JP6147948B1 - 磁気粘性流体 - Google Patents
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Abstract
微粒子混合体と、微粒子混合体を分散させる分散媒とを備え、微粒子混合体は、第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を含み、第１の粒子は、平均粒子径が１μｍ以上、３０μｍ以下の磁性粒子であり、第２の粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の磁性粒子であり、第３の粒子は、平均粒子径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の粒子であり、微粒子混合体は、第１の粒子の割合が６０質量％以上、９９質量％未満であり、残部が第２の粒子及び第３の粒子である。
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。
磁性粒子をオイル等の分散媒に分散させた流体としてはＭＲ流体以外に、磁性流体がある。磁性流体の場合に用いられる磁性粒子の粒子径は数ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、熱エネルギーに起因するブラウン運動により粒子が振動する。このため、磁性流体には磁場を与えてもクラスタを形成せず、降伏応力は増大しないという点でＭＲ流体とは全く異なる。
ＭＲ流体において一般的に用いられる磁性粒子は、平均粒子径が数μｍ〜数十μｍである。磁性流体と比べて大きな磁性粒子を用いることにより、磁場を印加した際にクラスタを形成させることができる。ＭＲ流体は、大きな磁性粒子を用いるため、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。また、磁場の付与と解除とを繰り返すと、磁性粒子が二次凝集して、安定した分散状態を維持できなくなるという問題がある。ＭＲ流体の安定性を向上させるために、粒子径が異なる２種類の磁性粒子を混合したＭＲ流体が検討されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
例えば、特許文献１においては、大径のカルボニル鉄粒子と、小径の二酸化クロム粒子とを混合している。二酸化クロム粒子がカルボニル鉄粒子に吸着されることにより、安定したＭＲ流体を実現しようとしている。
特許文献２においては、大径のカルボニル鉄粒子に、小径の鉄粒子を少量混合している。これにより、ＭＲ流体を安定化しようとしている。
しかしながら、２種類の粒子を混合したＭＲ流体においても、濃度分布の均一性が不十分であり、調製した磁気粘性流体を容器内に保管した後、小分けして複数のデバイスを作成すると、各デバイスに供給される粒子の量が不均一となり、デバイス性能に個体差が生じる。デバイスの個体差を解消するために、デバイスに磁気粘性流体を供給する直前に毎回容器内の磁気粘性流体を十分に攪拌するという方法が考えられるが、生産効率の点からは現実的ではない。
本開示の課題は、濃度分布の均一性が高く、デバイスへの供給が容易な磁気粘性流体を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、微粒子混合体と、微粒子混合体を分散させる分散媒とを備え、微粒子混合体は、第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を含み、第１の粒子は、平均粒子径が１μｍ以上、３０μｍ以下の磁性粒子であり、第２の粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の磁性粒子であり、第３の粒子は、平均粒子径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の粒子であり、微粒子混合体は、第１の粒子の割合が６０質量％以上、９９質量％未満であり、残部が第２の粒子及び第３の粒子である。
第３の粒子の第２の粒子に対する質量比は、０．１質量％以上、１０以下である、請求項１に記載の磁気粘性流体。
磁気粘性流体の一態様において、第３の粒子は、マグネタイトとすることができる。
磁気粘性流体の一態様において、第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子の少なくとも１つは、表面に設けられた表面改質層を有し、表面改質層の表面は、表面改質層が設けられた粒子本体の表面よりも疎水性とすることができる。
磁気粘性流体の一態様において、第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子の少なくとも１つは、表面に設けられた表面改質層を有し、表面改質層の表面は、表面改質層が設けられた粒子本体の表面よりも親水性とすることができる。
本開示のＭＲ流体によれば、濃度分布の均一性が高く、デバイスへの供給を容易に行うことが可能となる。
