JP2004511094A

JP2004511094A - 磁気感受性流体組成物およびその調製方法

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Publication number: JP2004511094A
Application number: JP2002533322A
Authority: JP
Inventors: ジョン、レジ; ピライ、ナレイヤナ、ダス、ジャナルダーン
Original assignee: ジ　アドバイザー　−　ディフェンス　リサーチ　アンド　ディベラップメント　オーガナイゼイション
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: US20030025102A1; EP1247283A1; EP1247283B1; US6743371B2; JP4303959B2; WO2002029833A1

Abstract

本発明は、磁気感受性流体組成物において、組成物の電気伝導性が外部磁場の存在下に劇的に、可逆的に変動する、上記組成物およびその製造方法に関する。事実上、絶縁体である組成物は磁場の存在下に伝導体としての挙動を開始する。流体は基本的に、磁気感受性粒子が伝導性金属または非金属粉末の形態のドーパントでドーピングされた磁性流体力学的組成物である。組成物の電気伝導性の変化は外部磁場の存在下における組成物の流体力学的特性の変化を伴う。

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は電気的スイッチングならびに外部磁場の存在下に磁性流体力学的特性を有する磁気感受性流体組成物およびその調製方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
フェロ流体は、強磁性材料が均一に懸濁され、外部磁場の存在下にそれらの流体力学的特性に変化を示すコロイド状液体である。これらのフェロ流体は、電気非伝導性であるか電気伝導性である。電気伝導性フェロ流体は、液体担体媒体、微粉化された磁性粒子およびフェロ流体に電気伝導性を付与する電気伝導性粒子を含む。フェロ流体中に用いられる担体流体は炭化水素、鉱油、油をベースとしたエステルまたは水でもよい。フェロ流体中に用いられる磁性粒子は強磁性材料たとえばニッケル、コバルト、鉄、金属炭化物、金属酸化物および金属合金等とすることができる。一般的に強磁性粒子のサイズは１０００オングストローム以下である。フェロ流体に伝導性を付与するためには、様々な形態の炭素たとえばグラファイト、ダイヤモンド等が使用される。磁性粒子および電気伝導性粒子を均一に分散させ、界面活性剤を用いることにより安定化する。この場合も、分散および均一化の必要性に応じて様々な界面活性剤が使用される。従来技術では、これらの非伝導性ならびに伝導性フェロ流体が知られている。しかしながら、これらの強磁性組成物は外部磁場の存在下にそれらの伝導性に有意な変化を示さない。
【０００３】
磁性流体力学的流体組成物は、界面活性剤の補助によって担体流体中に分散された磁気感受性粒子を含む。使用される磁気応答性粒子は、酸化鉄、鉄、炭化鉄、低炭素鋼またはコバルト、亜鉛、ニッケル、マンガン等の合金である。用いられる担体流体は鉱油、炭化水素油、ポリエステルおよびリン酸エステル等である。これらの磁性流体力学的流体組成物は外部磁場に付すとその流体力学的特性に変化が表れる。磁場の不存在下には磁性流体力学的流体は、ずれ速度、温度等のようないくつかのパラメーターに依存する無視できない粘度を有する。しかしながら、外部磁場の存在下には、懸濁した粒子自身が並び、流体の急速な物理的ゲル化を生じるので、流体の粘度はきわめて高い値に上昇する。これらの既知の磁性流体力学的流体は電気的に絶縁されているか伝導性であるかのいずれかである。二、三の磁気活性材料は外部磁場の存在下に電気伝導度に変化を示すが、これらの材料は流体ではなくまたそれらの電気伝導度に有意な変化を示すこともない。
【０００４】
従来技術で公知のこれらの磁性流体力学的および強磁性流体組成物には以下に述べるような不利がある。
【０００５】
従来技術で公知の磁性流体力学的および強磁性流体の主要な不利は、これらの流体組成物が外部磁場の影響下、電気伝導度に有意な変化を示さず、これらの流体そのままでは電気スイッチングの用途に使用できないことである。
