WO2006024456A2 - Magnetorheologische materialien mit magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen zusätzen und deren verwendung - Google Patents

Magnetorheologische materialien mit magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen zusätzen und deren verwendung Download PDF

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WO2006024456A2
WO2006024456A2 PCT/EP2005/009194 EP2005009194W WO2006024456A2 WO 2006024456 A2 WO2006024456 A2 WO 2006024456A2 EP 2005009194 W EP2005009194 W EP 2005009194W WO 2006024456 A2 WO2006024456 A2 WO 2006024456A2
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Holger Böse
Alexandra-Maria Trendler
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/44—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of magnetic liquids, e.g. ferrofluids
    • H01F1/447—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of magnetic liquids, e.g. ferrofluids characterised by magnetoviscosity, e.g. magnetorheological, magnetothixotropic, magnetodilatant liquids

Definitions

  • the present invention relates to magne ⁇ torheological materials with magnetic and non-magnetic inorganic additives, in particular magnetorheological fluids (MRF) with magnetic and non-magnetic inorganic additives, and their use.
  • MRF magnetorheological fluids
  • MRF are materials that change their flow behavior under the influence of an external magnetic field.
  • electrorheological fluids they usually consist of non-colloidal suspensions of particles which are polarizable in a magnetic or electric field in a carrier liquid which optionally contains further additives.
  • the basics of MRF and first devices for exploiting the x-magnetorheological effect date back to Jacob Rabinow in 1948 (Rabinow, J., Magnetic Fluid Clutch, National Bureau of Standards Technical News Bulletin 33 (4) 54-60, 1948; US Pat Tent 2,575,360). After initially causing a stir, interest in MRF initially faded to a renaissance in the mid-nineties (William, WA (Editor), Proceedings of the 5th International Conference on Electro-Rheological Fluids).
  • Magneto-Rheological Suspensions and Associated Technology (1st), Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: World Scientific Publishing, 1996). Meanwhile, numerous magnetorheological fluids and systems are commercially available such. MRF brakes and various vibration and shock absorbers (Mark R. Jolly, Jonathan W. Bender, and J. David Carlson, Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids, SPIE 5th Annual Int Sympo- sium on Smart Structures and Materials, San Diego, CA, March 15, 1998). Some special properties of MRF and their influenceability are described below.
  • MRF are usually non-colloidal suspensions of magnetizable particles of about one micron to one millimeter in size in a carrier liquid.
  • the MRF can also contain additives, such as, for example, B. Dispergiertoskar and thickening additives contain.
  • the particles are ideally homogeneous and distributed isotropically, so that the MRF has a low basic viscosity in the magnet-free space.
  • the magnetisable particles arrange themselves in ketones. tenartigen structures parallel to the magnetic field lines.
  • the fluidity of the suspension is limited, which manifests itself macroscopically as an increase in viscosity.
  • the viscosity increases monotonically with the applied magnetic field strength.
  • the changes in the flow behavior of the MRF depend on the concentration and type of magnetizable particles, their shape, size and size distribution; but also on the properties of the carrier liquid, the additional additives, the applied field, the temperature and other factors.
  • the mutual interactions of all these parameters are extremely complex, so that individual improvements of an MRF with respect to a specific target variable have always been the subject of investigations and optimization efforts.
  • One focus of research is the development of MRF with a low propensity for sedimentation.
  • MRFs tend to segregate due to the different masses of their constituents in gravitational and centrifugal fields, ie, previously homogeneous mixed phases separate into a pure liquid phase and a sediment-rich sediment over time. This effect is undesirable since it primarily concerns the magnetizable particles and thus impairs the functioning of the MRF and the systems constructed therewith.
  • a development goal is therefore the provision of MRF with the lowest possible sedimentation tendency.
  • Another aim, which is directly related to this, is the simplest possible redispersibility. Since sedimentation can never be completely ruled out, it is intended that the segregated MRF at least be such that you can easily, ie with minimal effort, again converted into a homogeneous mixture. Furthermore, it is desirable for the materials to have the lowest possible base viscosity without an external magnetic field.
  • MRFs usually contain additives for stabilizing the magnetisable particles in relation to sedimentation.
  • various organic additives are known.
  • inorganic additives for stabilizing the MRF are also mentioned. These include oxidic particles such as silicon dioxide, in particular as nanoparticles in the form of fumed silica, and also phyllosilicates, in some cases organically modified.
  • No. 5,985,168 describes the stabilization of the magnetizable particles in the MRF by a combination of small particles, in particular silicon dioxide, and a bridging polymer. Both together form a gel that envelops the magnetizable particles as a layer.
  • US Pat. No. 6,592,772 B2 shows an MRF whose carrier liquid consists of various components and in which different organically modified sheet silicates, so-called “organoclays" are contained for stabilizing the magnetizable particles, each of which has the specific properties of the components of the carrier liquid are coordinated.
  • colloidal metal oxides such as, for example, for stabilizing the MRF.
  • fumed silica which has been rendered hydrophobic by surface modification, as well as hydrophilic silicone oligomers and copolymeric organosilicon oligomers.
  • US Pat. No. 6,203,717 B1 describes an MRF which contains a hydrophobic organoclay for stabilizing the magnetizable particles, which is obtained from bentonite. In the MRF, a low hardness of the se ⁇ dimentes is found.
  • No. 6,132,633 describes a water-based MRF as a carrier liquid using bentonites and hectorites.
  • EP 1 283 530 A2 and EP 1 283 531 A2 disclose the use of pyrogenic silica for stabilizing an MRF having a bimodal particle size distribution based on a hydrocarbon-based carrier liquid, in the latter patent with the addition of a molybdenum-amine complex. Also in WO 03/021611 pyrogenic silica is used.
  • WO 93/21644 A1 describes the composition of an MRF which, in addition to the magnetizable soft magnetic particles, also contains hard magnetic particles, preferably iron oxide or chromium dioxide with particle sizes between 0.1 and 1 ⁇ m.
  • the hard magnetic particles are adsorbed on the surface of the soft magnetic particles.
  • magnetorheological materials in particular MRF, which are a combination of magnetic and non-magnetic inorganic materials and / or composite particles thereof.
  • the combination of magnetic and non-magnetic inorganic materials in the sense of the invention is understood as meaning all magnetic and non-magnetic inorganic materials which interact with one another. It may be interactions such as e.g. van der Waals have interactions or electromagnetic interactions, which can lead to a cladding of the core.
  • nonmagnetic inorganic materials in particular those of anisometric particles, such as platelets or rods, are preferred. Examples of these are platelet-shaped phyllosilicates, such as, for example, Mica.
  • the magnetic materials may be any of the magnetic materials known from the prior art, in particular in the form of inorganic particles. An example of this is magnetite.
  • the average particle size of the non-magnetic materials may be between 0.001 and 1000 ⁇ m, preferably between 0.01 and 200 ⁇ m.
  • the volume ratio of the magnetic and non-magnetic materials to one another is between 1:99 and 99: 1, preferably 10:90 and 90:10.
  • Composite particles within the meaning of the invention are discrete particles which consist of both magnetic and nonmagnetic materials.
