(57)【要約】表面が改質された電気粘性流体用電極板において、金属電極板の表面に、粗で、耐磨耗性を有し、導電率が低い改質層を付加することを特徴とする電極板。前記表面改質層の材料は、ダイヤモンド、アルミナ、酸化チタン、炭化ケイ素、窒化チタン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、粘着剤、接着膜から選ばれる少なくとも一種である。本発明の表面が改質された電気粘性流体電極板は、改質層を付加することによって、電気粘性流体と極板との密着力が向上し、極板における電気粘性流体のせん断強度をそれ自身のせん断強度の固有値に近づかせ、電気粘性流体を有効に応用できるようにさせる。また電気粘性流体素子の漏れ電流を減らし、降伏電圧を高める。【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が改質された電気粘性流体用電極板において、金属電極板の表面に、粗で、耐磨耗性を有し、導電率が低い改質層を付加することを特徴とする電極板。
【請求項２】
前記表面改質層の材料が、ダイヤモンド、アルミナ、酸化チタン、炭化ケイ素、窒化チタン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、粘着剤、接着膜から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の表面が改質された電気粘性流体用電極板。
【請求項３】
金属電極板の表面に、機械加工、吹き付けプレーティング、粘着、ケミカルデポジション、めっき、焼結、又は浸透等の方法によって改質層を付加することを特徴とする請求項１に記載の表面が改質された電気粘性流体用電極板。
【請求項４】
改質層の形状が、規則的又は不規則的な粒子状、ストライプ状、グリッド状であることを特徴とする請求項１に記載の表面が改質された電気粘性流体用電極板。
【請求項５】
改質層の厚さが１μｍ〜１ｍｍであり、改質層材料の面積が金属電極板表面の面積の１０％〜１００％を占めることを特徴とする請求項１に記載の表面が改質された電気粘性流体用電極板。
【請求項６】
粒子のサイズ範囲が１００ｎｍ〜０．５ｍｍであり、ストライプ又はグリッドのピッチが０．１〜３ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の表面が改質された電気粘性流体用電極板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面を改質した電気粘性流体用電極板、特に極性分子型電気粘性流体に適用される表面を改質した電気粘性流体用電極板に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気粘性流体（Electrorheological Fluids、ＥＲＦ）は新規のインテリジェント機能材料で、誘電粒子と絶縁液体とが混合してなった複雑な流体である。外部電界がない場合には、電気粘性流体は液体状態を呈し、外部電界が電気粘性流体に作用する場合には、電界の増大につれて電気粘性流体のせん断強度が大きくなる。電界が十分に大きい場合、電気粘性流体は擬似固体物質に変わる。またこのようなせん断強度の転換は可逆的であり、レスポンスタイムはミリ秒のオーダーである。この唯一無二な硬軟調整可能な特性のため、工業、軍事などの領域において、広範に応用され得る可能性がある。
【０００３】
電気粘性流体の性能テストと実際の応用において、プラス及びマイナス電極として、通常、金属極板が採用されている。伝統的な電気粘性流体は粒子間に相互極性化作用があるので、せん断強度が低く、一般的に１０ｋｐａを超えないため、金属極板は基本的に電気粘性流体がお互いに作用する条件に達し、金属極板はこの種の電気粘性流体材料の電流変性能に対する測定と実際の応用を満足することができる。
【０００４】
極性分子型電気粘性流体に対して、その降伏強度は数百ｋｐａ又はそれ以上に達し、伝統的な電気粘性流体に比し数十倍以上高く、動的せん断強度も大きく向上している。通常の金属電極板表面は極性分子配向と作用条件を満足せず、電気粘性流体と電極板表面の間には“滑り”が発生する恐れがある。したがって、一般の金属電極板を用いると、得られる電気粘性流体のせん断強度は実際の数値よりかなり低くなり、電気粘性流体材料の実際の応用に大きな影響を与える。表面が粗な金属電極板を用いれば“滑り”も減少し、測定した電気粘性流体のせん断強度を約一倍増大させることができるが、金属極板の粗な表面の放電が容易に発生し、高電界のチャージには不利となる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明が解決しようとする技術課題は、電気粘性流体と電極板の表面との間における“滑り”を克服し、極板における電気粘性流体のせん断強度をそれ自身のせん断強度の固有値に近づかせ、また漏れ電流を明らかに減少させ得る表面が改質された電気粘性流体用電極板を提供することである。
【０００６】
本発明の表面が改質された電気粘性流体電極板は、金属電極板の表面に改質層を設けることによって実現され、改質層は、粗で、耐摩耗性を有し、低導電率であるという特徴を備えており、以て電気粘性流体と極板との密着力を増大させ、同時に使用寿命を延ばし且つ電流密度を低下させる。
【０００７】
