JP7061406B2

JP7061406B2 - 電気粘性流体

Info

Publication number: JP7061406B2
Application number: JP2020571617A
Authority: JP
Inventors: チャオホイチウ; シアオミンシオン
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2022-04-28
Anticipated expiration: 2039-07-02
Also published as: US11162052B2; EP3810737A1; US20200024543A1; EP3810737A4; JP2022501449A; WO2020015522A1; EP3810737B1

Description

本発明は、スマートマテリアルの技術分野に属し、具体的には、電気粘性流体に関する。

電気粘性流体（ＥｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｌｕｉｄｓ、略語ＥＲＦ）は、重要なスマートマテリアルの１つであり、通常、高誘電定数、低導電率の誘電体粒子を低誘電定数の絶縁油に分散させてなる懸濁系である。外部電界による作用がない場合、電気粘性流体は液体状態を呈し、外部電界が電気粘性流体に作用する場合、電気粘性流体のせん断応力が電界の増加に伴い大きくなる。電界が十分に大きい場合、電気粘性流体は固体に類似した物質になる。さらに、このようなせん断応力の変換は可逆的で、連続的に調整可能であり、応答時間がミリ秒スケールであり、したがって、電気粘性流体は、ダンピングシステム、ショックアブソーバー、無段変速器、バルブ、電気機械制御結合などに用いられ得る。

現在、電気粘性流体は、従来の電気粘性流体である誘電体型電気粘性流体と、巨大電気粘性流体である極性分子型電気粘性流体との２種類に分けられる。前者は、理論的にも実験的にも、得られたせん断応力が低すぎ（＜１０ｋＰａ）、実用化に適していない。後者は、せん断応力が非常に高く（＞１００ｋＰａ）、電界で高せん断応力を発生させるキーとが極性分子の作用であるが、極性分子が機械摩擦や高温などの作用により脱着、分解、揮発などをするため、極性分子型巨大電気粘性流体は、使用寿命も温度安定性も悪く、また実用化が実現できない。

従来技術の欠陥を解決するために、本発明は、せん断応力が高く、漏れ電流が小さく、使用寿命が長く、温度安定性に優れるという特性を有する、導体粒子含有電気粘性流体を提供する。また、本発明は、該電気粘性流体の調製方法を提供する。

上記目的を達成させるために、本発明は以下の技術案を採用する。

誘電体粒子、導体粒子及び絶縁油を含み、前記誘電体粒子が絶縁油に均一に分散している電気粘性流体であって、
前記導体粒子が絶縁油に均一に分散しているか、前記誘電体粒子の内部及び表面に嵌め込まれている。

さらに、前記誘電体粒子は、誘電定数が１０よりも大きく、抵抗率が１０オーム／メートルよりも大きい。

さらに、前記誘電体粒子はＴｉＯ_２、ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＴｉＯ_３から選ばれる１種又は複数種である。

さらに、前記導体粒子は、２０℃より小さい温度で、抵抗率が１０^－３オーム／メートルより小さい固体であり、金属、炭素、導電性有機物から選ばれる１種又は複数種である。

さらに、前記金属は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｍ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒのうちの１種又は複数種であり、
前記炭素は、無定形炭素、グラファイト、グラフェン、還元酸化グラフェンのうちの１種又は複数種であり、
前記導電性有機物は、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリ（ｐ－フェニレンビニレン）、ポリジアセチレンのうちの１種又は複数種である。

さらに、前記絶縁油はシリコンオイル、鉱油、エンジンオイル、炭化水素油のうちの１種又は複数種である。

さらに、前記誘電体粒子形状又は導体粒子は、球形、直方体、四面体、不規則な多面体は任意の形状である。

一実施形態として、前記誘電体粒子と前記導体粒子は絶縁油に均一に分散しており、前記誘電体粒子の直径が０．１μｍ～１０μｍであり、前記誘電体粒子の直径が０．２μｍ～１００ｎｍである。

本発明は、
１～１０部の導体粒子と５０～２００部の絶縁油を混合し、１０～１００分間粉砕又は超音波分散させ、導体粒子／絶縁油懸濁液を得るステップＳ１と、
５０～５００部の誘電体粒子を前記導体粒子／絶縁油懸濁液に加え、粉砕して微量の水分を含有する電気粘性流体を得るステップＳ２と、
ステップＳ２で得られた前記微量の水分を含有する電気粘性流体を、１２０～２００℃で１時間熱処理して水分を除去し、電気粘性流体を得るステップＳ３と、を含む上記電気粘性流体の調製方法をさらに調製する。

