JPH0532994A

JPH0532994A - 電気粘性流体

Info

Publication number: JPH0532994A
Application number: JP19217491A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Miyamoto; 哲夫宮本; Hiroshi Nakanishi; 博中西; Hirotaka Tomizawa; 広隆富沢
Original assignee: Tonen Corp
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1993-02-09

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明の電気粘性流体は、電気絶縁性流体に
固体微粒子を分散してなり、該固体微粒子は比重が電気
絶縁性流体と同等かそれ以上であり、その表面に水酸基
を有し、該水酸基に重合度５〜３２０のポリスチレン及
び／又はポリイソプレンを共有結合したものであること
を特徴とする。【効果】本発明の電気粘性流体は、応答性、再現性、
耐久性、増粘効果に優れると共に、分散性、保存安定性
に優れるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧印加により粘度を
制御しうる電気粘性流体に関し、可変減衰ダンパ、エン
ジンマウント、軸受ダンパ、クラッチ、バルブ、ショッ
クアブソーバー、表示素子等の電気的制御に利用できる
電気粘性流体に関し、特に分散性の改良された電気粘性
流体に関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧の印加により流体の粘度が変化する
電気粘性流体（ Electro-RheologicalFluid、Electrovi
scous Fluid、）は古くから知られている（Duff，A.W.P
hysical Review Vol ，4 ，No.1(1896)23）。電気粘性
流体に関する当初の研究は、液体のみの系に注目したも
のであり、効果も不充分なものであるが、その後固体分
散系の電気粘性流体の研究に移り、かなりの電気粘性効
果が得られるようになった。

【０００３】電気粘性流体における増粘効果（ＥＲ効
果）の発現メカニズムとしては、例えば Klassは、電気
粘性流体中の分散質である各粒子は電場内で二層構造の
誘電分極（Induced Polarization ofthe Double Laye
r）を生じ、これが主因であるとしている（ Klass，D.
L.，et al.，J.of Applied Physics，Vol.38，No1(196
7)67）。これを電気二重層（electric double layer ）
から説明すると、分散質（シリカゲル等）の周囲に吸着
したイオンは、Ｅ（電場）＝０の時は分散質の外表面に
均一に配置しているが、Ｅ（電場）＝有限値の時はイオ
ン分布に片寄りが生じ、各粒子は電場内で相互に静電気
作用を及ぼし合うようになる。このようにして電極間に
おいて各粒子がブリッジ（架橋）を形成し、応力に対し
て剪断抵抗力を発現、即ちＥＲ効果を発現するようにな
る。

【０００４】又、Winslow はパラフィンとシリカゲル粉
末、それに系を僅かに電導性にするために水を使用した
電気粘性流体を提案した（ Winslow，W.M.，J.of Appli
ed Physics，Vol.20(1949)1137）。この Winslowの研究
により電気粘性流体のもつ電気粘性効果は Winslow効果
と呼ばれている。

【０００５】このような固体分散系の電気粘性流体にお
ける電気絶縁性流体としては、基油の比重が通常０．７
８〜０．９２（１５℃）であるのに対して、固体粒子、
例えばシリカゲル粉末の比重は約２．２であり、その比
重差が大きく、分散剤を使用するとしても、沈降性が高
いために、動作作動時での電気粘性効果の変動、または
経時的劣化を生じ、ＥＲ効果にとって好ましくない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、分散質であ
るシリカ微粒子自体に分散性を付与することにより、よ
り分散性に優れた電気粘性流体の提供を課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の電気粘性流体
は、電気絶縁性流体に固体微粒子を分散してなり、該固
体微粒子は比重が電気絶縁性流体と同等かそれ以上であ
り、その表面に水酸基を有し、該水酸基に重合度５〜３
２０のポリスチレン及び／又はポリイソプレンを共有結
合したものであることを特徴とする。

【０００８】以下、本発明における電気絶縁性流体につ
いて説明する。

【０００９】電気絶縁性流体としては特に限定はされな
いが、例えば鉱油、合成潤滑油があり、具体的にはパラ
フィン系鉱油、ナフテン系鉱油、またポリ- α- オレフ
ィン、ポリアルキレングリコール、シリコーン、エステ
ル、ジエステル、ポリオールエステル、燐酸エステル、
珪素化合物、弗素油、アルキルベンゼン、アルキルジフ
ェニルエーテル、アルキルビフェニル、アルキルナフタ
レン、ポリフェニルエーテル、合成炭化水素等のオイル
があげられ、粘度範囲は40℃において5 〜300cStのもの
が使用できる。

