JP2623500B2 - 磁性流体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、磁性流体の製造方法に関する。

磁性流体は磁性微粒子の界面活性剤で吸着させ、水、
ケロシン、鉱油等の各種触媒に分散させてなるコロイド
懸濁液であり、重力、遠心力、磁場等の作用下において
も固・液分離の生じない非常に安定な磁性感応性の液体
であり、回転軸シール、比重選別、インクジェットプリ
ンター、ディスプレイおよび各種センサー等の産業分野
の多方面への利用が期待されている。

（従来技術） 磁性コロイドの製造は、大別すると粉砕法と湿式法を
利用する二通りがある。粉砕法は粉砕をするのに時間が
かかり、かつ粒径分布が広くかつ均一化せず、分散可能
な粒子が少なくなる等の欠点がある。この点反応温度等
の反応条件による粒径コントロールが可能な湿式法は優
れる。

後者による磁性流体の製法としては例えば特公昭53−
17718がある。特公昭53−17118による磁性流体の製造方
法は水溶液中でオレイン酸ソーダ等不飽和脂肪酸の金属
塩からなる界面活性剤の二分子層吸着磁性微粒子コロイ
ドを作成した後、PH調整し二分子層目を洗浄除去するこ
とにより親油性の単分子層吸着した磁性微粒子を得ると
いう方法である。しかしながら、この方法では、水溶液
中で磁性微粒子への界面活性剤の吸着反応が必要であり
使用界面活性剤としては水に可溶のものに限定されるこ
と、また単分子層吸着磁性微粒子または充分に洗浄出来
ず、相当量の二分子層吸着物の残存が避けられないとい
う難点がありしたがって親油性の溶媒への分散性能が不
充分なため、ケロシンのような軽質の油種には一応分散
するが分散安定性が充分でなく、又潤滑油のような重質
油に対しては実際上分散せず、実用上の難点となってい
る。

これらの難点を改善し親油性触媒への分散を可能にす
る方法として特開昭56−118496、特開昭51−168097があ
り、これらには上記界面活性剤とは異なる界面活性剤を
使用する方法が開示されているが、これらではいずれも
分散性は改善されているものの高磁化の磁性流体が得ら
れていない。高磁化を得るため磁性微粒子を高濃度に添
加すると残存した二分子層吸着物のため分散性が悪くな
るかゲル化を生じ磁性微粒子をある一定以上の濃度にす
ることは困難であり近年の高分散、高磁化の要請を満足
するものではなかった。すなわち公知の方法で得られる
磁性流体の磁化の最高価はたかだか300ガウス程度でし
かない。

（解決しようとする問題点） 本発明は、特公昭53−17118の改良方法に係るもの
で、高濃度の磁性微粒子を含有でき、かつ高磁化を有す
る磁性流体の製法について鋭意研究を重ねた結果本発明
を完成したものである。

（問題点を解決するための手段） すなわち本発明の要旨は、炭素数が10以上の有機カル
ボン酸あるいはそれらの塩のうち少なくとも一種の界面
活性剤を吸着させた磁性微粒子と溶媒とこの溶媒に可溶
の分散剤との混合物を熱処理することにより中間磁性流
体を得、これに含水磁性微粒子を加え余剰水分を除去す
ることからなる磁性流体の製造方法に存する。

更に詳しくはマグネタイト等の各種フェライトのごと
き鉄含有酸化物あるいは鉄、コバルト、ニッケル等の鉄
族金属の磁性微粒子の界面活性剤を吸着させた磁性微粒
子と、触媒、およびこの溶媒に可溶の分散剤との混合物
を熱処理することにより中間磁性流体を得る第１工程
（熱処理工程）と、この中間磁性流体に含水磁性微粒子
を加え、余剰水分及び未分散固形物を除去する第２工程
とからなる磁性流体の製造方法に関する。ここで含水磁
性微粒子は例えば湿式法により得られる磁性体コロイド
水溶液の電解質を水洗除去して得られるものである。

すなわち本発明の好ましい態様は、第１工程において
界面活性剤を吸着させた磁性微粒子と、この磁性微粒子
１重量部当たり触媒約0.1〜10重量部および分散剤約0.0
5〜４重量部を混合撹拌し、その後熱処理して中間磁性
流体を得、次に第２工程においてこの中間磁性流体に、
その中に含まれる磁性微粒子１重量部当たり磁性微粒子
として約0.1〜20重量部好ましくは約１〜13重量部を含
有する含水磁性微粒子を添加し、撹拌後余剰水分を完全
に除去し、遠心分離または濾過により未分散固形物を除
去し高濃度の磁性微粒子を含有する磁性流体を得るもの
である。