別の実施形態として、前記導体粒子は、前記誘電体粒子の内部及び表面に嵌め込まれており、誘電体粒子の半径が５０ｎｍ～５μｍであり、前記誘電体粒子の半径が０．２ｎｍ～１００ｎｍである。

本発明は、
蒸留水２０～３０ｇと無水エタノール４０～４００ｇを炭素源有機物１～１０ｇに溶解して、Ａ液を調製し、チタン酸ブチル１０～１００ｇを無水エタノール８０～８００ｇに溶解して、Ｂ液を調製するステップＳ１と、
持続的に激しく撹拌されたＢ液にＡ液を緩やかに滴下し、滴下終了後、混合液を遠心分離して沈殿物を得るステップＳ２と、
沈殿物を洗浄した後、ベークして、乾燥させた粉末を得るステップＳ３と、
乾燥させた粉末を管状炉に投入して、真空又は窒素雰囲気下、５００～６００℃で処理するステップＳ４と、
得た粉末と絶縁油を混合して、電気粘性流体を調製するステップＳ５と、
電気粘性流体を１５０～１７０℃で熱処理し、水分を除去するステップＳ６と、を含む上記電気粘性流体の調製方法をさらに提供する。

さらに、前記炭素源有機物はグルコース又はスクロースである。

従来技術に比べて、本発明の有益な効果は以下のとおりである。
１）本発明では、誘電体粒子と絶縁油にナノスケールの導体粒子を加えることにより、電気粘性流体のせん断応力を明らかに上昇させる。導体粒子が絶縁油に均一に分布しているか、又は誘電体粒子の内部及び表面に嵌め込まれていることによって、電気粘性流体は、せん断応力が高く、使用寿命が長く、温度安定性に優れ、漏れ電流が小さいという利点を有する。
２）電気粘性流体の成分はすべて機械摩擦に低感度であるので、優れた耐摩耗性を有し、使用寿命が長い。本発明の電気粘性流体は、高温にも低温にも耐えられるので、温度の適用範囲が広い。
３）本発明の前記電気粘性流体の調製方法が簡単であり、各原料について成熟した生産プロセスがあり、量産に適している。
４）本発明の前記電気粘性流体は、ダンパー、ショックアブソーバー、マイクロ流体制御、メカトロニクスなどの分野に幅広く適用できる。

誘電体粒子が絶縁油に均一に分散しており、導体粒子が絶縁油に均一に分散している電気粘性流体の組成の模式図である。本発明の実施例１における電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係図である。本発明の実施例２における電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係図である。本発明の実施例３における電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係図である。導体粒子が嵌め込まれている誘電体粒子の構造模式図である。実施例６における黒色粉末の透過型電子顕微鏡写真である。実施例６における黒色粉末のラマンスペクトルである。実施例６における黒色粉末の減量曲線（雰囲気：空気）である。実施例６における電気粘性流体の、せん断応力及び電界強度の関係図である。実施例６における電気粘性流体の、各温度でのせん断応力と電界強度との関係図である。実施例６における電気粘性流体の摩損前後のせん断応力と電界強度との関係図である。実施例７における電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係図である。実施例８における電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適実施例を説明するが、なお、ここで説明する好適実施例は本発明を説明して解釈するために過ぎず、本発明を限定するものではない。

以下の前記実施例で使用される方法及び装置については、特に断らない限り、すべて一般的な方法及び装置である。

以下の前記実施例で使用される原料、試薬などは、特に断らない限り、いずれも市販品として入手できる。

以下の前記実施例の電気粘性流体は、誘電体粒子、導体粒子及び絶縁油を含み、誘電体粒子が絶縁油に均一に分散しており、導体粒子が絶縁油に均一に分散しているか（図１）、又は誘電体粒子の内部及び表面に嵌め込まれている（図５）。

前記誘電体粒子は、誘電定数が１０よりも大きく、抵抗率が１０オーム／メートルよりも大きい。

前記誘電体粒子は、ＴｉＯ_２、ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＴｉＯ_３から選ばれる１種又は複数種である。

