JP2003533039A - 磁気流動学的流体及びその製造方法 - Google Patents

磁気流動学的流体及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は水/オイルエマルジョン(water in oil emulsion)に親水性の界面活性剤がコーティングされた磁性粒子(magnetic particle)が分散された磁気流動学的流体(magnetorheological fluid)及びその製造方法を提供する。本発明の磁気流動学的流体は乳化剤が溶解されたオイルに水を添加し撹拌して、移動相である水/オイルエマルジョンを収得し、前記水/オイルエマルジョンの表面に親水性の界面活性剤がコーティングされた磁性粒子を分散させ製造する。本発明の磁気流動学的流体は磁性粒子の表面の界面活性剤と水分子間の相互作用を通して安定性が向上されて磁気流動学的流体を用いた各種の装備の開発に幅広く活用されうる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気流動学的流体(magnetorheological fluid)及びその製造方法に係
り、さらに具体的には水/オイルエマルジョン(water in oil emulsion)に磁性粒
子(magnetic particle)が分散された磁気流動学的流体及びその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
磁気流動学的流体は、磁場の変化に対応して可逆的に粘度の調節が可能な物質
であって、ビンガム磁気流体(Bingham magnetic fluid)とも呼ばれる知能物質(i
ntelligent material)の一つである。磁気流動学的流体は、直径が０．１μｍよ
り大きい強磁性、常磁性粒子とオイル/水エマルジョンの移動相(mobile phase)
よりなっており、外部の磁場が加われば粒子の内部と表面に分極現象(polarizat
ion)により粒子が配列し繊維構造(fibril structure)を形成するが、この繊維構
造が粘度向上と流体の流れを妨害する役割をする。この際の降伏応力(yield str
ess)は磁場の強さにより増加し、加わった剪断応力(shear stress)が流体の降伏
応力より大きければ流体が流れる。磁場に対する磁気流動学的流体の応答速度は
１０-3秒ほどに極めて早くて可逆的なので、クラッチ、エンジンマウント、振動
制御装置、高層ビルの耐震装置、ロボティックシステム(robotic system)などに
応用されうる。
【０００３】 磁気流動学的流体はコロイド磁性流体(colloidal magnetic fluid)またはフェ
ロ流体(ferro fluid)とは区別される。磁気流動学的流体が一般的に数〜数十μ
ｍぐらいである一方、コロイド磁性流体(フェロ流体)は磁性粒子のサイズが普通
５〜１０nmほどと知られており、磁場が加えられた時降伏応力を示さない。主な
応用分野はシーリング(sealing)及び磁気共鳴システム(magnetic resonance sys
tem)などに限定される。
【０００４】 乗用車、トラックなどのダンパー(damper)、ブレーキ(brake)に磁気流動学的
流体を効率よく利用するためには、高い降伏応力(yield stress)を有する磁気流
動学的流体の製造が必須であり、このために磁性粒子の体積分率を高めたりある
いは強い磁場を付加する方法が使用されうるが、これらの方法は磁性粒子の体積
分率を高める場合には装備の荷重及び駆動電力消耗が増え、強い磁場を付加する
場合には磁場がないときの粘度を増やす短所を抱えているので望ましくない。
【０００５】 これに、前述した短所を解決して磁気流動学的流体を開発して、これを効率よ
く適用するための工夫がなされつつある。米国特許第２、６６７、２３７号明細
書には液体、冷却剤、酸化防止気体、半固体状のグリース(grease)移動相に常磁
性または強磁性の粒子が分散されている磁気流動学的流体が開示されている。米
