JPH05194982A - 電気流動学的流体 - Google Patents

電気流動学的流体

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JPH05194982A
JPH05194982A JP4171135A JP17113592A JPH05194982A JP H05194982 A JPH05194982 A JP H05194982A JP 4171135 A JP4171135 A JP 4171135A JP 17113592 A JP17113592 A JP 17113592A JP H05194982 A JPH05194982 A JP H05194982A
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electrorheological
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Martin Rowlands
マーティン・ロウランズ
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 ケイ素結合したフルオロヘキシルアルキル基
をもつシロキサン単位を少なくとも一つ有する式（Ｉ）
のポリシロキサンを含む絶縁流体中に式（II）のポリ
（アセネキノン）の微粉固体の懸濁液を含有してなる電
気流動学的流体。 （式中、Ｍｅはメチルである） 【効果】 要求される電流密度が著しく減少し、さらに
降伏静応力も優れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁流体中の微粉固体
の懸濁液である電気流動学的流体（electrorheological
fluid）に関するものである。さらに詳しくは本発明
は、絶縁流体として、フルオロヘキシルアルキル基を有
するポリシロキサンの使用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】電気流動学的流体はその技術
分野においてよく知られており、絶縁流体中の微粉状の
高分子電解質の固体の懸濁液である。電気流動学的流体
は、流体が強い電界にかけられるとき、その流動学的特
性が、自由流動性の液体からビンガムタイプ（Bingham
type）の材料に変化するという注目すべき性質を有して
いる。そこでこの流体は、強い電界の下では顕著な粘度
の増加を受け、また電界を除けば可逆的に粘度が下が
る。電気流動学的な用途において、絶縁流体として特定
のフルオロシリコーンを使用することが提案されてい
る。例えば１９８９年３月１４日の日付の米国特許第4,
812,251号（スタングルーム（Stangroom））は、親水性
固体および疎水性液体成分を含有し、前記液体成分は、
２００〜７００の平均分子量をもつフルオロシリコーン
を含有する、電気流動学的流体を開示している。開示さ
れている低分子量フルオロシリコーンは、線状および環
状ポリシロキサン、第１メチルトリフルオロプロピルシ
ロキサンの混合物（線状鎖は、トリメチルシリル末端基
を有する）が例示されている。米国特許第4,812,251号
は、これらのフルオロシリコーン類は、電気流動学的流
体を調製するために用いられる固体、例えばスターチま
たはシリカゲルと調和する適切な密度を有する低粘度の
混合物を提供するために、低分子量のものであり且つポ
リクロロトリフルオロエチレンと相溶性があるものであ
る、と教示している。
【０００３】１９８９年６月２１日の日付の英国公開特
許第2,210,893A号（アメリカン・サイアナミド（Americ
an Cyanamid））は、ポリフルオロアルキルメチルシロ
キサンを含むベース液体中に分散された固体相（例えば
ポリメタクリル酸のリチウム塩）を含む電気流動学的流
体を開示している。これらのポリシロキサンは、例え
ば、(CH3)3Si(CH3RSiO)nSi(CH3)3（式中、Ｒは3,3,3-ト
リフルオロプロピルシロキサンを表し（すなわちＲは-C
H2CH2CF3を表す）、ｎは、材料が５００〜１５００の平
均分子量をもつような値を有する）が挙げられる。ま
た、ポリメチル1,1,2,2-テトラハイドロパーフルオロオ
クチルシロキサンにも言及しているが、このような材料
の特定な実施例は挙げられていない。ベース液体は、２
５℃で約10,000cSt未満の粘度を有することができ；低
粘度のものが述べられ、１００cStを超える粘度が例示
