자기 유변 액체, 이의 제조 방법 및 용도 document_id A220623107171

일반적으로, 자기장의 작용하에 레올로지 특성이 변화되는 액체를 자기 유변 액체(약어:MRL)라 한다. 이들은 일반적으로 (종종 베이스 오일이라고도 불리는) 담체 액체 중 강자성, 초상자성 또는 상자성 입자의 현탁액이다. 이러한 현탁액을 자기장에 노출시킬 경우, 그 흐름 저항성이 증가된다. 이것은 자기 상호작용에 의하여 예컨대 철 분말과 같은 분산된 자화성 입자가 자기장 선과 평행한 사슬 유사 구조를 형성하기 때문이다. MRL의 변형 동안, 이들 구조는 부분적으로 파괴되지만, 다시 형성된다. 자기장에서 자기 유변 액체의 레올로지 특성은 흐름 제한이 있는 가소성 물체의 특성과 비슷하여, 즉 자기 유변 액체가 유동하도록 하기 위하여 최소한의 전단 응력을 가할 필요가 있다. 자기 유변 액체는 비뉴톤 액체로 이루어지는 군에 속한다. 흐름 제한으로 인하여, 점성은 부과되는 전단 속도에 따라 크게 변화된다. 자기장의 인가로 인한 가역성 점도 변화는 수 밀리초 이내에 일어날 수 있다. 자기 유변 액체의 레올로지 거동은 자기장 강도의 증가에 따라 흐름 제한이 증가되는 Bingham 모델에 의하여 대략 개시될 수 있다. 예컨대, 1 tesla 이하의 자속 밀도에서 수만 N/m2의 전단 응력 값을 얻을 수 있다. 충격 흡수기, 클러치, 브레이크 및 기타 제어 장치(예컨대, 헵틱 장치, 충돌 충격 흡수기, 전자식 조향 장치, 전자식 기어 시스템, 전자식 브레이크 시스템, 씰, 홀딩 시스템, 보철, 정합 장치 또는 베어링)과 같은 장치에서 자기 유변 액체를 사용하기 위해서는 높은 전달 전단 응력이 필요하다. 자기 유변 액체의 전달 전단 응력은 자화성 입자의 부피 분율에 따라 증가한다. 개개의 적용예에서, 자화성 입자의 부피 또는 중량 분율이 90% 이상인 것이 전체적으로 바람직하다. 이러한 경우, 제제 중의 개개의 성분들, 주로 베이스 오일, 분산제, 증량제 및 철 입자 (표면 특성화제)는 자화성 입자의 부피 분율이 높아도 분산이 제어될 수 있도록 서로 조절하여야 한다. 이것은 일차적으로 특히 자동차 분야에서의 사용에 있어서 중요한 약 -40℃ ∼ 200℃의 광범위한 온도 범위에 걸쳐 제제의 유동성을 의미하는 것으로 이해된다. 자기장의 작용 없이 가능한 낮은 점도 수준, 자기장 하에서의 가능한 높은 흐름 제한, 자화성 입자의 침강 거의 없음, 침강 후의 용이한 재분산성 및 응집 경향 거의 없음을 목적으로 하는 것이 필요하다. WO 01/03150 A1호에는 담체 오일 외에 평균 직경이 0.1∼1000 ㎛인 자기 유변 입자를 포함하는 자기 유변 제제가 개시되어 있다. 또한, 자기 유변 제제는 벤토나이트형에서 유도되는 판상 실리케이트를 포함한다. 이들 소수성으로 개질된 판상 실리케이트는 빠른 침강을 방지하는 데 사용된다. 그러나, WO 01/03150 A1호에 따르면, 다량의 판상 실리케이트가 사용되므로 제한된 흐름 거동으로 인하여 저온 적용예에서 불리하다. 미국 5,683,615호에는 콜로이드 안정성을 개선시키기 위한 자화성 입자의 분산제로서의 티오포스포러스 및/또는 티오카르바메이트 화합물의 용도가 개시되어 있다. 