JPH03166295A - 改良された分散性を有する電気粘性流体 - 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〕 粘性を電気的に制御できる電気粘性流体は、バルブやク
ラッチなどのコンパクトで高性能な新らしいアクチュエ
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長期安定性に係るものである。

〔従来の技術〕

電圧印加によりその粘度が瞬間的に変化する現象は電気
粘性効果と呼ばれる。１９４０年代にウイリス・エム・
ウインズロー（旧１１ｉｓ　Ｍ，　Ｗｉｎｓｌｏｗ）に
より、シリカやデンブンなどの親水性粒子を僅かに含水
させ、ケロシンやシリコーンなどの電気絶縁性の液体に
分敗させた流体が極めて大きな電気粘性効果を示すこと
が発見され、その後ウインズロー（Ｗｉｎｓｌｏｗ）流
体と呼ばれ、電気粘性流体の代表としてよく知られてい
る。

その後このような含水粒子を用いたウインズ口一流体の
性能改良として、イオン交換樹脂粒子を用いた流体（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た流体（米
国特許第３．３６７，８７２号）、水や金属イオン水溶
液を眉間に含有し得るマイ力などの積層構造粒子を用い
た流体（特公昭４９−５１１７号公報）、高温でも比較
的安定な結晶水をもつ合戒ゼオライトを用いた流体（欧
州特許第２６５．２５２号）などが提案されている。ま
た実質的に非含水の粒子を分散させた新らしいタイプの
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た流体（特開昭６１−２１６２０
２号公報）、表面を絶縁性薄膜層で被覆した有機導電体
粒子を用いた流体（特開昭６３−９７６９４号公報）、
硫酸リチウムヒドラジニウムなどの異方導電性の結晶粒
子を用いた流体（特開平１−１７０６９３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〕

従来提案されてきた電気粘性流体は、いずれも誘電体粒
子を電気絶縁性流体に分敗させたものである。これらの
流体には２つの大きな問題があり実用化の障害となって
いる。第１は温度変化に対する性能の安定性の問題であ
るが、これに対しては高温でも比較的安定な結晶水を有
する粒子を用いる方法、半導体粒子を用いる方法、表面
に絶縁薄膜層を形戒した水を含まない導電体粒子を用い
る方法などが提案されている。第２は粒子の分散安定性
、すなわち粒子の沈降や沈降粒子の凝集・固化の問題で
ある。これまでこの問題に対する提案は少なく粒子の比
重に合せた高比重の絶縁性流体を用いる方法（英国特許
第２，１００，７４０号）、液体の比重に合せた低比重
の中空体粒子を用いる方法、極性基を有する絶縁性液体
に可溶な重合体を添加する方法（特開昭６１−４４９９
８号公報、特開昭６２−２５９７５２号公報）などがあ
るが、いずれも温度変化や長期の安定性において満足な
ものではない。

本発明者らはこの問題に対し、粒子と液体の比重を合わ
せる方法では僅かに温度が変化しただけでも両者の熱膨
張率の相違に基づく比重差の拡大により、電気粘性流体
で一般に用いられる粒子の粒径や液体の粘度領域では本
質的に粒子の沈降は避け得ないものと判断し、沈降した
粒子を容易に分散させることがより現実的であると考え
再分散性の向上方法について検討を重ねてきた。その結
果、電気粘性効果を発現させる主成分粒子に、使用する
絶縁性液体中で沈降する微細粒子を添加することにより
沈降粒子層の凝集・固化を抑え、再分散性を著しく向上
することを見いだし本発明をなすに至った．すなわち本
発明は、誘電体粒子を電気絶縁性流体に分散せしめた電
気粘性流体において、平均粒径が主戒分粒子の２０％以
下０．　３μｍ以上で、かつ該電気絶縁性液体中で沈降
する微細粒子を全粒子に対して１〜２０容量％含有する
ことを特徴とする電気粘性流体にある。

本発明にいう主戒分粒子とは、電気粘性効果の発現に直
接寄与する誘電体粒子のことであり、そのような誘電体
粒子としては、いわゆるウインズ口−（Ｗｉｎｓｌｏｗ
）型の含水タイプ粒子と非ウインズロー（Ｗｉｎｓｌｏ
ｗ）型の非含水タイプ粒子のいずれをも用いることがで
きる。前者としては、例えば、水酸基、スルホン基、ア
ξ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、イオン交換樹脂などの粒子、金
属の酸化物あるいは水酸化物で微細孔や層間番こ水を保
持し易いシリカ、シリカアルミナ、アル主ナ、水酸化ア
ルξニウム、水酸化亜鉛、酸化亜鉛、マイカ、ヒル石な
どの粒子、また結晶水として水を強固に保持し易いリン
酸アル旦ニウム、硫酸セリウム、シリカアルミナ金属塩
、硫酸リチウム・ヒドラジニウムなどの粒子が代表例と
して挙げられる。後者にはカーボン（ランプブラック）
、硫化亜鉛、銅フタ口シアニン、ポリ　（アセンーキノ
ン）などの半導体粒子、チタン酸カリウム、酒石酸リチ
ウムなどの強誘電体粒子、アルミニウムやカーボンなど
の導電体粒子の表面に薄膜絶縁層を形或した複合誘電体
粒子等が代表例として挙げられる。

