JP2010153427A - Separator and solid electrolytic capacitor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は陽極箔と陰極箔との間にセパレータを介在させて巻回してコンデンサ素子を作成し、該コンデンサ素子内に固体電解質層を形成した固体電解コンデンサ用のセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサに関し、特には導電性高分子の高充填化を実現するとともに、導電性高分子の連続性を確保することによって、インピーダンス特性,特に等価直列抵抗(以下ESRと略称する)、静電容量等の電気特性を改善し、生産性を高めたものである。 The present invention creates a capacitor element by winding a separator between an anode foil and a cathode foil, a solid electrolytic capacitor having a solid electrolyte layer formed in the capacitor element, and a solid using the separator With regard to the electrolytic capacitor, in particular, it is possible to achieve a high filling of the conductive polymer and ensure the continuity of the conductive polymer, thereby improving impedance characteristics, particularly equivalent series resistance (hereinafter abbreviated as ESR), capacitance. This improves the electrical characteristics and improves productivity.
一般に電解コンデンサ、具体的には巻回型アルミ電解コンデンサは、陽極アルミ箔と陰極アルミ箔との間にセパレータを介在させて巻付け形成してコンデンサ素子を作成し、このコンデンサ素子を液状の電解液中に浸漬して電解質を含浸させ、封口して製作している。上記電解液としては、通常エチレングリコール(EG)、ジメチルホルムアミド(DMF)又はγ−ブチロラクトン(GBL)等を溶媒とし、これらの溶媒に硼酸やアジピン酸アンモニウム、マレイン酸水素アンモニウム等の溶質を溶解したものを用いてコンデンサ素子の両端から浸透させて製造している。 In general, an electrolytic capacitor, specifically, a wound aluminum electrolytic capacitor, is formed by winding a separator between an anode aluminum foil and a cathode aluminum foil to form a capacitor element. It is manufactured by dipping in a liquid, impregnating with an electrolyte, and sealing. As the electrolytic solution, ethylene glycol (EG), dimethylformamide (DMF), or γ-butyrolactone (GBL) is usually used as a solvent, and solutes such as boric acid, ammonium adipate, and ammonium hydrogen maleate are dissolved in these solvents. It is manufactured by infiltrating from both ends of the capacitor element.
薄型テレビ,ブルーレイディスク,高性能家庭用ゲーム機器など、近年のデジタル化された業務用及び民生用の各種電子機器は動作周波数の高速化が飛躍的に進み、電子機器全体としての省電力化も強く求められている現状にある。そこでこれらの電子機器を構成する部品である電解コンデンサにも、動作周波数の高速化及び省電力化等のために、小型大容量でインピーダンス特性,特に等価直列抵抗(以下ESRと略称する)の低いものが求められている。 Various digital electronic devices for commercial and consumer use such as flat-screen TVs, Blu-ray discs, and high-performance home video game devices have dramatically increased the operating frequency, and the power consumption of the electronic devices as a whole has also increased. The current situation is strongly demanded. Therefore, electrolytic capacitors, which are parts constituting these electronic devices, are also small in size and large in capacitance, particularly in equivalent series resistance (hereinafter abbreviated as ESR) in order to increase the operating frequency and save power. Things are sought.
しかしながら、前記した電解液を電解質に使用した電解コンデンサでは、高周波域でESRの低減を十分にはかることが困難である。これは電解液そのものの比抵抗を低くすることができないためである。そのため、より比抵抗の小さい電解質として、二酸化マンガンやTCNQ錯体を使用した電解コンデンサが開発されている。 However, it is difficult to sufficiently reduce ESR in a high frequency range in an electrolytic capacitor using the above-described electrolytic solution as an electrolyte. This is because the specific resistance of the electrolytic solution itself cannot be lowered. For this reason, electrolytic capacitors using manganese dioxide or TCNQ complexes have been developed as electrolytes with lower specific resistance.
更に近時はポリピロールやポリチオフェン等の導電性を有する導電性高分子を電解質に使用した固体電解コンデンサが開発されている。これらの導電性高分子の比抵抗は、二酸化マンガンやTCNQ錯体の比抵抗よりも小さく、電解コンデンサ自体のESRが良好なものを製作することが可能であるため注目を集めている。なお、導電性高分子とは導電性を有して電解コンデンサの電解質として利用することができる高分子を指している。 Further, recently, solid electrolytic capacitors using conductive polymers having conductivity such as polypyrrole and polythiophene as electrolytes have been developed. Since the specific resistance of these conductive polymers is smaller than the specific resistance of manganese dioxide or TCNQ complex, it is possible to manufacture a capacitor having good ESR of the electrolytic capacitor itself. The conductive polymer refers to a polymer that has conductivity and can be used as an electrolyte of an electrolytic capacitor.
従来、このような導電性高分子を電解質に使用した固体電解コンデンサは、主にパソコン用途などデジタル家電の10WV以下の低電圧用途に使用されてきたが、更に4WV以下の低電圧と100μF以上の静電容量の大容量化が要求されている。一方において、近年更なる用途展開として例えば車載用途等にも用いられるようになっており、車載用途では高温で25WVの高耐電圧が要求されている。ハイブリットカーや電気自動車等の車の電化が進む中で今後も車載用途の電解コンデンサの耐電圧はますます高くなることが予測される。 Conventionally, a solid electrolytic capacitor using such a conductive polymer as an electrolyte has been mainly used for a low voltage application of 10 WV or less for digital home appliances such as a personal computer application, but further, a low voltage of 4 WV or less and 100 μF or more. There is a demand for an increase in capacitance. On the other hand, as a further application development in recent years, for example, it has been used for in-vehicle applications and the like. For in-vehicle applications, a high withstand voltage of 25 WV is required at high temperatures. With the progress of electrification of vehicles such as hybrid cars and electric cars, it is predicted that the withstand voltage of electrolytic capacitors for in-vehicle use will continue to increase.
また、近年ハンダ中の鉛が環境に悪影響を及ぼすことから、鉛フリーハンダの導入が進められている。これに伴ってハンダリフロー温度が従来の180℃から260℃程度まで上がっており、必然的に電子機器に使用される各種電子部品の耐熱性を今まで以上に高くすることが必須の要件となっている。 In recent years, lead-free solder has been introduced since lead in solder has an adverse effect on the environment. Along with this, the solder reflow temperature has increased from the conventional 180 ° C. to about 260 ° C., and it is indispensable to inevitably increase the heat resistance of various electronic components used in electronic devices. ing.
しかしながら、電解質として導電性高分子を使用して電解コンデンサ、特には巻回型アルミ固体電解コンデンサを製造しようとした場合、従来の電解質として電解液を使用するアルミ電解コンデンサにおいて用いられている天然セルロース繊維を原料とするセパレータをそのまま使用することができないという問題がある。これはセパレータ中のセルロースが水酸基(OH基)を有するので導電性高分子の重合溶液の含浸、あるいは導電性高分子の重合を阻害するためである。更に、重合溶液に含まれる酸化剤(p−トルエンスルホン酸第二鉄等)は、天然セルロース繊維で構成されたセパレータと化学反応を起こすので、セパレータを損傷し、短絡を起こす可能性がある。したがって、電解質として導電性高分子を使用する固体電解コンデンサにおいては、天然セルロース繊維を原料とするセパレータをそのままでは使用することができないという問題がある。 However, when an electrolytic capacitor, particularly a wound aluminum solid electrolytic capacitor is manufactured using a conductive polymer as an electrolyte, natural cellulose used in an aluminum electrolytic capacitor that uses an electrolytic solution as a conventional electrolyte. There is a problem that a separator made of fiber cannot be used as it is. This is because the cellulose in the separator has a hydroxyl group (OH group) and impedes impregnation with the polymerization solution of the conductive polymer or polymerization of the conductive polymer. Furthermore, since the oxidizing agent (such as p-toluenesulfonic acid ferric acid) contained in the polymerization solution causes a chemical reaction with the separator made of natural cellulose fiber, it may damage the separator and cause a short circuit. Therefore, in a solid electrolytic capacitor using a conductive polymer as an electrolyte, there is a problem that a separator made of natural cellulose fibers cannot be used as it is.
このようなセルロースの影響を抑制するため、巻回したコンデンサ素子を熱処理し、セパレータを炭化することにより前記したセルロースの弊害を除去する試みが行われている。しかしながら、天然セルロース繊維を原料とするセパレータを使用したコンデンサ素子は、炭化により素子の形状が崩れたり、熱処理によるストレスからショート不良が増大する弊害がある。よって、炭化によってセルロースの弊害を除去することはできても電解コンデンサに対する近時の要求を充足する実用性のある天然セルロース繊維を原料とするセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサは提供されていない。 In order to suppress the influence of such cellulose, an attempt has been made to remove the above-described adverse effects of cellulose by heat treating the wound capacitor element and carbonizing the separator. However, a capacitor element using a separator made of natural cellulose fiber has a problem that the shape of the element is lost due to carbonization or short-circuit defects are increased due to stress caused by heat treatment. Therefore, there is provided a separator made of natural cellulose fiber that has practical utility to satisfy the recent requirements for electrolytic capacitors even though the harmful effects of cellulose can be removed by carbonization, and a solid electrolytic capacitor using the separator. Absent.
そこで、天然セルロース繊維を使用しないセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサの開発が種々試みられている。例えば、セルロース繊維の代わりにガラス繊維を用いたセパレータを使用することも提案されているが、ガラス繊維紙は厚みを薄くすることが困難であり、そのためコンデンサ素子が大きくなったり巻回が難しくなるという問題が生じる。 Accordingly, various attempts have been made to develop a separator that does not use natural cellulose fibers and a solid electrolytic capacitor that uses the separator. For example, it has been proposed to use a separator using glass fibers instead of cellulose fibers, but it is difficult to reduce the thickness of glass fiber paper, which makes the capacitor element large and difficult to wind. The problem arises.
また、セパレータの原材料として化学繊維を用いたセパレータを使用することも提案されており、ビニロン繊維をセパレータに使用した電解コンデンサ(特許文献1)やポリエステル繊維をセパレータに使用した固体電解コンデンサ(特許文献2)、アクリル繊維をセパレータに使用した巻回型電解コンデンサ(特許文献3)が提供されている。また、より耐熱性の高いアラミドフロック及び/又はアラミドファイブリッドからなる合成繊維100%のセパレータを使用した固体電解コンデンサも提案されている(特許文献4)。これらの特許文献1〜4に記載されたセパレータによれば少なくとも上記のような問題は解決することができる。 It has also been proposed to use a separator using chemical fibers as a raw material for the separator. An electrolytic capacitor using a vinylon fiber as a separator (Patent Document 1) or a solid electrolytic capacitor using a polyester fiber as a separator (Patent Document) 2) A wound electrolytic capacitor using an acrylic fiber as a separator (Patent Document 3) is provided. A solid electrolytic capacitor using a 100% synthetic fiber separator made of aramid floc and / or aramid fibrid having higher heat resistance has also been proposed (Patent Document 4). According to the separators described in these Patent Documents 1 to 4, at least the above problems can be solved.
一方、セルロースを原料とするセパレータの炭化による弊害を除去し、炭化工程の寸法安定性を高める手段として、アクリル繊維を混抄したセパレータが提案されている(特許文献5)。これは、セパレータの原料として天然セルロース繊維に融点を持たない耐熱性繊維であるアクリル繊維を10重量%以上50%重量未満配合した原料を使用することにより、加熱処理時の寸法収縮を抑制してコンデンサ素子の外形寸法が変化しにくい固体コンデンサを得ようとするものである。 On the other hand, as a means for removing the adverse effects caused by carbonization of a separator made of cellulose as a raw material and improving the dimensional stability of the carbonization process, a separator mixed with acrylic fibers has been proposed (Patent Document 5). By using a raw material in which acrylic fiber, which is a heat-resistant fiber having no melting point, is blended with natural cellulose fiber as a raw material for the separator, the shrinkage of dimensions during heat treatment is suppressed. An object of the present invention is to obtain a solid capacitor in which the external dimensions of the capacitor element are unlikely to change.
また、セパレータとして熱分解温度の異なる少なくとも2種の構成成分からなるものを使用し、かつ、固体電解質層形成前に、コンデンサ素子をセパレータの構成成分のうちの低熱分解温度の熱分解温度以上の温度に加熱して、低熱分解温度成分の少なくとも一部を分解除去し、セパレータを減量してなるセパレータが提案されている(特許文献6)。具体的には2種の構成成分として、アラミド繊維とセルロースが開示されている。
高周波域でのESRの低減を実現するためには、比抵抗の小さい導電性高分子を固体電解質として使用することが有効な手段であり、従来の天然セルロース繊維を原料とするセパレータを炭化する手段に代えて、前記した特許文献1〜6に示すような種々の開発が試みられているが、いずれも解決すべき課題を抱えており、近時の固体電解コンデンサに対する要求を充足するものではない。 In order to realize a reduction in ESR in a high frequency range, it is an effective means to use a conductive polymer having a small specific resistance as a solid electrolyte, and a means for carbonizing a separator made from a conventional natural cellulose fiber. Instead, various developments such as those described in Patent Documents 1 to 6 have been attempted, but all have problems to be solved and do not satisfy the recent requirements for solid electrolytic capacitors. .
前記ビニロン繊維を使用した固体電解コンデンサ(特許文献1)は、面実装型電解コンデンサに使用した際に製品が膨張する問題が発生する。また、前記ポリエステル繊維を使用した固体電解コンデンサ(特許文献2)は、近年ハンダリフロー温度が260℃程度まで上昇してきており、融点が260℃のポリエステルでは耐熱性の面での問題がある。 The solid electrolytic capacitor (Patent Document 1) using the vinylon fiber has a problem that the product expands when used in a surface mount electrolytic capacitor. Further, in the solid electrolytic capacitor using the polyester fiber (Patent Document 2), the solder reflow temperature has been increased to about 260 ° C. in recent years, and the polyester having a melting point of 260 ° C. has a problem in terms of heat resistance.
表1はビニロン繊維(特許文献1)、ポリエステル繊維(特許文献2)、アクリル繊維(特許文献3,5)及びアラミド繊維(特許文献4,6)の分解温度及び融点についてまとめたものである。 Table 1 summarizes the decomposition temperatures and melting points of vinylon fibers (Patent Literature 1), polyester fibers (Patent Literature 2), acrylic fibers (Patent Literatures 3 and 5), and aramid fibers (Patent Literatures 4 and 6).
表1に示すように、ビニロン繊維(特許文献1)は分解温度が240℃であり、耐熱性が低いという問題がある。即ち、ビニロン繊維は240℃以上の温度での空気中で水分子の脱離現象が起こり、ガスを発生して高分子の主鎖が切断、分離して熱分解する。従ってハンダリフロー後にケースが膨張する問題がある。また、ポリエステル繊維(特許文献2)も融点が260℃と耐熱性が低くハンダリフロー温度が260℃では温度的に不向きである。 As shown in Table 1, the vinylon fiber (Patent Document 1) has a problem that its decomposition temperature is 240 ° C. and its heat resistance is low. That is, the vinylon fiber undergoes a desorption phenomenon of water molecules in the air at a temperature of 240 ° C. or higher, generates gas, and the main chain of the polymer is cut, separated, and thermally decomposed. Therefore, there is a problem that the case expands after the solder reflow. Polyester fibers (Patent Document 2) also have a low melting point of 260 ° C. and low heat resistance, and are not suitable for temperature when the solder reflow temperature is 260 ° C.
