглощения возникают на заданных длинах волн в окончательном заданном количестве плёнок, при этом изменяют условия формирования плёнки, например, растворы для образования плёнок. Кроме того, посредством управления комбинацией материалов для формирования многослойной плёнки и толщинами отдельных покрывающих плёнок, можно регулировать проявление цветов интерференцией в многослойной плёнке. Таким образом, порошок можно окрашивать в желаемый яркий оттенок без использования красителя или пигмента.

Используемая среда является желательно водой или неводным растворителем в случае магнитореологической текучей среды, и является желательно неводным растворителем в случае электрореологической текучей среды и магнитоэлектрореологической текучей среды.

Для таких применений, как увлажнители или гидроусилители, можно использовать любой неводный растворитель до тех пор, пока он имеет относительно высокую точку кипения. Наоборот, для таких применений, как струйные чернила и жидкие тонеры, желательно использовать подходящую среду, которая безвредна для человеческого тела и имеет низкую точку кипения.

Обычно используемая среда включает углеводороды, такие как алкилнафталины, керосин, жидкий парафин, додекан и т.п.; спирты, такие как бутиловый спирт, высшие спирты (например, лауриловый спирт), многоатомные спирты (например, этиленгликоль), пропиленгликоль и т.п.; кетоны, такие как ацетоновое масло и т.п.; эфиры, такие как простой эфир, галогенфениловые эфиры и т. п.; хлорированные парафины; алкилбромиды; ароматические карбоновые кислоты; сложные эфиры, такие как диэтиленнафталин, этилацетат и т.п.; углеводороды, такие как декан, додекан и т.п.; смешанные масла, такие как горюче-смазочные масла, трансформаторные масла и т.п.; фторсодержащие масла; силиконовые масла, такие как модифицированное силиконовое масло, включающее аминированные и карбоксилированные масла и т. п.; олигомеры для полимеров; и жидкие кристаллы, такие как нематические жидкие кристаллы и т. п.

Предпочтительно в эту среду заранее вводится поверхностно-активное вещество, чтобы способствовать диспергированию в среду частиц с многослойным покрытием. Для этих целей используются различные поверхностноактивные вещества. В качестве примеров можно назвать анионные поверхностно-активные вещества (например, ненасыщенные жирные кислоты, такие как олеиновая кислота, линолевая кислота, линоленовая кислота, и т. п. и соли щелочных металлов этих ненасыщенных жирных кислот; карбоновые кислоты, такие как алкилэфировые уксусные кислоты и т.п. и соли этих кислот; сульфокислоты и их соли; серно-кислые соли и сернисто-эфирные соли; фосфорные эфиры и их соли; соединения бора; полимеры, полученные посредством полимеризации; и полимеры, полученные посредством поликонденсации); катионные поверхностно-активные вещества (например, алифатические амины и их аммониевые соли; ароматические амины и их аммониевые соли; гетероциклические амины и их аммониевые соли; типа полиалкиленового полиамина и полимерного типа); неионовые поверхностно-активные вещества (например, типа простых эфиров; типа сложный эфирпростой эфир; типа сложных эфиров; полисахариды, такие как декстрины и т.п.; полимеры, такие как гидроксиалкиловые целлюлозы, другие производные целлюлозы и т.п.; модифицированные силиконовые масла, такие как карбоксилированные силиконовые масла и аминированные силиконовые масла и т.п.; и азотосодержащие соединения); амфотерные поверхностноактивные вещества (например, типа бетаина и типа органических аминокислот); и реактивные поверхностно-активные вещества (например, силановые связующие вещества и титановые связующие вещества (аппреты)). Добавка такого поверхностно-активного вещества определяется соответственно.

Некоторые из карбоксилированных силиконовых масел и аминированных силиконовых масел действуют как поверхностно-активные вещества, а другие непосредственно реагируют с веществами, находящимися на поверхности порошка для диспергирования частиц. Добавочное количество порошка и количество такого модифицированного силиконового масла определяется подходящим образом в соответствии с олеофильностью и поверхностной площадью частиц.

Эти среды могут быть окрашены красящим веществом, например, красителем и т.п. Например, посредством диспергирования белого порошка с многослойным покрытием в среду, содержащую растворённый в ней краситель, можно получить цветные чернила для струйных принтеров, которые имеют яркий цвет и активизируется в ответ на электрическое поле.

Более того, когда текучая среда, содержащая белый раствор, включающий диспергированный в нём цветной порошок, помещается в герметичный, разделённый перегородками контейнер, и частицы порошка в каждой ячейке контейнера двигаются под действием электрического поля так, чтобы приходить в контакт с поверхностью отображения, тогда текучая среда может также использоваться в качестве среды цветного отображения.

