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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf fluide Materialien, die beträchtliche
Zunahmen des Strömungswiderstandes
aufweisen, wenn sie Magnetfeldern ausgesetzt werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Magnetorheologische
Fluide sind fluide Zusammensetzungen, die in Gegenwart eines Magnetfeldes einer Änderung
der scheinbaren Viskosität
unterliegen. Die Fluide schließen
typischerweise ferromagnetische oder paramagnetische Teilchen ein,
die in einem Trägerfluid
dispergiert sind. Die Teilchen werden in Gegenwart eines angelegten
Magnetfeldes polarisiert und werden zu Ketten von Teilchen in dem
Fluid organisiert. Die Teilchenketten erhöhen die scheinbare Viskosität (Strömungswiderstand)
des Fluids. Die Teilchen kehren zu einem nicht organisierten Zustand
zurück,
wenn das Magnetfeld entfernt wird, was die Viskosität des Fluids reduziert.
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Magnetorheologische
Fluide wurden vorgeschlagen, um die Dämpfung in verschiedenen Vorrichtungen,
wie Dämpfern,
Stoßdämpfern und
elastomeren Halterungen, zu steuern. Sie wurden auch vorgeschlagen, um
zur Steuerung von Druck und/oder Drehmoment in Bremsen, Kupplungen
und Ventilen verwendet zu werden. Magnetorheologische Fluide werden
gegenüber
elektrorheologischen Fluiden bei vielen Anwendungen als überlegen
angesehen, weil sie größere Formänderungsfestigkeiten
aufweisen und größere Dämpfungskräfte erzeugen
können.
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Magnetorheologische
Fluide lassen sich von kolloidalen, magnetischen Fluiden oder Ferrofluiden
unterscheiden. In kolloidalen, magnetischen Fluiden liegt die Teilchengröße im Allgemeinen
zwischen 5 und 10 nm, während
die Teilchengröße magnetorheologischer
Fluide typischerweise größer als
0,1 μm, üblicherweise größer als
1,0 μm,
ist. Kolloidale, magnetische Fluide entwickeln häufig keine Teilchenstrukturierung
in Gegenwart eines Magnetfeldes, sondern das Fluid fließt vielmehr
häufig
zum angelegten Feld.
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Einige
der ersten magnetorheologischen Fluide, die z.B. in US-A-2,575,360;
2,661,825 und 2,886,151 beschrieben werden, schlossen reduzierte
Eisenoxid-Pulver
und Öle
niedriger Viskosität
ein. Diese Mischungen setzen sich häufig im Laufe der Zeit ab,
wobei die Absetzungsgeschwindigkeit im Allgemeinen zunimmt, wenn
die Temperatur ansteigt. Einer der Gründe, warum die Teilchen sich
häufig
absetzen, ist der große
Dichteunterschied zwischen den Ölen
(etwa 0,7 – 0,95
g/cm3) und den Metallteilchen (etwa 7,86
g/cm3 für
Eisenteilchen). Das Absetzen stört
die magnetorheologische Aktivität
des Materials aufgrund der nicht gleichmäßigen Teilchenverteilung. Oft
ist eine relativ hohe Scherkraft notwendig, um die Teilchen erneut
zu suspendieren.
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Verschiedene
Tenside und Suspensionsmittel wurden Fluiden hinzugefügt, um die
Teilchen in dem Träger
in suspendierter Form zu halten. Konventionelle Tenside schließen Tenside
vom Metallseifen-Typ ein, wie Lithiumstearat und Aluminiumdistearat.
Diese Tenside schließen
typischerweise eine geringe Menge an Wasser ein, das den brauchbaren
Temperaturbereich der Materialien einschränken kann.