前記導体粒子は、２０℃より小さい温度で、抵抗率が１０^－３オーム／メートルより小さい固体であり、金属、炭素、導電性有機物から選ばれる１種又は複数種である。

前記金属は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｍ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒのうちの１種又は複数種であり、
前記炭素は、無定形炭素、グラファイト、グラフェン、還元酸化グラフェンのうちの１種又は複数種であり、
前記導電性有機物は、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリ（ｐ－フェニレンビニレン）、ポリジアセチレンのうちの１種又は複数種であり、前記絶縁油は、シリコンオイル、鉱油、エンジンオイル、炭化水素油のうちの１種又は複数種である。

前記誘電体粒子形状は、球形、直方体、四面体、不規則な多面体は任意の形状である。

以下の実施例１～５は、前記誘電体粒子と導体粒子が絶縁油に均一に分散しているものであり、誘電体粒子の直径が０．１μｍ～１０μｍであり、導体粒子の直径が０．２ｎｍ～５０ｎｍである。

実施例１
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
炭素粒子１ｇとジメチルシリコンオイル２００ｇを混合し、３０ｍｉｎ超音波分散させ、炭素－シリコンオイル懸濁液を得て、二酸化チタン粒子５０ｇを炭素－シリコンオイル懸濁液に加え、十分に粉砕して、水分を含有する電気粘性流体を得て、最後に、水分を含有する電気粘性流体を１５０℃で２時間熱処理して水分を除去し、電気粘性流体を得て、本実施例の電気粘性流体は、導体分散型電気粘性流体であり、図１に示される。
ここで、炭素粒子は、密度０．０５ｇ／ｃｍ^３、直径２０ｎｍであり、ジメチルシリコンオイルは、粘度２０ｃｓｔ、密度０．９７ｇ／ｃｍ^３であり、二酸化チタン粒子は、密度４．２ｇ／ｃｍ^３、直径１．５μｍである。
そのせん断応力と電界強度との関係を図２に示し、上側の曲線は本実施例で得られた導体分散型電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係であり、下側の曲線は炭素粒子非添加の電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係であり、この図から、炭素粒子を加えると、せん断応力が大幅に上昇することを示した。

実施例２
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
まず、銀粒子１０ｇとシリコンオイル２００ｇを混合し、粉砕して銀－シリコンオイル懸濁液を得て、二酸化チタン粒子５０ｇを銀－シリコンオイル懸濁液に加え、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、水分を含有する電気粘性流体を２００℃で１時間熱処理して水分を除去した。
銀粒子は直径５０ｎｍであり、シリコンオイルは、粘度３００ｃｓｔ、密度０．９７ｇ／ｃｍ^３であり、二酸化チタン粒子は直径が１．５μｍである。
そのせん断応力と電界強度との関係を図３に示し、上側の曲線は本実施例で得られた導体分散型電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係であり、下側の曲線は、炭素粒子非添加の電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係であり、この図から、銀粒子を加えると、せん断応力が上昇することを示した。

実施例３
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
炭素粒子５ｇとジメチルシリコンオイル１５０ｇを混合し、粉砕して炭素－シリコンオイル懸濁液を得て、二酸化チタン粒子１００ｇを炭素－シリコンオイル懸濁液に加え、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、水分を含有する電気粘性流体を１７０℃で１時間熱処理して水分を除去した。
炭素粒子は、密度０．０５ｇ／ｃｍ^３、直径２０ｎｍであり、ジメチルシリコンオイルは、粘度３００ｃｓｔ、密度０．９７ｇ／ｃｍ^３であり、二酸化チタン粒子は、密度４．２ｇ／ｃｍ^３、直径１．５μｍである。
そのせん断応力と電界強度との関係を図４に示し、上側の曲線は本実施例で得られた導体分散型電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係であり、下側の曲線は、炭素粒子非添加の電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係であり、この図から、銀粒子を加えると、せん断応力が大幅に上昇することを示した。

実施例４
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
炭素粒子１ｇとジメチルシリコンオイル５０ｇを混合し、炭素－シリコンオイル懸濁液を得て、二酸化チタン粒子１００ｇを炭素－シリコンオイル懸濁液に加え、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、水分を含有する電気粘性流体を１５０℃で１時間熱処理して水分を除去した。
炭素粒子は、密度０．０５ｇ／ｃｍ^３、直径２０ｎｍであり、ジメチルシリコンオイルは、粘度３００ｃｓｔ、密度０．９７ｇ／ｃｍ^３であり、二酸化チタン粒子は、密度４．２ｇ／ｃｍ^３、直径１．５μｍである。

