JP2007231289A

JP2007231289A - ポリオレフィン系多孔質膜の製造方法

Info

Publication number: JP2007231289A
Application number: JP2007110784A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Akashi; 和男明石
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】含有する充填材が少量であるポリオレフィン系多孔質膜を簡便に提供する。
【解決の手段】（ａ）平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子を１重量％以上３０重量％以下含有するポリオレフィンを溶融混合して得られるポリオレフィン組成物を延伸して薄膜を得る工程、（ｂ）前記工程（ａ）の後、多孔化のための延伸をする工程を含み、
前記工程（ａ）の延伸温度が、多孔化のための延伸温度より高温であり、前記工程（ｂ）の延伸温度が２０℃以上、ポリオレフィンの融点以下であるポリオレフィン系多孔質膜の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、ポリオレフィン系多孔質膜に関するものであり、特に、電池のセパレータやフィルターや水蒸気透過性フィルムなどに適したポリオレフィン系多孔質膜に関する。

ポリオレフィンからなる多孔質膜は、リチウムイオン二次電池などの電池のセパレータとして、おむつや生理用品などに用いられる水蒸気透過フィルムとして、あるいはフィルターなどとして広く使用されている。このポリオレフィン系多孔質膜は次の方法で製造されたものが知られている。

（１）相分離を利用して製造する多孔質膜。すなわち、ポリオレフィンと溶媒を混合して加熱した溶液をフィルムに成形したあと、溶剤による抽出処理を行った多孔質膜。
（２）延伸によってポリオレフィンの結晶界面を開裂させて製造する多孔質膜。すなわち、ポリオレフィンを延伸して得られた薄膜を熱処理を行うことによってポリオレフィンの結晶を成長させたあと、低温での延伸を行って結晶界面を開裂させたあと、高温での延伸を行って開裂部を拡大させて得られる多孔質膜。
（３）充填材を添加したポリオレフィンを延伸して製造する多孔質膜。すなわち、ポリオレフィンに炭酸カルシウムや硫酸バリウムなどの充填材を添加し、これを延伸することによって充填材とポリオレフィンの界面を剥離させて得られる多孔質膜

上記多孔質膜（１）は、多孔化するためにポリオレフィンに混合した後抽出する溶媒やこの溶媒を抽出する溶剤を大量に使用する。このため、製造工程が煩雑となる。また多孔質膜（２）は、ポリオレフィンの薄膜を成形したあとに、結晶化を促進するための長時間の熱処理工程が必要であり、製造工程が煩雑となる。
製造工程が簡便で安価に製造することができる多孔質膜としては、上記多孔質膜（３）が適しており、おむつや生理用品などに大量に用いられている水蒸気透過性膜としてよく知られている。
多孔質膜（３）では大量の充填材がポリオレフィンに混合される。例えば、特許文献１では硫酸バリウムを５０〜５００重量部、特許文献２では炭酸カルシウムを３０〜７０重量部、ポリオレフィンに混合される。このように、ポリオレフィンに大量の充填材を混合すると多孔質膜の強度は小さくなりやすく、また多孔質膜の孔径が大きくなって微細な孔径の多孔質膜が得られにくい傾向がある。

充填材を使用した多孔質膜としては、これらのほかにゾルゲル反応を利用してポリオレフィン中にシリカを分散させた多孔質膜がある。たとえば、１９９９年発刊のＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．７２巻の１４８９ページから１４９４ページには、ポリプロピレンを押出機で溶融成形するときにテトラエトキシシランを添加し、ゾルゲル反応によってシリカ粒子をポリプロピレン中に生成させてシリカが分散したポリプロピレンを押出成形し、これを延伸することにより多孔質膜を得る方法が提案されている。
しかし、この多孔質膜は、用いるテトラエトキシシランの危害性やゾルゲル反応でエチルアルコールが発生するため製造装置や操作が複雑となりやすい。
特開昭６０−１２９２４０号公報特開昭６３−２１０１４４号公報

ポリオレフィンに充填材を少量混合して得られる多孔質膜が求められているが、従来より提案されている充填材を混合したポリオレフィン多孔質膜では、満足するものはなかった。本発明は、使用する充填材が少量で、簡便に製造することができるポリオレフィン多孔質膜を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、ポリオレフィンに平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子を混合したあと延伸して多孔化した多孔質膜が、ポリオレフィンに含まれる充填材の割合が１重量％以上３０重量％以下と小さい多孔質膜となることを見いだし、本発明をなすに至った。

