JPH03247696A - 電気粘性流体用炭素質粉末 - 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】 イ５発明の目的 ［産業上の利用分野Ｊ 本発明は、電圧の印加によって粘性を増大する電気粘性
流体に関するものである。

［従来の技術］ 電気粘性流体は、非導電性の油の中に微細に分割した誘
電性の固体微粒子が分散している懸濁液で、充分に強い
電場の作用の下で極めて速やかにしかも可逆的に粘度が
変化する流体である。

粘度を変化させるためには直流の電場だけでな（交流の
電場も使用することができ、必要な電流は非常に小さく
、少ない電力によって液体からほぼ固体状態になるまで
大きな粘度変化を与えるので、電気粘性流体は例えばク
ラッチ、バルブ、ショックアブソーバ−、バイブレータ
−１各種防振ゴムなどの装置や部品を制御するための構
成要素として検討されてきた。

従来、電気粘性流体の分散相構成成分としては誘電性の
固体微粒子が用いられているが、この固体微粒子として
は１表面に水を吸着させ、微細化されたセルロース、デ
ンプン、シリカゲル、イオン交換樹脂などが知られてい
る。また他の成分である液相構成成分としてはＰＣＢ、
セバシン酸ブチル、トランス油、塩素化パラフィン、シ
リコーン油などが知られている。しかし、これらの水分
を吸着させた固体微粒子を分散相とした電気粘性流体は
水分に由来する長期的な性能の不安定性や温度特性の不
安定性などが有り実用性に乏しく、実用価値のある極め
て高性能かつ安定度の高い電気粘性流体はいまだ存在し
ない。

［発明が解決しようとする課題］ 電気粘性効果の発現機構は充分に解明されていない。し
かし一般には、外部電界により固体微粒子表面での分極
が生じ、この分極した微粒子が静電引力により相互に結
合し架橋を生じる結果粘度が増大すると言われている。

こうした観点から考えると、その表面に適度な官能基を
残した炭素質粒子より構成される炭素質粉末は優れた性
能を発揮できる可能性がある。もし、こうした炭素質粉
末が電気粘性流体用の誘電体微粒子として使用可能であ
るならば、従来の吸水性の固体粒子を使用することから
来る電気粘性流体の長期的な不安定性、温度特性の不安
定性などの問題点を解決し、その実用化に大いに寄与す
ることが期待できる。しかし炭素質粉末の電気粘性流体
用微粒子としての利用は、過去、カーボンブラックなど
の応用が検討されてきたのみでほとんど研究されていな
いと言ってよく、結果的に実用可能な優れた特性を有す
る炭素質粉末は開発されていない。

本発明は上記の観点から炭素質粉末の特性と電気粘性効
果との関係を詳細に検討した結果、優れた電気粘性効果
が実現可能な炭素質粉末の発明に至ったものである。

口１発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明は従来の電気粘性流体が持っていた長期的な不安
定性、温度特性の不安定性などの問題点がなく優れた電
気粘性効果を示す電気粘性流体用の誘電微粒子の提供を
目的としたもので、電気絶縁性に優れた油状媒体に誘電
体微粒子を分散させることにより得られる電気粘性流体
において誘電体微粒子として使用される炭素質粉末であ
って、その粒子が無機微粒子を発生核とすることにより
成長したものであることを特徴とする電気粘性流体用炭
素質粉末によりこの問題を解決した。

一般に電気粘性流体に要求される特性としては外部電界
下で低電流により大きな粘性変化をもたらすことに加え
、固体微粒子が油状媒体中で沈降しないこと、さらに長
期的な使用や温度に対して安定であること、電界の印加
に対する応答性に優れることなどが挙げられる。

こうした電気粘性流体に要求される特性を満足するに必
要な炭素質粉末について詳細に検討した結果、本発明者
らはその粉末を構成する炭素質粒子の元素分析における
炭素原子と水素原子の比Ｃ／Ｈが２．００〜３．５０、
好ましくは２．２０〜３．００の値を有することが必要
であることを見出した（特願平１−１７２９８２号）。