実施例５
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
金粒子１ｇとジメチルシリコンオイル１５０ｇを混合し、金－シリコンオイル懸濁液を得て、二酸化チタン粒子１００ｇを金－シリコンオイル懸濁液に加え、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、水分を含有する電気粘性流体を１５０℃で２時間熱処理して水分を除去した。
金粒子は直径２０ｎｍであり、ジメチルシリコンオイルは、粘度２０ｃｓｔ、密度０．９７ｇ／ｃｍ^３であり、二酸化チタン粒子は、密度３．８ｇ／ｃｍ^３、直径１．２μｍである。
以下の実施例６～１０は、前記導体粒子が前記誘電体粒子の内部及び表面に嵌め込まれているものであり、誘電体粒子の半径が５０ｎｍ～５μｍであり、導体粒子の半径が０．２ｎｍ～１００ｎｍである。

実施例６
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
まず、蒸留水３０ｇと無水エタノール１６０ｇをグルコース１ｇに溶解して、Ａ液を調製し、チタン酸ブチル３０ｇを無水エタノール２４０ｇに溶解して、Ｂ液を調製し、持続的に激しく撹拌されたＢ液にＡ液を緩やかに滴下し、滴下してから半時間後、混合液を遠心分離して白色沈殿を得て、沈殿を水と無水エタノールでそれぞれ２回洗浄した後、ベークして乾燥粉末を得た。乾燥させた粉末を管状炉に投入し、６００℃、窒素雰囲気で３ｈ処理し、黒色粉末を得て、黒色粉末は導体粒子が嵌め込まれた誘電体粒子であり、その構造模式図が図５に示され、黒色粉末の透過型電子顕微鏡写真は、図６に示され、暗い部分が炭素粒子であり、ラマンスペクトルは図７に示され、二酸化チタン（誘電体）がアナターゼ相であり、炭素が不定形炭素（導体）である。図６及び図７は、図５に示す構造が既に製造されたことを示す。
熱重量減量曲線は図８に示され、１９０℃では、物理的に吸着させた水の減量であり、２９０℃以降では、炭素の減量である。黒色粉末２ｇと粘度３００ｃｓｔのシリコンオイル１ｇを混合し、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、電気粘性流体を１７０℃で２時間熱処理して水分を除去した。
電気粘性流体のせん断応力と電界強度との関係を図９に示し、図９では、下側の曲線は炭素非添加の場合であり、この図から、炭素を加えると、せん断応力が大幅に上昇することを示し、図１０は、各温度でのせん断応力と電界強度との関係図（質量百分数は図９に記載のものよりもわずかに低い）であり、この図から、この電気粘性流体が２５～１７０℃の温度で優れた安定性を有することを示し、図１１は、摩損前後のせん断応力と電界強度との関係図であり、この図から、電気粘性流体の使用寿命が長いことを示した。

実施例７
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
まず、蒸留水３０ｇと無水エタノール１６０ｇをスクロース１ｇに溶解して、Ａ液を調製し、チタン酸ブチル３０ｇを無水エタノール２４０ｇに溶解して、Ｂ液を調製し、持続的に激しく撹拌されたＢ液にＡ液を緩やかに滴下し、滴下してから半時間後、混合液を遠心分離して白色沈殿を得て、沈殿物を水と無水エタノールでそれぞれ２回洗浄した後、ベークして乾燥粉末を得た。乾燥させた粉末を管状炉に投入し、５００℃、窒素雰囲気で３ｈ処理し、灰色粉末を得た。灰色粉末２ｇと粘度５０ｃｓｔのシリコンオイル１ｇを混合し、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、電気粘性流体を１５０℃で２時間熱処理して水分を除去した。
そのせん断応力と電界強度との関係を図１２に示し、この図から、炭素を加えると、せん断応力は炭素非添加の場合（図９の下側の曲線は炭素非添加の場合である）よりも大幅に上昇することを示した。

実施例８
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
まず、蒸留水２０ｇと無水エタノール１６０ｇをスクロース１ｇに溶解して、Ａ液を調製し、チタン酸ブチル３０ｇを無水エタノール２４０ｇに溶解して、Ｂ液を調製し、持続的に激しく撹拌されたＢ液にＡ液を緩やかに滴下し、滴下してから半時間後、混合液を遠心分離して白色沈殿を得て、沈殿物を水と無水エタノールでそれぞれ２回洗浄した後、ベークして乾燥粉末を得た。乾燥させた粉末を管状炉に投入し、５００℃、真空雰囲気で３ｈ処理し、灰色粉末を得た。灰色粉末１ｇと粘度２０ｃｓｔのシリコンオイル１ｇを混合し、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、電気粘性流体を１５０℃で２時間熱処理して水分を除去した。
そのせん断応力と電界強度との関係を図１３に示し、この図から、炭素を加えると、せん断応力は炭素非添加の場合（図９の下側の曲線は炭素非添加の場合である）よりも大幅に上昇することを示す。

