JP3020559B2 - 電気粘性流体用炭素質粉末及びその製造方法 - 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］ 電気粘性流体とは流体に電界を印加することにより流
体の見掛け粘度が迅速且つ可逆的に変化する現象を呈す
る流体であり、一般的には電気絶縁性の優れた油状媒体
に誘電体である微粒子を分散させることにより構成され
ている。

この電気粘性流体の特徴は古くから知られ、クラッ
チ、バルブ、ショックアブソーバー、各種防振ゴム、ア
クチュエータ、ロボットアーム、制振材などの装置や部
品を電気的に制御するための構成要素としての応用が検
討されてきた。

本発明はかかる電気粘性流体を製造するために用いら
れる誘電体微粒子で、特に優れた電気粘性効果（電圧印
加時の見掛けの粘度増加）を実現することが可能な誘電
性を有する新規な微粒子に関するものである。

［従来の技術］ 従来、電気粘性流体の分散相構成成分として用いられ
る固体微粒子としては、微細化して表面に水を吸着させ
たセルロース、デンプン、シリカゲル、イオン交換樹脂
等が知られている。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、スピンドル油、トラ
ンス油、塩化パラフィン、シリコン油等の電気絶縁性の
高い油状媒体が知られている。

こうした電気粘性流体は、例えば米国特許第2886151
号、第3047507号或は特開昭53−17585号、特開昭53−93
186号、特開昭57−47234号、特開昭61−44998号、特開
昭61−259752号、特開昭62−95397号、特開平１−20739
5号等に開示されている。

一方、かかる電気粘性流体の改善にかかわるいくつか
の提案もなされている。例えば、吸水した固体微粒子を
使用することからくる長期的な不安定性、温度特性の不
安定性等を改善するため固体微粒子表面を種々の高分子
で被覆する方法等が開示されている（特開昭47−17674
号，特開昭63−97694号）。

しかし、これまで主として開発されてきた電気粘性流
体は固体微粒子表面に吸着させた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等があり、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は解明されていな
い。しかし一般には、外部電界により微粒子に分極が生
じ、この分極した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、発明者らは水素、酸素などの炭素
以外の元素を含有し適度な官能基を残した炭素質粉末は
電気粘性流体用固体粒子として優れた性能を発揮でき、
従来の吸水性の固体微粒子を使用することから来る電気
粘性流体の長期的不安定性及び温度による特性の不安定
性等の問題点を解決し、その実用化に大いに寄与するこ
とが期待できると考えた。

しかし、炭素質粉末の電気粘性流体としての利用は、
過去、カーボンブラック等の適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。

本発明者らは炭素質粉末の特性と電気粘性効果との関
係について詳細に検討した結果、長期的安定性及び温度
に対する安定性に優れた電気粘性流体用炭素質粉末及び
その製造方法を発明するに至った。

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
は、炭素原子と水素原子の数の比（C/H）の値が1.70〜
3.50の範囲であること及び窒素雰囲気下での400℃〜600
℃の温度範囲における重量減少量が0.5〜13.0重量％の
範囲であることの内の少なくとも一方の条件を満たして
いることを基本的要件とする。

電気粘性流体に要求される一般的な特性としては、外
部電界下で低電流により大きな粘性変化（見掛けの粘度
の増加）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、更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てい
ること等が挙げられる。

こうした電気粘性流体に要求される特性を満足するの
に必要な炭素質粉末について詳細に検討した結果、元素
分析における炭素原子と水素原子の数の比（C/H）の値
が1.70〜3.50、好ましくは2.00〜3.50、特に好ましくは
2.20〜3.00の範囲であることが重要であることが判明し
た。

即ち炭素質微粒子のC/H値が1.70未満の時には炭素質
微粒子は電気粘性流体に好適な誘電体微粒子としての機
能を充分発揮できず、結果として充分な電気粘性効果を
得ることが出来ない。一方C/H値が3.50を越えるときに
は電気粘性流体に電流が流れ過ぎ、実用上エネルギー効
率を低下させる。

このC/Hの値は炭素質粉末の表面及び／又は内部の官
能基に関係していると考えられ、C/H値が大きい程表面
及び／又は内部の官能基の数が少ないといえる。従って
炭素質粉末のC/H値を制御することはその表面及び／又
は内部の官能基の数を、即ち炭素質粉末の分極性を制御
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値では電気粘性流体に好適な誘電体微粒子としての機
能を発揮させず、大きなC/H値で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。

また本発明者らの研究によれば、C/Hの値に加え、窒
素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における重量減
少量の値も炭素質粉末の電気粘性流体用誘電体粒子とし
ての機能に重要な関係があることが判明した。即ち、窒
素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における重量減
少量が0.5〜13.0重量％の範囲、好ましくは0.5〜6.0重
量％の範囲の値を有する炭素質粉末は電気粘性流体用誘
電体として特に優れた機能を発揮することが出来る。40
0℃〜600℃の温度範囲における重量減少量が13.0重量％
を越えるときには炭素質粉末は誘電体粒子としての機能
を充分発揮できず結果として充分な電気粘性効果を得る
ことが出来ない。一方、重量減少量が0.5重量％未満の
ときには電気粘性流体に電流が流れすぎ実用上エネルギ
ー効率を低下させる。

こうした、窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲
における重量減少量は熱天秤（TGA）で測定される。本
発明における重量減少量は窒素流通下で室温から連続的
に一分間に10℃の速度で昇温した時の400℃から600℃ま
での温度範囲における重量減少量を示す。

この窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲におけ
る重量減少量は、炭素質粉末の表面及び／又は内部の結
晶化に関与しない低分子量成分の量に関係していると考
えられ、窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲にお
ける重量減少量が少ない程、この低分子量成分の量が少
ないといえる。従って炭素質粉末の窒素雰囲気下での40
0℃〜600℃の温度範囲における重量減少量を制御するこ
とはその結晶化に関与しない低分子量成分の量、即ち炭
素質粉末の分極性を制御することになると思われる。

窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における重
量減少量はC/H値と通常関係があり、炭素質粉末の最高
処理温度が上昇するにつれて重量減少量は減少し一方C/
H値は増加する。従って電気粘性流体用固体微粒子とし
て好適な炭素質粉末を得るためには、窒素雰囲気下での
400℃〜600℃の温度範囲における重量減少量及びC/H値
のいずれか一方又は両方が好適な値を持つような最高処
理温度を選択する必要がある。

こうした観点からの電気粘性流体用誘電粒子の研究と
それを満足する炭素質粉末の開発は従来全く行われてい
ず、本発明の意義は極めて大きいと考えられる。

また好ましい他の特性として、電気粘性流体の高温時
及び長期的な安定性を確保するために、炭素質粉末中の
低沸点成分をできる限り除去することが望ましい。特
に、熱天秤（TGA）により窒素雰囲気下で10℃／分で連
続的に昇温した際の室温から200℃までの重量減少量が
0.5重量％以下、好ましくは0.3重量％以下であることが
望ましい。

こうした低沸点成分は繰返しの使用と高温使用時に揮
発するため電気粘性流体の長期的安定性及び温度に対す
る安定性を阻害すると考えられる。

更に、炭素原子と水素原子の数の比（C/H）の値が1.7
0〜3.50の範囲及び／又は窒素雰囲気下での400℃〜600
℃の温度範囲における重量減少量が0.5〜13.0重量％の
範囲である炭素質粉末の粒径は、最大粒径が50μｍ以下
が好ましく、更には最大粒径が50μｍ以下で平均粒径が
0.5〜40μｍの範囲、好ましくは２〜40μｍ、特に２〜1
0μｍの範囲であることが望ましい。

ここで記述される粒径とは、コールターカウンターを
用いて測定されるものである。

最大粒径が50μｍを超えるか、或は平均粒径が40μｍ
を越える場合には、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しやすくなる。また平均粒径が
0.5μｍ未満の微粉末の場合は電気粘性流体にしたとき
の電場のない状態での初期粘度が著しく大きくなって電
気粘性効果による粘性変化が小さい。

特に炭素質粉末中に超微粉が存在すると、電気粘性流
体にした場合に電界無印加時の流体粘度の上昇が極めて
顕著になり、電気粘性効果による粘性変化が小さくな
る。具体的には粒径1.59μｍ以下の超微粉が５重量％を
越えるとこうした悪影響が顕著になるため、粒径1.59μ
ｍ以下の超微粉量を５重量％以下にすることが好まし
く、必要に応じて分級等の操作により除去する。

このような粒径制御を行うことで、より安定で特性に
優れた炭素質粉末を得ることができる。

本発明者らはさらに研究を重ねた結果、通常炭素質粉
末の原料として用いられ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）
を予め除去することにより得られる実質的にフリーカー
ボンを含有しない炭素質粉末が、電界印加中の電気粘性
流体中に流れる電流値を低く抑え、消費電力を低減させ
ることに極めて効果的であることを発見した。

すなわち、本発明においては炭素質粉末が実質的にフ
リーカーボンを含有しないものであることが好ましい。

炭素質粉末中のフリーカーボン量は10重量％以下、望
ましくは５重量％以下が好ましい。フリーカーボン量が
10重量％を越える炭素質粉末を使用した電気粘性流体は
電流が流れすぎ、エネルギー効率を低下させるため実用
上好ましくない。

タール、ピッチなどに含まれるフリーカーボンはコー
クス炉において発生するタールが1000℃以上に加熱さ
れ、気相熱分解をうけて生成すると言われている極めて
炭素化の進んだ無定形の微細炭素粒子である。通常、フ
リーカーボンは平均粒径２μｍ以下の光学的に等方性の
微細炭素質粒子であり、タール中ではQI（キノリン不溶
分）として定量される。したがって、かかる炭素化の進
んだフリーカーボンが電気粘性流体用炭素質粉末中に含
有されていると全体の不均一性をもたらすとともに、電
気抵抗を下げるため電気粘性流体に過剰の電流を流し、
期待される電気粘性効果を得ることができないと考えら
れる。

このようなフリーカーボン量の制御方法としては、フ
リーカーボン量を制御したタール、ピッチなどを原料と
して電気粘性流体用炭素質粉末を製造することが効果的
である。電気粘性流体用炭素質粉末の原料として用いる
タール、ピッチなどのフリーカーボン含有量は下記の式
で示されるフリーカーボン量であることが好ましい。

即ち、フリーカーボン含有量が上式で規定される量の
タール、ピッチを原料として製造することで、フリーカ
ーボン含有量が10重量％以下の炭素質粉末を得ることが
可能となる。

フリーカーボンを多量に含有するタール、ピッチ等を
原料として炭素質粉末を製造する場合は、原料中に含有
されているフリーカーボンを予め除去しておくことが望
ましい。

タール、ピッチ中のフリーカーボンの除去方法として
は、一般に工業的に実施されている遠心分離、各種溶剤
を添加することによる静置分離法などが適用できる。

また、炭素質粉末中のフリーカーボン量の他の制御方
法としては、フリーカーボンが元来２μｍ以下の微細炭
素粒子であることに着目して、製造過程において分級処
理を施し２μｍ以下の粒子を分離制御することも効果的
である。分級方法としては、篩分け、風力分級、乾式及
び湿式での沈降分離、遠心分離等、一般的に用いられる
方法が適用できる。