  • a further advantageous embodiment of the magnetorheological materials according to the invention provides that the inorganic particles are at least partially organically modified.
  • a magnetorheological carrier material with such additives of magnetic and non-magnetic inorganic materials has a very high stability compared to the sedimentation of the magnetizable particles and at the same time a particularly low base viscosity.
  • an extremely easy redispersibility is observed. This manifests itself in the fact that the sediment formed after a long time with a stirring tool with the application of only a small amount of force again in the carrier medium, for example. can be distributed in the liquid phase of the MRF.
  • the sediment usually has a firmer consistency and thus requires a higher expenditure of force for redispersing the magnetisable particles.
  • a slight redispersibility offers a great advantage for the technical application, since the magnetorheological materials can be more easily homogenized again in the case of use after a prolonged operation-free state. Otherwise, their performance would be limited by property changes.
  • a further advantage of the materials according to the invention which comprise the additives according to the invention is that the use of inorganic additives results in a substantial insensitivity to temperature fluctuations.
  • At- Organic additives have a higher temperature stability than the organic additives used in commercial materials.
  • a lower temperature dependence of the stabilizing effect of inorganic additives is to be expected in comparison with organic additives, since organic stabilizers of polymers can form temperature-variable structures in the carrier medium.
  • the surprisingly high stabilizing effect of the com ⁇ ponent particles compared to the sedimentation of the magnetisable particles in the materials according to the invention is attributed to the formation of particular structures in the carrier medium.
  • a possible Er ⁇ explanation is the formation of web-like connections between the magnetizable particles on the Kom ⁇ positpitate.
  • the composite particles thus create bridges between the magnetizable particles and keep them in suspension.
  • the attachment of the composite particles to the magnetizable particles is attributed to weak magnetic interactions of the magnetic shell of the composite particles due to low remanence. During the shearing of the materials according to the invention without a magnetic field, the weak bridges are broken up with relatively little force and can regress again after the end of the shearing. This means that the Bais sis viscosity is relatively low.
  • the magnetic inorganic particles at least partially envelop the nonmagnetic particles and in this way form "composite particles" of both species, which in turn are stable Build structures between the magnetizable particles.
  • the discrete composite particles are preferably produced by prior coating of the non-magnetic inorganic particles with magnetic material.
  • the coating can be produced by the attachment of smaller magnetic particles to larger nonmagnetic inorganic substrate particles.
  • the coating can also be formed by the separate addition of larger Vietnamesemagneti ⁇ 's inorganic particles and smaller Magneti ⁇ 's particles in the support medium, so that thereby composite particles formed.
  • a preferred form of the core is an anisometric mold such. As platelets or rods.
  • An example is formed by platy sheet silicates, such as e.g. Mica.
  • the smaller magnetic particles, e.g. Magnetites cover the surface of the non-magnetic inorganic particles.
  • a further advantageous embodiment of the magnetorheological materials according to the invention in relation to the composite particles provides that the average particle size of the composite particles is between 0.005 and 1000 ⁇ m, preferably between 0.01 ⁇ m and 200 ⁇ m. It has further been shown that it is favorable if the volume ratio of the magnetic and nonmagnetic inorganic components of the composite particle is between 1:99 and 99: 1, preferably between 10:90 and 90:10.
  • the magnetisable particles can be formed from soft magnetic particles according to the prior art. This means that the magnetizable particles particles both from the amount of soft magnetic metallic materials such as iron, cobalt, nickel (also in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel; magnetic steel; Iron-silicon can be selected as well as from the soft magnetic metallic materials such as iron, cobalt, nickel (also in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel; magnetic steel; Iron-silicon can be selected as well as from the soft magnetic metallic materials such as iron, cobalt, nickel (also in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel; magnetic steel; Iron-silicon can be selected as well as from the
  • ferrites such as MnZn, NiZn, NiCo, NiCuCo, NiMg, and , CuMg ferrites are used.
  • the magnetizable particles can also consist of iron carbide or iron nitride particles or of alloys of vanadium, tungsten, copper and manganese or of mixtures of the mentioned particle materials or of mixtures of different magnetizable types of solids.
  • the soft magnetic materials may also be present all or partially in contaminated form.
  • the carrier medium of the magnetorheological materials can be prepared from carrier liquids of the prior art such as water, mineral oils, synthetic oils such as polyalphaolefins, hydrocarbons, silicone oils, esters, polyethers, fluorinated polyethers, polyglycols, fluorinated hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, fluorinated Silicone, orga nisch modified silicones and copolymers thereof or consist of liquid mixtures.
  • carrier liquids of the prior art such as water, mineral oils, synthetic oils such as polyalphaolefins, hydrocarbons, silicone oils, esters, polyethers, fluorinated polyethers, polyglycols, fluorinated hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, fluorinated Silicone, orga nisch modified silicones and copolymers thereof or consist of liquid mixtures.
  • the carrier medium of the magnetorheological materials consists of fats or gels or of elastomers.
  • inventive magnetorheological materials of the invention further inorganic particles such as SiO 2 / TiO 2, iron oxides, silicates such.
  • inorganic particles such as SiO 2 / TiO 2, iron oxides, silicates such.
  • particulate additives such as graphite, perfluoroethylene or molybdenum compounds such as molybdenum disulfite and combinations thereof to the magnetorheological materials in order to reduce abrasion phenomena.
  • the magnetorheological materials further provide that the suspension for use for the surface treatment of workpieces has special abrasives and / or chemically etching additives, such as, for example, As alumina, cerium oxide, silicon carbide or diamond contains.
  • the proportion of magnetizable particles between 10 and 70 vol .-%, preferably between 20 and 60 vol .-%, is; the proportion of the carrier medium is between 20 and 90% by volume / preferably between 30 and 80% by volume, the total proportion of the combination of the magnetic and non-magnetic additives and / or of composite particles is between 0.1 and 20% by mass. , preferably between 0.2 and 15% by mass, and the proportion of non-magnetisable additives is between 0.001 and 20% by mass, preferably between 0.01 and 15% by mass (in each case based on the magnetizable solids).
  • the invention further relates to the use of the materials according to the invention.
  • magnetorheological materials according to the invention provides for their use in adaptive shock and vibration dampers, controllable brakes, clutches and in sports or exercise equipment. Special materials can also be used for the surface treatment of workpieces.
  • the magnetorheological materials can also be used to generate and / or display haptic information such as characters, computer-simulated objects, sensor signals or images, in haptic form, to simulate viscous, elastic and / or visco-elastic properties or the consistency distribution of an object, in particular Training and / or research purposes and / or used for medical applications.
  • haptic information such as characters, computer-simulated objects, sensor signals or images, in haptic form, to simulate viscous, elastic and / or visco-elastic properties or the consistency distribution of an object, in particular Training and / or research purposes and / or used for medical applications.
  • the sedimentation analysis was carried out in glass tubes (total height 160 mm, internal diameter 14.1 mm, wall thickness 0.8 mm) at 25 ° C.
  • the phase boundary between the sediment and the supernatant was recorded visually at defined time intervals. In doing so, following the height of the settled solid referred to the total height of the MRF sample referred to as "sediment height" [%].
  • the results are shown in Figure 1.