実施例９
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
まず、蒸留水２２ｇと無水エタノール４０ｇをスクロース２ｇに溶解して、Ａ液を調製し、チタン酸ブチル１０ｇを無水エタノール８０ｇに溶解して、Ｂ液を調製し、持続的に激しく撹拌されたＢ液にＡ液を緩やかに滴下し、滴下してから半時間後、混合液を遠心分離して白色沈殿を得て、沈殿物を水と無水エタノールでそれぞれ２回洗浄した後、ベークして乾燥粉末を得た。乾燥させた粉末を管状炉に投入し、５００℃、真空雰囲気で３ｈ処理し、灰色粉末を得た。灰色粉末１ｇと粘度１００ｃｓｔのシリコンオイル１ｇを混合し、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、電気粘性流体を１７０℃で１時間熱処理して水分を除去した。

実施例１０
電気粘性流体の調製方法は以下のとおりである。
まず、蒸留水２８ｇと無水エタノール４００ｇをスクロース１０ｇに溶解して、Ａ液を調製し、チタン酸ブチル１００ｇを無水エタノール８００ｇに溶解して、Ｂ液を調製し、持続的に激しく撹拌されたＢ液にＡ液を緩やかに滴下し、滴下してから半時間後、混合液を遠心分離して白色沈殿を得て、沈殿物を水と無水エタノールでそれぞれ２回洗浄した後、ベークして乾燥粉末を得た。乾燥させた粉末を管状炉に投入し、５００℃、真空雰囲気で３ｈ処理し、灰色粉末を得た。灰色粉末１ｇと粘度２００ｃｓｔのシリコンオイル１ｇを混合し、十分に粉砕して、電気粘性流体を得て、最後に、電気粘性流体を１７０℃で３時間熱処理して水分を除去した。

もちろん、本発明の上記実施例は、本発明を明確に説明するための例示に過ぎず、本発明の実施形態を限定するものではない。当業者であれば、上記説明に基づいて他の様々な形態の変化又は変更を加えることができる。ここではすべての実施形態を一々挙げる必要がなく、また不可能なことである。本発明の趣旨及び原則を逸脱することなく行われるすべての修正、等同置換や改良などは、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。

Claims

誘電体粒子、導体粒子及び絶縁油を含み、前記誘電体粒子が絶縁油に均一に分散している電気粘性流体であって、
前記誘電体粒子は、誘電定数が１０よりも大きく、抵抗率が１０オーム／メートルよりも大きく、
前記導体粒子は、２０℃より小さい温度で、抵抗率が１０ ^－３オーム／メートルより小さい固体であり、金属、炭素、導電性有機物から選ばれる１種又は複数種であり、
前記誘電体粒子が絶縁油に均一に分散しており、該誘電体粒子の半径は５０ｎｍ～５μｍであり、
複数の前記導体粒子が前記誘電体粒子の内部及び表面に分散して嵌め込まれており、前記導体粒子の半径が０．２ｎｍ～１００ｎｍである、ことを特徴とする電気粘性流体。
前記誘電体粒子はＴｉＯ２、ＣａＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＴｉＯ３から選ばれる１種又は複数種である、ことを特徴とする請求項１に記載の電気粘性流体。
前記金属は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｍ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒのうちの１種又は複数種であり、
前記炭素は、無定形炭素、グラファイト、グラフェン、還元酸化グラフェンのうちの１種又は複数種であり、
前記導電性有機物は、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリ（ｐ－フェニレンビニレン）、ポリジアセチレンのうちの１種又は複数種である、ことを特徴とする請求項１に記載の電気粘性流体。
前記絶縁油はシリコンオイル、鉱油、エンジンオイル、炭化水素油のうちの１種又は複数種である、ことを特徴とする請求項１に記載の電気粘性流体。
前記誘電体粒子形状は、球形、直方体、四面体、不規則な多面体は任意の形状である、ことを特徴とする請求項１に記載の電気粘性流体。