JP2021163969A - 磁気粘性流体 - Google Patents
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Abstract
【課題】沈降の防止効果が高いMR流体を容易に実現できるようにする。【解決手段】磁気粘性流体は、分散媒と、分散媒に分散させた磁性粒子とを備え、分散媒は、比重が1.5g/cm3以上、5g/cm3以下であり、動粘度が20℃において10mm2/g以上300mm2/gであり、磁性粒子は、粒径が0.01μm以上、30μm以下であり、密度が5g/cm3以上、9g/cm3以下であり、密度が5g/cm3以上、9g/cm3以下であり、全質量に占める前記磁性粒子の質量は55質量%以上、85質量%以下である。【選択図】なし
Description
本開示は磁気粘性流体に関する。
磁気粘性(Magneto Rheological:MR)流体は、鉄(Fe)等の磁性粒子をオイル等の分散媒に分散させた流体である。MR流体は、磁場の作用がない場合には分散媒中に磁性粒子がランダムに浮遊している。MR流体に外部から磁場を印加すると、磁界の方向に沿って磁性粒子が多数のクラスタを形成し、降伏応力が増大する。このようにMR流体は電気信号によってレオロジー特性又は力学的な性質を容易に制御できる材料であるため、種々の分野への応用が検討されている。現状では自動車向けショックアブソーバ及び建設機械向けシートダンパ等の直動型デバイスとして主に用いられている。また、クラッチやブレーキといった用途への応用も検討されている。
MR流体は、μmオーダーの比較的大きな磁性粒子を用いる。このため、放置しておくと磁性粒子の沈降によるケーキングが発生してしまうという問題がある。MR流体の沈降を生じにくくするために、磁性粒子を微細化したり、微小な非磁性粒子を添加したりすることが試みられている(例えば、特許文献1及び2を参照。)
しかしながら、粒子を微小化した場合にはMR流体のせん断応力等の特性が変化してしまうという問題がある。また、微小な粒子を添加する場合には、粒子の混合比率によってその特性が大きく変化するため、実験的に最適な混合比率を求めなければならないという問題がある。また、いずれの方法においても、沈降の防止効果は十分ではない。
本開示の課題は、沈降の防止効果が高いMR流体を容易に実現できるようにすることである。
本開示の磁気粘性流体の一態様は、分散媒と、分散媒に分散させた磁性粒子とを備え、分散媒は、比重が1.5g/cm3以上、5g/cm3以下であり、動粘度が20℃において10mm2/s以上、好ましくは20mm2/s以上、より好ましくは、30mm2/s以上、300mm2/s以下、好ましくは200mm2/s以下、より好ましくは100mm2/s以下である。磁性粒子は、平均一次粒子径が0.01μm以上、30μm以下であり、密度が5g/cm3以上、9g/cm3以下である。全質量に占める磁性粒子の質量は55質量%以上、85質量%以下である。
このような構成とすることにより、分散媒の動粘度を変えることなく、沈降を大幅に抑えることができる。
本開示のMR流体は、沈降を生じにくく、その調製も非常に容易である。
本実施形態の磁気粘性流体(MR)は、分散媒と、分散媒に分散させた磁性粒子とを備えている。磁性粒子は、平均一次粒径が0.01μm以上、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは1μm以上、さらに好ましくは5μm以上であり、30μm以下、好ましくは25μm以下、より好ましくは20μm以下、さらに好ましくは15μm以下、よりさらに好ましくは10μm以下である。このようなサイズの磁性流体であれば、MR流体として機能させつつ、沈降を抑えることができる。また、磁性粒子は、密度が5g/cm3以上、好ましくは6g/cm3以上、好ましくは9g/cm3以下、好ましくは8g/cm3以下である。このような密度とすることにより、沈降を抑えることができる。
