JP2631717B2 - 非水系電気粘性流体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、電場（電圧）の印加により粘度を制御する
ことができる電気粘性流体に関する。更に詳しくは、本
発明は電気絶縁性流体と無機系固体粒子を主体とし、従
来周知の水を使用したものの欠点を改良した非水系の電
気粘性流体に関するものである。

（従来の技術） 電場（電圧）の印加により、流体の粘度が変化する電
気粘性流体（Electro−Rheological Fluid,Electrovisc
us Fluidなどと呼ばれ、略してER流体ともいわれてい
る。）は古くから知られているものである。即ち、ER流
体は、既に19世紀の終りに発見されている（Duff,A.W.,
Physical Review Vol,4,No.1,（1896）23）。

ER流体に関する当初の研究は、液体のみの系に注目し
たものであり、効果も不十分なものであった。その後、
液体のみの系の研究から固体分散系の流体の研究に移
り、かなりの電気粘性効果が得られるようになった。例
えば、Winslowはパラフィンとシリカゲル粉末、それに
系を僅かに電導性にするために水を使用したER流体を提
案した（Winslow,W.M.,J.of Applied Physics,Vol.20
（1949）1137）。このWinslowの研究により、ER流体の
もつ電気粘性効果は、ER効果とかWinslow効果と呼ばれ
るようになっている。

一方、ER流体における増粘効果（ER効果）の発現メカ
ニズムの解明もすみ、例えばKlassはER流体中の分散質
である各粒子は、電場内で二層構造の誘電分極（Induce
d Polarization of the Double Layer）を起し、これが
主因であるとしている（Klass,D.L.,et al.,J.of Appli
ed Physics,Vol.38,No1（1967）67）。

これを、電気二重層（electric double layer）から
説明すると、分散質（シリカゲルなど）の周囲に吸着し
たイオンは、Ｅ（電場）＝０のときは分散質の外表面に
均一に配置しているが、Ｅ（電場）＝有限値のときはイ
オン分布に片寄りが生じ、各粒子は電場内で相互に静電
気作用を及ぼし合うようになる。このようにして電極間
において分散質の各粒子がブリッジ（架橋）を形成し、
外部応力に対して剪断抵抗力を発現、即ちER効果を発現
するようになる。

前記した固体粒子分散系のER流体において、ER効果の
発現メカニズムに配慮しつつER流体の粘度特性を向上さ
せる観点、安定性を向上させる観点などから種々の提案
がなされている。例えば、強誘電性粉体と少量の水分を
吸着させた二酸化珪素系微粉体を用いるもの（特開昭53
−17585号）、分散相としての１〜15wt％の水分を含有
するシリカゲルと液相としてのシリコーン油とから成る
分散系の安定化を図るために官能器を有する高分子量の
分散剤を用いるもの（特開昭61−44998号）、分散質を
セルロース結晶子集合物とし、この系に水溶性電解質を
添加するもの（特公昭57−47234号）、などが提案され
ている。

一方、前記した水系の電気粘性流体に対して、系に存
在する水に起因した欠点、例えば温度特性の不安定さ、
装置の腐蝕や作動温度の制限等を改良するために非水系
の電気粘性流体が提案されている。例えば、有機固体粒
子の外表面に導電性薄膜層、次に電気絶縁性薄膜層を形
成した三層構造の誘電体微粒子と電気絶縁性流体からな
るもの（特開昭63−97694号）、電子伝導体である不飽
和縮合多環式系などの有機半導体と電気絶縁性流体から
なるもの（特開昭61−216202号）、などが提案されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、種々の提案にも拘らず、従来のER流体
は電場（電圧）の印加による迅速かつ可逆的な粘度変化
の応答性の点、ER効果の再現性の点、増粘効果の点、長
期に亘る安定的なER効果の維持の点、などにおいて未だ
十分なものでなく、また非水系の場合には、そこに使用
する固体微粒子あるいは電子伝導体である有機半導体の
調製が複雑であったり高価なものである。特に、水系の
ER流体は水を使用しているため、80℃以上の高温領域で
は水がどんどん蒸発し増粘効果が低下してくるという難
点、また80℃以下でも一定電圧下で粘度が変化し、不安
定であるという難点を抱えている。

本発明者らは、前記したER流体の問題点を解決すべく
鋭意検討した結果、水を吸着させた固体粒子の代わりに
半導体を含む電気伝導性の低い無機固体粒子からなる誘
電体微粒子を用いることにより、高温領域までER効果を
安定に維持することができること、そして、その他のER
流体に要求される特性をも十分に満足しうることを見い
出し、本発明を完成するに至った。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明を概説すれば、本発明は、分散媒としての電気
絶縁性液体、分散質としての水を含まない誘電体微粒
子、及び分散剤からなる実質的に水を含まない非水系電
気粘性流体において、前記誘電体微粒子が、 （ｉ）．二酸化ケイ素、及びIII族元素とIV族元素と酸
素とを含む三元系酸化物、を除く無機固体粒子で構成さ
れ、かつ、 （ii）．半導体を含む電気抵抗値が10^-2〜10¹⁶Ω・cmで
ある無機固体粒子で構成されたこと、 を特徴とする非水系の電気粘性流体に関するものであ
る。