前記表面が改質された電気粘性流体用電極板の改質材料は、無機物、有機物、金属、又はそれらの混合材料であることができ、ダイヤモンド、アルミナ、二酸化チタン、炭化ケイ素、窒化チタン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、粘着剤、接着膜から選ばれる少なくとも一種である。
【０００８】
本発明の表面が改質された電気粘性流体電極板は、機械加工、吹き付けプレーティング、ケミカルデポジション、粘着、めっき、焼結、又は浸透等の方法によって、金属電極板の表面に改質層を付加する。
【０００９】
本発明の表面が改質された電気粘性流体電極板は、改質層の形状が規則的又は不規則的な粒子状、ストライプ状、グリッド状である。改質層の厚さが１μｍ〜１ｍｍであり、改質層材料の金属電極板表面に占める面積は１０％〜１００％であり、粒子のサイズ範囲が１００ｎｍ〜０．５ｍｍであり、ストライプ又はグリッドのピッチが０．１〜３ｍｍである。
【００１０】
本発明の表面が改質された電気粘性流体電極板は、改質層を付加することによって、電気粘性流体と極板との密着力が向上し、極板における電気粘性流体のせん断強度をそれ自身のせん断強度の固有値に近づかせ、電気粘性流体を有効に応用できるようにさせる。また電気粘性流体素子の漏れ電流を減らし、降伏電圧を高める。電気粘性流体を応用する時のプラス及びマイナス電極として、先進的な電気粘性流体用電極板を用いて、プロセス電気粘性流体素子に応用できる。
【００１１】
［図面の簡単な説明］
図１は、銅表面に二酸化チタン粒子を粘着した電極と表面が粗な銅電極を用いて測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【００１２】
図２は、金属表面にアルミナの吹き付けプレーティングを行った電極と滑らかな金属シート電極を用いて測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【００１３】
図３は、ステンレス鋼の表面にダイヤモンドのプレーティングを行った電極と滑らかな金属シート電極を用いて測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【００１４】
図４は、表面にグリッドを粘着した電極と粗な金属シート電極とで測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【００１５】
図５は、ＴｉＯ2電気粘性流体の動的せん断強度の試験結果である。
【００１６】
［発明を実施するための最良の形態］
製造実施例１：アセトアミドをドーピングした二酸化チタン電気粘性流体の製造
組成物１：Ｔｉ（ＯＣ4Ｈ9）4３０ｍｌを無水エタノール２１０ｍｌに溶解し、塩酸を加入して溶液のｐＨを１〜３に調整。
【００１７】
組成物２：脱イオン水４０ｍｌと無水エタノール１５０ｍｌを均一に混合。
【００１８】
組成物３：アセトアミド３０ｇを脱イオン水２０ｍｌに溶解。
【００１９】
強力攪拌下で組成物２を組成物１に加入した直後に、組成物３を加入し、無色透明なゲルが形成するまで攪拌を継続した。ゲルを室温下で溶液が析出するまで熟成（ａｇｉｎｇ）し、低温真空乾燥して白色粉末を取得した。該粉末を複数回、洗浄、遠心分離、吸引濾過した後、箱式炉で５０℃下、４８時間以上乾燥してから、１２０℃で３時間乾燥し、Ｃ＝Ｏ及びＣ−ＮＨ2極性基を含む球形二酸化チタンナノパーティクルを取得した。サイズは５０〜１００ｎｍであり、誘電常数は１０００であった。製造された二酸化チタンナノパーティクル中、Ｃ＝Ｏ及びＣ−ＮＨ2極性基のモル分率は２０％であった。
【００２０】
該二酸化チタンナノパーティクルを１０＃シリコーン油と混合し、ボールミルで３時間以上強力攪拌して粒子を充分に分散させ、電気粘性流体を形成した。粒子の総体積に占める体積比率は３０％であった。
【００２１】
製造実施例２：Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏ極性基を含むチタン酸カルシウムナノパーティクルの電気粘性流体の製造
共沈殿法によるチタン酸カルシウムナノパーティクルの製造：
組成物１：四塩化チタン３０ｍｌを無水エタノールとモル比１：２５で均一に混合。
【００２２】
組成物２：無水塩化カルシウムを２ｍｏｌ／ｌで脱イオン水に溶解し水溶液を調製。
【００２３】
６０℃水浴中で、攪拌下、組成物１と組成物２とを充分混合し、塩酸で溶液のｐＨ値を４に調節して混合溶液１＋２を取得した。
【００２４】
組成物３：シュウ酸を脱イオン水に溶解し、２ｍｏｌ／ｌの溶液を調製した。
【００２５】
組成物３を混合溶液１＋２に滴入した。三種類の溶液の混合体積比は２：１：２である。生成した沈殿を６０℃下１２時間熟成し、脱イオン水で洗浄、ろ過し、１２０時間以上乾燥してから１２０℃で３時間乾燥して、５０−１００ｎｍのチタン酸カルシウム球形粒子を取得した。洗浄時間及び回数にて粒子中の極性基Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏの保留量を制御した。Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏ極性基は赤外スペクトル分析（赤外スペクトル装置の型番：Digilab FTS3000）により検証した。粒子中の極性基Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏのモル分率は約２５％であった。Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏ極性基の双極子モーメントはそれぞれ１．５１Ｄｅｂｙｅ及び２．３〜２．７Ｄｅｂｙｅであった。