磁性粒子は、例えば鉄、窒化鉄、炭化鉄、カルボニル鉄、二酸化クロム、低炭素鋼、ニッケル又はコバルト等を用いることができる。また、アルミニウム含有鉄合金、ケイ素含有鉄合金、コバルト含有鉄合金、ニッケル含有鉄合金、バナジウム含有鉄合金、モリブデン含有鉄合金、クロム含有鉄合金、タングステン含有鉄合金、マンガン含有鉄合金又は銅含有鉄合金等の鉄合金を用いることもできる。ガドリニウム、ガドリニウム有機誘導体からなる常磁性、超常磁性又は強磁性化合物粒子及びこれらの混合物からなる粒子等を用いることもできる。中でも、カルボニル鉄は磁性粒子として適した平均粒子径のものが容易に得られるため好ましい。
分散媒は、比重が1.5g/cm3以上、好ましくは2.0g/cm3以上で、5.0g/cm3以下、好ましくは4.0g/cm3以下である。このような比重とすることにより、沈降を抑えることができる。また、分散媒は、20℃における動粘度が10mm2/s以上、好ましくは20mm2/s以上、より好ましくは、30mm2/s以上、300mm2/s以下、好ましくは200mm2/s以下、より好ましくは100mm2/s以下である。このような粘度とすることにより、基底粘度を低く抑えることができる。なお、分散媒の比重は、比重瓶等を使用することにより求めることができる。分散媒の動粘度は、一般的なレオメータを用いて求めることができる。
分散媒は例えば、常温で液体の非水性溶媒が好ましい。具体的には、フッ素オイル、四臭化アセチレン、水銀及びエチルメチルイミダゾリウム塩、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム塩及び1−メチルピラゾリウム塩等に代表されるイオン性液体(常温溶融塩)類等を用いることができる。また、金属有機錯体などの密度の大きい添加剤を炭化水素油やエステルオイル等の一般的に使用されている潤滑剤に加えることにより溶媒の比重を調整することもできる。
高比重の液体を分散媒として用いた場合でも、溶媒の動粘度が低すぎると沈降したり、高すぎると磁気粘性流体の動粘度が大きくなりすぎて、磁場を印加した際の動粘度と無磁場での動粘度との比率が低くなるという問題が発生する。しかし、本実施形態のMR流体は、20℃における動粘度が10mm2/s〜300mm2/sであるという特徴を有している。このため、実用上の動粘度を維持したまま、粒子の沈降を防止するという優れた効果が得られる。本実施形態のMR流体は、平均一次粒子径が30μm以下であるという特徴を有している。本願発明者は、磁性粒子の平均一次粒径が大きい場合には、分散媒の比重を大きくしても沈降を低減する効果がほとんど無く、平均一次粒子径が30μm以下の場合には飛躍的に沈降しにくく、MR効果の低下が生じにくくなることを見いだした。また、基底粘度及び密度差についても良好な値を示すことを見いだした。
磁性粒子のMR流体全体に対する比率は、磁気粘性効果を発揮させる観点から、好ましくは55質量%以上、より好ましくは65質量%以上であり、基底粘度を押さえる観点から、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。
本実施形態のMR流体は、種々の添加剤を添加することができる。長期安定性を確保する観点から、潤滑剤に一般に用いられている公知の添加剤、例えば、沈降防止剤、金属型洗浄分散剤、無灰型洗浄分散剤、油性剤、摩耗防止剤、極圧剤、錆止め剤、摩擦調整剤、固体潤滑剤、酸化防止剤、金属不活性化剤、消泡剤、着色剤、粘度指数向上剤および流動点降下剤などを添加することもできる。磁気粘性流体組成物の各種の性能を確保するために、潤滑剤に一般に用いられている公知の添加剤、例えば金属型清浄分散剤、無灰型清浄分散剤、油性剤、摩耗防止剤、極圧剤、さび止め剤、摩擦調整剤、固体潤滑剤、酸化防止剤、金属不活性化剤、消泡剤、着色剤、粘度指数向上剤及び流動点降下剤などを添加することもできる。
本実施形態において、分散媒との親和性を向上させて沈降をさらに抑えるために磁性粒子の表面に表面改質層を設けてもよい。例えば、分散媒がフッ素オイルの場合には、分散煤が疎水性の材料からなる場合には、粒子自体の表面よりも疎水性が高くなるような表面改質層を設けることが望ましい。疎水性を高くする場合には、表面改質層として疎水性の化合物を磁性粒子本体の表面に固定すればよい。化合物の固定には種々の方法を用いることができるが、例えば磁性粒子本体の表面に水酸基を導入し、水酸基と反応する官能基を有する化合物を結合させればよい。また、磁性粒子本体の表面に導入した水酸基と化合物とを2官能性のカップリング剤を介して結合してもよい。