  • the two MRF 3 and MRF 4 according to the invention have an extremely low phase separation within the first observation days and then remain stable for 60 days without the sedimentation progressing. Even after 60 days, the sediment level is still> 97%.
  • the two comparative suspensions MRF 1 and MRF 2 sediment much more strongly according to the prior art and after only a few days only have sediment heights of about 73 and 90%, respectively.
  • the two MRF 3 and MRF 4 according to the invention provide significantly better results than the two comparative suspensions MRF 1 and MRF 2 both in terms of the sedimentation level and in terms of the redispersing behavior.
  • the two suspensions MRF 3 and MRF 4 according to the invention thus have an outstanding property profile which predestines them for use as magneto-rheological fluids.
  • the two MRF 3 and MRF 4 according to the invention have a significantly higher shear stress than the two magnetorheological fluids MRF 1 and MRF 2 according to the state of the art from a magnetic flux density of approximately 200 mT.
  • high shear stresses in the applied magnetic field are desirable because they cause an effective conversion of a magnetic excitation into a rheological change in the MRF.
  • the two MRF 3 and MRF 4 according to the invention have a further advantageous property for use as magneto-rheological fluids.
  • MRF 3 and MRF 4 follow a lower temperature dependence the two MRF according to the invention over the prior art, which can be evaluated as a further advantage ge.
  • inventive MRF 3 and MRF 4 with magnetic and non-magnetic inorganic additives compared to prior art magnetorheological fluids with respect to the property combination sedimentation stability, redispersibility, Basis ⁇ viscosity, shear stress in the magnetic field and Viskosi - Depend on temperature / temperature dependence key advantages.

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Abstract

Die Erfindung betrifft magnetorheologische Materialien aus mindestens einem nicht-magnetisierbaren Trägermedium und darin enthaltenen magnetisierbaren Partikeln, wobei zusätzlich eine Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Materialien und/oder Kompositpartikeln hiervon enthalten sind.

Description

Magnetorheologische Materialien mit magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Zusätzen und deren
Verwendung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magne¬ torheologische Materialien mit magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Zusätzen, insbesonde¬ re auf magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) mit magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Zu- Sätzen, sowie deren Verwendung.
MRF sind Materialien, die unter Einwirkung eines äu¬ ßeren Magnetfeldes ihr Fließverhalten ändern. Wie ih¬ re elektrorheologischen Analoga, die sogenannten elektrorheologischen Flüssigkeiten (ERF) bestehen sie in der Regel aus nicht-kolloidalen Suspensionen aus in einem magnetischen bzw. elektrischen Feld polari¬ sierbaren Teilchen in einer Trägerflüssigkeit, die gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe enthält. Die Grundlagen der MRF und erste Vorrichtungen zur Ausnutzung des xnagnetorheologischen Effekts gehen auf Jacob Rabinow im Jahr 1948 zurück (Rabinow, J., Magnetic Fluid Clutch, National Bureau of Standards Technical News Bulletin 33(4) 54-60, 1948; U.S. Pa¬ tent 2,575,360) . Nach anfänglich großem Aufsehen ebb¬ te das Interesse an MRF zunächst ab, um ab Mitte der neunziger Jahre eine Renaissance zu erleben (BuI- lough, W.A. (Editor) , Proceedings of the 5th Interna- tional Conference on Electro-Rheological Fluids,
Magneto-Rheological Suspensions and Associated Tech¬ nology (1.), Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: World Scientific Publishing, 1996) . Inzwischen sind zahlreiche magnetorheologische Flüssigkeiten und Systeme kommerziell erhältlich wie z. B. MRF-Bremsen sowie unterschiedliche Vibrations- und Stossdämpfer (Mark R. Jolly, Jonathan W. Bender, and J. David Carlson, Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids, SPIE 5th Annual Int Sympo- sium on Smart Structures and Materials, San Diego, CA, March 15, 1998) . Nachfolgend werden einige spe¬ zielle Eigenschaften von MRF und deren Beeinflussbar- keit beschrieben.
MRF sind meist nicht-kolloidale Suspensionen magneti- sierbarer Teilchen von ca. einem Mikrometer bis zu einem Millimeter Größe in einer Trägerflüssigkeit. Zur Stabilisierung der Partikel gegenüber Sedimenta¬ tion und zur Verbesserung der Anwendungseigenschaften kann die MRF außerdem Additive wie z. B. Disper- gierhilfsmittel und verdickend wirkende Zusatzstoffe enthalten. Ohne äußeres Magnetfeld sind die Partikel idealer Weise homogen und isotrop verteilt, so dass die MRF im magnetfreien Raum eine geringe Basisvisko- sität aufweist. Bei Anlegen eines äußeren Magnetfel¬ des ordnen sich die magnetisierbaren Teilchen in ket- tenartigen Strukturen parallel zu den magnetischen Feldlinien an. Dadurch wird das Fließvermögen der Suspension eingeschränkt, was sich makroskopisch als Viskositätsanstieg bemerkbar macht. Die Viskosität nimmt dabei in der Regel monoton mit der applizierten Magnetfeldstärke zu.
Die Änderungen im Fließverhalten der MRF hängen von der Konzentration und Art der magnetisierbaren Teil- chen ab, von ihrer Form, Größe und Größenverteilung; aber auch von den Eigenschaften der Trägerflüssig¬ keit, den zusätzlichen Additiven, dem angelegten Feld, der Temperatur und anderen Faktoren. Die gegen¬ seitigen Wechselbeziehungen all dieser Parameter sind äußerst komplex, so dass einzelne Verbesserungen ei¬ ner MRF im Hinblick auf eine spezielle Zielgröße im¬ mer wieder Gegenstand von Untersuchungen und Optimie¬ rungsbemühungen gewesen sind. Ein Forschungsschwer¬ punkt ist dabei die Entwicklung von MRF mit einer ge- ringen Neigung zur Sedimentation.
Wie alle Suspensionen neigen auch MRF auf Grund der unterschiedlichen Massen ihrer Bestandteile in Gravi- tations- und Zentrifugalfeldern zur Entmischung, d.h., vormals homogene Mischphasen trennen sich mit der Zeit in eine reine Flüssigphase und in einen feststoffreichen Bodensatz auf. Dieser Effekt ist un¬ erwünscht, da er vorrangig die magnetisierbaren Teil¬ chen betrifft und somit die Funktionsweise der MRF und der damit aufgebauten Systeme beeinträchtigt. Ein Entwicklungsziel ist daher die Bereitstellung von MRF mit möglichst geringer Sedimentationsneigung. Ein weiteres Ziel, das damit in unmittelbarem Zusammen¬ hang steht, ist eine möglichst einfache Redispergier- barkeit. Da sich nämlich die Sedimentation nie voll¬ ständig ausschließen lässt, sollen die entmischten MRF zumindest so beschaffen sein, dass man sie leicht, d.h. unter minimalen Kraftaufwand, wieder in eine homogene Mischung überführen kann. Desweiteren ist wünschenswert, dass die Materialien ohne externes Magnetfeld eine möglichst geringe Basisviskosität be¬ sitzen.
