JP2911947B2 - 電気粘性流体用炭素質粉末 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電圧の印加によって粘性を増大する電気粘
性流体に関するものである。

［従来の技術］ 電気粘性流体は、非導電性の油の中に微細に分割した
誘電性の固体微粒子が分散している懸濁液で、充分に強
い電場の作用の下で極めて速やかにしかも可逆的に粘度
が変化する流体である。

粘度を変化させるためには直流の電場だけでなく交流
の電場も使用することができ、必要な電流は非常に小さ
く、少ない電力によって液体からほぼ固体状態になるま
で大きな粘度変化を与えるので、電気粘性流体は例えば
クラッチ、バルブ、ショックアブソーバー、バイブレー
ター、各種防振ゴムなどの装置や部品を制御するための
構成要素として検討されてきた。

従来、電気粘性流体の分散相構成成分としては誘電性
の固体微粒子が用いられているが、この固体微粒子とし
ては、表面に水を吸着させ、微細化されたセルロース、
デンプン、シリカゲル、イオン交換樹脂などが知られて
いる。また他の成分である液相構成成分としてはPCB、
セバシン酸ブチル、トランス油、塩素化パラフィン、シ
リコーン油などが知られている。しかし、これらの水分
を吸着させた固体微粒子を分散相とした電気粘性流体は
水分に由来する長期的な性能の不安定性や温度特性の不
安定性などが有り実用性に乏しく、実用価値のある極め
て高性能かつ安定度の高い電気粘性流体はいまだ存在し
ない。

［発明が解決しようとする課題］ 電気粘性効果の発現機構は充分に解明されていない。
しかし一般には、外部電界により固体微粒子表面での分
極が生じ、この分極した微粒子が静電引力により相互に
結合し架橋を生じる結果粘度が増大すると言われてい
る。

こうした観点から考えると、その表面に適度な官能基
を残した炭素質粒子より構成される炭素質粉末は優れた
性能を発揮できる可能性がある。もし、こうした炭素質
粉末が電気粘性流体用の誘電体微粒子として使用可能で
あるならば、従来の吸水性の固体粒子を使用することか
ら来る電気粘性流体の長期的な不安定性、温度特性の不
安定性などの問題点を解決し、その実用化に大いに寄与
することが期待できる。しかし炭素質粉末の電気粘性流
体用微粒子としえの利用は、過去、カーボンブラックな
どの応用が検討されてきたのみでほとんど研究されてい
ないと言ってよく、結果的に実用可能な優れた特性を有
する炭素質粉末は開発されていない。

本発明は上記の観点から炭素質粉末の特性と電気粘性
効果との関係を詳細に検討した結果、優れた電気粘性効
果が実現可能な炭素質粉末の発明に至ったものである。

ロ．発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明は従来の電気粘性流体が持っていた長期的な不
安定性、温度特性の不安定性などの問題点がなく優れた
電気粘性効果を示す電気粘性流体用の誘電微粒子の提供
を目的としたもので、電気絶縁性に優れた油状媒体に誘
電体微粒子を分散させることにより得られる電気粘性流
体において誘電体微粒子として使用される炭素質粉末で
あって、その粒子が、フリーカーボンを含有しないター
ル・ピッチ類にシリカ、アルミナ、ルチル及び珪酸アル
ミからなる群から選ばれる無機質微粒子を混合分散し、
実質的に不活性雰囲気中で熱処理することにより、該無
機質微粒子を発生核として成長したものであることを特
徴とする電気粘性流体用炭素質粉末によりこの問題を解
決した。

一般に電気粘性流体に要求される特性としては外部電
界下で低電流により大きな粘性変化をもたらすことに加
え、固体微粒子が油状媒体中で沈降しないこと、さらに
長期的な使用や温度に対して安定であること、電界の印
加に対する応答性に優れることなどが挙げられる。

