EP2822991A1 - Perforierte polymerfolien mit verbesserter toleranz gegen zugspannung - Google Patents

Perforierte polymerfolien mit verbesserter toleranz gegen zugspannung

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EP2822991A1
EP2822991A1 EP13705422.7A EP13705422A EP2822991A1 EP 2822991 A1 EP2822991 A1 EP 2822991A1 EP 13705422 A EP13705422 A EP 13705422A EP 2822991 A1 EP2822991 A1 EP 2822991A1
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EP
European Patent Office
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polymer film
holes
film according
film
tensile stress
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13705422.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Pascaly
Michael Kube
Ulrich Boes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Litarion GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Litarion GmbH filed Critical Evonik Litarion GmbH
Publication of EP2822991A1 publication Critical patent/EP2822991A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to the construction and the properties of thin perforated films and in particular films with high porosity, which under machining operations such. As the application of a coating or adhesive, do not tear.
  • Porous films including microperforated films, are well known and a variety of uses and methods of manufacture have been found for these materials.
  • Other manufacturing processes include the formation of voids in films through a variety of perforation processes, including needle punching, electrostatic discharge, high energy particle treatment, reduced pressure dot application, and laser perforation.
  • Porous films are typically characterized by a number of parameters, including the shape of their holes, the hole pattern, the porosity, which is also referred to as "open area" in the present invention, and the material used
  • JP A 2006-6326860 describes microperforated polymer films having thicknesses in the range of 1 to 25 ⁇ m and an open area of more than 10%.
  • JP A 06100720 describes porous polypropylene films having tensile strengths in the range of 60-150 N / mm 2 .
  • JP A 10-330521 describes high tensile polyolefin films having a thickness in the range of 10-120 ⁇ m, prepared by needle punching or laser punching, which are thickness-related
  • DE C 196 47 543 describes a thin perforated film web as packaging material, such as a stretch film, the holes of which open when a tensile stress is applied, without paying more attention to the tensile stress.
  • the object of the present invention is thus to provide porous polymer films of uniform thickness which withstand a maximum of tensile stress in order to be processable in the prior art roll-to-roll processes without tearing.
  • the invention relates to a perforated polymer film with a porosity P, 50%> P> 30%, and an array of holes A0, which is characterized by
  • the polymer film withstands greater tensile stress in the longitudinal direction without tearing than with equal porosity and any other arrangement of holes differing from A0 in at least one of A01, A02, A03, and / or A04.
  • the porosity is the quotient of the area occupied by the holes, abbreviated to area Lo c h , and the area occupied by the unperforated film synonymous with the present before the perforation film, abbreviated area Fo iie , understood in percent,
  • Porosity (Area Lo c h / Area F oiie) * 00%.
  • the tensile stress in the context of the invention is the maximum force per cross-sectional area of the polymer film, which is calculated according to ASTM D882-10 in the tensile test based on the original cross-section of the film without the film tearing. It must of course be taken into account that the film constricts transversely to the pulling direction.
  • the tensile stress is given in MPa and always applied to the direction of the web along which the
  • Polymer film is wound off and wound up.
  • the geometric shape of the holes is understood in the context of the invention, the geometric shape of the holes.
  • the hole shape may be an ellipse, a circle, or irregular.
  • Alignment of the holes is understood in the context of the invention, the orientation of the largest half-axes of the holes relative to the pulling direction.
  • the pulling direction of the holes is understood in the context of the invention, the orientation of the largest half-axes of the holes relative to the pulling direction.
  • the polymer film of the present invention is consistent with the direction in which the tensile forces act on the film in a roll-to-roll process. Particularly preferred is the alignment of the holes parallel to the pulling direction.
  • the regular arrangement of the holes in the film according to the invention is such that there is the simplest possible arrangement of holes that parquet the film.
  • such an arrangement of the holes may be rectangular, hexagonal, or diamond-shaped.
  • Figures 1 (a) - (d) show schematically different arrangements of the holes and with the arrows the pulling direction.
  • the invention likewise relates to the use of the polymer film according to the invention as a packaging material for protection against gases, as an electrochemical membrane, membrane for air conditioners, clothing, clean rooms, filtration, separation or as a battery separator.
  • the invention furthermore relates to a laminate which has the polymer film of the invention a porous medium to which the polymer film has been laminated.
  • a battery having a battery separator which has the polymer film or the laminate according to the invention.
  • separation is meant any separation or separation of media.
  • the polymer film of the invention may be used to separate ingredients in foods, fermentation products, e.g. Beer, liquid food, milk products preferred to be used.
