JP2023150670A - 磁気粘性流体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再分散性に優れたＭＲ流体を容易に実現できるようにする。【解決手段】磁性粒子を溶媒中に分散させる工程と、溶媒中に分散した磁性粒子に磁場を印可して残留磁気を付与する工程とを備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、磁気粘性流体の製造方法に関する。

磁気粘性（Magneto Rheological：ＭＲ）流体は、鉄（Ｆｅ）等の磁性粒子をオイル等の分散媒に分散させた流体である。ＭＲ流体は、磁界の作用がない場合には分散媒中に磁性粒子がランダムに浮遊している。ＭＲ流体に外部から磁界を作用させると、磁界の向きに沿って磁性粒子が多数のクラスタを形成し、降伏応力が増大する。このようにＭＲ流体は電気信号によってレオロジー特性又は力学的な性質を容易に制御できる材料であるため、種々の分野への応用が検討されている。例えば、自動車向けショックアブソーバ及び建設機械向けシートダンパ等の直動型のＭＲ流体装置や、クラッチやブレーキといった回転型のＭＲ流体装置への応用が進められている。

ＭＲ流体装置を製造する際には、ＭＲ流体と装置本体とは別々に製造される。通常は、磁性粒子を分散媒に分散させてＭＲ流体を製造し、一旦容器に入れて保存及び輸送した後、容器内のＭＲ流体を所定量に小分けして装置本体に充填する。磁性粒子は数μｍ～数十μｍの粒子径を有する金属粒子であるため、保存中に沈降するケーキングという現象が発生する。ケーキングが発生したＭＲ流体を容器から装置本体に移すと、装置本体内のＭＲ流体が設定した密度にならなかったり、装置によってＭＲ流体の密度にばらつきが生じたりする。装置本体にＭＲ流体を充填する際には、磁性粒子を再度分散させるために攪拌等の操作が行われるが、一旦ケーキングが生じると十分に再分散した状態にするためには非常に大きな労力を要する。また、再分散したかどうかの判断は目視で行われているため、ばらつきの発生を抑えることが困難である。

ＭＲ流体における磁性粒子の沈降を抑える方法として、種々の沈降抑制剤を加えたり、粒子径が異なる磁性粒子を混合したりすることが検討されている。例えば、（例えば、特許文献１及び２を参照。）

特開２０１６－２１３３０１号公報 特開２０１５－０６９９９５号公報

しかしながら、従来の磁性粒子の沈降を抑える方法は、装置内に充填された後のＭＲ流体における磁性粒子の沈降を抑制して、装置の性能を維持することを目的とするものである。保存の間の沈降を生じにくくできたとしても、再分散が容易にできなければ、ＭＲ流体を装置に充填する際の諸問題を解決することはできない。

本開示の課題は、再分散性に優れたＭＲ流体を容易に実現できるようにすることである。

本開示の磁気粘性流体の製造方法の一態様は、磁性粒子を溶媒中に分散させる工程と、溶媒中に分散した磁性粒子に磁場を印可して残留磁気を付与する工程とを備えている。

磁気粘性流体の製造法の一態様によれば、溶媒中に分散した磁性粒子に残留磁気を付与するので、磁性粒子が緩やかな構造体を作って安定する。このため、保存中に強固な沈降層が形成されないので、再分散が容易にできる。これにより、ＭＲ流体をＭＲ流体装置に充填する際の労力を低減でき、充填されたＭＲ流体のばらつきも低減できる。

本開示の磁気粘性流体の製造方法によれば、再分散性に優れた磁気粘性流体を容易に実現することができる。

一実施形態に係るＭＲ流体の製造方法を示す工程図である。

一実施形態に係る磁気粘性流体（ＭＲ流体）の製造方法は、磁性粒子を分散媒中に分散させる分散工程と、分散媒中に分散させた磁性粒子に磁場を印可して残留磁気を付与する残留磁気付与工程とを有している。磁性粒子に残留磁気を付与したＭＲ流体は、非磁性の容器内に収容して、外部から磁場が印可されない状態で保存することができる。容器内にて保存されたＭＲ流体は、その容器のまま又は別の容器へ移し、必要に応じて輸送を行った後、再分散を行いＭＲ流体装置に必要量を充填することができる。本実施形態のＭＲ流体は、残留磁気が付与された状態で保存されるため、再分散が容易であり、ＭＲ流体を装置に充填する際に大きな労力をかけることなく、装置特性のばらつきの発生を抑えることができる。