本実施形態の磁気粘性（ＭＲ）流体は、微粒子混合体と、微粒子混合体を分散させる分散媒とを備えている。微粒子混合体は、第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を含んでいる。第１の粒子は、平均粒子径が１μｍ以上、３０μｍ以下の磁性粒子であり、第２の粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の磁性粒子であり、第３の粒子は、平均粒子径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の粒子である。微粒子混合体は、第１の粒子の割合が６０質量％以上、９９質量％未満であり、残部が前記第２の粒子及び前記第３の粒子である。
第１の粒子としては、一般的なＭＲ流体において用いられる磁性粒子を用いることができる。具体的には、磁気粘性流体として必要とされる種々の特性を満たす観点から、平均粒径が１μｍ以上、好ましくは５μｍ以上で、５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下の磁性粒子を用いることができる。
第１の粒子は、適した平均粒子径を有する磁性粒子であればどのようなものであってもよい。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、カルボニル鉄は第１の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。
第２の粒子は第１の粒子よりも平均粒子径が小さい磁性粒子を用いることができる。具体的に、磁場を与えた際のクラスタ形成が良好に生じるようにする観点から、平均粒子径が８０ｎｍ以上、好ましくは１２０ｎｍ以上で、３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下の磁性粒子を用いることができる。第２の粒子は、粒子径の分布ができるだけ狭いものが好ましい。
第２の粒子は、適した平均粒子径を有する磁性粒子であればよく、第１の粒子と同様のものを用いることができる。また、アークプラズマ法により形成した鉄粒子は、第２の磁性粒子として適した平均粒径のものが容易に得られるため好ましい。この他、二価の鉄と三価の鉄を含む複合酸化物であるマグネタイトも、第２の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。
第２の粒子は、磁場を印可した場合には磁性を帯び、磁場を印可していない場合には実質的に磁性を帯びていない状態となる、軟磁性材料からなる粒子が好ましい。具体的には保磁力が３００Ｏｅ以下の粒子が好ましく、２５０Ｏｅ以下の粒子がより好ましく、２００Ｏｅ以下の粒子がさらに好ましい。
第３の粒子は、第２の粒子よりも平均粒径が小さい粒子を用いることができる。具体的に、磁気粘性流体の濃度分布の均一性を向上させる観点から、平均粒子径が１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上で、５０ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以下の粒子を用いることができる。第３の粒子は、粒子径が小さく、比表面積が大きいものが好ましい。
第３の粒子は、磁性粒子とすることができるが、シリカ又はジルコニア等の非磁性粒子を用いることもできる。第３の粒子を磁性粒子とすることにより、添加による透磁率の変動を小さくすることができる。第３の粒子を磁性粒子とする場合には、アークプラズマ法により形成した鉄粒子及びマグネタイト等が使用できる。これらは第３の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。
アークプラズマ法により形成した鉄粒子は、一般にその表面に厚さが２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の酸化膜を有しており、平均粒径が５０ｎｍ以下の粒子であっても、大気中において安定して存在できる。また、平均粒径が１００ｎｍ以上の粒子においても、その表面に厚さが２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の酸化膜を有している。
第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子の形状は特に限定されないが、球形状であることが好ましい。なお、球形状とは、真球だけでなく、長軸の短軸に対する比が１．４以下、好ましくは１．２以下程度の回転楕円体、及びその他の略球形を含む。第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子の形状を球形状とすることにより、透磁率の異方性を抑制することができる。
第１の粒子の、微粒子混合体に占める割合は、磁場を与えた際の粘度変化の大きさ等に影響を与える。このため、必要とする磁気粘性流体としての特性を確保する観点から６０質量％以上、好ましくは７０質量％以上であり、濃度分布の均一性を向上させる観点から９９質量％未満、好ましくは９５質量％以下、より好ましくは９０質量％以下である。微粒子混合体の残部は第２の粒子及び第３の粒子とすることができる。
微粒子混合体において、第３の粒子の第２の粒子に対する質量比（ｍ3／ｍ2）は、好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．１以上、さらに好ましくは１以上、さらにより好ましくは２以上であり、好ましくは１２以下、より好ましくは１０以下、さらに好ましくは９以下である。