【０００６】
従来技術で公知の磁性流体力学的および強磁性流体の他の不利は、これらの流体組成物が外部磁場の影響下、キャパシタンス値に有意な変化を示さず、キャパシタンスにおける変動が要求される場合の用途にそのままでは利用できないことである。
【０００７】
（発明の目的）
本発明の一次的な目的は、外部磁場の存在下に、優れた電気的スイッチング特性、さらに磁性流体力学的特性を示す磁気感受性流体組成物、およびその調製方法を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、磁気感受性流体組成物において、その組成物の電気抵抗が、適用される外部磁場の強度に依存して１０オームの高値からきわめて低値の１オームまで連続的に変動することができる組成物、およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、磁気感受性流体組成物において、組成物が、外部磁場の影響下に広範囲にわたるキャパシタンスの変化を示す、上記組成物、およびその調製方法を提供することである。
【００１０】
本発明のなおさらに他の目的は、磁気感受性流体組成物において、組成物が、電気的スイッチング特性とともに優れた磁性流体力学的性質を有する、上記組成物およびその調製方法を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、磁気感受性流体組成物において、組成物が、可変性キャパシタンスとともに優れた磁性流体力学的性質を有する、上記組成物、およびその調製方法を提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、磁気感受性流体組成物において、組成物が低いヒステリシス特性を有する、上記組成物、およびその調製方法を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、磁気感受性流体組成物において、組成物が−１０℃〜＋８０℃を変動する広い操作温度範囲を通じて使用できる、上記組成物、およびその調製方法を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、磁気感受性流体組成物において、組成物の電気抵抗およびキャパシタンスとともに粘度が外部磁場の強度の変動によって連続的に変動し得る組成物、ならびにその調製方法を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、磁気感受性流体組成物において、組成物のブルックフィールド粘度が広範囲にわたって、通常７００ＣＰ〜１２００００ＣＰまたはそれ以上にまで連続的に変化できる組成物、およびその調製方法を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、磁場の存在下における電気抵抗またはキャパシタンスのいずれかの変化が望まれるセンサーまたはデバイスを作成するため、可変性の電気抵抗およびキャパシタンスを有する磁気感受性流体組成物を提供することにある。このような可能性を有するセンサーまたはデバイスのいくつかの例にはアークを生じないリレー、高圧プロテクター、可変レジスター、傾斜センサー、磁性鉱脈センサー、マイクロ波遮蔽デバイス、水雷等のための近接信管がある。
【００１７】
（発明の説明）
本発明によれば、外部磁場の存在下に電気的スイッチング特性、および磁性流体力学的特性を有する磁気感受性流体組成物において、
ａ）担体流体、
ｂ）２〜１５重量％のフェライト合金と乾式ブレンドした８５〜９８重量％の高純度の鉄粒子、たとえばカルボニル鉄、を含む磁気感受性粒子、
ｃ）１０〜５０重量％の伝導性金属または非金属ドーパントでドーピングされた５０〜９０重量％の上記磁気感受性粒子を含むドーピングされた磁気感受性粒子、
ｄ）上記担体流体から合成された磁気感受性粒子安定剤；を含み、
上述のドーピングされた磁気感受性粒子は上記担体流体中に均一に分散された上記磁気感受性粒子安定剤でコーティングされている、上記磁気感受性流体組成物が提供される。
【００１８】
