KR101755925B1

KR101755925B1 - 자기유변유체 조성물

Info

Publication number: KR101755925B1
Application number: KR1020150174988A
Authority: KR
Inventors: 이승욱; 이진영
Original assignee: 현대자동차주식회사; 주식회사 크리버코리아
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-07-07
Also published as: KR20170068137A

Abstract

본 발명은 자기유변유체 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자성입자, 유체 및 첨가제를 포함하여 구성되는 자기유변유체 조성물에 실리카의 구조안정제와 폴리알킬렌글리콜의 겔화제가 첨가제로 혼합되어 있음으로써 침전성 개선 및 자지장 인가 시에 높은 전단응력을 갖는 자기유변유체 조성물에 관한 것이다.

Description

자기유변유체 조성물{Magnetorheological fluid composition}

자기유변유체(Magnetorheological fluid)는 외부에서 부가하는 자기장에 의해 유변물성이 급격히 변화되는 유체로서, 지능재료(intelligent material) 중의 하나이다. 구체적으로는 자기유변유체는 미네랄 오일, 합성탄화수소유, 물, 실리콘 오일, 에스테르화 지방산 등으로부터 선택된 분산매체에 직경이 수 내지 수십 마이크론인 미세입자의 철, 니켈, 코발트, 카보닐철, 소프트페라이트 및 이들의 자성합금 등으로부터 선택된 자성입자가 분산된 비콜로이드성 현탁액으로 제조된다.

이러한 자기유변유체는 외부로부터 인가되는 자기장의 크기에 따라 유변학적 거동과 전기적, 열적, 기계적 물성이 달라지는 자기유변현상(MR)을 나타낸다. 또한, 자기유변유체는 오염물에 대해 상대적으로 덜 민감하고, 자기장에 대한 응답속도가 10초 수준으로 매우 빠르고 가역적이라는 특성을 가지고 있기 때문에, 자동차의 클러치, 엔진마운트, 댐퍼 등 진동제어장치, 고층건물 내진장치, 로보틱 시스템(robotic system)의 구동장치 등 여러 산업분야에 적용 가능성이 높다.

자기유변유체는 자기장이 가해지지 않을 때에는 뉴튼 유체의 성질을 나타내지만, 자기장이 가해지면 분산입자가 쌍극자를 형성하여 인가된 자기장과 평행한 방향으로 섬유구조를 형성하고, 이 섬유구조가 점도를 증가시켜 유체의 흐름을 방해하는 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가져서 동적 항복응력을 크게 증가시킨다. 이때의 항복응력(yield stress)은 자기장의 세기에 따라 증가한다. 이러한 특성을 가지는 자기유변유체를 효과적으로 이용하기 위해서는 자기유변유체가 높은 항복응력을 보유하고, 분산매체 내에 자성입자가 균일하게 분포해야 한다. 또한, 자기장을 가한 후에 자기장을 다시 가하지 않으면 유체가 원래의 상태로 신속하게 되돌아갈 수 있도록 유체의 점도가 충분히 낮아야 한다. 또한 온도의 변화에 따른 점도의 변화가 적어 항상 일정한 유동특성을 나타내야 한다. 그러나 자기유변유체는 중력에 의한 침전문제로 인하여, 유동학적 거동에 큰 장애를 받는다. 이러한 침전의 주요한 원인은, 분산매체의 밀도가 대략　0.5 내지 3 g/㎤인데 반하여 자성입자의 밀도가 7.86 g/㎤ 정도로서 자성입자의 밀도가 분산매체의 밀도보다 훨씬 크기 때문에, 자성입자가 분산매체 내에서 침전되는 경향이 있기 때문이다. 상기와 같은 자성입자의 침전으로 인하여 자기유변유체의 양호한 분산안정성을 확보하는 것은 기술적으로 매우 어렵다.

자기유변유체의 분산안정성을 향상시키기 위하여 지금까지 많은 연구가 진행되었다.