このようして高濃度の磁性微粒子を含有する磁性流体
を得ることができる。

以下本発明の各工程について更に詳述する。

〔第１工程〕 まず第１工程の一原料である界面活性剤を吸着した磁
性微粒子としては、湿式法により得られる含水磁性微粒
子から製造されたものをあげることができる。例えば２
価の鉄族金属イオンと３価の鉄族金属イオンを含む混合
水溶液にアルカリ、例えば水酸化ナトリウム水溶液を加
えて金属イオンを共沈させ、加熱しもしくは加熱するこ
となく熟成として得られた磁性微粒子を用いることがで
きる。金属塩の濃度、反応のPH、温度および熟成時間等
を選ぶことにより粒径の異なる磁性微粒子を得ることが
できる。また反応によらず磁性体、例えば金属粒からボ
ールミル等での粉砕法あるいは他の適当な手段により得
られるものでもよいし、必要に応じてこれに水を加えた
ものでもよい。これらに界面活性剤を吸着させたもの
が、界面活性剤を吸着した磁性微粒子である。

本発明に使用する界面活性剤は、炭素数10以上の有機
カルボン酸またはそれらの塩である。炭素数10以上のも
のは、磁性微粒子の分散状態がよくならない。この界面
活性剤にはミリスチン酸、パルチミン酸、ステアリン酸
等の飽和脂肪族カルボン酸、オレイン酸、リノール酸、
リノレン酸等の不飽和脂肪族カルボン酸、リシノール酸
のごとき脂肪族オキシカルボン酸等の飽和、不飽和ある
いは置換基を有する各種カルボン酸あるいはそれらのナ
トリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩が含まれ
る。これらの中でも不飽和カルボン酸のアルカリ金属塩
が本発明の実施には特に好ましい。

界面活性剤は、磁性微粒子上に最終的には単分子層吸
着を完成させるために使用するものであるが、その吸着
層を完全にするためには、その過程で二分子層のことき
多分子層吸着を行わせる必要があるので、それに充分な
量使用することが必要である。例えば、平均粒径80Åの
マグネタイトの場合100g当り約20g以上のオレイン酸ナ
トリウムを添加すればよい。

磁性微粒子への界面活性剤の単分子層吸着法として
は、充分な量の界面活性剤を吸着させた磁性体コロイド
水溶液をPH調整することにより二分子目吸着層を解離さ
せ、親油性の単分子層吸着磁性体コロイドを凝集させる
手段が通常採用される。好ましくは、湿式法による磁性
体コロイド水溶液を調製し、これに二分子層吸着が充分
可能な量の界面活性剤例えば約10wt％濃度のオレイン酸
ナトリウム水溶液の適当量を加え、約90℃で約30分間撹
拌し親水性の二分子層吸着磁性体コロイドを生成させ
る。これを冷却し、塩酸水溶液でPH約5.5に調整すると
二分子目吸着層が解離し、親油性の単分子層吸着磁性体
コロイドが凝集してくる。この上澄みを除去し再度水を
加え水洗操作を数回繰返し二分子目吸着層を除去した
後、濾過乾燥する。なお、水洗中にコロイドが分散状態
になればPHを約5.5に調整しコロイドを凝集させ単分子
層吸着した磁性微粒子を得る。

いずれの場合も一部に二分子層吸着が残留することは
避けられない。

上記の磁性微粒子はマグネタイト以外にMn−Znフェラ
イト、Ni−Znフェライト、Coフェライト、Znフェライ
ト、Baフェライト等の各種鉄含有酸化物に加え、Fe、C
o、Ni等の金属であってもよいが、いずれも粒子径が500
Å以下のものであることが必要である。

次に第１工程で行う熱処理は上述した界面活性剤を吸
着させた磁性微粒子と、溶媒およびこの溶媒に可溶の分
散剤との混合物を約100〜300℃、好ましくは約150〜260
℃で触媒および分散剤が酸化劣化しない程度に約５〜20
分間保てばよい。本処理の効果は界面活性剤が吸着され
た磁性微粒子の中に残存する親水性の二分子層吸着物の
ため所望の触媒に分散しえなかったものでも二分子層目
が脱着し、単分子層吸着となり所望の触媒に高濃度で分
散出来るようになることである。