Nach dem Stand der Technik enthalten MRF zur Stabili¬ sierung der magnetisierbaren Partikel gegenüber Sedi- mentation meist Zusatzstoffe. Hierfür sind diverse organische Additive bekannt. Daneben werden auch an¬ organische Zusatzstoffe zur Stabilisierung der MRF genannt. Hierzu zählen oxidische Partikel wie Silici- umdioxid, insbesondere als Nanopartikel in Form von pyrogener Kieselsäure, sowie Schichtsilicate, in ei¬ nigen Fällen organisch modifiziert.
US 5,985,168 beschreibt die Stabilisierung der magne¬ tisierbaren Partikel in der MRF durch eine Kombinati- on aus kleinen Partikeln, insbesondere Siliciumdio- xid, und einem verbrückenden Polymer. Beides zusammen bildet ein Gel, das die magnetisierbaren Partikel als Schicht umhüllt.
In US 6,592,772 B2 wird eine MRF dargestellt, deren Trägerflüssigkeit aus verschiedenen Komponenten be¬ steht und in der zur Stabilisierung der magnetisier¬ baren Partikel unterschiedlich organisch modifizierte Schichtsilicate, so genannte "Organoclays" enthalten sind, die jeweils auf die spezifischen Eigenschaften der Komponenten der Trägerflüssigkeit abgestimmt sind.
In US 6,451,219 Bl und US 6,599,439 B2 wird zur Sta- bilisierung der magnetisierbaren Partikel in der MRF unmodifizierte pyrogene Kieselsäure mit hoher spezi- fischer Oberfläche verwendet. Optional kann ein etho- xyliertes Amin zugesetzt werden.
US 5,645,752 nennt zur Stabilisierung der MRF kolloi- dale Metalloxide, wie z. B. pyrogene Kieselsäure, die durch Oberflächenmodifizierung hydrophobiert wurde, sowie hydrophile Siliconoligomere und copolymere Or- ganosiliconoligomere.
In US 6,203,717 Bl wird eine MRF beschrieben, die zur Stabilisierung der magnetisierbaren Partikel ein hyd¬ rophobes Organoclay enthält, das aus Bentonit gewon¬ nen wird. Bei der MRF wird eine geringe Härte des Se¬ dimentes festgestellt.
US 6,132,633 beschreibt eine MRF auf der Basis von Wasser als Trägerflüssigkeit unter Verwendung von Bentoniten und Hektoriten.
In EP 1 283 530 A2 und EP 1 283 531 A2 wird der Ein¬ satz von pyrogener Kieselsäure zur Stabilisierung ei¬ ner MRF mit bimodaler Partikelgrößenverteilung auf der Basis einer kohlenwasserstoffbasierten Träger¬ flüssigkeit angegeben, in letzterer Patentschrift un- ter Zugabe eines Molybdän-Amin-Komplexes. Auch in WO 03/021611 wird pyrogene Kieselsäure verwendet.
In WO 93/21644 Al wird die Zusammensetzung einer MRF beschrieben, die zusätzlich zu den magnetisierbaren weichmagnetischen Partikeln auch hartmagnetische Par¬ tikel, vorzugsweise Eisenoxid oder Chromdioxid mit Partikelgrößen zwischen 0,1 und 1 um, enthält. Die hartmagnetischen Partikel sind auf der Oberfläche der weichmagnetischen Teilchen adsorbiert. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Stand der Technik eine Vielzahl einzelner Detaillösungen anbietet, spezielle Stoff- und Betriebsparameter von magnetorheologischen Materialien, insbesondere MRF, zu verbessern, jedoch eine Gesamtlösung hinsichtlich Entmischung, Redispergierbarkeit, Basisviskosität und Temperaturstabilität noch aussteht.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung neue magnetorheologische Materialien, ins¬ besondere MRF, vorzuschlagen, die speziell die fünf nachfolgenden Anforderungen simultan erfüllen:
- hohe Stabilität gegen Entmischung,
- leichte Redispergierbarkeit,
- geringe Basisviskosität im magnetfreien Raum,
- hohe Schubspannung im Magnetfeld,
- hohe Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil¬ dungen derartig hergestellter magnetorheologischer Materialien, insbesondere MRF, werden in den abhängi¬ gen Ansprüchen beschrieben. Desweiteren geben die Pa¬ tentansprüche 23 bis 25 Verwendungsmöglichkeiten der- artig hergestellter magnetorheologischer Materialien an.
Erfindungsgemäß werden somit magnetorheologische Ma¬ terialien, insbesondere MRF, vorgeschlagen, die eine Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Materialien und/oder Kompositpartikel hiervon enthalten.
Als Kombination von magnetischen und nichtmagneti- sehen anorganischen Materialien im Sinne der Erfin¬ dung werden alle magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Materialien verstanden, die in einer Wechselbeziehung stehen. Es kann sich hierbei um Wechselwirkungen , wie z.B. van der Waals Wechselwir- kungen oder elektromagnetische Wechselwirkungen, han¬ deln, die bis zu einer Umhüllung des Kerns führen können.
Bei den nichtmagnetischen anorganischen Materialien sind insbesondere solche aus anisometrischen Parti¬ keln, wie Plättchen oder Stäbchen, bevorzugt. Bei¬ spiele hierfür sind plättchenförmige Schichtsilicate, wie z.B. Glimmer. Bei den magnetischen Materialien kommen alle aus dem Stand der Technik bekannten mag- netischen Materialien, insbesondere in Form von anor¬ ganischen Partikeln in Frage. Ein Beispiel hierfür ist Magnetit. Die mittlere Teilchengröße der nicht¬ magnetischen Materialien kann zwischen 0, 005 und 1000 μm, bevorzugt zwischen 0,01 und 200 μm liegen. Das Volumenverhältnis der magnetischen und nichtmag¬ netischen Materialien zueinander beträgt zwischen 1:99 und 99:1, bevorzugt 10:90 und 90:10.
Unter Kompositpartikel im Sinne der Erfindung werden diskrete Partikel verstanden, die sowohl aus magneti¬ schen und aus nichtmagnetischen Materialien bestehen. Bevorzugt sind bei den Kompositpartikeln solche, die als Kern anisometrische nichtmagnetische anorganische Partikel aufweisen, wie z.B. Plättchen oder Stäbchen, die mit einer Hülle aus einem magnetischen Material bedeckt sind. Die Hülle kann dabei den Kern vollstän¬ dig oder auch nur teilweise bedecken.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der er- findungsgemäßen magnetorheologischen Materialien sieht vor, dass die anorganischen Partikel zumindest zum Teil organisch modifiziert sind.