第３の粒子は僅かでも含まれていることにより、流体全体に分散して濃度分布の均一性を向上させることができるが、第３粒子の微粒子混合体に占める割合は、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．１質量％以上、さらに好ましくは１質量％以上である。第３粒子の微粒子混合体に占める割合の上限は、第１の粒子及び第２の粒子が占める割合によるが、必要とする磁気粘性流体としての特性を確保する観点から好ましくは３０質量％以下、より好ましくは２０質量％以下、さらに好ましくは１０質量％以下である。
微粒子混合体における第１の粒子及び第３の粒子の残部を第２の粒子とすることができる。第２の粒子の微粒子混合体に占める割合は、高速せん断域における粘度変化、沈降特性及び透磁率等に影響を与える。このため、必要とする磁気粘性流体としての特性を確保する観点から好ましくは０．５質量％以上、より好ましくは１．０質量％以上である。第３粒子の微粒子混合体に占める割合の上限は、第１の粒子及び第２の粒子が占める割合によるが、好ましくは３０質量％以下、より好ましくは２０質量％以下、さらにより好ましくは１０質量％以下である。
第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子の少なくとも１つが表面改質層を有していてもよい。粒子の表面に表面改質層を設けることにより、分散媒に対する親和性を向上させることができる。なお、表面改質層は必要に応じて設ければよく、設けなくてもよい。表面改質層を設ける場合には、それぞれの粒子の表面に均一に設ければよいが、粒子の表面の一部に設けられていてもよい。
分散媒がシリコーンオイル等の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（親油性）が高くなるような表面改質層を設けることが好ましい。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。疎水性の化合物としては、直鎖若しくは分岐を有する炭化水素鎖又はアリル基を有する化合物等とすればよい。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。
分散媒が水等からなる場合には、粒子自体の表面よりも親水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、シラン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。
第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子が同種の表面改質層を有していることにより、高せん断速度域におけるトルクを大幅に低減する効果も得られる。これは、各粒子と分散媒との親和性が向上すると共に、各粒子間の親和性も向上することによると考えられる。但し、第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子の１つ又は２つが他とは異なる種類の表面改質層を有していてもよい。
分散媒は、微粒子混合体を分散させることができる液体であればどのようなものであってもよい。例えば、シリコーンオイル、フッ素オイル、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）、パラフィン、エーテル油、エステル油、鉱物油、植物性油又は動物性油等を用いることができる。また、トルエン、キシレン、ヘキサン、及びエーテル類等の有機溶媒又は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）類等を用いることもできる。これは、単独で用いることも２種類以上を組み合わせて用いることもできる。親水性の表面改質層を設ければ水、エステル類又はアルコール類等を分散媒とすることも可能である。
微粒子混合体の分散媒に対する濃度（体積分率）は、ＭＲ流体としての機能を発揮させる観点から１５vol％以上とすることが好ましい。また、ＭＲ流体の基底粘度を抑える観点からは、５０vol％以下とすることが好ましく、３０vol％以下とすることがより好ましい。
第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子と分散媒とは、最初にへら等を用いて混合した後、自転・公転型の攪拌機等を用いて十分に高せん断混合することが好ましい。但し、いずれか１つ又は２つの粒子を先に分散媒中に分散させた後、残りの粒子を順次又は合わせて分散媒中に分散させてもよい。攪拌機に代えて、ホモジナイザー又は遊星混合機等を用いて磁性粒子の分散を行ってもよい。また、分散剤等を添加して磁性粒子を分散させてもよい。なお、粒子に表面処理層を設け、分散媒との親和性が向上している場合には、高せん断混合しなくてもよい。
濃度分布の均一性が高く、保存容器から小分けして供給したＭＲの粒子濃度のばらつきを抑える観点から、チクソトロピー性が良好であることが求められる。具体的には、チクソトロピーインディックス（ＴＩ）が好ましくは２以上、より好ましくは３以上であり、好ましくは７以下、より好ましくは６以下、さらに好ましくは５以下である。なお、ＴＩは実施例に記載した方法により測定することができる。