また炭素質粉末中に含まれる酸素の濃度は3.0重量％
以下、好ましくは2.0重量％以下であることが望まし
い。炭素質粉末に含まれる酸素の濃度が3.0重量％を越
える場合、電気粘性流体に過剰の電流が流れエネルギー
効率を低下させてしまい、良好な電気粘性効果が得られ
ない。

本発明者らの研究によれば、炭素質粉末を電気粘性流
体用の固体微粒子として使用した場合、炭素質粉末の炭
素化の程度と酸素の濃度が電気粘性流体の特性と密接に
関係していることが明らかとなった。より炭素化の進行
した炭素質粉末を使用すると、電界印加時の粘性変化は
増大するが、これと同時に流体に流れる電流も増加す
る。

また炭素化の程度が同じであっても、炭素質粉末に含
まれる酸素の濃度が増すにつれ、電界印加時の粘性変化
が同様であるにもかかわらず流体に流れる電流が増加す
ることが発見された。酸素濃度の増加に伴って電流が増
加する理由は明瞭ではないが、炭素質粉末を電気粘性流
体用の固体微粒子として使用した場合に、炭素質粉末の
表面及び内部に存在する炭素−酸素の結合が直接或は間
接的に電流を流し易くするためと考えられる。

以上詳細に説明した特性を有する炭素質粉末は従来見
られなかった電気粘性効果と長期使用に対する安定性及
び温度に対する安定性を有し、スピンドル油、トランス
油、塩化パラフィン、シリコーン油等の通常、電気粘性
流体に使用される電気絶縁性油状媒体に分散させること
により極めて優れた電気粘性流体を製造することが出来
る。さらに、分散剤や高誘電率液体との共存も可能であ
ることは言うまでもない。

以下、かかる炭素質粉末の具体的製造方法について詳
細に説明する。

原料としては石炭、石炭系タール、ピッチ、石炭液化
物、コークス類、石油、石油系タール、ピッチ又は樹脂
類等が通常使用される。またこれらの混合物も使用され
る。

原料中にフリーカーボンや灰分が含有されている場合
には予めこれを除去することが好ましい。具体的には、
加圧瀘過法、遠心分離法や各種の溶剤を添加することに
よる静置分離法等、一般に工業的に実施されている方法
が適用可能である。

原料をオートクレーブ、キルン、流動層、電気炉等を
単独或は併用して最高温度が300℃〜800℃で熱処理し、
C/H値（1.70〜3.50の範囲）及び／又は窒素雰囲気下で
の400℃〜600℃の温度範囲における重量減少量（0.5〜1
3.0重量％の範囲）及び窒素雰囲気下での室温〜200℃の
温度範囲における重量減少量（0.5重量％以下）を、目
的とする値に調整する。

最高処理温度が300℃以下の場合、十分に炭素化が進
まずC/H値が1.70に達しない。またTGAによる室温〜200
℃の温度範囲で減少する水分を含む低沸点成分が十分に
除去されない。最高処理温度が800℃以上の場合は炭素
化が著しくC/H値が3.50を越えてしまう。

更に必要に応じて粉砕、分級を行って最大粒径を50μ
ｍ以下、平均粒径を0.5〜40μｍ、特に２〜40μｍ、更
に２〜10μｍに調整することが望ましい。分級の際に特
に粒径1.59μｍ以下の微粒子を５重量％以下に調整する
ことが望ましい。

粉砕及び分級はジェットミル、ボールミル及び風力分
級、篩分け、遠心分離、沈降分離など一般に工業的に行
われている方法が利用できる。なお粉砕、分級による粒
度調整工程は熱処理工程の前に行っても良いし、後で行
っても良いし、或は前後で行っても良い。

安定でかつ目的に適した電気粘性特性を実現するため
には、炭素質粉末のC/H値が狭い範囲に均一に揃ってい
て、窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における
重量減少量が上記範囲で、TGAによる室温〜200℃の温度
範囲で減少する水分を含む低沸点成分ができるだけ除去
されていることが必要である。

炭素質粉末中の低沸点成分は、熱処理、溶剤抽出条件
の選択、あるいは乾燥工程等を新たに設けることにより
制御可能である。

熱処理工程において、原料は炭素化の進行に伴い溶融
状態を経て固化状態へと移行する。この場合溶融によっ
て装置への付着、或は粒子同士の融着が起こると熱供給
が不均一になり、得られる炭素質粉末が不均一になる。
従って均一なC/H値の炭素質粉末を得るためには熱処理
工程で溶融付着を防止し、流動状態を長く保って、物質
全体に均一に熱を供給、制御することが必要となる。

これらの問題を解決するためには熱処理を数回に分け
て行うと良い。即ち各処理温度範囲における物質の流動
状態に適した装置を使用することにより均一な炭素質粉
末を得ることができ、かつTGAによる室温〜200℃の温度
範囲で減少する低沸点成分を効果的に除去することがで
きる。例えばピッチ、タールをオートクレーブなどで最
高処理温度以下で熱処理して融点を上昇させ、粉砕して
粒度を調整し、しかるのち流動層やロータリーキルンな
どで粉体を流動させながら均一に最終熱処理を行う方法
があげられる。

さらに有効な手段として、最高温度が300℃〜800℃の
熱処理前に有機溶剤で抽出、瀘過して残留物を得ること
によって炭素化度を上げるとともに原料を高融点化させ
るか、又は最高熱処理温度より低温で酸化処理を施して
原料を高融点化させる方法がある。これらの処理を行う
ことによって熱処理工程での溶融を防止することがで
き、C/H値や窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲
における重量減少量を均一にかつ容易に制御できる。有
機溶剤による抽出瀘過処理と最高熱処理温度より低温で
の酸化処理とは、いずれか一方を行っても良いし両方を
行っても良い。

