KR0134091B1 - 전기점성유체 - Google Patents

전기점성유체

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KR0134091B1
KR0134091B1 KR1019890006416A KR890006416A KR0134091B1 KR 0134091 B1 KR0134091 B1 KR 0134091B1 KR 1019890006416 A KR1019890006416 A KR 1019890006416A KR 890006416 A KR890006416 A KR 890006416A KR 0134091 B1 KR0134091 B1 KR 0134091B1
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미우라 아끼라
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    • C10M171/001—Electrorheological fluids; smart fluids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

내용 없슴

Description

전기점성유체
제 1 도는 실시예에서 수득된 구형 실리카 입자의 구조를 보여주는 주사전자 현미경 사진이다.
제 2 도는 가해진 전기장에 대하여 실시예 1 의 전기점성 유체의 점도 증가 효과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 전기점성 유체에 관한 것이다.
전기 점성 유체는 사용 전압의 작용 (OFF, ON 전압의 변화)에 따라 점도에 있어서 신속하고 가역적으로 변화가 분명하므로, 소위 전기점성 효과를 나타내는 유체이다.
지금까지는, 전기절연액, 흡착 이온을 함유 또는 갖는 미립자 및 소량의 물을 격렬하게 교반시킴으로써 수득되는 유체가 전기점성 유체의 일종으로 공지되어 있다.
상기 유체의 전기 점성 효과는 후술하는 바와 같이 야기되는 것으로 여겨진다.
즉, 격렬한 교반에 의해 물이 미립자내로 이동하여 전해질 용액을 형성하고, 전압이 가해질 경우, 전해질 용액중의 이온이 미립자내에서 이동.편재됨으로써 입자가 분극화된다. 각각의 미립자가 분극화로 의한 정전기적 인력에 의하여 상호간에 응집됨으로써 그 결과 전기 점성 효과가 야기된다. 상기 점성 유체중의 미립자는 분산 상태를 일정하게 유지할 수 있는한 특별히 한정되지 않는다. 무기 또는 유기 미립자를 사용할 수 있다.
지금까지는, 분쇄된 실리카 입자가 구입이 용이하므로 무기미립자로 사용되어왔다. 전기 점성 유체가 사용되는 크라치, 수압변, 방진장치, 또는 진동기 등에서, 통상적으로 전기장이 가해지는 한쌍의 전극 사이의 공간을 유체가 통과할때 유체의 점도 변화를 이용한다. 따라서, 분산 상태의 입자 및 장치의 벽 사이의 마모는 문제점을 야기시킨다.
이러한 점에서, 실리카 입자는 모서리가 날카로우므로 분쇄된 실리카 입자가 분산 상태로 사용되는 전기 점성 유체에서 상기 마모의 문제점은 심각하다. 상기 문제점을 해결하는 개선안이 소망되어 왔다.
전기 점성 유체에서, 전극을 통하여 전압이 가해지면 입자들은 가교 구조를 형성한다. 따라서, 분쇄된 입자의 경우, 입자의 날카로운 모서리가 상호간에 접촉되게 됨으로써 절연 내구력이 저하되는 결점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점들을 극복한 전기점성유체를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하여, 전기 절연 액체 및 여기에 분산된 미립자를 함유하며, 미립자가 금속 알콕시도 또는 이의 유도체의 가수분해 및 중축합에 의해 수득되고, 전해질 용액을 함유하는 구형 입자인 전기점성 유체에 의해 상기 목적은 용이하게 성취될 수 있다.
본 발명을 바람직한 구현예를 참조로 하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 전기점성 유체는 금속 알콕시드 또는 이의 유도체의 가수분해 및 증축합에 의해 수득되는 0.05 내지 2㎛ 의 평균 입자 크기를 갖는 구형 입자로, 절연 액체내에 분산된 미립자를 사용한다. 금속 알콕시드로는 공지의 문헌 (Metal Alkoxides, edited by D. D. Bradley. R. C. Mehrotra, D. P. Gaur, Academic Press, 1978)에 개시된 다양한 알콕시드를 사용할 수 있다. 바람직한 알콕시드는 메톡시, 에톡시, 프로톡시 및/또는 부톡시 같은 저급 알콕시기가 단독 또는 조합된 것이다. 전형적인 예로서는 Si, Ti 및 Zr 의 알콕시드, 및 Ba - Ti, Sr - Ti, Pb - Ti, Pb - Ti - Zr 및 Li - Nb 의 복합 알콕시드를 들 수 있다.