미국등록특허 제5,645,752호에서는 콜로이드 실리카와 실리콘 올리고머를 사용하여 틱소트로픽 네트워크(thixotropic network)를 형성하여 분산안정성을 추구하였으나 장기간 보관시 응집되어 재분산이 용이하지 않은 문제가 있다.

미국등록특허 제6,203,717호에서는 유기점토(organoclay)를 첨가하여 자기유변유체의 분산안정성을 추구하고자 하였으나, 원하는 침강방지 효과를 얻기 위해서는 3 ~ 6 중량%에 해당되는 과량의 유기점토를 첨가하여야 한다. 그러나 과량의 유기점토 첨가로 인하여 자기유변유체의 고유특성인 자기특성으로서 자기장 인가 시 항복응력이 저하되는 결과를 초래하는 문제가 있다.

따라서, 자기유변유체의 고유 자기특성을 유지하면서 분산안정성이 향상된 새로운 조성의 자기유변유체 개발에 대한 필요성이 끊임없이 대두되고 있다.

미국등록특허 제5,645,752호 미국등록특허 제6,203,717호

본 발명은 분산안정성이 향상됨과 동시에 외부 자기장 인가 시에 높은 전단응력을 유지하게 되는 자기유변유체 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제 해결을 위하여, 본 발명은 자성입자, 분산매체 및 첨가제를 포함하는 자기유변유체 조성물로서, 상기 첨가제로는 실리카의 구조안정제와 폴리알킬렌글리콜의 겔화제가 포함된 자기유변유체 조성물을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 의하면 자성입자와 분산매체로 이루어진 기재성분 100 중량부를 기준으로, 상기 구조안정제로서 소수성 실리카가 0.1 ~ 0.5 중량부 범위로 포함된 자기유변유체 조성물을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 의하면 자성입자와 분산매체로 이루어진 기재성분 100 중량부를 기준으로, 상기 겔화제로서 폴리알킬렌글리콜이 0.01 ~ 0.05 중량부 범위로 포함된 자기유변유체 조성물을 그 특징으로 한다.

본 발명에서는 실리카를 구조안정제로서 포함시켜 자성입자간의 엉김을 방지하고 고온에서의 소재의 안정성을 강화하는 효과를 얻고 있다

또한, 본 발명에서는 폴리알킬렌글리콜의 겔화제를 선택 포함시킴으로써 실리카 입자간 반델발스힘 외에 수소결합을 부여하여 입자간 네트워크를 강화시킴으로써 겔화 되도록 유도하였다. 이로써 더욱 결합력이 강화된 실리카 입자들이 자성입자를 지지하도록 하여 침강을 방지하고 고르게 분산되도록 하는 효과를 얻고 있다.

따라서 본 발명이 제안하는 자기유변유체 조성물은 외부 자기장 인가 시에 높은 전단응력을 유지하고, 높은 분산안정성을 가져 침강 안정성이 우수하다는 장점이 있다.

본 발명에 따른 자기유변유체 조성물은 기재성분으로서 자성입자와 분산매체를 포함하며, 여기에 첨가제로서 구조안정제와 겔화제를 포함한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 자기유변유체 조성물은 자성입자 55 ~ 85 중량%와 분산매체 15 ~ 45 중량%로 이루어진 기재성분 100 중량부를 기준으로, 실리카의 구조안정제 0.1 ~ 0.5 중량부 및 폴리알킬렌글리콜의 겔화제 0.01 ~ 0.05 중량부를 첨가제로 포함한다.

상기한 같은 조성을 이루는 본 발명의 자기유변유체 조성물에 대해 각 성분별로 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.

