JP4824095B2 - 磁気粘性流体 - Google Patents

Description

本発明は、磁性粒子と、該磁性粒子を分散させる分散媒とを含有する磁気粘性流体に関する技術分野に属する。

一般に、磁気粘性流体は、磁化可能な金属粒子からなる磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体である（例えば、特許文献１参照）。この磁気粘性流体は、磁場の作用のないときには流体として機能する一方、磁場を作用させたときには、磁性粒子がクラスターを形成して液体が増粘し、液体の内部応力が増大する。その内部応力の増大により磁気粘性流体は、剛体のように機能してせん断流れや圧力流れに対して抗力を示すようになる。このような磁気粘性流体は、ブレーキ、クラッチ、防振装置や制振装置のダンパといった、機械的に作動する各種のデバイスに利用される。

前記磁気粘性流体の分散媒としては、シリコーンオイル等のオイルが使用されることが多く、このため、磁性粒子を分散媒中に長期に安定して分散させるべく、磁性粒子の表面に対し親油性（疎水性）の表面修飾が施される。この表面修飾としては、粒子表面に疎水基を形成する方法や、特許文献１に示されているように、粒子表面を疎水性の有機ポリマーで被覆する方法等がある。
特開平１０−１６３０２１号公報

しかしながら、前記疎水基や有機ポリマーは、熱に弱いために、高温で分解し易いという問題がある。このため、前記従来の表面修飾が施された磁性粒子を含有する磁気粘性流体を、高温下で使用されるデバイスに用いた場合には、磁性粒子が分散媒中に均一に分散されなくなる。また、前記疎水基や有機ポリマーは、酸で分解するという問題もあり、この結果、従来の磁気粘性流体では、用途が限定されてしまう。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁気粘性流体の磁性粒子に対する表面修飾に工夫を凝らすことによって、磁気粘性流体の環境条件等による用途の制限を出来る限りなくすようにすることにある。

前記の目的を達成するために、この発明では、磁性粒子と、該磁性粒子を分散させる分散媒とを含有する磁気粘性流体として、前記磁性粒子の表面が炭素被膜で覆われているものとし、前記磁性粒子は、ナノサイズの磁化可能な金属ナノ粒子からなり、前記磁性粒子の平均粒子径が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、前記炭素被膜の厚みが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であるとした。

すなわち、炭素被膜は熱に強くて、２００℃程度であっても分解されるようなことはなく、しかも、親油性（疎水性）を有するので、低温下及び常温下だけでなく、高温下においても、磁性粒子を分散媒中に安定して分散させることが可能になる。また、炭素被膜は酸にも強く、たとえ分散媒中に酸が混じったとしても、炭素被膜自体が分解されず、磁性粒子が酸に溶解するのを防止することができる。さらに、炭素被膜は、デバイスにおける磁気粘性流体を収容する作動室の壁面等との摺動性を良好にするので、デバイスの作動抵抗を低減することができる。特に、磁性粒子がナノサイズの金属ナノ粒子からなる場合には、その磁性粒子を含有する磁気粘性流体を小型のデバイスに用いることが可能になるが、小型のデバイスでは、作動室が狭くなるために、磁性粒子が作動室の壁面と擦れ易くなる。しかし、本発明では、磁性粒子の表面が炭素被膜で覆われているので、磁性粒子が作動室の壁面と擦れても、デバイスがスムーズに作動するとともに、作動室の壁面の摩耗を低減することができる。

また、前記磁性粒子は、ナノサイズの磁化可能な金属ナノ粒子からなるので、その磁性粒子を含有する磁気粘性流体を使用するデバイスを小型化することが可能になる。そして、このような小型のデバイスであっても、前記の如く、磁性粒子の表面の炭素被膜の摺動性によって、デバイスがスムーズに作動するとともに、磁気粘性流体を収容する作動室の壁面の摩耗が少なくなり、デバイスの機能を長期に亘って安定化させることができる。

さらに、前記磁性粒子の平均粒子径を１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とするのは、平均粒子径が小さすぎると、磁気粘性効果（ＭＲ効果）が十分に得られなくなる一方、大きくなりすぎると、磁性粒子が分散媒中において沈降し易くなって、磁性粒子の分散媒に対する分散性が悪化するからである。