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Zusätzlich zum
Teilchenabsetzen besteht eine andere Einschränkung der Fluide darin, dass
die Teilchen häufig
Abrieb verursachen, wenn sie sich in bewegendem Kontakt mit den
Oberflächen
verschiedener Teile befinden. Es wäre vorteilhaft, wenn man magnetorheologische
Fluide hätte,
die keinen signifikanten Abrieb erzeugen, wenn sie sich in bewegendem
Kontakt mit den Oberflächen
verschiedener Teile befinden. Es wäre auch vorteilhaft, wenn man
magnetorheologische Fluide hätte,
die nach dem magnetisch-reagierenden Absetzen von Teilchen mit geringeren
Scherkräften
erneut dispergiert werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt solche Fluide bereit.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Es
werden magnetorheologische, fluide Zusammensetzungen; Vorrichtungen,
die diese Zusammensetzungen einschließen, und Herstellungsverfahren
und Anwendung derselben offenbart. Die Zusammensetzungen schließen ein
Trägerfluid,
magnetisch-reagierende Teilchen und einen hydrophoben, organophilen Ton.
Die Fluide entwickeln typischerweise eine Struktur, wenn sie in
einer so geringen Zeitspanne wie einigen Millisekunden einem Magnetfeld
ausgesetzt werden. Die Fluide können
in Vorrichtungen, wie Kupplungen, Bremsen, Trainingsgerätschaften,
Verbundstrukturen und Strukturelementen, Dämpfern, Stoßdämpfern, haptischen Vorrichtungen,
elektrischen Schaltern, Prothese-Vorrichtungen, die schnell härtende Gussstücke einschließen, und
elastomeren Halterungen, verwendet werden.
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Der
hydrophobe, organophile Ton liegt als ein Absetzverhinderungsmittel
vor, was ein weiches Sediment bereitstellt, sobald sich die magnetischen
Teilchen absetzen. Das weiche Sediment erleichtert das erneute Dispergieren.
Der hydrophobe, organophile Ton ist auch im Wesentlichen thermisch,
mechanisch und chemisch stabil und hat typischerweise eine Härte, die
geringer ist als diejenige von konventionell verwendeten Absetzverhinderungsmitteln,
wie Silica oder Siliciumdioxid. Zusätzlich dazu wurde unerwarteterweise
gefunden, dass hydrophile Tone nicht die weiche Sedimentation bereitstellen
können,
welche die hydrophoben, organophilen Tone aufweisen. Die Fluide
der Erfindung werden typischerweise bei Schergeschwindigkeiten von weniger
als 100/s–1 scherentzäht und gewinnen
ihre Struktur nach einer Scherentzähung in weniger als 5 Minuten
zurück.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die
Zusammensetzungen bilden ein thixotropes Netzwerk, das wirksam ist,
um das Teilchenabsetzen zu minimieren und auch um die Scherkräfte zu reduzieren,
die erforderlich sind, um die Teilchen erneut zu suspendieren, sobald
sie sich abgesetzt haben. Die hierin beschriebenen Zusammensetzungen
haben eine relativ niedrige Viskosität; sie setzen sich nicht hart
ab und können
leichter erneut dispergiert werden als konventionelle, magnetorheologische
Fluide, einschließlich
solcher, die herkömmliche
Absetzverhinderungsmittel, wie Siliciumdioxid oder Silica, enthalten.
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Thixotrope
Netzwerke sind Suspensionen von kolloidalen oder magnetisch aktiven
Teilchen, die bei geringen Schergeschwindigkeiten ein loses Netzwerk
oder eine lose Struktur bilden (z.B. Cluster oder Ausflockungen).
Die dreidimensionale Struktur stützt
die Teilchen und minimiert dadurch das Absetzen der Teilchen. Wenn
eine Scherkraft an das Material angelegt wird, wird die Struktur
zerstört
oder dispergiert. Die Struktur wird erneut gebildet, wenn die Scherkraft
entfernt wird.
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Die
Zusammensetzungen haben typischerweise eine um wenigstens 10% geringere
Sedimenthärte als
vergleichbare Fluide, die Siliciumdioxid und nicht den hydrophoben,
organophilen Ton einschließen,
wobei der Test wiederholte Erwärmungs-
und Kühlzyklen
während
einer Zeitspanne von zwei Wochen umfasst. Die Zusammensetzungen
bewirken typischerweise auch einen um wenigstens 10% geringeren
Verschleiß der
Vorrichtung als vergleichbare Fluide, die Siliciumdioxid und nicht
den hydrophoben, organophilen Ton einschließen.