即ちＣ／Ｈ値が２．００未満の時には炭素質粉末は誘電
体としての機能を発揮できず結果として充分な電気粘性
効果を得ることができない。一方Ｃ／Ｈ値が３．５０を
越す場合には電気粘性流体に電流が流れすぎエネルギー
効率を低下させ実用化上不都合であるばかりでな（、つ
いには絶縁破壊を生ずる。

このＣ／Ｈ値は炭素質粒子の表面官能基に関係している
と考えられ、Ｃ／Ｈ値が大きいほど表面官能基の数が少
ないと言える。従って炭素質粉末のＣ／Ｈの値を制御す
ることはその表面官能基の数、すなわち炭素質粒子の極
性を制御することになると思われる。一方Ｃ／Ｈ値は炭
素質自身の結晶性（黒鉛化性）にも関与しており、Ｃ／
Ｈ値の増加は炭素質自身の結晶性の向上を意味する。そ
のため、小さなＣ／Ｈ値は誘電体としての機能を発揮さ
せず、大きなＣ／Ｈ値は電界の印加の際に粘性変化とと
もに炭素質自身の優れた結晶性のため大きな電流が流れ
ることになると思われる。

本発明者らはさらに研究を重ねた結果、通常炭素質粒子
の原料となるコールタールピッチ中に元々含まれるフリ
ーカーボン（別名遊離炭素とも言われる）をあらかじめ
除去することが、電界印加中の消費電力を低減させるこ
とに効果的であることを発見した。

フリー力ボンはコークス炉で１０００℃以上で熱分解さ
れた極めて炭素化の進んだ無定形の微細炭素粒子であり
、本発明者らの分析によればそのＣ／Ｈ値は４．０〜６
．０と極めて大きな値を有しており、炭素質粉末を電気
粘性流体用原料として使用する場合、かかるフリーカー
ボンが含有されていると電界印加中の電流値が増加する
。

一方、フリーカーボンは炭素質粒子をコールタール原料
からメンフェーズ小球体として発生させる際の発生核と
なることも知られており、コールタール原料からフリー
カーボンをあらかじめ除去すると、炭素質粒子の単位体
積あたりの発生個数が減り、大粒子が発生し易くなると
言う問題がある。

このような問題点を解決するために研究を重ねた結果、
本発明者らはシリカのような無機質微粒子をあらかじめ
コールタールに添加すると、メソフェーズ小球体の発生
核として利用でき、炭素質粒子の発生個数が増加し、粒
径も小さくなることを見い出した。

さらに、無機質微粒子を発生核として成長させて得られ
た炭素質粒子の表面または内部には、無機質微粒子が付
着または含有しており、導電性の低い無機質微粒子を使
用した場合、電圧印加時の消費電力も低減できた。

発生核として添加する無機質微粒子としてはできるだけ
導電率が低いものが好ましく、シリカ、アルミナ、ルチ
ル、珪酸アルミのような金属酸化物が例示される。また
無機質微粒子の平均粒子径は０．０１〜１ミクロンが好
ましく、１ミクロン以上では発生核としては太き（，０
，０１ミクロン以下では電気粘性流体の電圧を印加しな
いときの粘度の上昇が著しい。また粒度分布はできるだ
けシャープであることが好ましい。

発生核としてコールタールに添加する無機質微粒子の添
加量は０２１〜２０体積％が好ましく、０．１％以下で
は大粒子が発生し、また２０％以上では炭素質粒子とし
ての性質が損なわれ、電気粘性効果が減少する。

炭素質粒子の好ましい粒径としては０．５〜５０ミクロ
ンであり、５０ミクロン以上の場合は使用する油状媒体
にもよるが、通常油状媒体中で沈降を起こす。また０、
５ミクロン以下の微粒子の場合は油状媒体中での分散が
困難になる。

以上のようにして得られた炭素質粉末をスビンンドル油
、トランス油、塩素化パラフィン、シリコーン油などの
電気絶縁性の高い油状媒体中に分散させることにより、
従来に見られなかった長期使用と温度に対する安定性を
有する優れた電気粘性流体を製造可能である。