また、前記炭素被膜の厚みを２ｎｍ以上１５ｎｍ以下とするのは、炭素被膜の厚みが２ｎｍよりも小さいと、磁性粒子の分散媒に対する分散性や、耐酸性、摺動性の効果が不十分となる一方、１５ｎｍよりも大きいと、磁性粒子の磁性が得られ難くなるからである。これに対し、炭素被膜の厚みが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であれば、磁性粒子の分散媒に対する分散性や、耐酸性、摺動性の効果を十分に得ることができるとともに、ＭＲ効果が十分に得られるようになる。

以上説明したように、本発明の磁気粘性流体によると、磁性粒子の表面が炭素被膜で覆われており、前記磁性粒子は、ナノサイズの磁化可能な金属ナノ粒子からなり、前記磁性粒子の平均粒子径が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、前記炭素被膜の厚みが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることにより、磁気粘性効果を十分に得られるようにしつつ、磁性粒子の分散媒に対する分散性が悪化するのを防止し、また、磁性粒子に対する表面修飾の耐熱性及び耐酸性を向上させることができ、磁気粘性流体の環境条件等による用途の制限を極小化することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

本発明の実施形態に係る磁気粘性流体は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体であり、その磁性粒子が、ナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなる。金属粒子としては、磁化可能なものであれば特に制限はないが、とりわけ軟磁性材料が好ましい。この軟磁性材料としては、鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金を例示することができる。

金属ナノ粒子からなる磁性粒子の平均粒子径は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。これは、平均粒子径が小さすぎると、磁気粘性効果（ＭＲ効果）が十分に得られなくなる一方、大きくなりすぎると、磁性粒子が分散媒中において沈降し易くなって、磁性粒子の分散媒に対する分散性が悪化するからである。

前記磁性粒子には、金属ナノ粒子が塊状に凝集した凝集体を含んでいてもよい。ここでいう「塊状」とは、複数の金属ナノ粒子が、一つのブロックを形成するように凝集することを意味する。この塊状の凝集体は、例えば棒状又は鎖状の凝集体が磁気粘性流体に含まれる場合と比較して、基底粘度を低下させることになる。前記塊状の凝集体の大きさは、レーザー回折散乱法による平均粒子径が、１０μｍ以下であることが望ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。

前記磁性粒子の表面は炭素被膜で覆われている。前記炭素被膜の厚みは、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。これは、炭素被膜の厚みが２ｎｍよりも小さいと、磁性粒子の分散媒に対する分散性や、耐酸性、摺動性の効果が不十分となる一方、１５ｎｍよりも大きいと、磁性粒子の磁性が得られ難くなるからである。これに対し、炭素被膜の厚みが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であれば、磁性粒子の分散媒に対する分散性や、耐酸性、摺動性の効果を十分に得ることができるとともに、ＭＲ効果が十分に得られるようになる。

前記分散媒は、前記磁性粒子表面の炭素被膜と親和性の高いものであれば特に限定されるものではないが、シリコーンオイルやフッ素系オイル等のオイルが好ましい。特に好ましいのは、シリコーンオイルである。

前記磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３〜４０vol％とすればよい。

また、磁気粘性流体には、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加することも可能である。

ここで、前記磁性粒子が金属ナノ粒子からなる磁気粘性流体の製造方法を説明する。

金属ナノ粒子を生成する手法としては、例えば液相法や気相法といった、種々の公知の手法を採用することが可能である。この内、凝集した粒子間の結合力や、粒子の凝集形態を制御する観点、及び、炭素被膜を同時に形成する観点からは、気相法が好ましい。気相法としては、高周波プラズマ法やアークプラズマ法、レーザーアブレーション法を具体例として挙げることができる。

図１は、アークプラズマ法により金属ナノ粒子（磁性粒子）を製造するための磁性粒子製造装置Ａを概略的に示している。この製造装置Ａは、タングステン電極を含むプラズマトーチ１１と、金属材料２１が載置される水冷銅ハース１２とが、密閉容器１３内に相対して配設されて構成されている。陰極であるプラズマトーチ１１と、陽極である水冷銅ハース１２との間には直流電源１４が接続されている。

前記製造装置Ａによって磁性粒子を生成する際には、密閉容器１３内を、非酸化性ガスと炭化水素系ガスとの混合ガス雰囲気にした状態で、アークプラズマ１８を発生させる。前記非酸化性ガスとしては、アルゴン等の不活性ガスや水素等の還元性ガスが好ましい。また、前記炭化水素系ガスは、被膜用の炭素の供給源となるものであり、例えばメタン、エタン等である。

