JPH02235994A - 電気粘性流体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 電気粘性流体は、粘性を電気的に制御できるために、バ
ルブやクラッチなどのコンパクトで高性能な新しいアク
チェーターとして、振動吸収装置、トルク伝達装置、油
圧制御システムなどの用途での応用が期待されている。

本発明は電気粘性流体の性能の向上に係るものである。

［従来の技術］ シリカ、水酸化亜鉛、デンプンなどの粒子を僅かに含水
させケロシン、スピンドル油、トランス油などの電気絶
縁性液体に分散させた流体を電極間に挾み電圧をかける
と、流体の粘度が著るしく増大する現象はＷ＋ｎｓｌｏ
ｖ効果と呼ばれ、１９４０年代からＷｉｎｓｌｏｖ流体
が電気粘性流体の代表としてよく知られている。

Ｗｉｎｓｌｏν効果を高める方法として、その後、イオ
ン交換樹脂粒子を用いる方法（特開昭５０−９２２７８
号公報）、界面活性剤と水又はアミンを含んだシリカ・
アルミナ粒子を用いる方法（米国特許第３，３８７．８
７２号）、水や金属イオン水溶液を層間に含有し得るマ
イ力などの積層構造粒子を用いる方法（特公昭４９−　
５１１７号公報）などが提案されている。また最近では
実質的に非含水の粒子を分散させた新しいタイプの電気
粘性流体として、ポリ（アセンーキノン）などの有機半
導体粒子を用いる方法（特開昭Ｂｌ−　２１８２０２号
公報）、表面を絶縁性薄膜層で被覆した有機導電体粒子
を用いる方法（特開昭［ｉ３−　９７８９４号公報）な
どが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ イオシ交換樹脂やシリカアルミナなどの含水粒子を用い
る方法は、常温では優れた電気粘性効果イー示すものの
、高温では粒子中の水の蒸発や電気分解、イオン解離の
増大による著るしい電流上昇などを引き起すため、高温
では使用できない。一方、非含水粒子を用いる方法では
、上記の問題はないものの、電気粘性効果が劣る。

本発明の目的は、含水粒子の優れた電気粘性効果を活か
し、かつ、水の存在による上記の問題を解決した新しい
電気粘性流体を提供すること（：ある。

［蘭趣を解決するための手段］ ｉ水粒子を分散させた電気粘性流体に、高温で電圧をか
けた際の粒子の挙動を細かく観察すると、粒子の表面か
らの気体の発生が見られ、特に電極との接点や粒子間の
接点での発生が多く、高温になる程、この発生量が多く
なることがわかる。分析の結果、この気体は水の電気分
解による水素と酸素であり、発生量から高温では電気分
解による水の消散の比率が結構人きいことがわかった。

そこで、水の蒸発や移行の防止と合せ、水の電気分解に
よる消散を防ぐ方法として、粒子表面に極めて薄い絶縁
層を形成することを考えつき、鋭意実験を重ねた結果、
この絶縁層の形成が含水粒子の特徴である優れた電気粘
性効果を損なわず、高湿での電気粘性流体の安定化に極
めて顕著な効果を示すことを発見し本発明に到達した。

すなわち、本発明は電気絶縁性に優れた流体に誘電体微
粒子を分散させた電気粘性流体において、誘電体微粒子
が含水粒子であり、その表面に電気絶縁性薄膜層を有す
る複合粒子であることを特徴とする電気粘性流体である
。

本発明に使用される含水粒子としては、水酸基、スルホ
ン基、アミド基などの親水性基を有し水を吸着し易い、
デンプン、セルロース、カゼイン、フェノールホルマリ
ン樹脂、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸、ポリスチ
レンスルホン酸、ポリスチレンジメチルアミノメチル４
級アンモニウム塩などの粒子、金属の酸化物あるいは水
酸化物で微細孔や層間に水を保持し易い、シリカ、シリ
カアルミナ、アルミナ、水酸化アルミニウム、水酸化亜
鉛、酸化亜鉛、マイ力、ヒル石などの粒子、また結晶水
として水を強固に保持し易いリン酸アルミニウム、硫酸
セリウム、シリカアルミナ金属塩、酒石酸リチウムなど
が代表例として挙げられる。