В настоящем изобретении, поверхность порошка с многослойным покрытием, который должен диспергироваться в среду, желательно заранее обрабатывать так, чтобы он имел сродство к растворителям. Например, порошок с многослойным покрытием диспергируется с нагреванием и размешиванием в растворитель (например, керосин), содержащий жирные кислоты (например, олеат натрия), посредством чего может быть выполнена эффективная обработка поверхности с целью придания сродства к растворителям. В результате, порошок с многослойным покрытием может быть равномерно диспергирован в среду.

Существует комбинация между частицами, диспергаторами и растворами, оптимальная с точки зрения диспергируемости и текучести. Необходимо определить оптимальную комбинацию на основе химических предположений и экспериментов.

На фиг. 2 изображено состояние лёгкой диспергируемости в растворителе частицы порошка с многослойным покрытием, которая предварительно была обработана согласно изобретению поверхностно-активным веществом так, чтобы иметь сродство к растворителям. В этом случае, полярные группы поверхностноактивного вещества расположены на поверхности частицы с многослойным покрытием, с олеофильными частями поверхностно-активного вещества, расположенными снаружи. Следовательно, порошок с многослойным покрытием удовлетворительно диспергируется в органическом растворителе, который обычно бывает олеофильным.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен вид в разрезе, схематично иллюстрирующий структуру частицы порошка с многослойным покрытием для использования в электро-, магнито- или магнитоэлектрореологической текучей среде согласно изобретению; ссылочная позиция 1 относится к базовой частице порошка; позицией 2 обозначен покрывающий слой; и позицией 3 обозначен покрывающий слой, отличающийся от покрывающего слоя 2 показателем преломления.

На фиг. 2 изображено состояние легкой диспергируемости в растворителе частицы порошка с многослойным покрытием, которая предварительно была обработана поверхностноактивным веществом так, чтобы иметь сродство к растворителям; позицией 4 обозначается молекула поверхностно-активного вещества; и позицией 5 обозначена среда.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения

Ниже изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его выполнения со ссылками на примеры. Однако изобретение не ограничивается только этими примерами.

Пример 1.

В 130 г серебряного раствора, приготовленного заранее, диспергировали 50 г частиц полиэтилена (средний диаметр частиц 10 мкм). В него добавили 130 г восстановительного раствора для формирования серебряной плёнки. Таким образом получили порошок Л! полиэтилена с серебряным покрытием.

Серебряный раствор и результирующий раствор были приготовлены следующим образом. При приготовлении серебряного раствора, 35 г нитрата серебра растворили в 600 г деионизованной воды. К ним добавили 45 г аммиака, и вслед за ним - спиртовой раствор, состоящий из 25 г гидроксида натрия и 600 г воды. Аммиак ещё добавляли в полученнную смесь до тех пор, пока выпавший в осадок оксид серебра не изменялся до комплексных ионов, чтобы сделать смесь прозрачной. Таким образом приготовили серебряный раствор. Используемый восстановительный раствор был приготовлен посредством растворения 45 г глюкозы в 1 л деионизованной воды, добавления туда 4 г винной кислоты и её растворения, кипячения полученного раствора в течение 5 мин, охлаждения раствора до комнатной температуры, добавления туда 100 мл этанола, и выдерживания полученной смеси в течение 1 недели.

К 500 мл деионизованной воды добавили 50 г порошка А! полиэтилена с серебряным покрытием и 100 г стиролового мономера. Во время выдерживания смеси при 55 °С с размешиванием, в неё добавили 3 г лаурилового сульфата натрия с целью эмульгирования мономера. Туда добавили персульфат аммония для возбуждения реакции полимеризации. Реакционную смесь непрерывно размешивали в течение 5 ч и затем фильтровали для выделения твёрдого вещества. Таким образом получили порошок А₂ полиэтилена с покрытием серебро-полистирол.

К 50 г порошка А₂ полиэтилена с покрытием серебро-полистирол добавили 130 г серебряного раствора, чтобы диспергировать порошок. К этой дисперсной системе добавили 130 г восстановительного раствора для формирования серебряной плёнки. Таким образом получили белый порошок А3 полиэтилена с покрытием полистирол-серебро с коэффициентом отражения 70%.

В табл. 1 показан показатель преломления базовых частиц и каждой плёнки, и толщину каждой плёнки в порошке А₃, полученном как описано выше.