금속 알콕시드의 가수분해는 통상적으로 알콕시드의 알코올 용액을 알코올 수용액과 혼합시킴으로써 수행된다. 가수분해 속도를 적절히 조절시킴으로서 금속 산화물의 무정형체는 실질적으로 구형의 입자 형태로 침전될 수 있다. 가수분해 속도는 예를들어, 반응계 중의 알콕시드 및 물의 몰비 및 농도, 및 필요에 의해 첨가될 수 있는 가수분해용 촉매(알칼리 또는 산)의 양을 조절함으로써 통상적으로 조정될 수 있다. 구형 입자의 수득 조건은 알콕시드의 종류에 따라 변화되므로, 통상적으로 제한되지 않는다. 그러나, 예를들어 Si(OC2H5)4, Ti(OC2H5)4또는 Zr(OC2H5)4의 경우, 물 대 알콕시드의 몰비는 통상적으로 1 내지 150, 바람직하게는 1 내지 100 이며, 알콕시드의 농도는 통상적으로 0.05 내지 10 몰/ℓ, 바람직하게는 0.05 내지 5 몰/ℓ 이고, 물의 농도는 통상적으로 0.1 내지 20 몰/ℓ, 바람직하게는 0.1 내지 10 몰/ℓ 이다.
제 1 도는 실시예 1 에서 Si(OC2H5)4의 가수분해에 의해 수득된 실리카 구형 입자의 주사 전자 현미경(10,000 배율) 사진을 나타낸 것이다. 제 1 도에서 분명하듯이, 각 입자가 구형이며, 입자 크기 분포가 일정한 편이다.
구형 실리카 입자는 여과 또는 원심 분리에 의해 알코올 용액으로부터 고형물을 분리시킨 다음, 예를 들어 회전식 증발기로 건조시킴으로써 수득되며, 0.05 내지 2㎛ 범위내의 평균 입자 크기를 갖는다.
전술한 구형 입자는 전해질 용액을 함유하며, 전기점성 효과는 전술한 원리에 의하여 용액중의 이온에 의하여 발현된다.
전해질 용액을 구성하는 전해질은 물같은 극성 용매 중에서 이온으로 분해되는 한 특별히 한정되지 않는다. 전해질로는 NH3, NaOH, NaC1, LiC1, B2O3, Ca(OH)2, MgSO4, Fe(NO3)2같은 무기 화합물 또는 나트륨 슬포네이트, 나트륨 카트복실레이트, 나트륨알킬벤젠술포네이트, 나트륨 폴리스티렌 슬포에니트, 지방산의 칼슘염 또는 나프탈렌 술폰산과 포르알린의 축합 생성물 같은 이온 계면 활성제를 예로들 수 있다.
전해질 용액을 구성할 수 있는 용매는 사용된 전해질을 적절히 용해시킬 수 있는한 어떠한 극성 용매도 사용될 수 있다.
전해질 용액의 농도 및 함유량은 전기장이 가해졌을때 전기를 전도하지 않는 각각의 범위내에서 적절히 선택될 수 있다. 농도는 통상적으로는 0.1 내지 90 중량 %, 바람직하게는 5 내지 50 중량 % 범위 내에서 선택된다.
전술한 바와 같이, 금속 알콕시드의 가수분해 및 증축합은 NH3같은 촉매 존재하에 수행될 수 있다. 이 경우, 촉매 자체가 전해질로 사용될 수 있다. 즉, 금속 알콕시드의 가수분해 및 증축합 후, 구형 실리카 입자를 알코올 용액으로부터 분리, 건조시킨다. 상기 건조 과정을 완전하게 수행하지 않고 200℃ 까지 공기중에서 가열시킴으로써 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 내지 10 중량%의 중량이 감소되는 정도로 건조시킨 경우, 전술한 범위 내에서 전해질 용액을 함유하는 구형 입자의 수득이 가능하다. 전술한 가열중의 중량 감소는 10℃/분의 온도 증가 속도에서 시차열 분석법에 의해 얻어진 수치이다.