これに対して、アクリル繊維(特許文献3,5)は融点を持たない耐熱性繊維であり、分解温度も300℃であるため、ビニロン繊維やポリエステル繊維で問題のあった260℃のハンダリフローでの使用も可能となる。しかしながら、アクリル繊維は加熱により繊維が長さ方向に収縮して、セパレータの寸法変化が発生する問題がある。アクリルは、紡糸工程で加熱延伸されて規定の繊維径に紡糸されるが、再び繊維が加熱されることで、元の大きさに復元しようとする性質がある。そのため、炭化工程の加熱や重合時の温度によりアクリル繊維が長さ方向に収縮するので、セパレータの寸法が変化し、アクリル繊維の使用量が増えると加熱時のセパレータの寸法収縮が大きくなり、特に厚さ方向の収縮が大きい場合、素子止めテープが切れ、素子がばらけるので、耐熱性繊維の特徴を発揮できないという問題がある。 On the other hand, acrylic fibers (Patent Documents 3 and 5) are heat-resistant fibers having no melting point and have a decomposition temperature of 300 ° C. Therefore, the solder reflow at 260 ° C. has been problematic for vinylon fibers and polyester fibers. Can also be used. However, the acrylic fiber has a problem that the fiber contracts in the length direction by heating, and the dimensional change of the separator occurs. Acrylic is heated and stretched in the spinning process and spun to a specified fiber diameter, but has the property of restoring its original size by heating the fiber again. Therefore, the acrylic fiber shrinks in the length direction depending on the temperature during heating and polymerization in the carbonization process, so the size of the separator changes, and when the amount of acrylic fiber used increases, the size shrinkage of the separator during heating increases. When the shrinkage in the thickness direction is large, the element-stopping tape is cut and the element is separated, so that there is a problem that the characteristics of the heat-resistant fiber cannot be exhibited.
一方アラミド繊維も融点を持たない耐熱性繊維であり、ビニロン繊維やポリエステル繊維で問題のあった260℃のハンダリフローでの使用が可能なことは勿論、分解温度も450℃以上である。また、アラミド繊維は、アクリル繊維のように加熱によって復元しようとする性質は有しない。特許文献4に開示されたアラミドフロック及び/又はアラミドファイブリッドからなる合成繊維100%のセパレータを使用した固体電解コンデンサは、モノマーである3,4−エチレンジオキシチオフェン(EDT)を酸化剤であるp−トルエンスルホン酸第二鉄で重合させて得るポリエチレンジオキシチオフェン(PEDT)を固体電解質とするものであり、熱処理の最高温度は重合工程の温度であり、200℃未満であるので、当該セパレータは劣化しない。 On the other hand, aramid fiber is also a heat-resistant fiber having no melting point, and it can be used in 260 ° C. solder reflow, which has been a problem with vinylon fiber and polyester fiber, and the decomposition temperature is 450 ° C. or higher. Aramid fibers do not have the property of being restored by heating unlike acrylic fibers. A solid electrolytic capacitor using a 100% synthetic fiber separator made of aramid floc and / or aramid fibrid disclosed in Patent Document 4 is a monomer, 3,4-ethylenedioxythiophene (EDT) is an oxidizing agent. Polyethylene dioxythiophene (PEDT) obtained by polymerization with ferric p-toluenesulfonate is used as a solid electrolyte, and the maximum temperature of the heat treatment is the temperature of the polymerization step, which is less than 200 ° C. Does not deteriorate.
しかしながら、特許文献4にかかるセパレータはアラミドフロック及び/又はアラミドファイブリッドからなる合成繊維100%のセパレータであり、耐熱性繊維であるアラミド繊維の配合率が高すぎると低密度化、空隙の増加が原理的に不可能となり、セパレータ内に導電性高分子を保持する空隙が不足するため、導電性高分子を十分に保持できないので、静電容量の高容量化やESRの向上などさらなる電気的特性の改善が期待できない。 However, the separator according to Patent Document 4 is a 100% synthetic fiber separator made of aramid floc and / or aramid fibrid. If the blending ratio of the aramid fiber, which is a heat resistant fiber, is too high, the density is decreased and the voids are increased. It becomes impossible in principle, and since there are not enough gaps to hold the conductive polymer in the separator, the conductive polymer cannot be held sufficiently, so further electrical characteristics such as higher capacitance and improved ESR I cannot expect improvement.
同様にアラミド繊維を原料に使用する特許文献6には、アラミド繊維とセルロース繊維を重量比で50:50で厚さ40μm、坪量10g/m2とする実施例が開示されているが、合成繊維を用いて素子巻きに耐える実用的な引張強さのある合成繊維紙を抄造するには、一般的にバインダが必要不可欠である。特許文献6のようにバインダを用いずにセパレータを抄造すると、セルロースの水酸基間で生じた水素結合が減少するため、引張強さは減少する。このことを確認するために、天然セルロース繊維とアラミド繊維の配合組成において、バインダを用いずにセパレータを厚さ40μm、密度0.45g/cm3で抄紙し、天然セルロース繊維とアラミド繊維の配合量を変化させて引張強さを測定した。その結果を表2に示す。 Similarly, Patent Document 6 using an aramid fiber as a raw material discloses an example in which an aramid fiber and a cellulose fiber are 50:50 by weight and have a thickness of 40 μm and a basis weight of 10 g / m 2. In general, a binder is indispensable for making a synthetic fiber paper having a practical tensile strength that can withstand element winding using fibers. When a separator is made without using a binder as in Patent Document 6, hydrogen bonds generated between the hydroxyl groups of cellulose are reduced, so that the tensile strength is reduced. In order to confirm this, in the blended composition of natural cellulose fiber and aramid fiber, a separator was made with a thickness of 40 μm and a density of 0.45 g / cm 3 without using a binder, and the blended amount of natural cellulose fiber and aramid fiber. The tensile strength was measured while changing. The results are shown in Table 2.
表2に示すように、天然セルロース繊維100重量%からアラミド繊維の配合量を増やすに従って、セパレータの引張強さは減少している。天然セルロース繊維のみの場合、引張強さは12.7N/15mmであったが、バインダを用いずにアラミド繊維の配合量を増やすと、例えば天然セルロース繊維80重量%とアラミド繊維20重量%としたセパレータでは引張強さが6.9N/15mmに減少している。陽極箔と陰極箔との間にセパレータを介在させ、コンデンサ素子の素子巻きに必要な最低限度の引張強さとしては、低速で巻回する場合は7.8N/15mm以上、高速で巻回する場合は9.8N/15mm以上必要であり、好ましくは11.8N/15mm以上の引張強さが必要である。 As shown in Table 2, the tensile strength of the separator decreases as the blending amount of the aramid fiber is increased from 100% by weight of the natural cellulose fiber. In the case of only natural cellulose fibers, the tensile strength was 12.7 N / 15 mm. However, when the blending amount of aramid fibers was increased without using a binder, for example, 80 wt% of natural cellulose fibers and 20 wt% of aramid fibers were used. In the separator, the tensile strength is reduced to 6.9 N / 15 mm. A separator is interposed between the anode foil and the cathode foil, and the minimum tensile strength necessary for winding the capacitor element is 7.8 N / 15 mm or more when wound at a low speed, and is wound at a high speed. In this case, 9.8 N / 15 mm or more is necessary, and preferably a tensile strength of 11.8 N / 15 mm or more is necessary.
特許文献6の実施例では、バインダを配合することなくアラミド繊維を50重量%配合した原料を使用しており、到底7.8N/15mm以上の引張強さを得ることはできない。特許文献6の実施例に開示されたセパレータを実際に製作し、その引張強さを測定したところ、2.6N/15mmに過ぎず、この強度では事実上素子を作成することができない。 In the example of Patent Document 6, a raw material in which 50% by weight of aramid fiber is blended without blending a binder is used, and a tensile strength of 7.8 N / 15 mm or more cannot be obtained. When the separator disclosed in the example of Patent Document 6 was actually manufactured and its tensile strength was measured, it was only 2.6 N / 15 mm, and an element could not be practically produced with this strength.
また、特許文献6の実施例では、セパレータの空隙率が85%以上、特には85〜95%の範囲とすることが好適であるとし、加熱処理によってセルロースを完全に除去するようにしている。そのため、実施例では加熱処理前に50:50の重量比であったアラミド繊維とセルロースが加熱処理後には100:0となっており、セルロースは加熱処理によって完全に消失させるとしている。即ち、セパレータ中のセルロースの存在していた部分は完全な空隙とすることによって前記空隙率を実現しようとしており、セルロースは不要であることが示されている。確かに、一見すると、空隙率を高めてセパレータ内の空隙が多ければ多いほど、導電性高分子の重合溶液の含浸性がよくなるとともに、含浸量が多くなると考えられる。 Moreover, in the Example of patent document 6, it is suitable that the porosity of a separator shall be 85% or more, especially 85-95% of range, and it is trying to remove a cellulose completely by heat processing. Therefore, in the examples, the aramid fiber and cellulose that were in a weight ratio of 50:50 before the heat treatment are 100: 0 after the heat treatment, and the cellulose is supposed to be completely lost by the heat treatment. That is, it is shown that the above-mentioned porosity is achieved by making the portion where the cellulose existed in the separator into a complete void, and the cellulose is unnecessary. Certainly, at first glance, it is considered that the higher the porosity and the more voids in the separator, the better the impregnation property of the conductive polymer polymerization solution and the greater the amount of impregnation.
しかしながら、真空含浸法等によって重合溶液を陽極箔と陰極箔の間に均一に、かつ、十分含浸させるには、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体が必要であり、その役割をセパレータを構成する繊維が担っている。また、重合溶液中の導電性高分子のモノマー溶液と酸化剤溶液の重合によって形成される導電性高分子を保持するためにも媒体が必要である。 However, in order to uniformly and sufficiently impregnate the polymerization solution between the anode foil and the cathode foil by a vacuum impregnation method or the like, a path for the polymerization solution to flow and a medium for holding the polymerization solution are required. The fiber constituting the separator plays the role. In addition, a medium is necessary to hold the conductive polymer formed by polymerization of the monomer solution of the conductive polymer and the oxidant solution in the polymerization solution.
よって、特許文献6のように、セパレータの空隙率を極端に高めたり、セパレータ中のセルロースの存在していた部分を完全な空隙としてしまうと、媒体となるセパレータ中の繊維は化学繊維であるアラミド繊維のみとなり、却って重合溶液の含浸性は悪化することとなる。また、重合によって形成された導電性高分子を保持するための媒体も減少するため、その連続性が失われてしまう。 Therefore, as in Patent Document 6, when the porosity of the separator is extremely increased, or the portion where the cellulose is present in the separator is made a complete void, the fiber in the separator serving as a medium is an aramid that is a chemical fiber. On the other hand, the impregnation property of the polymerization solution is deteriorated. Moreover, since the medium for holding the conductive polymer formed by polymerization is also reduced, the continuity is lost.
天然セルロース繊維は、そのままでは固体電解コンデンサのセパレータとして使用することができず、セルロースの影響を抑制するために熱処理による炭化が必要であるが、炭化をするとセルロースの影響は抑制できたとしても素子の形状が崩れしまう等の新たな弊害が生じてしまう。そのためセルロースを原料とする実用性のあるセパレータは提供されていない。一方において、セルロースは電解液を電解質とする電解コンデンサのセパレータの原料として広く使用されており、高い空隙率を有する等セパレータの原料として本来的に優れた利点を有している。また、アラミド繊維を初めとする熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維は、固体電解コンデンサの耐熱性向上という観点からはセパレータの原料として魅力ある素材であるが、一方においてセパレータの空隙率を確保して重合液の含浸性を改善するという観点からはデメリットが多く、単体ではセパレータの原料として適していない。 Natural cellulose fiber cannot be used as a separator for a solid electrolytic capacitor as it is, and carbonization by heat treatment is necessary to suppress the influence of cellulose, but even if carbonization can suppress the influence of cellulose, the element New adverse effects such as collapse of the shape will occur. Therefore, a practical separator using cellulose as a raw material has not been provided. On the other hand, cellulose is widely used as a raw material for separators of electrolytic capacitors using an electrolytic solution as an electrolyte, and has inherently excellent advantages as a raw material for separators such as having a high porosity. Heat-resistant fibers with a thermal decomposition temperature of 450 ° C or higher, including aramid fibers, are attractive materials as separator raw materials from the viewpoint of improving the heat resistance of solid electrolytic capacitors. There are many disadvantages from the viewpoint of securing and improving the impregnation property of the polymerization liquid, and the single substance is not suitable as a raw material for the separator.
そこで、本発明は従来の固体電解コンデンサ用のセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサが有している各種の課題を解消して、天然セルロース繊維を主体とするセパレータを使用することによって導電性高分子の高充填化を実現するとともに、導電性高分子の連続性を確保することによって、インピーダンス特性,特にESR等の電気特性を改善し、生産性を高めた固体電解コンデンサを得ること、より具体的にはエージング後において、100μF以上の静電容量と、20mΩ以下のESRを実現した固体電解コンデンサ用のセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサを得ることを目的とするものである。 Therefore, the present invention eliminates various problems of conventional separators for solid electrolytic capacitors and solid electrolytic capacitors using the separators, and uses a separator mainly composed of natural cellulose fibers to provide conductivity. Improve impedance characteristics, especially electrical characteristics such as ESR, and obtain solid electrolytic capacitors with improved productivity by ensuring high polymer packing and ensuring the continuity of conductive polymers. Specifically, an object of the present invention is to obtain a separator for a solid electrolytic capacitor that realizes an electrostatic capacity of 100 μF or more and an ESR of 20 mΩ or less after aging, and a solid electrolytic capacitor using the separator.
そこで、本発明者らは上記目的を達成すべく、天然セルロース繊維と耐熱性繊維の組合せについて鋭意研究の結果、次のような知見を得た。セパレータ内に導電性高分子の重合溶液を保持する空隙を多く確保するためには、天然セルロース繊維の配合量を増やし、炭化の程度を強くすることが有効である。しかしながら、天然セルロース繊維の配合量を増加させると、炭化によってセパレータの寸法安定性が失われ、又炭化の程度が強過ぎると、導電性高分子を保持するための天然セルロース繊維の繊維形骸そのものが過度に消失してしまい、最早、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体や導電性高分子を保持するための媒体として作用をすることが困難となる。更に、耐熱性繊維の配合量が少ないと、炭化によってセパレータの寸法安定性を確保することができなくなる。 In order to achieve the above object, the present inventors have earnestly studied the combination of natural cellulose fiber and heat resistant fiber, and obtained the following knowledge. In order to secure a large number of voids for holding the conductive polymer polymerization solution in the separator, it is effective to increase the blending amount of the natural cellulose fiber and increase the degree of carbonization. However, when the blending amount of natural cellulose fiber is increased, the dimensional stability of the separator is lost due to carbonization, and when the carbonization degree is too strong, the fiber shape of the natural cellulose fiber itself for holding the conductive polymer is lost. It disappears excessively, and it becomes difficult to act as a medium for holding the polymerization solution and a medium for holding the polymerization solution and a medium for holding the polymerization solution. Furthermore, when the blending amount of the heat resistant fiber is small, it is impossible to ensure the dimensional stability of the separator by carbonization.