国特許第２、５７５、３６０号明細書ではクラッチとブレーキで使用されうるト
ルク変換装置を開示しており、この装備に使用されうる磁気流動学的流体の組成
として磁性粒子(カルボニル鉄：carbonyl iron)が光潤滑油(light lubricant oi
l)に５０％の体積分率で分散されている流体を開示している。米国特許第２、８
８６、１５１号明細書では電場または磁場に反応する流体薄膜を使用した動力伝
達装置を開示しており、磁場に反応する流体としては酸化鉄粒子と粘度が２〜２
０ｃｐである潤滑等級油(lubricant grade oil)混合物を使用することが開示さ
れている。米国特許第２、６７０、７４９号明細書と米国特許第３、０１０、４
７１号明細書には磁性粒子が光重量炭化水素油(light weight hydrocarbon oil)
に分散されているフェロ(ferro)、フェライト(ferrite)及び常磁性(diamagnetic
)粒子などを含む磁気流動学的流体の流れを調節するバルブの構造が開示されて
いる。
【０００６】 磁気流動学的流体は重力による沈澱により、磁気流動学的挙動(magnetorheolo
gical activity)に大きな影響を受ける。このような沈澱の主な原因中の一つが
磁性粒子(７．８６ｇ/ｃｍ3)と移動相(silicon oil=０．９５ｇ/ｃｍ3)との密度
差に起因した磁気流動学的流体の安定性の低下である。これを克服するための努
力がなされつつあっているところ、例えば、米国特許第５、０４３、０７０号明
細書では２種層の界面活性剤を磁性粒子にコーティングした磁性粒子を使用して
磁気流動学的流体の安定化を図ったが、効果は満足すべきところまでは至らず、
米国特許第５、６４５、７５２号明細書では磁気流動学的流体に チクソトロピ
ック(thixotropic)添加剤を混合し、水素結合を形成するためのチクソトロピッ
ク架橋(network)を誘導することにより磁性粒子の沈澱を最少化しようと図った
が、やはり目立つ安定性の増加を示せなかった。
【０００７】 従って、安定性が向上された磁気流動学的流体の開発の必要性が絶え間なく台
頭された。
【０００８】 これに、本発明者らは安定性が向上された磁気流動学的流体を開発するために
鋭意工夫したところ、沈澱に対する安定性に優れた磁気流動学的流体を水/オイ
ルエマルジョン(water in oil emulsion)の移動相として利用し表面に水と親和
性(hydrophilic)のある界面活性剤がコーティングされた磁性粒子を用いて製造
可能であることを確認し、本発明を完成するに至った。
【０００９】 つまり、本発明の主な目的は、水と親和性のある界面活性剤がコーティングさ
れた磁性粒子を含む磁気流動学的流体を提供するところにある。
【００１０】 本発明の他の目的は、前記磁気流動学的流体の製造方法を提供するところにあ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気流動学的流体の製造方法は、乳化剤が溶解されたオイルに水を添
加し撹拌して移動相である水/オイルエマルジョンを得る工程；磁性粒子と親水
性の界面活性剤を混合し、２０ないし８０℃の真空オーブンで１０ないし３０分
間反応させ洗浄及び乾燥して、表面に親水性の界面活性剤が吸着された磁性粒子
を得る工程；及び、前記磁性粒子を５ないし５０％の体積分率で移動相に分散さ
せる工程を含む。
【００１２】 以下、本発明の磁気流動学的流体の製造方法をさらに詳しく説明する。 〔第１工程〕移動相の収得 乳化剤が溶解されたオイルに蒸溜水を添加し撹拌して移動相である水/オイル
エマルジョンを得た:この際、乳化剤としてはスパン(Span)系の界面活性剤を使
用することが望ましく、乳化剤は移動相質量の２ないし１０％でオイルに溶解さ
れることが望ましい。オイルはミネラルオイル、シリコンオイル、キャスターオ
イル、パラフィンオイル、真空オイル、コーンオイルまたは炭化水素オイルを含
む。また、水は移動相体積の１ないし５０％の体積分率で添加することが望まし