또한, 전술한 건조 또는 이전의 물 세척을 완전히 수행한 다음, 전해질 용액을 도입하는 것이 가능하다. 이 경우, 전해질 용액을 구성하는 극성 용매로는 물보다 높은 비점을 갖는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 물같은 비점이 낮은 용매가 사용된 전기 점성 유체에서는 고온 또는 고전단력에 의해 열이 발생되는 환경에서 장기간 사용될 경우 용매가 증발 또는 확산됨으로써 적절한 전기점성 효과가 발현될 수 있는 문제점이 있다. 높은 비점을 갖는 용매를 사용함으로써 상기 문제점은 모두 해결될 수 있다. 상기 목적에 사용되는 높은 비점을 갖는 극성 용매로는 글리콜(에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜) 및 에탄올 아민이 있다. 그중에서, 에틸렌 글리콜을 사용함이 바람직하다.
입자를 전해질 용액으로 함침시키기 위하여, 구형 입자, 전해질, 극성 용매 및 전기절연액체를 예를 들어, 볼 밑에서 몇시간동안 혼합시키거나, 또는 구형 입자를 전해질 용액중으로 함침시킨다.
전기 절연 액체로는, 구형 입자를 안정된 상태로 분산시킬 수 있으며, 높은 절연 저항을 갖고, 전해질 용액을 용해시키지 않는 용액이 사용된다. 특히, 실리콘유, 트란스유, 엔진유, 에스테르, 파라핀, 올레핀 및 방향족 탄화수소에서 적절히 선택한다.
전기 점성 유체중의 구형 입자의 양은 통상적으로 5 내지 50% 바람직하게는 10 내지 40% 이다.
분산시, 볼 밑 또는 초음파 분산기 같은 통상의 혼합 및 분산기를 사용할 수 있다.
전기 점성 효과는 공축 이중 원통형 회전 점도계를 사용하여 측정될 수 있으며, 내.외 원통간에 전압이 가해질때 동일한 전단속도(162sec-1)에서 전단 응력의 증가량을 측정하고, 증가량을 점도의 변화로 변환시킨다.
전기 점성 유체에서, 유동성은 사용 전압으로 조절될 수 있다. 그러므로, 컴퓨터 제어의 메카트로닉스 분야에서의 이의 개발이 기대된다. 구체적인 응용예를 기술한다. 자동차 공업에서 크라치, 토르크 변환기, 진공관, 충격 흡수장치, 브레이크 시스템 또는 파워 스티어링등에 응용될 수 있다. 더우기, 공업용 로보트 분야에서는 다양한 조작부에 응용되고 있다.
본 발명을 실시예를 참조로 하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 특정 실시예에 결코 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
186.0g 의 Si(OC2H5)4(특급시약등급)을 670.7g 의 에틸알코올(특급 시약 등급)에 용해시킴으로써 수득된 용액 A 및 223.6g 의 28% NH4OH 수용액 및 173.9g 의 물을 1,999.5g 의 에틸알코올에 용해시킴으로써 수득된 용액 B 를 혼합하여 직경이 0.56㎛ 인 실리카 입자를 침전시킨다. 입자 직경의 표준 편차는 1.05 이다. 입자를 상기 슬러리로부터 통상의 방법에 의해 분리시키고, 100℃ 에서 1 시간 동안 진공 건조 시킴으로써 분말 상태의 입자를 수득한다. 입자는 NH3(1.3 중량%), 물 (4.1 중량%) 및 에탄올 (0.6 중량%)을 함유하며, 공기중에서 200℃ 에서 가열시켰을 때 중량 감소는 6% 이다. 다음, 30.1g 의 입자를 32.8g 의 실리콘유(토레이 실리콘 SH200,10cs)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12 시간 동안 분산 및 혼합시킨다.