この工程で使用する溶媒の例としては、パラフィン基
油、ナフテン基油または混合基油である鉱油およびフェ
ニルエーテル系、ジエステル系等の合成油も使用でき
る。溶媒量は磁性微粒子１重量部当たり約0.1〜10重量
部、好ましくは約0.5〜９重量部である。用いる溶媒は4
0℃で約５〜600cst、好ましくは約30〜120cstの範囲の
粘度を有するものであり、所望の磁性流体を得るため種
々のものを使用することができる。

この工程で使用する分散剤としては、例えば硫酸エス
テル塩類、スルホン酸エステル塩類、りん酸エステル塩
類などのアニオン界面活性剤、アミン塩型等のカチオン
界面活性剤、アミノ酸型、ベタイン型等の両性界面活性
剤、ポリエチレングリコール型非イオン界面活性剤（高
級アルコールエチレンオキサイド付加物、脂肪族エチレ
ンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキ
サイド付加物、高級脂肪族アミンもしくは脂肪族アミド
のエチレンオキサイド付加物等）、多価アルコール型非
イオン界面活性剤（ソルビタンおよびソルビタンの脂肪
族エステル、グリセリンおよびペンタエリスリトールの
脂肪族エステル、脂肪族アルカノールアミド等）、脂肪
族ビニルエステル系重合体（脂肪酸エステル型、例えば
エチレン脂肪酸ビニルエステルコポリマー）等の非イオ
ン界面活性剤、アルカリ土類金属スルフォネート、アル
カリ土類金属フェネート等の金属型清浄剤、アルケニル
コハク酸イミド、アルケニルコハク酸エステル、長鎖脂
肪酸とポリアミンとのアミド（アミノアミド型）等の無
灰型清浄分散剤および極性基を持つポリメタクリレート
並びにオレフィンコポリマー等の高分子化合物が挙げら
れる。これらは、油溶性であることが必要であり、二種
以上の組合せで用いることもできる。分散剤は磁性微粒
子に吸着した単分子吸着膜の上にさらに吸着し、分散性
を高める。その機構は明確ではないが、界面活性剤が二
分子層吸着により二分子層目の分子配列が単分子層の油
溶性末端の影響で逆に外側に極性基が配列しがちになる
ためと考えられるが、油に対する分散性が低下するのに
対し、分散剤は被覆的に作用するため分散性を高めるも
のと考えられる。またこれら界面活性剤、分散剤いずれ
か、もしくは両者は次の第２工程で加える含水磁性微粒
子を触媒中に良好に分散させる働きを有する。

本工程の熱処理の効果として第１表に示すように中間
磁性流体の粘度を顕著に低下させることが出来、従来粘
度増加によるゲル化のため高濃度の磁性微粒子の含有す
る磁性流体の製造が不可能であった１つの課題を解決す
ることができる。したがってまた、熱処理の効果として
高磁化を得ることも可能となる。