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I. Magnetorheologische
Fluid-Zusammensetzung
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A. Magnetisch reagierende
Teilchen
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Jeder
Feststoff, der dafür
bekannt ist, eine magnetorheologische Aktivität aufzuweisen, kann verwendet
werden, der insbesondere paramagnetische, superparamagnetische und
ferromagnetische Elemente und Verbindungen einschließt. Beispiele
geeigneter, magnetisierbarer Teilchen schließen die folgenden ein: Eisen; Eisen-Legierungen
(wie solche, die Aluminium, Silicium, Cobalt, Nickel, Vanadium,
Molybdän,
Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer einschließen); Eisenoxide (einschließlich Fe2O3 und Fe3O4); Eisennitrid,
Eisencarbid, Carbonyleisen, Nickel, Cobalt, Chromdioxid, Edelstahl
und Siliciumstahl. Beispiele geeigneter Teilchen schließen reine
Eisenpulver; reduzierte Eisenpulver; Mischungen aus Eisenoxidpulver/reinem
Eisenpulver und Mischungen aus Eisenoxidpulver/reduziertem Eisenpulver
ein. Ein bevorzugtes, magnetisch reagierendes, teilchenförmiges Material
ist Carbonyleisen, vorzugsweise reduziertes Carbonyleisen.
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Die
Teilchengröße sollte
so ausgewählt
werden, dass die Teilchen Mehrfachbereichseigenschaften aufweisen,
wenn ein Magnetfeld auf sie einwirkt. Die durchschnittlichen Größen der
Teilchendurchmesser für die
magnetisch reagierenden Teilchen liegen im Allgemeinen zwischen
0,1 und 1000 μm,
vorzugsweise zwischen etwa 0,1 und 500 μm und mehr bevorzugt zwischen
etwa 1,0 und 10 μm,
und vorzugsweise liegen sie in einer Menge zwischen etwa 5 und 50
Vol.-% der gesamten Zusammensetzung vor.
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B. Trägerfluide
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Die
Trägerfluide
können
jedes organische Fluid sein; vorzugsweise ein nicht-polares, organisches
Fluid, einschließlich
solcher, die vorhergehend durch den Fachmann zur Herstellung magnetorheologischer
Fluide verwendet wurden, wie z.B. beschrieben wurde. Das Trägerfluid
bildet die kontinuierliche Phase des magnetorheologischen Fluids.
Beispiele geeigneter Fluide schließen die Folgenden ein: Siliconöle, Mineralöle, Paraffinöle, Silicon-Copolymere,
Weißöle, Hydrauliköle, Transformatoröle, halogenierte
organische Flüssigkeiten (wie
chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte
Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe), Diester, Polyoxyalkylene,
fluorierte Silicone, Cyanoalkylsiloxane, Glycole und synthetische
Kohlenwasserstofföle
(die sowohl ungesättigte
als gesättigte
einschließen).
Eine Mischung dieser Fluide kann als Träger-Komponente des magnetorheologischen
Fluids verwendet werden. Das bevorzugte Trägerfluid ist nicht flüchtig, nicht
polar und schließt
keine signifikante Wassermenge ein. Bevorzugte Trägerfluide
sind synthetische Kohlenwasserstofföle, insbesondere solche Öle, die
aus hochmolekularen α-Olefinen
mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen durch säurekatalysierte Dimerisierung
und Oligomerisierung unter Verwendung von Trialuminiumalkylen als
Katalysatoren hergestellt werden. Poly-α-Olefin ist ein besonders bevorzugtes
Trägerfluid.
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Die
Viskosität
der Träger-Komponente
liegt vorzugsweise zwischen 1 und 100 000 cP bei Raumtemperatur;
mehr bevorzugt zwischen 1 und 10 000 cP und am meisten bevorzugt
zwischen 1 und 1000 cP.