  • fermentation products e.g. Beer, liquid food, milk products preferred to be used.
  • the tensile stress can be measured with so-called transverse expansion obstruction.
  • the film is prevented from being reduced in width while it is subjected to the tensile load. This is usually done by
  • the perforated polymer film according to the invention preferably withstands a tensile stress Z which is within a range of
  • the hole shape of the polymer film according to the invention may be smooth and convex, selected from oval with or without at least one axis of symmetry, or a shape having edges with no or at least one axis of symmetry. Holes with a smooth and convex shape may be selected from oval with or without at least one axis of symmetry or a shape with edges without or with at least one axis of symmetry.
  • the polymer film according to the invention has elliptical holes with an axial ratio of 1.5: 1 to 5: 1, more preferably from 2: 1 to 4: 1, particularly preferably from 2.8: 1 to 3.2 : 1, and most preferably 3: 1.
  • the axial ratio varies by a maximum of 10%.
  • the arrangement of the holes of the polymer film according to the invention may be at least in parallel or non-parallel rows, or may be oblique, diamond-shaped rectangular, square, or hexagonal. If the longer semiaxis lies in the pulling direction, and if the hole arrangement is an offset rectangular grid, also referred to as "offset ellipses" in the context of the invention, the polymer film will withstand the greatest tensile stress. The situation is shown schematically in Fig. 1 (a). ,
  • the material of the polymer film according to the invention may be selected from polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene glycol terephthalate (PET), polyethylene glycol naphthenate (PEN), polylactic acid (PLA), polyacrylonitrile (PAN), polyamides (PA), aromatic polyamides (Ar), Polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide (PI), polyester copolymers, polyolefins, fluorinated polymers, polystyrene, polycarbonate, acrylonitrile butadiene styrene, cellulose esters, copolymers of these polymers, or mixtures of these polymers and / or copolymers.
  • Preferred materials are PET, PEN, more preferably PET. Particularly preferred are polyacrylonitrile, and polystyrene.
  • fluorinated polymers polyvinylidene fluoride is particularly preferred.
  • the thickness d of the film is preferably at most 20 ⁇ m, particularly preferably at most 5 ⁇ m.
  • a preferred lower limit of the thickness of film according to the present invention is about 1 ⁇ .
  • a ceramic coating can be applied to the polymer film according to the invention.
  • the polymer film may be impregnated with a ceramic or non-ceramic material.
  • a perforated film of the type described above a coated perforated film
  • various uses of the optionally coated or impregnated perforated film including as a battery separator, air permeable packaging material, electrochemical membrane and disposable filter medium, and laminates of the optionally coated perforated film.
  • the film according to the invention may have a weight of 40 to 100% of the weight of the
  • the film of the invention may further comprise additional components, such as.
  • additional components such as plasticizers, mineral particles, waxes, dyes, lubricants, release or anti-adhesive agents and any other additives known in the art.
  • additives are capable of modifying the functionality or appearance of the film, which has an effect on such properties as e.g. Stiffness, tensile strength, blocking, slip, gloss, opacity, surface roughness, surface and bulk conductivity, and color.
  • the base film i. the film prior to perforation, containing a pigment or dye that absorbs laser energy at a suitable wavelength to facilitate or enhance the perforation by means of a laser or other form of radiation.
  • the added pigment or dye increases the absorption of light at the lasing wavelength of the laser.
  • semiconductor lasers work in the near
  • Infrared region of the electromagnetic spectrum in a range of 690 to 1500 nm.
  • the base film may also contain a coating or ink.
  • the coating or ink may be on only one or both surfaces of the film.
  • the coating or ink may occupy all or any part of the film surfaces.
  • the coating or ink has the property of absorbing energy emitted by the laser used for the perforation process, so that by pattern printing the film surface the perforation occurs only in the printed areas.
  • the pattern may have a block area that is perforated with multiple holes. Alternatively, the pattern may include a set of points, each of which Define position and size of a single perforation.
  • the coating or ink may contain additives of the type described above as additive components of the polymeric film as well as other components, such as e.g. Resins, surfactants, viscosity modifiers, flow aids, adhesion promoters, biocides and others known in the art
  • the coating comprises a dye or pigment to absorb near-infrared energy
  • carbon is a preferred pigment for some applications because of its ease of incorporation, low cost, and wide absorption over the entire spectral range.
  • alternative materials it is necessary to use alternative materials to minimize the effect of the coating on the color and opacity of the film material as well as influences on downstream applications of the film.