前記アークプラズマ１８によって、水冷銅ハース１２上に置かれた金属材料２１が蒸発し、それが冷却することで、金属ナノ粒子（磁性粒子）が生成される。このとき、前記アークプラズマ１８による粒子表面の活性化により、粒子表面と炭化水素系ガスの炭素とが反応して、磁性粒子の表面に炭素被膜が形成される。この炭素被膜は、グラファイト構造を持つ結晶として成長する。

前記炭素被膜の厚みは、前記混合ガス中の炭化水素系ガスの分圧によって調整することができ、その分圧が低いほど炭素被膜の厚みを小さくすることができる。これにより、炭素被膜の厚みを２ｎｍ以上１５ｎｍ以下にすることが容易にできる。

前記のようにして表面に炭素被膜が形成された磁性粒子は、ガス循環ポンプ１５によって吸引されることで、密閉容器１３に連通する粒子捕集器１６において捕集される。尚、ガス循環ポンプ１５から排出されたガスは密閉容器１３に戻される（図１の白抜きの矢印参照）。

次いで、前記粒子捕集器１６に捕集された磁性粒子を分散媒に分散させる。この分散工程においては、例えばホモジナイザーや遊星混合器等の分散機を利用した一般的な手法を採用することにより、磁性粒子を分散媒に分散させる。

尚、磁性粒子を分散させた分散媒を、例えばφ３ｍｍのジルコニア製ボールと共に、ボールミルに入れ、そのボールミルを駆動することで、凝集体を含む磁性粒子の該凝集体の解砕を行って、凝集体の大きさを１０μｍ以下にすることが可能である。

以上のようにして、金属ナノ粒子からなる磁性粒子及び分散媒を主成分とした磁気粘性流体を製造することができる。

前記磁気粘性流体の磁性粒子の表面を覆う炭素被膜は、熱に強くて、しかも、親油性（疎水性）を有するので、２００℃程度の高温下において分解することがない。この結果、低温下及び常温下だけでなく、高温下においても、磁性粒子を分散媒中に安定して分散させることができる。このことで、前記磁気粘性流体を、低温下及び常温下で使用されるデバイス（ブレーキ、クラッチ、防振装置や制振装置のダンパ等）だけでなく、高温下で使用されるデバイス（例えば自動車のエンジンマウント用の防振装置）に用いることができるようになる。また、炭素被膜は、デバイスにおける磁気粘性流体を収容する作動室の壁面等との摺動性を良好にするので、デバイスの作動抵抗を低減することができる。これにより、磁性粒子を金属ナノ粒子からなるものとし、その磁性粒子を含有する磁気粘性流体を小型のデバイスに用いた場合でも、デバイスをスムーズに作動させることができるとともに、作動室の壁面の摩耗を低減することができる。よって、高温を含む広い温度範囲で、磁性粒子を分散媒中に安定して分散させることができるとともに、デバイスの作動抵抗を低減して、デバイスの機能の安定化を長期に亘って図ることができる。

次に、実際に実施した実施例について説明する。

先ず、前述したアークプラズマ法による製造方法に従って、金属ナノ粒子からなる磁性粒子を作製した。

磁性粒子（金属ナノ粒子）の材料としては、純鉄（Aldrich社製、Iron,rod,6.3mm diam., 99.98% Fe）を使用した。この純鉄から、図１に示す磁性粒子製造装置Ａによって、磁性粒子を作製した。

具体的には、密閉容器１３内を真空に引いた後に、水素ガスとメタンガスとを導入して密閉容器１３内を１気圧とした。メタンの分圧は０．８気圧とし、水素の分圧は０．２気圧とした。

前記純鉄を、水冷銅ハース１２上に置き、プラズマトーチ１１（タングステン電極（陰極））と水冷銅ハース１２上の純鉄２１（陽極）との間にプラズマを発生させ（プラズマ電流１５０Ａ、電圧７０Ｖ）、それによって、純鉄を溶融・蒸発させることで金属ナノ粒子（磁性粒子）を生成し、粒子捕集器１６に捕集させた。この磁性粒子を直ちに大気中に取り出し、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）により観察した。この観察結果（ＴＥＭ写真）を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。