一方、炭化後のセパレータの寸法安定性を確保するためには、天然セルロース繊維の配合量を減らし、耐熱性繊維の配合量を増やして、炭化の程度を弱くすればよい。しかしながら、天然セルロース繊維の配合量を減らし、耐熱性繊維の配合量を増加させると、炭化をしたとしても十分な空隙を確保することができず、素子巻き時の引張強度が失われてゆく。また、炭化の程度が不十分だと天然セルロースの水酸基の弊害を除去することができない。更に、耐熱性繊維を配合するには、素子巻き時の引張強度を確保するためにバインダの配合が不可欠である。 On the other hand, in order to ensure the dimensional stability of the separator after carbonization, the blending amount of natural cellulose fibers is reduced, the blending amount of heat-resistant fibers is increased, and the degree of carbonization is weakened. However, if the blending amount of natural cellulose fibers is reduced and the blending amount of heat-resistant fibers is increased, sufficient voids cannot be secured even if carbonized, and the tensile strength at the time of element winding is lost. Further, if the degree of carbonization is insufficient, the harmful effects of the hydroxyl group of natural cellulose cannot be removed. Furthermore, in order to mix heat resistant fibers, it is indispensable to add a binder in order to ensure the tensile strength when the element is wound.
これらの知見を天然セルロース繊維を原料とするセパレータを中心として整理すると、次の通りである。天然セルロース繊維を原料とするセパレータは、水酸基によって導電性高分子の重合を阻害する欠点を有するが、高い空隙率を得やすく、水酸基の影響を抑制するために炭化した繊維が、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として機能する。天然セルロース繊維を原料とするセパレータを炭化することによって前記水酸基の弊害を除去することができ、空隙率を増加させることができるが、炭化の程度が過ぎるとセルロース繊維の繊維形骸が消失してしまい、前記導電性高分子を保持する媒体を失わさせるとともに、セパレータの寸法安定性を悪化させる。そこで、原料繊維に耐熱性繊維を配合すると炭化時の寸法安定性を向上させることはできるが、素子巻き時の引張強さが不足してしまう。引張強さを確保するためには、耐熱性繊維の交絡点を接合するためのバインダを配合することが必要である。 These findings are summarized as follows, focusing on separators made from natural cellulose fibers. Separators made from natural cellulose fibers have the disadvantage of hindering the polymerization of the conductive polymer by hydroxyl groups, but it is easy to obtain a high porosity and carbonized fibers flow in the polymerization solution to suppress the influence of hydroxyl groups. And a medium for holding the polymerization solution and a medium for holding the polymerized conductive polymer. By carbonizing a separator made of natural cellulose fiber as a raw material, the adverse effects of the hydroxyl group can be removed and the porosity can be increased. However, if the degree of carbonization is excessive, the fiber form of the cellulose fiber will disappear. The medium holding the conductive polymer is lost, and the dimensional stability of the separator is deteriorated. Thus, when heat-resistant fibers are blended with the raw material fibers, the dimensional stability during carbonization can be improved, but the tensile strength when winding the element is insufficient. In order to ensure the tensile strength, it is necessary to blend a binder for joining the entanglement points of the heat-resistant fibers.
一方において、炭化されていない天然セルロース繊維は水酸基の弊害を残すこととなり、又天然セルロース繊維の配合量の増加は炭化時の寸法安定性に悪影響を与える。また、耐熱性繊維の配合量の増加は、空隙率の確保、導電性高分子の保持、及び引張強さの確保に悪影響を与える。更に、バインダの配合量の増加は空隙率の増加に悪影響を与える。このように、天然セルロース繊維、耐熱性繊維とバインダはそれぞれ固体電解コンデンサのセパレータの原料としてメリットとデメリットを有しているものであり、導電性高分子の高充填化を実現するとともに、導電性高分子の連続性を確保することによって、低ESR化を実現するためには、これらのバランスを確保する必要があり、本発明者らは次のセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサを提供する。 On the other hand, natural carbon fibers that are not carbonized leave the harmful effects of hydroxyl groups, and an increase in the amount of natural cellulose fibers adversely affects dimensional stability during carbonization. In addition, an increase in the amount of heat-resistant fiber has an adverse effect on ensuring the porosity, holding the conductive polymer, and ensuring the tensile strength. Furthermore, an increase in the amount of the binder adversely affects the increase in porosity. As described above, natural cellulose fiber, heat-resistant fiber and binder have advantages and disadvantages as raw materials for separators of solid electrolytic capacitors, respectively, and realize high packing of conductive polymer and conductivity. In order to achieve low ESR by ensuring the continuity of the polymer, it is necessary to ensure a balance between these, and the present inventors provide the following separator and a solid electrolytic capacitor using the separator To do.
本発明は上記目的を達成するために、陽極箔と陰極箔との間にセパレータを介在させて巻回し、該セパレータを炭化させた後に、固体電解質層として導電性高分子を保持させる固体電解コンデンサ用のセパレータにおいて、前記セパレータとして50重量%以上の天然セルロース繊維と、10重量%〜40重量%の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維と、所定量のバインダを含有させたセパレータを基本として提供する。そして、天然セルロース繊維の水酸基を除去するとともに繊維形骸が残存するように炭化する構成、加熱によって天然セルロース繊維を炭化させることにより、セパレータ内に空隙を形成するとともに、天然セルロース繊維の繊維形骸を残存させる構成、炭化のための加熱時において、耐熱性繊維によってセパレータの形態を保持した状態で、天然セルロース繊維を炭化させることにより、セパレータ内に空隙を形成するとともに、天然セルロース繊維の繊維形骸を残存させる構成を提供する。また、繊維形骸に沿って導電性高分子を連続的に保持させ、繊維形骸とともに、部分的に未酸化のセルロース繊維を残存させる。 In order to achieve the above object, the present invention provides a solid electrolytic capacitor in which a separator is interposed between an anode foil and a cathode foil, and the separator is carbonized to carbonize the separator and then hold a conductive polymer as a solid electrolyte layer. As a separator, a separator containing 50% by weight or more of natural cellulose fiber, 10% to 40% by weight of heat-resistant fiber having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or more, and a predetermined amount of binder is basically used. As offered. And the structure which carbonizes so that a fiber form body may remain while removing the hydroxyl group of a natural cellulose fiber, and by carbonizing natural cellulose fiber by heating, while forming a space in a separator, the fiber form body of a natural cellulose fiber remains When heating for carbonization, the natural cellulose fiber is carbonized in a state where the shape of the separator is maintained by the heat-resistant fiber, thereby forming voids in the separator and leaving the fibrous body of the natural cellulose fiber. Provide a configuration to be made. In addition, the conductive polymer is continuously held along the fiber shaped body, and partially unoxidized cellulose fibers remain together with the fiber shaped body.
また、天然セルロース繊維として、マニラ麻パルプ,サイザル麻パルプ,エスパルトパルプ,コットンパルプ,ジュートパルプ,ヘンプパルプ,木材パルプから選択された一種又は複数の繊維を使用する。耐熱性繊維として、アラミド繊維,アミドイミド繊維,ポリイミド繊維,フィブリル化アラミド繊維,アラミドフィブリッド,フィブリル化アミドイミド繊維,アルミナ繊維,ボロン繊維,炭素繊維,ガラス繊維から選択された一種又は複数の繊維を使用する。バインダとして、10重量%〜30重量%の湿熱融着樹脂を含有させ、湿熱融着樹脂として、ポリビニルアルコールを用いる。また、バインダとして、2重量%〜10重量%のポリアクリルアミド系樹脂を含有させる。 Further, as natural cellulose fibers, one or more fibers selected from Manila hemp pulp, sisal hemp pulp, esparto pulp, cotton pulp, jute pulp, hemp pulp, and wood pulp are used. One or more fibers selected from aramid fiber, amideimide fiber, polyimide fiber, fibrillated aramid fiber, aramid fibrid, fibrillated amidimide fiber, alumina fiber, boron fiber, carbon fiber, and glass fiber are used as the heat resistant fiber. To do. As the binder, 10 wt% to 30 wt% of wet heat fusion resin is contained, and polyvinyl alcohol is used as the wet heat fusion resin. Further, 2% by weight to 10% by weight of polyacrylamide resin is contained as a binder.
そして、前記構成のセパレータを陽極箔と陰極箔との間に介在させて巻回し、該セパレータを炭化させた後に、固体電解質層として導電性高分子を保持させる固体電解コンデンサを提供する。また、セパレータを250℃〜350℃の温度で60分〜120分加熱することにより炭化し、導電性高分子として、ポリピロール,ポリチオフェン,ポリアニリン又はこれらの誘導体の少なくとも1種類を使用する。 Then, the separator having the above-described configuration is wound between an anode foil and a cathode foil, and after carbonizing the separator, a solid electrolytic capacitor is provided that retains a conductive polymer as a solid electrolyte layer. Further, the separator is carbonized by heating at a temperature of 250 ° C. to 350 ° C. for 60 minutes to 120 minutes, and at least one of polypyrrole, polythiophene, polyaniline, or a derivative thereof is used as the conductive polymer.
本発明によって得られたセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサによれば、コンデンサ素子を炭化することによって、天然セルロース繊維を親水性から疎水性に変化させて、セルロースの水酸基による導電性高分子の重合溶液の含浸及び導電性高分子の重合の阻害を抑制することができる。更に、炭化されたセルロースによってセパレータの空隙率を拡大させるとともに、炭化後に繊維形骸や部分的に未酸化のセルロース繊維を残存させることにより、繊維形骸や未酸化の繊維を重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として作用させることができる。 According to the separator obtained by the present invention and the solid electrolytic capacitor using the separator, the natural cellulose fiber is changed from hydrophilic to hydrophobic by carbonizing the capacitor element, and the conductive polymer due to the hydroxyl group of cellulose. Inhibition of the impregnation of the polymerization solution and polymerization of the conductive polymer can be suppressed. Further, the carbonized cellulose expands the porosity of the separator, and after carbonization, the fibrous structure and partially unoxidized cellulose fibers remain so that the polymerization solution flows through the fibrous structure and unoxidized fibers. And a medium for holding the polymerization solution and a medium for holding the polymerized conductive polymer.
同時に450℃以上の熱分解温度を有する耐熱性繊維を特定の配合割合で天然セルロース繊維に配合することにより、炭化時の加熱に対するセパレータの寸法安定性の確保を実現することができる。また、バインダを特定の割合で配合することにより、空隙率に悪影響を与えることなく、素子巻きに必要な引張強さを得ることができて、固体電解コンデンサとして必要な強度を維持してショート不良率を改善することができる。 At the same time, by blending heat-resistant fibers having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or higher with natural cellulose fibers at a specific blending ratio, it is possible to ensure the dimensional stability of the separator against heating during carbonization. In addition, by blending the binder at a specific ratio, it is possible to obtain the tensile strength required for element winding without adversely affecting the porosity, and maintain the strength required as a solid electrolytic capacitor, resulting in a short circuit failure. The rate can be improved.
よって、従来困難とされてきたセパレータの空隙率を増加させることによる重合溶液の含浸性及び導電性高分子の高充填化と連続性の確保、更に炭化時の加熱に対するセパレータの寸法安定性の確保を同時に改善することができる。重合した導電性高分子はセパレータ内に空隙及び炭化後の繊維形骸や未酸化の繊維に沿って導電性高分子層として連続して保持されるため、固体電解コンデンサの他の特性に悪影響を与えることなく、高周波域でのESR等を改善できる。具体的には、ショート不良等の他の特性に悪影響を与えることなく、エージング後(完成品)のコンデンサ素子特性において100μF以上の静電容量と20mΩ以下のESRを実現した固体電解コンデンサを得ることができる。 Therefore, by increasing the porosity of the separator, which has been considered difficult in the past, it is possible to ensure the impregnation of the polymerization solution, the high filling of the conductive polymer and the continuity, and the dimensional stability of the separator against heating during carbonization. Can be improved at the same time. The polymerized conductive polymer is continuously held in the separator as a conductive polymer layer along the voids and carbonized fibers after carbonization and unoxidized fibers, which adversely affects other characteristics of the solid electrolytic capacitor ESR and the like in the high frequency range can be improved without any problems. Specifically, to obtain a solid electrolytic capacitor that realizes a capacitance of 100 μF or more and an ESR of 20 mΩ or less in the capacitor element characteristics after aging (finished product) without adversely affecting other characteristics such as short circuit defects. Can do.
以下本発明にかかるセパレータ及び該セパレータを使用した固体電解コンデンサの最良の実施形態を説明する。本発明は固体電解質層として導電性高分子を保持させた固体電解コンデンサのセパレータとして、50重量%以上の天然セルロース繊維と、10重量%〜40重量%の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維と、所定量のバインダを含有させたことを特徴とする。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the best embodiment of a separator according to the present invention and a solid electrolytic capacitor using the separator will be described. The present invention is a solid electrolytic capacitor separator in which a conductive polymer is held as a solid electrolyte layer, 50% by weight or more of natural cellulose fibers, and 10% to 40% by weight of a heat decomposition temperature of 450 ° C. or more. It is characterized by containing fibers and a predetermined amount of binder.
天然セルロース繊維は水酸基を有するので導電性高分子の重合溶液の含浸、或いは導電性高分子の重合を阻害するが、炭化をすることによって、水酸基の弊害を抑制することが可能である。また、炭化することによって空隙率そのものはより拡大し、炭化後にも繊維形骸を残存させることにより、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として機能させることができる。そこで、本発明では主体繊維として天然セルロース繊維を50重量%以上配合し、更には50重量%〜88重量%の範囲で配合する。 Since natural cellulose fiber has a hydroxyl group, it impedes impregnation of the polymerization solution of the conductive polymer or polymerization of the conductive polymer, but it is possible to suppress the harmful effects of the hydroxyl group by carbonization. In addition, the porosity itself is further expanded by carbonization, and by leaving the fiber-shaped body after carbonization, the path for the polymerization solution to flow, the medium for holding the polymerization solution, and the polymerized conductivity It can function as a medium for holding a polymer. Therefore, in the present invention, 50% by weight or more of natural cellulose fiber is blended as the main fiber, and further blended in the range of 50% by weight to 88% by weight.