  • the coating can be applied from an organic solvent or a water-based carrier. Alternatively, it may be applied as a 100% solids coating, which is subsequently cured by exposure to UV light or an electron beam source. Any known printing or
  • Coating process can be used to apply the coating, including slot die, gravure, roller and curtain coating processes.
  • Preferred printing processes include offset, stamping, screen printing, flexographic, gravure, and rotary film printing processes, but may include other processes such as printing. As gravure or high-pressure process and non-mechanical processes such. Inkjet printing.
  • the thin, perforated films of the present invention and their laminates can find use in a variety of end uses, whether these films or laminates are coated or uncoated, impregnated or unimpregnated.
  • the films of the present invention (whether in stand-alone or laminated) can be coated or impregnated with a variety of coating materials for a variety of purposes.
  • this laminate When the laminate according to the invention is coated or impregnated with a ceramic material, ie after it has been perforated, this laminate may have special uses as Battery separator, which has the advantageous properties of this type of media described in the prior art.
  • shutdown layer In a particular embodiment, where the film is coated or otherwise laminated to a porous substrate, it is possible to form a so-called “shutdown layer".
  • a two-layered structure such.
  • Components are selected so that one component provides mechanical strength and thermal stability and the other component provides the shutdown function by its relatively low melting point.
  • the shutdown layer melts, thus blocking the pores in the other component, thus substantially stopping the ion flux within the battery cell, thereby causing a thermal shock
  • the shutdown layer has a melting point of 130 ° C or less, as described in the prior art.
  • the shutdown function can be achieved, for example, by selecting a polyethylene film as a component of the microperforated film in conjunction with, for example, a synthetic nonwoven with polyester (PET) fibers or polyester microfibers.
  • PET synthetic nonwoven with polyester
  • the shutdown function may be accomplished by the use of a nonwoven fabric having low melting point fibers such as e.g. As polyethylene fibers, combined in a laminate with a
  • microperforated film having a relatively high melting point such as. B. PET or PEN generated.
  • the high level of perforation that can be achieved by the present invention makes the films useful for a number of other end uses, including
  • air-permeable packaging material air-permeable packaging material, electrochemical membranes for use in a variety of applications, and disposable filter media.
  • Example 1 Perforated PET film.
  • PET polyethylene terephthalate
  • Fig. 2 shows diagrammatically the obtained values of the tensile stresses at different arrangements of the holes and different hole shapes which the perforated foil respectively withstood.
  • the hole shape was elliptical, and in the arrangement of offset ellipses, as well as both

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine perforierte Polymerfolie mit einer Porosität (P) von 30 % bis 50 % und einer Anordnung von Löchern, welche durch die Lochform, das Verhältnis der Halbachsen der Löcher, die Ausrichtung der Löcher, und die regelmäßige Anordnung der Löcher gekennzeichnet ist, wobei die Polymerfolie einer größeren Zugspannung in Längsrichtung standhält, ohne zu reißen, als bei gleicher Porosität und jeder anderen, in mindestens einem Merkmal verschiedenen, Anordnung von Löchern.

Description

Perforierte Polymerfolien mit verbesserter Toleranz gegen Zugspannung
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Konstruktion und die Eigenschaften von dünnen perforierten Folien und insbesondere Folien mit großer Porosität, die unter Bearbeitungsvorgängen, wie z. B. dem Aufbringen einer Beschichtung oder von Klebstoff, nicht reißen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Poröse Folien, einschließlich mikroperforierter Folien, sind gut bekannt und eine Vielfalt von Verwendungen und Verfahren zur Herstellung wurden für diese Materialien gefunden.
Verwendungen, die beschrieben wurden, schließen Batterieseparator, Filter, eine
luftdurchlässige flexible Verpackung, Komponenten von Wundverbänden und luftdurchlässige Membranen zur Verwendung bei Bekleidung ein. Herstellungsverfahren schließen beispielsweise diejenigen ein, die in "A review on the Separators of liquid electrolyte Li-ion batteries", Journal of Power Sources, 164, (2007), 351 -64, begutachtet sind. Diese Verfahren schließen die so genannten trockenen und nassen Prozesse, Phaseninversion und thermisch induzierte Flüssig-Flüssig-Phasentrennung ein. Diese Begutachtung beschreibt auch, wie Membranen, einschließlich perforierter Polymerfolien, die zur Verwendung als Batterieseparator hergestellt werden, in einem anschließenden Beschichtungsprozess modifiziert werden können, um ihre Eigenschaften in Bezug auf beispielsweise Benetzbarkeit oder Grenzflächenkontakt zwischen dem Separator und den Elektroden zu modifizieren und zu verbessern.