Ein magnetorheologisches Trägermaterial mit derarti- gen Zusätzen aus magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Materialien weist eine sehr hohe Stabi¬ lität gegenüber der Sedimentation der magnetisierba- ren Partikel auf und gleichzeitig eine besonders niedrige Basisviskosität. Darüber hinaus wird eine außerordentlich leichte Redispergierbarkeit beobach¬ tet. Diese äußert sich darin, dass der sich nach lan¬ ger Zeit gebildete Bodensatz mit einem Rührwerkzeug unter Aufbringung eines nur geringen Kraftaufwandes wieder im Trägermedium z.B. in der flüssigen Phase der MRF verteilt werden kann. Im Stand der Technik hat der Bodensatz in der Regel eine festere Konsis¬ tenz und erfordert damit einen höheren Kraftaufwand zur Redispergierung der magnetisierbaren Partikel. Eine leichte Redispergierbarkeit bietet für die tech- nische Anwendung einen großen Vorteil, da die magne¬ torheologischen Materialien nach einem längeren be¬ triebslosen Zustand im Einsatzfall wieder leichter homogenisiert werden können. Andernfalls würde ihre Leistungsfähigkeit durch Eigenschaftsveränderungen eingeschränkt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Materia¬ lien, die die erfindungsgemäßen Zusätze enthalten, besteht darin, dass durch die Verwendung von anorga- nischen Zusatzstoffen eine weitgehende Unempfindlich¬ keit gegen Temperaturschwankungen erreicht wird. An- organische Zusatzstoffe weisen eine höhere Tempera¬ turstabilität auf als die in kommerziellen Materia¬ lien eingesetzten organischen Zusatzstoffe. Außerdem ist mit einer geringeren Temperaturabhängigkeit der Stabilisierungswirkung bei anorganischen Zusatzstof¬ fen im Vergleich mit organischen Zusatzstoffen zu rechnen, da organische Stabilisatoren aus Polymeren mit der Temperatur veränderliche Strukturen in dem Trägermedium bilden können.
Die überraschend hohe Stabilisierungswirkung der Kom¬ positpartikel gegenüber der Sedimentation der magne- tisierbaren Partikel in den erfindungsgemäßen Materi¬ alien wird auf die Ausbildung von besonderen Struktu- ren im Trägermedium zurückgeführt. Eine mögliche Er¬ klärung ist die Bildung von stegartigen Verbindungen zwischen den magnetisierbaren Partikeln über die Kom¬ positpartikel. Die Kompositpartikel stellen somit Brücken zwischen den magnetisierbaren Partikeln her und halten diese in der Schwebe. Die Anlagerung der Kompositpartikel an den magnetisierbaren Partikeln wird auf schwache magnetische Wechselwirkungen der magnetischen Hülle der Kompositpartikel infolge einer geringen Remanenz zurückgeführt. Bei der Scherung der erfindungsgemäßen Materialien ohne Magnetfeld werden die schwachen Brücken mit relativ geringer Kraft auf¬ gebrochen und können sich nach Beendigung der Sche¬ rung wieder zurückbilden. Dies bedeutet, dass die Ba¬ sisviskosität relativ gering ist.
In Bezug auf die Kombination der zugesetzten magneti¬ schen und nichtmagnetischen Teilchen wird davon aus¬ gegangen, dass die magnetischen anorganischen Teil¬ chen die nichtmagnetischen Partikel zumindest teil- weise umhüllen und auf diese Weise "Kompositpartikel" aus beiden Spezies entstehen, die ihrerseits stabile Strukturen zwischen den magnetisierbaren Partikeln aufbauen.
Die Herstellung der diskreten Kompositpartikel er- folgt bevorzugt durch eine vorherige Beschichtung der nichtmagnetischen anorganischen Partikel mit magneti¬ schem Material. Die Beschichtung kann durch die Anla¬ gerung von kleineren magnetischen Teilchen auf größe¬ ren nichtmagnetischen anorganischen Substratpartikeln hergestellt werden. Die Beschichtung kann sich auch durch die separate Zugabe von größeren nichtmagneti¬ schen anorganischen Partikeln und kleineren magneti¬ schen Partikeln in dem Trägermedium ausbilden, sodass hierdurch Kompositpartikel entstehen.
Eine bevorzugte Form des Kerns ist eine anisometri¬ sche Form wie z. B. Plättchen oder Stäbchen. Ein Bei¬ spiel bilden plättchenförmige Schichtsilicate wie z.B. Glimmer. Die kleineren magnetischen Partikel wie z.B. Magnetit bedecken die Oberfläche der nichtmagne¬ tischen anorganischen Partikel.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der er¬ findungsgemäßen magnetorheologischen Materialien in Bezug auf die Kompositpartikel sieht vor, dass die mittlere Teilchengröße der Kompositpartikel zwischen 0,005 und 1000 μm, bevorzugt zwischen 0,01 μm und 200 μm, liegt. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass es günstig ist, wenn das Volumenverhältnis der magneti- sehen und nichtmagnetischen anorganischen Komponenten des Kompositpartikels zwischen 1 : 99 und 99 : 1, be¬ vorzugt zwischen 10 : 90 und 90 : 10, liegt.
Die magnetisierbaren Partikel können aus weichmagne- tischen Teilchen nach dem Stand der Technik gebildet werden. Dies bedeutet, dass die magnetisierbaren Par- tikel sowohl aus der Menge der weichmagnetischen me¬ tallischen Werkstoffe wie Eisen, Cobalt, Nickel (auch in nichtreiner Form) und Legierungen daraus wie Ei- sen-Cobalt, Eisen-Nickel; magnetischer Stahl; Eisen- Silizium ausgewählt werden können als auch aus der
Menge der weichmagnetischen oxidkeramischen Werkstof¬ fe wie den kubischen Ferriten, den Perowskiten und den Granaten der allgemeinen Formel
MO-Fe2O3
mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd oder Mg. Daneben kön¬ nen aber auch Mischferrite wie MnZn-, NiZn-, NiCo-, NiCuCo-, NiMg-, CuMg-Ferrite eingesetzt werden.
Die magnetisierbaren Partikel können aber auch aus Eisencarbid- oder Eisennitridpartikeln bestehen oder aus Legierungen von Vanadium, Wolfram, Kupfer und Mangan oder aus Mischungen aus den genannten Parti¬ kelmaterialien oder aus Mischungen unterschiedlicher magnetisierbarer Feststoffarten. Dabei können die weichmagnetischen Werkstoffe auch alle oder teilweise in verunreinigter Form vorliegen.
Erfindungsgemäß kann das Trägermedium der magnetorhe- ologischen Materialien aus Trägerflüssigkeiten nach dem Stand der Technik wie Wasser, Mineralöle, synthe¬ tische Öle wie Polyalphaolefine, Kohlenwasserstoffe, Siliconöle, Ester, Polyether, fluorierte Polyether, Polyglykole, fluorierte Kohlenwasserstoffe, haloge- nierte Kohlenwasserstoffe, fluorierte Silicone, orga¬ nisch modifizierte Silicone sowie Copolymere daraus oder aus Flüssigkeitsmischungen bestehen. Besondere Ausführungsformen sehen vor, dass das Trä- germedium der magnetorheologischen Materialien aus Fetten oder Gelen oder aus Elastomeren besteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfin¬ dungsgemäßen magnetorheologischen Materialien werden der Suspension weitere anorganische Partikel wie Siθ2/ Tiθ2, Eisenoxide, Silicate wie z. B. Schichtsi- licate oder organische Additive sowie Kombinationen daraus zugegeben.
