JP2002309024A - 多孔性フィルム - Google Patents
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Abstract
透過性に優れた多孔性フィルムを提供する。 【解決手段】熱可塑性樹脂からなり、微細孔を有する多
孔性フィルムであって、微細孔は、フィルムの1方向に
伸びる幹フィブリルと幹フィブリル間を連結する枝フィ
ブリルからなる3次元網状組織により形成されており、
枝フィブリルの形成密度は、幹フィブリルの形成密度よ
り高く、バブルポイント法(ASTM F316−8
6)により求めた微細孔の平均細孔直径d(μm)と、
水銀圧入法(JIS K1150)により求めた微細孔
の平均細孔半径r(μm)とが(式)1.20≦2r/
d≦1.70を満たす多孔性フィルムとする。
Description
孔性フィルムに関するものである。より詳しくは、電解
コンデンサー、リチウム電池、バッテリー等のセパレ―
タとして好ましく用いられる熱可塑性樹脂製多孔性フィ
ルムに関するものである。
湿性防水衣料、逆浸透膜や限外濾過膜、電解コンデンサ
ー、リチウム電池、バッテリー等のセパレーターとして
使用されている。
パレーター用の多孔性フィルムには、電解液を含有し、
且つ正極と負極との電気的な短絡を防ぎ、さらに機械的
強度があることが望まれるのはもちろんのこと、電解液
中でのイオン透過性に優れることが要求される。特に近
年の電池の高容量化に伴いイオン透過性の向上は強く望
まれている。
しては、例えば特公昭50−2176号においてポリオ
レフィン多孔性フィルムが開示されている。この公報に
開示された多孔性フィルムは、孔構造が網状構造ではな
く、フィルムの厚み方向にまっすぐに孔を形成したよう
な構造であり、機械的強度には優れたものであるが、イ
オン透過性が十分ではなかった。
るために、従来の技術においては、多孔性フィルムの膜
厚をより薄くすることが提案されているが、薄膜化すれ
ば、機械的強度の低下、及び電気的な短絡の危険性を引
き起こすなどの問題が生じた。一方、電気的な短絡の防
止と機械的強度の向上を目的として、多孔性フィルムの
膜厚を厚くすると、イオン透過性が低下するという二律
背反の状況にあり、同じ膜厚でもよりイオン透過性に優
れる多孔性フィルムの開発が望まれていた。
度を有しつつ、イオン透過性に優れた多孔性フィルムを
提供することにある。
セパレータとして使用した際、イオン透過性にすぐれた
多孔性フィルムを開発すべく鋭意検討した結果、多孔性
フィルムの孔の構造を特定の構造にすることによって、
上記問題を解決できることを見出し本発明を完成するに
至った。
細孔を有する多孔性フィルムであって、前記微細孔は、
フィルムの1方向に伸びる幹フィブリルと前記幹フィブ
リル間を連結する枝フィブリルからなる3次元網状組織
により形成されており、前記枝フィブリルの形成密度
は、前記幹フィブリルの形成密度より高く、バブルポイ
ント法(ASTM F316−86)により求めた前記
微細孔の平均細孔直径d(μm)と、水銀圧入法(JI
S K1150)により求めた前記微細孔の平均細孔半
径r(μm)とが下記式を満たすことを特徴とする。 1.20≦2r/d≦1.70。
からなる多孔性フィルムよりイオン透過性が高く、従っ
て電解コンデンサー、リチウム電池、バッテリー等のセ
パレーターとして好適な多孔性フィルムである。
ブリルの形成密度より高いことによって、最大熱収縮方
向、及びそれに直交する方向との力学強度のバランスの
優れた多孔性フィルムとなる。枝フィブリル、幹フィブ
リルは、必ずしも直線的に伸びている必要はない。ま
た、幹フィブリルの伸びる方向は、電子顕微鏡写真によ
り確認でき、フィルムの裁断により決定されるので、特
に特定されるものではない。「1方向に伸びる」とは、
すべての幹フィブリルが直線的に平行に特定方向に伸び
ていることを要するものではなく、蛇行しつつある程度
のばらつきを有しつつ平均的に特定方向に配向している
ことを意味する。