かかる炭素質粉末の具体的な製造方法について更に詳細
に説明する。原料としては通常石炭系タール又は石油系
タール或は樹脂類が使用される。

石炭系タールを使用する場合、原料タール中にフリーカ
ーボンが含有されている時には必要に応じてこれをあら
かじめ遠心分離法、各種溶剤添加による静置分離法又は
濾過法により除去し、無機質微粒子を所定量、混合機で
混入する。

炭素化については原料である石炭系又は石油系タールは
、熱処理、溶剤抽出など一般にこうしたタール・ピッチ
類に適用される方法、又はこれらの方法の組合わせによ
り炭素化を進め、Ｃ／Ｈの値を調整する。また必要に応
じ最終的に粉砕法によりその粒子径の制御を行う。

以下さらに具体的な実施例でもって説明する。

なお本発明は以下の実施例によりなんら制約されるもの
ではない。

［実施例］ フリーカーボンをまったく含有しないコールタールに平
均粒子径０．５ミクロンのシリカ微粒子を２％混合分散
し、４５０℃で実質的に不活性雰囲気中で熱処理した。

熱処理を行った後のメソフェーズ小球体の発生の様子を
偏光顕微鏡写真で観察したところ、多くの微小球が発生
していることが確認される。

得られた熱処理物をタール系中油（沸点範囲１２０〜２
５０℃）を使用し抽出・濾過した。かかる抽出・濾過残
留物を４５０℃の温度、窒素気流下で再熱処理して炭素
質粉末を得た。こうして得られた炭素質粉末のＣ／Ｈの
値は２．３７であり平均粒径は１８．０ミクロンであっ
た。この炭素質粉末を電気絶縁性油状媒体である室温で
の粘度０．１ボイスのシリコーン油に３６％均一に分散
させ電気粘性流体を得た。

この電気粘性流体に室温で２　Ｋ　Ｖ　／　ｍ　ｍの電
圧をかけ、このときの流体の粘度変化と流体中を流れる
電流値を測定し、その電気粘性流体としての機能を評価
した。粘度の測定は二重円筒型回転粘度計を使用し、内
外円筒間に直流電圧を印加した時の剪断速度３６６／秒
における見掛けの粘度を測定した。

その結果、この電気粘性流体の室温における粘度変化は
２．９ボイズ、電流値０．０８ｍＡであった。

［比較例］ フリーカーボンを含有するコールタールを４５０℃で実
質的に不活性雰囲気中で熱処理した。得られた熱処理物
をタール系中油（沸点範囲１２０〜２５０℃）を使用し
抽出・濾過した。かかる抽出・濾過残留物を３５０℃の
温度、窒素気流下で再熱処理して炭素質粉末を得た。こ
うして得られた炭素質粉末のＣ／Ｈの値は２．３１であ
り平均粒径は１６．１ミクロンであった。この炭素質粉
末を電気絶縁性油状媒体である室温での粘度０゜１ボイ
ズのシリコーン油に３６％均一に分散させ電気粘性流体
を得た。

二の電気粘性流体を実施例と同様な方法で電気粘性流体
としての機能を評価した。その結果、この電気粘性流体
の室温における粘度変化が２．７ボイス、電流値は０．
２６ｍＡであった。

以上の結果から実施例における流体は比較例における流
体に比べ非常に少ない電流で同様の粘度変化を与えるこ
とがわかった。これにより、フリーカーボンを除去し、
無機質微粒子を発生核とすることで、より電気粘性特性
に優れた炭素質粉末が得られることが確認された。

ハ１発明の効果 本発明は、従来はとんど検討されていなかった炭素質粒
子の電気粘性流体への適用を可能としたもので、本発明
による炭素質粒子を誘電体粒子として使用することによ
り、少ない電力消費で優れた電気粘性効果を有する非水
系電気粘性流体を製造可能とした。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　電気絶縁性に優れた油状媒体に誘電体微粒子を分散さ
   せることにより得られる電気粘性流体において誘電体微
   粒子として使用される炭素質粉末であって、その粒子が
   無機質微粒子を発生核とすることにより成長したもので
   あることを特徴とする電気粘性流体用炭素質粉末。