JPH06158083A - 機能性流体 - Google Patents

機能性流体

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JPH06158083A
JPH06158083A JP4339467A JP33946792A JPH06158083A JP H06158083 A JPH06158083 A JP H06158083A JP 4339467 A JP4339467 A JP 4339467A JP 33946792 A JP33946792 A JP 33946792A JP H06158083 A JPH06158083 A JP H06158083A
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JP
Japan
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fluid
particles
functional fluid
ultrafine particles
magnetic field
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JP4339467A
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Toyohisa Fujita
豊久 藤田
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  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
  • Lubricants (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁場や電場の作用下において流体中の強磁性
微粒子及び誘電性微粒子が各々の場の方向に沿って配列
する(クラスターを形成する)ことにより粘性が増大し
たり、透過光が偏光する効果を顕著に示す機能性流体を
提供する。 【構成】 分散媒が有機溶媒で、分散質が強磁性を有す
る超微粒子と誘電性を有する超微粒子とから構成される
流体であり、磁場或いは電場或いはその両方の下で作動
するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁場や電場の作用下に
おいて流体中の強磁性微粒子及び誘電性微粒子が各々の
場の方向に沿って配列する(クラスターを形成する)こ
とにより粘性が増大したり、透過光が偏光する効果を顕
著に示す機能性流体に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、磁場によって作動する磁性流
体や電場によって作動するER流体(電界応答性流体)
が知られている。磁性流体とは強磁性を有する微粒子を
種々の溶媒に分散させたもので、回転軸シールや比重差
選別等に応用され、また磁界センサーや光シャッター等
への応用も試みられている。一方、前記ER流体として
はチタン酸バリウム等の誘電性を有する微粒子を溶媒に
分散させた流体(特公平2−38538号公報)や、シ
リカ微粒子を溶媒に分散させた流体(特開昭61−44
998号公報)、珪酸カルシウムの微粒子を溶媒に分散
させた流体(特開昭62−95397号公報)等が知ら
れており、交流或いは直流の電界を作用させると粘性が
増大する特性を有する、所謂ウインズロー効果を示すも
のとして自動車エンジンマウント、ショックアブソーバ
ー、ダンパー等の種々の用途への実用化が試みられてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁場の
みによって作動する流体や電場のみによって作動する流
体では、用途によっては実用化が困難であったり、実用
化されても制限が多過ぎてなかなか広く利用されるまで
至らない用途もある。例えば磁性流体の磁気光学効果を
利用した光シャッターがある。これは磁性流体を液体の
まま数10μmの薄膜とし、この薄膜を偏光面が直交す
るように2枚の偏光フィルターで挟み、印加する磁場を
制御することにより透過光量を制御できる。このような
光学的効果の原因はまだ良く解明されていないが、定性
的には次のように説明されている。
【0004】図1は磁性流体薄膜内の強磁性コロイド粒
子の状態を模式的に表わしたものである。図1(a)で
は外部磁場がかかっていない状態を、図1(b)はかか
った状態を表わしている。図1(a)の磁場のかかって
いない状態では各コロイド粒子が各々独立にブラウン運
動を行っているが、図1(b)の磁場のかかった状態に
なるといくつかのコロイド粒子が凝集して微小なクラス
ターを形成している。そして、このクラスターは磁場方
向に細長く伸びているため電気分極率が方向によって異
なっている。ここで、コロイド粒子系の大きさが100
Å程度であり、可視光の波長は6,000Å程度である
から、可視光についての誘電率はこのクラスターが何百
個もはいるスケールの空間での誘電率の平均となる。こ
のため、可視光の波長程度で変化する電場は非等方性の
誘電性物質の中にあるのと同じになる。即ち、図1のy
方向の誘電率εy とz方向の誘電率εz は等しくなくな
る。屈折率は近似的にいって誘電率の平方根に比例する
からy方向とz方向の異なる方向に振動する光は異なっ
た屈折率を持つことになる。これが磁性流体薄膜が複屈
折性を有する大まかな説明である。
【0005】上述のように磁場の有無によるクラスター
の形成、消滅が磁気光学効果の要因となっているため、
