TWI254949B - Stable magnetorheological fluids - Google Patents

Description

1254949 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明領域 本發明係針對當暴露於磁場時流動阻力實質上增高的 流體材料。 發明背景 # 磁流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。 訂---------_ 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V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。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 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10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（ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4

五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1254949 土所具有的軟㈣積„。本發明之流體典型於低於_ 秒'之切變率被切變稀薄’典型於切變稀薄之後於少於5 分鐘時間内回復其結構。 發明之詳細說明 組合物形成觸變性網路，其可有效使粒子沉降減至最 低，同％也可於粒子沉降後降低重新懸浮粒子所需的切變 力此處所述組合物具有相對低黏度，不會硬性沉降，比 習知磁流變性流體包括含有習知抗沉降劑如二氧化矽或矽 石的流體更容易再度分散。 觸變性網路為膠體或磁活性粒子懸浮液，其於低切變 速率呤形成稀鬆的網路或結構（例如簇狀物或絮凝物卜三 度空間結構支持粒子因而使粒子的沉降減至最低。當切變 力外加至材料時，結構崩潰或分散。當移開切變力時結構 再度形成。 組合物典型具有比比較性流體低至少10%澱積物硬度 ，比較性流體包括矽石而非疏水性有機黏土，此種測試包 括於兩週時間重複加熱及冷卻週期。組合物造成裝置的磨 耗也比比Ιχ性流體至少低1 Q%，比較性流體包含石夕石而非 疏水性有機黏土。 遂_流變性漭體細厶物 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，鎳，釩 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮）

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五、發明說明（ 鉬 猛及/或銅）’鐵氧化物（包括三氧化 四氧化二鐵），鐵氮化物， ，一 ^ 初鐵奴化物，羰基鐵，鎳，鈷 一氧化鉻’不銹鋼及矽鋼。 適田粒子例如包括直鐵粉， "^ 鐵氧化物粉/直鐵粉混合物及 鐵粉混合物。較佳磁性響應粒子為 基鐵。 鐵 鐵氧化物粉/還原 羰基鐵，且更佳還原羰

經t部.i曰慧財產局員工消費合作社印製 ,大小較佳騎為當接受磁場時具有㈣域特徵 ^則轉應粒子之平均粒子直徑通常為G.1至1〇( ^米’ f佳約〇」至500微米，及更佳社〇至H)微米幻 佺存在量係占總組合物之約5至5〇%容積比。 B•載劑流體 麟載劑流體可為任—種有機流體，較佳為非極性有機2 ^包括例如由業界人士先前用於製備磁流變性流體之| 劑流體。載劑流體形成磁流變性流體的連續相。流體之5 例包括聚矽氧油類，礦油類，石蠟油類，聚矽氧共聚物， 白油類，液壓油類，變壓器油類，鹵化有機液體（例如襄 化烴類，_化石蠟，全氟化聚醚及氟化烴類），二酯類， 聚氧伸烷基類，氟化聚矽氧類，氰基烷基矽氧烷類，二g 類及合成烴油類（包括未飽和及飽和二者）。此等流體混^ 物可用作為磁流變性流體的載劑成分。較佳載劑流體為与 揮發性、非極性且不含任何有意義量的水。較佳載劑流骨 為合成烴油類，特別藉催化二聚合反應以及寡聚合反應$ 用三鋁烷基化合物作為催化劑而由含8至20個碳原子之g 么子量α稀煙衍生而得的油類。以聚α稀烴為特佳載劑$ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 1254949 A7 五、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（5 ) SbA 體。 載劑成分黏度於室溫較佳為1至100,000厘泊centip〇ise) ’更佳1至10,000厘泊及最佳1至1，000厘泊。 c_有機黏土 疏水性有機黏土用於此處所述流體組合物作為抗沉降 劑、增稠劑及流變學改性劑。疏水性有機黏土可提高此處 所述磁流變性流體組合物的黏度及降伏應力。有機黏土典 型之存在濃度占總組合物重量為約〇1至6 5且較佳^至^% 重量比。 i 0 一旦磁性響應粒子沉降出，則疏水性有機黏土提供軟 性澱積物。軟性澱積物容易再度分散。適當黏土具有熱、 機械及化學安定性且具有硬度低於習用抗沉降劑例如石夕石 或-氧化石夕的硬度。此處所述本發明之組合物較佳於低於 乂之切交迷率下切變稀薄，而切變稀薄之後於少於5 分鐘以内回復其結構。 ' ‘適用於此處所述磁流變性流體組合物之有機黏土典型 係何生自膨潤土。膨潤土具有觸變性質及切變稀薄的性 ’亦即形成網路’此網路容易受外加切變力摧毁，而告 變力移開時重新形成網路。用於此二 料使用有機材料處理而製造有機黏土。_土 '綠土 偶爾互換使用。但用於此處「膨潤土」表示一㈣占 ，、包括綠土、蒙脫土及水輝石黏土。蒙脫 潤土之大部分。蒙 /、i、.且成％ 豕脫土為矽酸鋁。水輝石黏土為矽酸鎂 黏土使用有機材料改性藉由習知方法（典型為陽離 質 切 土 及 子 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項

