Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetorheologische Formulierung enthaltend in einer Flüssigkeit dispergierte magnetisierbare Teilchen, Verfahren zur Herstellung der magnetorheologischen Formulierung sowie deren Verwendung.

Als magnetorheologische Formulierungen (Abkürzung: MRF) bezeichnet man generell Formulierungen, welche ihre rheologischen Eigenschaften unter Einwirkung eines magnetischen Feldes verändern. Dabei handelt es sich zumeist um Suspensionen von ferromagnetischen, superparamagnetischen oder paramagnetischen Teilchen in einer Flüssigkeit.

Wird eine solche Suspension einem Magnetfeld ausgesetzt, nimmt ihr Fließwiderstand zu. Dies wird dadurch verursacht, dass die dispergierten magnetisierbaren Teilchen, beispielsweise Eisenpartikel, aufgrund ihrer magnetischen Wechselwirkung kettenartige Strukturen entlang der Magnetfeldlinien ausbilden. Während der Scherung einer MRF werden diese Strukturen partiell zerstört, bilden sich aber wieder zurück. Die rheologischen Eigenschaften einer magnetorheologischen Formulierung in einem Magnetfeld ähneln den Eigenschaften eines plastischen Körpers mit Fließgrenze, d.h. es muss eine Mindest-Schubspannung aufgewendet werden, um die magnetorheologische Formulierung zum Fließen zu bringen.

Hohe übertragbare Schubspannungen sind erforderlich für den Einsatz magnetorheologischer Formulierungen in regelbaren Vorrichtungen wie Dämpfern, Kupplungen, Bremsen und anderen Geräten (zum Beispiel Haptic Devices, Crashabsorbern, Steer-by-Wire-Lenksystemen, Gear- und Brake-by-wire-Systemen, Dichtungen, Haltesystemen, Prothesen, Fitnessgeräten oder Lagern).

Bekannte Anwendungen von magnetorheologischen Flüssigkeiten sind zum Beispiel in US 5,547,049, in EP 1 016 806 B1 oder in EP 1 025 373 B1 beschrieben.

Dem Fachmann bekannte Formulierungen nach dem Stand der Technik verwenden als Basisflüssigkeit Kohlenwasserstoffe, etwa Alkane, Alkene, Poly-α-olefine (PAO) oder Ester, Polyester, Silikonöle, Polyalkylenglykole, oder Wasser. Als magnetische Komponente wird häufig Carbonyleisenpulver - sphärische Eisenpartikel mit einer Größe zwischen 1 und 30 µm - verwendet, obwohl auch Partikel aus anderen Legierungen (WO 94/10691) oder mit unregelmäßiger Gestalt beschrieben werden (WO 04/044931 oder US 2004/140447).

Eine gute Gebrauchsfähigkeit einer magnetorheologischen Formulierung bedingt eine geringe Sedimentationsneigung der verwendeten magnetisierbaren Partikel in der Flüssigkeit. Treten Sedimente auf, so müssen diese leicht aufrührbar, d.h. leicht redispergierbar sein, um die Funktion der Apparate in denen die magnetorheologischen Formulierung eingesetzt wird, nicht negativ zu beeinflussen. Die Bildung von Agglomeraten sowie harten nicht mehr redispergierbaren Sedimenten lässt sich durch Verwendung geeigneter Dispergiermittel völlig oder teilweise umgehen. Hierzu werden in der Regel Polymere oder Tenside eingesetzt. US 5,683,615 beschreibt die Verwendung von Thiophosphor- und/oder Thiocarbamat-Verbindungen als Dispergiermittel für magnetisierbare Partikel zur Verbesserung der Kolloidstabilität. US 2004/0084651 beschreibt Oleate, Naphthenate, Sulfonate, Phosphatester, Laurate, Stearate, z.B. Lithiumhydroxystearat, Stearinsäure, Glycerinmonoleat, und Fettalkohole als Dispergiermittel. US 2002/0130305 erwähnt als bevorzugte Tenside ethoxylierte Alkylamine wie z.B. Talgfettaminethoxylat. US 2003/0047705 beansprucht ethoxylierte und propoxylierte Alkylamine.

Darüber hinaus enthalten die bekannten magnetorheologischen Formulierungen meist ein Thixotropiermittel, welches eine Fließgrenze aufbaut und so einer Sedimentation der Partikel entgegenwirkt. Die Sedimenthärte wird verringert und die Redispergierbarkeit von bereits sedimentierten Partikeln wird durch derartige Zusätze erleichtert. Stand der Technik ist die Verwendung von hydrophob modifizierten Schichtsilikaten des Smectit-Typs, besonders des Montmorillonit-Typs (WO 01/03150 A1), eines Hauptbestandteils des Bentonits, von Kieselgel oder von dispersem Siliciumdioxid (US 5,667,715) in unpolaren Flüssigkeiten. Bekannt ist auch die Verwendung von Kohlenstoffpartikeln (US 5,354,488) oder von Polyharnstoffen für diesen Zweck (DE 196 54 461 A1).

Magnetorheologische Formulierungen auf wässriger Basis sind in US 6,132,633 beschrieben und enthalten hydrophile Schichtsilikate des Bentonit- oder Hectorit-Typs. Auch Laponite, ein dem Hectorit ähnliches synthetisches Schichtsilikat, wird für diesen Einsatzzweck erwähnt.