また、ＭＲ流体を調製した後に生じる密度差は、小さい方が好ましく、例えば好ましくは±２０％以下、より好ましくは±１５％以下、さらに好ましくは±１０％以下である。なお、密度差は実施例に記載した方法により測定することができる。
さらに、沈降率は、高い方が好ましく、例えば好ましくは６５％以上、より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは８０％以上である。なお、沈効率は実施例に記載した方法により測定することができる。
ＭＲ流体としての基本的な特性を確保する観点から、基底粘度は、低い方が好ましく、例えば好ましくは０．１以下、より好ましくは０．０５以下、さらに好ましくは０．０１以下である。ＭＲ効果は、好ましくは１０以上、より好ましくは１５以上、さらに好ましくは２０以上である。なお、基底粘度及びＭＲ効果は実施例に記載した方法により測定することができる。
本実施形態のＭＲ流体は、濃度分布の均一性が高く、保存容器中のＭＲ流体を複数のデバイスに小分けして供給しても、各デバイスに供給されたＭＲ流体の粒子濃度のばらつきを抑えることができる。このため、デバイス間の特性のばらつきを抑えることができる。
本実施形態のＭＲ流体は、クラッチ、ブレーキ、ショックアブソーバ及び油圧ダンパ等の種々のデバイスに用いることができる。例えば図２に示すようなクラッチに用いることができる。クラッチは、入力軸１０１と、出力軸１０２と、これらの周囲を囲むように配置された磁場発生部である電磁石１０３とを有している。入力軸１０１の端部には外筒１１１が固定され、出力軸１０２の端部にはローター１２１が固定されている。外筒１１１はローター１２１を囲んでおり、外筒１１１とローター１２１とは相対回転可能に配置されている。外筒１１１の内側の空間を密閉するようにオイルシール１０４が設けられている。外筒１１１とローター１２１との間には間隙が設けられており、回転時には遠心力によりこの間隙にはＭＲ流体１０５が満たされる。電磁石１０３により磁場を発生させると、ＭＲ流体中の磁性粒子が磁束の方向にクラスタを形成し、クラスタを介して外筒１１１とローター１２１との間にトルクが伝達される。
以下に、実施例を用いてＭＲ流体の特性についてさらに詳細に説明する。
＜第１の粒子＞
第１の粒子には、表面に酸化膜を有する市販のカルボニル鉄粉（ニューメタルス エンド ケミカルスコーポレーション製、UN3189：平均粒子径６μｍ）を用いた。
第１の粒子には、表面に酸化膜を有する市販のカルボニル鉄粉（ニューメタルス エンド ケミカルスコーポレーション製、UN3189：平均粒子径６μｍ）を用いた。
＜第２の粒子＞
第２の粒子には、市販のマグネタイト粒子（三井金属鉱業社製、サンプル品）又は以下のようにして形成した鉄ナノ粒子を用いた。ＢＥＴ法により測定したマグネタイト粒子の平均粒子径は１５０ｎｍであり、鉄ナノ粒子の平均粒子径は１２０ｎｍであった。
第２の粒子には、市販のマグネタイト粒子（三井金属鉱業社製、サンプル品）又は以下のようにして形成した鉄ナノ粒子を用いた。ＢＥＴ法により測定したマグネタイト粒子の平均粒子径は１５０ｎｍであり、鉄ナノ粒子の平均粒子径は１２０ｎｍであった。
−鉄ナノ粒子の製造方法−
まず、図２に示す装置Ａの容器１３内に、水素及びアルゴンの混合気体を満たして大気圧とした。水素及びアルゴンの分圧はそれぞれ、０．５ａｔｍとした。直流電源１４により、タングステンからなるプラズマトーチ１１（陰極）と、水冷銅ハース１２の上に載置した金属材料２１（陽極）との間に４０Ｖで１５０Ａの電流を供給することにより、アークプラズマ１８を発生させた。金属材料２１として、純鉄（純度９９．９８％：アルドリッチ社製）を用いた。鉄粒子の生成速度は０．８ｇ／ｍｉｎ程度であった。
まず、図２に示す装置Ａの容器１３内に、水素及びアルゴンの混合気体を満たして大気圧とした。水素及びアルゴンの分圧はそれぞれ、０．５ａｔｍとした。直流電源１４により、タングステンからなるプラズマトーチ１１（陰極）と、水冷銅ハース１２の上に載置した金属材料２１（陽極）との間に４０Ｖで１５０Ａの電流を供給することにより、アークプラズマ１８を発生させた。金属材料２１として、純鉄（純度９９．９８％：アルドリッチ社製）を用いた。鉄粒子の生成速度は０．８ｇ／ｍｉｎ程度であった。
生成した鉄粒子は、ガス循環ポンプ１５によって吸引し、容器１３と接続された粒子捕集器１６により捕集した。この後、容器１３及び粒子捕集器１６内をアルゴンを５％含むドライエア（窒素８０％、酸素２０％）雰囲気として、３時間放置した。これにより、鉄粒子の表面に厚さが２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の酸化膜が形成された。なお、酸化膜の形成は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。放置時間が３時間を超えても酸化膜の膜厚はほとんど変化しなかった。