ＭＲ流体の保存安定性の尺度として沈降層高さ率がある。沈降層高さ率は、ＭＲ流体を保存中に磁性粒子が沈降してできる沈降層の高さの全体の高さに対する割合であり、沈降層高さ率が大きいほど、沈降しにくく安定なＭＲ流体であるとされている。しかし、本願発明者らは、沈降層高さ率が大きくても再分散性が良好ではなく、沈降層高さ率が低くても、残留磁気を付与することにより再分散性が大きく向上することを見いだした。

残留磁気を付与することにより大きな再分散性向上の効果を得る観点から、残留磁気を付与していない場合のＭＲ流体の沈降層高さは、好ましくは７０％以下、より好ましくは６０％以下である。

本実施形態において磁性粒子は、例えば鉄、窒化鉄、炭化鉄、カルボニル鉄、二酸化クロム、低炭素鋼、ニッケル又はコバルト等を用いることができる。また、アルミニウム含有鉄合金、ケイ素含有鉄合金、コバルト含有鉄合金、ニッケル含有鉄合金、バナジウム含有鉄合金、モリブデン含有鉄合金、クロム含有鉄合金、タングステン含有鉄合金、マンガン含有鉄合金又は銅含有鉄合金等の鉄合金を用いることもできる。ガドリニウム、ガドリニウム有機誘導体からなる常磁性、超常磁性又は強磁性化合物粒子及びこれらの混合物からなる粒子等を用いることもできる。中でも、カルボニル鉄は磁性粒子として適した平均粒子径のものが容易に得られるため好ましい。

磁性粒子は、特に限定されないが、平均一次粒子径が好ましくは０．０１μｍ以上、より好ましくは０．１μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上、さらにより好ましくは５μｍ以上である。また、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下、さらにより好ましくは１０μｍ以下である。このようなサイズの磁性流体であれば、ＭＲ流体として機能させつつ、沈降を抑えることができる。なお、粒子径が異なる複数の磁性粒子を混合して用いることもできる。

磁性粒子は、特に限定されないが、密度が好ましくは９ｇ／ｃｍ³以下、より好ましくは８ｇ／ｃｍ³以下である。このような密度とすることにより、再分散がさらに容易となる。再分散の観点からは密度は小さい方がよいが、ＭＲ流体としての機能を発揮させる観点からは、好ましくは５ｇ／ｃｍ³以上、より好ましくは６ｇ／ｃｍ³以上である。

磁性粒子は、残留磁気を付与することにより大きな再分散性向上の効果を得る観点から、球形状であることが好ましい。扁平状粒子、フレーク状粒子及び複数の粒子が鎖状に繋がった鎖状粒子は、相互に作用し合って安定な構造を形成しやすいため、沈降層高さ率を大きくすることには効果があるが、残留磁気を付与した場合には、安定な構造を壊して再分散させることが困難になる。また、球形状粒子に、扁平状粒子やフレーク状粒子を混合した混合粒子も、球形状粒子の間に、扁平状粒子やフレーク状粒子が入り込み、磁性流体の構造を安定化させるため、残留磁気を付与することによる再分散性を低下させるので、これらの形状の粒子を含まない方が好ましい。

磁性粒子は、必要に応じて、分散媒との親和性を向上させるために、粒子自体の表面よりも疎水性が高くなるような処理又は低くなるような処理が行われていてもよい。例えば、磁性粒子本体の表面に水酸基を導入して親水性を高くしたり、水導入した酸基と反応する官能基を有する疎水性の化合物をさらに結合させて疎水性を高くしたりすることができる。また、磁性粒子本体の表面に導入した水酸基と化合物とを２官能性のカップリング剤を介して結合することもできる。

磁性粒子のＭＲ流体全体に対する比率は、磁気粘性効果を発揮させる観点から、好ましくは５５質量％以上、より好ましくは６５質量％以上であり、基底粘度を押さえる観点から、好ましくは８５質量％以下、より好ましくは８０質量％以下である。

分散媒（基油）は、磁性粒子を分散させることができる液体であればどのようなものであってもよい。例えば、シリコーンオイル、フッ素オイル、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）、パラフィン、エーテル油、エステル油、鉱物油、植物性油又は動物性油等を用いることができる。また、トルエン、キシレン、ヘキサン、及びエーテル類等の有機溶媒又はエチルメチルイミダゾリウム塩、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム塩及び１－メチルピラゾリウム塩等に代表されるイオン性液体（常温溶融塩）類等を用いることもできる。これは、単独で用いることも２種類以上を組み合わせて用いることもできる。親水性の表面改質層を設ければ水、エステル類又はアルコール類等を分散媒とすることも可能である。