1%IT I 訂 本紙張尺^ 公爱） 1254949

五、發明說明（6 交換反應）以有機表面陽離子置換無機表面陽離子。適當 錢改性劑例如包括胺類，㈣s旨類，鳞或㈣鹽類，或 卞基或其它有機基。胺類例如可為第四級胺類或芳香胺類 〇 相心有機黏土本身於有機溶液經由黏土於水溶液之類 似機轉自料向。但二者間有基本差異。例如油類無法如

經濟部.智慧財產局員工消費合作社印製 同X /合液I將％荷作良好溶劑結合。有機黏土的膠凝性質 大半依據有機部分對基底油的親和力決定。其它重要性質 為分散程传子交互作用。錢就係由切變 左1度及持續時間控制且偶爾係使用極性活化劑控制。粒 子/粒子又互作用大半係由黏土表面的有機部分控制。 市售有機黏土包括例如得自南方黏土成品公司之克萊 佟（Claytone) AF以及得自理歐克斯（rhe〇x)公司之班佟 (Bentone)，巴拉吉（Baragel)及理光（Nyk族系有機黏土 。其它適當黏土包括Cody等人之美國專利第5,634,969號 揭示者，其内容併述於此以供參考。較佳有機黏土為巴拉 吉10。 站土典型係呈附聚的小片堆疊形式。當有足夠機械及 /或化學能外加至堆疊時堆疊離層。當含有機黏土的流體 溫度釋放時離層更快速發生。 某些有機黏土被稱作自行活化有機黏土，表示無需極 性活化劑來達成有機黏土小片的完全分散。另有些黏土並 非自行活化，選擇性包括存在有極性活化劑例如極性有機 溶劑來達成適當離層。極性活化劑的功能係於二小片黏土 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 9 1254949

五、發明說明（7 ) 間使黏土脹大分開發揮功能。如此減小其間的吸引力因而 降低將其撕開需要的切變力。 適當極性活化劑包括丙網，甲醇，乙醇，碳酸伸丙§旨 及前述水溶液。活化劑無須可溶於載劑流體。但極性添加 劑量須小心選擇。添加劑過多可能降低所得膠凝強度。添 加劑過少，小片保持緊密結合於堆疊而無法離層。典型地 極(±活化剌里係占黏土之約1G至8G且較们〇至6㈣重 量比。但黏土對極性活化劑之理想比例隨各種黏土及各種 極性活化劑而異，同時也隨各種黏土/載劑流體組合而異 〇 業界人士方便決定適量極性活化劑。例如可添加活化 劑及授拌混合物歷約！分鐘同時監視黏度。若活化劑不足 則無法達成最高黏度，原因在於黏土將被活化而完全分散 。加入活化劑至到達最高黏度為止，此時黏土將被活化而 完全分散。 製備組合物時，需要讓有機黏土接受高切變應力而離 層有機黏土小片。有數種手段可提供高切變應力。例如包 括膠體磨機及均化器。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 較佳有機黏土與載劑流體含或未含極性活化劑的組合 形成凝膠，其具有比單獨載劑流體更高的黏度及更高的; 伏應力。 D·選擇性成分 選擇性成分包括_ ’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。羧 本紙張尺財關家標準（CNS)A4規格（21G X 297公釐j------- 10 Ϊ254949

五、發明說明（8 )