Weitere Herstellungsverfahren schließen die Bildung von Leerräumen in Folien durch eine Vielfalt von Perforationsprozessen, einschließlich Nadelstanzen, elektrostatischer Entladung, Behandlung mit hochenergetischen Partikeln, Punktaufbringung von verringertem Druck und Laserperforation ein.
Poröse Folien sind typischerweise durch eine Anzahl von Parametern gekennzeichnet, einschließlich der Form ihrer Löcher, des Lochmusters, der Porosität, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch„offene Fläche" genannt wird, sowie des Materials, der
Foliendicke, der Zugfestigkeit und des E-Moduls. Es besteht eine breite Vielfalt von Veröffentlichungen, die dünne, mikroperforierte Polymerfilme beschreiben. Als Beispiel beschreibt JP A 2006-6326860 mikroperforierte Polymerfilme mit Dicken im Bereich von 1 bis 25 μηη und mit einer offenen Fläche von mehr als 10%.
JP A 06100720 beschreibt poröse Polypropylenfolien mit Zugfestigkeiten im Bereich von 60 - 150 N/mm2.
JP A 10-330521 beschreibt hoch zugfeste Polyolefinfolien mit einer Dicke im Bereich von 10 - 120 μηη, hergestellt durch Nadel- oder Laserlochung, die eine auf die Dicke bezogene
Zugfestigkeit von bis zu 10 kg/5 cm = 20 N/cm aufweisen.
DE C 196 47 543 beschreibt eine dünne gelochte Folienbahn als Verpackungsmaterial wie eine Stretchfolie, deren Löcher sich bei Aufbringung einer Zugspannung öffnen, ohne genauer auf die Zugspannung einzugehen.
Trotz der Tatsache, dass dünne, poröse Polymerfilme im Stand der Technik beschrieben wurden und verschiedene minimale Werte (z.B. Zugfestigkeit, Dicke, Porosität,
Lochdurchmesser) spezifiziert wurden oder berechnet werden können, scheint es, dass die Anforderungen zum Erreichen sowie Verarbeiten von stabilen dünnen porösen Filmen nicht beachtet wurden. Insbesondere gibt es keine Informationen über die Stabilität, die erforderlich ist, um einem anschließenden Beschichtungsprozess standzuhalten und die daraus folgende Forderung an eine minimale Zugfestigkeit zu erreichen. Es wurden auch Folien mit Dicken im μηη Bereich bereitgestellt, die diese Bedürfnisse erfüllen.
Die Aufgabe der vorliegenden besteht somit in der Bereitstellung poröser Polymerfolien gleichmäßiger Dicke, die einem Maximum an Zugspannung standhalten, um in den Stand der Technik üblichen Rolle-zu-Rolle Verfahren ohne Reißen verarbeitbar zu sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung ist eine perforierte Polymerfolie mit einer Porosität P, 50 % > P > 30 %, und einer Anordnung von Löchern A0, die gekennzeichnet ist durch
A01 Lochform,
A02 Verhältnis der Halbachsen der Löcher,
A03 Ausrichtung der Löcher, und
A04 regelmäßige Anordnung der Löcher, wobei die Polymerfolie einer größeren Zugspannung in Längsrichtung standhält, ohne zu reißen, als bei gleicher Porosität und jeder anderen Anordnung von Löchern, die sich von A0 in mindestens einem Merkmal von A01 , A02, A03, und/oder A04 unterscheidet.
An dieser Stelle und im Folgenden wird unter der Porosität der Quotient von der durch die Löcher eingenommenen Fläche, abgekürzt mit FlächeLoch, und der durch die ungelochte Folie gleichbedeutend mit der vor der Perforation vorliegenden Folie, eingenommenen Fläche, abgekürzt mit FlächeFoiie, in Prozent verstanden,
Porosität = (FlächeLoch/FlächeFoiie)* 00%.
Die Zugspannung ist im Rahmen der Erfindung die maximale Kraft pro Querschnittsfläche der Polymerfolie, die gemäß der ASTM D882-10 im auf den ursprünglichen Querschnitt der Folie bezogenen Zugversuch errechnet wird, ohne dass die Folie reißt. Hierbei muss natürlich berücksichtigt werden, dass sich die Folie quer zur Zugrichtung einschnürt. Die Zugspannung wird in MPa angegeben und stets auf die Richtung der Bahn ausgeübt, längs der die
Polymerfolie ab- und aufgewickelt wird.