Es ist auch möglich, den magnetorheologischen Materi¬ alien zur Herabsetzung von Abrasionserscheinungen partikelförmige Additive wie Graphit, Perfluorethylen oder Molybdänverbindungen wie Molybdändisulfit sowie Kombinationen daraus zuzusetzen. Alternative Ausfüh¬ rungsformen der magnetorheologischen Materialien se¬ hen weiter vor, dass die Suspension zum Einsatz für die Oberflächenbehandlung von Werkstücken spezielle abrasiv wirkende und/oder chemisch ätzende Zusatz¬ stoffe, wie z. B. Aluminiumoxid, Ceroxid, Silizium- carbid oder Diamant, enthält.
Insgesamt hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Anteil der magnetisierbaren Partikel zwischen 10 und 70 Vol.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Vol.-%, liegt; der Anteil des Trägermediums zwischen 20 und 90 Vol.-%/ bevorzugt zwischen 30 und 80 Vol.%, liegt, der Gesamtanteil an der Kombination der magnetischen und nichtmagnetischen Zusatzstoffe und/oder an Kompo¬ sitpartikeln zwischen 0,1 und 20 Massen-%, bevorzugt zwischen 0,2 und 15 Massen-%, liegt und der Anteil der nichtmagnetisierbaren Additive zwischen 0,001 und 20 Massen-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 15 Massen-% (jeweils bezogen auf die magnetisierbaren Feststof¬ fe) , liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der erfindungsgemäßen Materialien.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungs¬ gemäßen magnetorheologischen Materialien sieht deren Verwendung in adaptiven Stoß- und Schwingungsdämp¬ fern, steuerbaren Bremsen, Kupplungen sowie in Sport¬ oder Trainingsgeräten vor. Spezielle Materialien kön- nen auch zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden.
Letztlich können die magnetorheologischen Materialien auch zur Erzeugung und/oder Darstellung haptischer Informationen wie Schriftzeichen, computersimulierter Objekte, Sensorsignale oder Bilder, in haptischer Form, zur Simulation von viskosen, elastischen und/oder visko-elastischen Eigenschaften bzw. der Konsistenzverteilung eines Objekts, insbesondere zu Trainings- und/oder Forschungszwecken und/oder für medizinische Anwendungen eingesetzt werden.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Erfindungsgemäße MRF 3 unter Verwendung von mit na- noskaligen Magnetit beschichteten Glimmerplättchen
Zur Herstellung von 80 ml einer erfindungsgemäßen MRF 3 mit 35 Vol-% Eisen in Polyalphaolefin wird wie folgt verfahren: 41,6 g Polyalphaolefin (Dichte 0,8 g/cm3 bei 15° C, kinematische Viskosität 5 mm/s2 bei 40° C) werden in einem Stahlbehälter von 250 ml Inhalt auf 0,001 g Einwaagegenauigkeit eingewogen. 0,044 g des Dispergiermittels Lecithin werden hinzu¬ gefügt und unter Erwärmen gelöst. Anschließend werden 4,409 g Glimmerplättchen mit einer mittleren Größe von 1 μm, die mit nanoskaligem Magnetit beschichtet sind, mit einem Hochgeschwindigkeitsrührgerät (Ultra- turrax, Firma IKA Labortechnik) 3 min lang bei 9500 Umdrehungen pro Minute eindispergiert.
Zuletzt werden als magnetisierbares Material 220,47 g Carbonyleisenpulver der Firma BASF mit einer mittle¬ ren Teilchengröße von 4,7 μm (gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe eines Mastersizers S der Firma Malvern Instruments) zugegeben. Die Disper- gierung des Eisenpulvers im Ölgemisch erfolgt mit Hilfe eines Rührgerätes (Dispermat, Firma VMA-
Getzmann GmbH) mittels einer Dissolverscheibe (Durch¬ messer 30 mm) . Hierzu wird der Feststoff unter stän¬ digem Rühren langsam eingestreut und die Rührge¬ schwindigkeit langsam erhöht. Der Abstand zwischen der Dissolverscheibe und dem Behälterboden beträgt dabei 1 mm. Die Behandlungsdauer beträgt 3 min bei einer Drehgeschwindigkeit von 5000 Umdrehungen pro min. Im Dispermat wird die optimale Rührgeschwindig- keit erreicht, wenn die Drehscheibe unter Bildung ei- ner Trombe von oben sichtbar ist.
Beispiel 2
Erfindungsgemäße MRF 4 unter Verwendung eines Bento- nit/Magnetit-Zusatzes
Zur Herstellung von 80 ml einer erfindungsgemäßen MRF 4 mit 35 Vol-% Eisen in Polyalphaolefin wird wie folgt verfahren: 41,6 g Polyalphaolefin (Dichte 0,8 g/cm3 bei 15° C, kinematische Viskosität 5 mm/s2 bei 40° C) werden in einem Stahlbehälter von 250 ml Inhalt auf 0,001 g Einwaagegenauigkeit eingewogen. 0,044 g des Disper¬ giermittels Lecithin werden hinzugefügt und unter Er¬ wärmen gelöst. Anschließend werden 4,409 g hydropho- bes Bentonit mit einem Hochgeschwindigkeitsrührgerät (Ultraturrax, Firma IKA Labortechnik) 3 min lang bei 9500 Umdrehungen pro min eindispergiert. Die Zugabe von 4,409 g nanoskaligen Magnetits erfolgt analog.
Zuletzt werden als magnetisierbares Material 220,47 g Carbonyleisenpulver der Firma BASF mit einer mittle¬ ren Teilchengröße von 4,7 μm (gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe eines Mastersizers S der Firma Malvern Instruments) zugegeben. Die Disper- gierung des Eisenpulvers im Ölgemisch erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.
Vergleiσhsbeispiel 1
MRF 1 ohne Zusatz eines Sedimentationsstabilisators
Zur Herstellung von 80 ml einer Suspension mit 35 Vol-% Eisen in Polyalphaolefin wird wie folgt ver¬ fahren: 41,6 g Polyalphaolefin (Dichte 0,8 g/cm3 bei 15° C, kinematische Viskosität 5 mm/s2 bei 40° C) werden in einem Stahlbehälter von 250 ml Inhalt auf 0,001 g Einwaagegenauigkeit eingewogen. 0,044 g des Dispergiermittels Lecithin werden hinzugefügt und un¬ ter Erwärmen gelöst. Zuletzt werden als magnetisier- bares Material 220,47 g Carbonyleisenpulver der Firma BASF mit einer mittleren Teilchengröße von 4,7 μm (gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe eines Mastersizers S der Firma Malvern Instru¬ ments) zugegeben. Die Dispergierung des Eisenpulvers im Ölgemisch erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben. Vergleichsbeispiel 2
MRF 2 unter Verwendung eines Zusatzes von Lithiumsei¬ fenfett als Sedimentationsstabilisator
Zur Herstellung von 80 ml einer Suspension mit 35 Vol-% Eisen in Polyalphaolefin wird wie folgt ver¬ fahren: 41,6 g Polyalphaolefin (Dichte 0,8 g/cm3 bei 15° C, kinematische Viskosität 5 mm/s2 bei 40° C wer- den in einem Stahlbehälter von 250 ml Inhalt auf
0,001 g Einwaagegenauigkeit eingewogen. 0,044 g des Dispergiermittels Lecithin werden hinzugefügt und un¬ ter Erwärmen gelöst. Anschließend werden 8,39 g Li¬ thiumseifenfett NLGI 2 mit einem Hochgeschwindig- keitsrührgerät (Ultraturrax, Firma IKA Labortechnik) 3 min lang bei 9500 Umdrehungen pro min eingerührt. Zuletzt werden als magnetisierbares Material 220,47 g Carbonyleisenpulver der Firma BASF mit einer mittle¬ ren Teilchengröße von 4,7 μm (gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe eines Mastersizers S der Firma Malvern Instruments) zugegeben. Die Disper- gierung des Eisenpulvers im Ölgemisch erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.