상기 수득된 본 발명의 전기점성 유체에 대하여, 공축 이중 원통형 회전 점도계 (전극간 거리 : 1mm, 온도 : 25℃)를 사용하여 내.외 원통간에 전압이 가해질때 동일한 전단 속도(162 sec-1)에서 전단 응력을 측정한다. 상기 수득된 결과를 제 2 도에 나타낸다. 2kv/mm 의 전기장이 가해질 때 초기점도 1.7 포아즈는 28 포아즈 수준까지 증가됨을 분명히 알 수 있다. 상기 액체를 실온에 방치하고, 10일 후에 측정을 실시하여 특성의 변화가 없음을 관측하였다.
실시예 2
실시예 1 에서 사용된 구형 실리카 입자를 250℃ 에서 16 시간동안 예열시켜 NH3, 물 및 에탄올을 적당히 제거시킴으로써 40g 의 입자를 수득한다. 다음, 48g 의 5.5% NaOH 수용액을 가하고, 혼합물을 100℃ 에서 1 시간 동안 진공 건조시킴으로써 분말 형태의 입자를 수득한다. 입자는 NaOH(5.2 중량%) 및 물(9.7 중량%)를 함유하며, 200℃ 에서 공기중에서 가열시켰을때 중량 감소가 9.7% 이다. 다음, 30.1g 의 입자를 32.8g 의 실리콘유(토레이 실리콘 SH200,10cs)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 및 혼합시킨다. 이렇게 수득된 조 유체의 초기 점도는 1.5 포아즈이며, 2kv/mm 의 전기장이 가해졌을때, 점도는 16 포아즈(162sec-1)로　증가한다.
실시예 3
실시예 1 에서 사용된 구형 실리카 입자를 250℃ 에서 16시간 동안 예열 시킴으로써 NH3, 물 및 에탄올을 적당히 제거시킨다. 다음, 상기 수득된 10.0g 의 실리카 입자 및 0.9g 의 암모니아수(NH3농도 : 25%)를 18.7g 의 실리콘 유(토레이 실리콘 SH200, 10cs)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 및 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체의 초기 점도는 0.2 포아즈이고, 1.8kv/mm 의 전기장을 가했을때, 점도는 22 포아즈(162 sec-1)로 증가된다.
실시예 4
실시예 1 에서 사용된 구형 실리카 입자를 250℃ 에서 16시간 동안 예열 시킴으로써 NH3, 물 및 에탄올을 적당히 제거시킨다. 이렇게 수득된 10.0g 의 실리카 입자 및 1.3g 의 NaOH 수용액(NHOH 농도 : 44%)를 18.7g 의 실리콘유(토레이 실리콘 SH200, 10cs)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 및 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체의 초기 점도는 0.3 포아즈이며, 2kv/mm 의 전기장을 가했을때, 점도는 16 포아즈(162 sec-1)까지 증가된다.
실시예 5
실시예 1 에서 사용된 구형 실리카 입자를 250℃ 에서 16시간 동안 예열 시킴으로써 NH3, 물 및 에탄올을 적당히 제거시킨다. 다음, 이렇게 수득된 10.0g 의 실리카 입자 및 0.7g 의 에틸렌 글리콜중의 NaOH 용액(NHOH 농도 : 1.8%)을 실리콘 유(토레이 실리콘 SH200, 10cs)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 및 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체의 초기 점도는 0.8 포아즈이고, 2kv/mm 의 전기장이 가해졌을때 점도는 17 포아즈(162 sec-1)까지 증가된다.
실시예 6
실시예 1 에서 사용된 20.0g 의 구형 실리카 입자를 37.1g 의 디옥틸 아디페이트 (C8H17OOC(CH2)4COOC8H17)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체의 초기점도는 0.6 포아즈이고, 2kv/mm 의 전기장이 가해졌을때 점도는 25 포아즈(162 sec-1)까지 증가된다.
실시예 7
실시예 1 에서 사용된 20.0g 의 구형 실리카 입자를 39.4g 의 디옥틸 프탈레이트
Figure kpo00001
에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12 시간 동안 분산 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체의 초기 점도는 1.1 포아즈이고, 2kv/mm 의 전기장이 가해졌을때 점도는 37 포아즈(162 sec-1)까지 증가된다.
