JPH03119098A - 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、電圧制御により粘性を変化できるため
、クラッチ、バルブ、ショックアブソーバ−等のアクチ
ュエーターとして利用される。本発明は電気粘性流体の
性能の向上に係わるものである。

〔従来の技術〕

トランス油、スピンドル油、塩化パラフィン等の電気絶
縁性油状媒体中に僅かに含水させたシリカ、デンプン、
セルロース等の含水固体微粒子を分散させた流体に外部
電界を加えると、流体の粘度が著しく増大する現象が見
られる。この現象は、ウィンズロ−効果と呼ばれ、１９
４０年代からウィンズロ−流体が電気粘性流体の代表と
してよく知られている。

ウィンズロ−効果を高める方法として、イオン交換樹脂
を用いる方法（特開昭５０−９２２７８号公報）、界面
活性剤と水また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３．６６７、８７２号）、水や
金属イオン水溶液を層間に含有し得るマイカなどの積層
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−キノン）などの有機半導体粒子を用い
る方法（特開昭６１−２１６２０２号公報）、表面を絶
縁層で被覆した有機導電体粒子を用いる方法（特開昭６
３−９７６９４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〕

イオン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、外部電界を加えた際に大きく粘度が変化する
といった優れた特徴を持つが、−方、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
電流の増大などを引き起こすため、高温では使用できな
い。また、非含水粒子を用いる方法では、上記の問題は
ないものの、電気粘性効果が含水粒子に比べ劣る。

本発明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
体を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

含水粒子を分散させた電気粘性流体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、特に電極と粒子、粒子と粒子の接
点での発生が多く、高温になる程、この発生量が多くな
ることが分かる。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、相当大きいことが分かった
。

そこで水の蒸発や移行の防止と合わせ、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
性高分子薄膜層を形成することを考えつき、鋭意検討を
重ねた結果、この絶縁性高分子薄膜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、高温での
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
見出した。

更に、絶縁性の高分子薄膜層に含水微粒子との化学的結
合を持たせることにより、高分子薄膜層の剥離などの摩
耗の問題を解決できることを見出し本発明をなすにいた
った。

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、その表面にその粒子と化学的な
結合を持つ電気絶縁性の高分子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、アミド基などをもち、親水性で水を吸着しやすく
、かつ化学的な反応性を有するデンプン、セルロース、
カゼイン、ポリビニルアルコール、フェノールホルマリ
ン樹脂、ポリメタクリル酸、ポリスチレンジメチルアミ
ノメチル四級アンモニウム塩、ポリスチレンスルホン酸
、ポリスチレンカルボン酸などの粒子、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、マイカ、ヒル石などの粒子、また
は結晶水として水を強固に保持しやすいリン酸アルミニ
ウム、硫酸セリウム、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、偏平や棒状あるいは角形のもの
よりは、球状や楕円状のものがよく、特に真球状のもの
が最も好ましい。粒子の粒径は１〜１００μｍ程度が好
ましく、中でも３〜１０μｍ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こしゃすくなり、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。含水の量は、粒子の種類にもよるが、通常は
乾燥粒子に対して、０．５〜１０重量％が好ましく、更
に好ましくは１〜５重量％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
１Ｏ１０Ωｃｍ以下であり、１０９Ω口以下が好ましい
。１０′６Ω口より高いとイオン的な分極により高い電
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性の高分子薄膜層としては、有
機および無機の絶縁性高分子材料、例えば、ポリスチレ
ン、ポリメタクリレート、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
機高分子材料、ポリシロキサン、ポリアルミノキサンな
どの無機高分子材料などが代表として挙げられる。