經濟部.i曰慧財產局員工消費合作社印製 酸皂包括油酸亞鐵，環烷酸亞鐵，硬脂酸亞鐵，鋁二-及 二-硬脂酸鹽，硬j旨麓鋰，硬脂酸鈣，硬脂酸鋅及硬脂酸 鈉；以及界面活性劑例如磺酸酯類，磷酸酯類，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 酉文鹽及鍅酸鹽偶合劑及其它界面活性劑。也包括聚伸烷基 一醇（亦即聚乙二醇）及部分酯化多元醇。考當觸變添加劑 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。觸受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。 11^包括磁流變性流體組合物之奘置 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 國專利第5,390，121及5,277,281號，其内容併述於此以供 參考。採用磁流變性流體變更阻尼運動之裝置包括下列元 件： a) —殼體容納一定容積的磁流變性流體； b) —活塞適合於含流體殼體内部移動，此處活塞為 鐵金屬製造，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 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^--------t---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 11 1254949 A7 五、發明說明（9 ) ，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 疋式連、、、σ至底盤構件。此處揭示的磁流變性流體可置於内 Α缸與外汽缸間，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 場因而影響磁流變性流體。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 迢位於磁心外側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 之美國專利第5,547,〇49號所述，其内容併述於此以供 考。此等複合結構或結構元件包圍磁流變性流體作為一 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 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％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。 本紙張尺度_中國國家標準（CNS)A4規；fi721G X 297公釐）_ (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) -------訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 人 參 結 12 1254949 A7 B7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（w III.磁流變物之製法 本發明之流體可藉多種習知混合方法製造。若黏土無 法自仃活化，則可添加活化劑輔助分散黏土。較佳活化劑 包括碳酸伸丙酯，曱醇，丙酮及水。最大產物黏度指示黏 土完全分散及活化。沉降穩定性的提升可使用沉降測試評 估。一具體實施例中，黏土混合載劑流體及極性活化劑而 於添加磁性響應粒子之前形成預凝膠。 IV·評估磁流變性洎體組合物之方法 組a物沉降於底部的硬度可使用萬用測試機（其推拉 板針且測I負載）英斯川（Instr〇n)試驗機測量，其中附著 於換能為的探針被推進澱積餅内且測量阻力。此外可進行 再度分散測試，此處混合物再度接受攪動，藉目測檢視或 硬度測試測量組合物形成均勻分散液的能力。 參照下列非限制性實例將更為瞭解本發明。 實例 磁流變性流體係經由將下列成分以表丨所示重量百分 比混合製備：羰基鐵粒子（R2430得自ISP公司）；聚α烯烴 (ΡΑΟ)油載劑流體（杜勒辛（DurAsyn) 162及164得自安柏 瑪爾（Albermade)公司提供）；0鉬化合构（莫利文 (MOLYVAN) 855得自文得碧爾（Vanderbih)公司）；磷酸鹽 添加劑（文盧比（VANLUBE)9123得自文得碧_公司）；黏 土添加劑；及硬脂酸鋰。黏土添加劑如下：精尼膠（genie GEL)油脂體（蒙脫土），精尼膠22(親水蒙脫土）及精尼膠 GLS(蒙脫土）全部得自陶（T0W)工業公司；克 久 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 13 1254949 A7

(CL ΑΥ·Ε) APA(蒙脫土）Μ心EM(蒙脫土）得自南方 黏土產品公司；阿塔吉（ATTAGEL) 5〇(礦物）得自安士< (Englehard);巴拉吉1〇(膨潤土）得自理歐克斯公司.H 歐盧比（RHEOLUBE) 737(油脂體含有$ α烴油類及有機點 土）。 ' …爾現係以兩週測試中測量。約·毫升产 體倒入罐中’然後置於罐内於7()以箱接受熱週期經歷料 小時。然後罐置於-2〇r的冷凍機2小時，7〇t烘箱4小 ’ -20°c冷凍機2小時及最終7(rc烘箱16小時。 時的週期集合再重複四次。然後於7〇t老化64小時且又重 複2/4/2/16小時週期四次。最終週期為2/4/2小時週期以。。 隐2代。熱週期後之崎硬度係藉機械張力/壓縮測試 機使用ίο牛頓負載單元測量。長140亳米直徑12 5亳米的 探針附著於負載單元。探針於一端機制成為錐形，錐高度 12.5毫米。梢端以25度角平坦化成為直徑12亳米。經 時 由 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 將探針以50毫米/分鐘速率降至流體㈣衫深度進行測 試。報告硬度值為距罐壁約2G毫米呈輻射狀對稱的不同位 置測量。硬度值愈高，則愈難以再度分散流體。