【００１０】固体粒子は比重が電気絶縁性流体と同等か
それ以上であり、その表面に水酸基を有するもので、具
体的にはシリカゲル、ゼオライト等が挙げられる。

【００１１】シリカ微粒子としては比重２．２（１５
℃）、粒径が０．０１〜２００μｍ、表面積が１００〜
７００m²/g（ＢＥＴ法）、シラノール基密度が１〜１０
SiOH/100 Å²のものを使用することができる。

【００１２】本発明における分散質を調製するには、ま
ずシリカ微粒子と塩化チオニルと反応させて、シリカ微
粒子におけるシラノール基を塩素化させる。一方、ｎ−
ブチルリチウムとスチレンとをアニオン重合させてアニ
オン性ポリスチレンを調製し、このアニオン性ポリスチ
レンと上記で作製した塩素化シリカ微粒子を溶媒中反応
させることより調製される。ポリスチレン鎖長は反応温
度を調節することにより容易に制御することができ、本
発明においてはポリスチレンの重合度は５〜３２０、好
ましくは１３０〜２８０である。重合度が５以下である
と親油性が小さく、シリカ微粒子が凝集するので好まし
くなく、また３２０以上であると高分子量となり、親油
性が低下する。分散質中におけるポリスチレンの割合
は、シラノール基の存在量にもよるが、通常、１４〜１
６重量％である。なお、以上スチレンを使用する場合に
ついて記載したが、イソプレンにおいても同様であり、
ポリイソプレンをシリカ微粒子に共有結合させてもポリ
スチレンの場合と同様の効果が得られる。また、ポリス
チレンとポリイソプレンとを混合して使用してもよい。

【００１３】このようにして調製される分散質は、電気
粘性流体全体で０．１wt ％〜５０wt％の割合で使用さ
れる。

【００１４】本発明の電気粘性流体には、分極促進剤と
して、例えば多価アルコール又はその部分誘導体を添加
するとよい。

【００１５】多価アルコールとしては、二価アルコー
ル、三価アルコール、例えばエチレングリコール、ジエ
チレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエ
チレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリ
ン、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオ
ール、ヘキサンジオール等を挙げることができる。

【００１６】又、多価アルコールの部分誘導体として
は、少なくとも１つの水酸基を有する多価アルコールの
部分誘導体であり、上記多価アルコールの末端水酸基の
内の幾つかがメチル基、エチル基、プロピル基、アルキ
ル置換フェニル基（フェニル基に置換されたアルキル基
の炭素数は１〜２５）等により置換された部分エーテル
類、またその末端水酸基の内の幾つかが酢酸、プロピオ
ン酸、酪酸等によりエステル化された部分エステル類が
挙げられる。

【００１７】これらの多価アルコール又はその部分誘導
体は、通常分散質に対して１wt％〜１００wt％、特に好
ましくは２wt％〜８０wt％使用するとよい。添加量が１
wt％未満であるとＥＲ効果が少なく、又１００wt％を越
えると電流が流れやすくなるので好ましくない。尚、こ
の多価アルコール類と共にＥＲ効果を阻害しない程度に
水を使用してもよいことは勿論である。

【００１８】又、更に酸、塩、又は塩基成分を添加して
もよい。このような酸成分としては硫酸、塩酸、硝酸、
過塩素酸、クロム酸、リン酸、ホウ酸等の無機酸、或は
酢酸、ギ酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、
シュウ酸、マロン酸等の有機酸が使用される。

【００１９】塩としては、金属又は塩基性基（Ｎ
Ｈ₄ ⁺、Ｎ₂Ｈ₅ ⁺等）と酸基からなる化合物であり、
これらはいずれでも使用することができる。中でも多価
アルコール、多価アルコール部分誘導体の系に溶解して
解離するもの、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属
のハロゲン化物などの典型的なイオン結晶を形成するも
の、あるいは有機酸のアルカリ金属塩などが好ましい。
この種の塩として、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、Ｍｇ
Ｃｌ₂、ＣａＣｌ₂、ＢａＣｌ₂、ＬｉＢｒ、ＮａＢ
ｒ、ＫＢｒ、ＭｇＢｒ₂、ＬｉＩ、ＮａＩ、ＫＩ、Ａｇ
ＮＯ₃、Ｃａ( ＮＯ₃)₂、ＮａＮＯ₂、ＮＨ₄ＮＯ₃、
Ｋ₂ＳＯ₄、Ｎａ₂ＳＯ₄、ＮａＨＳＯ₄、（ＮＨ₄）
₂ＳＯ₄あるいはギ酸、酢酸、シュウ酸、コハク酸など
のアルカリ酸金属塩がある。