실시예 8
실시예 1 에서 사용된 20.0g 의 구형 실리카 입자를 7.0g 의 탄화수소형 저점도 광물유(미쓰비시 오일 RO - 2, 2cs) 및 33.4g 의 실리콘유(토레이 실리콘 SH200, 5cs)의 혼합물에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체의 초기 점도는 0.2 포아즈이고, 2kv/mm 의 전기장이 가해졌을때 점도는 11 포아즈(162 sec-1)까지 증가된다.
비교예 1
실시예 1 에서 사용된 구형 실리카 입자를 250℃ 에서 16시간 동안 예열 시킴으로써 NH3, 물 및 에탄올을 적당히 제거시킨다. 다음, 이렇게 수득된 10.0g 의 실리카 입자를 18.7g 의 실리콘유(토레이 실리콘 SH200, 10cs)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 및 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체에 대하여 전기 점성 효과를 측정하였을 때, 점도의 증가는 관측되지 않는다.
비교예 2
실시예 1 에서 사용된 구형 실리카 입자를 250℃ 에서 16시간 동안 예열 시킴으로써 NH3, 물 및 에탄올을 적당히 제거시킨다. 이렇게 수득된 10.0g 의 실리카 입자에 10.0g 의 증류수를 가하고, 진공 건조 시키면 함수량이 6.8% 인 입자가 수득된다. 다음 10.0g 의 입자를 18.7g 의 실리콘유(토레이 실리콘 SH200, 10cs)에 가하고, 혼합물을 볼 밑에서 12시간 동안 분산 및 혼합시킨다. 이렇게 수득된 유체에 대하여 전기 점성 효과를 측정하였을 때, 점도의 증가는 관측되지 않는다.
비교예 3
실시예 3 의 구형 실리카 입자를 대신하여 분쇄된 실리카 겔을 사용하여 전기 점성 효과를 측정하였을때, 0.5 kv/mm 의 전기장이 가해졌을때 방전이 발생하여 측정은 수행되지 못했다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 기술에 공지된 조성물과 비교하여 높은 안정성을 갖는 전기 점성 유체를 제공한다.

Claims (11)

  1. 전기 절연 액체 및 이에 분산된 미립자를 함유하며, 상기 미립자는 금속 알콕시드 또는 이의 유도체의 가수분해 및 증축합에 의해 수득되는, 전해질 용액을 함유하는 구형 입자인 전기점성 유체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전해질 용액이 물보다 높은 비점을 갖는 곡성 용매로 이루어진 전기점성 유체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    극성 용매가 에틸렌 글리콜인 전기점성 유체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전해질 용액중의 전해질의 농도가 0.1 내지 90 중량% 이며, 전해질 용액이 0.1 내지 20 중량% 의 양으로 구형 입자에 함유된 전기점성 유체.
  5. 제 1, 2 또는 3 항에 있어서,
    전해질 용액중의 전해질의 농도가 5 내지 50 중량% 이며, 전해질 용액이 1 내지 10 중량% 의 양으로 구형 입자에 함유된 전기점성 유체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    미립자의 평균 입자 크기가 0.05 내지 2㎛ 인 전기점성 유체.
  7. 제 1 또는 6 항에 있어서,
    전기점성 유체중의 미립자의 양이 5 내지 50% 인 전기점성 유체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    금속 알콕시드가 Si, Ti, Zr, Ba - Ti, Sr - Ti, Pb - Ti, Pb - Ti - Zr 및 Li - Nb 로 구성된 군에서 선택되는 적어도 1 종의 알콕시드인 전기 점성 유체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    금속 알콕시드가 저급 알콕시기로 이루어지는 전기점성 유체.
  10. 제 8 항에 있어서,
    금속 알콕시드가 실리콘 테트라에톡시드인 전기점성 유체.
  11. 제 4 항에 있어서,
    전해질이 NH3, NaOH, NaC1, LiC1, B2O3, Ca(OH)2, MgSO4, Fe(NO3)2, 나트륨 폴리스티렌술포네이트, 지방산의 칼슘염 및 나프탈렌 술폰산과 포르말린의 축합 생성물로 구성된 군에서 선택된 적어도 1 종인 전기점성 유체.
KR1019890006416A 1988-05-13 1989-05-13 전기점성유체 KR0134091B1 (ko)

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