【００２６】
該チタン酸カルシウム粒子を５０＃メチルシリコーン油と混合し、ボールミルで３時間以上強力攪拌し、粒子を充分に分散させて電気粘性流体を形成した。
【００２７】
実施例１
粘着法による極板表面の改質処理：粒子サイズが約１００ｎｍである固体二酸化チタンをその面積が金属表面の面積の９０％を占め、その厚さが１０μｍになるようにエポキシ樹脂で銅シート表面に粘着して、これを平行板粘度計のプラス及びマイナス電極とし、製造実施例１で得た、アセトアミドがドーピングされた二酸化チタン電気粘性流体の降伏強度を測定した。図１に示す通り、得られた降伏強度は、表面が粗な金属銅をプラス、マイナス電極として用いた測定値より一倍以上増加している（図１ａ）。電流密度には基本的に変化がなかった（図１ｂ）。
【００２８】
実施例２
吹き付けプレーティング法による極板表面の改質処理：アルミナの粒子サイズが約５μｍである固体アルミナ粒子をその面積が金属表面の面積の１００％を占め、改質層の厚さが約１０μｍになるようにプラズマ吹き付けプレーティング法でアルミニウムシート表面に改質層を形成し、これを平行板粘度計のプラス及びマイナス電極とし、製造実施例２で得た、Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏ極性基を含むチタン酸カルシウムナノパーティクルの電気粘性流体の降伏強度を測定した。図２に示す通り、得られた降伏強度は、滑らかな金属シートをプラス及びマイナス電極として用いた降伏強度測定値より四倍近く増加しており（図２ａ）、電流密度は約五倍低下した（図２ｂ）。
【００２９】
実施例３
化学と物理法による極板表面の改質処理：粒子サイズが約１５μｍである固体ダイヤモンド粒子をその面積が金属表面の面積の７０％を占め、その厚さが約２０μｍになるように金属ニッケルでステンレス鋼シート表面に粘着して、これを平行板粘度計のプラス及びマイナス電極とし、製造実施例２で得た、Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏ極性基を含むチタン酸カルシウムナノパーティクルの電気粘性流体の降伏強度を測定した。図３に示す通り、得られた降伏強度は、滑らかな金属アルミニウムシートをプラス及びマイナス電極として用いた降伏強度測定値より四倍近く増加しており（図３ａ）、電流密度は約三倍低下した（図３ｂ）。
【００３０】
実施例４
表面にグリッドを粘着することによる極板表面の改質処理：ナイロンのグリッド厚さが０．４ｍｍ、グリッド線幅が０．２ｍｍ、グリッドピッチが２ｍｍ、その面積が金属表面の面積の２０％を占めるようにナイロングリッドを銅極板の表面に粘着して、これを平行板粘度計のプラス及びマイナス電極とし、製造実施例２で得た、Ｏ−Ｈ及びＣ＝Ｏ極性基を含むチタン酸カルシウムナノパーティクルの電気粘性流体の降伏強度を測定した。図４に示す通り、得られた降伏強度は、表面が粗な金属銅をプラス及びマイナス電極として用いた降伏強度測定値より一倍近く増加しており（図４ａ）、電流密度は約５０％低下した（図４ｂ）。
【００３１】
実施例５
密封転筒法（sealed cylindrical rheometer）で電気粘性流体の動せん断強度を測定した。固体ダイヤモンド粒子（サイズは約１５μｍ）を厚さが約２０μｍ、その面積が金属表面の面積の６０％を占めるように転筒の内・外表面に粘着した。製造実施例１で得た、アセトアミドがドーピングされた二酸化チタン電気粘性流体の動的降伏強度を測定した。図５に示す通り、電界強度が３ｋＶ／ｍｍにおいて、せん断強度は７０ｋＰａに達した。
【００３２】
実施例１〜５から分かるように、本発明の表面が改質された電極板は電気粘性流体と極板との密着力を向上させ、高いせん断強度の電気粘性流体と電極板との間の“滑り”を有効に克服できる。このような表面が改質された電極板を用いて得られた電気粘性流体の降伏強度は、普通の金属極板を用いた場合に比べて、１−５倍高く、極板における電気粘性流体のせん断強度をそれ自身のせん断強度の固有値に近づかせる。改質された電極板を用いた測定は高い動せん断強度を得ており、またせん断レートに従って増加している。これは、普通の金属極板では達し得ないことであり、改質された電極板は又電気粘性流体素子の漏れ電流を減少させ、降伏電圧を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】銅表面に二酸化チタン粒子を粘着した電極と表面が粗な銅電極を用いて測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【図２】金属表面にアルミナの吹き付けプレーティングを行った電極と滑らかな金属シート電極を用いて測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【図３】ステンレス鋼の表面にダイヤモンドのプレーティングを行った電極と滑らかな金属シート電極を用いて測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【図４】表面にグリッドを粘着した電極と粗な金属シート電極とで測定した電気粘性流体の性能を比較したものである。
【図５】ＴｉＯ2電気粘性流体の動的せん断強度の試験結果である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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