含水粒子表面に化学的な結合を持つ電気絶縁性の高分子
薄膜層を形成する方法としては、含水粒子表面の反応性
基または含水粒子表面に化学的に導入した反応性基と、
γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−
グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、インプロピ
ルイソステアロイルジアクリルチタネートなどの重合性
基と結合性基を有するカップリング剤を反応させ、単独
重合あるいは、他の重合性物質と共重合させる方法、重
合性基と結合性基を有する物質と含水粒子の反応性基ま
たは含水粒子に化学的に導入した反応性基とを、アミド
結合、エポキシ結合、エステル結合、エーテル結合、ウ
レタン結合などで結合させた後、重合あるいは他の重合
性物質と共重合する方法、金属アルコキシドなどを用い
、アルミノキサン結合やシロキサン結合などで無気高分
子薄膜層を形成する方法などが挙げられる。

絶縁性の高分子薄膜層は、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が最も好ましい。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
士が直接相互に接触せず、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止の点で効果があり目
的に適う。

絶縁性の高分子薄膜層の厚さとしては、電気粘性効果の
面から薄いものが好ましく、通常１μｍ以下であるが、
薄すぎると絶縁層としての効果が低下するうえ粒子中の
水の蒸発に対するバリア効果が小さくなることから０．
５〜０．１μｍの厚さが好ましい。

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１０１０Ω口より高いことが必要である。

なお、複合粒子の含水量の調整は、絶縁性の高分子薄膜
層の形成前に行なうことも可能であるが、絶縁性の高分
子薄膜層の形成や正確な含水量の調整のためには、形成
後に行なうのが好ましい。

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ロプロピレンオキシド、オリゴ
トリフルオロクロルエチレンオキシドなどのフルオロカ
ーボン油、ブ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ー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、セパチン酸ブチルなどの脂肪族エステル、オリゴ
フェニレンオキシドなどの芳香族エーテル、イソプロピ
リデンシクロヘキサン、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、綿実油、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、通
常１〜５０容量％、好ましくはｌＯ〜４０容量％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、５０容量％が実用上の上限である。

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。

粒子の電気抵抗は、内径２０閤のテフロン製の円筒の内
部に、試料粒予約１−を直径２０＋ｎｍの２つの電極板
間に挟み、電極板に１００ｇの加重をかけ、ＩＯ〜ｔｏ
ｏｖの電圧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。

また絶縁性の高分子薄膜層の厚さは、走査型電子顕微鏡
、オージェ電子分光装置、電子線マイクロアナライザー
、蛍光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。

本発明は、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とともに、耐久性の優れた
電気粘性流体を提供するものであり、小型で高性能なバ
ルブ、クラッチ、ショックアブソーバ−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
閣のシリンダーと外径３８ｍ（７）ローターの間隙（１
，Ｏｍｍ）に試料流体を封入し、２００５ｅｃ−’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（三菱化成
工業■製、ＭＣＩ■ＧＥＬ　ＣＫＯ８Ｐ、平均粒径１０
０μｍ　）（Ａ粒子）のスルホン酸基の一部とモノエタ
ノールアミンとをスルホンアミド結合で結合させた粒子
（８粒子）を合成した。イオン交換容量をｐＨ適定によ
り求めた結果、スルホン酸基の６５％にモノエタノール
アミンが導入されていた。

次に、８粒子４．０ｇとγ−メタクリロキシプロピルト
リメトキシシラン（Ｃ物質）１．０ｇとをメタノール／
水混合液（水９０重量％）中、７０°Ｃでｔ−ブチルヒ
ドロパーオキシド０．０６ｇを重合触媒として、窒素ガ
ス雰囲気で撹拌しながら３時間反応させた。

粒子表面にＣ物質の重合体の薄膜層が形成され、８粒子
に比べ若干白色がかつて見えた。蛍光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０．２μｍ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２．５重
量％に調整した後、ジメチルシリコーン７．０ｇにこの
調湿粒子３．０ｇを分散させて電気粘性流体試料とした
。

一方、比較のため８粒子を同様に含水率２．５重量％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　Ｃ２，０ＫＶ　（５０Ｈ
ｚ）の電圧印加で温度を変えて測定し比較例１とした。