天然セルロース繊維としては、電解質として電解液を使用するアルミ電解コンデンサのセパレータとして使用可能な天然セルロース繊維であれば特に限定はなく、マニラ麻パルプ,サイザル麻パルプ,エスパルトパルプ,コットンパルプ,ジュートパルプ,ヘンプパルプ,木材パルプ等から選択された一種又は複数の繊維を使用する。天然セルロース繊維を50重量%以上配合するのは、セパレータ内に導電性高分子の重合溶液を保持する空隙を多く確保するとともに、炭化後に重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として機能させるためである。 The natural cellulose fiber is not particularly limited as long as it is a natural cellulose fiber that can be used as a separator for an aluminum electrolytic capacitor that uses an electrolyte as an electrolyte. Manila hemp pulp, sisal pulp, esparto pulp, cotton pulp, jute pulp, Use one or more fibers selected from hemp pulp, wood pulp, etc. Adding 50% by weight or more of natural cellulose fiber ensures a large space for holding the polymer solution of the conductive polymer in the separator, and holds the route for the polymer solution to flow after carbonization and the polymer solution. It is for functioning as a medium for holding the polymerized conductive polymer.
これらの天然セルロース繊維は、水酸基の影響を抑制するために熱処理による炭化が必要であるが、天然セルロース繊維の配合量を増加するほど炭化によってセパレータの寸法安定性が悪くなる。そこで、50重量%〜88重量%の天然セルロース繊維を配合したとしても炭化による寸法安定性を確保するため、10重量%〜40重量%の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維をセパレータの原料として配合する。具体的には、アラミド繊維,アミドイミド繊維,ポリイミド繊維,フィブリル化アラミド繊維,アラミドフィブリッド,フィブリル化アミドイミド繊維,アルミナ繊維,ボロン繊維,炭素繊維,ガラス繊維から選択された一種又は複数の繊維が使用可能である。 These natural cellulose fibers need to be carbonized by heat treatment in order to suppress the influence of hydroxyl groups, but the dimensional stability of the separator deteriorates due to carbonization as the blending amount of the natural cellulose fibers is increased. Therefore, in order to ensure dimensional stability by carbonization even when 50% to 88% by weight of natural cellulose fiber is blended, 10% to 40% by weight of heat resistant fiber having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or higher is used for the separator. Blend as a raw material. Specifically, one or more fibers selected from aramid fiber, amideimide fiber, polyimide fiber, fibrillated aramid fiber, aramid fibrid, fibrillated amidimide fiber, alumina fiber, boron fiber, carbon fiber, and glass fiber are used. Is possible.
これらの耐熱性繊維は表3に示すように、いずれも450℃以上の耐熱性を有している。450℃以上の耐熱性を条件とするのは、260℃のハンダリフローでの使用を可能とすることは勿論、炭化時の加熱温度によっても影響を受けず、セパレータの基本形態を維持するためである。また、配合量を10重量%〜40重量%としたのは、炭化によって天然セルロース繊維が減少しても、その影響を受けることなくセパレータの寸法安定性を保って基本形態を確保することと、天然セルロース繊維を炭化することによる空隙率の増加とのバランスを取ったものである。 As shown in Table 3, these heat resistant fibers all have a heat resistance of 450 ° C. or higher. The heat resistance of 450 ° C. or higher is required to maintain the basic form of the separator without being affected by the heating temperature during carbonization, as well as being able to be used in solder reflow at 260 ° C. is there. In addition, the blending amount is set to 10% to 40% by weight, even when natural cellulose fibers are reduced by carbonization, to maintain the basic form while maintaining the dimensional stability of the separator without being affected by it, It balances the increase in porosity due to carbonization of natural cellulose fibers.
アラミド繊維等の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維を天然セルロース繊維に配合することにより、炭化時の加熱に対してセパレータの寸法安定性を確保できることを特許文献3に示すアクリル繊維と比較して明らかとする。450℃以上の耐熱性繊維としてはアラミド繊維とアミドイミド繊維を使用した。実験は、アクリル繊維、アラミド繊維、アミドイミド繊維について、それぞれ天然セルロース繊維に対する配合量を0%〜100%まで変化させ、260℃で60分加熱した後の厚さ寸法保持率と、面積寸法保持率を寸法安定性の評価として測定した。その結果を表4,表5に示す。 Compared with the acrylic fiber shown in Patent Document 3, the dimensional stability of the separator can be secured against heating during carbonization by blending natural cellulose fiber with heat-resistant fiber having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or higher such as aramid fiber. And clarify. Aramid fibers and amideimide fibers were used as heat resistant fibers at 450 ° C. or higher. In the experiment, with respect to acrylic fiber, aramid fiber, and amideimide fiber, the blending amount with respect to natural cellulose fiber was changed from 0% to 100%, respectively, and the thickness dimension retention ratio and the area dimension retention ratio after heating at 260 ° C. for 60 minutes. Was measured as an evaluation of dimensional stability. The results are shown in Tables 4 and 5.
[厚さ寸法保持率の評価]
厚さ保持率は、250mm×15mmの試験片を10枚折り重ねて、先端をホッチキス針で固定する。測定は、旧JIS C2301(電解コンデンサ紙)に規定されたマイクロメータで測定し、次の式から算出した。
厚さ保持率(%)=処理後の厚さ/処理前の厚さ×100
厚さ保持率は、処理前の厚さを100とした時の変化の割合を示す値で、その値が100を超えれば増加を示し、その値が大きいほど厚さの変化が大きいことを示している。厚さ方向の変化が大きいと、テープ止めが切れて素子が弾けたり、巻崩れる問題が発生する。
[Evaluation of thickness dimension retention]
The thickness retention is such that 10 test pieces of 250 mm × 15 mm are folded and the tip is fixed with a staple. The measurement was performed with a micrometer defined in the old JIS C2301 (electrolytic capacitor paper) and calculated from the following equation.
Thickness retention (%) = Thickness after treatment / Thickness before treatment × 100
Thickness retention is a value indicating the rate of change when the thickness before processing is set to 100. If the value exceeds 100, it indicates an increase, and the greater the value, the greater the change in thickness. ing. When the change in the thickness direction is large, there is a problem that the tape stopper is cut and the element can bounce or collapse.
[面積寸法保持率の評価]
面積保持率は100mm×100mmの試験片を使用した。測定は、ノギスを使用して測定し次の式から算出した。
面積保持率(%)=処理後の面積/処理前の面積×100
面積保持率は、処理前の面積を100とした時の面積保持を示す値で、その値が小さいほど変化が大きい意味を示し、保持率が小さいとコンデンサ素子の外形寸法の変化が大きく、ショート不良率やLC,ESRのバラツキが大きくなる。
[Evaluation of area dimension retention]
A test piece of 100 mm × 100 mm was used as the area retention rate. The measurement was performed using a caliper and calculated from the following formula.
Area retention ratio (%) = area after treatment / area before treatment × 100
The area retention ratio is a value indicating the area retention when the area before processing is 100, and the smaller the value, the larger the change. The smaller the retention ratio, the greater the change in the external dimensions of the capacitor element, and the short circuit. The defect rate and the variation of LC and ESR increase.
表4に示すように、天然セルロース繊維にアクリルを配合した場合、厚さ方向寸法が加熱前の厚さに対し大きく増加し、アクリルを20重量%と配合すると厚さ寸法保持率が108.0%となって加熱前の厚さを超えてしまう。これに対して、天然セルロース繊維にアミドイミド又はアラミドを配合する場合は、配合率が増すにしたがって厚さ寸法保持率は天然セルロース単独の場合の88%から100%へ近づいた。すなわちアミドイミド又はアラミドの配合量が多くなると厚さ収縮が少なくなっている。 As shown in Table 4, when acryl is blended with natural cellulose fiber, the thickness direction dimension greatly increases with respect to the thickness before heating, and when acryl is blended with 20% by weight, the thickness dimension retention is 108.0. %, Exceeding the thickness before heating. On the other hand, when amideimide or aramid was blended with natural cellulose fiber, the thickness dimension retention ratio approached 100% from 88% in the case of natural cellulose alone as the blending ratio increased. That is, thickness shrinkage decreases as the amount of amideimide or aramid increases.
表5に示すように、天然セルロース繊維にアクリルを配合した場合、セパレータは面方向に収縮し、天然セルロース繊維単独では99.7%であった面積寸法保持率が、アクリルを20重量%配合すると、85.3%となっている。アクリルは酸化・脱水反応等による減量はないので、その体積は一定とみなすことができる。したがって、面方向に収縮した分、必然的に厚さが増加すると考えられる。換言すると厚さの増加は、セパレータとしては面方向の大きな収縮、即ち面積の減少を示しており、表5に示すようにアクリルを混抄した場合、配合割合が増加するにつれて面積寸法が加熱前の広さに対し大きく減少している。一方、天然セルロース繊維にアミドイミド又はアラミドを配合した場合は、その配合量を増加するにしたがって全体としては厚さの変化が小さくなる方向にあり、加熱に対する寸法安定性が大きいことを表している。 As shown in Table 5, when acrylic is blended with natural cellulose fibers, the separator shrinks in the surface direction, and the area size retention rate that was 99.7% with natural cellulose fibers alone is blended with 20% by weight of acrylic. 85.3%. Since acrylic does not lose weight due to oxidation / dehydration reactions, etc., its volume can be regarded as constant. Therefore, it is considered that the thickness inevitably increases as the surface contracts. In other words, the increase in thickness indicates a large shrinkage in the surface direction as a separator, that is, a decrease in area. When acrylic is mixed as shown in Table 5, the area size increases before heating as the blending ratio increases. It has decreased greatly with respect to the area. On the other hand, when amideimide or aramid is blended with natural cellulose fiber, the thickness change tends to decrease as the blending amount increases, indicating that the dimensional stability against heating is large.
これらのことから、450℃以上の耐熱性を有する耐熱性繊維は天然セルロース繊維を原料とするセパレータを炭化することによるセルロースの酸化反応と脱水によってセパレータの寸法安定性が失われてしまうことを補うことができる。即ち、耐熱性繊維によってセパレータの外形的な骨格構造を維持することができ、水酸基を抑制するために天然セルロース繊維を炭化することによる弊害を除去することができる。 From these facts, heat-resistant fibers having a heat resistance of 450 ° C. or more compensate for loss of dimensional stability of the separator due to oxidation and dehydration of cellulose by carbonizing a separator made of natural cellulose fibers. be able to. That is, the outer skeleton structure of the separator can be maintained by the heat resistant fiber, and the adverse effects caused by carbonizing the natural cellulose fiber to suppress the hydroxyl group can be eliminated.
陽極箔と陰極箔との間にセパレータを介在させ、コンデンサ素子の素子巻きに必要な最低限度の引張強さとしては、高速で巻回する場合は9.8N/15mm以上必要である。しかしながら、耐熱性繊維を天然セルロース繊維に配合すると、前記した表2に示すようにセルロースの水酸基間で生じた水素結合が減少するため、耐熱性繊維の配合量の増加とともに引張強さは低下する。そこで、本発明では、9.8N/15mm以上の引張強さを確保するために、天然セルロース繊維と耐熱性繊維とともに所定量のバインダをセパレータの原料に配合する。 When the separator is interposed between the anode foil and the cathode foil, and the minimum tensile strength necessary for winding the capacitor element is 9.8 N / 15 mm or more when wound at a high speed. However, when heat resistant fibers are blended with natural cellulose fibers, hydrogen bonds generated between the hydroxyl groups of cellulose are reduced as shown in Table 2 above, so that the tensile strength decreases as the amount of heat resistant fibers increases. . Therefore, in the present invention, in order to ensure a tensile strength of 9.8 N / 15 mm or more, a predetermined amount of binder is blended with the raw material of the separator together with natural cellulose fibers and heat resistant fibers.
バインダとしては、ポリビニルアルコール(PVA)等の湿熱融着樹脂やポリアクリルアミド系樹脂(PAM)を用いる。湿熱融着樹脂を用いる場合は、10重量%〜30重量%の含有量とすることが適当である。これは湿熱融着樹脂は繊維の形状で存在し、常温の水への溶解が少ないため、抄紙機への粘着も少なく30重量%まで配合することが可能であるとともに、バインダの効果を得るためには少なくとも10重量%含有させる必要があるためである。一方、ポリアクリルアミド系樹脂を用いる場合は2重量%〜10重量%の含有量とすることが適当である。これは、ポリアクリルアミド系樹脂(PAM)は水溶性樹脂で溶液として使用することとなり、含有量が過剰となると抄紙機への粘着が生じるため、10重量%が最大量と考えられるとともに、バインダの効果を得るためには少なくとも2重量%含有させる必要があるためである。 As the binder, wet heat fusion resin such as polyvinyl alcohol (PVA) or polyacrylamide resin (PAM) is used. In the case of using a wet heat fusion resin, the content is suitably 10% by weight to 30% by weight. This is because wet heat fusion resin exists in the form of fibers and is less soluble in water at room temperature, so it can be blended up to 30% by weight with little sticking to the paper machine, and to obtain a binder effect This is because it is necessary to contain at least 10% by weight. On the other hand, when a polyacrylamide resin is used, the content is suitably 2 to 10% by weight. This is because polyacrylamide resin (PAM) is a water-soluble resin used as a solution, and if the content is excessive, sticking to the paper machine occurs, so 10% by weight is considered the maximum amount, and This is because it is necessary to contain at least 2% by weight in order to obtain the effect.
本発明で使用するアラミド繊維等の450℃以上の熱分解温度を有する耐熱性繊維は、250℃〜350℃の加熱では繊維が影響を受けることがないため、繊維の交絡点が接合されることがなく、素子巻きに必要な引張強さを得ることができない原因となっている。本発明では、前記したバインダを配合することにより、バインダが耐熱性繊維の交絡点を接合するので、素子巻きに必要な引張強さを発現することができる。また耐熱性繊維は、バインダにより接合された交絡点を介して繊維同士が連続しているので、耐熱性繊維が維持する構造も導電性高分子の重合溶液が含浸するための媒体や導電性高分子を保持するための媒体となる。 Heat-resistant fibers having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or higher, such as aramid fibers used in the present invention, are not affected by heating at 250 ° C. to 350 ° C., so that the entanglement points of the fibers are joined. This is the cause that the tensile strength required for element winding cannot be obtained. In the present invention, by blending the above-described binder, the binder joins the entanglement points of the heat-resistant fibers, so that the tensile strength necessary for element winding can be expressed. In addition, since the heat-resistant fibers are continuous with each other through the entanglement points joined by the binder, the structure maintained by the heat-resistant fibers is also a medium for impregnating the polymer solution of the conductive polymer or the conductive high-temperature fibers. It becomes a medium for holding molecules.