【００２０】塩基としてはアルカリ金属或いはアルカリ
土類金属の水酸化物、アルカリ金属の炭酸塩、アミン類
などであり、多価アルコール、多価アルコール部分誘導
体、或いは多価アルコール及び／又は多価アルコール部
分誘導体と水の系に溶解して解離するものが好ましい。
この種の塩基として、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）
₂、Ｎａ₂ＣＯ₃、ＮａＨＣＯ₃、Ｋ₃ＰＯ₄、Ｎａ₃
ＰＯ₄、アニリン、アルキルアミン、エタノールアミン
などがある。尚、前記した塩と塩基を併用することもで
きる。

【００２１】酸、塩、塩基類は、分極効果を増大させる
ことができるものであるが、多価アルコール及び／又は
多価アルコール部分誘導体と組合せ使用することによ
り、より分極効果を増大させることができるものであ
り、電気粘性流体全体で0.01wt％〜5wt％の割合で使用
するとよい。0.01wt％未満であるとＥＲ効果が少なく、
また5wt ％を越えると通電しやすくなり、消費電力が増
大するので好ましくない。又、本発明の電気粘性流体に
酸、塩、又は塩基成分を添加する場合には、多価アルコ
ールの部分エステル化物が加水分解しないものであるこ
とが必要である。

【００２２】本発明の電気粘性流体には、必要に応じて
他の添加剤として酸化防止剤、腐食防止剤、摩耗防止
剤、極圧剤、消泡剤等を添加される。

【００２３】酸化防止剤は、電気絶縁性液体の酸化防止
と共に、分極促進剤である多価アルコール、多価アルコ
ール部分誘導体等の酸化を防止することを目的とするも
のである。

【００２４】酸化防止剤としては、分極促進剤、分散質
等に不活性なものを使用するとよく、慣用されるフェノ
ール系、アミン系酸化防止剤を使用することができ、具
体的にはフェノール系としては２・６−ジ−ｔ−ブチル
パラクレゾール、４・４’−メチレンビス（２・６−ジ
−ｔ−ブチルフェノール）、２・６−ジ−ｔ−ブチルフ
ェノール等、またアミン系としてはジオクチルジフェニ
ルアミン、フェニル−α−ナフチルアミン、アルキルジ
フェニルアミン、Ｎ−ニトロソジフェニルアミン等を使
用することができ、電気粘性流体全体に対して0.01〜10
wt％、好ましくは 0.1〜2.0wt ％使用することができ、
0.01wt％より少ないと酸化防止効果がなく、また10wt％
を越えると色相悪化、濁りの発生、スラッジの発生、粘
調性の増大等の問題がある。

【００２５】また、腐食防止剤を添加してもよいが、分
極促進剤、分散質等に不活性なものを使用するとよく、
具体的には窒素化合物ではベンゾトリアゾールおよびそ
の誘導体、イミダゾリン、ピリミジン誘導体等、イオウ
及び窒素を含む化合物では、1.3.4-チアジアゾールポリ
スルフィド、1.3.4-チアジアゾリル-2.5- ビスジアルキ
ルジチオカルバメート、2-(アルキルジチオ) ベンゾイ
ミダゾール等、その他、β-(ｏ−カルボキシベンジルチ
オ）プロピオンニトリルまたはプロピオン酸等を使用す
ることができ、電気粘性流体全体に対して 0.001〜10wt
％好ましくは0.01〜1.0wt ％使用するとよい。0.001wt
％より少ないと腐食防止効果がなく、また10wt％を越え
ると色相悪化、濁りの発生、スラッジの発生、粘調性の
増大等の問題がある。

【００２６】

【作用】電気粘性流体において、例えばシリカ微粒子を
電気絶縁性流体中に分散させる場合、通常、分散剤を使
用している。このような電気粘性流体においては、シリ
カ微粒子に分散剤が物理吸着し、その吸着した分散剤同
士の反発作用により分散効果を生じるものと推察されて
いるが、その分散安定性は悪く、シリカ微粒子の沈降に
より電気粘性効果を低下させる原因となっている。

【００２７】本発明における分散質は、比重が電気絶縁
性流体と同等かそれ以上であり、かつその表面に水酸基
を有する固体微粒子にポリスチレンを共有結合させたも
のとしたので、電気絶縁性流体中において、安定した分
散性を得ることができるものである。

