TW505931B - Aqueous magnetorheological materials - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505931 A7 —------— B7____ 五、發明說明（1 ) 本發明係關於水性流體材料其當暴露於磁場時流動阻 力實質上增高。 發明背景 磁k變性流體為一種於磁場存在下進行表觀黏度改變 之流體組合物。流體典型包括強磁性或順磁性粒子分散於 載劑流體。粒子於外加磁場存在下偏極化變成於流體内部 組織成粒子鏈。·粒子鏈提高流體的表觀黏度（流動阻力）。 當磁場被移開時粒子返回無組織狀態而流體黏度降低。 磁流變性流體曾經提議用於多種裝置例如阻尼器、吸 震器及彈性體座控制阻尼性質。也曾經提議用於煞車、離 合器及閥控制壓力及/或扭矩。磁流變性流體於多項用途 被視為比電流變性流體優異，原因在於磁流變性流體具有 較高降伏強度且可產生較大阻尼力之故。 磁流變性流體與膠體磁性流體或強磁性流體有別。膠 體磁性流體中，粒子大小通常為5至1 〇毫米，而磁流變性 流體的粒子大小典型係大於0.1微米，更常見大於1.0微米 。膠體磁性流體於磁場存在下不會發展出粒子結構，反而 膠體磁性流體朝向外加磁場流動。 數種磁流變性流體例如述於美國專利第2,575,360， 2,661，825及2,886，151號，包括還原鐵氧化物粉末及低黏 度油類。此等混合物傾向於隨著時間的經過而沉降，沉降 速率概略隨著溫度的升高而加速。粒子傾向於沉降的理由 之一為油類密度（約0.7-0.95克/立方厘米）與金屬粒子密度（ 鐵粒子約7.86克/立方厘米）間的差異大。由於粒子分布不 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 -------—1 ^----訂---------線^1^" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明説明（ 2 第891 13258號專利申㈣ 說明書修正頁 修正曰期：9〇年10月 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 不均勻，》儿降干擾材料的磁流變性活性。經常需要相對高 切變力才能使粒子重新懸浮。 口 此種磁流變性流體之一項限制為係使用有機載劑流體 如油類製備有機載劑流體變得聚合、分解、促進細菌生 長且可燃。此外有機載劑流體可能與使用的裝置成分不相 谷。較佳有磁流變性流體其不含有機載劑流體或僅含水可 溶混之有機溶劑俾克服油性磁流變性流體的限制。 先刖製備使用各種增稠劑例如黃膠及幾甲基纖維 素製備水基磁流變性流體，述於美國專利第5,67〇,〇77號。 此等配方難以混合且容易隨著時間的經過而沉降。 除了粒子沉降之外，該等流體之另一項限制係 懸浮劑 例如石夕石及一氧化石夕當與各種部件的表面作移動性接觸時 容易造成磨耗。較佳有磁流變性流體其當與各種部件表面 作移動性接觸時不會造成顯著磨耗。也較佳有磁流變性流 體其使用水基溶劑系統而於磁性響應粒子沉降之後溶液以 小型切變力再度分散。本發明提供此種流體。 發明概述 經濟部智惡財產局員工消費合作社印^ 本發明之磁流變性材料組合物包括一種水性載劑流體 、磁性響應粒子及膨潤土或水輝石。水性載劑流體較佳占 組合物之約10至50%重量比。磁性響應粒子較佳占組合物 之約50至90%重量比。膨潤土或水輝石較佳占組合物之約 0·1至10%重量比。流體暴露於磁場於少至數毫秒時間以内 典型發展出結構。此等流體可用於如離合器、煞車、運動 器材、複合結構及結構元件、阻尼器、吸震器、配件裝置 本紙法尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（2ι〇χ297公董） 505931