Unter der Lochform wird im Rahmen der Erfindung die geometrische Gestalt der Löcher verstanden. Insbesondere kann die Lochform eine Ellipse, ein Kreis, oder unregelmäßig sein.
Unter Ausrichtung der Löcher wird im Rahmen der Erfindung die Orientierung der größten Halbachsen der Löcher relativ zur Zugrichtung verstanden. Die Zugrichtung der
erfindungsgemäßen Polymerfolie stimmt mit der Richtung überein, in welcher die Zugkräfte auf die Folie in einem Rolle-zu-Rolle Prozeß wirken. Besonders bevorzugt ist die Ausrichtung der Löcher parallel zur Zugrichtung.
Die regelmäßige Anordnung der Löcher in der erfindungsgemäßen Folie ist so beschaffen, dass eine einfachstmögliche Anordnung von Löchern gibt, die die Folie parkettiert. Insbesondere kann eine solche Anordnung der Löcher rechteckig, hexagonal, oder rautenförmig sein. Die Fig. 1 (a) - (d) zeigen schematisch verschiedene Anordnungen der Löcher sowie mit den Pfeilen die Zugrichtung. Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Polymerfolie als Verpackungsmaterial zum Schutz vor Gasen, als elektrochemische Membran, Membran für Klimaanlagen, Bekleidung, Reinräume, Filtration, Separation oder als Batterieseparator.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Laminat, das die erfindungsgemäße Polymerfolie ein poröses Medium aufweist, auf das die Polymerfolie auflaminiert ist.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung eine Batterie mit einem Batterieseparator, der die erfindungsgemäße Polymerfolie oder das erfindungsgemäße Laminat aufweist.
Unter Separation wird jegliche Trennung oder Abtrennung von Medien verstanden.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Polymerfolie zur Separation von Bestandteilen in Lebensmitteln, Gärungsprodukten, z.B. Bier, flüssiger Nahrung, bevorzugt Milchprodukten verwendet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Zugspannung kann mit sogenannter Querdehnbehinderung gemessen werden. Bei der Querdehnbehinderung wird maschinell verhindert, dass sich die Folie in der Breite verringert, während sie der Zugbelastung ausgesetzt wird. Dies wird üblicherweise durch
Breitstreckwalzen, Bürstenwalzen, ballige Walzen oder bogenförmige Umlenkrohre erzeugt. Es wird also eine zweite Zugkraft senkrecht zur Wickelrichtung erzeugt, die die ohne Reißen ausübbare Zugspannung steigert.
Die erfindungsgemäße perforierte Polymerfolie hält vorzugsweise einer Zugspannung Z stand, die in einem Bereich von
Z = (90,6 - 142■ P) MPa bis Z = (80,9 - 95■ P) MPa liegt.
Dieser Bereich ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die Anordnung der Löcher entsprechend Fig. 1 (a) ist. Unter der Einwirkung der Zugspannung Z dehnt sich die Polymerfolie, ohne zu reißen.
Die Lochform der erfindungsgemäßen Polymerfolie kann glatt und konvex sein, ausgewählt aus oval ohne oder mit zumindest einer Symmetrieachse, oder eine Form sein, die Kanten ohne oder mit zumindest einer Symmetrieachse aufweist. Löcher mit glatter und konvexer Form können ausgewählt sein aus oval ohne oder mit zumindest einer Symmetrieachse oder eine Form mit Kanten ohne oder mit zumindest einer Symmetrieachse sein.
Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Polymerfolie elliptische Löcher mit einem Achsenverhältnis von 1 ,5 : 1 bis 5 : 1 aufweist, weiterhin bevorzugt von 2 : 1 bis 4 : 1 , besonders bevorzugt von 2,8 : 1 bis 3,2 : 1 , und ganz besonders bevorzugt von 3 : 1 .
Vorzugsweise variiert das Achsenverhältnis um maximal 10%.
Die Anordnung der Löcher der erfindungsgemäßen Polymerfolie kann zumindest in parallelen oder nicht parallelen Reihen vorliegen, oder schief, rautenförmig rechteckig, quadratisch, oder hexagonal sein. Liegt die längere Halbachse in Zugrichtung, und ist die Lochanordnung ein versetztes Rechteck-Gitter, im Rahmen der Erfindung auch als„versetzte Ellipsen" bezeichnet, so hält die Polymerfolie der größten Zugspannung stand. Die Situation ist schematisch dargestellt in Fig. 1 (a).