外部磁場は担体流体媒体中に分散したドーピングした磁気感受性粒子の整列を誘発し、これは次には流体力学的特性の変化に加え、組成物の電気伝導性も変化させる。整列した磁気感受性粒子は、明らかに、添加されたドーパントによって誘発される電子の伝導を容易にするように組織化された様式で働くものと考えられる。この電子の伝導は、非伝導性材料から伝導性材料への流体の特性における変化の本質的な原因である。懸濁粒子は磁場の存在下に整列して鎖のような構造を形成し、電子の伝達のための伝達経路が形成される。この経路により、添加されたドーパントによって寄与された電子は伝導し、流体は伝導性材料としての挙動を開始する。外部の磁場が除去されると、磁性粒子の整列が妨害され、電子の伝導経路はもはや利用できない。これが材料の特性の反転を生じ、それは絶縁材としての挙動を開始する。
【００１９】
本発明の組成物には、担体流体として、ヒマシ油のような植物種子から抽出された植物油の誘導体が使用される。担体流体、すなわち植物油は、安価であり、入手が容易であり、環境にやさしく、生物適合性であり、供給原料は再生可能である。この組成物には、磁気感受性粒子として鉄およびその合金、酸化鉄、炭化鉄、カルボニル、窒化鉄等が使用される。磁気感受性流体組成物の提案された調製方法は簡単で、それには複雑な機械は要らない。さらに組成物は、組成物中に担体流体から合成される磁気感受性粒子改良剤または界面活性剤を使用するので高度に均一である。この界面活性剤は組成物の均一性を改良し、磁気感受性粒子の重力沈積による問題を低下させる。
【００２０】
有用な伝導性金属ドーパントには、金、銀、銅、アルミニウムの粉末、または任意の他の伝導性金属粉末が包含されるが、伝導性非金属粉末たとえばグラファイト、伝導性カーボンブラックまたは任意の他の非金属伝導性粉末も包含される。
【００２１】
本発明の磁気感受性組成物は、磁場の存在下における電気抵抗またはキャパシタンスのいずれかの変化が望ましいセンサーまたはデバイスを作成するために使用することができる。このような可能性のあるセンサーまたはデバイスのいくつかの例には、アークを生じないリレー、高圧プロテクター、可変レジスター、傾斜センサー、磁性鉱脈センサー、マイクロ波遮蔽デバイス、水雷等のための近接信管がある。
【００２２】
（本発明の方法の詳細な説明）
（ｉ）磁気感受性粒子の製造
８５〜９８重量％の高純度の鉄粒子（たとえばカルボニル鉄）ならびに２〜１５重量％のニッケルおよび亜鉛のフェライト合金（たとえばニッケル亜鉛フェライト）を、粉末ブレンダーを用いて乾式ブレンドする。
【００２３】
（ｉｉ）磁気感受性粒子の伝導性粒子によるドーピング
工程（ｉ）から得られた混合物５０〜９０重量％を伝導性金属または非金属粉末、たとえば銀、グラファイト粉末等１０〜５０重量％と、粉末ブレンダーを用いて乾式ブレンドする。
【００２４】
（ｉｉｉ）工程（ｉｉ）から得られるドーピングされた磁気感受性粒子のための安定剤の調製
０．５０〜２．５重量％の濃硫酸（アッセイ９８％）を９５〜９９重量％の担体流体、好ましくは市販のヒマシ油（粘度約７００〜８００Ｃｐ）に滴下して注ぎ、温度約２５〜３０℃において実験室用攪拌機を用いて混合する。混合物を温度約２５〜３０℃に維持して２時間反応させる。上記混合物に０．５〜２．５重量％の２０％水酸化カリウム水溶液（純度＞８５％の水酸化カリウムペレットを蒸留水に溶解する）を滴下して加え、実験室用攪拌機を用いて混合する。反応は約２時間以上継続する。反応中を通じて温度は水浴により２５〜３０℃に維持する。このようにして得られた粒状安定剤を蒸留水で、水が中性になるまで洗浄する。
【００２５】
（ｉｖ）工程（ｉｉｉ）から得られた安定剤による、工程（ｉｉ）から得られるドーピングされた磁気感受性粒子のコーティング
工程（ｉｉｉ）から得られた磁性粒子安定剤１〜１０％を６０〜８０℃の温度に予熱し、それを工程（ｉｉ）から得られるドーピングされた磁気感受性粒子９０〜９９重量％に実験室用練合機中に滴下して注ぎ、適切に混合する。このようにして得られる安定剤でコーティングされたドーピングされた磁気感受性粒子はパテ程度の硬さを示す。このパテを２５〜３０℃の温度で２４時間成熟させる。
【００２６】
（ｖ）磁気感受性流体処方物の合成