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C. Organophile Tone
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Hydrophobe,
organophile Tone werden in den hierin beschriebenen Fluid-Zusammensetzungen
als Absetzverhinderungsmittel, Verdickungsmittel und als Viskositätsveränderer verwendet.
Sie erhöhen
die Viskosität
und die Fließspannung
der hierin beschriebenen, magnetorheologischen Fluid-Zusammensetzungen. Die
organophilen Tone liegen typischerweise in Konzentrationen zwischen
0,1 und 6,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 3 und 6 Gew.-%, bezogen
auf das Gewicht der gesamten Zusammensetzung, vor.
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Der
hydrophobe, organophile Ton stellt ein weiches Sediment bereit,
sobald sich die magnetisch-reagierenden Teilchen absetzen. Das weiche
Sediment erleichtert das erneute Dispergieren. Geeignete Tone sind thermisch,
mechanisch und chemisch stabil und haben eine Härte, die geringer ist als diejenige
von herkömmlicherweise
verwendeten Absetzverhinderungsmitteln, wie Silica oder Siliciumdioxid.
Zusammensetzungen der Erfindung, die hierin beschrieben werden,
werden vorzugsweise bei Schergeschwindigkeiten von weniger als 100/s
scherentzäht
und gewinnen ihre Struktur nach einer Scherentzähung in weniger als 5 Minuten
zurück.
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Die
organophilen Tone, die zur Verwendung in den magnetorheologischen
Fluid-Zusammensetzungen,
die hierin beschrieben werden, geeignet sind, leiten sich typischerweise
von Montmorillonit ab. Bentonit-Tone sind häufig thixotrop und scherentzähend, d.h.
sie bilden Netzwerke, die unter Anwendung eines Scherens leicht
zerstört
werden und sich zurückbilden,
wenn das Scheren entfernt wird. "Abgeleitet", wie der Begriff
hierin verwendet wird, bedeutet, dass ein Ton-Material mit einem
organischen Material behandelt wird, um den organophilen Ton herzustellen.
Montmorillonit-Ton macht typischerweise einen großen Anteil
von Bentonit-Tonen aus. Montmorillonit-Ton ist ein Aluminiumsilicat.
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Die
Tone werden mit einem organischen Material modifiziert, um die anorganischen
Oberflächen-Kationen
mittels konventioneller Verfahren (typischerweise eine Kationenaustausch-Reaktion)
durch organische Oberflächen-Kationen
zu ersetzen. Beispiele von geeigneten, organischen Modifizierungsmitteln
schließen Amine,
Carboxylate, Phosphonium- oder Sulfoniumsalze oder Benzylgruppen
oder andere organische Gruppen ein. Die Amine können z.B. quartäre oder
aromatische Amine sein.
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Es
wird angenommen, dass organophile Tone sich über einen ähnlichen Mechanismus wie demjenigen,
in den Tone in wässrigen
Lösungen
verwickelt sind, in einer organischen Lösung selbst orientieren. Es gibt
jedoch grundsätzliche
Unterschiede zwischen den beiden. Zum Beispiel können Öle nicht Ladungen so gut solvatisieren
wie wässrige
Lösungen.
Die Gelierungseigenschaften von organophilen Tonen hängen in
großem
Maße von
der Affinität
des organischen Rests für
ein Basisöl
ab. Andere wichtige Eigenschaften sind der Dispergierungsgrad und
die Teilchen/Teilchen-Wechselwirkungen. Der Dispergierungsgrad wird
durch die Intensität
und Dauer der Scherkräfte
und manchmal durch die Verwendung eines polaren Aktivators gesteuert. Die
Teilchen/Teilchen-Wechselwirkungen werden größtenteils durch den organischen
Rest auf der Oberfläche des
Tons gesteuert.