미국 5,667,715호는 자기장 존재 및 부재하에 점도 비율을 최대화하기 위하여 큰 철 입자 및 작은 철 입자의 혼합물에 관한 것이다. 여기서 실리카는 또한 증량제로서도 사용된다. 에톡실화 알킬아민과 같은 계면활성제가 분산제로서 언급된다. 큰 철 입자 대 작은 철 입자의 비율은 5∼10:1이다. WO 02/25674호에는 침강 안정성을 개선시키기 위하여 다량의 증량체를 사용한 자기 유변 페이스트가 개시되어 있다. 그러나, 경험상 이러한 제제는 흐름 저항성이 높아서 저온 적용예에 부적당하다. EP 0 845 790호에는 합성 중합체 및 셀룰로오스 유도체로 코팅된 자기 입자의 용도가 개시되어 있다. 이들 특정 합성 중합체 및 셀룰로오스 유도체는, 생성되는 자기 유변 제제의 침강 안정성, 마모성 및 콜로이드 안정성의 개선을 목적으로 사용된다. 그럼에도 불구하고, 제제 중에 분산제 및 증량제를 추가로 사용할 것이 요구된다. 공지된 자기 유변 제제의 단점은 각 사용 분야에 대하여 제한된 특성 프로필만을 가진다는 것이다. 따라서, 다수의 공지된 자기 유변 제제는 100℃ 이하의 온도에서만 비교적 장기간에 걸쳐 안정하고, 반면에 150℃ 이하의 고온에서는 더 이상 충분한 안정성이 존재하지 않는다. 여기서, 안정하다는 것은 열 하중의 결과로서 성능 특성이 손상되지 않는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 이러한 성능 특성은 먼저 자기장 부재하 또는 자기장 영향하에서의 레올로지 특성, 즉 흐름 거동이다. 다음으로, 비교적 장시간 동안 열 하중을 받은 후, 샘플은 예컨대 더 이상 재분될 수 없는 경질 침강물의 형성을 수반하는 침강 증대 또는 응집과 같은 비안정성 또는 비균질성을 보이지 않아야 한다. 공지된 자기 유변 제제는 지나치게 고도로 점성이며 자기장의 인가 없이도 -30℃ 이하의 온도에서 결정화하거나 또는 무정형으로 고화된다. 선행 기술로부터 공지된 자기 유변 제제의 추가의 단점은 열순환에서 가역성 제제 특성을 가지지 않는다는 것이다. 따라서, 전반적으로 이 전체 온도 범위에 걸쳐 가역성 제제 특성을 가지며 광범위한 온도 범위에 걸쳐 안정한 자기 유변 제제가 필요하다. 또한, 예컨대 90 중량% 이하의 높은 입자 농도에서도 제제의 광범위한 조작성을 확보하기 위하여, 자기장의 인가 없이 -30℃ 이하의 저온에서도 점도가 낮은 자기 유변 제제가 바람직하다. 더 나아가, 자화성 입자의 침강 후 문제 없이 재분산될 수 있는 자기 유변 제제가 바람직하다. 자기장의 인가시 높은 전달 전단 응력을 확보하기 위하여 상기 특성을 갖는 고도로 착색된 제제가 얻어져야 한다. 공지된 자기 유변 제제는 모든 면에서 상기 개요한 요건 프로필을 만족시키지 못한다. 재분산성이 불량하거나, 또는 자기장 부재 상태에서 저온 흐름 거동이 없거나(이것은 과도하게 높은 베이스 오일의 점도에서 기인하거나 또는 오일, 분산제 및 요변성제의 비상용성에 의하여 야기될 수 있음), 또는 자화성 입자의 농도가 지나치게 높지 않을 경우 또는 요변성제를 덜 사용할 경우에만 전체 온도 범위에서의 유동성이 얻어지므로 침강 안정성을 해친다.