五、發明說明（3 ) 及彈性體座等 、電氣開關、彌補裝置包括快速固定鑄件， 裝置。 膨潤土或水輝石存在作為抗沉降劑，一旦磁性粒子沉 降時其提供軟性殿積物。軟性丨殿積物容易再度分散。膨潤 土或水輝石也具有熱、機械及化學安定性。本發明之流體 於少於100/秒1之切變速率被切變稀薄而於切變稀薄後於 少於5分鐘以内旬復其結構。此外較佳本發明之磁流變性 組合物的成分或組成分皆為無機。由於不含有機成分故流 體相當強勁。流體實質為惰性，不會進行聚合腐敗、細菌 生長或於高切變時長鏈分子崩解。 發明之詳細說明 組合物形成觸變性網路，其可有效減低粒子沉降同時 可降低一旦沉降時再度懸浮粒子所需的切變力。觸變性網 路為膠體或磁性粒子懸浮液，其於低切變速率時形成疏鬆 網路或結構（例如簇狀物或絮凝物）。三度空間結構對流體 提供小量剛性，使粒子沉降減至最低。當切變力外加至材 料時，結構崩潰或分散。而當切變力被移開時結構再度形 成。 L__磁流變性流體組合物 A·磁性響應粒子 任何已知具有磁流變活性的固體皆可使用，特別包括 順磁性、超順磁性及強磁性元素及化合物。可磁化粒子之 適當例包括鐵，鐵合金類（例如包括鋁，矽，鈷，錄，飢 ，鉬，鉻，鎢，錳及/或銅），鐵氧化物（包括三氧化二鐵 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------,—1 裝----^----訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 505931

-----------^----^----tr---------蛛 lr'' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 及四氧化一鐵），鐵氮化物，鐵碳化物，幾基鐵，錄，始 馬二氧化鉻’不錄鋼及石夕鋼。粒子之適例包括直鐵粉/還 原鐵粉混合物。較佳磁性響應粒子為幾基鐵， 羰基鐵。 還原 ，粒子大小較佳選擇為當接受磁場時具有多領域特徵的 T子大小。磁性響應粒子之平均粒子直徑通常為0·1至⑺⑻ 微米車乂佳存在1係占總組合物之約50至90%重量比。 B•載劑流體 載劑流體為以水為主的流體或稱作水性流體。一具體 貫施例巾，單獨使用水。但可添加小量（較佳低於總配 之5%重量比）極性水可溶混有機溶劑如甲醇，乙醇，丙 ，二甲亞颯，二甲基甲醯胺，碳酸伸乙酯，碳酸伸丙酯， 丙酮，四氫呋喃，乙醚，乙二醇，丙二醇等。 水性載劑流體之pH可藉加酸或加鹼改變。適當pH範 圍為5至13及較佳pH範圍為8至9。 C ·膨潤土或水輝石 用於本發明組合物之膨潤土或水輝石為親水性無機黏 土’其作為抗沉降劑、增稠劑及流變學改性劑。天然膨潤 土及水輝石包括多種金屬陽離子因而使黏土具有親水性 。其提高此處所述磁流變性流體組合物之黏度及降伏應 。較佳膨潤土或水輝石之存在量係占配方之〇·丨至丨0〇/〇 量比之範圍，更佳1至8%重量比及最佳約2至6%重量比。 幸父佳黏土使用時可排除[亦即實質上不含]有機增稠劑如黃 膠’緣甲基纖維素或其它聚合物添加劑。 方 醇 力 重 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 言 -n I ϋ - 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） 7 505931

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、土或水輝石增稠流體組合物而減慢粒子沉降，一 旦磁性粒子沉降出提供軟性殿積物。軟性殿積物容易再度 分散。適當膨潤土或水輝石具有熱、機械及化學安定性， 且具有硬度小於習用抗沉降劑如❹b氧切。此處所 述本發明組合物較佳可於低於讀秒之切變速率切變稀薄 ，而於切變稀薄後於少於5分鐘以内回復其結構。 月心潤土或水輝石黏土典型係呈附聚小片堆疊形式。當 有足夠機械能及/或化學能外加至堆疊時，堆疊可被離層 Ik著έ黏土 ",L體溫度的升高離層更快速發生。黏土傾向 於隻觸變性及切變稀薄，亦即形成網路容易藉外加切變力 摧毀，而當切變力被移開時再度形成網路。個別黏土小片 具有物理及機械性質時其理想適合用於此處所述之磁流變 性流體組合物。例如極端具有撓性且同時極為強韌。 較佳黏土屬於德州剛傑爾南方黏土產品公司製造的拉 彭耐（Laponite)系列合成水輝石之成員。拉彭耐為層狀水 合矽酸鎂，不含天然黏土雜質且於控制下合成。當以溫和 擾動加至水中時，須於約30分鐘獲得最理想分散。拉彭耐 懸浮液黏度隨著金屬微粒的添加而增高。 製備組合物時，黏土須接受高切變應力而使黏土小片 離層。有若干手段可用於提供高切變應力。例如包括膠體 磨機及均化器。 D.選擇性成分 選擇性成分包括羧酸皂，分散劑，防蝕劑，潤滑劑， 極壓抗磨耗添加劑，抗氧化劑，觸變劑及習知懸浮劑。緣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） •‘ ^ Μ------------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4. 505931 A7 .-____ B7 I五、發明說明（6 )