これらの粒子の形状はサイコロ状や棒状あるいは鱗片状
のものでもよいが、できるだけ角がなく丸みを帯びた球
状や楕円状のものがより好ましく、特に真球状が最も好
ましい。

平均粒径としては３μｍから１００μｍの粒子を用いる
ことができる。本発明の微細粒子添加による再分散性向
上効果は、粒径の大きな領域でより大きく、３μｍ未満
の粒子では顕著な効果は得られ難い。また電気粘性効果
の面でも粒径の大きい方が低い電圧の印加でより大きな
粘性変化を発現し易いことを見出しており、粒径の大き
な粒子が好ましいが、流体中での粒子の分散性や粒子の
機械的強度、摩耗などの面では好ましくない。従って両
者のバランスからは５〜５０μ（至）が最も適当といえ
る。

一方、本発明にいう微細粒子とは、その粒径が主戒分粒
子の平均粒径の２０％以下でかつ０．３μｍ以上の粒子
である。このような粒子としては特に限定されるもので
はないが、次の性質をもつ粒子が望ましい。（１）使用
する絶縁性液体中で物理的かつ化学的に安定である。（
２）電気的に絶縁性である。

（３）絶縁性液体や主成分粒子を変質させない．（４）
粒子の凝集や膠着を発生させない。（５）電気粘性流体
の粘度を大幅に増大させない。（６）比重が絶縁性液体
より大きく、かつ主威分粒子に近い。（７）無害・無臭
である。例えばポリアミド、ボリフッ化ビニリデン、ポ
リテトラフルオ口エチレンなどのポリマー粒子、酸化マ
グネシウム、酸化ジルニウム、シリカ、アルミナ、酸化
チタン（ルチル）、窒化ケイ素などの無機化合物粒子な
どである。主戒分粒子と同一戒分の粒子、すなわち粒径
だけでなく形状や表面状態などの異なる粒子も使用する
ことができる。吸水として電気粘性効果を発現する微細
粒子にあっては、吸水しない方が大きな電気粘性効果を
得る上で好ましい場合が多い。

微細粒子の平均粒径が、主成分粒子の平均粒径の２０％
より大きければ、沈降速度を遅らせるのに有効な場合も
あるが、沈降した粒子の再分散性の向上には効果が低い
．また０．　３μｍより小さければ、電気粘性流体とし
ての粘度が上昇し７たり電圧を印加した際の流体の粘度
が時間とともに変化する場合があり好ましくない。

微細粒子の全粒子に対する比率としては１〜２０容量％
が適当であり、１容量％より少ないと再分散性向上効果
は低く、また２０容量％以上では電気粘性効果を低下さ
せたり流体の粘度を増大させ実用化が難しくなる場合が
多い。より好ましい比率としては２〜１０容量％である
。

微細粒子の添加が沈降粒子の再度分散性を向上させるｊ
衆凶については明らかではないが、微細粒子が主成分粒
子の間に介在し、主戒分粒子の凝集や最密充填化を防止
したり、沈降圧密化した主成分粒子の外力による敗分敗
化に際し、いわゆるコロの役割を果し主成分粒子の流動
性を上げているものと考えられる。特に単分散に近い主
成分粒子の最分散に対し本発明の効果が極めて高い事実
は最密充填化の防止を裏づけるものと考えられる．粒子
の平均粒径及びその割合の測定には、コールター法、レ
ーザ回折法、沈降法、顕微鏡法などの方法が適用できる
が、サブミクロン粒径の測定には遠心沈降法、レーザ散
乱法、電子顕微鏡法などがより有効である。

本発明にいう電気絶縁性液体としては、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ノレオ口カーボン冫巾、
フ゛ロモジフエニノレメタン、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抽、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、イソプロビリデンシ
ク口ヘキサン、イソドデカン、ｎ−デカン、ｎ−ヘキシ
ルベンゼンなどの鉱物浦、綿実油、ひまし油などの天然
柚などが用いられる。

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。

〔作　用〕

誘電体粒子を絶縁性液体に分散させてなる電気粘性流体
は、一般に粒子の分散安定性が低く、粒子の沈降を生じ
るとともに沈降粒子が時間とともに固まり再分散性が低
下する。本発明は、粒子の沈降が少なく、たとえ沈降し
ても極めて容易に再分敗する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
アブゾーバなどの種々のエレクトロメカニカルなアクチ
ュエーターの実用化を促進するものである。