以下、本発明の構成について詳しく説明する。

本発明のER流体に使用される分散媒としての電気絶縁
性液体は、電気絶縁性であればいずれでも良く、特別の
制限を受けるものではない。

この種の電気絶縁性液体としては、例えば、鉱油や合
成潤滑油があり、より具体的には、ナフテン系鉱油、パ
ラフィン系鉱油、ポリアルファーオレフィン、ポリアル
キレングリコール、シリコーン、ジエステル、ポリオー
ルエステル、リン酸エステル、ケイ素化合物、フッ素化
合物、ハロゲン化芳香族液体、ポリフェニルエーテル、
合成炭化水素などがあげられる。これら電気絶縁性液体
の粘度範囲は、40℃において５〜300cpのものが好まし
い。

次に、本発明のER流体に使用される分散質としての水
を含まない誘電体微粒子、即ち半導体を含む電気伝導性
の低い水を含まない無機固体粒子について説明する。

本発明で使用する前記半導体を含む電気伝導性の低い
無機固体粒子は、10^-2〜10¹⁶Ωcmの電気抵抗値を有する
ものであり、特に分極率（誘電率）の高いものが好まし
い。

この種の半導体を含む電気伝導性の低い無機固体粒子
としては、元素半導体、化合物半導体などがあり、より
具体的には、 ●IV族元素 Si,Ge,Se,Te ●IV−IV族化合物 SiC,GeSi ●Ｉ−VI族化合物 Ag,CuとO,Sとの間の化合物 ●II−VI族化合物 Mg,Zn,Cd,HgとO,S,Se,Teとの間の化
合物 ●III−VI族化合物 Al,La,Ceの酸化物 ●IV−VI族化合物 Pb,Sn,Ti,ZrとO,S,Se,Teとの間の化
合物 ●Ｖ−VI族化合物 Sb,Bi,TaとO,Sとの間の化合物 ●VI−VI族化合物 Nb,W,Mo,Crの酸化物 ●VII−VI族化合物 MnO₂ ●VIII−VI族化合物 Fe,Co,Niの酸化物 ●III−Ｖ族化合物 B,Al,Ga,InとN,P,As,Sbとの間の化
合物 ●III−IV族化合物 B₄C ●II−Ｖ族化合物 Zn,Cd,とSb,Asの化合物 などがある。これらのうち、好ましいものとしてはIV−
IV族化合物、II−VI族化合物、III−VI族化合物、IV−V
I族化合物、III−IV族化合物、III−Ｖ族化合物があ
る。但し、本発明の前記無機化合において、二酸化ケイ
素（SiO₂）、またはCaTiO₃あるいはBaTiO₃などのII族元
素とIV族元素と酸素とを含む三元系酸化物は除かれる。

前記した半導体を含む電気伝導性の低い無機固体粒子
の平均粒子径は10μｍ以下、好ましくは１μｍ以下のも
のであり、粒径分布は出来る限り単分散のものが好まし
い。

本発明において、前記した電気絶縁性流体と無機固体
粒子は、重量比率で99/1〜50/50、好ましくは95/5〜70/
30の割合で使用される。

本発明において、前記した無機固体粒子の分散媒中で
の分散状態を均一かつ安定にするために、分散剤を用い
ることができる。

この種の分散剤としては、慣用のものを使用すること
ができ、例えば、スルホネート類、フェネート類、ホス
ホネート類、コハク酸イミド類、アミン類、非イオン系
分散剤など、より具体的にはマグネシウムスルホネー
ト、カルシウムスルホネート、カルシウムフェネート、
カルシウムホスホネート、ポリブテニルコハク酸イミ
ド、ソルビタンモノオレート、ソルビタンセスキオレー
トなどがある。これら分散剤は通常、0.1〜10wt％の割
合で使用される。ただし、分散剤を使用しなくても固体
粒子の分散性が良い場合は、使用しなくてもよい。

（作 用） ER流体の構成成分に水を吸着させた固体粒子の代わり
に「半導体を含む電気伝導性の低い無機固体粒子」を用
いることにより、高温領域に至る広い温度範囲で粘度変
化の応答性、再現性、経時的安定性及び増粘効果（電場
０時に対する電場印加時の増粘の倍率）等において優れ
た効果を発現させることができる。

現在、ER効果の発現メカニズムに関して完全に解明さ
れていないという状況下であるが、本発明者らにおい
て、前記した優れた効果が発現されるメカニズムを次の
ように推察している。