分散媒が親水性の材料からなる場合は、粒子自体の表面よりも親和性が高くなるような表面改質層を設けることが好ましい。親水性を高くする場合には、例えば粒子の表面に水酸基を導入すればよい。また、カップリング剤等を用いて、親水性の化合物を磁性粒子本体の表面に導入してもよい。
分散媒には、磁性粒子との親和性を向上させる親和性向上剤を添加することができる。親和性向上剤は、例えば、一般的に潤滑剤に使用されている高分子分散剤や界面活性剤を用いることができる。親和性向上剤の添加量は、特に限定されないが、溶媒の質量に対して1質量%から45質量%の範囲が望ましい。
本実施形態のMR流体は、沈降が生じにくいため、種々の用途に用いることができる。例えば、ダンパー型デバイスに用いることによりオリフィス径を小さくすることができる。また、クラッチやブレーキに用いることにより、流体ギャップを狭めることができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例は、例示であり本発明を限定することを意図しない。
<MR流体の密度差の測定>
MR流体を調製した後に生じる密度差は、以下の式(1)により求めた。
密度差(%)={初期密度(g/mL)−静置後密度(g/mL)}/初期密度(g/mL)×100・・・(1)
MR流体を調製した後に生じる密度差は、以下の式(1)により求めた。
密度差(%)={初期密度(g/mL)−静置後密度(g/mL)}/初期密度(g/mL)×100・・・(1)
初期密度は、それぞれの粒子密度、溶媒密度より算出した。静置後密度は、試料を1週間静置した後、比重瓶(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製、比重瓶(ピクノメーター)、容量11.5mL)を用いて測定した。
まず、空の比重カップの質量(M1)を測定した。次に、容器に入れたMR流体を10秒間ステンレス薬さじを用いて攪拌した後、比重カップを満たすようにMR流体を容器から比重カップに移した。MR流体を満たした比重カップを試験温度(25℃)にした後、気泡を取り除いた。この後、比重カップに蓋をし、オーバーフローオリフィスからあふれ出したMR流体を取り除いた。続いて、MR流体で満たされた比重カップの質量(M2)を求め、以下の式(2)により密度を求めた。
密度(g/mL)=(M2(g)−M1(g))/比重カップの体積(mL)・・・(2)
密度(g/mL)=(M2(g)−M1(g))/比重カップの体積(mL)・・・(2)
<沈降率の測定>
容器に5mLのMR流体を入れ、1日間静置した。その後、全体の高さ及び上澄み部分の高さを測定し、以下の式(3)を用いて沈降率を算出した。
沈降率(%)=(全体の高さ−上澄み部分の高さ)/全体の高さ×100・・・(3)
沈降率が大きいほど、磁性粒子が沈降しにくく、安定したMR流体であることを示す。分散媒を炭化水素油として測定した沈降率を基準値として、基準値との比を沈降率向上値とした。
容器に5mLのMR流体を入れ、1日間静置した。その後、全体の高さ及び上澄み部分の高さを測定し、以下の式(3)を用いて沈降率を算出した。
沈降率(%)=(全体の高さ−上澄み部分の高さ)/全体の高さ×100・・・(3)
沈降率が大きいほど、磁性粒子が沈降しにくく、安定したMR流体であることを示す。分散媒を炭化水素油として測定した沈降率を基準値として、基準値との比を沈降率向上値とした。
<粒子減少率の測定>
初期密度及び静置後密度と、粒子密度、溶媒密度とによりそれぞれ初期密度の状態における粒子体積率(初期粒子体積率)及び静置後密度の状態における粒子体積率(静置後粒子体積率)を算出した。算出した初期粒子体積率及び静置後粒子体積率を以下の式(4)にあてはめ粒子減量率を求めた。
粒子減少率(%)=(初期粒子体積率−静置後粒子体積率)/初期粒子体積率×100・・・(4)
粒子減少率が小さいほど、再攪拌後に均一な状態に復帰しやすいMR流体であることを示す。
初期密度及び静置後密度と、粒子密度、溶媒密度とによりそれぞれ初期密度の状態における粒子体積率(初期粒子体積率)及び静置後密度の状態における粒子体積率(静置後粒子体積率)を算出した。算出した初期粒子体積率及び静置後粒子体積率を以下の式(4)にあてはめ粒子減量率を求めた。
粒子減少率(%)=(初期粒子体積率−静置後粒子体積率)/初期粒子体積率×100・・・(4)