く、撹拌は８００ないし２０００ｒｐｍに、１０ないし２４時間行うことが望ま
しい。得た移動相には水のエマルジョン液滴が移動相に０．１ないし１００μｍ
サイズに存する。 〔第２工程〕磁性粒子の収得 親水性の界面活性剤がコーティングされた磁性粒子を磁性粒子と親水性の界面
活性剤を混合し、２０ないし８０℃の真空オーブンで１０ないし３０分間反応さ
せ洗浄及び乾燥して得られる:この際、磁性粒子は鉄、カルボニル鉄、鉄合金体
、酸化鉄、窒化鉄、カーバイド鉄、低炭素鋼、ニッケル、コバルト、これらの混
合物または合金を使用する。界面活性剤は水分と親和性のある非イオン性界面活
性剤を使用することが望ましく、さらに望ましくは非イオン性のツイン系界面活
性剤、ポリエチレンオキシド、ポリアルコール、グルコース、ソルビトール、ア
ミノアルコール、ポリエチレングリコール、アミノオキシド、アミン塩、４級ア
ンモニウム塩、ピリミジン塩、スルホニウム塩、ホスホニウム塩、ポリエチレン
ポリアミン、カルボキシレート、スルホネート、スルフェート、フォスフェイト
、ホスホネート、アミノ酸、ベタイン、アミノスルフェート、スルホベタインま
たはこれらの混合物を使用する。 〔第３工程〕磁気流動学的流体の製造 前記磁性粒子を５ないし５０％の体積分率で移動相に分散させる。
【００１３】 本発明の磁気流動学的流体は水/オイルエマルジョンの移動相及び移動相に５
ないし５０％の体積分率で分散された表面に親水性を有する界面活性剤がコーテ
ィングされた磁性粒子を含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前述した目的と特徴及び本発明の他の目的と特徴は添付した図面と関連して与
えられた次の説明から明白になる。
【００１５】 図１ａは磁場がない状態の本発明の磁気流動学的流体を示す摸式図である。一
般的に、磁気流動学的流体は移動相に分散されている液滴(water drop)周りに磁
性粒子(particle)が集まっており、この周囲に他の液滴層(water layer)が再び
包んでいる形態である。図１ａに示した通り、エマルジョンに分散された液滴の
サイズと磁性粒子のサイズが類似なので、各磁性粒子を液滴層が包む形態を示す
。これは磁性粒子の表面に吸着された界面活性剤の役割によることと推測される
。図１ｂは磁場下の本発明の磁気流動学的流体を示す模式図である。図１ｂに示
した通り、磁場の条件下では磁気流動学的流体の液滴層が磁場の方向に配列する
形態を取る。
【００１６】 磁場下において磁気流動学的流体が示す一般の挙動は次のモデルと同じビンガ
ム流体モデルとして説明される。 τ＝τy ＋ ηpγ 式中、 τyは動力学的降伏応力であり； ηpは懸濁液の焼成粘度であり； γ は剪断変形率であり；及び τは剪断応力である。
【００１７】 磁場下における降伏応力は磁場がないときに比べて、約１、０００〜１０、０
００倍ほど増加する。動的降伏応力は剪断応力変形率曲線において剪断変形率が
０になる点における剪断応力に該当するが、実験的には１〜１０ｓ―1ほどの低
い値における剪断応力を使用することが一般的である。降伏応力(τy)は分散相
の体積分率、粒子及び移動相の特性、温度、電場の強さの関数である。
【００１８】 以下、実施例を通して本発明をさらに詳述するが本発明の範囲がこれら実施例
により限られない。
【００１９】 〔実施例１〕磁気流動学的流体の製造 〔実施例１-１〕移動相の収得 ５０ｍｌのミネラルオイル、シリコンオイル、キャスターオイル、パラフィン
オイルまたは水に移動相質量の５％のスパン(span)界面活性剤を溶解させ、２０
ｍｌの３次蒸溜水を滴加し１、５００ｒｐｍに撹拌してエマルジョンを収得し、
２５℃でこれらの粘度を測定した(参照:表１)。
【表１】 前記で得られた結果に基づき、最も水に近い粘度を有するミネラルオイルを用
いて３次蒸溜水の体積分率がそれぞれ０．１、０．２または０．３％であるエマ
ルジョンを得た。
【００２０】 〔実施例１-２〕磁性粒子の収得 直径１ないし５μｍのカルボニル鉄(carbonyl iron)とツイン(Twin)界面活性