即ち、本発明は下記の通りである。
［１］（ａ）平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子を１重量％以上３０重量％以下含有するポリオレフィンを溶融混合して得られるポリオレフィン組成物を延伸して薄膜を得る工程、（ｂ）前記工程（ａ）の後、多孔化のための延伸をする工程を含み、
前記工程（ａ）の延伸温度が、多孔化のための延伸温度より高温であり、前記工程（ｂ）の延伸温度が２０℃以上、ポリオレフィンの融点以下であるポリオレフィン系多孔質膜の製造方法。
［２］前記工程（ａ）の延伸温度が、多孔化のための延伸温度より高温でかつ前記ポリオレフィンの融点よりも４０℃低い温度以上である前記[１]の製造方法。
［３］前記工程（ｂ）の延伸方法が、最初に低い温度で延伸を行なって薄膜中のポリオレフィンと平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子との界面に亀裂を生じさせておいて、次に高い温度で延伸を行なって亀裂を拡大させることを特徴とする前記[１]又は[２]の製造方法。
［４］ポリオレフィン系多孔質膜が電池のセパレータ用である前記[１]〜[３]いずれかの製造方法。
［５］前記[１]〜［３］いずれかの製造方法により得られるポリオレフィン系多孔質膜。
［６］前記[５]のポリオレフィン系多孔質膜を用いた電池のセパレータ。

本発明は、含有する充填材が少量であるポリオレフィン系多孔質膜を簡便に提供することができる。

本発明の好ましい態様について、以下に具体的に説明する。
本発明に用いる粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子であり、平均粒子径が１００ｎｍ以下である無機物粒子を用いることが好ましい。さらに、無機物粒子は絶縁性であることが望ましい。さらには、粒子の表面をアルキル基で疎水化処理を行った酸化珪素やアルミナの粒子を用いることがより好ましい。粒子径の下限は好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは３ｎｍ以上である。

本発明の平均粒子径とは、一般に比表面積測定法と呼ばれる平均粒子径測定法によって求められる平均粒子径の値であって、一般にＢＥＴ法とよばれている気体吸着法により測定された粒子の比表面積（Ｓ）と粒子の密度（ρ）を用いて、計算式６／（Ｓρ）により求められる平均粒子径の値のことである。
平均粒子径が１００ｎｍを越えると、無機物粒子を添加したポリオレフィン系多孔質膜の強度が小さくなりやすい。また、平均粒子径が１００ｎｍを越える粒子をポリオレフィンに混合したあと延伸して多孔化すると、孔径が大きくなり過ぎ、電池セパレータとして使用する場合には、不適なものとなりやすい。

ポリオレフィン系多孔質膜中に含有される粒子の割合は、多孔質膜総量に対して１重量％以上３０重量％以下であることが好ましく、更には１重量％以上２０重量％以下であることがより好ましい。粒子の含有割合が１重量％を下回る場合は、粒子を含まないポリオレフィン系多孔質膜と比べて破膜温度の上昇効果が得られにくく、一方、粒子の含有割合が３０重量％を超える場合は、ポリオレフィン系多孔質膜の強度が小さくなったり、多孔質膜中に粒子の凝集物が生成しやすくなる。

本発明においてポリオレフィン系とは、エチレンやプロピレンなどのオレフィンの単独重合体及びこれらのブレンド物、エチレンとプロピレン、1−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセンなどのオレフィンとの共重合体及びこれらの共重合体とエチレン単独重合体とのブレンド物、ポリオレフィンとポリアミドや変性ポリフェニレンエーテルなどとのブレンド物などをいう。
ポリオレフィン多孔質膜の強度を確保する観点から、これらのポリオレフィンの中から、ＪＩＳのＫ７２１０に記載された方法で測定したメルトフローレートが２ｇ／１０分以下のポリオレフィンを用いることが好ましく、より好ましくはメルトフローレートが１ｇ／１０分以下のポリオレフィン、更に好ましくはメルトフローレートが１ｇ／１０分以下の高密度ポリエチレンを用いることである。

本発明のポリオレフィン多孔質膜には、ポリオレフィンに粒子を均一に分散させるために、ステアリン酸やエルカ酸などの脂肪酸、ステアリン酸アミドやエルカ酸アミドなどの脂肪酸アミド化合物、ステアリン酸カルシウムやステアリン酸亜鉛などの脂肪酸金属塩、マレイン酸などの有機酸とポリオレフィンを反応させた酸変性ポリオレフィンなどを添加してもよい。
脂肪酸や脂肪酸アミド化合物や脂肪酸金属塩を用いる場合は、ポリオレフィンに対する添加割合は０．０５〜５重量％、好ましくは０．１〜４重量％である。
酸変性ポリオレフィンを用いる場合は、ポリオレフィンに対する添加割合は５〜３０重量％、好ましくは５〜２０重量％である。