14 1254949 A7 B7 五、發明說明（12)

表I 磁流變性流體之配方

實例 R243 0 杜勒辛 162 杜勒辛 164 莫利文 855 添加劑 黏土 硬脂酸鹽 1 78.93 18.79 0.7885 0.5616 丙酮 0.9339精尼膠油脂 2 79.7 18.34 0.7962 0.2674 丙酮 0.8908克萊佟APA 3 76.92 18.39 0.7983 0.8932 克萊佟APA 比較例） 79.58 18.32 0.795 1.308精尼膠22， 5 79.87 18.38 0.7979 0.9541精尼膠GLS 6(比較例） 79.64 18.33 0.7956 1.2354阿塔吉50 7 79.92 18.39 0.7983 0.8932克萊佟EM 8 79.90 18.39 0.7982 0.9137巴拉吉10 9(比較例） 79.99 18.41 0.7990 0.8043 巴拉吉 3000 1〇(比較例） 81.89 11.20 0 0.4095 0.8189 文盧比 9123 無 5.6801 11(比較例） 81.92 10.29 0.4096 0.8193 文盧比 9123 2.9811理歐盧比737 3.5883 12 82.41 10.01 0.4121 0.8242 文盧比 9123 4.4729理歐盧比737 1.8744 13 81.62 9.60 0.4081 0.8163 文盧比 9123 6.3652理歐盧比737 1.1916 14 81.55 9.18 0.4078 0.8156 文盧比 9123 8.05理歐盧比737 0 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) >0 丨線· 經濟部i曰慧財產局員工消費合作社印製 前述配方之物理性質測量且列舉於下表II。 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1254949 A7 B7 五、發明說明（13)

表II 實例編號 2週測試澱積物硬 0.7 1.0 0.9 4(比較例） 沉降硬度（大於10) 5 6(比較例） 2.6 6~ 2 7 8 9(比較例） 10(比較例） 11 (比較例） 12 13 0.9 14 1.2 殿積物硬度大於3.0表示再度分散時無法接受的困難 。由表II結果顯然可知（1)並非全部黏土皆可提供可接受的 再度分散性（參考比較例4，6 ’ 9及11)以及（2)含括某些黏 土添加劑可改善比未含黏土（例如參考比較例丨〇)之流體改 良再度分散性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Μ 度 尺 張 紙 本

Claims (1)

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、申請專利範圍 第891 13257號專利申請案申請專利範圍修正本 91 Η 27 1· 一種磁流變性材料，包含一種載劑流體；磁性響應粒 子，該粒子具有平均直徑〇·1〇至1000微米；以及一種 何生自膨潤土之疏水有機黏土，其中該磁流變性材料 具有一硬度值小於3.0牛頓的澱積層。 2·如申請專利範圍第1項之材料，其中該載劑流體包含 一種合成烴油。 3·如申請專利範圍第1項之材料，其中該可磁化粒子係 選自由鐵、鐵合金、鐵氧化物、鐵氮化物、鐵碳化物 、羰基鐵、鎳、鈷、二氧化鉻、不銹鋼及矽鋼組成的 組群中之至少一者。 4. 如申請專利範圍第1項之材料，其中黏土係衍生自蒙 脫土。 5. 如申凊專利範圍第1項之材料，進一步包含一種極性 活化劑來辅助有機黏土的分散。 6·如申請專利範圍第1項之材料，其中有機黏土之存在 量基於總組合物重量為0.1至6.5%重量比。 7·如申請專利範圍第1項之材料，其中該載劑流體為一 種非極性有機液體。 8·如申請專利範圍第7項之材料，其中有機黏土之存在 量係占組合物之液體形式及載劑流體包含合成烴油之 重量之0.1至6.5%重量比。 9· 如申請專利範圍第1項之材料，其中磁性響應粒子具 有平均粒徑大於1.0微米。 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS) Α4規格（210X297公釐）