Die übertragbare Schubspannung einer magnetorheologischen Formulierung steigt mit dem Gewichtsanteil der magnetisierbaren Partikel. Für einzelne Anwendungen sind dabei durchaus Gewichtsanteile der magnetisierbaren Partikel von 90 % und mehr anzustreben. Strategien zur Maximierung der Gewichtsanteile und damit der übertragbaren Schubspannung unter Feld beziehen sich auf die Feinabstimmung der Partikelgrößen, eventuell die Verwendung von verschieden großen Partikeldurchmessern (WO 97/15058). US 5,667,715 betrifft eine Mischung aus großen und kleinen Eisenpartikeln, um das Verhältnis der übertragbaren Schubspannung mit Magnetfeld zur übertragbaren Schubspannung ohne Magnetfeld zu maximieren. Limitierend ist jedoch in jedem Fall die dichteste Kugelpackung der magnetisierbaren Teilchen und die mit dem Pigmentierungsgrad ansteigende Grundviskosität bzw. Schubspannung. In der US-Patentanmeldung US 2006/0033068 werden deshalb magnetorheologische Formulierungen mit Anteilen von magnetisierbaren Teilchen beschrieben, die eine spezielle Geometrie besitzen. Diese Teilchen in Form von Plättchen, Nadeln, Zylindern oder in Eiform richten sich ohne Einflüsse eines Magnetfeldes in Richtung der Flussrichtung einer Flüssigkeit aus und weisen deshalb eine im Vergleich zu magnetorheologische Formulierungen mit z.B. sphärischen Partikeln niedrigere Grundviskosität bei vergleichbarer maximaler Schubspannung unter Feld auf.

Eine weitere Strategie, die erzielbaren Schubspannungen zu maximieren, ist das Entfernen von störenden Verunreinigungen auf den Partikeloberflächen (WO 94/10694 oder WO 95/28719) oder das Verwenden bestimmter Legierungen (WO 94/10691).

Dem Fachmann ist bekannt, dass die Polarität einer in der magnetorheologischen Formulierung enthaltenen Flüssigkeit die mit der magnetorheologischen Formulierung erzielbaren Schubspannungen in einem Magnetfeld mit beeinflusst. So zeigen magnetorheologische Formulierungen auf Poly-α-olefin-Basis niedrigere Schubspannungen als MR-Formulierungen auf Silikonbasis oder gar wässrige Systeme. Polare Zusätze zu der flüssigen Komponente einer magnetorheologischen Formulierung können zu verbesserten Schubspannungen beitragen.

Herkömmliche in magnetorheologischen Formulierungen enthaltene polare Flüssigkeiten, wie etwa Wasser oder Polyalkylenglykole, zeigen aber bei niedrigen Temperaturen unter -20°C eine zu hohe Viskosität oder Erstarren, und scheiden deshalb für geeignete magnetorheologische Formulierungen, die ein hohes Verhältnis an übertragbarer Schubspannung mit Magnetfeld zu übertragbarer Schubspannung ohne Magnetfeld aufweisen, aus.

Ein anderes, bisher nicht gelöstes Problem ist die mangelnde Temperaturstabilität der in der magnetorheologischen Formulierung enthaltenen Flüssigkeit. So ist eine Vielzahl der bekannten, bei niedrigen Temperaturen niedrigviskosen und damit zum Beispiel für den Automobilsektor einsetzbaren magnetorheologischen Formulierungen nur bei Temperaturen bis 100°C über einen längeren Zeitraum stabil, während bei höheren Temperaturen bis 150 °C eine ausreichende Stabilität nicht mehr gegeben ist, sei es aufgrund von Verdampfungsverlust oder aufgrund chemischer Veränderung der in der magnetorheologischen Formulierung enthaltenen Flüssigkeit. Unter "stabil" wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die anwendungstechnischen Eigenschaften sich in Folge von Temperaturbelastung nicht verschlechtern. Dieses sind einerseits die reologischen Eigenschaften, d.h. das Fließverhalten ohne Magnetfeld, sowie unter Einfluss eines Magnetfeldes. Andererseits sollen die Formulierungen nach längerer Temperaturbelastung keine Instabilitäten oder Inhomogenitäten zeigen, wie Agglomeration oder verstärkte Sedimentation, zum Beispiel unter Bildung harter, nicht mehr redispergierbarer Bodensätze, was unter anderem auf den teilweisen oder vollständigen Funktionsverlust des Dispergiermittels zurückzuführen ist. Häufig haben die bei niedrigen Temperaturen niedrigviskosen, in der magnetorheologischen Formulierung enthaltenen Flüssigkeiten einen zu hohen Dampfdruck bei Temperaturen über 150 °C. Ein Abdampfen von Flüssigkeitsanteilen bei hohen Betriebstemperaturen und damit ein Verdicken der magnetorheologischen Formulierung ist die Folge. Die bekannten magnetorheologischen Formulierungen mit Flüssigkeiten, die hohen Betriebstemperaturen von über 170°C ohne Beeinträchtigung der magnetorheologischen Formulierungslebensdauer ausgesetzt werden können, sind bei Temperaturen unter -20 °C bereits ohne Anlegen eines Magnetfeldes zu hochviskos, erstarren amorph oder kristallisieren.