Nachfolgend werden Experimente zur Charakterisierung der so hergestellten magnetorheologischen Flüssigkei¬ ten beschrieben.
- Sedimentationsanalyse
Die Sedimentationsanalyse erfolgte in Glasröhrchen (Gesamthöhe 160 mm, Innendurchmesser 14,1 mm, Wand¬ stärke 0,8 mm) bei 25° C. Die Phasengrenze zwischen dem Sediment und dem Überstand wurde visuell in defi¬ nierten Zeitabständen aufgenommen. Dabei wird nach- folgend die Höhe des abgesetzten Feststoffs bezogen auf die Gesamthöhe der MRF-Probe als "Sedimenthöhe" [%] bezeichnet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 dargestellt.
Man erkennt, dass die beiden erfindungsgemäßen MRF 3 und MRF 4 innerhalb der ersten Beobachtungstage eine äußerst geringe Phasentrennung aufweisen und an¬ schließend 60 Tage lang stabil bleiben, ohne dass die Sedimentation fortschreitet. Auch nach 60 Tagen liegt die Sedimenthöhe noch bei > 97 %. Demgegenüber sedi- mentieren die beiden Vergleichssuspensionen MRF 1 und MRF 2 nach dem Stand der Technik sehr viel stärker und weisen bereits nach wenigen Tagen nur noch Sedi- menthöhen von ca. 73 bzw. 90 % auf.
Versuche zur Redispergierbarkeit der MRF ("Spa¬ teltest")
In Ermangelung eines genormten Tests zur Charakteri¬ sierung des Redispergierverhaltens einer MRF wurden im vorliegenden Fall die Suspensionen einer verglei¬ chenden qualitativen Beurteilung unterzogen.
Dazu wurden zunächst jeweils 5 ml MRF 15 min lang bei 130 g zentrifugiert und anschließend die relativen Sedimentationshöhen der Feststoffanteile bestimmt. Anschließend wurde die Konsistenz der Feststoffantei- Ie durch Einführen eines dünnen Spatels und langsames Drehen an Hand des zu überwindenden Widerstands sub¬ jektiv bestimmt.
Die derart ermittelten Konsistenzen der Feststoffan- teile wurden phänomenologisch von "weich" über "mit¬ telweich", "mittel", bis zu "mittelhart" und "hart" eingestuft und mit einem "ausgezeichneten" bzw. "sehr schlechten" Redispergierverhalten korreliert. Die Er¬ gebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammen gefasst.
Tabelle: Qualitative Beurteilung des Redispergier- verhaltens der untersuchten MRF
3pension Sediment¬ Konsistenz Redi.spergierbark höhe [%]
MRF 1 64 mittelweich gut
MRF 2 66 mittelhart mittel
MRF 3 74,5 weich ausgezeichnet
MRF 4 74,5 weich ausgezeichnet
Man erkennt, dass die beiden erfindungsgemäßen MRF 3 und MRF 4 sowohl hinsichtlich der Sedimentationshöhe als auch hinsichtlich der Redispergierverhaltens sig¬ nifikant bessere Ergebnisse liefern als die beiden Vergleichssuspensionen MRF 1 und MRF 2.
Abhängigkeit der Schubspannung von der Scherrate ohne angelegtes Magnetfeld
Die rheologischen Messungen erfolgten in einem Rota- tionsrheometer (Searle System) MCR 300 der Firma Paar Physica in einem Messsystem mit koaxialer Zylinderge¬ ometrie bei 25° C. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt.
Dabei zeigt sich, dass die Fließkurven der beiden er¬ findungsgemäßen MRF 3 und MRF 4 praktisch deckungs¬ gleich sind und bei einer Scherrate von 1000 s"1 eine maximale Schubspannung von 150 Pa aufweisen. Die ent- sprechenden Schubspannungen von MRF 1 und MRF 2 nach dem Stand der Technik betragen ca. 70 bzw. 200 Pa. Damit weist MRF 1 die niedrigste und MRF 2 die höchs¬ te Basisviskosität im magnetfeldfreien Raum auf, wäh- rend die beiden erfindungsgemäßen MRF 3 und MRF 4 ei¬ ne Mittelstellung einnehmen.
Zusammen mit ihrer außergewöhnlichen Sedimentations¬ stabilität weisen die beiden erfindungsgemäßen Sus- pensionen MRF 3 und MRF 4 somit ein hervorragendes Eigenschaftsprofil auf, dass sie zur Verwendung als magneto-rheologische Flüssigkeiten prädestinieren.
- Abhängigkeit der Schubspannung von der magneti¬ schen Flussdichte
Die magnetorheologischen Messungen erfolgten in einem Rotationsrheometer (Searle System) MCR 300 der Firma Paar Physica in einer Platte-Platte Anordnung, wobei das Magnetfeld senkrecht zu den Platten verläuft. Al¬ le Untersuchungen wurden bei 25° C und einer konstan¬ ten Scherrate von 100 s"1 durchgeführt. Die Ergebnis¬ se sind in Abbildung 3 dargestellt.
Man erkennt, dass die beiden erfindungsgemäßen MRF 3 und MRF 4 ab einer magnetischen Flussdichte von ca. 200 mT eine signifikant höhere Schubspannung aufwei¬ sen als die beiden magnetorheologischen Flüssigkeiten MRF 1 und MRF 2 nach dem Stand der Technik. In der Praxis sind hohe Schubspannungen im angelegten Mag¬ netfeld erwünscht, da sie eine effektive Umsetzung einer magnetischen Anregung in eine rheologische Än¬ derung in der MRF bewirken. Damit weisen die beiden erfindungsgemäßen MRF 3 und MRF 4 eine weitere vor- teilhafte Eigenschaft für die Verwendung als magne- torheologische Flüssigkeiten auf.