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Im
Handel erhältliche,
organophile Tone schließen
z.B. die folgenden ein: Claytone AF von Southern Clay Products und
die Bentone®-,
Baragel®-
und Nykon®-Familien
von organophilen Tonen von RHEOX. Andere geeignete Tone schließen solche
ein, die im US-Patent Nr. 5,634,969 an Cody et al. offenbart werden.
Ein bevorzugter, organophiler Ton ist Baragel® 10.
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Die
Tone liegen typischerweise in Form agglomerierter Plättchenstapel
vor. Wenn eine ausreichende, mechanische und/oder chemische Energie
auf die Stapel einwirkt, können
die Stapel delaminiert werden. Das Delaminieren erfolgt schneller,
wenn die Temperatur des Fluids, das den Ton enthält, erhöht wird.
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Einige
organophile Tone werden als selbst-aktivierend bezeichnet, was bedeutet,
dass polare Aktivatoren nicht notwendig sind, um eine vollständige Dispersion
der organophilen Tonplättchen
zu erreichen. Andere Tone, die nicht selbst-aktivierend sind, können gegebenenfalls
das Vorliegen eines polaren Aktivators einschließen, z.B. eines polaren, organischen
Lösungsmittels,
um eine angemessene Delaminierung zu erreichen. Polare Aktivatoren
fungieren dahingehend, dass sie zwischen zwei Tonplättchen gelangen
und ein Auseinanderquellen derselben bewirken. Dies reduziert die
Anziehungskräfte
zwischen denselben, so dass sie durch Scherkräfte auseinandergerissen werden
können.
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Geeignete
polare Aktivatoren schließen
Aceton, Methanol, Ethanol, Propylencarbonat und wässrige Lösungen derselben
ein. Der Aktivator muss nicht notwendigerweise in dem Trägerfluid
löslich
sein. Die Menge an polarem Additiv muss jedoch sorgfältig ausgewählt werden.
Zu viel Additiv kann die sich ergebende Gelfestigkeit reduzieren.
Verwendet man zu wenig Additiv, bleiben die Plättchen fest gebunden in ihren
Stapeln und können
nicht delaminiert werden. Typischerweise liegt die Menge an polarem
Aktivator zwischen etwa 10 und 80 Gew.-%, vorzugsweise zwischen
30 und 60 Gew.-% des Tons. Das ideale Verhältnis von Ton zu polarem Aktivator
variiert jedoch bei jedem Ton und jedem polaren Aktivator und auch
bei jeder Ton/Trägerfluid-Kombination.
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Der
Fachmann kann eine zweckmäßige Menge
an polaren Aktivator leicht bestimmen. Zum Beispiel kann der Aktivator
zugegeben werden, und die Mischung wird etwa 1 Minute lang gerührt, während die
Viskosität
gemessen wird. Wenn eine ungenügende
Menge an Aktivator vorliegt, wird die maximale Viskosität nicht erreicht,
weil der Ton aktiviert und vollständig dispergiert wird. Aktivator
kann zugegeben werden, bis die maximale Viskosität erreicht ist, wobei der Ton
zu diesem Zeitpunkt aktiviert und vollständig dispergiert ist.
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Wenn
die Zusammensetzung hergestellt wird, kann es notwendig sein, auf
die organophilen Tone hohe Scherspannungen einwirken zu lassen,
um die organophilen Tonplättchen
zu delaminieren. Es gibt verschiedene Mittel, um die hohe Scherspannung
bereitzustellen. Beispiele schließen Kolloidmühlen und
Homogenisatoren ein.
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Vorzugsweise
bildet die Kombination von organophilem Ton und Trägerfluid,
mit oder ohne einen polaren Aktivator, ein Gel, das eine höhere Viskosität und Fließspannung
hat als das Trägerfluid
allein.