酸化膜が形成された鉄粒子を、装置Ａから取り出し、大気中に常温で１時間放置することにより、鉄粒子の表面に水酸基を導入した。水酸基を導入した鉄粒子と、シランカップリング剤とを圧力容器内に入れ、圧力容器を密閉した。シランカップリング剤には、メチルトリメトキシシラン（信越化学工業株式会社：ＫＢＭ−１３）を用いた。シランカップリング剤はビーカー等の開口容器に入れ、鉄粒子とシランカップリング剤とが直接混合されないようにした。シランカップリング剤は、鉄粒子１０ｇに対し０．３８ｇの比率となるようにした。鉄粒子及びシランカップリング剤を入れた圧力容器を８０℃の乾燥炉内に２時間放置し、シランカップリング剤を圧力容器内で気化させた。気化したシランカップリング剤が、鉄粒子表面の水酸基と反応することにより、表面に表面改質層を有する鉄粒子からなる第２の粒子が得られた。
表面改質層を形成した後、第２の磁性粒子をトルエン中に分散させ、ボールミルによる解砕を６時間行った。ボールミルのポッドには容量が１リットルのジルコニアポッドを用い、ボールには直径１ｍｍのジルコニアボールを用いた。
得られた第２の磁性粒子の保磁力は１７５Ｏｅであった。なお、保磁力の測定には、試料振動型磁力計（Vibrating Sample Magnetometer：ＶＳＭ）を用いた。
＜第３の粒子＞
第３の粒子には、市販のマグネタイト粒子（三井金属鉱業社製、サンプル品）を用いた。ＢＥＴ法により測定した平均粒子径は３０ｎｍであった。
第３の粒子には、市販のマグネタイト粒子（三井金属鉱業社製、サンプル品）を用いた。ＢＥＴ法により測定した平均粒子径は３０ｎｍであった。
＜ＭＲ流体の調製＞
第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を所定の比率で分散媒中に分散させることによりＭＲ流体を得た。分散媒にはシリコーンオイル（信越化学社製：ＫＦ−９６−５０ｃｓ）を用いた。所定量の第１の粒子、第２の粒子、第３の粒子及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・公転型の攪拌機（倉敷紡績社製：マゼルスター）を用いて高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。第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を混合した微粒子混合体の分散媒に対する濃度は約２５vol％とした。
第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を所定の比率で分散媒中に分散させることによりＭＲ流体を得た。分散媒にはシリコーンオイル（信越化学社製：ＫＦ−９６−５０ｃｓ）を用いた。所定量の第１の粒子、第２の粒子、第３の粒子及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・公転型の攪拌機（倉敷紡績社製：マゼルスター）を用いて高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。第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を混合した微粒子混合体の分散媒に対する濃度は約２５vol％とした。
＜沈降率の測定＞
容器に約２０ｍＬのＭＲ流体を入れ、１週間静置した。その後、全体の高さ及び粒子沈降層の高さを測定し、以下の式を用いて沈降率を算出した。
沈降率（％）＝（全体の高さ−粒子沈降層の高さ）／全体の高さ×１００
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。
容器に約２０ｍＬのＭＲ流体を入れ、１週間静置した。その後、全体の高さ及び粒子沈降層の高さを測定し、以下の式を用いて沈降率を算出した。
沈降率（％）＝（全体の高さ−粒子沈降層の高さ）／全体の高さ×１００
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。
＜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
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。
ＭＲ流体を調製した後に生じる密度差は、以下の式により求めた。
密度差（％）＝｛初期密度（ｇ／ｍＬ）−静置後密度（ｇ／ｍＬ）｝／初期密度（ｇ／ｍＬ）×１００
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）
＜基底粘度の測定＞
基底粘度の測定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１s−１で３０秒間一定とした時のせん断応力を測定した。
密度（ｇ／ｍＬ）＝（Ｍ２（ｇ）−Ｍ１（ｇ））／比重カップの体積（ｍＬ）
＜基底粘度の測定＞
基底粘度の測定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１s−１で３０秒間一定とした時のせん断応力を測定した。
＜ＭＲ効果の測定＞
ＭＲ効果の測定は磁場を測定部に均一に印加した状態で基底粘度と同じ条件で測定した。
ＭＲ効果の測定は磁場を測定部に均一に印加した状態で基底粘度と同じ条件で測定した。
＜ダイナミックレンジの測定＞
ダイナミックレンジは基底粘度とＭＲ効果の測定値より下記の式にて計算を行い、算出した。
ダイナミックレンジ＝ＭＲ効果（ｋＰａ）/基底粘度（ｋＰａ）