JP 2006 193686 A offenbart eine magnetorheologische Formulierung enthaltend eine ionische Flüssigkeit, magnetisierbare Teilchen (mit einem Durchmesser zwischen 0.5 und 20 µm) und Additive. Die ionische Flüssigkeit kann aus 1-Butyl-3-methylimidazolium-Salze oder 1-Methyl-pyridinium-Salze ausgewählt sein.

Nachteilig an den bekannten magnetorheologischen Formulierungen ist, dass sie häufig nicht die gewünschte Eigenschaftskombination für die jeweiligen Anwendungsgebiete aufweisen. Die einzelnen Komponenten der Formulierungen - z.B. Basisflüssigkeit, Viskositätsmodifizierer, magnetisierbare Partikel, Dispergiermittel, Verdicker, Korrosionsinhibitoren und Gleitmittel und andere - sollten für viele Anwendungen so aufeinander abgestimmt sein, dass trotz der hohen Volumenanteile an magnetisierbaren Partikeln die Gebrauchsfähigkeit der Formulierung gewährleistet ist. Darunter versteht man die Fließfähigkeit der Formulierungen über einen breiten Temperaturbereich von zum Beispiel -40 °C bis 200 °C, ein möglichst niedriges Viskositätsniveau ohne Einwirkung eines Magnetfeldes, eine möglichst hohe übertragbare Schubspannung in einem Magnetfeld, ein geringes Sedimentationsverhalten der magnetisierbaren Partikel, eine geringe Aggregationstendenz und eine leichte Redispergierbarkeit nach Sedimentation. Eine wichtige Eigenschaft ist auch eine große Beständigkeit der magnetorheologischen Formulierung gegenüber Energieeinträgen, die aus der Benutzung resultiert. Die, Energie wird durch hohe Scherung mit und ohne Magnetfeld eingetragen und äußert sich in hohen Fluidtemperaturen, Abrieb und physikalischen und chemischen Fluidveränderungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine magnetorheologische Formulierung bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und die möglichst viele der für eine bestimmte Anwendung gewünschten, oben genannten Eigenschaften aufweist.

insbesondere soll die magnetorheologische Formulierung über einen großen Temperaturbereich einsetzbar sein, zum Beispiel soll sie in besonderen Ausführungsvarianten bei -40°C flüssig und ohne Beeinträchtigung der Gebrauchsfähigkeit Temperaturen über 150 °C aussetzbar sein. Weiterhin ist es insbesondere Aufgabe der Erfindung, eine magnetorheologische Formulierung zur Verfügung zu stellen, die nach der Sedimentation der magnetisierbaren Teilchen problemlos redispergierbar ist und durch die beim Anlegen eines Magnetfeldes möglichst hohe Schubspannungen übertragbar sind. Ferner sollen sich die rheologischen Eigenschaften der magnetorheologischen Formulierung sowohl im Magnetfeld als auch ohne Anlegen eines Magnetfeldes nach längerer mechanischer Beanspruchung möglichst wenig verändern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine magnetorheologische Formulierung, die eine ionische Flüssigkeit enthaltend Anionen und Kationen, dispergierte magnetisierbare Teilchen mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,1 und 500 µm und gegebenenfalls Additive enthält, wobei die ionische Flüssigkeit ausgewählt ist aus 1-Butyl-3-methylimidazolium-methylsulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumthiocyanat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumacetat, 1-Ethyl-3-methylpyridiniumethylsulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumdicyanamid, 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat, 1-Hexyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat, 1-Methyl-3-octylimidazoliumtetrafluorborat, 1-Methyl-3-octylimidazoliumhexafluorphosphat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhexafluorphosphat, 1-Hexyl-3-methylimidazoliumhexafluorphosphat, Methyltrioctylammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und 1-Ethyl-3-methylimidazolium-2(2-methoxyethoxy)ethylsulfat.

Die dispergierten Teilchen können dabei in einer Flüssigkeit dispergiert sein, die ausschließlich aus der ionischen Flüssigkeit (100 Gew.-%) besteht oder in einer Flüssigkeit dispergiert sein, die zusätzlich zu der ionischen Flüssigkeit weitere Komponenten, beispielsweise Additive, enthält. Vorzugsweise ist das Verhältnis des Gewichtsanteils der ionischen Flüssigkeit zum Gewichtsanteil der Additive jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der magnetorheologischen Formulierung größer als 1, besonders bevorzugt größer als 2. Als Additive werden dabei alle Komponenten der magnetorheologischen Formulierung bezeichnet, die zusätzlich zu der ionischen Flüssigkeit und den magnetisierbaren Teilchen darin enthalten sind.

Die erfindungsgemäße Formulierung auf der Basis von ionischen Flüssigkeiten enthält eine völlig neu zusammengesetzte Flüssigkeit, die im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten, in magnetorheologischen Formulierungen enthaltenen Flüssigkeiten nicht im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen, Estern, Polyethern, Polyestern, Silikonölen oder Wasser besteht.

Erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierungen zeigen sehr hohe Schubspannungen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen magnetorheologischen Formulierung mit vergleichbarer Schubspannung kann bei der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung ein niedrigerer Pigmentierungsgrad (weniger magnetisierbare Teilchen pro Volumen) verwendet werden, was wiederum eine niedrigere Viskosität der magnetorheologischen Formulierung ohne Magnetfeld bedeutet. Zudem ist die Temperaturabhängigkeit der Schubspannung im Magnetfeld deutlich geringer als die von magnetorheologischen Formulierungen basierend auf hydrophoben Ölen. Spezielle magnetorheologische Formulierungen gemäß der Erfindung sind selbst bei -40 °C noch fließfähig und zugleich bei Temperaturen über 180°C chemisch stabil und weisen einen sehr geringen Verdampfungsverlust auf. Bedingt durch den polaren Charakter ionischer Flüssigkeiten kann bei der Dispergierung von magnetisierbaren Partikeln mit hydrophiler Oberfläche, zum Beispiel von Eisenpartikeln, auf oberflächenaktive Zusätze oder auf Dispergiermittel verzichtet werden, so dass chemische und physikalische Veränderungen der magnetorheologischen Formulierung, die zum Beispiel nach Langzeit- oder Dauerbeanspruchung auftreten und auf Veränderungen z.B. des Dispergiermittels zurückzuführen sind, nicht stattfinden. Dementsprechend ist die übertragbare Schubspannung einer magnetorheologischen Formulierung basierend auf einer ionischen Flüssigkeit mit und ohne Magnetfeld nach Dauerlastversuchen nahezu unverändert, während magnetorheologische Formulierungen zum Beispiel auf Basis von Poly-α-olefinen eine Veränderung in der Schubspannung erfahren.

Ionische Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung sind ausgewählt aus 1-Butyl-3-methylimidazolium-methylsulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumthiocyanat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumacetat, 1-Ethyl-3-methylpyridiniumethylsulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumdicyanamid, 1-Butyl-3-methylimidazoliumtertrafluorborat, 1-Hexyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat, 1-Methyl-3-octylimidazoliumtetrafluorborat, 1-Methyl-3-octylimidazoliumhexafluorphosphat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhexafluorphosphat, 1-Hexyl-3-methylimida-zoliumhexafluorphosphat, Methyltrioctylammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und 1-Ethyl-3-methylimidazolium-2-(2-methoxyethoxy)ethylsulfat.

Diese ionischen Flüssigkeiten haben bei 20°C eine Viskosität von < 1000 mPas und sind noch bei Temperaturen von unter -20°C flüssig.

In der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung sind magnetisierbare Teilchen enthalten. Dabei kann es sich um beliebige, im Stand der Technik bekannte magnetisierbare Teilchen handeln.

Die in der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung enthaltenen magnetisierbaren Teilchen weisen einen mittleren Durchmesser zwischen 0,1 und 500 µm, bevorzugt zwischen 0,1 und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 50 µm auf. Die Form der magnetisierbaren Teilchen kann gleichmäßig oder unregelmäßig sein. Beispielsweise kann es sich um sphärische, stäbchen- oder nadelförmige Teilchen handeln. Bevorzugt werden magnetisierbare Teilchen von weitgehend sphärischer Gestalt eingesetzt. Annähernd sphärische Partikel können zum Beispiel durch das Verdüsen von geschmolzenen Metallen (Sprühpulver, "atomisierte" Pulver) erhalten werden.

Für die vorliegende Erfindung können auch Mischungen von magnetisierbaren Teilchen, insbesondere von magnetisierbaren Teilchen mit unterschiedlicher Teilchengrößenverteilung und/oder mit unterschiedlichem Material zum Einsatz kommen.

Die erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung enthält vorzugsweise magnetisierbare Teilchen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus eisenhaltigen Partikeln, nickelhaltigen Partikeln und cobalthaltigen Partikeln. Dabei handelt es sich zum Beispiel um Partikel aus Eisen, Eisenlegierungen, Eisenoxiden, Eisennitrit, Eisencarbid, Carbonyleisen, Nickel, Cobalt, Edelstahl, Siliciumstahl, Legierungen oder Mischungen daraus. Es können aber auch Partikel zum Beispiel aus Chromdioxid enthalten sein.

Die magnetisierbaren Teilchen können eine Beschichtung aufweisen, zum Beispiel kann ein mit isolierenden oder korrosionsverhindemden anorganischen Substanzen, z.B. Silikaten, Phosphaten, Oxiden, Carbiden oder Nitriden, mit anderen Metallen oder mit mindestens einem Polymer gecoatetes Eisenpulver verwendet werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in der magnetorheologischen Formulierung als magnetisierbare Teilchen Carbonyleisenpulver (CEP) -Partikel enthalten. Das Carbonyleisenpulver wird bevorzugt durch Zersetzung von Eisenpentacarbonyl hergestellt. Verschiedene Arten von CEP sind dem Fachmann bekannt. Neben den aus der thermischen Abscheidung erhalten nen harten CEP-Typen können auch reduzierte Carbonyleisenpulver verwendet werden. Derartige Pulver sind weniger abrasiv und sind mechanisch weicher. Von harten und reduzierten CEP-Sorten werden auf verschiedene Art und Weise oberflächenbehandelte Typen abgeleitet. Die gebräuchlichsten behandelten Carbonyleisenpulver sind Silikat- oder Phosphat-beschichtet, aber auch andere Modifizierungen sind erhältlich. Ein weiteres Kriterium der Differenzierung von Carbonyleisenpulvern ist die jeweilige Größenverteilung der Partikel, die wesentlichen Einfluss auf die Anwendungseigenschaften haben kann. Die dispergierten Carbonyleisenpulver-Partikel haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser zwischen 1 und 30 µm. Prinzipiell sind alle Carbonyleisenpulver-Sorten für die Erfindung geeignet. Die genaue Auswahl richtet sich nach den Einsatzbedingungen für die erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung.