形成密度は、フィルム1μm2 の面積に存在するフィブ
リルの数であり、走査型電子顕微鏡によりフィルム表面
を観測して求める。具体的には、5×5μmの中に存在
するフィブリルの数を計測して求める。本発明の多孔性
フィルムの孔構造を、loofah構造と称する。
10〜500秒/100cc、空隙率が40〜80%、
バブルポイント法により求めた平均細孔直径dが0.0
6〜3μmであることが好ましい。また膜厚は、1〜2
00μmであることが好ましい。このように構成された
多孔性フィルムは、強度及びイオン透過性共に非常に優
れたものである。
ト法(ASTM F316−86)により求めた微細孔
の平均細孔直径d(μm)と、水銀圧入法(JIS K
1150)により求めた微細孔の平均細孔半径r(μ
m)とが下記式を満たすことを特徴とする。 1.20≦2r/d≦1.70 2r/dの値が1.20未満であると多孔性フィルムの
イオン透過性が不十分となり、1.70を超えると、多
孔性フィルムの強度が不十分となる。なお、フィルムの
強度の点から、2r/dの値は1.65以下であること
が好ましく、1.60以下であることがより好ましい。
〜200μmであり、好ましくは5〜50μm、より好
ましくは5〜30μmである。厚すぎるとイオン透過性
が十分でなくなり、薄すぎると物理的強度が十分でなく
なる。また平均細孔直径d(μm)と平均細孔半径r
(μm)とが上記式の範囲を逸脱する場合には、セパレ
ータとして適したものとはならない。
フィブリルは、フィルムの最大熱収縮方向に配向してい
ることが好ましい。
向に配向することにより、最大熱収縮方向の機械的強度
が高くなる。
微細孔は、平均孔径が0.06〜3μmであることが好
ましい。
である熱可塑性樹脂としては、エチレン、プロピレン、
ブテン、ヘキセン等のオレフィンの単独重合体または2
種類以上のオレフィンの共重合体であるポリオレフィン
系樹脂、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリ
レート、エチレン−エチルアクリレート共重合体等のア
クリル系樹脂、ブタジエン−スチレン共重合体、アクリ
ロニトリル−スチレン共重合体、ポリスチレン、スチレ
ン−ブタジエン−スチレン共重合体、スチレン−イソプ
レン−スチレン共重合体、スチレン−アクリル酸共重合
体等のスチレン系樹脂、アクリロニトリル−ポリ塩化ビ
ニル、ポリ塩化ビニル−エチレン等の塩化ビニル系樹
脂、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ
化ビニル系樹脂、6−ナイロン、6,6−ナイロン、1
2−ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレ
フタレート、ポリブチレンテレフタレート等の飽和ポリ
エステル系樹脂、ポリカーボネート、ポリフェニレンオ
キサイド、ポリアセタール、ポリフェニレンスルフィ
ド、シリコーン樹脂、熱可塑性ポリウレタン樹脂、ポリ
エーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、熱可塑
性エラストマーやこれらの架橋物等が挙げられる。
可塑性樹脂は、1種類あるいは2種類以上の混合物であ
ってもよい。
樹脂の使用が、電気化学的な安定性、あるいは電解液に
対する安定性に優れており、種々の用途においてイオン
透過性に優れた多孔性フィルムとして使用することが可
能である点で、より好適である。
類のオレフィンの重合体または2種類以上のオレフィン
の共重合体を主成分とするものである。ポリオレフィン
系樹脂の原料となるオレフィンとしては、エチレン、プ
ロピレン、ブテン、ヘキセンなどが挙げられる。ポリオ
レフィン系樹脂の具体例としては、低密度ポリエチレ
ン、線状ポリエチレン(エチレン−α−オレフィン共重
合体)、高密度ポリエチレン等のポリエチレン系樹脂、
ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のポ
リプロピレン系樹脂、ポリ(4 −メチルペンテン−