(1) 자성입자

본 발명의 자기유변유체 조성물에 포함되는 자성입자는 당분야에서 통상적으로 적용되고 있는 성분으로서, 평균입경이 1 ~ 100 ㎛이고, 또한 철, 니켈, 코발트, 카보닐철, 소프트페라이트 및 이들의 자성합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 입자가 포함될 수 있다. 바람직하기로는 평균입경이 1 ~ 10 ㎛이고, Fe 함량이 97 중량% 이상인 카보닐철 또는 소프트페라이트의 자성입자일 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용되는 자성입자는 무코팅 자성입자 또는 유기수지로 코팅시킨 코팅 자성입자일 수도 있다. 상기 코팅 자성입자로는 예를 들면, 카보닐철의 입자 표면을 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral)로 코팅시킨 것으로, 폴리비닐부티랄으로 코팅된 자성입자는 카보닐철 본연의 자성 특성은 유지하면서 밀도를 낮추어 자성입자의 분산안정성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

상기한 자성입자는 자성입자와 분산매체로 이루어진 기재 성분 중에 55 ~ 85 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 기재성분 중에 포함되는 자성입자의 함량이 55 중량% 미만인 경우 전단응력 및 침전성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 85 중량%를 초과할 경우 유동성의 문제가 있을 수 있으므로, 상기 범위 내에서 포함하는 것이 좋다.

(2) 분산매체

본 발명의 자기유변유체 조성물에 포함되는 분산매체는 당분야에서 통상적으로 적용되고 있는 성분으로서, 40℃ 동점도가 20 ~ 300 ㎟/s 범위이고, 또한 미네랄 오일, 합성탄화수소유, 물, 실리콘 오일 및 에스테르화 지방산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다. 바람직하기로는 40℃ 동점도가 20 ~ 100 ㎟/s 범위인 디메틸실록산 및 메틸페닐실록산로 이루어진 군으로부터 선택된 실리콘 오일을 사용하는 것이다. 그 이유는 본 발명이 구조안정제로서 실리카를 선택 사용함에 특징이 있는데, 첨가제로 포함되는 실리카의 물리화학적 특성상 분산매체로서 실리콘 오일을 적용하였을 때 보다 바람직한 효과를 기대할 수 있기 때문이다.

상기 분산매체의 동점도가 20 ㎟/s 미만인 경우 침전성을 저하시키는 문제가 있으며, 300 ㎟/s 초과인 경우 유동성 저하 및 높은 전단응력을 가지는 문제가 있기에 상기 범위 내의 물성적 특성을 갖는 유체를 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 분산매체는 자성입자와 분산매체로 이루어진 기재 성분 중에 15 ~ 45중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 기재성분 중에 포함되는 분산매체의 함량이 15 중량% 미만인 경우 입자의 고른 분포 및 유동성 상실의 문제가 있으며, 45 중량%를 초과하는 경우 낮은 유변 물성과 침전성 불량의 문제가 있을 수 있으므로, 상기 범위 내에서 포함하는 것이 좋다.

(3) 구조안정제

본 발명의 자기유변유체 조성물은 구조안정제로서 실리카를 포함한다. 상기 실리카는 흄드(fumed) 실리카, 침전(precipitated) 실리카와 같은 친수성 실리카(hydrophilic silica) 또는 실란으로 표면처리된 소수성 실리카(hydrophobic silica) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 바람직하기로는 소수성 실리카를 사용할 수 있는데, 소수성 실리카는 내수성 및 기계적 전단에 대한 상대적인 안정성으로 인하여 내구적인 측면에서 보다 바람직한 효과를 기대할 수 있다.

상기한 구조안정제는 자성입자와 분산매체로 이루어진 기재 성분 100 중량부를 기준으로, 0.1 ~ 0.5 중량부 범위로 포함될 수 있다. 본 발명의 자기유변유체 조성물에 포함되는 구조안정제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 침전성 개선 효과를 기대할 수 없고, 0.5 중량부를 초과한 경우는 전단응력을 저하시키는 문제를 초래할 수 있으므로, 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.