ダイナミックレンジは基底粘度とＭＲ効果の測定値より下記の式にて計算を行い、算出した。
ダイナミックレンジ＝ＭＲ効果（ｋＰａ）/基底粘度（ｋＰａ）
＜チクソトロピー性の測定＞
回転数が３ｒｐｍの際の粘度（ηａ）と、回転数が３０ｒｍｐの際の粘度（ηｂ）とを測定し、以下の式によりチクソトロピックインデックス（ＴＩ）を算出した。粘度は、直径２０ｍｍのパラレルプレートをセットした平行平板型回転粘度計を用いて測定した。
Ｔｉ＝ηｂ／ηａ
回転数が３ｒｐｍの際の粘度（ηａ）と、回転数が３０ｒｍｐの際の粘度（ηｂ）とを測定し、以下の式によりチクソトロピックインデックス（ＴＩ）を算出した。粘度は、直径２０ｍｍのパラレルプレートをセットした平行平板型回転粘度計を用いて測定した。
Ｔｉ＝ηｂ／ηａ
＜総合評価＞
密度差及びＴＩ、ＭＲ効果が基準値以上であり、基底粘度が比較的良好な値を示す場合には４、すべての項目が基準値以上なら３、密度差及びＴＩが基準値以上であり、基底粘度及びＭＲ効果が基準値以下の値を示す場合は２、密度差及びＴＩのいずれかが基準値以下の値を示す場合は１とした。
密度差及びＴＩ、ＭＲ効果が基準値以上であり、基底粘度が比較的良好な値を示す場合には４、すべての項目が基準値以上なら３、密度差及びＴＩが基準値以上であり、基底粘度及びＭＲ効果が基準値以下の値を示す場合は２、密度差及びＴＩのいずれかが基準値以下の値を示す場合は１とした。
（実施例１）
第１の粒子を３９．５６ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を０．０４ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９８．９質量％、１．０質量％、及び０．１質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は０．１である。分散媒の質量は１４．６８ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
第１の粒子を３９．５６ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を０．０４ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９８．９質量％、１．０質量％、及び０．１質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は０．１である。分散媒の質量は１４．６８ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
実施例１のＭＲ流体の沈降度は、６９．９％、密度差は１０．４％、基底粘度は０．００６ｋＰａ、ＭＲ効果は２３．６ｋＰａ、ダイナミックレンジは３９３０倍、ＴＩは３．４であり、総合評価は２であった。
（実施例２）
第１の粒子を３８．８ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を０．８ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１２０ｎｍのＦｅ粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９７．０質量％、１．０質量％、及び２．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は２．０である。分散媒の質量は１４．９０ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
第１の粒子を３８．８ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を０．８ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１２０ｎｍのＦｅ粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９７．０質量％、１．０質量％、及び２．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は２．０である。分散媒の質量は１４．９０ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
実施例２のＭＲ流体の沈降度は、７６．４％、密度差は１３．１％、基底粘度は０．００７ｋＰａ、ＭＲ効果は２３．３ｋＰａ、ダイナミックレンジは３３３０倍、ＴＩは３．４であり、総合評価は２であった。
（実施例３）
第１の粒子を３８．０ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を１．６ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９５．０質量％、１．０質量％、及び４．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は４．０である。分散媒の質量は１５．０５ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