〔第２工程〕 次に、第１工程で得られた中間磁性流体に含水磁性微
粒子を加え、余剰水分及び未分散固形物を除去して目的
とする磁性流体を得る。

この工程で使用する含水磁性微粒子は湿式法による磁
性体コロイド水溶液の電解質（Na₂SO₄等）を水洗、除去
したもので水分を含水磁性微粒子の重量に対し約0.5〜8
0wt％、好ましくは約30〜70wt％含有する磁性微粒子で
ある。この含水磁性微粒子は、前述した第１工程原料の
界面活性剤を吸着させる前の含水磁性微粒子と同様にし
て調製したものが使用できる。この含水磁性微粒子は、
水分が少ない場合中間磁性流体に乾燥磁性微粒子を混合
したとほぼ同様の効果しか得られず、混合しても分散剤
の吸着が充分に行われずペースト状のものを形成し、高
濃度の磁性流体を得ることが出来ない。本発明者らは、
この点に注目し種々検討を行った結果含水磁性微粒子を
使用すると分散剤の吸着が有効かつ充分行われ高濃度の
磁性流体が得られることを見い出し本発明を完成するに
至った。この理由は含有磁性微粒子自体流動性があり、
中間磁性流体と混合しやすいこと、中間磁性流体中の分
散剤が含水磁性微粒子の水分の周囲に集中するためと考
えているがその機構の詳細は明らかではない。逆に水分
が多いと除去に時間を要する。含水磁性微粒子は中間磁
性流体中に含まれる磁性微粒子１重量部当たり磁性微粒
子として約0.1〜20重量部、好ましくは１〜13重量部を
添加し、充分混合する。添加は数回に分割して行っても
よい。添加量は、少なすぎると高磁化の磁性流体が得ら
れず、多すぎるとペースト状となり分散しにくくなる。
含水磁性微粒子が充分混合され、分散剤が吸着した後余
剰の水分を除去する。水分の除去は、約100〜120℃の加
熱により通常行うが、水分量により加熱に要する時間は
異なる。余剰水分が完全に除去された後は、約10000Gの
ごとき高い遠心力で数十分、例えば約60分遠心分離する
かもしくは濾過を行い、未分散固形物を除去し、高濃度
の磁性微粒子を安定に分散した高磁化を有する磁性流体
を得ることができる。

この工程の途中あるいは最後に磁性流体の粘度および
磁化を調節する目的で、必要に応じ適当な触媒をさらに
添加しうることは勿論である。

（効 果） 本発明の方法により高濃度の磁性微粒子を含有する分
散安定性に優れかつ同一磁場において従来の技術に比し
格段の高磁化を有する磁性流体を得ることができる。

（実施例） 以下に実施例および比較例を示して本発明を説明す
る。

実施例１ 〔第１工程〕 硫酸第１鉄と硫酸第２鉄の各１モル／水溶液を100m
lずつ混合し、6N苛性ソーダ水溶液でPH11.5とし10分間
熟成しマグネタイトコロイドを得る。これに10wt％濃度
のオレイン酸ナトリウム水溶液130mlを加え90℃で30分
間撹拌後室温まで放冷し、3N塩酸水溶液でPH5.5としオ
レイン酸吸着マグネタイトを凝集させた。この上澄み液
を除去し再度水を加え電解質（Na₂SO₄）の洗浄除去が完
了するまで数回以上水洗を繰り返した。水洗中にオレイ
ン酸吸着マグネタイトが分散状態になればその都度3N塩
酸水溶液でPH5.5として再凝集させた。水洗完了後工業
用ろ紙No.5Aで水分を濾過除去してオレイン酸吸着マグ
ネタイトの乾燥物を得た。この乾燥物20gにアルケニル
コハク酸イミド（日本ループゾール（株）Lubrizol890
（窒素量1.1wt％）10gおよび鉱油として重質油ニュート
ラル（粘度11.6cSt100℃）20gを混合し、ホモミキサ
ーで30分撹拌した後260℃まで加熱し中間磁性流体を得
た。

〔第２工程〕 次に湿式法すなわち硫酸第１鉄と硫酸第２鉄の各１モ
ル／水溶液と6N苛性ソーダ水溶液とから合成したマグ
ネタイトコロイド中の電解質を水洗、除去後濾過し含水
マグネタイト（含水率50％）を得た。中間磁性流体にこ
の含水マグネタイト130gを一度に添加し、ホモミキサー
で充分撹拌し次いで120℃まで加熱し余剰水分を完全に
除去した。最後に非分散固形物を除去するため約10000G
の遠心分離下で約60分間分離し安定な磁性流体を得た。

実施例２ 実施例１において分散剤としてアルケニルコハル酸イ
ミドの替りに非イオン界面活性剤（アイ・シー・アイ・
ジャパン（株）製LP1）を用いた以外は同じ濃度、操
作、手順により磁性流体を製造した。

実施例３ 実施例１において分散剤としてアルケニルコハク酸イ
ミドの替りに非イオン界面活性剤（アイ・シー・アイ・
ジャパン（株）製LP1）1.25gとカチオン界面活性剤（ア
イ・シー・アイ・ジャパン（株）製LP4）1.25gを用いた
以外は同じ操作、手順により磁性流体を製造した。