本発明で用いるポリオレフィンには、必要に応じて酸化防止剤、造核剤などの各種添加剤を添加してもよい。
本発明のポリオレフィン系多孔質膜は、厚みは電池用セパレータとしての強度を確保する点から５〜１００μｍが好ましく更には１０〜３０μｍがより好ましく、気孔率は電池用セパレータとしての強度確保や電池内部での短絡の防止や適度な電気抵抗を確保するなどの点から３０〜６０％であることが好ましく更には３５〜５０％がより好ましく、透気度は電池の性能確保の点から５０から１０００秒／１００ｃｃであることが好ましく更には７０〜６００秒／１００ｃｃがより好ましく、突刺強度は電池の製造工程における短絡不良率を小さくするなどの点から３Ｎ以上であることが好ましく更には４Ｎ以上がより好ましい。

本発明のポリオレフィン系多孔質膜は、平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子を１重量％以上３０重量％以下の割合で混合したポリオレフィンを溶融混合して得られるポリオレフィン組成物を延伸して多孔化する方法により製造することができる。
ポリオレフィンと平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子が溶融混合されたポリオレフィン組成物は、ニーダーや二軸押出機などの混合装置を用いてポリオレフィンと粒子をポリオレフィンの融点以上の温度に加熱して混練する方法により製造することができる。

ポリオレフィンと平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子を加熱混練して得られるポリオレフィン組成物は冷却してシート状や管状に成形することができる。たとえば、加熱混練されたポリオレフィン組成物を冷却した金属板に挟んで急冷してシート状に成形したり、シート成形ダイを先端に取り付けた押出機を用いて加熱混練したポリオレフィン組成物をシート成形ダイから押し出したものを冷却ロールで引き取ることによってシート状に成形したり、管状ダイを先端に取り付けた押出機を用いて加熱混練したポリオレフィン組成物を管状ダイから押し出して管状に成形することができる。

ポリオレフィンと平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子を加熱混練して得られるポリオレフィン組成物を多孔化するための延伸は、一軸延伸あるいは二軸延伸あるいは一軸延伸と二軸延伸を組み合わせて行うことができる。
多孔化するための延伸は、２０℃以上ポリオレフィンの融点以下の温度で行われることが好ましく、更には２０℃以上ポリオレフィンの融点−２０℃以下で行われることがより好ましい。

一軸延伸の場合は、ロール延伸機やテンターなどの延伸機を用いて行うことができる。二軸延伸の場合は、ロール延伸機やテンターなどの延伸機を組み合わせた逐次延伸装置や同時二軸テンターを用いる同時延伸装置を用いて行うことができる。また逐次延伸装置と同時延伸装置を組み合わせて行っても良い。
多孔化のための延伸は、最初に低い温度で延伸を行って薄膜中のポリオレフィンと平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子との界面に亀裂を生じさせておいて、次に高い温度で延伸を行って亀裂を拡大させることができる。

多孔化のための延伸を行うまえに、ポリオレフィンと平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子が溶融混合されたポリオレフィン組成物を薄膜化するために延伸してもよい。薄膜化するために延伸を行う場合は、多孔化のための延伸より高温で行うことが好ましく、さらにはポリオレフィンの融点−４０℃以上融点＋１０℃以下で延伸を行うことがより好ましい。
また、多孔化するための延伸を行う前に、ポリオレフィンの結晶化度を大きくするために熱処理を行ってもよい。

本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例における多孔質フィルムの物性の評価方法は次の通りである。
（ａ）厚み
尾崎製作所製ダイアルゲージ（商標「ＰＥＡＣＯＫＮｏ．２５」を用いて測定した。
（ｂ）気孔率
厚みと面積からサンプルの体積を求め、質量を測定して、次の式を用いて気孔率を求めた。密度は、使用したポリオレフィンと層状鉱物粒子の密度と配合割合とから計算により求めた値を用いた。
気孔率（％）＝（１−（質量／密度）／体積）×１００
（ｃ）透気度
ＪＩＳＰ−８１１７に準拠したガーレー式透気度計を用いて測定した。
（ｄ）突刺強度
カトーテック製圧縮試験機ＫＥＳ−Ｇ５に、先端の曲率半径が０．５ｍｍの針をとりつけ、突刺速度２ｍｍ／秒で突刺試験を行い、最大突刺荷重を突刺強度（Ｎ）とした。