されている。幾つかの点で、例えば降伏静応力の点で、
既知のポリメチル3,3,3-トリフルオロプロピルシロキサ
ンのベース液体は、多くの他の流体よりも効果的であ
る。しかし、これらの材料であっても、所要電流、すな
わち特定の電界で流体を活性化させるのに必要な電流密
度を比較的高く要求する。所要電流が低くなればなるほ
ど、流体をビンガムタイプの材料に転換するのに必要な
電力も減少する。低い所要電流を示す絶縁流体は、市販
される電気流動学的装置おいて著しく有利となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】電気流動学的用途に用い
るための改善された絶縁流体は、少なくとも１つのケイ
素結合したフルオロヘキシルアルキル基をもつ、高密度
で低粘度の特定のポリシロキサンを使用することにより
提供され得ることが見いだされた。
【０００５】本発明は、その一つの見地において、ケイ
素結合したフルオロヘキシルアルキル基をもつシロキサ
ン単位を少なくとも一つ有するポリシロキサンを含有す
る絶縁流体中の微粉固体の懸濁液を含有してなる電気流
動学的流体を提供するものである。
【０００６】本発明の電気流動学的流体は、ケイ素結合
したフルオロヘキシルアルキル基を有するシロキサン単
位を少なくとも一つ有するポリシロキサン、すなわちフ
ルオロヘキシルアルキル官能ポリシロキサンを含有して
なる絶縁流体を包含するものである。好適なポリシロキ
サンは、微粉固体の密度（すなわち１.３g／mlを超えた
密度）と調和するような高密度を有し且つ低粘度（すな
わち２５℃で約１００cSt未満、より好ましくは２５℃
で約４０cSt未満）を有する。好適なポリシロキサン
は、少なくとも１.４０g／mlの密度および２５℃で約３
０cStを超えない粘度を有するものである。
【０００７】好適なポリシロキサンは一般式R3SiO［（R
2SiO）x（RR'SiO）y］nSiR3（式中、Ｒは１〜６個の炭
素原子をもつアルキル基であり、Ｒ'は-CH2CH2(CF2)4F
基を表し、ｘは０〜０.５の値を有し、ｙは１−ｘの値
を有し、ｎは３〜１０の値を有する）を有する。好適な
アルキル基はすべてメチル基であるものである。本発明
に用いられるポリメチルシロキサンは、ジメチルジクロ
ロシランとフルオロヘキシルメチルジクロロシランとの
混合物の加水分解により生成されるフルオロヘキシルメ
チルシリコーン加水分解物（II）から調製され得、これ
は、以下のスキームにより行われる。
【０００８】
【化３】
【０００９】フルオロヘキシルメチル／シリコーン加水
分解物（II）と、ヘキサメチルジシロキサンおよび触媒
としてトリフルオロメタスルホン酸との平衡は、以下の
ように安定なトリメチル末端停止フッ素化シロキサンを
生成する。
【００１０】
【化４】
【００１１】好適なフルオロヘキシルアルキル官能ポリ
シロキサンのうちの一つは、式Me3SiO[(Me2SiO)0.2(Me
R'SiO)0.8]7SiMe3（式中、Ｍｅはメチル基を表す）であ
る。絶縁流体中の微粉固体として、例えばシリカゲル、
スターチ、ポリメタクリル酸およびフェノールホルムア
ルデヒドの固体のような様々な材料を使用することがで
きるが、本発明において最適な微粉固体は、ポリ（アセ
ネキノン）
【００１２】
【化５】
【００１３】である（以下ＰＡＱＲという）。ＰＡＱＲ
は、黒い高分子固体であり、熱および環境的に安定な様
々なポリ（アセネキノン）が市販され、１０-4〜１０
-11Ｓcm- 1の導電率を有する。好適なＰＡＱＲ粉末は、
約１.４g／mlの密度を有するものである。ＰＡＱＲは、
絶縁流体における粒子の分散性を容易にするために、１
〜５０ミクロン、好ましくは直径が約２０ミクロン未満
をもつべきである。微粉状のＰＡＱＲは、容量／容量比
で、２０〜６０％、好ましくは約３０％の量で電気流動
学的流体中に存在することができる。本発明の電気流動
学的流体は、フッ素化パラフィンとＰＡＱＲあるいは3,
3,3-トリフルオロプロピルシロキサンとＰＡＱＲを含有
する流体により示される、３ＫＶで約３００と２５０μ
Ａcm-2の電流密度よりも数倍低い３ＫＶでの電流密度を
示すものである。
【００１４】
【実施例】以下の実施例は、本発明に用いるのに好適な
フルオロヘキシルアルキル官能ポリシロキサンを製造す
るための方法を示すものである。実施例 １ 反応フラスコの中で、上記の式（１）および（２）で示
されるフルオロヘキシルメチルシリコーン加水分解物
（II）５３８.１gと、ヘキサメチルジシロキサン６１.