第１の粒子を３８．０ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を１．６ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９５．０質量％、１．０質量％、及び４．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は４．０である。分散媒の質量は１５．０５ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
実施例３のＭＲ流体の沈降度は、８０．７％、密度差は９．０％、基底粘度は０．００８ｋＰａ、ＭＲ効果は２１．８ｋＰａ、ダイナミックレンジは２７３０倍、ＴＩは３．７であり、総合評価は２であった。
（実施例４）
第１の粒子を３７．２ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を２．４ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９３．０質量％、１．０質量％、及び６．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は６．０である。分散媒の質量は１５．２０ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
第１の粒子を３７．２ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を２．４ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９３．０質量％、１．０質量％、及び６．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は６．０である。分散媒の質量は１５．２０ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
実施例４のＭＲ流体の沈降度は、７９．６％、密度差は５．２％、基底粘度は０．００８ｋＰａ、ＭＲ効果は２０．４ｋＰａ、ダイナミックレンジは２５５０倍、ＴＩは３．８であり、総合評価は２であった。
（実施例５）
第１の粒子を３６．４ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を３．２ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９１．０質量％、１．０質量％、及び８．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は８．０である。分散媒の質量は１５．４２ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２４．９vol％とした。
第１の粒子を３６．４ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を３．２ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９１．０質量％、１．０質量％、及び８．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は８．０である。分散媒の質量は１５．４２ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２４．９vol％とした。
実施例５のＭＲ流体の沈降度は、８２．７％、密度差は５．０％、基底粘度は０．００９ｋＰａ、ＭＲ効果は２０．０ｋＰａ、ダイナミックレンジは２２２０倍、ＴＩは３．９であり、総合評価は４であった。
実施例５のＭＲ流体を走査型電子顕微鏡（日本電子社製：ＪＳＭ−７０００Ｆ）により観察した結果を図３に示す。第１の粒子の表面に第２の粒子及び第３の粒子が付着している。このことから、分散媒中においては、第１の粒子の隙間に第２の粒子及び第３の粒子が入り込み、均一に分散していると考えられる。
（実施例６）
第１の粒子を３６．０ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を３．６ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９０．０質量％、１．０質量％、及び９．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は９．０である。分散媒の質量は１５．４２ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
第１の粒子を３６．０ｇ、第２の粒子を０．４ｇ、第３の粒子を３．６ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９０．０質量％、１．０質量％、及び９．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は９．０である。分散媒の質量は１５．４２ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