[実施例１]
融点が１３４℃、メルトフローレートが０．３ｇ／１０分、密度が０．９５ｇ／ｃｍ³の高密度ポリエチレンを８３重量％、ステアリン酸を２重量％、平均粒子径が７ｎｍである酸化珪素粒子を１５重量％の割合で混合し、この混合物を東洋精機製作所製プラストミルＣ型を用いて加熱混合した。
プラストミルの温度を２００℃、回転数を５０ｒｐｍに設定して１０分間加熱混合を行ったあと、溶融した混合物をプラストミルから取り出し冷却した。冷却固化した混合物を２枚の金属板の間に挟み、温度２００℃に設定した熱プレス機を用いて圧力１０ＭＰａで圧縮し、厚さ０．８ｍｍのシートを作成した。
得られたシートを二軸延伸機（岩本製作所製）を用いて、温度１２８℃で縦横両方向とも６倍の延伸倍率で二軸延伸を行い、厚みが２１μｍの二軸延伸された薄膜を作成した。
得られた薄膜を二軸延伸機（岩本製作所製）を用いて、温度７０℃で一方向に１．３倍延伸（この延伸方向を縦方向とする）したあと、この方向と直交する方向に温度１０５℃で２倍延伸（この延伸方向を横方向とする）して、ポリオレフィン系多孔質膜を作成した。
得られたポリオレフィン系多孔質膜は、厚みが２０μｍ、気孔率が３７％、透気度が４９０秒／１００ｃｃ、突刺強度が４．１Ｎであった。

[実施例２]
実施例１の酸化珪素粒子の混合割合を５重量％、高密度ポリエチレンの混合割合を９３重量％に変えたことのほかは実施例１と同じ条件でポリオレフィン系多孔質膜を作成した。
得られたポリオレフィン系多孔質膜は、厚みが２３μｍ、気孔率が４３％、透気度が５７０秒／１００ｃｃ、突刺強度が５．０Ｎであった。

［比較例１］
実施例１の酸化珪素粒子の混合割合を０．５重量％、高密度ポリエチレンの混合割合を９９．５重量％に変えたことのほかは実施例１と同じ条件で、ポリオレフィン系多孔質膜の作成を試みた。
得られた膜は、厚みが２１μｍ、気孔率が１％、透気度が１万秒／１００ｃｃ以上と透過性がみられない膜であった。

［比較例２］
実施例１の酸化珪素粒子の混合割合を４０重量％、高密度ポリエチレンの混合割合を６０重量％に変えたことのほかは実施例１と同じ条件で、ポリオレフィン系多孔質膜の作成を試みた。
得られたポリオレフィン系多孔質膜は、厚みが２４μｍ、透気度が３２０秒／１００ｃｃ、突刺強度が１．１Ｎと強度が小さい膜であった。

本発明により得られる膜は特に電池のセパレータやフィルターや水蒸気透過性フィルムなどに適している。

Claims

（ａ）平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子を１重量％以上３０重量％以下含有するポリオレフィンを溶融混合して得られるポリオレフィン組成物を延伸して薄膜を得る工程、（ｂ）前記工程（ａ）の後、多孔化のための延伸をする工程を含み、
前記工程（ａ）の延伸温度が、多孔化のための延伸温度より高温であり、前記工程（ｂ）の延伸温度が２０℃以上、ポリオレフィンの融点以下であるポリオレフィン系多孔質膜の製造方法。
前記工程（ａ）の延伸温度が、多孔化のための延伸温度より高温でかつ前記ポリオレフィンの融点よりも４０℃低い温度以上である請求項１記載の製造方法。
前記工程（ｂ）の延伸方法が、最初に低い温度で延伸を行なって薄膜中のポリオレフィンと平均粒子径が１００ｎｍ以下である粒子との界面に亀裂を生じさせておいて、次に高い温度で延伸を行なって亀裂を拡大させることを特徴とする請求項１又は２の製造方法。
ポリオレフィン系多孔質膜が電池のセパレータ用である請求項１〜３いずれか一項に記載の製造方法。
請求項１〜３いずれか一項に記載の製造方法により得られるポリオレフィン系多孔質膜。
請求項５記載のポリオレフィン系多孔質膜を用いた電池のセパレータ。