上記した原料を使用して、円網抄紙機等の公知の抄紙機によって、所定厚さ、所定密度に抄紙したセパレータを250℃〜350℃の温度で60分〜120分加熱することにより炭化する。炭化温度と時間が250℃、60分を大きく下回ると、炭化が不十分となって未炭化のセルロース分が残存するため、セルロースの水酸基による弊害が除去できなかったり、或いはエージング後においてガスが発生したりして導電性高分子の連続性が切断されるため、ESRが悪化し、静電容量も減少することとなる。また、炭化温度と時間が350℃、120分を大きく上回ると、導電性高分子を保持するためのセルロース繊維の繊維形骸の残存量が減少し、本願発明の目的とする導電性高分子の高充填化と連続性を実現することができず、炭化後の段階から重合溶液の含浸性の低下とともに、ESRが悪化し、静電容量が減少してしまう。そこで、本願発明では、炭化によって重合溶液が含浸するための媒体及び導電性高分子を保持するための媒体としての繊維形骸を上記原料によって抄紙したセパレータに適度に残存させるために、250℃〜350℃の温度で60分〜120分加熱することにより炭化することとした。 Using the above-mentioned raw materials, carbonization is performed by heating a separator having a predetermined thickness and a predetermined density at a temperature of 250 ° C. to 350 ° C. for 60 minutes to 120 minutes using a known paper machine such as a circular net paper machine. . If the carbonization temperature and time are much less than 250 ° C for 60 minutes, carbonization will be insufficient and uncarbonized cellulose will remain, so the harmful effects of cellulose hydroxyl groups cannot be removed or gas will be generated after aging. As a result, the continuity of the conductive polymer is cut, so that the ESR deteriorates and the electrostatic capacity decreases. In addition, when the carbonization temperature and time greatly exceed 350 ° C. for 120 minutes, the residual amount of the fibrous form of the cellulose fiber for holding the conductive polymer decreases, and the conductive polymer intended for the present invention has a high content. Filling and continuity cannot be realized, and since the impregnation of the polymerization solution is reduced from the stage after carbonization, the ESR is deteriorated and the capacitance is reduced. Therefore, in the present invention, a medium for impregnating the polymerization solution by carbonization and a fiber-shaped body as a medium for holding the conductive polymer are appropriately left in a separator made from the above raw material in a temperature range of 250 ° C. to 350 ° C. Carbonization was performed by heating at a temperature of 60 ° C. for 60 minutes to 120 minutes.
上記構成の本発明によれば、導電性高分子の高充填化を実現するとともに、導電性高分子の連続性を確保することができ、固体電解コンデンサの他の特性に悪影響を与えることなく、高周波域でESRの低減等の電気特性を改善することができる。そこで、本発明と導電性高分子の高充填化及び連続性との関係を説明する。 According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to achieve high filling of the conductive polymer, ensure the continuity of the conductive polymer, without adversely affecting other characteristics of the solid electrolytic capacitor, Electrical characteristics such as reduction of ESR can be improved in a high frequency range. Therefore, the relationship between the present invention and the high filling and continuity of the conductive polymer will be described.
導電性高分子の高充填化を図るためには、先ず導電性高分子を重合するための重合溶液をより多く含浸するために、セパレータ中の空隙率が大きいほど好ましい。また、単に空隙率が大きいだけではなく、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体がセパレータ中に存在することが必要である。 In order to achieve a high packing of the conductive polymer, first, a larger porosity in the separator is preferable in order to impregnate more polymerization solution for polymerizing the conductive polymer. In addition to the large porosity, it is necessary that a path for the polymerization solution to flow and a medium for holding the polymerization solution exist in the separator.
導電性高分子の連続性を高めるためにも、先ず導電性高分子を重合するための重合溶液をより多く含浸するにはセパレータ中の空隙率が大きいほど好ましい。また、単に空隙率が大きいだけではなく、重合した導電性高分子を保持するための媒体がセパレータ中に存在することが必要である。導電性高分子の連続性は、導電性高分子を保持するための媒体がセパレータ中において連続している必要がある。即ち、導電性高分子を保持するための何らかの繊維がセパレータ中において連続していることが必要である。導電性高分子の保持媒体である繊維が断続すると、繊維の切れた部分では導電性高分子も連続していないのである。 In order to increase the continuity of the conductive polymer, in order to first impregnate more polymerization solution for polymerizing the conductive polymer, it is preferable that the porosity in the separator is larger. Moreover, it is necessary not only to have a high porosity, but also to have a medium for holding the polymerized conductive polymer in the separator. The continuity of the conductive polymer requires that the medium for holding the conductive polymer is continuous in the separator. That is, it is necessary that some fiber for holding the conductive polymer is continuous in the separator. When the fiber which is the holding medium for the conductive polymer is intermittent, the conductive polymer is not continuous at the portion where the fiber is broken.
天然セルロース繊維を原料とするセパレータにおいては、過度に炭化を進めれば加熱によってセルロース繊維に欠損する部分が増加していき、繊維形骸が徐々に断片化して切れることとなり、繊維としての連続性を失う。また、炭化を極限まで進め、セルロース繊維の大半が消失すると、空隙は増加するが重合溶液を保持し、重合した導電性高分子を保持
する媒体がなくなることになり、導電性高分子の連続性が阻害されることとなる。したがって、炭化を進めれば進めるほど空隙は多くなるが、重合溶液や導電性高分子を保持する媒体を失うこととなり、行き過ぎた炭化は却ってESRを悪化させることとなる。
In separators made from natural cellulose fibers, if carbonization proceeds excessively, the portion lost to cellulose fibers will increase due to heating, and the fiber-shaped skeleton will gradually become fragmented and cut. lose. When carbonization is advanced to the maximum and most of the cellulose fibers disappear, the voids increase but the polymerization solution is retained, and there is no medium to retain the polymerized conductive polymer. Will be inhibited. Therefore, as the carbonization proceeds, the voids increase, but the polymerization solution and the medium holding the conductive polymer are lost, and excessive carbonization worsens the ESR.
そこで、本発明ではセパレータの主体繊維として50重量%以上の天然セルロース繊維を配合し、250℃〜350℃の温度で60分〜120分加熱して炭化を施すことによって、重合溶液を十分に含浸することができるためセパレータ中の空隙を確保するとともに、炭化の温度と時間及び天然セルロース繊維に配合する耐熱性繊維とバインダとのバランスによって炭化後に天然セルロース繊維の繊維形骸を残存させ、この繊維形骸や部分的な未酸化のセルロース繊維を重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体として利用することにより高充填化と連続性の確保を図るものである。 Therefore, in the present invention, 50% by weight or more of natural cellulose fiber is blended as the main fiber of the separator, and the polymerization solution is sufficiently impregnated by heating and carbonizing at a temperature of 250 ° C. to 350 ° C. for 60 minutes to 120 minutes. Therefore, the voids in the separator are secured, and the fiber shaped skeleton of the natural cellulose fibers is left after carbonization by the balance between the temperature and time of carbonization and the heat resistant fiber and binder mixed in the natural cellulose fibers. In addition, by using the partially unoxidized cellulose fiber as a path for the polymerization solution to flow and a medium for holding the polymerization solution, high filling and continuity are ensured.
なお、50重量%以上配合した天然セルロース繊維の水酸基による弊害を除去するために行う炭化によって悪影響を受けることとなるセパレータの寸法安定性の確保については、250℃〜350℃の温度で60分〜120分の炭化のための加熱による影響を受けない450℃以上の耐熱性を有する耐熱性繊維を10重量%〜40重量%配合することによって確保することとしている。即ち、耐熱性繊維によってセパレータの基本形状を確保するものである。更に、耐熱性繊維を配合することによる引張強さの低下については、所定量(湿熱融着樹脂の場合は10重量%〜30重量%、ポリアクリルアミド系樹脂の場合は2重量%〜10重量%)のバインダを含有させることによって、耐熱性繊維の繊維の交絡点を接合させて素子巻き時に必要な引張強さを確保するようにしている。この繊維の交絡点がバインダによって接合された耐熱性繊維も重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体として作用する。このように本発明の達成しようとする高充填化は単にセパレータの空隙率を数値の大きさによって達成するものではない。セパレータの基本形状を維持する耐熱性繊維の中に炭化によって質量の減少した天然セルロース繊維の繊維形骸や部分的に未酸化のセルロース繊維がバランスよく配合されている状態を作り出して初めて実現できるものである。 For securing the dimensional stability of the separator that will be adversely affected by carbonization to remove the adverse effects caused by hydroxyl groups of natural cellulose fibers blended in an amount of 50% by weight or more, the temperature is from 250 ° C. to 350 ° C. for 60 minutes to It is supposed to be ensured by blending 10% to 40% by weight of heat-resistant fiber having a heat resistance of 450 ° C. or higher that is not affected by heating for 120 minutes of carbonization. That is, the basic shape of the separator is secured by heat resistant fibers. Furthermore, about the fall of the tensile strength by mix | blending a heat resistant fiber, it is a predetermined amount (in the case of a wet heat fusion resin, 10 weight%-30 weight%, in the case of a polyacrylamide resin, 2 weight%-10 weight% ) Is included, the entanglement points of the fibers of the heat-resistant fiber are joined to ensure the necessary tensile strength when the element is wound. The heat-resistant fiber in which the entanglement points of the fibers are joined by a binder also acts as a path for the polymerization solution to flow and a medium for holding the polymerization solution. Thus, the high filling which the present invention intends to achieve does not simply achieve the porosity of the separator by the numerical value. This can only be achieved by creating a balanced blend of natural cellulosic fiber shapes that have been reduced in mass by carbonization and partially unoxidized cellulose fibers in heat-resistant fibers that maintain the basic shape of the separator. is there.
次に、実施例に基づいて、本発明にかかる固体電解コンデンサが導電性高分子の高充填化と連続性を確保することによって、固体電解コンデンサの他の特性に悪影響を与えることなく、高周波域でのESR等を改善できることを従来例及び比較例との対比において明らかとする。 Next, based on the embodiment, the solid electrolytic capacitor according to the present invention secures high filling and continuity of the conductive polymer, and thus does not adversely affect the other characteristics of the solid electrolytic capacitor, and the high frequency region. It is clarified in comparison with the conventional example and the comparative example that ESR and the like can be improved.
[実施例1〜実施例3]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ88重量%と、耐熱性繊維としてフィブリル化アラミド繊維10重量%、バインダとしてポリアクリルアミド樹脂(以下、PAMという)2重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.45g/cm3のセパレータを抄紙し、それぞれ250℃(実施例1)、300℃(実施例2)、350℃(実施例3)で60分間加熱して炭化させた。
[Examples 1 to 3]
Using a circular paper machine, the raw material is 88% by weight of sisal pulp as natural cellulose fiber, 10% by weight of fibrillated aramid fiber as heat-resistant fiber, and 2% by weight of polyacrylamide resin (hereinafter referred to as PAM) as binder. A paper separator having a thickness of 40 μm and a density of 0.45 g / cm 3 was made and carbonized by heating at 250 ° C. (Example 1), 300 ° C. (Example 2), and 350 ° C. (Example 3) for 60 minutes. .
[実施例4〜実施例6]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ50重量%と、耐熱性繊維としてフィブリル化アラミド繊維40重量%、バインダとしてPAM10重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.33g/cm3のセパレータを抄紙し、それぞれ250℃(実施例4)、300℃(実施例5)、350℃(実施例6)で60分間加熱して炭化させた。
[Examples 4 to 6]
Sinus hemp pulp 50% by weight as natural cellulose fiber, 40% by weight of fibrillated aramid fiber as heat-resistant fiber, and 10% by weight of PAM as binder, using a circular paper machine, thickness 40μm, density 0.33g / A cm 3 separator was paper-made and carbonized by heating at 250 ° C. (Example 4), 300 ° C. (Example 5), and 350 ° C. (Example 6) for 60 minutes.
[実施例7〜実施例9]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ70重量%と、耐熱性繊維としてフィブリル化アラミド繊維20重量%、バインダとして湿熱融着樹脂であるポリビニルアルコール(以下、PVAという)10重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.45g/cm3のセパレータを抄紙し、それぞれ250℃(実施例7)、300℃(実施例8)、350℃(実施例9)で60分間加熱して炭化させた。
[Examples 7 to 9]
Circular paper making using 70% by weight of sisal pulp as natural cellulose fiber, 20% by weight of fibrillated aramid fiber as heat-resistant fiber, and 10% by weight of polyvinyl alcohol (hereinafter referred to as PVA) which is a wet heat fusion resin as binder. Paper is made into a separator having a thickness of 40 μm and a density of 0.45 g / cm 3 using a machine and heated at 250 ° C. (Example 7), 300 ° C. (Example 8), and 350 ° C. (Example 9) for 60 minutes. And carbonized.
[実施例10〜実施例12]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ50重量%と、耐熱性繊維としてフィブリル化アラミド繊維20重量%、バインダとしてPVA30重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.35g/cm3のセパレータを抄紙し、それぞれ250℃(実施例10)、300℃(実施例11)、350℃(実施例12)で60分間加熱して炭化させた。なお、実施例1〜12において、フィブリル化アラミド繊維は帝人テクノプロダクツ株式会社より商品名「帝人トワロン」で販売されている繊維を使用した。また、PAM、PVAは製紙用として一般に市販されているものを使用した。
[Example 10 to Example 12]
Sinus hemp 50% by weight as natural cellulose fiber, 20% by weight of fibrillated aramid fiber as heat-resistant fiber, and 30% by weight of PVA as binder, using a circular paper machine, thickness 40μm, density 0.35g / A cm 3 separator was paper-made and carbonized by heating at 250 ° C. (Example 10), 300 ° C. (Example 11), and 350 ° C. (Example 12) for 60 minutes. In Examples 1 to 12, the fibrillated aramid fiber used was a fiber sold by Teijin Techno Products Limited under the trade name “Teijin Twaron”. Moreover, what is generally marketed for paper manufacture was used for PAM and PVA.
[実施例13〜実施例22]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ75重量%と、耐熱性繊維20重量%、バインダとしてPAM5重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.45g/cm3のセパレータを抄紙し、300℃で60分間加熱して炭化させた。使用する耐熱性繊維は各実施例において次のように変化させた。実施例13はフィブリル化アラミド繊維、実施例14はアラミド繊維、実施例15はアラミドフィブリッド、実施例16はフィブリル化アミドイミド繊維、実施例17はアミドイミド繊維、実施例18はポリイミド繊維、実施例19はマイクロガラス繊維、実施例20は炭素繊維、実施例21はボロン繊維、実施例22はアルミナ繊維を耐熱性繊維として使用した。
[Examples 13 to 22]
Using a circular paper machine, a separator with a thickness of 40 μm and a density of 0.45 g / cm 3 is prepared using 75% by weight of sisal pulp as natural cellulose fiber, 20% by weight of heat-resistant fiber, and 5% by weight of PAM as a binder. Paper was made and carbonized by heating at 300 ° C. for 60 minutes. The heat resistant fiber used was changed as follows in each Example. Example 13 is a fibrillated aramid fiber, Example 14 is an aramid fiber, Example 15 is an aramid fibrid, Example 16 is a fibrillated amidimide fiber, Example 17 is an amidimide fiber, Example 18 is a polyimide fiber, Example 19 Is a micro glass fiber, Example 20 is carbon fiber, Example 21 is boron fiber, and Example 22 is alumina fiber as heat resistant fiber.