Таблица 1. Показатель преломления каждой плёнки и толщина плёнки

Показатель преломления

Толщина плёнки (нм)

Базовые частицы полиэтилена	1,51
Первый слой, серебряная плёнка	0,05 + 2,871	24
Второй слой, полистироловая плёнка	1,59	94
Третий слой, серебряная пленка	0,05 + 2,871	25

Этот порошок А₃ смешали с 500 мл керосина, содержащего 35 г олеата натрия. Эту смесь размешивали 3 ч, при этом диспергируя порошок при температуре 90°С, после чего охлаждали до комнатной температуры и затем фильтровали для выделения твёрдого вещества. Это твёрдое вещество диспергировали в 50 мл циклогексана, содержащего 7 г красного масла (011 Вед) в качестве красного красителя. Полученную текучую среду размешали для смешивания ингредиентов и затем нанесли на белую бумагу в количестве 0,05 мл/см². В результате бумага окрасилась в ярко-красный цвет.

Пример 2.

Первый слой: покрытие диоксида кремния.

В 100 мл этанола диспергировали 10 г порошка карбонильного железа (средний диметр частиц 1,8 мкм), изготовленного компанией ВА8Р. Контейнер нагревали с помощью масляной ванны для поддержания температуры текучий среды при 55°С. Туда добавили 6,5 г этоксида кремния и 6,5 г аммиачной воды (концентрация, 29%). Эта смесь подвергалась реакции в течение 4 ч с размешиванием так, чтобы образовалась плёнка, имеющая толщину 96 нм после сушки и нагревания. После реакции реакционную смесь разбавили и промыли этанолом, и профильтровали. Твёрдое вещество сушили в вакуумной сушилке при 110°С в течение 3 ч. После сушки полученный порошок нагревали в карусельной трубчатой печи при 650°С в течение 30 мин для получения порошка В₁ с покрытием диоксида кремния. Полученный порошок В1 с покрытием диоксида кремния был в превосходном дисперсном состоянии.

Пример 3. Изготовление порошка с многослойным покрытием.

Первый слой: покрытие диоксида кремния.

В 100 мл этанола диспергировали 10 г порошка карбонильного железа (средний диметр частиц 1,8 мкм), изготовленного компанией ВА8Р. Контейнер нагревали с помощью масляной ванны для поддержания температуры текучий среды при 55°С. Туда добавили 6,5 г этоксида кремния и 6,5 г аммиачной воды (концентрация, 29%). Эта смесь подвергалась реакции в течение 4 ч с размешиванием так, чтобы образовалась плёнка, имеющая толщину 96 нм после сушки и нагревания. После реакции реакционную смесь разбавили и промыли этанолом, и профильтровали. Твёрдое вещество сушили в вакуумной сушилке при 110°С в течение 3 ч. После сушки полученный порошок нагревали в карусельной трубчатой печи при 650°С в течение 30 мин для получения порошка С1 с покры17 тием диоксида кремния. Полученный порошок С1 с покрытием диоксида кремния был в превосходном дисперсном состоянии.

Второй слой: покрытие диоксида титана.

После нагрева 10 г полученного порошка С1 с покрытием диоксида кремния повторно диспергировали в 200 мл этанола. Контейнер нагревали с помощью масляной ванны для поддержания температуры текучей среды при 55°С. Туда добавили 7,3 г этоксида титана. Смесь размешали. Раствор, приготовленный смешиванием 30 мл этанола с 7,3 г воды добавляли по каплям в вышеупомянутую смесь в течение 60 мин, и результирующая смесь подвергалась реакции в течение 4 ч так, чтобы образовалась плёнка, имеющая толщину 72 нм после сушки и нагревания. После реакции реакционную смесь разбавили и промыли этанолом, и профильтровали. Твёрдое вещество сушили в вакуумной сушилке при 110°С в течение 3 ч. После сушки полученный порошок нагревали в карусельной трубчатой печи при 650°С в течение 30 мин для получения порошка С₂ с покрытием диоксид кремния/диоксид титана. Полученный порошок С₂ с покрытием диоксид кремния/диоксид титана имел удовлетворительную диспергируемость и состоял из независимых частиц. Этот порошок С² с покрытием диоксид кремния/диоксид титана был ярко зелёного цвета. Полученный зелёный порошок состоял из сферических частиц и имел намагниченность 170 электромагнитных единиц на грамм в магнитном поле 10 КЭ (килоэрстед).

Для каждой покрывающей плёнки вышеупомянутого порошка с покрытием параметры: длина волны пика спектра отражения, коэффициент отражения на длине волны пика, показатель преломления и толщина покрывающей плёнки измерялись следующими способами.