工程（ｉｖ）から得られたコーティングされドーピングされた磁気感受性粒子８０〜９０重量％を工程（ｉｉｉ）で用いた担体流体、好ましくは市販のヒマシ油（粘度５００〜７００Ｃｐ）を１０〜２０重量％と混合する。混合の前に担体流体好ましくは市販のヒマシ油を容器中で６０〜８０℃まで加熱し、上述のコーティングされドーピングされた磁気感受性粒子を、実験室用の攪拌機でたえず混合しながらそれに徐々に加える。全混合物を、最初の１０分間の混合時間に混合スピードを低い回転速度から約２０００ｒｐｍに上昇させることにより、高速ミキサー中でさらにホモジナイズする。混合をこの混合スピードで約１時間継続し、ついで混合物を約３０℃に冷却する。混合物をさらに約２５００〜３０００の高い回転速度で約３〜５分間かきまぜ、ついで室温に冷却する。上述の２５００〜３０００ｒｐｍでのかきまぜ過程をもう１回反復すると、磁気感受性流体組成物が最終的に得られる。
【００２７】
次に本発明を実施例によって例示する。これは本発明の実施を例示する典型的な例であり、本発明の範囲に対する制限を意味する限定を意図するものではない。
【００２８】
実施例−１
６０ｇｍの高純度の鉄粉末および２．５０ｇｍのニッケル亜鉛フェライトを、粉末ブレンダーを用いて乾式ブレンドして、磁気感受性粒子を調製する。次に、これらの粒子および２０ｇｍの銀粉末を、粉末ブレンダー中で乾式ブレンドして、ドーピングされた磁気感受性粒子を得る。次に、市販の純度のヒマシ油２．４５ｇｍを容器中で０．０２５ｇｍの濃硫酸と混合し、ついで混合物を、水浴を用いて反応温度を約３０℃に維持しながら２時間反応させる。次の工程では、０．０２５ｇｍの水酸化カリウムを容器中で２．０ｍＬの蒸留水に溶かして、水酸化カリウムの水溶液を調製する。この水溶液をヒマシ油と硫酸の反応生成物に連続的に攪拌しながら滴下して加え、この混合物を同じレベルの温度に維持しながらさらに２時間反応させる。ついでこの混合物を蒸留水で、水のｐＨが中性になるまで洗浄する。このようにして得られた磁気感受性粒子安定剤を、実験室用練合機を用いるドーピングされた磁気感受性粒子のコーティングに利用する。混合の前に磁性粒子安定剤を７０℃に予熱し、ドーピングされた磁気感受性粒子に滴下して加え、このようにして得られる安定剤でコーティングされドーピングされた磁気感受性粒子を３０℃で２４時間成熟させる。次に、１５ｇｍのヒマシ油を容器中で７０℃に加熱し、安定剤でコーティングされドーピングされた磁気感受性粒子をそれに加え、高速ミキサーを段階的に使用して均一に混合する。最初の段階では、ミキサーの混合スピードを５００ｒｐｍから２０００ｒｐｍに上昇させ、混合物を室温に冷却させる。次の段階では、混合物を３０００ｒｐｍの高速で３分間かきまぜ、もう一度室温に冷却する。上述のホモジナイズサイクルを再度反復すると、本発明の磁気感受性組成物１００ｇｍが最終的に得られる。
【００２９】
実施例−２
５５．７５ｇｍの高純度の鉄粒子および２．０ｇｍのマンガン亜鉛フェライトを、粉末ブレンダーを用いて乾式ブレンドして、磁気感受性粒子を調製する。次に、これらの粒子および２３．７５ｇｍの銀粉末を、粉末ブレンダー中で乾式ブレンドして、ドーピングされた磁気感受性粒子を得る。次に、市販の純度のヒマシ油４．０ｇｍを容器中で０．１５ｇｍの濃硫酸と混合し、ついで混合物を、水浴をもちいて温度２８℃に維持して約２時間反応させる。さらに、この混合物を同じ温度で２時間反応させる。次の工程では、０．１５ｇｍの水酸化カリウムを容器中で２．０ｍＬの蒸留水に溶かして、水酸化カリウムの水溶液を調製する。この水酸化カリウム水溶液をヒマシ油と硫酸の反応生成物にたえず攪拌しながら滴下して加え、この全混合物を同じレベルの温度に維持しながら約２時間反応させる。この混合物を蒸留水で、水のｐＨが中性になるまで洗浄する。このようにして得られた磁気感受性粒子安定剤を、実験室用練合機を用いて、乾式ブレンドしたドーピングされた磁気感受性粒子のコーティングに利用する。安定剤でコーティングされドーピングされた磁気感受性粒子を２４時間熟成させる。次に、１４．２ｇｍのヒマシ油を容器中で７０℃に加熱し、安定剤でコーティングした磁気感受性粒子をそれに加え、高速ミキサーを段階的に使用して均一に混合する。最初の段階では、ミキサーの混合スピードを５００ｒｐｍから２０００ｒｐｍに上昇させ、混合物を室温に冷却する。次の段階では、混合物を３０００ｒｐｍの高速で３分間かきまぜ、もう一度室温に冷却する。上述のホモジナイズサイクルを再度反復すると、本発明の磁気感受性組成物１００ｇｍが最終的に得られる。
【００３０】