In der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung sind die magnetisierbaren Teilchen vorzugsweise mit einem Anteil zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 70 Gew.-% und 88 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der magnetorheologischen Formulierung, enthalten.

Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung enthält die magnetorheologische Formulierung zusätzlich zu der ionischen Flüssigkeit mindestens ein Additiv. Das Additiv ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thixotropiermittel, Viskositätsmodifizierer, Verdicker, Dispergiermittel, oberflächenaktive Zusätze, Antioxidantien, Gleit-/Schmiermittel und Korrosionsschutzmittel.

Viskositätsmodifizierer können in der ionischen Flüssigkeit lösliche Lösungsmittel oder polymere Zusätze sein, die die Viskosität der Formulierung verändern. Geeignet sind z.B. polare Lösungsmittel, wie Wasser, Aceton, Acetonitril, niedermolekulare Alkohole, Amine, Amide, DMF, DMSO, oder polymere Zusätze wie z. B. unmodifizierte oder modifizierte Polysaccharide, Polyacrylate und Polyharnstoffe

Falls die erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung als Viskositätsmodifizierer dienende Additive enthält, so sind diese vorzugsweise in einer Konzentration von 0,01 bis 49 Gew.%, besonders bevorzugt von 0,01 bis 30 Gew.-%, insbesondere von 0,05 bis 10 Gew.%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht von ionischer Flüssigkeit und Additiven, enthalten.

Ein Thixotropiermittel ist ein Additiv, das eine Fließgrenze aufbaut und so einer Sedimentation der magnetisierbaren Teilchen in der in der magnetorheologischen Formulierung enthaltenen Flüssigkeit entgegenwirkt. Die erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung kann zum Beispiel mindestens ein Thixotropiermittel enthalten, das aus der Gruppe bestehend aus natürlichen und synthetischen Schichtsilikaten der Smectitgruppe (gegebenenfalls hydrophob modifizierten Schichtsilikaten, zum Beispiel des Montmorillonit-Typs, wie aus der WO 01/03150 A1 bekannt), Kieselgel oder (amorphem) dispersem Siliciumdioxid (wie aus US 5,667,715 bekannt), faserförmigen Silikaten(z.B. mikronisierte Sepiolithe und Attapulgite), Kohlenstoffpartikeln (wie aus US 5,354,488 bekannt), und Polyharnstoffen (wie aus DE 196 54 461 A1 bekannt) ausgewählt ist. Auch können Thixotropiermittel auf Basis von polymeren Kohlenhydraten eingesetzt werden, wie etwa Xanthangalactomannanderivate, Guarderivate und anionische oder nichtionische Cellulose- bzw. Stärkeether.

Beispiele für verwendbare Schichtsilikate sind Bentonit, Montmorillonit, Hectorit oder synthetische Schichtsilikate wie Laponite® der Rockwood Additives Ltd. und deren hydrophob modifizierten Varianten. Da die Polarität der in der magnetorheologischen Formulierung enthaltenen Flüssigkeit aufgrund des Charakters der ionischen Flüssigkeit sehr hoch ist, können zum Beispiel einfache Schichtsilikatverdicker eingesetzt werden, die eine reduzierte Sedimentation der magnetisierbaren Teilchen bewirken. Die Verwendung hydrophob modifizierter und damit an hydrophobe Basisöle wie Poly-α-olefine und Silikone angepasster Schichtsilikate ist daher zwar möglich, aber nicht unbedingt erforderlich.

Falls die erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung als Thixotropiermittel dienende Additive enthält, so sind diese vorzugsweise in einer Konzentration von 0,01 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,01 bis 5 Gew.-%, insbesondere von 0,05 bis 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf die magnetorheologische Formulierung, enthalten.

Ein Dispergiermittel ist ein Additiv, das die Redispergierbarkeit der magnetisierbaren Teilchen in der in der magnetorheologischen Formulierung enthaltenen Flüssigkeit nach ihrer Sedimentation verbessert und deren Agglomeration verhindert. Bedingt durch den polaren Charakter ionischer Flüssigkeiten kann bei der Dispergierung von magnetisierbaren Partikeln mit hydrophiler Oberfläche, zum Beispiel von Eisenpartikeln, in der Flüssigkeit einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung auf Dispergiermittel verzichtet werden. In diesem Fall finden chemische oder physikalische Veränderungen der magnetorheologischen Formulierung, die zum Beispiel nach Langzeit- oder Dauerbeanspruchung auftreten und auf das Dispergiermittel zurückzuführen sind, nicht statt. Es können jedoch auch in der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung Dispergiermittel zum Einsatz kommen, zum Beispiel polymere Dispergiermittel wie Polysaccharide, Polyacrylate, Polyester, insbesondere von Polyhydroxystearinsäure, Alkydharze, langkettige Alkoxylate, weiterhin Polyalkylenoxide, wie z.B. Pluronic^® der BASF AG, bei denen es sich um Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Polyethylenoxid-Blockcopolymerisate und Polypropylenoxid-Polyethylenoxid-Polyproylenoxid-Blockcopolymerisate handelt. Mögliche Dispergiermittel sind weiterhin anionische, kationische, amphotere und nichtionische Tenside, die dem Fachmann bekannt sind und nicht im Einzelnen erwähnt werden müssen. Beispielhaft für nichtionische Tenside seinen Zuckertenside und Alkoholalkoxylate genannt, als Beispiel für anionische Tenside Anionen von Carbonsäuren, z.B. Oleate und Stearate, Alkylsulfate, Alkylethersulfate, Alkylphosphate, Alkyletherphosphate und Alkylsulfonate und als Beispiel für amphotere oder zwitterionische Tenside seien die Alkylaminoxide genannt.