(1) Спектральная кривая отражения была получена способом, в котором спектрофотометр, имеющий интегрирующую сферу и изготовленный фирмой Νίρροη Випко, использовался для исследования света, отражённого образцом порошка, упакованным в стеклянную кювету. Исследование проводилось по стандарту Л8 Ζ8723 (1998).

(2) Показатель преломления и толщина плёнки определялись и оценивались посредством исследования образцов, изготовленных при разных условиях и имеющих большие толщины плёнок, с целью получения спектральных кривых отражения и сравнения результатов исследования, для аппроксимации, с кривыми, полученными посредством вспомогательных расчётов, основанных на уравнении интерференции.

В табл. 2 показан показатель преломления и толщина плёнки каждого из первого и второго слоев, длина волны пика спектральной кривой отражения порошка с покрытием, и коэффициент отражения на длине волны пика.

Таблица 2. Показатель преломления, толщина плёнки, длина волны пика и коэффициент отражения(%) каждой плёнки

Покрывающий слой	Показатель преломления	Толщина пленки (нм)	Длина волны пика (нм)	Коэффициент отражения (%)
Первый слой, пленка диоксида кремния	1,5	96	-	-
Второй слой, пленка диоксида титана	2,1	72	555	41

Пример 4. Исследование стойкости к окислению.

Порошок, покрытый слоем диоксида кремния отдельно, и порошок, покрытый слоем диоксида кремния и слоем диоксида титана, т. е. те порошки, которые были получены в примерах 2 и 3, соответственно, были проанализированы с помощью дифференциального термического анализатора с целью исследования их стойкости к окислению.

Температура начала окисления каждого порошка показана в табл. 3. Результаты показывают, что порошки, имеющие покрытие оставались стабильными вплоть до 400°С, тогда как простой железный порошок начал окисляться при температуре ниже 150°С. Следовательно, можно ожидать, что поскольку температуры начала окисления покрытых порошков выше точек кипения всех сред, применимых в реологических текучих средах, эти порошки не испытывают ухудшение окислением, особенно ухудшение магнитных свойств окислением металлического железа, даже когда они используются в качестве реологических текучих сред.

Таблица 3. Температуры начала окисления базового железного порошка и покрытых плёнкой порошков

	Температура начала окисления °С
Базовый порошок железа	143
Покрытие - слой диоксида кремния	421
Покрытие - слой диоксида кремния и слой диоксида титана	587

Пример 5. Измерение относительной диэлектрической проницаемости.

Пространство между двумя электродными пластинами, расположенными на вершине и на дне полого цилиндра, изготовленного из акриловой пластины, было заполнено порошком, покрытым только слоем диоксида кремния, и порошком, покрытым слоем диоксида кремния и слоем диоксида титана, т.е. теми порошками, которые были получены в примерах 2 и 3, соответственно. Относительная диэлектрическая проницаемость каждого порошка измерялась в каждом из случаев, в котором пространство между частицами порошка заполнялось воздухом и, в котором это пространство заполнялось этиленгликолем (относительная проницаемость 40). В результате, наблюдаемая относительная диэлектрическая проницаемость увеличилась в десять раз.

Этот эффект, присущий взаимодействию между частицами металлического железа, действующими как проводник, плёнкой(-ами) и этиленгликолем, действующими как диэлектрик. Предполагается, что в этиленгликоле покрытые порошки испытывают увеличенную диэлектрическую поляризацию и проявляют увеличенную силу активизации в таком же электростатическом поле.

Таблица 4. Относительные диэлектрические проницаемости каждого покрытого порошка в воздухе и в этиленгликоле

	Относительная диэлектрическая проницаемость (в воздухе)	Относительная диэлектрическая проницаемость (в этиленгликоле)
Покрытие - слой диоксида кремния	6,6	73
Покрытие - слой диоксида кремния и слой диоксида титана	7,4	75

Пример 6. Приготовление реологической текучей среды.

г этанола смешали с 35 г порошка, покрытого плёнкой диоксида кремния и плёнкой диоксида титана, полученного в примере 3. К ним добавили, с размешиванием, 1,7% этаноловый раствор гидроксипропиловой целлюлозы. К результирующему раствору добавили 50 г этиленгликоля. Эту смесь нагревали при 80°С до тех пор, пока не испарится весь этанол, посредством чего проводилось замещение растворителя этиленгликолем.