こうした電気粘性流体に要求される特性を満足するに
必要な炭素質粉末について詳細に検討した結果、本発明
者らはその粉末を構成する炭素質粒子の元素分析におけ
る炭素原子と水素原子の比C/Hが2.00〜3.50、好ましく
は2.20〜3.00の値を有することが必要であることを見出
した（特願平１−172982号）。即ちC/H値が2.00未満の
時には炭素質粉末は誘電体としての機能を発揮できず結
果として充分な電気粘性効果を得ることができない。一
方C/H値が3.50を越す場合には電気粘性流体に電流が流
れすぎエネルギー効率を低下させ実用化上不都合である
ばかりでなく、ついには絶縁破壊を生ずる。

このC/H値は炭素質粒子の表面官能基に関係している
と考えられ、C/H値が大きいほど表面官能基の数が少な
いと言える。従って炭素質粉末のC/Hの値を制御するこ
とはその表面官能基の数、すなわち炭素質粒子の極性を
制御することになると思われる。一方C/H値は炭素質自
身の結晶性（黒鉛化性）にも関与しており、C/H値の増
加は炭素質自身の結晶性の向上を意味する。そのため、
小さなC/H値は誘電体としての機能を発揮させず、大き
なC/H値は電界の印加の際に粘性変化とともに炭素質自
身の優れた結晶性のため大きな電流が流れることになる
と思われる。

本発明者はさらに研究を重ねた結果、通常炭素質粒子
の原料となるコールタールピッチ中に元々含まれるフリ
ーカーボン（別名遊離炭素とも言われる）をあらかじめ
除去することが、電界印加中の消費電力を低減させるこ
とに効果的であることを発見した。

フリーカボンはコークス炉で1000℃以上で熱分解され
た極めて炭素化の進んだ無定形の微細炭素粒子であり、
本発明者らの分析によればそのC/H値は4.0〜6.0と極め
て大きな値を有しており、炭素質粉末を電気粘性流体用
原料として使用する場合、かかるフリーカーボンが含有
されていると電界印加中の電流値が増加する。

一方、フリーカーボンは炭素質粒子をコールタール原
料からメソフェーズ小球体として発生させる際の発生核
となることも知られており、コールタール原料からフリ
ーカーボンをあらかじめ除去すると、炭素質粒子の単位
体積あたりの発生個数が減り、大粒子が発生し易くなる
と言う問題がある。

このような問題点を解決するために研究を重ねた結
果、本発明者らはシリカのような無機質微粒子をあらか
じめコールタールに添加すると、メソフェーズ小球体の
発生核として利用でき、炭素質粒子の発生個数が増加
し、粒径も小さくなることを見い出した。

さらに、無機質微粒子を発生核として成長させて得ら
れた炭素質粒子の表面または内部には、無機質微粒子が
付着または含有しており、導電性の低い無機質微粒子を
使用した場合、電圧印加時の消費電力も低減できた。

発生核として添加する無機質微粒子としてはできるだ
け導電率が低いものが好ましく、シリカ、アルミナ、ル
チル、珪酸アルミのような金属酸化物が例示される。ま
た無機質微粒子の平均粒子径は0.01〜１ミクロンが好ま
しく、１ミクロン以上では発生核としては大きく、0.01
ミクロン以下では電気粘性流体の電圧を印加しないとき
の粘度の上昇が著しい。また粒度分布はできるだけシャ
ープであることが好ましい。

発生核としてコールタールに添加する無機質微粒子の
添加量は0.1〜20体積％が好ましく、0.1％以下では大粒
子が発生し、また20％以上では炭素質粒子としての性質
が損なわれ、電気粘性効果が減少する。

炭素質粒子の好ましい粒径としては0.5〜50ミクロン
であり、50ミクロン以上の場合は使用する油状媒体にも
よるが、通常油状媒体中で沈降を起こす。また0.5ミク
ロン以下の微粒子の場合は油状媒体中での分散が困難に
なる。

以上のようにして得られた炭素質粉末をスピンンドル
油、トランス油、塩素化パラフィン、シリコーン油など
の電気絶縁性の高い油状媒体中に分散させることによ
り、従来に見られなかった長期使用と温度に対する安定
性を有する優れた電気粘性流体を製造可能である。

かかる炭素質粉末の具体的な製造方法について更に詳
細に説明する。原料としては通常石炭系タール又は石油
系タール或は樹脂類が使用される。石炭系タールを使用
する場合、原料タール中にフリーカーボンが含有されて
いる時には必要に応じてこれをあらかじめ遠心分離法、
各種溶剤添加による静置分離法又は濾過法により除去
し、無機質微粒子を所定量、混合機で混入する。