(4) 겔화제

본 발명의 자기유변유체 조성물은 겔화제로서 폴리알킬렌글리콜을 포함한다. 바람직하기로는 중량평균분자량이 1000 ~ 3000 범위인 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 폴리알킬렌글리콜을 사용할 수 있다.

상기 겔화제로 사용된 폴리알킬렌글리콜은 본 발명의 자기유변유체 조성물에 포함되어 실리카 입자에 수소결합을 부여하여, 실리카 입자간 결합력을 강화함으로써 자성입자 간의 뭉침 현상을 방지하고 분산매체에 고르게 분산되도록 한다.

상기한 겔화제는 자성입자와 분산매체로 이루어진 기재 성분 100 중량부를 기준으로, 0.01 ~ 0.05 중량부 범위로 소량 포함될 수 있다. 본 발명의 자기유변유체 조성물에 포함되는 겔화제의 함량이 0.01 중량부 미만이면 침전성 개선 효과를 기대할 수 없고, 0.05 중량부를 초과한 경우는 전단응력을 저하시키는 문제를 초래할 수 있으므로, 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.

(5) 기타 첨가제

본 발명의 자기유변유체 조성물은 첨가제로서 실리카의 구조조정제 및 폴리알킬렌글리콜 이외에도 당분야에서 통상적으로 사용되는 첨가제를 더 포함할 수도 있다. 이러한 통상의 첨가제로서 분산제, 내마찰제를 더 포함할 수 있다. 상기 분산제는 대표적으로 알킬암모늄염계 분산제가 사용될 수 있다. 또한, 상기 내마찰제는 이황화몰리브덴, 징크포스페이트, 트리아릴포스페이트, 트리페닐포스포로티오네이트 및 아민포스페이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다.

그 밖에도 본 발명에 따른 자기유변유체 조성물은 산화방지제, 부식방지제, 녹방지제 등으로부터 선택된 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 이들의 첨가제의 성분에 대하여 본 발명은 특별한 제한을 두지 않는다.

이와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1 ~ 9 및 비교예 1 ~ 6: 자기유변유체의 제조

실리콘 오일의 분산매체에 실리카 구조안정제 및 폴리알킬렌글리콜 겔화제를 하기 표 1 및 표 2의 종성비로 혼합하고, 균질기(Homogenizer)를 이용하여 1000 rpm의 속도로 5 분 동안 교반하였다. 이렇게 균질화된 실리콘 오일 혼합물에 자성입자를 넣고 다시 1000 rpm의 속도로 60 분 동안 교반하여 자기유변유체를 제조하였다.

[조성성분]

(1) 자성입자: 카보닐철 입자(Carbonyl iron powder), 평균입경 5 ㎛, BASF사 제품

(2) 실리콘 오일: 40℃에서 동점도 38 ㎡/s, Shinetsu사 제품

(3) 구조안정제: 소수성 실리카, Evonik사 제품

(4) 겔화제: 중량평균분자량이 2000인 폴리알킬렌글리콜, KPX Chemical사

제품

구분		실시예
구분		1	2	3	4	5	6	7	8	9
기재 (중량%)	자성입자	75	75	75	75	75	75	75	75	75
기재 (중량%)	유체	25	25	25	25	25	25	25	25	25
첨가제 (중량부)^*	구조 안정제	0.1	0.3	0.5	0.1	0.3	0.5	0.1	0.3	0.5
첨가제 (중량부)^*	겔화 첨가제	0.05	0.05	0.05	0.03	0.03	0.03	0.01	0.01	0.01
* 중량부: 기재 100 중량부를 기준으로 첨가된 각 첨가제의 함량을 중량부로 표기함.

구분		비교예
구분		1	2	3	4	5	6
기재 (중량%)	자성입자	75	75	75	75	75	75
기재 (중량%)	유체	24.92	24.27	24.695	24.63	24	24.9
첨가제 (중량부)^*	구조 안정제	0.05	0.7	0.3	0.3	1.0
첨가제 (중량부)^*	겔화 첨가제	0.03	0.03	0.005	0.07		0.1
* 중량부: 기재 100 중량부를 기준으로 첨가된 각 첨가제의 함량을 중량부로 표기함.