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I j 酸皂包括油酸亞鐵，環烷酸亞鐵，硬脂酸亞鐵，鋁二-及 丨丨 三-硬脂酸鹽，硬脂酸鋰，硬脂酸鈣，硬脂酸鋅及硬脂酸 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 鈉’以及界面活性劑例如磧酸醋類，璘酸自旨類，硬脂酸， | 甘油一油酸酯，聚山梨糖醇倍半油酸酯，月桂酸酯類，脂 ! 肪酸類’脂肪醇類’含氟脂族聚合物酯類以及鈦酸鹽，鋁 J 酸鹽及誥酸鹽偶合劑及其它界面活性劑。也包括聚伸烧基 '^ 二醇（亦即聚乙二醇）及部分酯化多元醇。適當觸變添加劑 年 例如揭示於美國專利第5,645,752號，其内容併述於此以 ! 供參考。觸變性添加劑包括氫鍵結觸變劑，聚合物改性金 * 屬氧化物或其混合物。 ! 適當防蝕劑述於美國專利第5,670,077號且包括亞硝 訂 j 酸鈉，硝'酸鈉，苯甲酸鈉，蝴砂，乙醇胺麟酸5旨及其混合 1 物。防蝕劑之存在量係占組合物之0.1至10%重量比。

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[ 適當觸變性添加劑例如揭示於美國專利第5,645,752 ! 號。 丨匕 IL包括磁流蠻性流艚組合物之裝豎 f ， ~ -- ! 此處所述磁流變性流體組合物可用於多種裝置，包括 [ 煞車，活塞，離合器，阻尼器，運動器材，可控制複合結 ! 構及結構元件。包括磁流變性流體之阻尼器例如揭示於美