Falls die erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung als Dispergiermittel dienende Additive enthält, so sind diese vorzugsweise in einer Konzentration von 0,01 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,05 bis 1. Gew.-%, jeweils bezogen auf die magnetorheologische Formulierung, enthalten.

Die erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung kann wahlweise andere Additive enthalten, beispielsweise Gleitmittel wie Teflonpulver, Molybdänsulfit oder Graphitpulver, Korrosionsinhibitoren, Anti-Verschleiß-Additive und Antioxidantien.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die in der magnetorheologischen Formulierung enthaltene ionische Flüssigkeit bei 25 °C eine kinematische Viskosität von < 5000 mPas, bevorzugt von < 1000 mPas, besonders bevorzugt von < 200 mPas (vorzugsweise gemessen nach DIN 51562 bzw. ISO 3105 mit einem Ubbelohde-Viskosimeter Typ 501 von Schott). Ferner hat die ionische Flüssigkeit der magnetorheologischen Formulierung vorzugsweise bei -30°C eine Viskosität < 20000 mPas, besonders bevorzugt < 10000 mPas, ganz besonders bevorzugt < 2000 mPas.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung durch Dispergieren der magnetisierbaren Teilchen in einer Flüssigkeit, die eine ionische Flüssigkeit enthaltend Anionen und Kationen enthält.

Die Herstellung erfolgt zum Beispiel so, dass die ionische Flüssigkeit vorgelegt und gegebenenfalls mit Additiven versehen wird. Bevor die ionische Flüssigkeit mit anderen Bestandteilen der magnetorheologischen Formulierung gemischt wird, kann sie erwärmt werden, um ihre Viskosität herabzusetzen. Zur Herstellung der magnetorheologischen Formulierung werden die magnetisierbaren Teilchen in der die ionische Flüssigkeit enthaltenden Flüssigkeit dispergiert. Es ist jedoch alternativ möglich, die magnetisierbaren Teilchen in die ionische Flüssigkeit einzurühren und erst anschließend Additive hinzuzugeben. Die Homogenisierung der magnetorheologischen Formulierung erfolgt zum Beispiel mit Hilfe eines geeigneten Rühraggregats. Wahlweise wird die resultierende magnetorheologische Formulierung unter Vakuum entgast. Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Formulierung für Anwendungen in regelbaren Vorrichtungen wie Dämpfern, Kupplungen, Bremsen und anderen Geräten, wie insbesondere Haptic Devices, Crashabsorbern, Steer-by-Wire-Lenksystemen, Gear- und Brake-by-Wire-Systemen, Dichtungen, Haltesystemen, Prothesen, Fitnessgeräten oder Lagern.

Anhand von Beispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Beispiel 1:
Magnetorheologische Formulierung bestehend aus 19,5 Gew-% EMIM EtSO4 (1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat), 0,5 Gew-% Schichtsilikat (Laponit® RDS der Rockwood Additives Ltd) als Thixotropiermittel und 80 Gew-% Carbonyleisenpulver SQ der BASF AG als magnetisierbare Teilchen.

Beispiel 2:
Magnetorheologische Formulierung bestehend aus 22,34 Gew.-% 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat, 0,66 Gew.-% Schichtsilikat Laponite® RDS der Rockwood Additives Ltd als Thixotropiermittel und 77 Gew.-% Carbonyleisenpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 4 µm als magnetisierbare Teilchen.

Beispiel 3: 23 Gew. % 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat und 77 Gew.% Carbonyleisenpulver Typ ON der BASF AG als magnetisierbare Teilchen.

Vergleichsbeispiel: 23 Gew.% Poly-α- olefin Durasyn® DS 192 der BASF AG und 77 Gew.-% Carbonyleisenpulver Typ ON der BASF AG.

Die Eigenschaften der magnetorheologischen Formulierungen sind in Tabellen 1 und 2 zusammengestellt.

Tabelle 1 enthält die Schubspannungen τ der magnetorheologischen Formulierungen bei verschiedenen Temperaturen (-30°C und 25°C) und Scherraten (10 s^-1 und 100 s^-1) ohne Magnetfeld und bei 25°C und 1 s^-1 mit Magnetfeld (magnetische Flussdichte 0,7 T).