[実施例23〜実施例32]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ60重量%と、耐熱性繊維20重量%、バインダとしてPVA20重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.40g/cm3のセパレータを抄紙し、300℃で60分間加熱して炭化させた。使用する耐熱性繊維は各実施例において次のように変化させた。実施例23はフィブリル化アラミド繊維、実施例24はアラミド繊維、実施例25はアラミドフィブリッド、実施例26はフィブリル化アミドイミド繊維、実施例27はアミドイミド繊維、実施例28はポリイミド繊維、実施例29はマイクロガラス繊維、実施例30は炭素繊維、実施例31はボロン繊維、実施例32はアルミナ繊維を耐熱性繊維として使用した。
[Examples 23 to 32]
A separator with a thickness of 40 μm and a density of 0.40 g / cm 3 using a circular net paper machine with 60% by weight of sisal pulp as natural cellulose fiber, 20% by weight of heat-resistant fiber and 20% by weight of PVA as a binder. Paper was made and carbonized by heating at 300 ° C. for 60 minutes. The heat resistant fiber used was changed as follows in each Example. Example 23 is a fibrillated aramid fiber, Example 24 is an aramid fiber, Example 25 is an aramid fibrid, Example 26 is a fibrillated amidimide fiber, Example 27 is an amideimide fiber, Example 28 is a polyimide fiber, Example 29 Is a micro glass fiber, Example 30 is carbon fiber, Example 31 is boron fiber, and Example 32 is alumina fiber as heat resistant fiber.
[実施例33]
実施例23と同様の天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ60重量%と、耐熱性繊維としてフィブリル化アラミド繊維20重量%、バインダとしてPVA20重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.40g/cm3のセパレータを抄紙し、300℃で120分間加熱して炭化させた。
[Example 33]
As a natural cellulose fiber similar to Example 23, 60% by weight of sisal pulp, 20% by weight of fibrillated aramid fiber as heat-resistant fiber, and 20% by weight of PVA as a binder are used as raw materials, and the thickness is 40 μm using a circular paper machine. A separator having a density of 0.40 g / cm 3 was made and carbonized by heating at 300 ° C. for 120 minutes.
[従来例1〜従来例5]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ100重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.40g/cm3のセパレータを抄紙し、それぞれ200℃(従来例1)、250℃(従来例2)、300℃(従来例3)、350℃(従来例4)、400℃(従来例5)で60分間加熱して炭化させた。
[Conventional Example 1 to Conventional Example 5]
Paper separators having a thickness of 40 μm and a density of 0.40 g / cm 3 were produced using a circular net paper machine using 100% by weight of sisal pulp as a natural cellulose fiber, and 200 ° C. (conventional example 1) and 250 ° C., respectively. (Conventional Example 2), heated at 300 ° C. (Conventional Example 3), 350 ° C. (Conventional Example 4), and 400 ° C. (Conventional Example 5) for 60 minutes for carbonization.
[従来例6〜従来例7]
天然セルロース繊維として、それぞれサイザル麻パルプ100重量%(従来例6)とクラフトパルプ100重量%(従来例7)を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.40g/cm3のセパレータを抄紙し、350℃で120分間加熱して炭化させた。
[Conventional Example 6 to Conventional Example 7]
As natural cellulose fibers, 100% by weight of sisal pulp (conventional example 6) and 100% by weight of kraft pulp (conventional example 7) are used as raw materials, respectively, using a circular paper machine and having a thickness of 40 μm and a density of 0.40 g / cm. The separator 3 was paper-made and heated at 350 ° C. for 120 minutes for carbonization.
[従来例8〜従来例12/特許文献6に相当]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ50重量%と、耐熱性繊維としてフィブリル化アラミド繊維50重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.40g/cm3のセパレータを抄紙し、それぞれ200℃(従来例8)、250℃(従来例9)、300℃(従来例10)、350℃(従来例11)、400℃(従来例12)で60分間加熱して炭化させた。
[Equivalent to Conventional Example 8 to Conventional Example 12 / Patent Document 6]
Paper making a separator with a thickness of 40 μm and a density of 0.40 g / cm 3 using a circular paper machine with 50% by weight of sisal pulp as natural cellulose fiber and 50% by weight of fibrillated aramid fiber as heat resistant fiber Then, carbonization was performed by heating at 200 ° C. (Conventional Example 8), 250 ° C. (Conventional Example 9), 300 ° C. (Conventional Example 10), 350 ° C. (Conventional Example 11), and 400 ° C. (Conventional Example 12) for 60 minutes. It was.
[比較例1,比較例2/実施例1〜実施例3に対応]
実施例1〜実施例3と同一の原料を使用して、円網抄紙機で同一厚さ、同一密度に抄紙したセパレータを炭化条件のみを異にして、それぞれ200℃(比較例1)、400℃(比較例2)で60分間加熱して炭化させた。
[Compatible with Comparative Example 1, Comparative Example 2 / Examples 1 to 3]
Using the same raw materials as in Examples 1 to 3, separators made with the same thickness and density with a circular paper machine were changed to 200 ° C. (Comparative Example 1) and 400 ° C., respectively, except for carbonization conditions. Carbonization was performed by heating at 0 ° C. (Comparative Example 2) for 60 minutes.
[比較例3,比較例4/実施例4〜実施例6に対応]
実施例4〜実施例6と同一の原料を使用して、円網抄紙機で同一厚さ、同一密度に抄紙したセパレータを炭化条件のみを異にして、それぞれ200℃(比較例3)、400℃(比較例4)で60分間加熱して炭化させた。
[Compatible with Comparative Example 3, Comparative Example 4 / Examples 4 to 6]
Using the same raw material as in Examples 4 to 6, separators made with a circular net paper machine to the same thickness and density have different temperatures only at 200 ° C. (Comparative Example 3), 400 Carbonization was performed by heating at 60 ° C. (Comparative Example 4) for 60 minutes.
[比較例5,比較例6/実施例7〜実施例9に対応]
実施例7〜実施例9と同一の原料を使用して、円網抄紙機で同一厚さ、同一密度に抄紙したセパレータを炭化条件のみを異にして、それぞれ200℃(比較例5)、400℃(比較例6)で60分間加熱して炭化させた。
[Compatible with Comparative Example 5, Comparative Example 6 / Examples 7 to 9]
Using the same raw materials as in Examples 7 to 9, separators made with a circular mesh paper machine to the same thickness and density have different carbonization conditions only, and are 200 ° C. (Comparative Example 5) and 400 respectively. Carbonization was performed by heating at 60 ° C. (Comparative Example 6) for 60 minutes.
[比較例7,比較例8/実施例10〜実施例12に対応]
実施例10〜実施例12と同一の原料を使用して、円網抄紙機で同一厚さ、同一密度に抄紙したセパレータを炭化条件のみを異にして、それぞれ200℃(比較例7)、400℃(比較例8)で60分間加熱して炭化させた。
[Compatible with Comparative Example 7, Comparative Example 8 / Examples 10 to 12]
Using separators made of paper having the same thickness and density using a circular paper machine, using the same raw materials as in Examples 10 to 12, except for carbonization conditions, 200 ° C. (Comparative Example 7), 400 Carbonization was performed by heating at 0 ° C. (Comparative Example 8) for 60 minutes.
[比較例9〜比較例13]
天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ45重量%と、耐熱性繊維としてフィブリル化アラミド繊維45重量%、バインダとしてPAM10重量%を原料として、円網抄紙機を使用して厚さ40μm、密度0.40g/cm3のセパレータを抄紙し、それぞれ200℃(比較例9)、250℃(比較例10)、300℃(比較例11)、350℃(比較例12)、400℃(比較例13)で60分間加熱して炭化させた。
[Comparative Examples 9 to 13]
Sinus hemp pulp 45% by weight as natural cellulose fiber, 45% by weight of fibrillated aramid fiber as heat-resistant fiber, and 10% by weight of PAM as binder, using a circular paper machine, thickness 40μm, density 0.40g / A paper separator of cm 3 was made and 60 ° C. (Comparative Example 9), 250 ° C. (Comparative Example 10), 300 ° C. (Comparative Example 11), 350 ° C. (Comparative Example 12), and 400 ° C. (Comparative Example 13), respectively. Carbonized by heating for a minute.
実施例、従来例、比較例において、使用した耐熱性繊維及びバインダとして使用した繊維を表6に示す。なお、天然セルロース繊維としてはサイザル麻パルプ及び木材クラフトパルプをリファイナで適宜叩解したパルプを使用した。また、天然セルロース繊維及びフィブリル化した耐熱性繊維の叩解の程度は得ようとするセパレータの特性に応じて適度の範囲に設定すればよい。また、バインダであるPAMは、抄紙時の内添又は抄紙後の塗工のどちらの手段によってもよいが、上記実施例及び比較例においては内添して抄紙した。 Table 6 shows the heat-resistant fibers used and the fibers used as the binder in Examples, Conventional Examples, and Comparative Examples. As natural cellulose fiber, sisal pulp and wood kraft pulp were appropriately beaten with a refiner. Further, the degree of beating of the natural cellulose fiber and the fibrillated heat-resistant fiber may be set within an appropriate range depending on the characteristics of the separator to be obtained. Further, the PAM as a binder may be added by means of internal addition at the time of papermaking or coating after papermaking, but papermaking was carried out in the above examples and comparative examples.
次に、これらの実施例、従来例、比較例に示す各セパレータを使用して、陽極箔と陰極箔との間にセパレータを介在させて巻回し、該セパレータを炭化させた後に、導電性高分子の重合溶液を含浸させ、固体電解質層として導電性高分子を重合させて保持させた固体電解コンデンサを製作し評価した。先ず陽極アルミ箔と陰極アルミ箔を所望の寸法を持つスリット状に形成した後、各陽極アルミ箔と陰極アルミ箔にリード棒を取り付け、各セパレータを介して巻付け形成してコンデンサ素子を作製した。次にコンデンサ素子を所定温度で一定時間加熱してセパレータを炭化した。この段階ではコンデンサ素子のアルミ箔端面には酸化被膜が形成されていないので、60℃,1.0重量%アジピン酸アンモニウム水溶液中で化成処理を行って、その後3,4−エチレンジオキシチオフェンとp−トルエンスルホン酸鉄(3)とをi−プロパノールに溶解した重合溶液(モノマー:酸化剤=1:1.5,モル比)に浸漬した後、100℃の温度で60分間保持して化学重合によるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDT)の固体電解質層を形成した。この固体電解質層形成方法を2回繰返して得られた固体電解質層を有するコンデンサ素子を乾燥・加熱した後にケースに入れ、開口部を封口部材で封止し、封口部材側に面実装用座板を取り付けた。その後に、105℃の温度で120分間、直流電圧を0から徐々に上昇させて定格電圧の1.5倍の6Vで電圧印加を行ってエージング処理をし、定格電圧4WV、定格静電容量100μFの面実装型の固体電解コンデンサを各1000個作製した。 Next, using the separators shown in these examples, conventional examples, and comparative examples, the separator was interposed between the anode foil and the cathode foil, and the separator was carbonized. A solid electrolytic capacitor impregnated with a molecular polymerization solution and polymerized and held as a solid electrolyte layer was fabricated and evaluated. First, an anode aluminum foil and a cathode aluminum foil were formed in a slit shape having a desired size, and then a lead bar was attached to each anode aluminum foil and the cathode aluminum foil, and a capacitor element was produced by winding it through each separator. . Next, the capacitor element was heated at a predetermined temperature for a predetermined time to carbonize the separator. At this stage, since the oxide film is not formed on the end face of the aluminum foil of the capacitor element, chemical conversion treatment is performed in an aqueous solution of ammonium adipate at 60 ° C. and 1.0% by weight, and thereafter, 3,4-ethylenedioxythiophene and After dipping in a polymerization solution (monomer: oxidant = 1: 1.5, molar ratio) in which p-toluenesulfonic acid iron (3) is dissolved in i-propanol, the mixture is kept at a temperature of 100 ° C. for 60 minutes for chemistry. A solid electrolyte layer of polyethylene dioxythiophene (PEDT) was formed by polymerization. A capacitor element having a solid electrolyte layer obtained by repeating this solid electrolyte layer forming method twice is dried and heated and then placed in a case, the opening is sealed with a sealing member, and a surface mounting seat plate is provided on the sealing member side. Attached. After that, the DC voltage is gradually increased from 0 at a temperature of 105 ° C. for 120 minutes, and an aging treatment is performed by applying a voltage of 6V, which is 1.5 times the rated voltage, and the rated voltage is 4 WV and the rated capacitance is 100 μF. Each of 1000 surface mount type solid electrolytic capacitors was manufactured.
実施例、従来例、比較例にかかるセパレータ及びこれらのセパレータを使用して製作した固体電解コンデンサの原料及び特性の評価を実施例1〜実施例6は表7に、実施例7〜実施例12は表8に、実施例13〜実施例22は表9に、実施例23〜実施例33は表10に、従来例1〜従来例12は表11に、比較例1〜比較例13は表12に示す。 Evaluation of raw materials and characteristics of separators according to Examples, Conventional Examples and Comparative Examples, and solid electrolytic capacitors manufactured using these separators are shown in Table 7 for Examples 1 to 6, and Examples 7 to 12 are used. In Table 8, Examples 13 to 22 in Table 9, Examples 23 to 33 in Table 10, Conventional Examples 1 to 12 in Table 11, Comparative Examples 1 to 13 in Table 11. 12 shows.
各実施例、従来例及び比較例におけるセパレータ及び得られた固体電解コンデンサの各測定値及び評価方法は次の通りである。 Each measured value and evaluation method of the separator and the obtained solid electrolytic capacitor in each example, conventional example and comparative example are as follows.
[セパレータの評価/厚さ,密度,引張強さ]
セパレータの厚さ,密度,引張強さは旧JIS C2301(電解コンデンサ紙)に規定された方法で測定した。なお、引張強さの試験条件は次の通りである。
試験条件:幅15mmのセパレータを純水中に30秒間浸漬し、その後JIS C 2111(電気絶縁紙試験方法)の引張強さの項目に準じて試験を行った。
[Evaluation of separator / thickness, density, tensile strength]
The thickness, density, and tensile strength of the separator were measured by the methods specified in the old JIS C2301 (electrolytic capacitor paper). The test conditions for tensile strength are as follows.
Test conditions: A separator having a width of 15 mm was immersed in pure water for 30 seconds, and then tested according to the item of tensile strength of JIS C2111 (electrical insulation paper test method).
[セパレータの評価/重量保持率]
セパレータの炭化後の重量保持率は、炭化後の重量/炭化前の重量×100によって測定した。なお、厚さ保持率及び面積保持率の測定方法は前記したとおりである。
[Evaluation of separator / weight retention]
The weight retention after carbonization of the separator was measured by weight after carbonization / weight before carbonization × 100. The method for measuring the thickness retention ratio and area retention ratio is as described above.