실험예. 자기유변유체의 물성 측정

상기 실시예 1 ~ 9 및 비교예 1 ~ 6에서 제조한 자기유변유체의 특성을 하기의 방법으로 측정하여 하기 표 3 및 표 4에 각각 나타내었다.

[자기유변유체의 특성 평가방법]

(1) 침전성(%): 자기유변유체를 상온에서 2주 동안 보관한 후의 침전된 자기유변유체의 부피를 자기유변유체 전체의 부피로 나눈 값으로 측정하였다.

(2) 유변물성: 유변물성 측정기(Anton Paar: Physica MCR 301, MRD 170/1T)를 사용하여, 0.3T의 자기장 영역 하에서의 전단속도에 따른 겉보기 점도 변화를 측정하였다

구분	실시예
구분	1	2	3	4	5	6	7	8	9
유변물성	302	310	316	301	303	312	300	302	310
침전성(%)	91	92	92.5	90.5	91	92	89	90	91

구분	비교예
구분	1	2	3	4	5	6
유변물성	276	유체특성 상실	280	유체특성 상실	287	270
침전성(%)	65	98	70	99	66	60

상기 표 3 및 표 4의 결과에 의하면, 본 발명이 제안하는 바대로 기재성분 100 중량부를 기준으로 실리카의 구조안정제 0.1 ~ 0.5 중량부 및 폴리알킬렌글리콜의 겔화제 0.01 ~ 0.05 중량부가 포함된 자기유변유체 조성물(실시예 1 ~ 9)은 분산안정성이 우수하고 유변특성이 유지됨을 확인할 수 있다.

이에 반하여, 실리카의 구조안정제 및/또는 폴리알킬렌글리콜의 겔화제가 미첨가 또는 소량 첨가된 자기유변유체 조성물(비교예 1, 비교예 3, 비교예 5, 비교예 6)은 침전성과 유변물성이 원하는 수준에 도달하지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 실리카의 구조안정제 및/또는 폴리알킬렌글리콜의 겔화제가 과량 첨가된 자기유변유체 조성물(비교예 2, 비교예 4)은 침전성은 우수하지만, 과량의 첨가제로 인하여 유변물성을 상실시키는 결과를 초래하고 있음을 확인할 수 있다.

Claims

삭제
삭제
삭제
평균입경이 1 ~ 10 ㎛이고, Fe 함량이 97 중량% 이상인 카보닐철 또는 소프트페라이트의 자성입자 55 ~ 85 중량%; 및 분산매체 15 ~ 45 중량%로 이루어진 기재성분 100 중량부를 기준으로,
실리카의 구조안정제 0.1 ~ 0.5 중량부; 및
폴리알킬렌글리콜의 겔화제 0.01 ~ 0.05 중량부;
가 포함된 것을 특징으로 하는 자기유변유체 조성물.
제 4 항에 있어서,
상기 분산매체는 미네랄 오일, 합성탄화수소유, 물, 실리콘 오일 및 에스테르화 지방산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 자기유변유체 조성물.
제 5 항에 있어서,
상기 분산매체는 40℃ 동점도가 20 ~ 300 ㎟/s 범위인 디메틸실록산 및 메틸페닐실록산로 이루어진 군으로부터 선택된 실리콘 오일인 것을 특징으로 하는 자기유변유체 조성물.
제 4 항에 있어서,
상기 구조안정제는 소수성 실리카인 것을 특징으로 하는 자기유변유체 조성물.
제 4 항에 있어서,
상기 겔화제는 중량평균분자량이 1000 ~ 3000 범위인 폴리알킬렌글리콜인 것을 특징으로 하는 자기유변유체 조성물.