またより好ましくは、原料を最高熱処理温度より低温
で熱処理してC/H値を制御して溶融温度を上昇させ、必
要に応じて粉砕を行ったのち、有機溶剤による抽出瀘過
処理及び最高熱処理温度より低温での酸化処理のいずれ
か一方又は両方の処理を行い、次いで残留物を最高処理
温度が300℃〜800℃で熱処理してC/H値及び又は窒素雰
囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における重量減少量
を厳密に制御する。これによって熱処理工程での溶融が
防止されるとともに、より容易に均一なC/H値を有し、
窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における重量
減少量が適正で、200℃以下の低沸点成分が少ない炭素
質粉末を製造することができる。

かかる炭素質粉末においては、熱天秤による窒素雰囲
気下での室温〜200℃の温度範囲における重量減少量が
0.5重量％以下、より好ましくは0.3重量％以下であるこ
とが望ましいが、この特性を効果的に得るためには、最
高温度が300℃〜800℃の熱処理によりC/H値及び／又は
窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における重量
減少量を調整した炭素質粉末を必要に応じて200℃以上
最高熱処理温度以下で再び熱処理することが有効であ
る。

最高温度が300℃〜800℃の熱処理の前に粒度調整を行
っていない場合には、前記の処理によって得られた炭素
質粉末をボールミル、ジェットミル等によって粉砕し、
次いで篩分け、分級機等によって分級することで目的と
する電気粘性流体に適した粒度に調整できる。

一般的には、油状媒体中での沈降を防ぎ、分散性を安
定させるため、最大粒径は50μｍ以下、平均粒径は0.5
〜40μｍ、好ましくは２〜40μｍ、更に２〜10μｍが望
ましい。また、電気粘性流体の特性を安定させるため
に、粒径の分布は狭い方が望ましい。さらに、この粉砕
および分級は熱処理や抽出、酸化処理の前に行うことも
温度分布を均一にする上で効果的である。

以下、具体的な実施例で説明する。なお本発明は以下
の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］ フリーカーボン（QI）を2.0重量％含有するコールタ
ールを20のオートクレーブを使用し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・瀘過
した。この抽出・瀘過残留物を内容積２のバッチ型の
回転反応炉を使用し、450℃の温度、2.0／分の窒素気
流下で均一に再加熱処理して炭素質粉末を得た。この炭
素質粉末を更に粉砕後、風力分級機を使用して平均粒径
３μｍに調整した。この時、粒径1.59μｍ以下の超微粉
量は1.5重量％であった。これらの粒径測定は50μｍの
アパチャーチューブを使用したコールターカウンターに
より測定した。

こうして得られた炭素質粉末のC/H値は2.39であっ
た。またTGA（熱天秤）により窒素流通下で連続的に一
分間に10℃の速度で昇温したときの重量減少量を測定し
た。この時炭素質粉末の400〜600℃と室温〜200℃の温
度範囲における重量減少量はそれぞれ3.5重量％と0.02
重量％であった。また元素分析による酸素濃度は0.65重
量％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約36重量％均一に分散
させ電気粘性流体を得た。かかる電気粘性流体に室温で
2KV/mmの電圧をかけ、この時の流体の粘性変化と流体中
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。また同様に120℃における粘性変化につ
いても測定し、その温度に対する安定性を評価した。粘
度の測定は二重円筒型回転粘度計（内円筒半径25mm、外
円筒半径26mm、内円筒高さ20mm）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性変化
は6.0ポイズ、電流値は0.19mAであった。また120℃でも
ほぼ同様な電気粘性効果を示した。

以上の結果から、かかる電気粘性流体は優れた性能を
有し、且つ温度安定性も優れていることが確認された。

［実施例２］ フリーカーボン（QI）を全く含有しないコールタール
を原料とし、実施例１と同様の方法で炭素質粉末を製造
した。この炭素質粉末の微粒子の平均粒径は３μｍ、粒
径1.59μｍ以下の超微粉量は1.4重量％、C/H値は2.37、
酸素濃度は0.68重量％で、TGAによる400〜600℃と室温
〜200℃の温度範囲における重量減少量はそれぞれ3.4重
量％と0.02重量％であった。粒径及びTGAの測定方法は
実施例１と同様である。かかる炭素質粉末を使用して実
施例１と同様の方法で電気粘性流体を調製し、その性質
を測定した。粘度の測定方法は実施例１と同様である。

その結果、この電気粘性流体の室温における粘性変化
は5.0ポイズ、電流値は0.03mAであった。また120℃でも
ほぼ同様な電気粘性効果を示した。これらの結果はこの
電気粘性流体が優れた性能を有し、かつ温度安定性にも
優れていることを示している。更に実施例１に比較して
粘性変化に対する電流値の値が極めて小さい特徴を有し
ている。これは、この炭素質粉末がフリーカーボンを含
有していないためと考えられる。

なおこの実施例２の電気粘性流体の測定値（●印）を
実施例３の電気粘性流体の測定値（○印）と共に第１
図、第２図、第３図及び第４図に示した。

［実施例３］ 実施例２で使用したタールを原料として、実施例１に
従って炭素質粉末を製造するに際し、熱処理条件及び再
熱処理温度条件を制御することにより炭化度（C/H値お
よびTGAによる400〜600℃の温度範囲における重量減少
量）の異なる10種類の炭素質粉末を製造した。かかる炭
素質粉末はいずれも平均粒径を約３μｍ、粒径1.59μｍ
以下の超微粉量は1.4〜1.5重量％とほぼ一定とし、TGA
による室温〜200℃の温度範囲における重量減少量を0.0
2重量％以下に調整した。また炭素質粉末の酸素濃度も
0.60〜0.70重量％と、ほぼ一定に抑制した。粒径及びTG
Aの測定方法は実施例１と同様である。