本実施形態のＭＲ流体は、磁性粒子の他に種々の添加剤を添加することができる。ＭＲ流体の長期安定性等の各種の性能を確保する観点から、潤滑剤に一般に用いられている公知の添加剤、例えば、沈降防止剤、金属型洗浄分散剤、無灰型洗浄分散剤、油性剤、摩耗防止剤、極圧剤、錆止め剤、摩擦調整剤、固体潤滑剤、酸化防止剤、金属不活性化剤、消泡剤、着色剤、粘度指数向上剤及び流動点降下剤などを添加することもできる。

磁性粒子を分散媒に分散させる工程は、特に限定されず、磁性粒子及び分散媒の特性に応じて種々の方法を用いることができる。分散させやすい磁性粒子と分散媒との組み合わせの場合には、磁性粒子と分散媒とをへらや攪拌装置等を用いて攪拌混合して分散させることができる。分散させにくい組み合わせの場合には、最初にへら等を用いて混合した後、自転・公転型の攪拌装置等を用いて十分に高せん断混合することもできる。攪拌装置に代えて、ホモジナイザー又は遊星混合機等を用いて磁性粒子の分散を行ってもよい。

磁性粒子に磁場を印可する工程は、例えば、ＭＲ流体を入れた容器を磁路が横切るように磁場発生コイルを配置した磁場印可装置により行うことができる。磁場発生コイルに電流を流すことにより発生させた磁場中に磁性粒子を保持すると、磁性粒子は磁気を帯びる。磁性粒子はヒステリシス特性を有しているため、磁場の印可を停止した後も残留磁気を保持する。残留磁気を帯びた磁性粒子同士の間には引力が働くため、分散媒中において緩やかな構造体を形成し安定する。このため、沈降によりケーキングが生じた場合と異なり、容易に再分散させることができる。なお、磁場印可装置は、永久磁石を用いた構成とすることもできる。

磁性粒子に残留磁気を付与する際に、磁場中に保持した磁性粒子を攪拌することができる。磁性粒子を攪拌することにより、残留磁気をむらなく付与することができる。また、トルクの変化を測定することにより、磁性粒子に適切な大きさの磁場が印可されているかを判断することができる。

磁場印可装置は、バッチ式のものに限らず、磁場発生コイルの周りの流路をＭＲ流体が流れるようにしたフロー式の装置とすることもできる。

磁性粒子の再分散を容易にする観点から、磁性粒子が帯びる残留磁気は、好ましくは０．２ｅｍｕ／ｇ以上、より好ましくは０．５ｅｍｕ／ｇであり、好ましくは６０ｅｍｕ／ｇ以下、より好ましくは３０ｅｍｕ／ｇ以下である。残留磁気の強さは、磁場発生コイルに印可する電流の大きさ、電流の印可時間等により制御することができる。

磁性粒子に残留磁気を付与したＭＲ流体は、消磁を防ぐ観点から、外部から磁場が印可されない環境で保存することができる。外部から磁場が印可されない環境とは、空間内に硬磁性体がなく、容器が軟磁性体と触れていない環境である。ＭＲ流体を入れる容器は、非磁性体の容器とすることができる。また、非磁性の要基本対の回りに磁気シールドを設けた容器とすることもできる。

容器内に保存した残留磁気を付与したＭＲ流体は、再分散させた後、ＭＲ流体装置に充填することができる。再分散は、容器を振動させたり、遠心力を加えたり、攪拌子等を用いて直接攪拌したりして行うことができる。残留磁気を付与したＭＲ流体は、数十秒～数分間攪拌すれば再分散して磁性粒子の濃度分布が均一なＭＲ流体とすることができる。このため、設計通りの磁性粒子密度となったＭＲ流体をＭＲ流体装置に充填することが容易にできる。また、１つの容器から複数のＭＲ流体装置にＭＲ流体を充填する際に、装置毎のばらつきを小さくすることができる。

ＭＲ流体装置は、特に限定されず、ショックアブソーバ及び油圧ダンパ等の直動型のＭＲ流体装置や、クラッチ及びブレーキ等の回転型のＭＲ流体装置とすることができる。

以下に、実施例を用いてＭＲ流体の特性についてさらに詳細に説明する。

＜残留磁気の評価＞
磁性粒子の残留磁気は、ガウスメーターなどの磁気測定器により測定した。

＜沈降層高さ率の評価＞
容器に約２０ｍＬのＭＲ流体を入れ、１週間静置した。その後、全体の高さ及び粒子沈降層の高さを測定し、以下の式（１）を用いて沈降層高さ率を算出した。
沈降層高さ率（％）＝（全体の高さ－粒子沈降層の高さ）／全体の高さ×１００・・・（１）