- Abhängigkeit der dynamischen Viskosität von der Temperatur
Die rheologischen Messungen erfolgten in einem Rota- tionsrheometer (Searle System) MCR 300 der Firma Paar Physica in Kegel-Platte-Anordnung bei einer konstan¬ ten Scherrate von 100 s"1 im Temperaturbereich von -15 bis +120° C. Bei Temperaturen unterhalb von 25° C wurde zur Vermeidung von Kondenswasserbildung mit Ar¬ gonspülung gearbeitet. Die Viskositäts-Temperatur- Abhängigkeit wurde nach der Vogel-Cameron-Gleichung (V-C-Gleichung) ausgewertet [Kulicke, W.-M.; Flie߬ verhalten von Stoffen und Stoffgemischen, 1986, Huthig Wepf Verlag, Heidelberg, Seite 123] :
-In77= B hA
T[0C]+C
Dabei ist η die dynamische temperaturabhängige Visko- sität und A und B sind Materialkonstanten; C = 95° C für Mineralöle, wenn die Temperatur in 0C angegeben wird.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Man erkennt, dass die Ausgleichsgeraden für die beiden erfindungsgemäßen MRF 3 und MRF 4 praktisch deckungs¬ gleich sind und in der V-C-Auftragung eine geringere Steigung aufweisen als die beiden magnetorheologi- schen Flüssigkeiten nach dem Stand der Technik MRF 1 und MRF 2. Aus der geringeren Geradensteigung für
MRF 3 und MRF 4 folgt eine geringere Temperaturabhän- gigkeit der beiden erfindungsgemäßen MRF gegenüber dem Stand der Technik, was als weiterer Vorteil ge¬ wertet werden kann.
Insgesamt bleibt festzuhalten, dass die erfindungsge¬ mäßen MRF 3 und MRF 4 mit magnetischen und nichtmag¬ netischen anorganischen Zusätzen im Vergleich zu magnetorheologischen Flüssigkeiten nach dem Stand der Technik hinsichtlich der Eigenschaftskombination Se- dimentationsstabilität, Redispergierbarkeit, Basis¬ viskosität, Schubspannung im Magnetfeld und Viskosi- tät-/Temperatur-Abhängigkeit entscheidende Vorteile bieten.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetorheologische Materialien aus mindestens einem nicht-magnetisierbaren Trägermedium und darin enthaltenen magnetisierbaren Partikeln, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t / dass zusätzlich eine Kombination von magneti¬ schen und nichtmagnetischen anorganischen Mate¬ rialien und/oder Kompositpartikeln hiervon ent¬ halten sind.
2. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagneti¬ schen anorganischen Materialien aus anisometri¬ schen Partikeln, wie Plättchen oder Stäbchen, ausgewählt sind.
3. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus plättchenförmigen Schichtsilicaten, wie z. B. Glimmer, bestehen.
4. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße der nichtmagnetischen anorganischen Materialien zwischen 0,005 und 1000 μm liegt, bevorzugt zwi¬ schen 0,01 μm und 200 μm.
5. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis der magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Materialien zueinander zwischen 1:99 und 99:1, bevorzugt zwischen 10:90 und 90:10, liegt.
6. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Materia¬ lien aus anorganischen Partikeln, z.B. aus Magnetit bestehen.
7. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompositparti- kel aus einem nichtmagnetischen Kern und einer magnetischen Hülle gebildet sind.
8. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompositpartikel eine anisometrische Form, wie Plättchen oder Stäbchen aufweisen.
9. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompositpartikel im Trägermedium gebildet worden sind.
10. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Partikel zumindest zum Teil organisch modifiziert sind.
11. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße der Kompositpartikel zwischen 0,005 und 1000 μm liegt, bevorzugt zwischen 0,01 um und 200 μm.
12. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis der magnetischen und nichtmagnetischen anorganischen Komponente der Kompositpartikel zwischen 1 : 99 und 99 : 1, bevorzugt zwischen 10 : 90 und 90 : 10, liegt.
13. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Parti¬ kel aus weichmagnetischen Materialien ausgewählt sind.
14. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magneti¬ sierbaren Partikel aus weichmagnetischen metal¬ lischen Werkstoffen wie Eisen, Cobalt, Nickel (auch in nicht reiner Form) und Legierungen dar¬ aus wie Eisen-Cobalt, Eisen Nickel; magnetischer Stahl; Eisen-Silizium und/oder deren Mischungen ausgewählt sind.
15. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magneti¬ sierbaren Partikel aus weichmagnetischen oxidke¬ ramischen Werkstoffen wie kubischen Ferriten, Perowskiten und Granaten der allgemeinen Formel
MO-Fe2O3
mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe
M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd oder Mg und/oder deren Mischungen ausgewählt sind.
16. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magneti- sierbaren Partikel aus Mischferriten wie MnZn-,
NiZn-, NiCo-, NiCuCo-, NiMg-, CuMg-Ferriten und/oder deren Mischungen ausgewählt sind.
17. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magneti- sierbaren Partikel aus Eisencarbid, Eisennitrid, Legierungen von Vanadium, Wolfram, Kupfer und Mangan und/oder deren Mischungen ausgewählt sind.
18. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium ausgewählt ist aus
- Trägerflüssigkeiten wie Wasser, Mineralöle, synthetische Öle wie Polyalphaolefine, Koh¬ lenwasserstoffe, Siliconöle, Ester, PoIy- ether, fluorierte Polyether, Polyglykole, fluorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte
Kohlenwasserstoffe, fluorierte Silicone, or¬ ganisch modifizierte Silicone sowie Copoly- mere daraus oder aus Flüssigkeitsmischungen hiervon, - Fetten oder Gelen oder
- aus Elastomeren.
19. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Additive Dispergier mittel, Antioxidantien, Entschäumer und/oder An- tiverschleißmittel enthalten.
20. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie weitere Additive, zur Herabsetzung von Abrasionserscheinungen, parti¬ kelförmige Zusätze wie Graphit, Perfluorethylen oder Molybdänverbindungen wie Molybdändisulfit oder Kombinationen daraus enthalten.
21. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als weitere Additive zum Einsatz für die Oberflächenbehandlung von Werkstücken abrasiv wirkende und/oder chemisch ätzende Zusatzstoffe wie z. B. Aluminiumoxid, Ceroxid, Siliciumcarbid oder Diamant enthalten.
22. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der magnetisierbaren Partikel zwischen 10 und 70 Vol.-%, bevorzugt zwi¬ schen 20 und 60 Vol.-%, liegt, der Anteil des Trägermediums zwischen 20 und 90 Vol.-%, bevorzugt zwischen 30 und 80
Vol.-%, liegt, der Anteil der Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen Materialien und/oder der Kompositpartikel zwischen 0,1 und 20 Masse-%, bevorzugt zwischen 0,2 und 15 Mas- se-% (bezogen auf die magnetisierbaren Fest¬ stoffe) , liegt, der Anteil der Additive zwischen 0,001 und 20 Massen-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 15 Massen-% (bezogen auf die magnetisierbaren
Feststoffe), liegt.
23. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden An¬ sprüche 1 bis 22 in adaptiven Stoß- und Schwin- gungsdämpfern, steuerbaren Bremsen, Kupplungen sowie in Sport- oder Trainingsgeräten.
24. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden An- Sprüche 1 bis 22 zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken.
25. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden An- Sprüche 1 bis 22 zur Erzeugung und/oder Darstel¬ lung haptischer Informationen wie Schriftzei¬ chen, computersimulierte Objekte, Sensorsignale oder Bilder; zur Simulation von viskosen, elas¬ tischen und/oder visko-elastischen Eigenschaften bzw. der Konsistenzverteilung eines Objekts, insbesondere zu Trainingsund/oder Forschungszwe¬ cken und/oder für medizinische Anwendungen.
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