【００２８】以下、本発明を実施例に基づいて説明す
る。

【００２９】

【実施例１】（分散質の調製）シリカ微粒子（粒径１．４μｍ）１０
ｇと塩化チオニル３００ｍｌとを窒素気流下、４８時間
還流した後、過剰の塩化チオニルを減圧下で留去し、更
に１４０度で６０時間減圧下で乾燥させた。

【００３０】一方、ｎ−ブチルリチウム０．１ｇを含有
するテトラヒドロフラン溶液中にスチレン５０ｇを反応
温度−７８℃に保持しつつ、滴下し、平均分子量２６０
６４のアニオン性ポリスチレン（２５０量体）を得た。

【００３１】得られたアニオン性ポリスチレン中に上記
で得られた塩素化シリカ微粒子を混合し、１８時間反応
させた。反応終了後、少量のメタノールを添加してマク
ロモノマーを失活させた。

【００３２】得られた反応分散系をベンゼンを使用して
遠心分離により３回洗浄し、未反応物を除去し、粒子を
減圧下で乾燥させた。転化率は８８％であった。

【００３３】粒子の大きさを電子顕微鏡で観察したとこ
ろ、反応の前後で同じであった。

【００３４】また、このシリカ微粒子をＩＲ、燃焼ＴＣ
Ｄ検出法等により分析し、シリカ微粒子にポリスチレン
が結合していることを確認した。

【００３５】（電気粘性流体の調製）下記組成の電気粘
性流体を調整し、試料油１（粘度４５cSt （４０℃））
とした。

【００３６】 (1) アルキルベンゼン（粘度２５cSt （４０℃）、比重０．８８）・・・・９１．５重量部 (2) 上記で調製した分散質・・・・６．５重量部 (3) トリエチレングリコール・・・・２．０重量部

【００３７】

【比較例１】下記組成の電気粘性流体〔粘度４５cSt
（４０℃）〕を調整し、比較油１とした。

【００３８】 (1) アルキルベンゼン（粘度２５cSt （４０℃）、比重０．８８）・・・・８６．５重量部 (2) シリカゲル粒径１．４μｍ）・・・・５．５重量部 (3) トリエチレングリコール・・・・２．０重量部 (4) コハク酸イミド・・・・６．０重量部試料油１、比較油１をそれぞれよく攪拌した後、内径
１３mm、高さ１０cmの試験管にそれぞれ１２．５ｇ入
れ、多孔質固体粒子の沈降量を測定した。

【００３９】その結果を、横軸を経過日数、縦軸を沈降
物の高さ（mm）にし図１に示す。

【００４０】図からわかるように、本発明の電気粘性流
体は沈降量が極めて低く、分散性に優れるものであるこ
とがわかる。

【００４１】上記で調製した試料油１、比較油につい
て、４０℃と９０℃で、電圧の印加が可能な回転粘度計
を用いて、以下の項目について測定し、電気粘性流体と
しての評価を行った。

【００４２】・応答性−交流電場を０(V/m) から2.0 ×
10⁶(V/m) に変化させた時に、何秒で粘度が安定するか
により評価。

【００４３】・再現性−交流電場を０(V/m) →2.0 ×10
⁶(V/m) →０(V/m) のサイクルを繰り返した時、電場1.
4 ×10⁶( V/m)の時の粘度の変動割合により評価。

【００４４】・耐久性−交流電場を2.0 ×10⁶(V/m)で
一定させた時、経時的な粘度の変化量（％）（測定時間
５０時間）で評価。（粘度低下は多孔質固体粒子の沈降
量が多いために生じる。）・増粘効果−電場０(V/m) 時と比較して、交流電場を1.
4 ×10⁶(V/m) とした時の粘度の倍率で評価。

【００４５】

【表１】

【００４６】表からわかるように、本発明の電気粘性流
体は、応答性、再現性、増粘効果、耐久性に関して比較
油と遜色のないものである。

【００４７】

【発明の効果】本発明の電気粘性流体は、応答性、再現
性、耐久性、増粘効果に優れると共に、特に分散性、保
存安定性に優れるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気粘性流体の分散安定性を示す図
である。

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｃ１０Ｍ 125:26 143:14 143:10）Ｃ１０Ｎ 20:06 Ａ 8217−4Ｈ 40:14

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】電気絶縁性流体に固体微粒子を分散して
なり、該固体微粒子は比重が電気絶縁性流体と同等かそ
れ以上であり、その表面に水酸基を有し、該水酸基に重
合度５〜３２０のポリスチレン及び／又はポリイソプレ
ンを共有結合したものである電気粘性流体。