本発明の方法は、本技術分野の熟練者により適合、変化および修飾が可能であることを理解すべきである。このような適合、変化および修飾は前述の特許請求の範囲に掲げた本発明の範囲内に包含することを意図するものである。

Claims

外部磁場の存在下に、電気的スイッチング及び磁性流体力学的特性を有する磁気感受性流体組成物において、
ａ）担体流体、
ｂ）２〜１５重量％のフェライト合金とともに乾式ブレンドした、８５〜９８重量％の高純度の鉄粒子、たとえばカルボニル鉄、を含む磁気感受性粒子、
ｃ）１０〜５０重量％の伝導性金属または非金属ドーパントでドーピングされた５０〜９０重量％の上記磁気感受性粒子を含むドーピングされた磁気感受性粒子、
ｄ）上記担体流体から合成された磁気感受性粒子安定剤；を含み、
上述のドーピングされた磁気感受性粒子は上記担体流体中に均一に分散された上記磁気感受性粒子安定剤でコーティングされている、上記磁気感受性流体組成物。
上記磁気感受性粒子安定剤は９５〜９９重量％の上記担体流体、０．５〜２．５重量％の濃硫酸および０．５〜２．５重量％の水酸化物、たとえば水酸化カリウム、の水溶液を含有する「請求項１」記載の磁気感受性流体組成物。
上記フェライト合金はたとえばニッケル亜鉛フェライトまたはマンガン亜鉛フェライトである「請求項１」記載の磁気感受性流体組成物。
上記ドーパントは、たとえば銀またはグラファイトである「請求項１」記載の磁気感受性流体組成物。
上述のドーピングされコーティングされた磁気感受性粒子は１〜１０重量％の上記磁気感受性粒子安定剤でコーティングされた９０〜９９重量％の上述のドーピングされた磁気感受性粒子を含む、「請求項１」記載の磁気感受性流体組成物。
上述のドーピングされコーティングされた磁気感受性粒子８０〜９０重量％および上記担体流体１０〜２０重量％を含む、「請求項１」記載の磁気感受性流体組成物。
上記担体流体は植物油、たとえばヒマシ油、である「請求項１」記載の磁気感受性流体組成物。
外部磁場の存在下に電気的スイッチング及び磁性流体力学的特性を有する磁気感受性流体組成物の調製方法において、以下の工程：
（ｉ）８５〜９８重量％の高純度の鉄粒子、たとえばカルボニル鉄、および２〜１５重量％のフェライト合金を乾式ブレンドして磁気感受性粒子を調製し、
（ｉｉ）工程（ｉ）から得られた上記磁気感受性粒子５０〜９０重量％を伝導性金属または非金属ドーパント１０〜５０重量％と乾式ブレンドして磁気感受性粒子をドーピングし、
（ｉｉｉ）０．５〜２．５重量％の濃硫酸を９５〜９９重量％の担体流体、たとえばヒマシ油、にたえず攪拌しながら滴下して加え、温度を約２５〜３０℃に維持して反応させ、硫酸と担体流体の反応生成物にたえず攪拌しながら水酸化物、たとえば水酸化カリウム、の水溶液０．５〜２．５重量％を滴下して加え、温度を約２５〜３０℃に維持して全混合物を反応させ、磁気感受性粒子安定剤を洗浄することにより磁気感受性粒子安定剤を調製し、
（ｉｖ）工程（ｉｉ）から得られた上述のドーピングされた磁気感受性粒子を工程（ｉｉｉ）で調製された上記磁性粒子安定剤で、１〜１０％の該粒子安定剤を６０〜８０℃に予熱し、それを９０〜９９重量％の該ドーピングされた磁気感受性粒子に滴下して加え、両者を実験室用練合機で混合し、コーティングされた粒子を約２５〜３０℃において熟成させることにより、コーティングし、
（ｖ）上記担体流体１０〜２０重量％を６０〜８０℃に加熱し、それに工程（ｉｖ）から得られた上述のドーピングされコーティングされた磁気感受性粒子８０〜９０重量％を加え、このようにして得られた混合物を高速ミキサーでホモジナイズし、上記混合物をかきまぜ、ついで、上記混合物を室温に冷却し、さらに上記混合物をかきまぜ、そのように得られた磁気感受性流体組成物を最終的に室温まで冷却することにより磁気感受性流体組成物を合成する工程、を含む上記方法。
混合物をホモジナイズする工程はミキサー中で実施し、ミキサーの速度は約５００ｒｐｍから２０００ｒｐｍに上昇させる「請求項１」記載の方法。
上記担体流体は植物油、好ましくは市販のヒマシ油である「請求項８」記載の方法。
磁気感受性粒子安定剤は上述のコーティングされドーピングされた磁気感受性粒子を分散させるために使用したのと同一の担体流体から合成される「請求項８」記載の方法。
本明細書に実質的に記載され例示された磁気感受性流体組成物およびその製造方法。