これらの粒子の形状は偏平なものや棒状のもの、あるい
は角形のものよりは、球状や楕円状のちのがよく、特に
真球状のものは最も好ましい。粒子の粒径は１〜１００
μＩ程度が好ましく、中でも３〜ＩＯμｍのものは、電
気粘性効果と粒子の機械的強度や沈降などの工学的問題
とのバランスの面から最も好ましい。

これらの含水粒子中の含水量は、多すぎると電流が異常
に上昇したり絶縁破壊を引き起しゃ・すくなり、また逆
に少なすぎると発生する電気粘性効果が小さくなり、好
ましくない。適当な水の量は粒子の種類にもよるが、通
常は乾燥粒子重量あたり　０．５〜１０％、更に好まし
くは１〜５％である。

含水粒子が電圧印加時に流体中でイオン的分極を生じ電
気粘性効果を示すためには、含水粒子として電気抵抗が
１０１０Ωｃｍ以下、好ましくは１０９Ωｅｍ以下、で
あることが必要である。■０１０Ωａｍより高いとイオ
ン的な分極にはより高い電圧の印加が必要となるか、ま
たは高い電圧を印加しても実質的な粘性効果を示さない
。

含水粒子表面の電気絶縁薄膜層としては、有機および無
機の絶縁性物質、例えば、ポリスチレン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ
イミドなどの有機高分子、シリカ、アルミナ、酸化チタ
ン（ルチル）、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化ア
ルミニウム、窒化ケイ素などの金属窒化物、チタン酸バ
リウムなとが代表として挙げられる。

絶縁薄膜層は含水粒子表面に均一に形成されるのが好ま
しく、特に内部に含んだ水の蒸発や移行に対してのバリ
アの効果をもつ材質で均一かつ緻密に粒子表面全体に形
成されることか最も好ましい。しかし絶縁層にクラック
や隙間があっても、内部の含水粒子部分同志が相互に接
触せず、実質的に電気的絶縁状態となるものであれば水
の電気分解の防市の点で効果があり目的に適う。

絶縁薄膜層の厚さとしては、電気粘性効果の面からでき
るたけ薄いものが好ましく、１μｍ以下であることが必
要であるが、薄すぎると絶縁層としての効果が低下する
ことから、通常は０．５〜０．１μｍの厚さで使用され
る。

含水粒子表面に絶縁性薄膜を形成した複合粒子の電気抵
抗は粒子内部の水の電気分解を防止あるいは抑制するた
めには１０ＩＯΩｃｌＩ１より高いことが必要である。

絶縁薄膜層の形成方法としては、溶液または粉体コーテ
ィング、表面重合、蒸着、表面反応など公知の方法が適
用できる。均一な厚さの絶縁薄膜層を粒子全面に形成し
、２次粒子の発生を防止することが重要である。このよ
うな方法としては、工業技術ライブラリー２５“マイク
ロカプセル”　（近藤朝士著、日刊工業新聞社）に紹介
された各種の方法、あるいは金属アルコキシドやシラン
カップリング剤を表面に吸着させた後、加水分解あるい
は加熱分解して金属酸化膜あるいは有機シリコーン膜を
形成する方法などが好ましい方法として挙げられる。