ひとつの問題点が生じてくる。即ち、磁性流体の磁化を
高めるためには分散質である磁性粒子の濃度を高くする
のがひとつの方法であるが、このことが流体の粘性を増
大させ、磁気光学効果の応答性を悪くし、特にクラスタ
ーの消滅時間を遅らせることになってしまうのである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は上記に鑑み提案
されたもので、分散媒が有機溶媒で、分散質が強磁性を
有する超微粒子と誘電性を有する超微粒子とから構成さ
れる流体であり、磁場或いは電場或いはその両方の下で
作動するものであることを特徴とする機能性流体に関す
るものである。
【0007】上記本発明の機能性流体に使用する強磁性
を有する超微粒子は例えば以下の方法で合成する。フェ
ライトの超微粒子は2価の金属イオンと3価の金属イオ
ンを含む酸性水溶液に水酸化ナトリウム等のアルカリ水
溶液を添加し、加温して調整する共沈法を用いて合成さ
れる。また、鉄、コバルト等の強磁性金属超微粒子は例
えば界面活性剤イオン等の有機試薬イオンと金属陽イオ
ンの混合液に水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を添加
して析出させる無電界析出法を用いて合成される。さら
に、気相において蒸発凝縮法、カルボニルの熱分解法な
どからも合成される。
【0008】また、本発明の機能性流体に使用する誘電
性を有する超微粒子は例えば次のように調製する。ま
ず、誘電性を有するチタン酸バリウムを調製する第1の
方法としてはバリウムイオンが存在するアルカリ溶液、
例えば水酸化バリウム水溶液中にチタニウムアルコキシ
ド、例えばチタニウムイソプロポキシドを添加し、加水
分解することにより調製する方法があげられる。尚、こ
の加水分解反応は下記化1の反応と考えられる。
【0009】
【化1】
【0010】上記方法においてバリウムとチタンとのモ
ル比が1:1であるチタン酸バリウムを313〜353
Kの反応温度で調製したところ、調製されたチタン酸バ
リウムの平均粒径は5〜20nmであり、反応温度が低
下するにつれて粒径は減少し、また、333K以上で反
応させたチタン酸バリウムの超微粒子はX線回折により
立方晶系であることが確認され、強誘電性を示さなかっ
た。さらに、333K以下で反応させたチタン酸バリウ
ムの超微粒子は非晶質となるが、充分に高い誘電率を示
さなかった。
【0011】また、誘電性を有するチタン酸バリウムを
調製する第2の方法としては、チタニウムアルコキシド
とバリウムアルコキシド、例えばチタニウムイソプロポ
キシドとバリウムイソプロポキシドの混合溶液を窒素雰
囲気中で加熱し、蒸留水を添加することにより調製する
方法があげられる。
【0012】上記方法において、バリウムとチタンとの
モル比が1:1であるチタン酸バリウムを350Kの反
応温度で調製し、さらにこのチタン酸バリウムを空気雰
囲気中1073Kで5分間焼結した。はじめに調製した
チタン酸バリウムは約20nmの粒径であったが、立方
晶系で強誘電性を示さず、これを1073Kで5分間焼
結したチタン酸バリウムは立方晶系から正方晶系に変化
したが、1kHzでの誘電率に変化は観察されず、80
nmの粒径となった。上記のようにバリウムとチタンと
のモル比が1:1であるチタン酸バリウムは、第1の方
法で調製しても第2の方法で調製しても、20nm以下
の粒径で、且つ高い誘電率を有する超微粒子にはならな
い。
【0013】次に、前記第1の方法或いは第2の方法に
よりチタンの割合がバリウムの割合より大としてチタン
酸バリウムを調製したところ、得られたチタン酸バリウ
ムはX線的に非晶質で平均粒径が5〜10nmの超微粒
子であった。特に、チタンの割合がバリウムの割合より
僅かに大きなチタン酸バリウムは高い誘電率を示した。
また、チタンの割合を増加していくとバリウムとチタン
とのモル比が1:10までのチタン酸バリウムが充分に
高い誘電率を示すことが見出された。
【0014】一方、バリウムの割合がチタンの割合より
大として反応させて作製したチタン酸バリウムは、前記
バリウムとチタンとのモル比が1:1のチタン酸バリウ
ムと同様に低い誘電率しか示さなかった。
【0015】上記のようにチタン酸バリウムはその組成
においてバリウムの割合がチタンの割合より大きいか或
いはそのモル比が1:1の場合は低い誘電率しか示さな
いが、バリウムとチタンとのモル比においてチタンの方
が大でバリウムに対して10倍を越えない範囲、例えば
1:1.01〜1:10の範囲において高い誘電率を示
す。
【0016】以上説明したように、前記第1の方法或い
は第2の方法を用いてバリウムとチタンとのモル比にお
いてチタンの方が大でバリウムに対して10倍を越えな
い範囲のチタン酸バリウムを調製すると、20nm以下
の粒径で且つ高い誘電率を有する超微粒子を得ることが
できる。
【0017】このように調製された強磁性を有する超微
粒子(フェライト、鉄、コバルト、窒化鉄)及び誘電性
を有する超微粒子(チタン酸バリウム)は、ケロシン、
アルキルナフタレン、ポリ−α−オレフィン、シリコン
オイル、エステル類、エーテル類、その他の石油系溶
剤、鉱物油、植物油等の有機溶媒中に、例えば分散助剤
としてオレイン酸ナトリウム、アルキルアンモニウムア
セテート、アルキルスルホコハク酸塩、n−アシルアミ
ノ酸とその塩、n−アルキルトリメチレンジアミン誘導
体、ポリオキシエチレンアルキルエーテルリン酸塩、ポ
リオキシエチレンアルキルエーテル酢酸塩、アルキルリ
ン酸塩、アルカリ酢酸塩等の界面活性剤を添加して超音
波或いはホモジナイザーで攪拌することにより安定に分