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D. Wahlweise Komponenten
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Wahlweise
Komponenten schließen
die folgenden ein: Carboxylat-Seifen, Dispergiermittel, Korrosionsinhibitoren,
Gleitmittel, Additive gegen den Verschleiß bei extremem Druck, Antioxidationsmittel,
Thixotropiermittel und konventionelle Suspendiermittel. Carboxylat-Seifen
schließen
Eisen(II)oleat, Eisen(II)naphthenat, Eisen(II)stearat, Aluminiumdi-
und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und
Natriumstearat ein, und Tenside schließen Sulfonate, Phosphatester,
Stearinsäure,
Glycerinmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole,
fluoraliphatische polymere Ester und Titanat-, Aluminat- und Zirconat-Kupplungsmittel
und andere oberflächenaktive
Mittel ein. Polyalkylendiole (d.h. Polyethylenglycol) und teilweise
veresterte Polyole können
auch eingeschlossen sein. Geeignete Thixotropieradditive werden
z.B. in US-A-5,645,752
offenbart. Thixotropieradditive schließen Wasserstoffbindungs-Thixotropiermittel,
Polymer-modifizierte Metalloxide oder Mischungen derselben ein.
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II. Vorrichtungen, die
die magnetorheologische Fluid-Zusammensetzung einschließen
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Die
hierin beschriebenen, magnetorheologischen Fluid-Zusammensetzungen
können
in einer Anzahl von Vorrichtungen verwendet werden, einschließlich Bremsen,
Kolben, Kupplungen, Dämpfern,
Trainingsgerätschaften,
steuerbaren Verbundstrukturen und Strukturelementen. Beispiele von
Dämpfern,
die magnetorheologische Fluide einschließen, werden in US-A-5,390,121
und 5,277,281 offenbart. Eine Apparatur zur variablen Dämpfung einer
Bewegung, in der ein magnetorheologisches Fluid verwendet wird,
kann die folgenden Elemente einschließen:
- a)
ein Gehäuse
zur Aufnahme eines Volumens des magnetorheologischen Fluids;
- b) einen Kolben, der für
die Bewegung in dem Fluid-enthaltenden Gehäuse geeignet ist, wobei der
Kolben aus eisenhaltigem Material besteht, in das eine Anzahl N
von Wicklungen eines elektrisch leitenden Drahtes eingefügt ist,
der eine Spule definiert, die einen magnetischen Kraftfluss in und
um den Kolben herum erzeugt, und
- c) eine Ventil-Vorrichtung, die mit dem Gehäuse und/oder dem Kolben assoziiert
ist, um die Bewegung des magnetorheologischen Fluids zu steuern.
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US-A-5,816,587
offenbart eine Aufhängungslaufbuchse
mit variabler Steifheit, die in einer Aufhängung eines Motorfahrzeuges
verwendet werden kann, um das Ruckeln der Bremsen zu reduzieren.
Die Laufbuchse schließt
folgendes ein: eine Welle oder einen Stab, der (die) mit einem Aufhängungsteil
verbunden ist; einen inneren Zylinder, der mit der Welle oder dem
Stab fest verbunden ist, und einen äußeren Zylinder, der mit dem Chassisteil
fest verbunden ist. Die darin offenbarten, magnetorheologischen
Fluide können
zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder angeordnet werden,
und eine Spule kann um den inneren Zylinder herum angeordnet werden.
Wenn die Spule durch einen elektrischen Strom angeregt wird, der
z.B. von einem Aufhängungskontrollmodul
bereitgestellt wird, wird ein variables Magnetfeld erzeugt, um das
magnetorheologische Fluid zu beeinflussen. Die variablen Steifigkeitswerte
des Fluids verleihen der Laufbuchse variable Steifigkeitseigenschaften.
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Das
Fließen
der hierin beschriebenen, magnetorheologischen Fluide kann unter
Verwendung eines Ventils gesteuert werden, wie z.B. in US-A-5,353,839
offenbart wird. Die mechanischen Eigenschaften des magnetorheologischen
Fluids in dem Ventil können
variiert werden, indem man ein Magnetfeld anlegt. Das Ventil kann
folgendes einschließen:
einen magnetisch-leitfähigen
Körper
mit einem magnetischen Kern, in dem eine Induktionsspulenwicklung
untergebracht ist, und einen hydraulischen Kanal, der zwischen der
Außenseite
des Kerns und der Innenseite des Körpers angeordnet ist, der mit
einer Fluid-Einlassöffnung
und einer Fluid-Auslassöffnung
verbunden ist, in dem das magnetorheologische Fluid von der Einlassöffnung durch
die hydraulische Leitung zur Auslassöffnung strömt. Vorrichtungen, in denen
magnetorheologische Ventile verwendet werden, werden auch in US-A-5,353,839
beschrieben.