[セパレータの評価/空隙率]
天然セルロース繊維と耐熱性繊維を含有するセパレータを用いる場合、耐熱性繊維がセパレータの外形的形状を保持するので、セパレータとしての外形と寸法は変化しないと仮定した上で、加熱によるセパレータの空隙率を次の計算式によって測定した(「紙の科学」,330頁式(1)/門屋卓他著参照)。
空隙率=(1−紙の密度/紙を構成する材料の密度)×100 …(1)
なお、炭化後のセパレータの密度は次の数式(数1)により計算した。この数式(数1)により各実施例、従来例、比較例毎に炭化の度合いに応じた炭化後のセパレータの密度を計算し、(1)式に紙の密度として代入することにより、炭化後のセパレータの空隙率を算出した。
[Evaluation of separator / porosity]
When using a separator containing natural cellulose fiber and heat-resistant fiber, the heat-resistant fiber retains the outer shape of the separator, so it is assumed that the outer shape and dimensions of the separator do not change. Was measured by the following formula (see “Science of Paper”, page 330 (1) / Taku Kadoya et al.).
Porosity = (1−density of paper / density of material constituting paper) × 100 (1)
In addition, the density of the separator after carbonization was calculated by the following formula (Equation 1). By calculating the density of the separator after carbonization according to the degree of carbonization for each example, the conventional example, and the comparative example by this mathematical formula (Equation 1), and substituting the density of paper into the formula (1), The porosity of the separator was calculated.
[ショート不良率]
炭化後のコンデンサ素子のショート不良率は、両極間のショートによる導通をテスターで確認した。先ず導電性高分子重合後のコンデンサ素子のショート不良率は、炭化後コンデンサ素子に導電性高分子層を形成した後、両極間のショートによる導通をテスターで確認した。ショート不良率は1000個の素子について検査し、ショート素子の全素子数に対する割合をショート不良率とした。また、エージング後のショート不良についても同様に行った。
[Short defect rate]
The short-circuit failure rate of the capacitor element after carbonization was confirmed by a tester for continuity due to a short between both electrodes. First, regarding the short-circuit defect rate of the capacitor element after polymerization of the conductive polymer, a conductive polymer layer was formed on the capacitor element after carbonization, and then continuity due to a short between both electrodes was confirmed by a tester. The short defect rate was inspected for 1000 elements, and the ratio of the short elements to the total number of elements was defined as the short defect rate. Moreover, it performed similarly about the short defect after aging.
[ESR,静電容量]
ESRは20℃,100kHzの周波数でLCRメータによってエージングの前後について測定した。静電容量は20℃,120Hzの周波数でLCRメータによって測定した。
[ESR, capacitance]
The ESR was measured before and after aging with an LCR meter at a frequency of 20 ° C. and 100 kHz. The capacitance was measured by an LCR meter at 20 ° C. and a frequency of 120 Hz.
[含浸性]
含浸性は、コンデンサ素子として巻回し、炭化処理をした後のコンデンサ素子の内、10個を別途取り出して重合液に浸漬させた後に、該コンデンサ素子を分解して最も吸い上げしていない部分の吸い上げ高さを測った。
[Impregnation]
The impregnation property is that a capacitor element wound up and carbonized is taken out and 10 parts are taken out separately and immersed in a polymerization solution, and then the capacitor element is disassembled to suck up the least sucked up part. I measured the height.
[外観膨れ]
外観膨れについては、エージング後のコンデンサ素子を目視で検査した。
[Appearance swelling]
Regarding the appearance swelling, the capacitor element after aging was visually inspected.
表11に示す従来例1〜従来例5は、天然セルロース繊維としてサイザル麻パルプ100重量%からなるセパレータを使用して加熱温度を200℃〜400℃で60分間加熱したものである。加熱温度が上昇するに従って重量保持率や厚さ保持率が減少し、セパレータ内の空隙が増加していると考えられる。例えば、250℃で加熱した従来例2では、重量保持率及び厚さ保持率がそれぞれ90.0%,90.9%であるのに対し、300℃で加熱した従来例3では、それぞれ30.4%,51.1%に減少している。その一方で、寸法安定性を失っていることから、ショート不良率が炭化後導電性高分子層を形成後のコンデンサ素子特性において、従来例2の10%から従来例3では30%に増加しており、400℃で加熱した従来例5では60%にもなっている。このように、従来の天然セルロース繊維のみからなるセパレータは炭化によって寸法安定性を欠くようになるため、ショート不良が多く、ESRの値も悪化しており、固体電解コンデンサのセパレータとして使用することはできない。 Conventional Example 1 to Conventional Example 5 shown in Table 11 are obtained by heating a heating temperature at 200 ° C. to 400 ° C. for 60 minutes using a separator made of 100% by weight of sisal pulp as natural cellulose fiber. It is considered that as the heating temperature rises, the weight retention ratio and thickness retention ratio decrease, and the voids in the separator increase. For example, in the conventional example 2 heated at 250 ° C., the weight retention rate and the thickness retention rate are 90.0% and 90.9%, respectively, whereas in the conventional example 3 heated at 300 ° C., 30. It has decreased to 4% and 51.1%. On the other hand, since the dimensional stability is lost, the short-circuit defect rate increases from 10% in the conventional example 2 to 30% in the conventional example 3 in the capacitor element characteristics after forming the conductive polymer layer after carbonization. In the conventional example 5 heated at 400 ° C., it is 60%. Thus, since the separator made only of the conventional natural cellulose fiber lacks dimensional stability due to carbonization, there are many short-circuit defects, the ESR value is also deteriorated, and it can be used as a separator for a solid electrolytic capacitor. Can not.
従来例6,従来例7は炭化のための加熱温度と加熱時間を350℃で120分として加熱時間を長くし、又従来例7はサイザル麻パルプに代えて木材クラフトパルプを使用した例であるが、従来例1〜5と同様に寸法安定性を欠き、ESR及びショート不良率ともに使用可能な値ではない。具体的には炭化後導電性高分子層を形成後のコンデンサ素子特性及びエージング後(完成品)のコンデンサ素子特性の双方において、100μF以上の静電容量と20mΩ以下のESRを実現することができない。また、炭化を進めることによって従来例6,従来例7は重量保持率が16.4%と16.1%まで減少しているが、重量が0%となることはない。 Conventional Example 6 and Conventional Example 7 are examples in which the heating temperature and heating time for carbonization are set to 120 minutes at 350 ° C. to increase the heating time, and Conventional Example 7 is an example in which wood kraft pulp is used instead of sisal hemp pulp. However, like the conventional examples 1 to 5, the dimensional stability is lacking, and both the ESR and the short-circuit defect rate are not usable values. Specifically, it is impossible to realize an electrostatic capacity of 100 μF or more and an ESR of 20 mΩ or less in both the capacitor element characteristics after forming the conductive polymer layer after carbonization and the capacitor element characteristics after aging (finished product). . Further, by proceeding carbonization, the weight retentions of Conventional Example 6 and Conventional Example 7 are reduced to 16.1% and 16.1%, but the weight does not become 0%.
従来例8〜従来例12は天然セルロース繊維としてのサイザル麻パルプと耐熱性繊維としてのフィブリル化アラミド繊維を50重量%ずつ配合した例であり、特許文献6に相当する例である。いずれも引張強さは2.6N/15mmしかなく、コンデンサ素子を作製しようとしたが、裁断時に紙切れが多発しコンデンサ素子を作製できなかった。 Conventional Example 8 to Conventional Example 12 are examples in which sisal pulp as natural cellulose fiber and fibrillated aramid fiber as heat resistant fiber are blended by 50% by weight, and corresponds to Patent Document 6. In either case, the tensile strength was only 2.6 N / 15 mm, and an attempt was made to produce a capacitor element. However, the capacitor element could not be produced due to frequent paper breaks during cutting.
実施例1〜実施例3は、サイザル麻パルプ88重量%にフィブリル化アラミド繊維10重量%、PAM2重量%を配合したセパレータを炭化のために、それぞれ250℃、300℃、350℃の温度で60分間加熱したものである。天然セルロース繊維であるサイザル麻パルプを88重量%含有しているため、加熱温度が上がるにつれて重量保持率が92.1%,42.5%,33.2%と減少し、空隙率は70.6%,77.8%,78.1%と増加するが、10重量%配合された加熱による影響を受けないフィブリル化アラミド繊維によってセパレータの基本的な形状が維持され、面積保持率は、それぞれ99.3%,82.1%,80.2%を確保している。そのため、ショート不良率はいずれも0%であった。そして、炭化後導電性高分子層を形成後のコンデンサ素子特性(以下、炭化後素子特性という)及びエージング後のコンデンサ素子特性(以下、エージング後素子特性という)として、いずれも100μF以上の静電容量を達成しており、このことから導電性高分子の高充填化を実現していることが判る。さらに、炭化されたサイザル麻繊維が、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として機能するため、ESRも20mΩ以下の良好な値を示しており、導電性高分子の連続性を確保していることが判る。 In Examples 1 to 3, a separator in which 88% by weight of sisal pulp was mixed with 10% by weight of fibrillated aramid fibers and 2% by weight of PAM was carbonized at a temperature of 250 ° C., 300 ° C., and 350 ° C. for carbonization. Heated for a minute. Since 88% by weight of sisal pulp, which is a natural cellulose fiber, is contained, the weight retention decreases to 92.1%, 42.5%, and 33.2% as the heating temperature increases, and the porosity is 70. The basic shape of the separator is maintained by fibrillated aramid fibers that are not affected by heating, which is increased by 6%, 77.8%, and 78.1%, but the area retention rate is respectively 99.3%, 82.1%, and 80.2% are secured. Therefore, the short-circuit defect rate was 0% in all cases. The capacitor element characteristics after forming the carbonized conductive polymer layer (hereinafter referred to as element characteristics after carbonization) and the capacitor element characteristics after aging (hereinafter referred to as element characteristics after aging) are both electrostatic capacitances of 100 μF or more. The capacity is achieved, and from this, it can be seen that high packing of the conductive polymer is realized. Furthermore, since the carbonized sisal fiber functions as a path for the polymerization solution to flow, a medium for holding the polymerization solution, and a medium for holding the polymerized conductive polymer, ESR is also 20 mΩ or less. It can be seen that the continuity of the conductive polymer is secured.
これに対して、比較例1,比較例2は、実施例1〜実施例3と同一のセパレータを使用して、炭化温度を200℃と400℃の温度で60分間加熱した例である。比較例1では、炭化温度が低いため、重量保持率が99.8%と炭化が不十分であり、サイザル麻パルプの水酸基の弊害を除去することができず、エージング後に膨れが発生して、炭化後及びエージング後の特性としてESRも22mΩ,30mΩと悪化している。一方、比較例2では炭化温度が高すぎるため、重量保持率が30.5%と極端に減少し、含浸性は4mmと良好であるが、サイザル麻パルプの繊維形骸の残存が不十分であり、導電性高分子の連続性を確保することができず、そのためエージング後素子特性としてESRが26mΩと悪化し、又ショート不良率も6%と増加している。このことは炭化条件が過ぎると導電性高分子の連続性が途切れ、ESR、静電容量ともに悪化し、更に部分的に極間に繋がった導電性高分子によるショートが生じるため、ショート不良率も悪化することを示している。よって、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として天然セルロース繊維が機能するための炭化の条件としては、250℃〜350℃の温度で60分〜120分が適当である。 On the other hand, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are examples in which the same separator as in Examples 1 to 3 was used and heated at a carbonization temperature of 200 ° C. and 400 ° C. for 60 minutes. In Comparative Example 1, since the carbonization temperature is low, the weight retention is 99.8% and the carbonization is insufficient, the adverse effects of the hydroxyl group of sisal hemp pulp cannot be removed, and swelling occurs after aging, As characteristics after carbonization and aging, ESR is also deteriorated to 22 mΩ and 30 mΩ. On the other hand, in Comparative Example 2, since the carbonization temperature is too high, the weight retention rate is extremely reduced to 30.5% and the impregnation property is as good as 4 mm. However, the remaining fiber form of the sisal pulp is insufficient. As a result, the continuity of the conductive polymer cannot be ensured, so that the element characteristics after aging deteriorated to 26 mΩ, and the short-circuit defect rate increased to 6%. This means that if the carbonization conditions are exceeded, the continuity of the conductive polymer is interrupted, both ESR and electrostatic capacity deteriorate, and a short circuit due to the conductive polymer partially connected between the electrodes occurs. It shows that it gets worse. Therefore, as a condition for carbonization for the natural cellulose fiber to function as a path for the polymerization solution to flow, a medium for holding the polymerization solution, and a medium for holding the polymerized conductive polymer, 250 ° C. A temperature of ˜350 ° C. is suitably 60 minutes to 120 minutes.
実施例10〜実施例12は、サイザル麻パルプ50重量%にフィブリル化アラミド繊維20重量%、PVA30重量%を配合したセパレータを炭化のために、それぞれ250℃、300℃、350℃の温度で60分間加熱したものである。天然セルロース繊維であるサイザル麻パルプを50重量%含有しているため、加熱温度が上がるにつれて重量保持率が93.2%,57.8%,40.9%と減少し、空隙率も75.4%,80.7%,81.3%と増加し、20重量%配合された加熱による影響を受けないフィブリル化アラミド繊維によってセパレータの基本的な形状が維持されているため、面積保持率は、それぞれ99.1%,93.6%,89.2%を確保している。そのため、ショート不良率はいずれも0%であった。そして、炭化後素子特性及びエージング後素子特性として、いずれも100μF以上の静電容量を達成しており、このことから導電性高分子の高充填化を実現していることが判る。さらに、炭化されたサイザル麻繊維が、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として機能するため、導電性高分子の連続性を確保することができ、炭化後素子特性及びエージング後素子特性の双方においてESRも18Ω以下の良好な値を示している。よって、炭化後において重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として機能するためには、天然セルロース繊維は少なくとも50重量%以上配合する必要があることが判る。 In Examples 10 to 12, a separator prepared by blending 50% by weight of sisal pulp with 20% by weight of fibrillated aramid fibers and 30% by weight of PVA was used for carbonization at temperatures of 250 ° C., 300 ° C., and 350 ° C., respectively. Heated for a minute. Since 50% by weight of sisal pulp, which is a natural cellulose fiber, is contained, the weight retention decreases to 93.2%, 57.8%, and 40.9% as the heating temperature increases, and the porosity is also 75.%. Since the basic shape of the separator is maintained by the fibrillated aramid fiber which is increased by 4%, 80.7% and 81.3%, and is not affected by heating that is blended by 20% by weight, the area retention rate is 99.1%, 93.6% and 89.2%, respectively. Therefore, the short-circuit defect rate was 0% in all cases. And as for the element characteristic after carbonization and the element characteristic after aging, both have achieved a capacitance of 100 μF or more. From this, it can be seen that high packing of the conductive polymer is realized. Further, since the carbonized sisal fiber functions as a path for the polymerization solution to flow, a medium for holding the polymerization solution, and a medium for holding the polymerized conductive polymer, the conductive polymer In both the post-carbonization device characteristics and the post-aging device characteristics, the ESR shows a good value of 18Ω or less. Therefore, in order to function as a path for the polymerization solution to flow after carbonization, a medium for holding the polymerization solution, and a medium for holding the polymerized conductive polymer, the natural cellulose fiber is at least 50% by weight. It turns out that it is necessary to mix | blend more than%.