粒子減少率が小さいほど、再攪拌後に均一な状態に復帰しやすいMR流体であることを示す。
<MR効果低下率の測定>
調製直後のMR流体のMR効果(初期MR効果)と静置後のMR流体のMR効果(静置後MR効果)とを以下の式(5)に当てはめてMR効果低下率を求めた。
MR効果低下率(%)=(初期MR効果−静置後MR効果)/初期MR効果×100・・・(5)
調製直後のMR流体のMR効果(初期MR効果)と静置後のMR流体のMR効果(静置後MR効果)とを以下の式(5)に当てはめてMR効果低下率を求めた。
MR効果低下率(%)=(初期MR効果−静置後MR効果)/初期MR効果×100・・・(5)
MR効果は平行平板型回転粘度計を用いて測定した。平板の間隔は500μmとし、直径20mmのパラレルプレートを用いた。せん断速度を100s-1で120秒間一定とした時のせん断応力を測定した。磁束密度0.7Tの磁場を印可した状態におけるせん断応力をMR効果とした。
(実施例1)
磁性粒子として平均一次粒径が6μmで、密度が7.8g/cm3のカルボニル鉄粒子を用いた。分散媒には、比重が1.82g/cm3で、20℃における動粘度が66mm2/sであるフッ素オイル(パーフルオロポリエーテル)を用いた。
磁性粒子として平均一次粒径が6μmで、密度が7.8g/cm3のカルボニル鉄粒子を用いた。分散媒には、比重が1.82g/cm3で、20℃における動粘度が66mm2/sであるフッ素オイル(パーフルオロポリエーテル)を用いた。
磁性粒子および分散媒を容器中にてへらを用いて手で混合した後、自転・交点型の撹拌機(倉敷紡績社製:マゼルスター)を用いて高速せん断混合することにより磁性粒子を分散媒中に分散させた。磁性粒子のMR流体全質量に対する割合は約83質量%とした。得られたMR流体の沈降率は67.7%であった。
初期密度は3.33、静置後密度は3.17であり、初期粒子体積率は0.25、静置後粒子体積率は0.22であり、粒子減少率は12%であった。初期MR効果は51940Pa、静置後MR効果は42790Paであり、MR効果の低下率は18%であった。
(比較例1)
分散媒を比重が0.83で実施例1において用いたフッ素オイルと粘度がほぼ同じ炭化水素油(ポリαオレフィン油)とした以外は、実施例1と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は57.1%であった。
分散媒を比重が0.83で実施例1において用いたフッ素オイルと粘度がほぼ同じ炭化水素油(ポリαオレフィン油)とした以外は、実施例1と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は57.1%であった。
初期密度は2.58、静置後密度は2.24であり、初期粒子体積率は0.25、静置後粒子体積率は0.20であり、粒子減少率は20%であった。初期MR効果は52050Pa、静置後MR効果は36240Paであり、MR効果の低下率は30%であった。
(実施例2)
磁性粒子として平均一次粒径が25μmで、密度が7.8g/cm3のカルボニル鉄粒子を用いた以外は、実施例1と同様にした。得られたMR流体の沈降率は、72.3%であった。
磁性粒子として平均一次粒径が25μmで、密度が7.8g/cm3のカルボニル鉄粒子を用いた以外は、実施例1と同様にした。得られたMR流体の沈降率は、72.3%であった。
初期密度は3.33、静置後密度は3.21であり、初期粒子体積率は0.25、静置後粒子体積率は0.23であり、粒子減少率は8%であった。初期MR効果は43760Pa、静置後MR効果は41060Paであり、MR効果の低下率は6%であった。
(比較例2)
分散媒を比較例1と同じ炭化水素油とした以外は、実施例2と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は60.6%であった。
分散媒を比較例1と同じ炭化水素油とした以外は、実施例2と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は60.6%であった。
初期密度は2.58、静置後密度は2.32であり、初期粒子体積率は0.25、静置後粒子体積率は0.21であり、粒子減少率は16%であった。初期MR効果は45220Pa、静置後MR効果は37710Paであり、MR効果の低下率は17%であった。