９gを混合した。窒素ブランケットを備え、このフラス
コを７０℃に加熱した。フラスコに、トリフルオロメタ
ンスルホン酸０.３５mlおよび水６０μlを加えた。６８
〜７０℃での加熱を５時間維持した。ジメチルホルムア
ミド３mlを加え、さらに１時間この加熱を維持した。フ
ラスコを３０℃未満に冷却し、炭酸水素ナトリウム７.
５gを加え、フラスコの内容物を１０分間撹拌した。フ
ラスコの内容物をダイカライト（DICALITE）を通して濾
過し、２０分間ストリップした。この生成物は、１５５
秒-1で２５℃で測定したところ２４センチポイズの粘度
をもつ水状の白い流体であった。この生成物は、
【００１５】
【化６】
【００１６】（式中、Ｍｅはメチルである）と認められ
た。本発明のフルオロヘキシルアルキル官能ポリシロキ
サンを使用することにより提供される有利さは、本発明
の流体を含む４つのシリコーン流体を試験することによ
り実証された。試験された流体は、ポリジメチルシロキ
サン（以下、化合物“Ｃ”とする）、フルオロヘキシル
官能ポリシロキサン（以下、化合物“Ｂ”とする）、ト
リフルオロプロピル官能ポリシロキサン（以下、化合物
“Ａ”とする）およびシアノ官能ポリシロキサン（以
下、化合物“Ｄ”とする）であった。試験した各流体
は、高分子半導体固体の分散体を含み、（ｉ）液体／固
体分散体の電気流動学的能の測定である降伏静応力、お
よび（ｉｉ）電気流動学的効果を生み出すために要求さ
れる力である所要電流の測定を行った。本発明のパーフ
ルオロヘキシル官能シロキサン系は、他の比較される系
すべてよりも、著しく少ない電力で電気流動学的効果を
生み出すこと可能であった。
【００１７】試験した流体を以下に示す： （ａ）化合物“Ａ” 構造：
【００１８】
【化７】
【００１９】粘度：３０mm2／秒 密度：１.２０g／ml
【００２０】（ｂ）化合物“Ｂ” 構造：
【００２１】
【化８】
【００２２】粘度：３０mm2／秒 密度：１.４０g／ml
【００２３】（ｃ）化合物“Ｃ” 構造：ポリジメチルシロキサン 粘度：３５０mm2／秒 密度：１.０g／ml
【００２４】（ｄ）化合物“Ｄ” 構造：
【００２５】
【化９】
【００２６】粘度：３５００mm2／秒 密度：１.０g／ml
【００２７】降伏静応力および所要電流は、分割された
銅製セルの底部に流体試料（２ml）をおいた装置によっ
て測定された。セルの上部は流体と接触するようにさ
れ、直流がセルを横切って供給された（流体を横切る距
離＝１mm）。この上部はマイクロメーターおよびストレ
インゲージに連結され、上部が動くまでマイクロメータ
ーを用いて力がかけられる。この力は、降伏静応力であ
り、異なった電界で記録された。通過した電流は、電流
計を用いて測定され、電流密度μＡcm-2に変換された。
これらの測定のために、ＰＡＱＲが各試料に３０％v／v
の割合において分散された。降伏静応力および所要電流
は、分散したポリマーの容量％および供給した電界に正
比例するものである。降伏静応力（ｏ）は、材料の流れ
を引き起こすのに要求される剪断応力である。高い電界
にかけられたとき、電気流動学的流体は、流体から、ゼ
ロおよび有限の剪断速度の両方で剪断応力をもつビンガ
ムタイプの材料に移る。従って、降伏静応力は、液体／
固体系が電気流動学的効果を示す範囲の測定である。
【００２８】試験された４つの流体のうち、シアノ官能
流体“Ｄ”／ＰＡＱＲのみが不良であり、２.４ＫＶmm
-1の電界以下の測定可能な降伏静応力（±２００Ｐａ）
を示した。化合物“Ｃ”／ＰＡＱＲは、３.２ＫＶmm-1
で１.１ＫＰａのみの降伏静応力をもち、残りの３つの
内最も低い効果を示した。“Ｃ”の電界をもつ降伏静応
力の増加は、フッ素化シロキサンＡおよびＢをもつもの
よりも速さがなかった。“Ｂ”／ＰＡＱＲおよび“Ａ”
／ＰＡＱＲは、それぞれ同じように３.２ＫＶmm-1で２
ＫＰａを超えた値をもつ降伏静応力／電界曲線を有して
いた。フッ素化シロキサンＡおよびＢは、従って、Ｃの
２倍優れている。降伏静応力は、流体の誘電率を反映
し、そのおおよその値を以下に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】塩素化パラフィン／ＰＡＱＲは、３ＫＶで