1)、ポリ(ブテン−1)、及びエチレン−酢酸ビニル
共重合体等が挙げられる。
2850nm以上の長分子鎖長ポリオレフィンを含有す
る多孔性フィルムは強度に優れており、従って機械的強
度を維持しつつ膜厚を薄くすることができる。このため
イオン透過性もより向上させることができ、本発明の効
果をより発現する多孔性フィルムが得られる。多孔性フ
ィルムの強度の観点から、ポリオレフィン系樹脂は、分
子鎖長が2850nm以上の長分子鎖長ポリオレフィン
を10重量%以上含有していることが好ましく、20重
量%以上含有していることがより好ましく、30重量%
以上含有していることが更に好ましい。
鎖長、分子量及び重量平均分子量はGPC(ゲルパーミ
エーションクロマトグラフィー)により測定し、特定分
子鎖長範囲又は特定分子量範囲のポリオレフィンの混合
比率(重量%)はGPC測定により得られる分子量分布
曲線の積分により求めることができる。
述するGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ
ー)測定によるポリスチレン換算の分子鎖長であり、よ
り具体的には以下の手順で求められるパラメータであ
る。
測定する未知試料も分子量既知の標準ポリスチレンも溶
解することができる溶媒を使用する。まず、分子量が異
なる複数種の標準ポリスチレンのGPC測定を行い、各
標準ポリスチレンの保持時間を求める。ポリスチレンの
Qファクターを用いて各標準ポリスチレンの分子鎖長を
求め、これにより、各標準ポリスチレンの分子鎖長とそ
れに対応する保持時間を知る。尚、標準ポリスチレンの
分子量、分子鎖長およびQファクターは下記の関係にあ
る。
分量曲線を得る。標準ポリスチレンのGPC測定におい
て、保持時間Tであった標準ポリスチレンの分子鎖長を
Lとするとき、未知試料のGPC測定において保持時間
Tであった成分の「ポリスチレン換算の分子鎖長」をL
とする。この関係を用いて、当該未知試料の前記保持時
間ー溶出成分量曲線から、当該未知試料のポリスチレン
換算の分子鎖長分布(ポリスチレン換算の分子鎖長と溶
出成分量との関係)が求められる。
いは有機充填剤等の充填剤を含有していてもよい。
妨げない範囲で脂肪酸エステルや低分子量ポリオレフィ
ン樹脂等の延伸助剤、安定化剤、酸化防止剤、紫外線吸
収剤、難燃剤等の添加剤を含有してもよい。
長が2850nm以上の長分子鎖長ポリオレフィンを含
有するポリオレフィン系樹脂を原料とする場合、樹脂原
料と無機化合物及び/又は樹脂の微粉末とを、強混練で
きるようセグメント設計した2軸混練機を使用して混練
した後、ロール圧延法によりフィルム化し、得られた原
反フィルムを延伸機により延伸することによって、製造
することができる。
装置が限定なく使用可能であり、クリップテンターが好
適な手段として例示される。
粒子径が0.1〜1μmの酸化アルミニウムや水酸化ア
ルミニウム、酸化マグネシウムや水酸化マグネシウム、
ハイドロタルサイト、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化チタン、
炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムなどが例示される。
特に、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムを使用し、多
孔性フィルムを作製後に、酸性水により溶解、除去する
ことが、イオン伝導性を高める上で好適である。
可塑性樹脂は、放射線の照射により架橋されていてもよ
い。熱可塑性樹脂が架橋されている多孔性フィルムは、
非架橋の熱可塑性樹脂からなる多孔性フィルムよりも耐
熱性や強度において優れている。
として使用するときには、優れたイオン伝導性を達成で
きるように厚み3〜50μm程度の薄膜であることが効
果的である。また、この場合、多孔性フィルムを構成す
る熱可塑性樹脂が放射線照射により架橋されていること
が更に効果的である。通常は、多孔性フィルムを薄膜化