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Steuerbare
Verbundstrukturen oder Strukturelemente, wie solche, die in US-A-5,547,049 von Weiss
et al. beschrieben werden, können
hergestellt werden. Diese Verbundstrukturen oder Strukturelemente
umfassen magnetorheologische Fluide als Strukturkomponente zwischen
einander gegenüberliegenden
Einschließungsschichten,
um wenigstens einen Teil irgendeines Typs von ausgedehnten, mechanischen
Systemen, wie Platten, Tafeln, Strahlen und Stäbe oder Strukturen, zu bilden,
die diese Elemente einschließen.
Die Steuerung der Steifigkeit und der Dämpfungseigenschaften der Struktur
oder der Strukturelemente kann durch Änderung der Scher- und Kompressions/Zugmoduln
des magnetorheologischen Fluids erreicht werden, indem man das angelegte
Magnetfeld variiert. Die Verbundstrukturen der vorliegenden Erfindung
können
in eine große
Vielfalt von mechanischen Systemen eingefügt werden, um die Schwingung
und andere Eigenschaften zu regeln. Das flexible Strukturelement
kann in Form eines Strahls, einer Tafel, eines Stabs oder einer
Platte vorliegen.
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III. Verfahren zur Herstellung
der magnetorheologischen Fluid-Zusammensetzung
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Die
Fluide der Erfindung können
durch irgendeine Vielfalt von konventionellen Mischverfahren hergestellt
werden. Wenn der Ton nicht selbst-aktivierend ist, kann ein Aktivator
zugegeben werden, um das Dispergieren des Tons zu erleichtern. Bevorzugte
Aktivatoren schließen
Propylencarbonat, Methanol, Aceton und Wasser ein. Die maximale
Viskosität
des Produkts zeigt ein vollständiges
Dispergieren und Aktivieren des Tons an. Eine Verstärkung der
Absetzungsstabilität
kann unter Verwendung eines Absetzungstests bestimmt werden. In
einer Ausführungsform
wird der Ton mit dem Trägerfluid
und einem polaren Aktivator vermischt, um ein Vorgel zu bilden,
bevor die magnetisch-reagierenden Teilchen zugegeben werden.
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IV. Verfahren zur Bewertung
der magnetorheologischen Fluid-Zusammensetzungen
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Die
Härte irgendeiner
Absetzung am Boden der Zusammensetzung kann unter Verwendung einer
Universal-Testmaschine (die eine Sonde stößt oder zieht und die Last
misst) gemessen werden, z.B. einer Instron-Maschine, in der eine
Sonde, die an einem Messumwandler befestigt ist, in den Sedimentkuchen
gestoßen wird,
und der Widerstand gemessen wird. Zusätzlich dazu kann ein Test des
erneuten Dispergierens durchgeführt
werden, bei dem die Mischung erneut gerührt wird und die Fähigkeit
der Zusammensetzung zur Bildung einer gleichmäßigen Dispersion durch visuelle
Untersuchung oder den Härtetest
gemessen wird.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht einschränkenden
Beispiele besser verstehen.