Die rheologische Charakterisierung der Formulierung mit Magnetfeld erfolgt in einem kommerziellen Rheometer Physica MCR501 von Anton Paar GmbH, ausgestattet mit einer Magnetmesszelle MRD 180/1 T, ebenfalls Anton Paar GmbH. Die Messungen erfolgen in einer Platte-Platte Anordnung mit dem standardmäßig mitgelieferten Rotor mit 20 mm Durchmesser, der Plattenabstand beträgt 0,3 mm. Die Kalibrierung der Magnetmesszelle mit Probe zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte erfolgt mit einem Gaussmeter der Firma F.W. Bell (Model 9500, Sonde F.W. Bell 1X). Nach Einbau der Probe erfolgt eine komplette Entmagnetisierung der Messzelle. Um reproduzierbare Messbedingungen einzustellen, wird die Probe vor jeder Messung mit einer Scherrate von 10 s^-1 für 20 s vorgeschert, es schließt sich eine Ruhephase von 10 s an. Bei gegebener Stromstärke der Magnetspule werden verschiedene Scherraten angefahren (z.B. 0,1, 1, 10, 100 s^-1). Nach einer Dauer von 10 s wird der Messwert genommen. Die angegebenen Schubspannungen werden unter Annahme einer Newtonschen Flüssigkeit berechnet.

Die rheologische Charakterisierung der Formulierung ohne Magnetfeld erfolgt in einer Kegel-Platte Geometrie mit 40 mm Durchmesser und einem Kegelwinkel von 2 (Rheometer RheoStress 150 von Thermo Haake). Der Messmodus ist schubspannungsgesteuert, es werden Stufen in der Schubspannung für die Dauer von 1 s angefahren (typische Scherspannungsbereiche liegen zwischen 0,05 und 2500 Pa) und eine Fließkurve erstellt. Aus dieser wird die zu den Scherraten 10 und 100 s^-1 zugehörige Schubspannung abgelesen. τ[Pa]
10s
-30°C τ[Pa]
100s^-1
25°C τ [kPa]
1s^-1
0,7 T 25°C Beispiel 1 270 210 82 Beispiel 2 50 25 74 Beispiel 3 42 23 68 Vergleichsbeispiel n.b. n.b. n.b. n.b. = nicht bestimmbar, da sofortige Separation einsetzt

Tabelle 2 enthält Angaben zum Fließverhalten bei -40°C, zur Redispergierbarkeit, zur Redispergierbarkeit nach 28 Tagen und zur Ölabscheidung. Fließverhalten -40°C Redispergierbarkeit 2000 g; 15 min Redispergierbarkeit nach 28 Tagen Ölabscheidung nach 28 Tagen [%] Beispiel 1 0 + ++ 11 Beispiel 2 ++ ++ ++ 15 Beispiel 3 + 0 + 35 Vergleichsbeispiel n.b. -- -- 50 n.b. = nicht bestimmbar, da sofortige Separation einsetzt

Die Formulierung wird in einem verschraubbaren Glas auf -40°C abgekühlt. Anschließend wird nach dem Kippen des Glases um etwa 130° das Fließverhalten beurteilt. Ausschlaggebend ist die Geschwindigkeit, mit der sich im Glas erneut ein horizontaler Flüssigkeitsspiegel ausbildet.

• ++: fließt schnell (dünnflüssig)
• +: fließt langsam (dickflüssig)
• 0: fließt sehr langsam (zähflüssig)
• -: fest

Die magnetorheologische Formulierung wird 15 Minuten in einer Zentrifuge bei 4000 U/min. geschleudert. Hierbei treten Zentrifugalkräfte von 2000 facher Erdbeschleunigung auf. Nach der Zentrifugation wird das Sediment auf Redispergierbarkeit geprüft. Hierzu wird ein Laborspatel in den sedimentierten Bodensatz gesteckt (bis auf 3 mm über dem Gefäßboden) und um 180° gedreht. Dabei wird der Widerstand, welcher der Bewegung des Spatels entgegenwirkt, qualitativ beurteilt:

• ++: Widerstand sehr niedrig (sehr gut redispergierbar)
• +: Widerstand niedrig (gut redispergierbar)
• 0: Widerstand hoch (redispergierbar)
• -: Widerstand sehr hoch (schlecht redispergierbar)
• -: Spatel kaum zu drehen (nicht redispergierbar)

Die magnetorheologische Formulierung wird 5 cm hoch in ein Schraubdeckelglas gefüllt. Nach 28 Tagen wird ein Laborspatel bis 3 mm über den Glasboden in die Formulierung gesteckt und um 180° gedreht. Dabei wird der Widerstand, welcher der Bewegung des Spatels entgegenwirkt, qualitativ beurteilt:

• ++: Widerstand sehr niedrig (sehr gut redispergierbar)
• +: Widerstand niedrig (gut redispergierbar)
• 0: Widerstand hoch (redispergierbar)
• -: Widerstand sehr hoch (schlecht redispergierbar)
• : Spatel kaum zu drehen (nicht redispergierbar)

Die magnetorheologische Formulierung wird in ein verschraubbares graduiertes Reagenzglas gefüllt und bei 20°C die Ölabscheidung prozentual nach 28 Tagen abgelesen.