Das Material der erfindungsgemäßen Polymerfolie kann ausgewählt sein aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenglykolterephthalat (PET), Polyethylenglykolnaphthenat (PEN), Polymilchsäure (PLA), Polyacrylnitril (PAN), Polyamide (PA), aromatische Polyamide (Ar), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyestercopolymeren, Polyolefine, fluorierte Polymere, Polystyrol, Polycarbonat, Acrylnitrilbutadienstyrol, Celluloseester, Copolymere aus diesen Polymeren, oder Gemischen dieser Polymere und/oder Copolymere. Bevorzugte Materialien sind PET, PEN, besonders bevorzugt PET. Besonders bevorzugt sind Polyacrylnitril, und Polystyrol. Unter den fluorierten Polymeren ist Polyvinylidenfluorid besonders bevorzugt.
Die Dicke d der Folie ist bevorzugt maximal 20 μηη, besonders bevorzugt maximal 5 μηη. Eine bevorzugte untere Grenze der Dicke von Folie gemäß der vorliegenden Erfindung ist etwa 1 μηι.
Auf die erfindungsgemäße Polymerfolie kann eine keramische Beschichtung aufgebracht sein. Auch kann die Polymerfolie mit einem keramischen oder nichtkeramischen Material imprägniert sein.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen einen Prozess zur
Herstellung einer perforierten Folie des vorstehend beschriebenen Typs, eine beschichtete perforierte Folie, verschiedene Verwendungen der wahlweise beschichteten oder imprägnierten perforierten Folie, einschließlich als Batterieseparator, luftdurchlässiges Verpackungsmaterial, elektrochemische Membran und wegwerfbares Filtermedium, und Laminate der wahlweise beschichteten perforierten Folie ein.
Die erfindungsgemäße Folie kann ein Gewicht von 40 bis 100% des Gewichtes der
äquivalenten nicht perforierten Folie aufweisen.
Die erfindungsgemäße Folie kann weiterhin zusätzliche Komponenten aufweisen, wie z. B. Weichmacher, Mineralpartikel, Wachse, Farbstoffe, Gleitmittel, Löse- oder Antihaftmittel und beliebige andere Additive, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Solche Additive sind in der Lage, die Funktionalität oder das Aussehen der Folie zu modifizieren, was sich auf die Eigenschaften wie z. B. Steifigkeit, Zugfestigkeit, Blockierung, Gleiten, Glanz, Opazität, Oberflächenrauheit, Oberflächen- und Volumenleitfähigkeit und Farbe auswirkt.
In einer speziellen Ausführungsform kann die Grundfolie, d.h. die Folie vor der Perforation, ein Pigment oder einen Farbstoff enthalten, das/der bei einer geeigneten Wellenlänge Laserenergie absorbiert, um die Perforation mittels eines Lasers oder einer anderen Form von Strahlung zu ermöglichen oder zu verbessern.
Für den bevorzugten Laserperforationsprozess, der eine Halbleiterlaseranordnung verwendet, erhöht das zugesetzte Pigment oder der zugesetzte Farbstoff die Absorption von Licht bei der Betriebswellenlänge des Lasers. Typischerweise arbeiten Halbleiterlaser im nahen
Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums in einem Bereich von 690 bis 1500 nm. Für gewisse Produktanwendungen ist es wichtig, Materialien auszuwählen, die eine minimale Auswirkung auf die Folienopazität oder -färbe haben.
Die Grundfolie kann auch eine Beschichtung oder Tinte enthalten. Die Beschichtung oder die Tinte kann sich auf nur einer oder beiden Folienoberflächen befinden. Die Beschichtung oder Tinte kann den gesamten oder irgendeinen Teil der Folienoberflächen belegen. In einer speziellen Ausführungsform weist die Beschichtung oder Tinte die Eigenschaft der Absorption von Energie, die von dem für den Perforationsprozess verwendeten Laser emittiert wird, auf, so dass durch Musterbedrucken der Folienoberfläche die Perforation nur in den bedruckten Bereichen auftritt. Das Muster kann eine Blockfläche aufweisen, die mit mehreren Löchern perforiert wird. Alternativ kann das Muster einen Satz von Punkten aufweisen, die jeweils die Position und Größe einer einzelnen Perforation definieren. Die Beschichtung oder Tinte kann Additive des vorstehend beschriebenen Typs als Additivkomponenten der Polymerfolie sowie andere Komponenten, wie z. B. Harze, Tenside, Viskositätsmodifikationsmittel, Fließhilfsmittel, Haftpromotoren, Biozide und andere aus dem Stand der Technik bekannte
Beschichtungskomponenten, einschließen.