(参考例1)
磁性粒子として平均一次粒径が50μmで、密度が7.8g/cm3のカルボニル鉄粒子を用いた以外は、実施例1と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は、40.6%であった。
磁性粒子として平均一次粒径が50μmで、密度が7.8g/cm3のカルボニル鉄粒子を用いた以外は、実施例1と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は、40.6%であった。
初期密度は3.33、静置後密度は1.97であり、初期粒子体積率は0.25、静置後粒子体積率は0.02であり、粒子減少率は92%であった。初期MR効果は86990Pa、静置後MR効果は1225Paであり、MR効果の低下率は99%であった。
(比較例3)
分散媒を比較例1と同じ炭化水素油とした以外は、参考例1と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は35.4%であった。
分散媒を比較例1と同じ炭化水素油とした以外は、参考例1と同様にしてMR流体を調製した。得られたMR流体の沈降率は35.4%であった。
初期密度は2.58、静置後密度は0.98であり、初期粒子体積率は0.25、静置後粒子体積率は0.02であり、粒子減少率は92%であった。初期MR効果は72860Pa、静置後MR効果は1187Paであり、MR効果の低下率は98%であった。
表1に各実施例、参考例及び比較例の結果をまとめて示す。
本開示のMR流体は、沈降が生じにくく、ショックアブソーバ及びシートダンパ、クラッチやブレーキ等の用途に有用である。
Claims (4)
- 分散媒と、前記分散媒に分散させた磁性粒子とを備え、
前記分散媒は、比重が1.5g/cm3以上、5g/cm3以下であり、動粘度が20℃において10mm2/g以上、300mm2/g以下であり、
前記磁性粒子は、平均一次粒子径が0.01μm以上、30μm以下であり、密度が5g/cm3以上、9g/cm3以下であり、
全質量に占める前記磁性粒子の質量は55質量%以上、85質量%以下である、磁気粘性流体。 - 前記分散媒は、常温で液体の非水性溶媒である、請求項1に記載の磁気粘性流体。
- 前記磁性粒子の表面に前記分散媒との親和性を向上させる表面改質層を有する、請求項1又は2に記載の磁気粘性流体。
- 前記分散媒は、前記磁性粒子との親和性を向上させる親和性向上剤を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁気粘性流体。
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CN114141465A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-03-04 | 重庆大学 | 一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料及其制备方法 |
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2021
- 2021-03-08 JP JP2021036565A patent/JP2021163969A/ja active Pending
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CN114141465A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-03-04 | 重庆大学 | 一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料及其制备方法 |
CN114141465B (zh) * | 2021-12-28 | 2022-12-23 | 重庆大学 | 一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料及其制备方法 |
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