JP2017513996A - 粒子含有多孔質層を備えた二軸配向フィルム - Google Patents
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Abstract
Description
平均粒径の測定は、ISO13320−1に準拠したレーザー光散乱法によって行う。分析のための適切な測定装置は、例えば、Microtrac S3500である。凝集物の大きさ及び絶対粒度は、走査型電子顕微鏡を使って調べる。これのために、サンプルキャリアが画線された粒子のSEM画像、又は10mm2の寸法の白金もしくは金の蒸着フィルムサンプルのSEM画像又はマスターバッチの顆粒のSEM画像の撮影を行う。そのフィルムサンプル、又は粒子又はバッチの他の適当な画像は、1μm超の粒度を有する粒子の存在について光学的に調べる。
プロピレンポリマーのメルトフローインデックスは、DIN 53 735に準拠して、2.16kgの負荷かつ230℃で測定した。
本発明の意味において、融点は、DSC曲線の最大値である。融点を測定するために、20〜200℃の範囲において10K/1分の加熱速度及び冷却速度を用いてDSC曲線を得る。その融点の測定に関して、通常どおり、200〜20℃の範囲において10K/1分で冷却した後に第二の加熱曲線が評価される。
β結晶型ポリプロピレンの割合は、DSCを使って測定する。この特徴付けは、J. o. Appl. Polymer Science, Vol. 74, p.: 2357−2368, 1999 von Varga(非特許文献)に記載されており、次のように遂行される:DSCにおいて、β晶核剤を添加した試料を、最初に20℃/分の加熱速度で220℃に加熱して溶融させる(第一の加熱)。その後、それを再び10℃/分(第二の加熱)の加熱速度で溶融する前に、10℃/分の冷却速度で該溶融した試料を100℃に冷却する。
密度は、DIN 53 479、方法Aに準拠して測定する。
最大細孔径及び平均細孔径は、ASTM F316に準拠したバブルポイント法を使って測定した。
気孔率として、純粋なポリプロピレンの密度ρppに対するフィルムの密度の減少(ρフィルム−ρpp)を次のように算出する。
フィルムの透過率は、Gurley Tester 4110を使って、ASTM D726−58に準拠して測定した。その際、1平方インチ(6,452cm2)のフィルム面積に100cm3の空気を通過させるのに要する時間(秒)を測定する。その場合、フィルムを介する圧力差は、12.4cmの高さの水カラムの圧力に相当する。それから、それに要した時間はGurley値、すなわち、秒/100cm3の単位に対応させる。
第一の工程において、後の実験で使用するポリマー及び粒子のバッチを製造した。このバッチは次のように製造した。
フィルム例:1
該押出法に従い、240〜250℃の押出温度でスロットノズルから二層のプレフィルムを押し出した。その際に、押出機のスループットは、層A:Bの厚さの比が1:2になるように選択した。最初に、多層のプレフィルムを冷却ロール上に引き抜いて冷却した。引き続いて、該プレフィルムを、長手方向及び横方向に配向させ、それから固定した。該フィルムの層は、次の組成を有するものであった:
例Aによる、
40重量%のTiO2−バッチ:
60重量% TiO2
約39.96重量% プロピレンホモポリマー
0.04重量% 晶核剤
(それぞれバッチに基づく)
約60重量% 4.5重量%のn−ヘプタン溶解部分(100%PPに基づく)及び165℃の融点;及び230℃及び2.16kgの負荷(DIN 53735)における3.2g/10分のメルトフローインデックスを有するプロピレンホモポリマー(PP)、及び
約39.96重量% 約5重量%のエチレン単位(ブロックコポリマーに基づいて)及び6g/10分のメルトフローインデックス(230℃及び2.16kg)を有するプロピレン−エチレン−ブロックコポリマー
0.04重量% β−晶核剤としてのナノCaピメラート
(それぞれ混合物に基づく)
約80重量% 4.5重量%のn−ヘプタン溶解部分(100%PPに基づく)及び165℃の融点;及び230℃及び2.16kgの負荷(DIN 53735)における3.2g/10分のメルトフローインデックスを有するプロピレンホモポリマー(PP)、及び
約19.96重量% 約5重量%のエチレン単位(ブロックコポリマーに基づいて)及び6g/10分のメルトフローインデックス(230℃及び2.16kg)を有するプロピレン−エチレン−ブロックコポリマー
0.04重量% β−晶核剤としてのナノCaピメラート
(それぞれ混合物に基づく)
冷却ロール: 温度125℃
引き出し速度: 1.5m/分(引き出しロール上での滞留時間:55秒)
長手方向延伸: 予熱ロール:92
延伸ロールT:90℃
長手方向の延伸 3.6倍
横方向延伸: 加熱フィールドT=145℃
延伸フィールド T=145℃
横方向の延伸 4.8倍
収斂率 13%
例1のフィルム例に記載のように、二層フィルムを製造した。例1とは異なって、フィルム引抜き速度を2.5m/分に増加させた。層の組成及び他のプロセス条件は変更しなかった。増大された引抜き速度にもかかわらず、損壊することなく800mの走行長さが製造された。その際、その厚さは20μmに低減された。引抜きロールの上での低下した滞留時間にもかかわらず、Gurley値は約140秒に驚くほど減少した。このフィルムにおいても、側面Aに対してSEMを用い、10mm2の面積上にTiO2の凝集物及び>1μmの粒度の粒子は確認されなかった。