Полученная текучая среда представляла собой реологическую текучую среду, в которой частицы находились в полностью диспергированном состоянии. Реологическая текучая среда имела концентрацию твёрдого вещества 36% и вязкость 120 сст (сантистокс) при 25°С. Намагниченность этой текучей среды, измеренная с помощью техники У8М, составляла 59,5 электромагнитных единиц на грамм. Исходя из того факта, что обычно магнитные поля, имеющие одинаковую концентрацию, имеют намагниченности, приблизительно, 25 - 30 электромагнитных единиц на грамм, оказалось, что реологическая текучая среда проявляет очень мощную силу активизации в ответ на магнитное поле.

Пример 7. Применение для герметизации вала.

Роторный вал двигателя, который имел жёстко прикреплённую к нему внутреннюю трубку, имеющую внешний диаметр 10 см и длину 1 м, снабдили на его конце магнитом 1, имеющим ширину 1 см и толщину 0,7 см, и имеющим с внутренней стороны полюс N (север), таким образом, чтобы магнит 1 был в контакте с внешней трубкой, имеющей внутренний диаметр 10,5 см, ширину 5 см и толщину 1 мм. Полоска мягкого железа, имеющая ширину 0,5 см и толщину 0,7 мм была дополнительно расположена так, чтобы она была в контакте с маг нитом 1. Кроме того, вал снабдили магнитом, который имел ширину 1 см и толщину 0,7 мм и имел с внутренней стороны полюс 8 (юг), т.е. который имел расположение полюса, противоположное магниту 1 и имел такие же размеры, как магнит 1.

Пространство между внутренней и внешней трубками предварительно заполнили 130 мл такой текучей среды, приготовленной как в примере 6. Центр вращения внешней трубки подобным образом жёстко прикрепили к баллону высокого давления.

К внутренней и к внешней трубкам одновременно приложили постоянное напряжение (100 В).

После этого баллон откачали с помощью вакуумного насоса. Однако текучая среда не вытекла.

Двигатель проработал со скоростью 60 оборотов в минуту. Однако вакуум сохранился.

Более того, баллон высокого давления неоднократно сдвигали в противоположных направлениях перпендикулярно к роторному валу более чем на 1,5 см. Однако вакуум сохранился.

Промышленная применимость

Как описано выше, согласно данному изобретению может быть получена текучая среда, которая активизируется при приложении электрического поля или магнитного поля, или их обоих. Когда текучая среда используется в увлажнителе или в гидроусилителе или в чём-то подобном, работа устройства, оборудованного увлажнителем или гидроусилителем или чем-то подобным, может точно управляться соответствующим регулированием интенсивности и направления электрического поля и магнитного поля, приложенного снаружи к текучей среде. Когда электрическое поле и магнитное поле одновременно прикладываются в одном направлении, получается более мощная сила активизации.

Кроме того, может быть обеспечена смесь окрашенных текучих сред, пригодная в качестве цветных чернил для струйных принтеров, среды цветного отображения и т.п. Поскольку сами частицы, находящиеся в поле, имеют невыгорающий цвет, создаваемый интерференционной многослойной плёнкой, смесь окрашенных текучих сред является эффективной, например, для документов, которые требуется долго хранить. Более того, когда покрытый плёнкой порошок и окрашенный, например, белым металлом, диспергируется в растворитель, содержащий растворённый в нём краситель, могут быть получены чернила яркого цвета, которые активизируются в ответ на электрическое поле.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрореологическая, магнитореологическая или электромагнитореологическая текучая среда, содержащая среду, в которой диспер21 гирован покрытый пленкой порошок, содержащий базовые магнитные частицы, имеющие на себе слой (слои) покрытия, причем диспергированный порошок имеет цвет интерференции света между слоями покрытия, которые отличаются по показателю преломления, и каждый слой содержит проводящий материал или диэлектрический материал, причем диэлектрическая проницаемость слоев отличается от диэлектрической проницаемости базовых частиц.
2. Текучая среда по п.1, которая имеет частицы со средним диаметром 0,015-100 мкм.
3. Текучая среда по п.1, в которой базовые частицы порошка выбраны из магнитного и проводящего материала.
4. Текучая среда по п.1, дополнительно содержащая среду, в которой порошок с многослойным покрытием имеет цвет, присущий интерференции света между слоями покрытия.
5. Текучая среда по п.1, в которой, по меньшей мере, один из слоев покрытия является слоем неорганического металлического соединения.
6. Текучая среда по п.1, в которой, по меньшей мере, один из слоев покрытия является слоем металла или слоем сплава.
7. Текучая среда по п.1, в которой, по меньшей мере, один из слоев покрытия является органическим слоем.
8. Текучая среда по п.1, в которой на поверхность порошка с многослойным покрытием предварительно нанесено покрытие для того, чтобы он имел сродство к растворителям.
9. Текучая среда по п.1, в которой среда окрашена пигментом.