剤を混合し、６０℃の温度、真空オーブンで１時間中磁性粒子と化学吸着反応さ
せた。反応が済んだ後得られた溶液を濾過し、蒸溜水とエタノールに再分散過程
を数回反復して、残留界面活性剤を除去した。次いで、粒子を粉砕し、真空オー
ブンで６０℃で２４時間乾燥させ磁性粒子を収得した。磁性粒子の平均直径は処
理される前の直径と比較する際ほぼ変化がなかった。
【００２１】 〔実施例１-３〕磁気流動学的流体の製造 前記実施例１-１で収得した各エマルジョンに前記実施例１-２で得た磁性粒子
を全体体積について０．４％の体積分率で添加した後分散させ、各磁気流動学的
流体を製造し、経時的な沈降度を測定した(参照:図２)。図２は経時的な各磁気
流動学的流体の沈降度(sedimentation ratio)を示すグラフであって、(■)は蒸
溜水の体積分率が０．３％である磁気流動学的流体の沈降度を示し、(●)は蒸溜
水の体積分率が０．２％である磁気流動学的流体の沈降度を示し、(▲)は蒸溜水
の体積分率が０．１％である磁気流動学的流体の沈降度を示す。図２に示した通
り、蒸溜水の体積分率が最も高い磁気流動学的流体が最も高い安定性を示す。
【００２２】 〔実施例２〕磁場による磁気流動学的流体の剪断応力変化 実施例１-３において最も高い安定性を示した蒸溜水の体積分率が０．３％で
あるエマルジョンに、前記実施例１-２で収得した磁性粒子を全体体積について
０．２％の体積分率で添加した後分散させ磁気流動学的流体を製造した後、流動
学的物性測定器(ARES rheometer、Rheometric Scientific Co．、U．S．A．)を
使用して、０、０．１３７、０．２２２または０．３Ｔの磁場領域下における剪
断応力を測定した(参照:図３)。図３は各磁場領域下における磁気流動学的流体
の剪断応力変化を示したグラフであって、(▼)は磁場が０．３Ｔの場合であり、
(▲)は０．２２２Ｔの場合であり、(●)は０．１３７Ｔの場合であり、(■)は０
Ｔの場合である。図３に示した通り、磁場が０Ｔの時はニュートニアン挙動を示
し、磁場が加わるとビンガム流体の挙動を示し、磁場の大きさが増加するほど剪
断応力が増加することが分かった。
【００２３】 〔実施例３〕磁性粒子の体積分率による磁気流動学的流体の降伏応力変化 実施例１-３において最も高い安定性を示した蒸溜水の体積分率が０．３％で
あるエマルジョンに、前記実施例１-２で収得した磁性粒子を全体体積について
０．０５、０．１、０．２または０．３％の体積分率で添加した後分散させ、各
磁気流動学的流体を得た後、流動学的物性測定器を使用して、０．０９５、０．
１８または ０．３Ｔの磁場領域下における降伏応力を測定した(参照:図４)。図
４は特定磁場領域で磁性粒子の体積分率による磁気流動学的流体の降伏応力変化
を測定したグラフであって、(▲)は磁場が０．３Ｔの場合であり、(●)は０．１
８Ｔの場合であり、(■)は０．０９５Ｔの場合である。図４に示した通り、降伏
応力は磁場が大きいほど増加し、磁場の大きさに関係なく体積分率に比例するこ
とが分かった。
【００２４】 以上説明してきた通り、本発明は水/オイルエマルジョンの表面に親水性の界
面活性剤がコーティングされた磁性粒子が分散された磁気流動学的流体及びその
製造方法を提供する。本発明の磁気流動学的流体は乳化剤が溶解されたオイルに
蒸溜水を添加し、撹拌して移動相である水/オイルエマルジョンを収得し前記エ
マルジョンに親水性の界面活性剤がコーティングされた磁性粒子を分散させて製
造する。本発明の磁気流動学的流体は磁性粒子表面の界面活性剤と水分子間の相
互作用を通して安定性が向上されたため、磁気流動学的流体を用いた各種の装備
の開発に幅広く活用されうる。
【００２５】 以上本発明の特定な部分を詳述したところ、当業界の通常の知識を持つ者にと
って、このような具体的な記述はただのぞましい実施態様に過ぎず、これにより
本発明の範囲が限らないことは明白である。従って、本発明の実質的な範囲は添