実施例４ 〔第１工程〕 硫酸第一コバルトと硫酸第二鉄と各１モル／の水溶
液を100mlずつ混合し6N苛性ソーダ水溶液でPH11.5とし
た後、全量をオートクレーブに移し、120℃で１時間熟
成しコバルトフェライトコロイドを作成した。次に第２
工程で使用するため、この一部分を水洗、濾過し、予め
含水コバルトフェライト（含水率50％）を得た。次に上
記の熟成したコバルトフェライトの残余に10％オレイン
酸ナトリウム水溶液130mlを加え、90℃で30分間撹拌後
室温まで放冷し、3N塩酸水溶液でPH5.5としオレイン酸
吸着コバルトフェライトを凝集させた。この上澄み液を
除去し再度水を加え電解質（Na₂SO₄）の洗浄、除去が完
了するまで数回以上水洗を繰り返した。水洗中にオレイ
ン酸吸着コバルトフェライトが分散状態になればその都
度3N塩酸水溶液でPH5.5とし再凝集させた。水洗完了後
工業用ろ紙No.5Aで濾過後オレイン酸吸着コバルトフェ
ライトの乾燥物を得た。この乾燥物20gをアルケニルコ
ハク酸イミド（日本ルーブリゾール（株）（Lubrizol89
0）10gおよび鉱油として重質油ニュートラル（粘度11.6
cSt100℃）20gを混合し、ホモミキサーで30分撹拌し
た後260℃まで加熱し中間磁性流体を得た。

〔第２工程〕 含水マグネタイトの替りに同量の含水コバルトフェラ
イトを用いた以外は、実施例１の第２工程と同じ操作、
手順により磁性流体を製造した。

比較例１ 実施例１と同じ方法、手順によりオレイン酸吸着マグ
ネタイトの乾燥物を得た。次にこの乾燥物20gにアルケ
ニルコハク酸イミド（エクソン化学（株）製パラノック
ス105（窒素量1.1wt％））10gおよび鉱油として重質油
ニュートナル（粘度11.6cSt100℃）20gを混合しホモ
ミキサーで30分撹拌し磁性流体を得た。

比較例２ 実施例１と同じ方法、手順によりオレイン酸吸着マグ
ネタイトの乾燥物を得た。

この乾燥物20gにアルケニルコハク酸イミド（エクソ
ン化学（株）製パラノックス105）10gおよび鉱油として
重質油ニュートラル（粘度11.6cSt100℃）20gを混合
し、ホモミキサーで30分撹拌し、加熱処理を行わず磁性
流体を得た。

その後、含水マグネタイト（含水率50％）130gを一度
に添加し、ホモミキサーで充分撹拌し次いで120℃まで
加熱し、余剰水分を完全に除去した。最後に非分散固形
物を除去するため約10000Gの遠心分離下で約60分間分離
し、磁性流体を得た。

比較例１では、熱処理を行っていないので含水マグネ
タイトを加えていないにもかかわらず得られる磁性流体
は粘度が高く（第１表）かつ磁化が低いものしか得られ
ない。又比較例２では、熱処理を行わず、含水マグネタ
イト（含水率50％）を加えたため、高磁化が得られるも
ののゲル化を生じ実用上使用出来ないものであった。

比較例３、４ 市販の鉱油磁性流体である。

結果を第２表に示す。

分散安定性評価試験方法 分散安定性試験は、スポットテスト法で次の手順で評
価した。

（１） 試料をガラス棒で取りその一滴をろ紙（東洋ろ
紙No.50）上に滴下する。

（２） 100℃で１時間放置後ASTM D2781に準拠した後
述する６段階分類に従ってスポットリングの状態を判定
する。

スポットリング評価基準は以下の通りである。

No.1…インナーリングがなくスポットが均質な状態。

No.2…薄く、またはわずかにインナーリングが現れた状
態。

No.3…薄いインナーリングが現れるバックグラウンドよ
りわずかに暗くなった状態。

No.4…No.3のインナーリングに比べて厚みが増し、バッ
クグラウンドより多く暗くなった状態。

No.5…インナーリングの中央部に粒子状のものがありバ
ックグラウンドよりも非常に暗くなった状態。

No.6……インナーリング全体が粒子で暗くなり、厚みが
ある状態。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−207131（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140505（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−782（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素数が10以上の有機カルボン酸あるいは
   それらの塩のうち少なくとも一種の界面活性剤を吸着さ
   せた磁性微粒子と溶媒とこの溶媒に可溶の分散剤との混
   合物を熱処理することにより中間磁性流体を得、これに
   含水磁性微粒子を加え余剰水分を除去することからなる
   磁性流体の製造方法。