Drei bei -40 °C fließfähige magnetorheologische Formulierungen mit unterschiedlichen flüssigen Komponenten (davon eine erfindungsgemäße magnetorheologische Formulierung) wurden einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) unterzogen und dabei mit einer Rate von 5 °C/min an der Luft bis auf 250 °C aufgeheizt (Gerät Netzsch STA 449C). Dabei ergab sich folgender Massenverlust für die drei Formulierungen: Basisflüssigkeit Gewichtsverlust Am Bewertung für Gebrauch bei hohen Temperaturen i) Poly-α-olefin (Durasyn 162) - 5,3 % (30 °C bis 250 °C) nicht geeignet ii) Silikonöl (Wacker DM5) - 2,0 % (30 °C bis 250 °C) nicht geeignet iii) lonische Flüssigkeit: 1-Ethyl-3-methyl-imidazoliumethylsulfat - 0,9 % (30 °C bis 250 °C) geeignet

Die drei untersuchten magnetorheologischen Formulierungen waren wie folgt zusammengesetzt:

1. i) 9,38 Gew.-% Poly -α- olefin (Durasyn® DS192 der BASF AG) und 90 Gew.-% Carbonyleisenpulver Typ ON der BASF AG und 0,40 Gew.-% Dispergiermittel Disperbyk DB 108 (Byk-Chemie)+ 0,24 Gew.-% Bentone SD 3 (Elementis Specialties)
2. ii) 16,65 Gew.-% Polydimethylsiloxan Wacker DM5 + 83 Gew.-% Carbonyleisenpulver Typ SQ der BASF AG + 0,35 Gew.-% Bentone SD3
3. iii) 19,5 Gew.-% 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat und 80 Gew.-% Carbonyleisenpulver Typ SQ der BASF AG als magnetisierbare Teilchen und 0,5 Gew.-% Schichtsilikat Laponite® SD3 der Rockwood Additives Ltd als Thixotropiermittel.

Die Versuche wurden bei 25 °C mit einer Scherrate von 10 s^-1 durchgeführt.
a) Versuch mit erfindungsgemäßer magnetorheologischer Formulierung: 22,34 Gew.-% 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat und 77 Gew.-% Carbonyleisenpulver als magnetisierbare Teilchen und 0,66 Gew.-% Schichtsilikat Laponite® RDS der Rockwood Additives Ltd als Thixotropiermittel
b) Erster Vergleichsversuch: 17,75 Gew.-% Polydimethylsiloxan Wacker DM5 und 82 Gew.-% Carbonyleisenpulver Typ ON der BASF AG und 0,25 Gew.-% Bentone SD3.
c) Zweiter Vergleichsversuch: 18,67 Gew.-% Poly-α-olefin (Dimer von Dodecan) und 80 Gew.-% Carbonyleisenpulver Typ ON der BASF AG und 0,66 Gew.-% Dispergiermittel Borchi Gen BG 911 (Borchers GmbH) und 0,67 Gew.-% Schichtsilikat Bentone SD3. magnetische Induktion/T a) Schubspannung /kPa b) Schubspannung /kPa c) Schubspannung /kPa 0,00 0,0122 0,0511 0,00320 0,05 1 0,762 0,469 0,10 3,16 2,61 1,35 0,20 10,6 8,85 4,23 0,30 20,7 18 8,5 0,40 33,0 26 13,4 0,50 45,7 35,3 18,1 0,60 59 43,5 22,4 0,70 70 50,4 26,1 0,80 75,9 54,8 29,5 0,90 80,1 56,5 31,6 1,00 82,6 58,1 33,1

lonische Flüssigkeit flüssig über [°C] • Viskosität 20 °C • [mPas] 1-Butyl-3-methylimidazoliummethylsulfat < -20 • 214 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat <-20 • 122 1-Ethyl-3-methylimidazoliumdicyanamid <-20 • 22 1-Ethyl-3-methylimidazolium-n-butylsulfat (Vergleich) 24 • 173 1-Ethyl-3-methylimidazolium-n-hexylsulfate (Vergleich) 7 • 371 1-Ethyl-3-methylimidazolium-n-octylsulfate (Vergleich) -9 • 471 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat < -20 • 22 1-Butyl-3-methylimidazoliumthiocyanat < 20 • 54 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrachloraluminat (Vgl.) 9 • 26 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrachloraluminat(Vgl.) -10 • 32 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat < 20 • 93 1-Butyl-3-methylimidazoliumacetat <20 • 554 1-Ethyl-3-methylpyridiniumethylsulfat < -65 • 152 1-Ethyl-3-methylpyridiniumnonaflate (Vergleich) -6 • 225 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat (Vergleich) 15 • 1-Butyl-methylimidazoliumtetrafluorborat <-65 • 104 1-Hexyl-methylimidazoliumtetrafluorborat < -65 • 250 1-Methyl-3-octylimidazoliumtetrafluorborat < -65 • 400 1-Methyl-3-octylimidazoliumhexafluorphosphat <-65 • 900 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhexafluorphosphat <-65 • 560 1-Hexyl-3-methytimidazoliumhexafluorphosphat < -65 • 900 Methyltrioctylammonium-bis(trifluormethylsutfonyl)imid < -65 • 630 1-Ethyl-3-methylimidazolium-2-(2-methoxy-ethoxy)ethylsulfate <-65 • 205 1-Ethyl-3-methylimidazoliumdiethylphosphate (Vgl.) 20 • 554 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat (Vergleich) 28 • 4320