炭素化については原料である石炭系又は石油系タール
は、熱処理、溶剤抽出など一般にこうしたタール・ピッ
チ類に適用される方法、又はこれらの方法の組合わせに
より炭素化を進め、C/Hの値を調整する。また必要に応
じ最終的に粉砕法によりその粒子径の制御を行う。

以下さらに具体的な実施例でもって説明する。なお本
発明は以下の実施例によりなんら制約されるものではな
い。

［実施例］ フリーカーボンをまったく含有しないコールタールに
平均粒子径0.5ミクロンのシリカ微粒子を２％混合分散
し、450℃で実質的に不活性雰囲気中で熱処理した。熱
処理を行った後のメソフェーズ小球体の発生の様子を偏
光顕微鏡写真で観察したところ、多くの微小球が発生し
ていることが確認される。

得られた熱処理物をタール系中油（沸点範囲120〜250
℃）を使用し抽出・濾過した。かかる抽出・濾過残留物
を450℃の温度、窒素気流下で再熱処理して炭素質粉末
を得た。こうして得られた炭素質粉末のC/Hの値は2.37
であり平均粒径は18.0ミクロンであった。この炭素質粉
末を電気絶縁性油状媒体である室温での粘度0.1ポイズ
のシリコーン油に36％均一に分散させ電気粘性流体を得
た。

この電気粘性流体に室温で2KV/mmの電圧をかけ、この
ときの流体の粘度変化と流体中を流れる電流値を測定
し、その電気粘性流体としての機能を評価した。粘度の
測定は二重円筒型回転粘度計を使用し、内外円筒間に直
流電圧を印加した時の剪断速度366/秒における見掛けの
粘度を測定した。

その結果、この電気粘性流体の室温における粘度変化
は2.9ポイズ、電流値0.08mAであった。

［比較例］ フリーカーボンを含有するコールタールを450℃で実
質的に不活性雰囲気中で熱処理した。得られた熱処理物
をタール系中油（沸点範囲120〜250℃）を使用し抽出・
濾過した。かかる抽出・濾過残留物を350℃の温度、窒
素気流下で再熱処理して炭素質粉末を得た。こうして得
られた炭素質粉末のC/Hの値は2.31であり平均粒径は16.
1ミクロンであった。この炭素質粉末を電気絶縁性油状
媒体である室温での粘度0.1ポイズのシリコーン油に36
％均一に分散させ電気粘性流体を得た。

この電気粘性流体を実施例と同様な方法で電気粘性流
体としての機能を評価した。その結果、この電気粘性流
体の室温における粘度変化が2.7ポイズ、電流値は0.26m
Aであった。

以上の結果から実施例における流体は比較例における
流体に比べ非常に少ない電流で同様の粘度変化を与える
ことがわかった。これにより、フリーカーボンを除去
し、無機質微粒子を発生核とすることで、より電気粘性
特性に優れた炭素質粉末が得られることが確認された。

ハ．発明の効果 本発明は、従来ほとんど検討されていなかった炭素質
粒子の電気粘性流体への適用を可能としたもので、本発
明による炭素質粒子を誘電体粒子として使用することに
より、少ない電力消費で優れた電気粘性効果を有する非
水系電気粘性流体を製造可能とした。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｃ１０Ｎ 20:06 40:14 (72)発明者 鳥居 孝行 千葉県千葉市川崎町１番地 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C10M 125/00 - 125/30 C10M 103/00 - 103/06 C10N 40:14

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気絶縁性に優れた油状媒体に誘電体微粒
   子を分散させることにより得られる電気粘性流体におい
   て誘電体微粒子として使用される炭素質粉末であって、
   その粒子が、フリーカーボンを含有しないタール・ピッ
   チ類にシリカ、アルミナ、ルチル及び珪酸アルミからな
   る群から選ばれる無機質微粒子を混合分散し、実質的に
   不活性雰囲気中で熱処理することにより、該無機質微粒
   子を発生核として成長したものであることを特徴とする
   電気粘性流体用炭素質粉末。