これらの炭素質粉末を使用して、実施例１に従って電
気粘性流体を製造しその性能を評価した。

第１図、第２図、第３図及び第４図に、このようにし
て得られた電気粘性流体の室温における性能試験結果を
○印で示した。

第１図は炭素質粉末のC/H値［横軸］と、それを使用
した電気粘性流体に2KV/mmの電圧をかけた時に電気粘性
流体中を流れる電流値（mA）［縦軸］との関係を示す
図、第２図は炭素質粉末のC/H値［横軸］と、それを使
用した電気粘性流体に2KV/mmの電圧をかけた時の粘性変
化値（ポイズ＝Ｐ）［縦軸］との関係を示す図で、矢印
（←→）は第１請求項に記載されたC/H値の範囲を示
す。また第３図は炭素質粉末のTGAによる400〜600℃温
度範囲での重量減少量［横軸］と、それを使用した電気
粘性流体に2KV/mmの電圧をかけた時に電気粘性流体中を
流れる電流値（mA）［縦軸］との関係を示す図、第４図
は炭素質粉末のTGAによる400〜600℃温度範囲での重量
減少量［横軸］と、それを使用した電気粘性流体に2KV/
mmの電圧をかけた時の粘性変化値（ポイズ＝Ｐ）［縦
軸］との関係を示す図で、矢印（←→）は第１請求項に
記載された重量減少量の値の範囲を示す。

第１図、第２図、第３図及び第４図に示された結果か
ら、電気粘性流体の性能は炭素質粉末のC/H値及びTGAに
よる400〜600℃の温度範囲での重量減少量に強く依存し
ていることが確認された。また、適切な粘性変化と電流
値を得られる炭素質粉末のC/H値が1.70〜3.50の間に、
またTGAによる400〜600℃温度範囲での重量減少量の値
が0.5〜13.0重量％の範囲にあることが認められた。

［比較例１］ 電気絶縁性油状媒体である室温での粘度0.1ポイズの
シリコーン油に誘電体として既知である水分含有量9.5
重量％の市販のポリアクリル酸ナトリウム微粉末を約36
重量％添加し、電気粘性流体を製造した。かかる既知の
電気粘性流体を実施例１と同様の方法により、その性能
を評価した。

その結果、かかる電気粘性流体の室温における粘性変
化は4.3ポイズ、電流値は0.04mAであった。しかし120℃
では過剰な電流が流れるため粘性変化を測定する事は不
可能であった。

これとは対照的に、本発明による炭素質粉末を使用し
た電気粘性流体は、従来の電気粘性流体に比較して電気
粘性効果及び温度安定性の面で極めて優れた特性を有し
ていることを示している。

［実施例４］ フリーカーボンを含有しないコールタールを原料と
し、実施例１と同様の方法で熱処理温度、再熱処理温度
及び分級条件を制御することにより室温〜200℃の温度
範囲における重量減少量を約0.1重量％以下に調整した
炭素質粉末を製造した。この炭素質粉末のC/H値は2.38
であった。炭素質粉末の粒径の測定は実施例１と同様の
方法で行った。得られた炭素質粉末の粒度分布を測定し
た結果を第５図に示した。第５図において横軸は炭素質
粉末の粒径（μｍ）、縦軸はその含有率（重量％）を
示。またTGAによる400〜600℃の温度範囲における重量
減少量は3.7重量％であった。

これらの炭素質粉末を使用して、実施例１に従って電
気粘性流体を製造しその性能を評価した。このようにし
て得られた電気粘性流体の室温における性能試験結果を
第１表に示した。また120℃でも室温と同様の電気粘性
効果を得た。

［実施例５］ 実施例４で用いたフリーカーボンを含有しないコール
タールを原料とし、実施例４と同様の方法で熱処理温度
及び再熱処理温度を制御して炭素質粉末を製造し、実施
例４と同様に粉砕、分級を行い粒径を制御した後、更に
風力分級機を用いて粒径1.59μｍ以下の微粒子を５重量
％以下にして最終的に平均粒径を調整した。C/H値は2.3
5であった。炭素質粉末の粒径の測定は実施例４と同様
の方法で行った。

得られた炭素質粉末の粒度分布測定結果を第６図に示
した。第６図も第５図と同じく横軸は炭素質粉末の粒径
（μｍ）、縦軸はその含有率（重量％）を示す。実施例
４の炭素質粉末（第５図）と比較して1.59μｍ以下の微
粒子が５重量％以下に調整されていることがわかる。ま
たTGAによる400〜600℃の温度範囲における重量減少量
は3.5重量％であった。

さらに実施例４に従って電気粘性流体を製造しその性
質を評価した。

このようにして得られた電気粘性流体の室温における
性能試験結果を実施例４の結果と共に第１表に示した。

第１表に示された結果から、本実施例の炭素質粉末を
用いた電気粘性流体は、実施例４の炭素質粉末を用いた
電気粘性流体に比較して粘性変化に対する電流値が更に
小さく、より優れた性能を有していることがわかった。

これにより、フリーカーボンがなく、1.59μｍ以下の
微粒子を５重量％以下に調整することで、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。