散することができ、本発明の機能性流体を得るすること
ができる。上記機能性流体は、磁性流体としての特性と
誘電流体としての特性とを併せ持ち、例えばある温度で
増加する性状を有する。また、前記チタン酸バリウムの
バリウムの5〜10%をストロンチウム、カルシウム、
マグネシウムの一種以上に置換することにより、常温で
も高い誘電率を示す強誘電性流体を作製することができ
る。
【0018】図2はこうして作製された本発明の機能性
流体に磁場を印加した際(図2(a))、及びその後に
磁場を除去し、電場を印加した際(図2(b))の磁気
クラスターの形成と消滅の様子を概念的に示したもので
ある。図2(b)では磁場に対して直交する方向に電場
を印加している。この電場の効果により磁気クラスター
は強制的により早く消滅し、磁気光学効果の応答性を著
しく向上させることができる。また、逆に電場により生
じたクラスターを磁場で早く消滅させることもできる。
この原因はまだよくわからないが、定性的には次のよう
に説明できる。磁気クラスターは磁場を除去してから各
粒子のブラウン運動による拡散によって消滅する。時間
τの間に粒子が一定方向に動いた平均の距離をhとする
と、理想溶液では半径dの球形粒子の拡散係数はh/2
τ=kT(6πηd)となる。ここにkはボルツマン定
数、Tは絶対温度、ηは溶媒の粘度である。よって拡散
はηによって大きく影響される。しかし、電場で誘電粒
子のクラスターを作れば強制的に磁気クラスターはばら
ばらになり、磁気光学効果の磁場を取り去った時の回復
を速めることができると考えられる。
【0019】また、この機能性流体は必ずしも容器内に
収納する必要はない。即ち、一般に流体を用いる場合に
は流出や飛散を防ぐために必ずそれを容器に収納する
が、この機能性流体は磁性流体と同じように磁性粒子が
含まれているため流体のまま磁石に保持させておくこと
ができ、流体を磁石で保持しながら誘電性を利用するこ
とができる。誘電流体(ERF)を含めて一般にしか
し、この機能性流体の場合は磁石に保持させておくこと
ができ、応用範囲は以下に示すように飛躍的に拡大され
る。具体的には機能性流体は、磁化を持つため可動する
電極間に磁場で保持でき、この流体に特別なシールする
必要がないため各種電極形状が可能で、また電極間の絶
縁が容易である。よって各種形状のダンパーを製造で
き、微細なアクチュエータの設計にも本流体は使用可能
であると考えられ、種々の応用が期待される。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例を示す。
【0021】[実施例1]合成されたマグネタイト微粉
(平均粒径10nm)と合成されたチタン酸バリウム微
粉(平均粒径10nm)とを種々の割合で混合し、ケロ
シンに分散させた機能性流体の光透過率及び応答速度を
表1に示す。
【0022】
【表1】
【0023】表1のように様々な値を示すことがわかっ
たので、装置及び周囲の条件から限定される磁場(使用
できる磁石)や要求される透過率に応答速度等を考慮し
て最低な配合を選択することができる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の機能性流
体は、磁場や電場の作用下において流体中の強磁性微粒
子及び誘電性微粒子が各々の場の方向に沿って配列する
(クラスターを形成する)ことにより粘性が増大した
り、透過光が偏光する効果を顕著に示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁性流体薄膜内の強磁性コロイド粒子の挙動を
示す模式図である。
【図2】本発明の機能性流体薄膜内の強磁性超微粒子と
誘電性超微粒子との挙動を示す模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 169/04 101:02 105:06 125:04 125:10) C10N 10:04 10:08 10:16 20:06 Z 8217−4H 30:00 Z 8217−4H 30:02 40:04 40:14

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分散媒が有機溶媒で、分散質が強磁性を
    有する超微粒子と誘電性を有する超微粒子とから構成さ
    れる流体であり、磁場或いは電場或いはその両方の下で
    作動するものであることを特徴とする機能性流体。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の強磁性を有する超微粒
    子はマグネタイト、各種の金属酸化物フェライト、鉄や
    コバルト或いはそれらの合金粒子であることを特徴とす
    る機能性流体。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の誘電性を有する超微粒
    子は非晶質或いは正方晶のチタン酸バリウムの超微粒子
    であることを特徴とする機能性流体。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載のチタン酸バリウムの超
    微粒子はその構成成分であるバリウムの一部をストロン
    チウム、カルシウム、マグネシウムの一種以上に置換し
    たものであることを特徴とする機能性流体。
JP4339467A 1992-11-27 1992-11-27 機能性流体 Pending JPH06158083A (ja)

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