実施例６のＭＲ流体の沈降度は、８９．１％、密度差は３．６％、基底粘度は０．０１ｋＰａ、ＭＲ効果は２０．２ｋＰａ、ダイナミックレンジは２０２０倍、ＴＩは４．０であり、総合評価は４であった。
（実施例７）
第１の粒子を３０．４ｇ、第２の粒子を８．０ｇ、第３の粒子を１．６ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、７６．０質量％、２０．０質量％、及び４．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は０．２である。分散媒の質量は１６．４７ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
第１の粒子を３０．４ｇ、第２の粒子を８．０ｇ、第３の粒子を１．６ｇとした。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、７６．０質量％、２０．０質量％、及び４．０質量％である。第３の粒子の第２の粒子に対する質量比ｍ3／ｍ2は０．２である。分散媒の質量は１６．４７ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
実施例７のＭＲ流体の沈降度は、９７．８％、密度差は０．８％、基底粘度は０．０８ｋＰａ、ＭＲ効果は１２．４ｋＰａ、ダイナミックレンジは１５５倍、ＴＩは６．８であり、総合評価は３であった。
（比較例１）
第１の粒子を３９．６ｇ、第２の粒子を０．４ｇとし、第３の粒子を加えなかった。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、及び第２の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９９．０質量％、及び１．０質量％である。分散媒の質量は１４．７５ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
第１の粒子を３９．６ｇ、第２の粒子を０．４ｇとし、第３の粒子を加えなかった。第２の粒子には平均粒子径１５０ｎｍのマグネタイト粒子を用いた。微粒子混合体のトータル質量は４０ｇであり、第１の粒子、及び第２の粒子の微粒子混合体に占める割合はそれぞれ、９９．０質量％、及び１．０質量％である。分散媒の質量は１４．７５ｇとし、微粒子混合体のＭＲ流体に占める割合は２５．０vol％とした。
比較例１のＭＲ流体の沈降度は、６９．８％、密度差は２４．８％、基底粘度は０．００７ｋＰａ、ＭＲ効果は７．６ｋＰａ、ダイナミックレンジは１０９０倍、ＴＩは１．６５であり、総合評価は１であった。
図４に、比較例１のＭＲ流体の電子顕微鏡写真を示す。第１の粒子の隙間に第２の粒子が侵入しているが、さらに小さい第３の粒子は認められない。
表１に各実施例及び比較例のＭＲ流体の構成及び特性をまとめて示す。
本開示のＭＲ流体は、濃度分布の均一性が高く、デバイスへの供給が容易であり、ＭＲ流体として有用である。
１１ プラズマトーチ
１２ 水冷銅ハース
１３ 容器
１４ 直流電源
１５ ガス循環ポンプ
１６ 粒子捕集器
１８ アークプラズマ
２１ 金属材料
１０１ 入力軸
１０２ 出力軸
１０３ 電磁石
１０４ オイルシール
１０５ ＭＲ流体
１１１ 外筒
１２１ ローター
１２ 水冷銅ハース
１３ 容器
１４ 直流電源
１５ ガス循環ポンプ
１６ 粒子捕集器
１８ アークプラズマ
２１ 金属材料
１０１ 入力軸
１０２ 出力軸
１０３ 電磁石
１０４ オイルシール
１０５ ＭＲ流体
１１１ 外筒
１２１ ローター
Claims (5)
- 微粒子混合体と、
前記微粒子混合体を分散させる分散媒とを備え、
前記微粒子混合体は、第１の粒子、第２の粒子及び第３の粒子を含み、
前記第１の粒子は、平均粒子径が１μｍ以上、３０μｍ以下の磁性粒子であり、
前記第２の粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の磁性粒子であり、
前記第３の粒子は、平均粒子径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の粒子であり、
前記微粒子混合体は、前記第１の粒子の割合が６０質量％以上、９９質量％未満であり、残部が前記第２の粒子及び前記第３の粒子である、磁気粘性流体。 - 前記第３の粒子の前記第２の粒子に対する質量比は、０．１以上、１０以下である、請求項１に記載の磁気粘性流体。
- 前記第３の粒子は、マグネタイトである、請求項１又は２に記載の磁気粘性流体。
- 前記第１の粒子、前記第２の粒子及び前記第３の粒子の少なくとも１つは、表面に設けられた表面改質層を有し、
前記表面改質層の表面は、前記表面改質層が設けられた粒子本体の表面よりも疎水性である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気粘性流体。 - 前記第１の粒子、前記第２の粒子及び前記第３の粒子の少なくとも１つは、表面に設けられた表面改質層を有し、
前記表面改質層の表面は、前記表面改質層が設けられた粒子本体の表面よりも親水性である、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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