なお複合粒子の含水量の調整は、絶縁層膜層の形成前に
行うことも可能であるが、絶縁膜の形成や正確な含水量
の調整には形成後に行うのがやりやすく好ましい。

本発明に使用される電気絶縁性に優れた流体としては、
ジメチルシリコン、ジフェニルシリコンなどのシリコン
油、オリゴヘキサフルオ口プロピレンオキシド、オリゴ
１・リフルオロクロルエチレンオキシドなどのフルオロ
カーボン浦、プロモジフェニルメタン、トリクロロジフ
ェニルエーテルなどのハロゲン化芳香族油、フタル酸ジ
ブチル、トリメリット酸トリ２エチルヘキシルエステル
などの芳香族エステル油、アジピン酸イソデシルエステ
ル、セバチン酸ブチルなどの脂肪族環式エステル、オリ
ゴフエニレンオキシドなどの芳香族エーテル、イソプロ
ピリデンシクロへキサン、イソドデカン、ｎデカン、ｎ
ヘキシルベンゼンなどの鉱物油、綿実浦、ひまし油など
の天然油などが用いられる。

本発明の誘電体粒子の電気粘性流体に占める割合は、１
〜５０、好ましくはｌＯ〜４０　Ｖｏｌ％の範囲で選ば
れる。粒子の割合が高くなると電圧印加による粘性変化
の絶対値は高くなるが、電気粘性流体自体の粘度が上昇
して使用上の障害をもたらしたり、電圧印加時と非印加
時の粘度の比（変化率）を低下させたりすることがある
ので、５０Ｖｏｌ％が実川上の上限である。

なお、電気粘性効果や電気絶縁性をあまり低下させない
範囲で、分散の安定向上や防錆、酸化防止などの目的で
電気粘性流体に添加剤を使用することができる。

なお、粒子の電気抵抗は内径２０ＩｎＩｌｌのテフロン
製の円筒の内部に、試料粒子約１ｍｌを直径２０ＩＩＩ
ＩＩ１の２つの電極板間に挾み、電極板に１００ｇの加
重をかけ、１０〜１００　Ｖの電圧を印加した際の電流
値から見掛けの体積抵抗値を求める方法で測定する。

また、絶縁薄膜層の厚さは、走査型電子顕微鏡、電子線
マイクロアナライザー、螢光Ｘ線分析などの機器分析や
、化学的定量分析などの方法によって測定される。

［作　用］ 本発明の電気粘性流体は、高い電気粘性効果を発現する
が、高温では使用することができなかった含水粒子タイ
プの電気粘性流体の高温特性を大幅に改良するものであ
り、小型で高性能なバルブ、クラッチ、ショックアブゾ
ーバーなどの各種のメカトロニクスアクチュエーターの
実現を促進するものである。

［実施例］ 以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。

本実施例での電気粘性特性は同一中心軸をもつ内径４０
ｍｍのシリンダーと外径３８ｎ＋ｍのロー夕の間隙（１
．．Ｏｍｍ）に試料流体を封入し、２００ｓｅｃ−’の
剪断速度をかけながら、電圧を印加した際の、発生剪断
応力と電流を測定する方法により評価したものである。

実施例１ 精製し、乾燥した強酸性カチオン交換樹脂粒子（ＭＣＩ
■ＧＥＬ　ＣＫ　０８　Ｐ　，三菱化成工業Ｋ　Ｋ製、
平均粒径１００，ｃｚｍ，Ｎａ塩型）　ＬＯｇｒを、γ
ーメタクリ口キシプ口ピルトリメトキシシラン（Ａ）　
０．２ｇと微量の水（約５０ｍｇ）を含むメタノールｌ
ｏｍｌ中に入れた後、回転エバポレーターで減圧でメタ
ノールを除去し、更に８０℃で２０分間加熱した。

次にこの粒子をスチレン２．０ｇｒと上記Ａ物質１．０
ｇｒを含むメタノール／水混合液（水の割合３０ｖＬ％
）　　Ｉ００ｍｌの入った冷却器付フラスコ中に入れ、
ｔ−プチルヒドロキシパーオキシド０．０５ｇｒを重合
触媒として追加し、窒素ガス雰囲気で撹拌しながら７０
°Ｃで３時間反応させた。

