JP3729520B2 - 電気粘性流体 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は新規な電気粘性流体に関するものであり、長期間安定に大きな電気粘性効果を発現する均一系の電気粘性流体として、振動吸収、トルク伝達、ダンパ−、機械位置決め制御などのアクチュエーターとしての用途に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
電気粘性流体は、Ｗｉｎｓｌｏｗの発明以降約半世紀、水を含んだ粒子や絶縁薄膜で表面被覆した導電性粒子あるいは半導体粒子など誘電体粒子を絶縁油に分散させた、いわゆる分散系の流体が数多く提案されてきた。しかしこれらの流体は粒子の分散安定性が悪く粒子沈降という本質的な問題があり実用には至っていない。
【０００３】
一方、粒子を用いない均一系の電気粘性流体も古くから、極性液体、液晶、ポリマ−溶液など数々研究されてはきたが、それらの電気粘性効果は極めて小さく顧みられなかった。最近、分散系の電気粘性流体の難しさが明らかになるにつれて、改めて均一系の流体の可能性が見直され、粒子を用いない均一系の電気粘性流体に関する報告や特許が発表され始め、例えば、ポリベンジルグルタメ−トをジオキサンに溶解させたリオトロピック液晶（特開平４−２６６９９７号公報）、連鎖に複数個の液晶性基を結合したサ−モトロピック液晶性化合物（特開平５−３２９８８号公報）を用いた流体では、従来の分散系に勝る大きな電気粘性効果が得られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のライオトロピック液晶やサ−モトロピック液晶を用いた電気粘性流体は、確かに大きな電気粘性効果を示すが、リオトロピック液晶はそれに用いられる溶媒は一般に極性が高く導電性であり、また揮発性が高いものが多く実用には制限がある。また後者のサ−モトロピック液晶を用いたものは、電気絶縁性や耐久性に優れるものの、一般に作動温度範囲が狭い傾向がある。また両者は一般に原料が高価で製造に多くの工程を要するためコスト的にも高くなるという問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、サ−モトロピック液晶からなる上記電気粘性流体の問題点を解決するため、液晶性基について鋭意検討を重ねていたところ、意外にも液晶性基でなくともフレキシブルな連鎖にある種の比較的簡単な官能基を結合することにより大きな電気粘性効果の発現する事実を見つけ、本発明に到達した。即ち、本発明は、フレキシブルな分子鎖単位の重合体からなる主鎖に、ニトリル基およびベンゼン骨格を各々少なくとも一つ以上含む非液晶性の官能基が複数個結合された化合物を主成分とする電気粘性流体にある。
【０００６】
本発明に言う、ニトリル基およびベンゼン骨格を含む非液晶性の官能基を、フレキシブルな分子鎖単位の重合体からなる主鎖に結合させた化合物の代表的な分子構造としては、（ａ）側鎖型化合物、（ｂ）主鎖型化合物、（ｃ）両端型化合物が挙げられる。ニトリル基およびベンゼン骨格を含む非液晶性の官能基は、フレキシブルな分子鎖単位からなる主鎖重合体に、（ａ）の場合には側鎖に、（ｂ）の場合には主鎖に、（ｃ）の場合には両端に、直接あるいは結合基を介して結合される。
【０００７】
本発明でいうフレキシブルな分子鎖単位とは、１）ジメチルシロキサン、フェニルメチルシロキサンなど−ＳｉＲ₁ Ｒ₂ Ｏ−（ここでＲ₁ 、Ｒ₂ はアルキル基あるいはフェニル基を示す。）で表されるシロキサン、２）オキシエチレン、オキシプロピレン、オキシブチレンなど−ＯＣ_m Ｈ_2m−（ここでｍは１から５の整数）で表されるオキシアルキレン、３）テトラフルオロオキシエチレン、トリフルオロオキシエチレン、ヘキサフルオロオキシプロピレン、など−ＯＣ_m Ｈ_2m-nＦ_n −（ここでｍは１から３の整数、ｎは２ｍまたはそれ以下で０以外の整数）で表されるフルオロオキシアルキレン、４）メチレン、エチレン、プロピレンなど−Ｃ_m Ｈ_2m−（ここでｍは１から８の整数）で表されるアルキレンなどである。特に１）から３）は低温でもフレキシブル性に富み好ましい。本発明のフレキシブルな分子鎖単位の重合体は、これらの分子鎖単位の単独重合体または異種の分子単位と共重合体である。重合度としては２から３００、好ましくは２から１００、より好ましくは５から１００である。
【０００８】
また、本発明に言うニトリル基およびベンゼン骨格を含む非液晶性の官能基とは、液晶性を示すいわゆるメソゲン（松本正一、「液晶エレクトロニクス」、オ−ム社、に代表例が記載されている。）とは異なる官能基であり、例えば化学式１に示される分子構造が代表として挙げられる。
【０００９】
【化１】