In einer Ausführungsform, in der die Beschichtung einen Farbstoff oder ein Pigment aufweist, um Energie im nahen Infrarot zu absorbieren, ist Kohlenstoff ein bevorzugtes Pigment für einige Anwendungen aufgrund seiner leichten Einarbeitung, seiner niedrigen Kosten und seiner breiten Absorption über den ganzen Spektralbereich. Für einige Anwendungen ist es jedoch erforderlich, alternative Materialien zu verwenden, um die Auswirkung der Beschichtung auf die Farbe und Opazität des Folienmaterials sowie Einflüsse bei nachgelagerten Anwendungen der Folie zu minimieren.
Die Beschichtung kann aus einem organischen Lösungsmittel oder einem auf Wasser basierenden Träger aufgebracht werden. Alternativ kann sie als Beschichtung mit 100% Feststoffen, die anschließend durch Bestrahlung mit UV-Licht oder einer Elektronenstrahlquelle gehärtet wird, aufgebracht werden. Ein beliebiges bekanntes Druck- oder
Beschichtungsverfahren kann verwendet werden, um die Beschichtung aufzubringen, einschließlich Schlitzdüsen-, Gravur-, Walzen- und Vorhangbeschichtungsverfahren.
Bevorzugte Druckprozesse schließen Offset, Stempeln, Siebdruck, Flexo-, Gravur- und Rotationsfoliendruckprozesse ein, können jedoch auch andere Prozesse, wie z. B. Tiefdruckoder Hochdruckverfahren und nicht mechanische Prozesse wie z. B. Tintenstrahldrucken, einschließen.
Die dünnen, perforierten Folien der vorliegenden Erfindung und ihre Laminate können in verschiedenen Endanwendungen Verwendung finden, gleich, ob diese Folien oder diese Laminate beschichtet oder unbeschichtet, imprägniert oder nicht imprägniert sind. Die Folien der vorliegenden Erfindung (ob in eigenständiger Form oder laminiert) können mit einer Vielfalt von Beschichtungsmaterialien für eine Vielfalt von Zwecken beschichtet oder imprägniert werden.
Wenn das erfindungsgemäße Laminat mit einem keramischen Material beschichtet oder imprägniert ist, d. h. nachdem es perforiert ist, kann dieses Laminat spezielle Verwendung als Batterieseparator finden, der die vorteilhaften Eigenschaften dieses Typs von Medien, die im Stand der Technik beschrieben sind, besitzt.
In einer speziellen Ausführungsform, in der die Folie, beschichtet oder anderweitig, auf ein poröses Substrat laminiert wird, ist es möglich, eine so genannte "Abschaltschicht"
einzuarbeiten. Dies ist ein Sicherheitsmerkmal, das unkontrollierte Temperaturerhöhungen, die sich durch Überladung, physikalische Beschädigung oder interne Effekte ergeben, verhindert. In einer zweilagigen Struktur, wie z. B. einem aus einer perforierten Folie und einem Vlies gebildeten Laminat, ist es möglich, eine Abschaltschicht zu erzeugen, indem diese
Komponenten so ausgewählt werden, dass eine Komponente mechanische Festigkeit und Wärmestabilität bereitstellt und die andere Komponente die Abschaltfunktion durch ihren relativ niedrigen Schmelzpunkt bereitstellt. Im Fall eines potentiell katastrophalen Kurzschlusses, der verursacht, dass die Temperatur innerhalb der Batterie ansteigt, schmilzt die Abschaltschicht, so dass die Poren in der anderen Komponente blockiert werden, wobei somit der lonenfluss innerhalb der Batteriezelle im Wesentlichen gestoppt wird und dadurch ein thermischer
Kontrollverlust verhindert wird. Typischerweise weist die Abschaltschicht einen Schmelzpunkt von 130 °C oder weniger auf, wie im Stand der Technik beschrieben. In der vorliegenden Erfindung kann die Abschaltfunktion beispielsweise durch Auswahl einer Polyethylenfolie als Komponente der mikroperforierten Folie in Verbindung mit beispielsweise einem synthetischen Vlies mit Polyesterfasern (PET-Fasern) oder Polyestermikrofasern erreicht werden. Alternativ kann die Abschaltfunktion durch die Verwendung eines Vlieses mit Fasern mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. Polyethylenfasern, kombiniert in einem Laminat mit einem
mikroperforierten Folie mit relativ hohem Schmelzpunkt, wie z. B. PET oder PEN, erzeugt werden.