［実施例６］ フリーカーボンを含有しないコールタールを、20の
オートクレーブを使用して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・濾過残留物を内容積２のバッチ型の回転反応
炉を使用して温度450℃、2.0／分の窒素気流下で再熱
処理して炭素質粉末を得た。かかる炭素質粉末を更に粉
砕後、風力分級機を使用して平均粒径約3.2μｍに調整
した。又200℃以下の低沸点成分を0.1重量％以下に調整
した。次いで酸素含有雰囲気で温度及び時間を制御して
熱処理し、酸素濃度の異なる炭素質粉末を製造した。こ
うして得られた炭素質粉末のC/H値は2.36で、TGAによる
400〜600℃の温度範囲における重量減少量は3.6重量％
であった。粒径の測定はコールターカウンターを使用
し、50μｍのアパーチャーチューブを用いて行った。

これらの炭素質粉末を使用して実施例１に従って電気
粘性流体を製造しその性能を評価した。

第７図および第８図に、このようにして得られた電気
粘性流体の室温における性能試験結果（○印）を示し
た。

第７図において横軸と縦軸は、それぞれ炭素質粉末の
酸素濃度（wt％）とその炭素質粉末を使用した電気粘性
流体に電圧を印加した時の電流値（mA）を示す。第８図
の横軸と縦軸は、それぞれ炭素質粉末の酸素濃度（wt
％）とその炭素質粉末を使用した電気粘性流体に電圧を
印加した時の粘性の変化量（ポイズ）を示す。なお120
℃でも室温と同様の電気粘性効果が得られた。

第7,8図に示された結果から、炭素質粉末の酸素濃度
の増加に伴って流体中に流れる電流が増加することがわ
かった。従って、エネルギー効率を考慮に入れると炭素
質粉末に含まれる酸素濃度はできる限り低いほうがよ
く、酸素濃度が3.0重量％を越えると電流が流れ過ぎ、
実用性に支障をきたすことがわかった。

また、C/Hの異なる炭素質粉末においても酸素濃度に
対して同様な結果を得た。

［実施例７］ フリーカーボン（QI）を含有しないコールタールを20
のオートクレーブを使用して460℃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内容積２
のバッチ型の回転反応炉を使用し、温度510℃、5.0／
分の窒素気流下で再熱処理して炭素質粉末を得た。かか
る炭素質粉末を更にシェットミルで粉砕後、風力分級機
を使用して平均粒径３μｍに調整した。粒径の測定は、
コールターカウンターを使用し50μｍのアパチャーチュ
ーブを用いて行った。こうして得られた炭素質粉末のC/
Hの値は2.35であった。また、TGA（熱天秤）による測定
の結果、かかる炭素質粉末の室温〜200℃の温度範囲に
おける重量減少量は約0.10重量％であった。本炭素質粉
末は、回転反応炉内で溶融し、炉内壁に付着したため、
均一に熱が供給されず、不均一さを呈した。

かかる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ポイズのシリコンオイルに約36重量％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１と同様にして評価した。
その結果、室温における粘性変化は3.9ポイズ、電流値
は0.10mAであった。また120℃でも室温とほぼ同様な電
気粘性効果を示した。

以上の結果から、この電気粘性流体は優れた性能を有
し、かつ温度安定性にも優れていることが確認された。

［実施例８］ フリーカーボンを含有しないコールタールを減圧下40
0℃で処理して得られたピッチを原料とし、タール系中
油（沸点範囲120〜250℃）を使用し抽出・瀘過した。こ
の抽出・瀘過残留物を実施例７と同様に回転反応炉で温
度490℃、2.0／分の窒素気流下で熱処理して、実施例
７と同様に粒度調整した。この炭素質粉末の製造では有
機溶剤による抽出を行うことによって熱処理時の溶融付
着を実施例７に比較して十分防ぐことができた。

この炭素質粉末を使用して、実施例１に従って電気粘
性流体を製造してその性能を評価した。第２表にこのよ
うにして得られた電気粘性流体の室温における性能試験
結果を実施例７の結果とともに示した。また120℃でも
室温とほぼ同様な電気粘性効果を示した。

第２表に示された結果から、実施例８の炭素質粉末を
用いた電気粘性流体は実施例７に比較して粘性変化に対
する電流値が小さいという優れた特徴を有していること
が確認された。これは回転反応炉内で溶融付着を起こさ
ず、より均一に製造されたためであると考えられる。

［実施例９］ 実施例７で用いたコールタールを原料とし、20のオ
ートクレーブを使用して460℃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を使
用し抽出・瀘過した。瀘過残留物を実施例7,8の回転反
応炉を使用し、温度480℃、2.0／分の窒素気流下で再
熱処理して平均粒径約３μｍに調整し、実施例7,8と同
様に粒径を測定した。またTGAによる測定の結果、この
炭素質粉末の室温〜200℃の温度範囲における重量減少
量は約0.10重量％であった。本炭素質粉末の製造におい
て、熱処理時の溶融融着は全く見られなかった。

この炭素質粉末を用いて、実施例１に従って電気粘性
流体を製造し、その性能を評価した。第２表にこの電気
粘性流体の室温における性能試験結果を実施例7.8の結
果とともに示した。また120℃でも室温とほぼ同様の電
気粘性効果を示した。

第２表に示された結果から、本実施例の炭素質粉末を
用いた電気粘性流体は、実施例８に比較して粘性変化に
対する電流値がさらに小さかった。これにより、本方法
によって均一に製造された炭素質粉末は、より電気粘性
特性に優れた炭素質粉末であることが確認された。

［実施例10］ 実施例９で得られた炭素質粉末を実施例７の回転反応
炉を使用し、温度400℃、2.0／分の窒素気流下で再度
熱処理した。得られた炭素質粉末の熱天秤（TGA）によ
る窒素気流下200℃以下での重量減少は認められなかっ
た。