３００μＡcm-2を超える電流密度を有する。Ｃ／ＰＡＱ
Ｒは２４０μＡcm-2でこれよりも良好であり、同様にト
リフルオロプロピル官能シロキサン系の“Ａ”／ＰＡＱ
Ｒも２６０μＡcm-2の密度であった。これらの高レベル
の絶縁で、これらの相違は無視できるものである。しか
し、フルオロヘキシル官能流体系“Ｂ”／ＰＡＱＲは、
３ＫＶでの電流密度が、他の流体系よりも１７倍低く、
“Ａ”／ＰＡＱＲおよび“Ｃ”／ＰＡＱＲよりも１７倍
低く、塩素化パラフィン／ＰＡＱＲよりも２０倍以上低
いものであった。
【００３１】一般に、所要電流に関する現在の理論は、
低い電流密度を説明できない。乾燥流体におけるこの所
要電流のための２つの可能な説明では、光電荷（light
charge）を含む電子孔が移動して、流体の粒子の間にト
ンネルを生じさせると考えられる。これは、フルオロヘ
キシル官能シロキサンを用いると、その高密度（粒子に
より密集したパッキング）により、さらに少ない程度に
起こると考えられる。第２の可能な説明は、電界下での
流体は、電界が存在しない場合、規則的に配列してお
り、すなわちエントロピーが低下しているからと考えら
れる。熱による乱れに対して規則的配列を維持すること
は、その分の仕事量、すなわち吸収される分の電力を必
要とする。フルオロヘキシル官能シロキサンベースの流
体を使用することは、系が電界下であまり配列していな
い（低い降伏静応力を反映している状態）あるいは配列
を維持するための仕事量があまり要求されないことのい
ずれかとなる。高密度と組み合わされた“Ｂ”／ＰＡＱ
Ｒ流体系の改善された降伏静応力および低い所要電流
は、フルオロヘキシル官能シロキサンが電気流動学にお
いてベース流体として優れていることを示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ１０Ｎ 20:02 20:06 Ｚ 8217−4Ｈ 40:14

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ケイ素結合したフルオロヘキシルアルキ
    ル基をもつシロキサン単位を少なくとも一つ有するポリ
    シロキサンを含む絶縁流体中の微粉固体の懸濁液を含有
    してなる、電気流動学的流体。
  2. 【請求項２】 ポリシロキサンが少なくとも１.４０g／
    mlの密度を有する、請求項１に記載の流体。
  3. 【請求項３】 ポリシロキサンが、２５℃で約３０セン
    チストークス以下の粘度を有する、請求項１または２に
    記載の流体。
  4. 【請求項４】 ポリシロキサンが、一般式 【化１】 （式中、Ｒは１〜６個の炭素原子をもつアルキル基であ
    り；ｘは０〜０.５の値を有し；ｙは１−ｘの値を有し
    およびｎは３〜１０の値を有する）である、請求項１な
    いし３のいずれか１項に記載の流体。
  5. 【請求項５】 ポリシロキサンがポリメチルシロキサン
    である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の流
    体。
  6. 【請求項６】 フルオロヘキシルアルキル官能ポリシロ
    キサンが、式 【化２】 （式中、Ｍｅはメチルである）を有する、請求項４に記
    載の流体。
  7. 【請求項７】 微粉固体がポリ（アセネキノン）であ
    る、請求項１に記載の流体。
  8. 【請求項８】 微粉固体のポリ（アセネキノン）が、約
    ２０ミクロン未満の直径の粒子サイズを有する、請求項
    ７に記載の流体。
  9. 【請求項９】 微粉固体のポリ（アセネキノン）が、約
    ３０容量％の量において電気流動学的流体中に存在す
    る、請求項７に記載の流体。
JP4171135A 1991-06-29 1992-06-29 電気流動学的流体 Pending JPH05194982A (ja)

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