I ； 國專利第5,390，121及5,277,281號，其内容併述於此以供 1 參考。採用磁流變性流體變更阻尼運動之裝置包括下列元 I 件：

I ! a) —殼體容納一定容積的磁流變性流體； 靈 [ b)一活塞適合於含流體殼體内部移動，此處活塞為鐵

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7 ) 金屬製造，其中結合多個N導線繞線，用以界定一線圈其 產生磁通量於活塞内部及活塞周圍，以及 c)關聯殼體及/或活塞的閥裝置用以控制磁流變性流 體的移動。 美國專利第5,816,587號，其内容併述於此以供參考 ，揭示一種可變剛性之懸吊軸襯，該軸襯可用於機動車輛 的懸吊來減少煞車抖動。軸襯包括一主軸或桿連結至懸吊 構件，一内部汽缸固定式連結至主軸或桿，及一外汽缸固 定式連結至底盤構件。此處揭示的磁流變性流體可置於内 汽缸與外汽虹間，以及一線圈設置於内汽缸周圍。當線圈 藉電流（例如懸吊控制模阻供給電流）激勵時，產生可變磁 %因而景> 響磁流變性流體。流體的可變剛性值對軸襯提供 可變的剛性特性。 此處所述磁流變性流體的流動可使用例如美國專利第 5,353,839號揭示的閥控制，該案内容併述於此以供參考 。閥内部之磁流變性流體的機械性質可藉外加磁場改變。 閥包括磁導體，有一磁心罩住感應線圈繞線，及一液壓通 道位於磁心外侧而磁導體内側連結至流體入口及流體出口 ’其中磁流變性流體流入口流經液壓管線至出口。採用磁 流變性閥的裝置也述於‘839專利案。 可製備可控制的複合結構或結構元件例如Weiss等人 之美國專利第5,547,049號所述，其内容併述於此以供參 考。此等複合結構或結構元件包圍磁流變性流體作為一結 構組件介於兩相對容納層間而形成多種延伸機械系統之至 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） 10 ----------re--裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505931 A7 B7 訂---------_ 五、發明說明（8 ) 少一部分，例如板、嵌板'樑及桿或包括此等元件之結構 。結構或結構元件的剛性及阻尼性質之控制可經由變更外 加磁場而改變磁流變性流體之切變及壓縮/拉張模量完成 。本發明之複合結構可結合於多種機械系統用於控制擺動 及其它性質。撓性結構元件可呈樑、嵌板、桿或板形式。 III·磁流.性流體組合物之缴法 組合物可經由添加膨潤土或水輝石至水性載劑流體同 時授拌以及選擇性加入防姓劑製備。當膨潤土或水輝石分 散時以及結構開始建立時，可加入磁性粒子且擾拌混合物 直至分散。 任一種選擇性成分皆可於任何製程階段添加。產物黏 度恆定（約攪拌3 0分鐘後）指示黏土完全分散及活化。 參照下列非限制性實例將更為瞭解本發明。 組合物包括400克羰基鐵（R2430得自Isp公司），100克 水’ 3克拉彭耐（RD)及2 · 5克硝酸鈉（約34%鐵容積比），其 製法係首先透過高速攪拌分散拉彭耐於水，以撥拌加入亞 確酸鈉，及最終以攪拌加入羰基鐵直到分散為止。另一種 組合物係使用400克羰基鐵，100克水，3克拉彭耐（RDS) 及5克亞硝酸納製備。第三組合物係使用4〇〇克幾基鐵，1 〇Q 克水，2克拉彭耐（RD)及5克亞硝酸鈉製備。此等組合物 顯示絕佳安定性以及含3 4 %容積比鐵之組合物之相對低黏 度。 第四比較性組合物係使用400克羰基鐵，1 〇〇克水，3 克美國活性白土（迷你U膠（min-U-Gel)得自佛羅瑞丹 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 11 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 言·- 505931 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9 ) (Floridan)公司）及2.5克亞硝酸鈉。此種組合物顯示快速沉 降及極少凝膠結構。 ------ΤΙ.Γ—'··裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第89113258號專利申«申請專利範圍修正本91年7月15日 L 一種磁流變性流體材料’包含-種水性載劑流體，磁性 響應拉子具有平均直徑〇.1〇至1〇〇〇微米及至少— 自膨潤土及水輝石之添加劑。 ' 2·如申請專利範圍第1項之材料，進-步包含占水性載劑 3流體之容積比為0·1至5%容積比之水可溶混有機溶劑。 J•如申請專利範圍第1項之铋扭廿山 、之材科，其中磁性響應粒子係選 自鐵’鐵合金’鐵氧化物’鐵氮化物，鐵碳化物，幾基 鐵，鎳，銘，二氧化鉻，不鱗鋼及石夕鋼。 4.如申請專利範圍第1項之材料，其中添加劑包含合成水 輝石。 其中磁性響應粒子含量 其中水性載劑流體含量 其中添加劑含量係占組 5·如申請專利範圍第丨項之材料 係占組合物之50至90%重量比 6·如申請專利範圍第1項之材料 係占組合物之1〇至5〇%重量比 •如申凊專利範圍第1項之材料 合物之0.1至10%重量比。 其中添加劑包含合成水 其中磁性響應粒子具有 8·如申請專利範圍第7項之材料^ 輝石。 9·如申請專利範圍第i項之材料， 平均直徑大於1·〇微米。 種磁流變性流體’其包含1G錢重量％的水作為載齊 50至90重置〇/〇之具有平均直徑大於i ·〇微米的磁性響 應粒子，以及其中所有其他成分皆為無機成分。θ 本 紙張尺度適财國國家標準（⑽) A4規格（210X297公釐）