すると、膜強度が低下してしまうという問題がある。こ
れに対して、本発明にかかる多孔性フィルムであって、
その膜厚が3〜50μm程度であり、かつ、それを構成
する熱可塑性樹脂が放射線の照射により架橋されている
フィルムは、イオン伝導性に優れ、かつ高い強度を有す
るイオン透過膜となり得る。
樹脂が架橋されているフィルムは、非架橋の熱可塑性樹
脂を用いて製造した本発明の多孔性フィルムに対して更
に放射線を照射することにより得ることができる。
射する放射線の種類は特に限定されないが、ガンマー
線、アルファー線、電子線などが好ましく用いられ、生
産速度や安全性の面から電子線の使用が特に好ましい。
000kVの電子線加速器が好ましく用いられる。加速
電圧が100kVより小さいと電子線の透過深さが充分
でなく、3000kVより大きいと装置がおおがかりで
コスト的に好ましくない。放射線照射装置の例として
は、バンデグラーフ型などの電子線走査型装置やエレク
トロンカーテン型などの電子線固定・コンベア移動型装
置などが挙げられる。
dであることが好ましく、0.5〜50Mradである
ことがより好ましい。吸収線量が0.1Mradより小
さい場合には樹脂を架橋させる効果が充分でなく、10
0Mradより大きい場合は強度が著しく低下するため
好ましくない。
るときの照射雰囲気は空気でも構わないが、窒素など不
活性ガス雰囲気が好ましい。
性フィルムに他のモノマー化合物あるいはポリマーを混
合または含浸させておき、放射線照射して反応させるこ
とにより、架橋、あるいはグラフト重合させることもで
きる。本発明の多孔性フィルムに混合または含浸させる
化合物としては、スチレン、ジビニルベンゼン、アクリ
ル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル
酸エステル、フッ素化合物、これらの単独重合体や共重
合体、前記モノマーまたは重合体のスルホン酸誘導体、
リン酸エステル誘導体などが挙げられる。
線照射の有無にかかわらず、多孔性フィルムの孔の中
に、他の有機あるいは無機化合物を含浸させておくこと
ができる。含浸させる化合物は多孔性フィルムの用途に
応じて適宜選択することができるが、例えば、リン酸、
硫酸、電解質溶液、イオン交換樹脂などのイオン伝導性
物質や、殺虫剤や農薬等の薬剤などが挙げられる。
実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に制限される
ものではない。実施例及び比較例に示す多孔性フィルム
の物性は下記の評価方法により測定した。
た。比伝導度の測定に使用した実験装置を図1に概略図
として示す。測定装置11は、一対のセル12,13を
有しており、セル12,13の間に評価すべき多孔性フ
ィルム15が設置される。
をセル12,13の間に挟んで設置し、一方のセル12
に電解質溶液を入れ、もう一方のセル13には溶媒のみ
を入れ、イオン移動による溶液の比伝導度の時間変化
を、セル13に設けた電極16により測定した。本測定
実験ではエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネ
ート、ジメチルカーボネートの体積比30:35:35
の混合溶媒に電解質としてLiPF6 を1mol/Lと
なるように溶解した電解液を用いた。図1において、L
i+ イオンを○印にて示した。溶液の比伝導度は、溶液
の抵抗値を測定してセル定数から計算により求めた。
イオン量を表しており、時間に対する比伝導度の値が大
きい程、イオン透過性が良いということを示している。
P8117に準じて、B型デンソメーター(東洋精機
製)にて測定した。
により、Perm−Porometer(PMI社製)
にて平均細孔直径d(μm)を測定した。
トポア III9420(MICROMERITICS社
製)にて平均細孔半径r(μm)を測定した。尚、平均
細孔半径を求めるにあたり、0.0032〜7.4μm
の範囲の細孔半径分布を測定した。
径1mm、針先曲率半径0.5mmの金属製の針を、2