これに対して、比較例7,比較例8は、実施例10〜実施例12と同一のセパレータを使用して、炭化温度を200℃と400℃の温度で60分間加熱した例である。比較例7では、炭化温度が低いため、重量保持率が99.6%と炭化が不十分であり、サイザル麻パルプの水酸基の弊害を除去することができず、エージング後の特性としてESRも33mΩと悪化している。一方、比較例8では炭化温度が高すぎるため、重量保持率が32.2%と極端に減少し、含浸性は4mmと良好であるが、サイザル麻パルプの繊維形骸の残存が不十分であり、導電性高分子の連続性を確保することができず、エージング後素子特性としてESRが28mΩと悪化し、又ショート不良率も5%と増加している。よって、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として天然セルロース繊維が機能するための炭化の条件としては、250℃〜350℃の温度で60分〜120分が適当である。 On the other hand, Comparative Example 7 and Comparative Example 8 are examples in which the same separator as in Examples 10 to 12 was used and heated at a carbonization temperature of 200 ° C. and 400 ° C. for 60 minutes. In Comparative Example 7, since the carbonization temperature is low, the weight retention rate is 99.6%, and the carbonization is insufficient, the adverse effect of the hydroxyl group of sisal hemp pulp cannot be removed, and the ESR is 33 mΩ as a characteristic after aging. It is getting worse. On the other hand, in Comparative Example 8, since the carbonization temperature is too high, the weight retention rate is extremely reduced to 32.2% and the impregnation property is as good as 4 mm. However, the fiber shape of the sisal pulp is not sufficiently remained. The continuity of the conductive polymer could not be ensured, the element characteristics after aging deteriorated to 28 mΩ, and the short-circuit defect rate increased to 5%. Therefore, as a condition for carbonization for the natural cellulose fiber to function as a path for the polymerization solution to flow, a medium for holding the polymerization solution, and a medium for holding the polymerized conductive polymer, 250 ° C. A temperature of ˜350 ° C. is suitably 60 minutes to 120 minutes.
次に、250℃〜350℃の温度で60分〜120分の炭化が適当であることを確認するため、実施例22にかかるセパレータを使用して、200℃,250℃,300℃,350℃,400℃の各温度で、10分,30分,40分,50分,60分,120分,300分の各時間加熱して、各実施例と同様の定格電圧4WV、定格静電容量100μFの面実装型の固体電解コンデンサを作製して、エージング後素子特性としての静電容量,ESR,ショート不良率,外観膨れについての評価を表13に○×で示した。なお、評価基準は、表14に示すとおりである。 Next, in order to confirm that carbonization for 60 minutes to 120 minutes at a temperature of 250 ° C. to 350 ° C. is appropriate, using the separator according to Example 22, 200 ° C., 250 ° C., 300 ° C., 350 ° C. , Heated at 400 ° C. for 10 minutes, 30 minutes, 40 minutes, 50 minutes, 60 minutes, 120 minutes, and 300 minutes, with the same rated voltage of 4 WV and rated capacitance of 100 μF as in the examples. A surface mount type solid electrolytic capacitor was manufactured, and evaluations of capacitance, ESR, short-circuit defect rate, and appearance swelling as element characteristics after aging are shown in Table 13 as ◯. The evaluation criteria are as shown in Table 14.
表13に示すように、250℃〜350℃の温度で、60分から120分加熱して炭化したセパレータを使用した固体電解コンデンサは、エージング後素子特性として、静電容量が100μF以上、ESRが20mΩ以下、ショート不良率が1%以下、外観膨れもない。よって、4つの評価項目の全てが○の良好な値を示している。一方、上記炭化温度と時間の範囲を逸脱した炭化条件の場合は、静電容量,ESR,ショート不良率,外観膨れの項目の少なくとも一つ以上が前記○となる値を外れ、固体電解コンデンサとして不適当な×の値となっている。このことからも重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として天然セルロース繊維が機能するための炭化の条件としては、250℃〜350℃の温度で60分〜120分が適当であることが判る。 As shown in Table 13, a solid electrolytic capacitor using a separator carbonized by heating at 250 to 350 ° C. for 60 to 120 minutes has a capacitance of 100 μF or more and an ESR of 20 mΩ as element characteristics after aging. Hereinafter, the short-circuit defect rate is 1% or less, and there is no blistering. Therefore, all of the four evaluation items show good values of ○. On the other hand, in the case of carbonization conditions that deviate from the range of the carbonization temperature and time, at least one of the items of capacitance, ESR, short-circuit defect rate, and blistering is outside the value of the above ○, and as a solid electrolytic capacitor The value is inappropriate x. From this, as a condition for carbonization for the natural cellulose fiber to function as a path for the polymerization solution to flow, a medium for holding the polymerization solution, and a medium for holding the polymerized conductive polymer, It can be seen that 60 minutes to 120 minutes is suitable at a temperature of 250 ° C to 350 ° C.
比較例3,比較例4は実施例4〜実施例6と、比較例5,比較例6は実施例7〜実施例9と同一のセパレータを使用して、炭化温度を200℃と400℃で60分間加熱した例である。それぞれの測定値は、比較例1,比較例2と実施例1〜実施例3との関係、比較例7,比較例8と実施例10〜実施例12と同様の関係を示している。 Comparative Example 3 and Comparative Example 4 are Examples 4 to 6, and Comparative Example 5 and Comparative Example 6 are the same separators as in Examples 7 to 9, with carbonization temperatures of 200 ° C. and 400 ° C. This is an example of heating for 60 minutes. Each measured value shows the relationship between Comparative Example 1 and Comparative Example 2 and Examples 1 to 3, and the same relationship as Comparative Example 7 and Comparative Example 8 and Examples 10 to 12.
また、比較例9〜比較例13はサイザル麻パルプの配合量を45重量%に減らし、フィブリル化アラミド繊維45重量%、PAM10重量%を配合したセパレータを炭化のために、それぞれ200℃、250℃、300℃、350℃、400℃で60分間加熱したものである。フィブリル化アラミド繊維を40重量%を超えて45重量%配合すると、バインダとしてのPAMを添加最大量の10重量%配合したとしても引張強さは、許容最低限の7.8N/15mmしか発現しない。また、サイザル麻パルプを50重量%未満の45重量%しか配合していないため、炭化をいかに進めても、静電容量は80μm〜92μFに留まり、含浸性も1mm或いは2mmと悪く、炭化後及びエージング後の特性としてESRが25mΩ〜30mΩと悪化している。よって、天然セルロース繊維は50重量%以上配合することが必要である。 In Comparative Examples 9 to 13, the amount of sisal pulp was reduced to 45% by weight, and separators containing 45% by weight of fibrillated aramid fibers and 10% by weight of PAM were carbonized at 200 ° C. and 250 ° C., respectively, for carbonization. , 300 ° C., 350 ° C., and 400 ° C. for 60 minutes. When fibrillated aramid fiber is added in an amount of more than 40% by weight and 45% by weight, even when 10% by weight of the maximum amount of PAM added as a binder is added, the tensile strength is manifested only at a minimum allowable value of 7.8 N / 15 mm. . Moreover, since only 45% by weight of sisal pulp is less than 50% by weight, no matter how carbonization proceeds, the capacitance remains at 80 μm to 92 μF, and the impregnation property is as bad as 1 mm or 2 mm. As the characteristics after aging, the ESR deteriorates to 25 mΩ to 30 mΩ. Therefore, it is necessary that 50% by weight or more of natural cellulose fiber is blended.
実施例13〜実施例22は、サイザル麻パルプに配合する耐熱性繊維をフィブリル化アラミド繊維,アラミド繊維,アラミドフィブリッド,フィブリル化アミドイミド繊維,アミドイミド繊維,ポリイミド繊維,マイクロガラス繊維,炭素繊維,ボロン繊維,アルミナ繊維と変化させて、サイザル麻パルプ75重量%、耐熱性繊維20重量%、PAM5重量%を配合し300℃で60分加熱したセパレータを使用したものである。また、実施例23〜実施例32は、それぞれ実施例13〜実施例22と同一の耐熱性繊維を使用してサイザル麻パルプ60重量%、耐熱性繊維20重量%、PVA20重量%を配合し300℃で60分加熱したセパレータを使用したものである。 In Examples 13 to 22, heat resistant fibers to be blended with sisal pulp are fibrillated aramid fibers, aramid fibers, aramid fibrids, fibrillated amidimide fibers, amideimide fibers, polyimide fibers, micro glass fibers, carbon fibers, boron. The separator used was a mixture of 75% by weight of sisal pulp, 20% by weight of heat-resistant fiber, and 5% by weight of PAM, which was changed to fiber and alumina fiber, and heated at 300 ° C. for 60 minutes. Moreover, Example 23-Example 32 mix | blends 60 weight% of sisal pulp, 20 weight% of heat resistant fibers, and 20 weight% of PVA using the same heat resistant fiber as Examples 13-22, respectively, 300 A separator heated at 60 ° C. for 60 minutes is used.
実施例13〜実施例32及び実施例33はいずれも101μF以上の静電容量と19mΩ以下のESRを実現して、ショート不良率も0%である。よって、450℃以上の耐熱性を有する耐熱性繊維であれば、繊維の種類に特に影響を受けることなく、炭化時にセパレータの基本形状を維持し、天然セルロース繊維を炭化することによる寸法安定を確保することが可能である。そして、炭化された天然セルロース繊維が、重合溶液が流動していくための経路と重合溶液を保持するための媒体、及び重合した導電性高分子を保持する媒体として機能するため、導電性高分子の連続性を確保することができる。 Each of Examples 13 to 32 and Example 33 achieves a capacitance of 101 μF or more and an ESR of 19 mΩ or less, and the short-circuit defect rate is 0%. Therefore, heat-resistant fibers with a heat resistance of 450 ° C or higher are not particularly affected by the fiber type, and maintain the basic shape of the separator during carbonization and ensure dimensional stability by carbonizing natural cellulose fibers. Is possible. The carbonized natural cellulose fiber functions as a path for the polymerization solution to flow, a medium for holding the polymerization solution, and a medium for holding the polymerized conductive polymer. Can be ensured.
本発明によれば、従来困難とされてきたセパレータの空隙率を増加させることによる重合溶液の含浸性及び導電性高分子の高充填化と連続性の確保、更に炭化時の加熱に対するセパレータの寸法安定性の確保を同時に改善することができる。重合した導電性高分子はセパレータ内に空隙及び炭化後の繊維形骸や未酸化の繊維に沿って導電性高分子層として連続して保持されるため、導電性高分子の高充填化を実現するとともに、導電性高分子の連続性を確保することができ、固体電解コンデンサの他の特性に悪影響を与えることなく、高周波域でのESR等を改善できる。具体的には、ショート不良等の他の特性に悪影響を与えることなく、エージング後(完成品)のコンデンサ素子特性において100μF以上の静電容量と20mΩ以下のESRを実現した固体電解コンデンサを得ることができる。 According to the present invention, the impregnating property of the polymerization solution by increasing the porosity of the separator, which has been considered difficult in the past, ensuring a high filling and continuity of the conductive polymer, and the size of the separator against heating during carbonization. Ensuring stability can be improved at the same time. The polymerized conductive polymer is continuously held in the separator as a conductive polymer layer along the voids and carbonized fibers after carbonization and unoxidized fibers, thus realizing a high packing of the conductive polymer. In addition, the continuity of the conductive polymer can be ensured, and ESR and the like in the high frequency region can be improved without adversely affecting other characteristics of the solid electrolytic capacitor. Specifically, to obtain a solid electrolytic capacitor that realizes a capacitance of 100 μF or more and an ESR of 20 mΩ or less in the capacitor element characteristics after aging (finished product) without adversely affecting other characteristics such as short circuit defects. Can do.
Claims (15)
前記セパレータとして50重量%以上の天然セルロース繊維と、10重量%〜40重量%の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維と、所定量のバインダを含有させたことを特徴とするセパレータ。 In a separator for a solid electrolytic capacitor that holds a conductive polymer as a solid electrolyte layer after winding the separator foil between an anode foil and a cathode foil, and carbonizing the separator.
A separator comprising 50% by weight or more of natural cellulose fiber, 10% by weight to 40% by weight of heat-resistant fiber having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or more, and a predetermined amount of binder as the separator.
前記セパレータは、50重量%以上の天然セルロース繊維と、10重量%〜40重量%の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維と、所定量のバインダを含有し、天然セルロース繊維の水酸基を除去するとともに繊維形骸が残存するように炭化したことを特徴とするセパレータ。 In a separator for a solid electrolytic capacitor that holds a conductive polymer as a solid electrolyte layer after winding the separator foil between an anode foil and a cathode foil, and carbonizing the separator.
The separator contains 50% by weight or more of natural cellulose fiber, 10% by weight to 40% by weight of heat-resistant fiber having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or more, and a predetermined amount of binder to remove hydroxyl groups of the natural cellulose fiber. And carbonized so that the fiber shape remains.
前記セパレータは、50重量%以上の天然セルロース繊維と、10重量%〜40重量%の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維と、所定量のバインダを含有し、加熱によって天然セルロース繊維を炭化させることにより、セパレータ内に空隙を形成するとともに、天然セルロース繊維の繊維形骸を残存させることを特徴とするセパレータ。 In a separator for a solid electrolytic capacitor that holds a conductive polymer as a solid electrolyte layer after winding the separator foil between an anode foil and a cathode foil, and carbonizing the separator.
The separator contains 50% by weight or more of natural cellulose fiber, 10% to 40% by weight of heat-resistant fiber having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or more, and a predetermined amount of binder, and carbonizes the natural cellulose fiber by heating. By making it form, while forming a space | gap in a separator, the fibrous form body of a natural cellulose fiber remains, The separator characterized by the above-mentioned.
前記セパレータは、50重量%以上の天然セルロース繊維と、10重量%〜40重量%の熱分解温度が450℃以上の耐熱性繊維と、所定量のバインダを含有し、炭化のための加熱時において、耐熱性繊維によってセパレータの形態を保持した状態で、天然セルロース繊維を炭化させることにより、セパレータ内に空隙を形成するとともに、天然セルロース繊維の繊維形骸を残存させることを特徴とするセパレータ。 In a separator for a solid electrolytic capacitor that holds a conductive polymer as a solid electrolyte layer after winding the separator foil between an anode foil and a cathode foil, and carbonizing the separator.
The separator contains 50% by weight or more of natural cellulose fiber, 10% by weight to 40% by weight of heat-resistant fiber having a thermal decomposition temperature of 450 ° C. or more, and a predetermined amount of binder. A separator characterized by carbonizing natural cellulose fibers in a state in which the shape of the separator is maintained by heat resistant fibers, thereby forming voids in the separator and leaving the fibrous form of the natural cellulose fibers.
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