該炭素質粉末を用いて実施例９に従って電気粘性流体
を製造し、その性能を評価した結果、粘性変化量、電流
値は実施例９とほぼ同様であった。

［実施例11］ フリーカーボンが、0.0、1.2、2.0、3.0、3.3又は4.6
重量％のコールタールピッチを原料とし、実施例１と同
様の方法で熱処理し、再熱処理温度、分級条件を制御す
ることによりC/H値、粒径などを制御して、平均粒径3.0
μｍに調整した。このときピッチからの収率は39〜42重
量％であった。

こうして得られた炭素質粉末のC/H値は2.37〜2.39、T
GA（熱天秤）による窒素雰囲気下での400〜600℃と室温
〜200℃の温度範囲における重量減少量はそれぞれ3.4〜
3.6重量％と0.01〜0.03重量％、1.59μｍ以下の粒子は
1.2〜1.6重量％、元素分析による酸素濃度は0.62〜0.69
重量％であった。これら炭素質粉末のフリーカーボン量
はそれぞれ0.0、3.0、5.0、7.5、8.5、11.0重量％であ
った。これらの炭素質粉末を使用して実施例１に従って
電気粘性流体を製造しその性能を評価した。

第９図及び第10図に、このようにして得られた電気粘
性流体の室温における性能試験結果を示した。

第９図において横軸と縦軸はそれぞれ炭素質粉末中の
フリーカーボン量（wt％）とその炭素質粉末を使用した
電気粘性流体に電圧を印加した時の電流値（mA）を示
す。第10図の横軸と縦軸はそれぞれ炭素質粉末中のフリ
ーカーボン量（wt％）とその炭素質粉末を使用した電気
粘性流体に電圧を印加した時の粘性の変化量（ポイズ）
を示す。また120℃でも室温と同様の電気粘性効果が得
られた。

第9,10図に示された結果から、炭素質粉末のフリーカ
ーボン量の増加に伴って流体中に流れる電流が増加する
ことがわかった。従って、エネルギー効率を考慮に入れ
ると、炭素質粉末に含まれるフリーカーボン量はできる
限り少ないほうがよく、フリーカーボン量が10.0重量％
を越えると電流が流れ過ぎ、実用性に支障をきたすこと
がわかった。

また、C/Hの異なる炭素質粉末においてもフリーカー
ボン量に対して実施例11と同様な結果を得た。

［比較例２］ フリーカーボンを含有するコールタールピッチから、
タール重油（沸点範囲＝270℃〜350℃）によりフリーカ
ーボンを抽出分離した。得られたフリーカーボンのC/H
値は4.5、粒径の大部分は1.0μｍ以下であった。粒径測
定は実施例１と同様の方法で行った。

得られたフリーカーボンを使用して実施例11に従って
電気粘性流体を製造しその性能を評価した。その結果、
室温における粘性変化は0.9ポイズ、電流値は1.41mAで
あった。このことから、炭素化の進んだフリーカーボン
を用いた電気粘性流体は過剰に電流を流すことが明らか
になった。したがって、炭素質粉末中に過剰にフリーカ
ーボンが含有されていると、流体に過剰な電流を流して
性能を悪化させることになる。

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
粉末の電気粘性流体への適用を可能にしたもので、本発
明による炭素質粉末を誘電体微粒子として使用すること
により極めて優れた電気粘性効果を有する電気粘性流体
を製造可能とした。

この電気粘性流体は、従来の電気粘性流体の最大の問
題点とされていた吸水性固体粒子を使用することからく
る長期的な使用に対する不安定性及び温度に対する不安
定性を解決し、電気粘性流体のクラッチ、バルブ、衝撃
吸収体等の産業上の応用を可能にする道を開くものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は炭素質粉末のC/H値と、それを使用した電気粘
性流体に2KV/mmの電圧をかけた時に電気粘性流体中を流
れる電流値との関係を示す図、第２図は炭素質粉末のC/
H値と、それを使用した電気粘性流体に2KV/mmの電圧を
かけた時の粘性変化値との関係を示す図、第３図は炭素
質粉末のTGAによる400〜600℃温度範囲での重量減少量
と、それを使用した電気粘性流体に2KV/mmの電圧をかけ
た時に電気粘性流体中を流れる電流値との関係を示す
図、第４図は炭素質粉末のTGAによる400〜600℃温度範
囲での重量減少量と、それを使用した電気粘性流体に2K
V/mmの電圧をかけた時の粘性変化値との関係を示す図
で、●印は実施例２の電気粘性流体の測定値、○印は実
施例３の電気粘性流体の測定値である。 第５図は実施例４で調製したC/H値2.38の炭素質粉末の
粒度分布測定結果を示す図、第６図は実施例５で調製し
たC/H値2.35の炭素質粉末の粒度分布測定結果を示す図
で、いずれも横軸は炭素質粉末の粒径（μｍ）、縦軸は
その含有率（重量％）を示す。 第７図は炭素質粉末の酸素濃度とその炭素質粉末を使用
した電気粘性流体に電圧を印加した時の電流値との関係
を示す図、第８図は炭素質粉末の酸素濃度とその炭素質
粉末を使用した電気粘性流体に電圧を印加した時の粘性
の変化量を示す図である。 第９図は炭素質粉末のフリーカーボン量とその炭素質粉
末を使用した電気粘性流体に電圧を印加した時の電流値
との関係を示す図、第10図は炭素粉末のフリーカーボン
量とその炭素質粉末を使用した電気粘性流体に電圧を印
加した時の粘性の変化量を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平2−42408 (32)優先日 平成２年２月26日(1990．2．26) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平2−42409 (32)優先日 平成２年２月26日(1990．2．26) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 丸山 隆之 東京都小平市小川東町３―１―１ (72)発明者 斎藤 翼 東京都小平市小川東町３―１―１ (56)参考文献 特開 平３−247698（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−97694（ＪＰ，Ａ) 欧州公開156051（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C01B 31/02 101 C10M 125/02