Das hohe Perforationsniveau, das durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann, macht die Folien für eine Anzahl von anderen Endanwendungen nützlich, einschließlich als
luftdurchlässiges Verpackungsmaterial, elektrochemische Membranen zur Verwendung in einer Vielfalt von Anwendungen, und wegwerfbare Filtermedien.
Die vorliegende Erfindung wird durch das folgende Beispiel weiter erläutert. Beispiel 1 : Perforierte PET Folie.
Es wurde ermittelt, welcher Zugspannung erfindungsgemäße perforierte Polyethylenterephthalat (PET) Folien jeweils mit einer Dicke von 4,5 μηη und verschiedenen Porositäten im Bereich von 30 bis 50 % standhielten, ohne zu reißen.
Die Fig. 2 zeigt schematisch die erhaltenen Werte der Zugspannungen bei verschiedenen Anordnungen der Löcher und verschiedenen Lochformen, denen die perforierte Folie jeweils standhielt.
Waren die Lochform elliptisch, und in der Anordnung versetzter Ellipsen, sowie beide
Halbachsen jeweils größer als die Dicke der Polymerfolie und mit einem Verhältnis von 3 : 1 , so war die erfindungsgemäße Folie den höchsten Zugspannungen aussetzbar. Diese Polymerfolie hielt einer Zugspannung Z stand, die in einem Bereich von
Z = (90,6 - 142■ P) MPa bis Z = (80,9 - 95■ P) MPa
lag.
Dieser Bereich ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die Anordnung der Löcher entsprechend Fig. 1 (a) ist. Unter der Einwirkung der Zugspannung Z dehnte sich die Polymerfolie, ohne zu reißen.

Claims

Patentansprüche
1 . Perforierte Polymerfolie mit einer Porosität P, 50 % > P > 30 %, und einer
Anordnung von Löchern A0, gekennzeichnet durch
A01 Lochform,
A02 Verhältnis der Halbachsen der Löcher,
A03 Ausrichtung der Löcher, und
A04 regelmäßige Anordnung der Löcher,
wobei die Polymerfolie einer größeren Zugspannung in Längsrichtung standhält, ohne zu reißen, als bei gleicher Porosität und jeder anderen Anordnung von
Löchern, die sich von A0 in
mindestens einem Merkmal von A01 , A02, A03, und/oder A04 unterscheidet.
2. Perforierte Polymerfolie nach Anspruch 1 , die einer Zugspannung Z standhält, wobei
Z in einem Bereich von
Z = (90,6 - 142■ P) MPa bis Z = (80,9 - 95■ P) MPa liegt.
3. Polymerfolie nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Löcher versetzte Ellipsen sind, wobei das Achsenverhältnis
von 1 ,5 : 1 bis 5 : 1 ,
bevorzugt von 2 : 1 bis 4 : 1 ,
weiterhin besonders bevorzugt von 2,8 : 1 bis 3,2 : 1 ,
ganz besonders bevorzugt von 3 : 1 ist, und
die längere Halbachse in Zugrichtung liegt.
4. Polymerfolie nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Material der Polymerfolie ausgewählt ist aus
Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenglykolterephthalat (PET),
Polyethylenglykolnaphthenat (PEN), Polymilchsäure (PLA), Polyacrylnitril (PAN), Polyamide (PA), aromatische Polyamide (Ar), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI),
Polyestercopolymeren, Polyolefine, fluorierte Polymere, Polystyrol, Polycarbonat, Acryl- nitrilbutadienstyrol, Celluloseester, Copolymere aus diesen Polymeren, oder Gemischen dieser Polymere und/oder Copolymere.
Polymerfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, auf der eine keramische
Beschichtung aufgebracht ist, oder die mit einem keramischen oder nicht-keramischen Material imprägniert wurde.
Verwendung einer Polymerfolie gemäß zumindest einem der vorangehenden Ansprüche als Verpackungsmaterial zum Schutz vor Gasen, als elektrochemische Membran, Membran für Klimaanlagen, Bekleidung, Reinräume, Filtration, Separation oder als Batterieseparator.
Laminat, das eine Polymerfolie nach einem der Ansprüche 1 - 5 und einem
porösen Medium aufweist, auf das die Polymerfolie auflaminiert ist.
Batterie mit einem Batterieseparator,
der eine Polymerfolie gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 - 5
oder ein Laminat gemäß Anspruch 7 aufweist.
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