＜再分散性の評価＞
シリンダーにＭＲ流体を入れ、攪拌翼により攪拌する際のトルクを測定した。攪拌の開始後、トルクが安定するまでの最大トルクを沈降層硬さとして求めた。残留磁気を付与した場合の沈降層硬さＨｄ_mの残留磁気を印可していない場合の沈降層硬さＨｄ₀からの減少率ΔＨｄを以下の式（２）により求めた。
ΔＨｄ（％）＝（Ｈｄ₀－Ｈｄ_m）／Ｈｄ₀×１００・・・（２）
沈降率硬さの減少率ΔＨｄが大きいほど、残留磁気の付与による再分散性の向上が大きいことを示す。

なお、シリンダー内のＭＲ流体の量は１００ｍＬとし、攪拌翼の回転数は２００ｒｍｐｍとした。

＜ＭＲ流体の調整＞
磁性粒子を分散媒中に分散させることによりＭＲ流体を得た。分散媒には炭化水素系合成油（４０℃における動粘度１９ｍｍ²／ｓ、比重０．８２）を用いた。磁性粒子及び分散媒を容器中にてへらを用いて手で混合した後、自転・公転型の攪拌機（倉敷紡績社製：マゼルスター）を用いて高せん断混合することにより磁性粒子を分散媒中に分散させた。磁性粒子の分散媒に対する濃度は約７０質量％とした。

＜残留磁気の付与＞
残留磁気の付与は、永久磁石を用いて行った。

（実施例１）
磁性粒子として、平均一次粒子径が６μｍの球形状のカルボニル鉄粒子を用いた。

残留磁気を付与していない場合の沈降率高さ率は５４．６％であり、残留磁気を付与した場合の沈降率高さ率は５６．１であった。

残留磁気を付与していない場合の沈降層硬さＨｄ₀は０．０３２９Ｎ／ｍであり、残留磁気を付与した場合の沈降層硬さＨｄｍは０．０２６８Ｎ／ｍであった。沈降率硬さ減少率は１８．５％であった。なお、残留磁気の値は２．６７ｅｍｕ／ｇであった。

（比較例１）
磁性流体として、実施例１と同じ平均一次粒子径が６μｍの球形状のカルボニル鉄粒子と、扁平度が０．５の鉄粒子との混合物を用いた。扁平状粒子の全磁性粒子に対する割合は、１０質量％とした。

残留磁気を付与していない場合の沈降率高さ率は７６．３％であり、残留磁気を付与した場合の沈降率高さ率は８２．７であった。

残留磁気を付与していない場合の沈降層硬さＨｄ₀は０．０４２８Ｎ／ｍであり、残留磁気を付与した場合の沈降層硬さＨｄｍは０．０４６８Ｎ／ｍであった。沈降率硬さ減少率は－９．３％であった。

（比較例２）
磁性流体として、実施例１と同じ平均一次粒子径が６μｍの球形状のカルボニル鉄粒子と、球形粒子が複数個鎖状につながった鎖状粒子との混合物を用いた。鎖状粒子の全磁性粒子に対する割合は、１０質量％とした。

残留磁気を付与していない場合の沈降層硬さＨｄ₀は０．０４１８Ｎ／ｍであり、残留磁気を付与した場合の沈降層硬さＨｄｍは０．０４１１Ｎ／ｍであった。沈降率硬さ減少率は１．３％であった。なお、残留磁気の値は５．５３ｅｍｕ／ｇであった。

本開示の磁気粘性流体の製造方法は、再分散性に優れた磁気粘性流体を容易に実現でき、磁気粘性流体を用いる種々の産業分野において有用である。

Claims (6)

1. 磁性粒子を溶媒中に分散させる工程と、
   前記溶媒中に分散した磁性粒子に磁場を印可して残留磁気を付与する工程と、を備えている、磁気粘性流体の製造方法。
2. 前記磁場を印可する工程において、前記磁性粒子に０．２ｅｍｕ／ｇ以上、６０ｅｍｕ／ｇ以下の残留磁気を付与する、請求項１に記載の磁気粘性流体の製造方法。
3. 残留磁気を付与していない状態における前記磁性粒子の沈降高さ率が６０％以下である、請求項１又は２に記載の磁気粘性流体の製造方法。
4. 前記磁性粒子は、球形粒子である、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気粘性流体。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気粘性流体の製造方法により製造した磁気粘性流体を、非磁性の容器中において、外部磁場が印可されない環境で保存する、磁気粘性流体の保存方法。
6. 磁性粒子及び溶媒を含む磁気粘性流体とを備え、
   前記磁気粘性流体は、前記磁性粒子に０．２ｅｍｕ／ｇ以上、６０ｅｍｕ／ｇ以下の残留磁気が付与された状態で、非磁性体の保存容器内に収容されている、保存用磁気粘性流体。
   

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