Claims (14)

(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炭
   素原子と水素原子の数の比（C/H）の値が1.70〜3.50の
   範囲であること及び窒素雰囲気下での400℃〜600℃の温
   度範囲における重量減少量が0.5〜13.0重量％の範囲で
   あることの内の少なくとも一方の条件を満たしているこ
   とを特徴とする電気粘性流体用炭素質粉末。
2. 【請求項２】炭素原子と水素原子の数の比（C/H）の値
   が2.00〜3.50の範囲であること及び窒素雰囲気下での40
   0℃〜600℃の温度範囲における重量減少量が0.5〜6.0重
   量％の範囲であることの内の少なくとも一方の条件を満
   たしていることを特徴とする請求項第１項に記載の電気
   粘性流体用炭素質粉末。
3. 【請求項３】窒素雰囲気下での室温〜200℃の温度範囲
   における重量減少量が0.5重量％以下であることを特徴
   とする請求項第１項に記載の電気粘性流体用炭素質粉
   末。
4. 【請求項４】最大粒径が50μｍ以下であることを特徴と
   する請求項第１項又は第３項に記載の電気粘性流体用炭
   素質粉末。
5. 【請求項５】炭素質粉末の最大粒径が50μｍ以下で平均
   粒径が0.5〜40μｍの範囲であることを特徴とする請求
   項第１項又は第３項に記載の電気粘性流体用炭素質粉
   末。
6. 【請求項６】粒径1.59μｍ以下の微粒子の含有率が５重
   量％以下であることを特徴とする請求項第４項に記載の
   電気粘性流体用炭素質粉末。
7. 【請求項７】炭素質粉末に含有されるフリーカーボンが
   ０〜10重量％の範囲であることを特徴とする請求項第１
   項又は第３項に記載の電気粘性流体用炭素質粉末。
8. 【請求項８】炭素質粉末に含まれる酸素の濃度が3.0重
   量％以下であることを特徴とする請求項第１項又は第３
   項に記載の電気粘性流体用炭素質粉末。
9. 【請求項９】石炭、石炭系タール、ピッチ、石炭液化
   物、コークス類、石油、石油系タール、ピッチ及び樹脂
   類よりなる群より選ばれる有機化合物を原料として用
   い、最高温度が300〜800℃の熱処理工程と粒度調整工程
   との組合せにより、炭素原子と水素原子の数の比（C/
   H）の値を1.70〜3.50の範囲及び／又は窒素雰囲気下で
   の400℃〜600℃の温度範囲における重量減少量を0.5〜1
   3.0重量％の範囲、窒素雰囲気下での室温〜200℃の温度
   範囲における重量減少量を0.5重量％以下、最大粒径を5
   0μｍ以下、平均粒径を0.5〜40μｍに調整することを特
   徴とする電気粘性流体用炭素質粉末の製造方法。
10. 【請求項１０】原料のタール又はピッチに含有されるフ
    リーカーボンを低減させる工程を有することを特徴とす
    る請求項第９項に記載の電気粘性流体用炭素質粉末の製
    造方法。
11. 【請求項１１】フリーカーボンの量が下記の式により規
    定される量のタール又はピッチを原料とすることを特徴
    とする請求項第９項又は第10項に記載の電気粘性流体用
    炭素質粉末の製造方法。
12. 【請求項１２】炭素質粉末の製造において、粉末分級処
    理により炭素質粉末中のフリーカーボンを10重量％以下
    に低減させることを特徴とする請求項第９項に記載の電
    気粘性流体用炭素質粉末の製造方法。
13. 【請求項１３】石炭、石炭系タール、ピッチ、石炭液化
    物、コークス類、石油、石油系タール、ピッチ及び樹脂
    類よりなる群より選ばれる有機化合物を原料として用
    い、有機溶剤による抽出瀘過処理及び最高熱処理温度よ
    り低温での酸化処理のいずれか一方又は両方の処理を行
    ったのち、残留物を最高温度が300〜800℃の熱処理工程
    と粒度調整工程との組合せにより、炭素原子と水素原子
    の数の比（C/H）の値を1.70〜3.50の範囲及び／又は窒
    素雰囲気下での400℃〜600℃の温度範囲における重量減
    少量を0.5〜13.0重量％の範囲、窒素雰囲気下での室温
    〜200℃の温度範囲における重量減少量を0.5重量％以
    下、最大粒径を50μｍ以下、平均粒径を0.5〜40μｍに
    調整することを特徴とする電気粘性流体用炭素質粉末の
    製造方法。
14. 【請求項１４】石炭、石炭系タール、ピッチ、石炭液化
    物、コークス類、石油、石油系タール、ピッチ及び樹脂
    類よりなる群より選ばれる有機化合物を原料として用
    い、最高熱処理温度より低温で熱処理し、有機溶剤によ
    る抽出瀘過処理及び最高熱処理温度より低温での酸化処
    理のいずれか一方又は両方の処理を行った後、残留物を
    最高温度が300〜800℃の熱処理工程と粒度調整工程との
    組合せにより、炭素原子と水素原子の数の比（C/H）の
    値を1.70〜3.50の範囲及び／又は窒素雰囲気下での400
    ℃〜600℃の温度範囲における重量減少量を0.5〜13.0重
    量％の範囲、窒素雰囲気下での室温〜200℃の温度範囲
    における重量減少量を0.5重量％以下、最大粒径を50μ
    ｍ以下、平均粒径を0.5〜40μｍに調整することを特徴
    とする電気粘性流体用炭素質粉末の製造方法。