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Beispiele
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Magnetorheologische
Fluide wurden hergestellt, indem man die folgenden Komponenten in
den in der Tabelle I aufgeführten
Gew.-% miteinander vermischte: Eisencarbonyl-Teilchen (R2430), erhältlich von
ISP; Poly-α-Olefin
("PAO")-Öl-Trägerfluid
(DURASYN 162 und 164), erhältlich
von Albermarle Corporation; eine Organomolybdän-Verbindung (MOLYVAN 855),
erhältlich
von Vanderbilt Corp; ein Phosphat-Additiv (VANLUBE 9123), erhältlich von
Vanderbilt Corp.; ein Tonadditiv und Lithiumstearat. Die Tonadditive
sind wie folgt: GENIE GEL Fett (ein Montmorillonit-Ton), GENIE GEL
22 (ein hydrophiler Montmorillonit-Ton) und GENIE GEL GLS (ein Montmorillonit-Ton),
die alle von TOW Industries erhältlich
sind; CLAYTONE APA (ein Montmorillonit-Ton) und CLAYTONE EM (ein
Montmorillonit-Ton), erhältlich
von Southern Clay Products Inc; ATTAGEL 50 (ein Mineral), erhältlich von
Englehard; BARAGEL 10 (ein Bentonit-Ton), erhältlich von RHEOX, Inc., und
RHEOLUBE 737 (ein Fett, das Poly-α-Olefin-Öle und organophile
Tone einschließt).
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Das
Absetzungsverhalten der Fluide wurde in einem zwei Wochen andauernden
Test gemessen.
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Etwa
400 ml des Fluids wurden in einen Becher gegossen, der einem thermischen
Zyklus unterzogen wurde, indem man den Becher 64 Stunden lang in
einen Ofen von 70°C
legte. Der Becher wurde dann 2 Stunden lang in ein Gefriergerät von –20°C gelegt;
4 Stunden lang in den Ofen von 70°C
gelegt; 2 Stunden lang in das Gefriergerät von –20°C gelegt und schließlich 16
Stunden lang in den Ofen von 70°C
gelegt. Die Reihe der Zyklen von 2/4/2/16 Stunden wurde noch viermal
wiederholt. Der Becher wurde dann 64 Stunden bei 70°C gealtert,
und der Zyklus von 2/4/2/16 Stunden wurde noch viermal wiederholt.
Der abschließende
Zyklus war ein Zyklus von 2/4/2 Stunden bei –20°C/70°C/–20°C. Die Absetzungshärte nach
den thermischen Zyklen wurde durch eine mechanische Spannungs-/Kompressions-Testmaschine
unter Verwendung einer Kraftmessdose von 10 N gemessen. Eine Sonde
einer Länge
von 140 mm und eines Durchmessers von 12,5 mm wurde an der Kraftmessdose
befestigt. Die Sonde wurde an einem Ende maschinell zu einer konischen
Form bearbeitet, wobei der Konus eine Höhe von 12,5 mm hatte. Das Ende
der Spitze wurde in einem Winkel von 25° auf einen Durchmesser von 1,2
mm geglättet.
Der Test wurde durchgeführt,
indem man die Sonde mit einer Geschwindigkeit von 50 mm/min auf
eine vorher bestimmte Tiefe in das Fluid herabsenkte. Der berichtete
Härtewert
war der Durchschnittswert von 5 Werten, die an unterschiedlichen
Stellen radial symmetrisch etwa 20 mm von der Wand des Bechers aus
gemessen wurden. Je größer der
Härtewert
ist, desto schwieriger ist es, das Fluid erneut zu dispergieren. Tabelle
I Formulierungen
von MR-Fluiden
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Die
physikalischen Eigenschaften der obigen Formulierungen wurden gemessen
und sind nachstehend in der Tabelle II aufgeführt. Tabelle
II
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Eine
Sedimenthärte
von größer als
3,0 ist ein Hinweis auf eine unannehmbare Schwierigkeit beim erneuten
Dispergieren. Aus den Ergebnissen in der Tabelle II ist ersichtlich,
dass 1. nicht alle Tone ein annehmbares, erneutes Dispergiervermögen bereitstellen
(siehe die Vergleichsbeispiele 4, 6, 9 und 11) und 2. der Einschluss
bestimmter Tonadditive das erneute Dispergiervermögen in Bezug
auf Fluide verbessert, die nicht den Ton enthalten (siehe Vergleichsbeispiel
10).