付した請求項とそれらの均等物により定義されると言える。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 磁場のない状態の本発明の磁気流動学的流体を示す摸式図であ
る。
【図１ｂ】 磁場下の本発明の磁気流動学的流体を示す摸式図である。
【図２】 経時的な各磁気流動学的流体の沈降度(sedimentation ratio)を
比較したグラフである。
【図３】 各磁場領域下で磁気流動学的流体の剪断応力を示すグラフである
。
【図４】 特定の磁場で磁性粒子の体積分率による磁気流動学的流体の降伏
応力変化を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン−ヒョーク・パーク 大韓民国・ウルサン・681−752・ジュン− グ・ボクサン−ドン・ドン−ダック・ヒュ ンダイ・エーピーティ・103−914 (72)発明者 ビュン−ドー・チン 大韓民国・ソウル・138−798・ソンパー グ・ジャンシル−ドン・101−１・ウース ン・エーピーティ・10−606 Ｆターム(参考） 5E041 AA11 BD07 NN01

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (i) 乳化剤が溶解されたオイルに蒸溜水を添加し撹拌して
    移動相である水/オイルエマルジョンを得る工程； (ii) 磁性粒子と親水性の界面活性剤を混合し、２０ないし８０℃の真空オー
    ブンで１０ないし３０分間反応させ、洗浄及び乾燥して、表面に親水性の界面活
    性剤が吸着された磁性粒子を得る工程；及び、 (iii) 前記磁性粒子を５ないし５０％の体積分率で移動相に分散させる工程を
    含む磁気流動学的流体の製造方法。
  2. 【請求項２】 乳化剤は、移動相質量の２ないし１０％でオイルに溶解されるス
    パン系の界面活性剤であることを特徴とする請求項１に記載の磁気流動学的流体
    の製造方法。
  3. 【請求項３】 オイルはミネラルオイル、シリコンオイル、キャスターオイル、
    パラフィンオイル、真空オイル、コーンオイル及び炭化水素オイルで構成された
    群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の磁気流動学的流体の製造方法
    。
  4. 【請求項４】 蒸溜水は移動相全体体積の１ないし５０％の体積分率で添加され
    ることを特徴とする請求項１に記載の磁気流動学的流体の製造方法。
  5. 【請求項５】 磁性粒子は鉄、カルボニル鉄、鉄合金体、酸化鉄、窒化鉄、カー
    バイド鉄、低炭素鋼、ニッケル、コバルト、これらの混合物及びこれらの合金で
    構成された群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の磁気流動学的流体
    の製造方法。
  6. 【請求項６】 界面活性剤はツイン系の界面活性剤、ポリエチレンオキシド、ポ
    リアルコール、グルコース、ソルビトール、アミノアルコール、ポリエチレング
    リコール、アミノオキシド、アミン塩、４級アンモニウム塩、ピリミジン塩、ス
    ルホニウム塩、ホスホニウム塩、ポリエチレンポリアミン、カルボキシレート、
    スルホネート、スルフェート、フォスフェート、ホスホネート、アミノ酸、ベタ
    イン、アミノスルフェート、スルホベタイン及びこれらの混合物より構成された
    群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の磁気流動学的流体の製造方法
    。
  7. 【請求項７】 請求項１の方法で製造され、水/オイルエマルジョンの移動相及
    び親水性を有する界面活性剤が表面にコーティングされ、前記移動相に５ないし
    ５０％の体積分率で分散された磁性粒子を備える磁気流動学的流体。
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