図２（ａ）において、円形状の比較的黒い部分が鉄粒子であり、その鉄粒子を囲むように薄く写っているのが、炭素被膜である。図２（ａ）とその一部を拡大した図２（ｂ）とにより、磁性粒子の表面が炭素被膜で覆われていることが分かる。この炭素被膜の厚みは約５ｎｍないし１０ｎｍである。尚、図２（ａ）では、鉄粒子が凝集して直径５０ｎｍ程度の凝集体となっている。

図３は、前記ＴＥＭ写真から測定した磁性粒子径分布を示す。これによると、磁性粒子の平均粒子径は１５ｎｍ程度であることが分かる。

続いて、前記磁性粒子をＸ線回折法（X-ray diffraction; ＸＲＤ、装置名：ＪＥＯＬ JPX-3530M）により分析した。この分析結果を図４に示す。

図４より、鉄の結晶として現れるピークの半値幅が狭く、鉄の結晶性が高いことが分かる。これにより、この磁性粒子は、磁性粒子としての機能を良好に発揮するものであることが分かる。

次いで、ホモジナイザーにより、前記磁性粒子を、分散媒としてのシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：KF96-50cs）に５vol％で分散させた。

ここで、前記のようにして炭素被膜を形成した磁性粒子（以下、実施例の粒子という）に対して、比較のために、炭素被膜が形成されない磁性粒子（以下、比較例の粒子という）を作製した。すなわち、アークプラズマ法による製造の際に、密閉容器１３内をアルゴン雰囲気（１気圧）とし、その他の条件は実施例の粒子と同じにして、比較例の粒子を作製した。

前記実施例の粒子と比較例の粒子とをそれぞれ分散媒としてのシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：KF06-50cs）に５vol％で分散させて作製した磁気粘性流体を、それぞれ熱天秤で熱重量測定を行い、大気中で質量が０．５％増加したときの温度を比較した。

この結果、比較例の粒子に係る磁気粘性流体は１３０℃であるのに対し、実施例の粒子に係る磁気粘性流体は２００℃であり、炭素被膜による耐熱性の効果を発揮していることが分かる。

次に、耐酸性に関する試験を行った。すなわち、ｐＨ２．０６に調整した５０ｃｃの水溶液に実施例の粒子１．２ｇ（内、鉄粒子１．０ｇ）を投入し、その水溶液のｐＨの時間変化を測定した。また、同様に、ｐＨ２．０６に調整した５０ｃｃの水溶液に比較例の粒子１．０ｇを投入し、その水溶液のｐＨの時間変化を測定した。

実施例の粒子と比較例の粒子との耐酸性試験の結果を図５に示す。鉄粒子が水溶液の酸に溶解すると、中和されてｐＨが上昇する。比較例の粒子では、表面被膜がないために、ｐＨが数分で急上昇して７．０に近付く。これに対し、実施例の粒子では、ｐＨが上昇するものの、その上昇度合いは非常に緩やかであり、耐酸性の効果を発揮していることが分かる。

本発明は、磁性粒子と、該磁性粒子を分散させる分散媒とを含有する磁気粘性流体に有用であり、特に高温下で使用されるデバイス（ブレーキ、クラッチ、防振装置や制振装置のダンパ等）の磁気粘性流体に有用である。

アークプラズマ法により金属ナノ粒子（磁性粒子）を製造するための磁性粒子製造装置を示す概略図である。 実施例で製造した磁性粒子のＴＥＭ写真である。 ＴＥＭ写真から測定した磁性粒子径分布を示グラフである。 実施例で製造した磁性粒子のＸ線回折法による分析結果を示す図である。 実施例の粒子と比較例の粒子との耐酸性試験の結果を示すグラフである。

Ａ 磁性粒子製造装置
１１ プラズマトーチ
１６ 粒子捕集器
１８ アークプラズマ
２１ 金属材料

Claims (1)

1. 磁性粒子と、該磁性粒子を分散させる分散媒とを含有する磁気粘性流体であって、
   前記磁性粒子の表面が炭素被膜で覆われており、
   前記磁性粒子は、ナノサイズの磁化可能な金属ナノ粒子からなり、
   前記磁性粒子の平均粒子径が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
   前記炭素被膜の厚みが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする磁気粘性流体。