その結果を第１表に示す。

なお、粒子の電気抵抗は絶縁性高分子薄膜層を形成した
実施例では２Ｘ１０”９口、形成しない比較例では４Ｘ
ｌＯ’Ω口であった。

実施例２ 実施例１で調整した８粒子４．０ｇと、Ｃ物質０．５ｇ
、スチレン０．５　ｇとをメタノール／水混合液（水９
０重量％）中、７０℃でｔ−ブチルヒドロパーオキシド
０．０６ｇを重合触媒として窒素ガス雰囲気中で撹拌し
ながら３時間反応させた。

粒子表面にＣ物質とスチレンの共重合体の薄膜層が形成
され、８粒子に比べ若干白色がかかつて見えた。蛍光Ｘ
線分析から粒子表面に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０．２〜０．３μｍと計算された。

この粒子及び８粒子に対し、実施例１と同様にして電気
粘性流体を調整して実施例２とし、実施例１と同様にし
て、電気粘性特性を測定した。その結果を第１表に示す
。

なお、粒子の電気抵抗は絶縁性高分子薄膜層を形成した
実施例では４Ｘ１０”０ｃｍであった。

第１表からもわかるように、絶縁性の高分子薄膜層のな
い比較例では、高温では著しく電流が増大するのに対し
、絶縁性の高分子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３ 実施例１及び２の測定を高温で長時間行ない耐久性を調
べた。比較例１では６０°Ｃ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１及び２では８０℃で１００時間測定を続けても殆ん
ど変化が見られなかった。

比較例２ 比較のため未処理のＡ粒子と３倍量のＣ物質を実施例１
と同様の方法を用いて反応させた。その結果、へ粒子表
面にＣ物質の薄膜層が形成された。

処理後の粒子重量増加から計算した平均厚みは、実施例
１とほぼ同じであったが、走査型電子顕微鏡により粒子
表面を観察したところ、実施例１の粒子に比べて、やや
不均一でバルキーな薄膜層であることが認められた。ま
た実施例１と同様にして電気粘性流体をつくり実施例１
と比較を行なったところ、実施例１の粒子は、８０℃で
１００時間はとんど変わらない電気粘性効果を示したの
に対し、この粒子は８０℃、６０時間程度で発生応力が
低下し始めた。測定後これらの粒子の表面を走査型電子
顕微鏡で観察したところ、実施例１の粒子はほとんど変
化していなかったが、この粒子では薄膜層の一部がはが
れ落ちていることが確認された。

比較例３ 比較のため未処理のＡ粒子と２倍量の物質及びスチレン
とを実施例２と同様の方法を用いて反応させた。その結
果、Ａ粒子表面にＣ物質とスチレンの共重合体薄膜層が
形成された。平均厚みは実施例２と同様であったが走査
型電子顕微鏡により粒子表面を観察したところ、実施例
２に比べて不均一であった。また実施例２と同様にして
電気粘性流体をつくり実施例２と比較したところ、実施
例２の粒子は８０℃で１２０時間はとんど変わらない電
気粘性効果を示したのに対し、この粒子は、８０℃、８
０時間程度で発生応力や電流値が低下し始めた。測定後
これらの粒子の表面を走査型電子顕微鏡で観察したとこ
ろ、実施例２の粒子はほとんど変化していなかったが、
この粒子では薄膜層の一部がはがれ落ちていることが確
認され、電気粘性流体のオイル層ににごりが認められた
。

〔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ものの、高温では使用できない
。

これに対し本発明の電気粘性流体は、含水粒子の高い電
気粘性効果を損なわずに、より高温での安定な使用も可
能とすることは明らかである。

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微粒子を分散せしめた
   電気粘性流体において、該誘電体微粒子が含水微粒子で
   あり、その表面にその粒子と化学的な結合を持つ電気絶
   縁性の高分子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