00mm/分の速さで突き刺した際に、孔が開口する最
大荷重を測定し、突刺し強度とした。
石カルシウム社製、平均粒子径0.15μm)30vo
l%と、ポリエチレン粉末(ハイゼックスミリオン34
0M,三井化学製、重量平均分子鎖長17000nm、
重量平均分子量300万、融点136℃)70重量%と
ポリエチレンワックス(ハイワックス110P,三井化
学製、重量平均分子量1000、融点110℃)30重
量%の混合ポリエチレン樹脂70vol%とを強混練で
きるようセグメント設計した2軸混練機(プラスチック
工学研究所製)を使用して混練して樹脂組成物を得た。
この樹脂組成物中の分子鎖長2850nm以上のポリエ
チレンの含有率は、27重量%であった。この樹脂組成
物をロール圧延(ロール温度150℃)することによ
り、約70μmの膜厚の原反フィルムを作製した。
より延伸温度110℃で約5倍に延伸しloofah構
造の多孔性フィルムを得た。得られた多孔性フィルムの
表面の走査電子顕微鏡写真を図2に示した。図2のV方
向に蛇行しながら配向しているやや太めの繊維が幹フィ
ブリルであり、V方向と直交する方向に枝フィブリルが
形成されている。図2から明らかなように、枝フィブリ
ルの形成密度は、幹フィブリルよりも高い。幹フィブリ
ルと枝フィブリルにより、多数の微細な孔が形成されて
いる。
の通気度、平均孔径、膜厚、平均細孔直径d、平均細孔
半径r並びに2r/d、突刺し強度の測定結果を表1に
併せて示した。また、イオン透過性を表す指標として時
間に対する比伝導度変化を測定して図4に示した。
ムの通気度、平均孔径、膜厚、を表1に示した。また、
電子顕微鏡写真を図3に、イオン透過測定結果を図4
に、それぞれ示した。この多孔性フィルムは、高ドラフ
ト比(引取速度/押出速度)にて成形したポリプロピレ
ン層/ポリエチレン層/ポリプロピレン層という層構成
の積層フィルムに結晶化熱処理を施した後、これを低温
延伸し、次いで高温延伸して結晶界面を剥離させて成形
したフィルムである。図3から、この多孔性フィルム
は、loofah構造ではないことが明らかである。
の通気度、平均孔径、膜厚、平均細孔直径d、平均細孔
半径r並びに2r/d、突刺し強度の測定結果を表1に
併せて示した。また、イオン透過性を表す指標として時
間に対する比伝導度変化を測定して図4に示した。
なる本発明の実施例1の多孔性フィルムの方が、比較例
1の多孔性フィルムと比較して膜厚が約1.7倍厚いの
にもかかわらず、時間に対する比伝導度変化(=傾き)
が大きく、単位時間あたりのイオン透過量が多い、すな
わちイオン透過性に優れていることがわかる。
状構造をとることによってイオン透過性を向上すること
ができる。
を示す模式図
写真
ラフ
Claims (5)
- 【請求項1】 熱可塑性樹脂からなり、微細孔を有する
多孔性フィルムであって、 前記微細孔は、フィルムの1方向に伸びる幹フィブリル
と前記幹フィブリル間を連結する枝フィブリルとからな
る3次元網状組織により形成されており、前記枝フィブ
リルの形成密度は、前記幹フィブリルの形成密度より高
く、バブルポイント法(ASTM F316−86)に
より求めた前記微細孔の平均細孔直径d(μm)と、水
銀圧入法(JIS K1150)により求めた前記微細
孔の平均細孔半径r(μm)とが下記式を満たすことを
特徴とする多孔性フィルム。 1.20≦2r/d≦1.70 - 【請求項2】 前記枝フィブリルは、フィルムの最大熱
収縮方向に配向している請求項1記載の多孔性フィル
ム。 - 【請求項3】 前記微細孔は、平均細孔直径dが0.0
6〜3μmである請求項1又は2に記載の多孔性フィル
ム。 - 【請求項4】 熱可塑性樹脂がポリオレフィンである請
求項1〜3のいずれかに記載の多孔性フィルム。 - 【請求項5】 前記ポリオレフィンは、分子鎖長が28
50nm以上のポリオレフィンを少なくとも10%以上
含むものである請求項4に記載の多孔性フィルム。
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