従来のER流体、典型的には鉱油、水、固体粒子からな
るER流体において、そのER効果の原因は次のように考え
られている。即ち、固体粒子に吸着した水は薄い水の膜
を形成し、その極性により電場内において誘電分極し、
電場方向に伸ばされて相互に架橋（ブリッジ）を形成し
はじめる。そして架橋（ブリッジ）が電極間に完成する
とともに電場に対して垂直方向に粘性が増加し、これが
ER効果となってあらわれる。

従って、水の膜厚はER効果の発現にとって極めて重要
なものであるが、水は分子量が低く、かつ蒸発しやすい
ため、外部環境、特に外部温度の変動により水の膜厚が
容易に変動し、これがER効果の不安定要因となる。

本発明においては、水を吸着させた固体粒子の代わり
に前記した「無機固体粒子」を用いるが、温度に対する
安定性は水の比ではない。

一般に物質は、電場印加により物質内に誘電分極を起
す。外部電場が加わらないと多くの無機性物質は正負電
荷の中心が一致しているが、外部電場の作用により正電
荷は負極の方へ、負電荷は正極の方へ引かれて正負電荷
の中心が相対的に変位し電気双極モーメントを生じる。
これが誘電分極である。

また、有極性物質は電場の作用がなくても正負電荷の
中心がズレているが、熱運動のため各分子が自由な方向
をとるため物質全体としては分極は零である。しかし、
電場が作用すると電場方向に双極子モーメントを誘起し
分極が起こる。

誘電分極のメカニズムとしては電子分極、イオン分
極、配向分極、空間電荷分極などがあり、各物質におけ
る分極はこれらの総和として表わされる。

前記した誘電分極によって、無機固体粒子は分散媒中
で分極し、分極した粒子は相互に配向し、電極間に強力
な固体粒子同士の架橋（ブリッジ）を形成する。しかし
ながら無機固体粒子が導電性であるならば、多量の電流
が流れてエネルギーの消費が多くなるばかりか電圧がか
からないために強固な架橋が形成されない。

これに対して、半導体を含む電気伝導性の低い無機固
体粒子の場合には適度の電流が流れ、これが相互配向を
さらに増強することになり、電極間に強力な無機固体粒
子同士の架橋が形成される。このことが起因して、本発
明においては高温領域に至る広い温度範囲において安定
で増粘効果の大きなER流体が得られるものと考えられ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて詳しく説明するが、
本発明はこれら実施例のものに限定されるものではな
い。

（実施例１〜20） （ｉ） ER流体の調製 ● 固体粒子 ……15重量％ ● 分散剤（コハク酸イミド） ……５重量％ ● 鉱 油 ……残 余 を充分に撹拌混合し、ER体を調製した。使用した無機固
体粒子は、下記第１表に示される。

（比較例１） （ｉ） ER流体の調製 ● 水分を７重量％含有したシリカゲル ……４重量％ ● 分散剤（コハク酸イミド） ……４重量％ ● 鉱 油 ……残 余 を充分に撹拌混合し、ER流体を調製した。

（ii） 実験条件とER流体の評価項目 ER流体を90℃で、電圧の印加が可能な回転粘度計を用
いて、以下の項目について評価した。

●応答性……電場を０から３×10⁶（V/m）に変化させた
とき、何秒で粘度が安定するかにより評価した。

●再現性……電場を０→３×10⁶（V/m）→０のサイクル
を繰返したとき、電場＝０のときの粘度の変動割合
（％）により評価した。

●安定性……電場を３×10⁶（V/m）で一定させたとき、
経時的な粘度の変化量（％）（測定時間１時間）で評価
した。

●増粘効果……電場０時と比較して、電場を３×10⁶（V
/m）としたときの粘度の倍率で評価した。

（iii） 結 果 結果を第２表に示す。

〔発明の効果〕 本発明の電気粘性流体（ER流体）は、高温領域に至る
広い温度範囲において極めて安定性が良く、かつ増粘効
果も大きい。また、本発明のER流体は応答性、再現性に
ついても従来のものと比較して格段に優れている。

従って、本発明のER流体は、例えば粘度変化を利用し
た制御機器に有用であるとともに、その制御精度、特に
高温使用下における制御精度を飛躍的に向上させること
ができる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ１０Ｍ 125:22 125:26 133:56） Ｃ１０Ｎ 10:02 10:04 10:06 10:08 10:10 10:12 10:14 10:16 20:06 30:08 40:14 (56)参考文献 特開 平１−172496（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−17585（ＪＰ，Ａ) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅ ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．38，Ｎ ｏ．１，（1967）Ｐ．67−74

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分散媒としての電気絶縁性液体、分散質と
   しての水を含まない誘電体微粒子、及び分散剤からなる
   実質的に水を含まない非水系電気粘性流体において、前
   記誘電体微粒子が、 （ｉ）．二酸化ケイ素、及びIII族元素とIV族元素と酸
   素とを含む三元系酸化物、を除く無機固体粒子で構成さ
   れ、かつ、 （ii）．半導体を含む電気抵抗値が10^-2〜10¹⁶Ω・cmで
   ある無機固体粒子で構成されたこと、 を特徴とする非水系の電気粘性流体。