〔実施例〕

以下実施例により本発明を更に具体的に説明する。

本実施例での沈降粒子の再分散性は下記の方法で評価し
た。すなわち試料電気粘性流体の一定量を、一定温度（
ｌ２０又は６０゜Ｃ）で２４時間静置加熱した後冷却し
、２５゜Ｃで一定期間（２又は６口〉静置する。静置後
、沈降粒子層の厚さと流動性を測定し、次に試料をかき
まぜ沈降粒子を完全に分散させ、再度上記の温度で２４
時間静置加熱し２５゜Ｃで静置する操作を繰り返す．こ
の操作の同数と厚さ（ｆｆＩＩｍ）及び流動性の変化か
ら再分散性を評価する。なお流動性は沈降層を９０度傾
けた際の沈降層の流れ易さを見て評価した．実施例中の
評価ランクの○印は層全体が流動、Δ印は一部が流動せ
ず残存、×印は表面の掻く一部を除き殆んど流動せず、
を示す。

一方電気粘性効果は、初回加熱後に相当した試料を同一
中心軸をもつ内径４０ｍｍのシリンダーと外径３８鴫の
ロー夕の間隙（１．Ｏｍｍ）に試料流体を封入し、２　
０　０　ｓｅｃ−’の剪断速度をかけながら一定電圧を
印加した際の発生応力を測定する方法で評価した。

なお実施例中の微細粒子の添加量は、全粒子に対するる
容量％を示す。

実施例１ 平均粒径２０μｍの球状アルξニウム粒子を炭酸ナトリ
ウム１重景％水溶液中で６時間かきまぜ、粒子を濾別し
水洗し、次いで窒素ガス中で徐々に昇温し４００″Ｃで
３０分間加熱した．粒子表面に酸化（一部水酸化）アル
ξニウムの薄い絶縁ＩＩ！が形成された平均粒径ｌ７μ
ｍ（粒径８μｍ以下及び２５μｍ以上の粒子は含まず。

）の電気粘性流体用の主成分粒子を得た。

一方、添加用の微細粒子として、４　０　０　”Ｃで乾
燥した平均粒径０．　８μ階、３μ−及び５μｍのアル
ξナ粒子を用い、これらを全粒子濃度が２０容量％とな
るように上記主成分粒子と第１表に示す組或で混合し、
ジメチルシリコーン（２０ｃｓｔ）に分散させた。得ら
れた試料電気粘性流体につき、１２０゜Ｃ加熱と２日間
静置の繰り返しによる再分散性の評価と、ＡＣ　３．Ｏ
　ＫＶ（５０Ｈｚ）の電圧印加による電気粘性特性の評
価を行なった。結果を第１表に示す。

以下余白 実施例２ 吸水率を２重量％に調湿した粒子径の均一な強酸性カチ
オン交換樹脂粒子（三菱化或“’ＭＣＩゲルＣκ０８Ｃ
”　、粒径１７　〜２０μｎ＋　，　Ｎａ塩型）に、均
一粒径のスチレンージビニルベンゼン共重合体粒子（日
本合成ゴム、”ＭＰＰ”、粒径　ｌ、３及び５μｍ）を
第２表に示す組戒で混合し、ジメチルシリコーン（２０
ｃｓｔ）に全粒子濃度が２０容量％となるように分散さ
せ試料電気粘性流体を得た。これらの試料につき６０゜
Ｃ加熱と３口間静置の繰り返しによる沈降粒子の再度分
散性の評価及びＤＣ　２．０ＫＶの電圧印加での電気粘
性効果の評価を行ない、その結果を第２表に示す。

以下余白 実施例３ 含水させた粒径均一性のよい球状シリカ粒子（水沢化学
、“ＡＭ７　５００Ｂ”、平均粒径５μｍ、吸水率８重
量％）及びアル逅ナ粒子（昭和電工、“ＣＲＯＩＳ”の
分級品、粒径０．８μ一〉を第３表に示す割合で混合し
、ジメチルシリコーン（２０　ｃｓｔ）に分散させて試
料電気粘性流体を得た．これらの流体につき、６０゜Ｃ
加熱と６口間静置による沈降粒子の再分散性の評価とＤ
Ｃ　２．Ｏ　ＫＶの電圧印加による電気粘性特性の評価
を行ない第３表の結果を得た。

以下余白

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 誘電体粒子を電気絶縁性液体に分散せしめた電気粘性流
   体において、主成分粒子の平均粒径が３〜１００μｍで
   あり、平均粒径が該主成分粒子の２０％以下でかつ０．
   ３μｍ以上で、かつ該電気絶縁性液体中で沈降する微細
   粒子を全粒子に対して１〜２０容量％含有することを特
   徴とする電気粘性流体。