粒子表面にスチレンとＡ物質との共重合体の薄膜が形成
され、乾燥した粒子は未処理の粒子に比べ若干白色がか
って見えた。螢光Ｘ線分析から、粒子にＳｉの吸収が認
められるとともに、処理前後での粒子の重量変化から、
この被膜の平均厚みは０．１〜０．２μｍと計算された
。

この粒子を大気下に放置し吸湿させ、含水率を２．５ｗ
ｔ％に調整した後、ジメチルシリコーン７．０ｇｒにこ
の調湿粒子３．０ｇｒを分散させ電気粘性流体試料とし
た。

一方比較のため、精製しただけの原料粒子を同様に２．
５ｖｔ％に調湿し、同一粒子濃度で電気粘性流体をつく
った。これらの流体の電気粘性特性をＡ　Ｃ　２．ＯＫ
　Ｖ　（　５０１１ｚ）の電圧印加で温度を変えて測定
した。その結果を表１に示す。

なお、粒子の電気抵抗は絶縁薄膜層を形成した実施例で
は２Ｘ１．０＋１Ωｅｌｌｌ、形成しない比較例では４
Ｘｌ０９Ωｃｍであった。

表１ 表１の結果からもわかるように絶縁薄膜層のない比較例
では、高温では著るしく電流が増大するのに対し、絶縁
薄膜層を形成した実施例では、高温でも発生応力、電流
ともに比較的安定した性能を示した。

実施例２ 実施例１の測定を高温で長時間行い耐久性を調べた。比
較例では６０℃で５時間続けて測定していると発生応力
や電流値が低下し始めるのに対して、実施例では８０℃
で４８時間測定を続けても殆ど変化が見られなかった。

実施例３ 球状シリカ粒子（平均粒径５μｍ）　ｌ００ｇｒの表面
にポリスチレン（平均粒径０，２μｍ）１０ｇｒを混合
造粒利（ハイブリダイザー、奈良機械製作所Ｋ　Ｋ　）
を用いてコーティングした。粒子の顕微鏡写真からポリ
スチレンは若干元の球状が残るものの、熔融してほぼ均
一に薄膜状に粒子表面にコーティングされており、断面
写真からその厚さは約０，２μｍあることを確認した。

このポリマーコーティングシリカ粒子を含水率８．０％
に調湿し、ジメチルシリコーンに粒子濃度３０ｗＬ％で
分散し電気粘性流体とした。比較のためポリマーコーテ
ィングしない元の球状シリカ粒子についても同じ含水率
と粒子濃度で電気粘性流体を得た。

これらの流体につき、実施例１と同様にＡＣ２．ＯＫ，
Ｖの電圧を印加し、電気粘性特性の温度依存性を測定し
た。結果を表２に示す。

なお粒子の電気抵抗は比較例の含水率を合せただけの粒
子では．ｌＸｌ０９Ωｅｌｌｌであったが、実施例のポ
リマーコーティングし含水率を調整した粒子では４Ｘｌ
０１１Ωｃｍであった。

表２ なわず、より高温での安定した使用を可能とすることが
明らかである。

比較例３ 実施例１で重合反応時のスチレンとＡ物質の仕込量を各
々２倍にした他はすべて同一の条件で作成した電気粘性
流体は、混度による電流の変化は小さいものの、発生応
力は２０℃で４ｇ／Ｃ…２と低く、かつ昇温とともに更
に低下した。

絶縁層は天ぷらのコロモ状に平均約１．５μｍの厚さて
あった。

［発明の効果］ 以上説明したように、含水粒子を用いた電気粘性流体は
高い電気粘性効果を示すが、高温では使用できない。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電気絶縁性に優れた流体に誘電体粒子を分散せしめた電
   気粘性流体において、誘電体微粒子が、含水微粒子であ
   り、その表面に電気絶縁性の薄膜層を有する複合粒子で
   あることを特徴とする電気粘性流体。