【００１０】
側鎖型化合物の場合、これらの分子鎖単位は、１）に示した構造では、Ｒ₁ またはＲ₂ の一部は直接あるいは結合基を介してニトリル基およびベンゼン骨格を含む非液晶性の官能基が置換されている。また、上記２）から４）に示した構造ではＨの一部が直接あるいは結合基を介して官能基が置換されており、また更に残りのＨの一部は、メチル基、エチル基、フェニル基などで置換されていてもよい。
【００１１】
一方、主鎖型化合物や両端型化合物の場合、１）〜４）のいずれの分子鎖単位においても分子鎖中へのニトリル基およびベンゼン骨格を含む非液晶性の官能基の結合は直接あるいは結合基を介して結合される。
一つの主鎖に結合される官能基の数は、一つであると電気粘性効果の向上は不十分であるので、二つ以上であることが好ましく、できるだけ多いことが電気粘性効果の点からより好ましい。フレキシブルな分子鎖単位の数と官能基の数の比は、前者が１０に対して後者が３以上であることが好ましく、できるだけ多い方がより良い。また官能基の比率から見て、両端型よりは側鎖型や主鎖型がより好ましい。
【００１２】
上述の結合基としては、−Ｃ_n Ｈ_2n−（ここでｎは１から２０の整数）、−Ｏ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯＮＨ−などの基が代表例として挙げられる。
さらに上記の分子鎖単位は、必要に応じて、エステル基、アミド基、フェニレン基などを介在させた分子鎖単位を結合させ、異なる種類のフレキシブルな主鎖を形成させることもできる。
【００１３】
本発明の、フレキシブルな分子鎖単位の重合体からなる主鎖に、ニトリル基およびベンゼン骨格を各々少なくとも一つ以上含む非液晶性の官能基を複数個結合した化合物は、電気粘性流体としてこれを単独に用いてもよいが、分散媒体や希釈剤、例えば、本化合物と同一のフレキシブルな分子鎖単位からなる重合体、フレキシブルな分子鎖とは親和性があるが、非液晶性の分子鎖とは親和性が低い化合物等で分散あるいは希釈して使用することもできる。分散あるいは希釈して用いる場合、本発明の化合物は、３０重量％以上の主成分として使用することが好ましい。
【００１４】
【実施例】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明し補足する。なお、電気粘性流体の基本的特性である電気粘性効果の測定は下記の方法に従った。
（電気粘性効果の測定方法）
プレ−ト間に電界が印加できるように改造されたパラレルプレ−ト型の回転粘度計を用い、電極間に試料を挟み、所定の温度と所定の剪断速度で試料に剪断を与え、所定の電圧を印加した際の剪断応力と電流値を測定した。電気粘性効果は電圧印加による剪断応力の増分で評価した。本実施例では、パラレルプレートの電極径は３２ｍｍ、電極間隔は０．５０ｍｍ、剪断速度は２００ｓｅｃ^-1、印加電圧は直流０〜２ｋｖ／ｍｍであった。
【００１５】
【実施例１】
１）官能基部の合成
４−ヒドロキシベンジルシアニド１２．０Ｇ，無水炭酸カリウム３１．１ｇ、メチルエチルケトン１５０ｍｌを混合して、アリルブロマイド１１．７ｍｌを加えて８０℃で３時間加熱撹拌した。放冷後反応混合物を水にあけ、生成物をジエチルエ−テルで抽出した。乾燥、濃縮後、得られた粗生成物をシリカカラムクロマトで精製し、化学式２に示す化合物Ａを１５．５ｇ得た。
【００１６】
【化２】

【００１７】
２）側鎖型化合物の合成
化学式３で示される平均組成を持つジメチルシロキサン・モノメチルヒドロジェンシロキサンのランダム共重合体４．０ｇ、化合物Ａ３．９ｇをテトラヒドロフラン６０ｍｌに溶解させ、少量の塩化白金酸触媒を加えて６０℃で２時間反応させた。赤外吸収スペクトルと高速液体クロマトグラフによる分析で化合物Ａがほぼ完全に消失し、シロキサン共重合体に反応していることが確認された。続いて１−ペンテン２．０ｇｗｏ添加し、未反応のＳｉ−Ｈ基を完全に潰した後、メタノ−ル４００ｍｌで精製した。
【００１８】
【化３】

【００１９】
３）電気粘性効果の測定
３０℃で測定した電気粘性効果の結果を表１に示した。このような簡単な分子構造の化合物で液晶高分子並の大きな電気粘性効果が得られた。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【発明の効果】
本発明は従来提案されてきたライオトロピック液晶やサーモトロピック液晶を用いた均一系の電気粘性流体の大きな欠点の１つであった、作動温度範囲やコストの問題を解決する安定性に優れた電気粘性流体にある。バルブ、クラッチ、トルクコンバ−タ−などのコンパクトで電子制御で作動する新しいアクチュエ−タ−に長期間安定して使用することができる。特に高精度の機械制御システム系への展開に有益である。

Claims (2)

1. フレキシブルな分子鎖単位の重合体からなる主鎖に、ニトリル基およびベンゼン骨格を各々少なくとも一つ以上含む非液晶性の官能基が複数個結合された化合物を主成分とする電気粘性流体。
2. フレキシブルな分子鎖単位が、シロキサン、アルキレンエ−テル、パ−フルオロアルキレンエ−テルであることを特徴とする請求項１の電気粘性流体。