フィルム例1に記載されるようにフィルムを製造した。フィルム例1とは異なって、層Bは、その時、層Aと同じ組成を有していた。層Aの組成及びプロセス条件は、変更しなかった。それ故、事実上、単層フィルムが製造された。該フィルムの厚さは31μmであり、かつ、Gurley値は100秒未満に、驚くほど減少した。この組成物もまた非常に良好な走行信頼性を示したため、2000mの走行長さでロールが製造された。SEMにおいて該フィルムの両面は、10mm2の面積上にTiO2凝集物も、>1μmの粒度の粒子も認められなかった。
フィルム例3に記載されるように、24重量%のTiO2を有する、事実上単層のフィルムを製造した。引抜き速度を(フィルム例2におけるように)2.5m/分に高めた。層A及び層Bの(同じ)組成並びに残りのプロセス条件は変更しなかった。その高められた2.5m/分の引抜き速度により、1000mの走行長さのロールが損壊することなく製造された。その際、厚さは20μmに減少し、かつ、Gurley値は、例3と同じに留まり、驚くことに、100秒未満であった。このフィルムにおいて、SEMにより両方の面上には、10mm2の面積上に凝集物も、>1μmの粒度の粒子も確認されなかった。
フィルム例3に記載されているように、24重量%のTiO2を有するフィルムを製造した。フィルム例3とは異なり、ポリプロピレン混合物は、その時、晶核剤を含まず、そして、そのため、以下の組成を有するものであった:
4.5重量%のn−ヘプタン溶解部分(100%PPに基づく)及び165℃の融点;及び230℃及び2.16kgの負荷(DIN 53735)における3.2g/10分のメルトフローインデックスを有する、約60重量%のプロピレンホモポリマー(PP)、及び
約5重量%のエチレン単位(ブロックコポリマーに基づいて)及び6g/10分のメルトフローインデックス(230℃及び2.16kg)を有する、約40重量%のプロピレン−エチレン−ブロックコポリマー
フィルム例1に記載されているように二層フィルムを製造した。フィルム例1とは異なって、層AにおけるTiO2バッチの濃度を60%に高め、かつ、ポリプロピレン混合物の割合を40%に減少させ、その結果、層Aにおいて36重量%のTiO2が存在していた。層Bの組成並びにプロセス条件は変更しなかった。この組成物も非常に良好な走行信頼性を示し、1000mの走行長さのロールが製造された。そのフィルムの厚さは27μmであり、かつ、Gurley値は、驚くことに、100秒未満であった。SEMにおいてフィルムの面Aは、10mm2の面積上に>1μmの粒度の粒子を示さなかった。しかしながら、約1.2μmの粒度の粒子は確認された。
フィルム例2と同じ条件下でかつ同じ処方で二層フィルムを製造した。ただし、引抜き速度は5m/分に高め、そしてそのために、最終的なフィルム速を19m/分に高めた。これらの条件下で同じ厚さのフィルムを製造するために、追加的に、押出スループットを二倍に調節した。この組成物も高いプロセス条件下で非常に良好な走行信頼性を示し、1000mの走行長さのロールが製造された。そのフィルムの厚さは27μmであり、かつ、Gurley値は、例2に比較して、170秒に高まり、その際、プレフィルムにおいて測定されたβ−含有量は、57%にわずかに低減していた。そのフィルムの面Aは、SEMにおいて10mm2の面積上に凝集物も、>1μmの粒度の粒子も示さなかった。
フィルム例2と同じ条件下で、かつ、同じ処方で二層フィルムを製造した。ただし、引抜き速度は7.5m/分に高め、そしてそのため、最終的なフィルム速度を28m/分に高めた。これらの条件下で同じ厚さのフィルムを製造するために、追加的に、押出スループットを二倍に調節した。この組成物も高いプロセス条件下で非常に良好な走行信頼性を示し、1000mの走行長さのロールが製造された。そのフィルムの厚さは24μmであり、かつ、Gurley値は、例7に比較して、198秒に高まり、その際、プレフィルムにおいて測定されたβ−含有量は、54%にわずかに低減していた。そのフィルムの面Aは、SEMにおいて10mm2の面積上に凝集物も、>1μmの粒度の粒子も示さなかった。
フィルム例2と同じ条件下で、かつ、同じ処方で二層フィルムを製造した。ただし、引抜き速度は10m/分に高め、そしてそのため、最終的なフィルム速度を37m/分に高めた。これらの条件下で同じ厚さのフィルムを製造するために、追加的に、押出スループットを二倍に調節した。この組成物も非常に良好な走行信頼性を示し、1000mの走行長さのロールが製造された。そのフィルムの厚さは24μmであり、かつ、Gurley値は、例8と比較して、222秒に高まり、その際、プレフィルムにおいて測定されたβ−含有量は、51%にわずかに低減していた。そのフィルムの面Aは、SEMにおいて10mm2の面積上に凝集物も、>1μmの粒度の粒子も示さなかった。
フィルム例2と同じ条件下で、かつ、同じ処方で二層フィルムを製造した。ただし、層A及び層Bにおいて、プロピレン−エチレン−ブロックコポリマーを、割合を高めることによってプロピレンホモポリマー(PP)に置き換えた。
フィルム例1に記載されているのと同じ条件下でフィルムを製造した。フィルム例1とは異なり、層Aに、層Bと同じ混合物を使用したため、TiO2の添加はなかった。層Bの組成並びにプロセス条件は変更しなかった。それ故、事実上、単層のフィルムが製造された。そのフィルムの厚さは29μmであり、かつ、Gurley値は200秒であった。
比較例1に記載されているのと同じ条件下でフィルムを製造した。この場合、比較例1とは異なり、引抜き速度を2.5m/分に高めた。この高められた引抜き速度により、500mの走行長さが損壊することなく製造された。その際、その厚さは20μmに減少し、かつ、Gurley値は280秒に高まった。
比較例1に記載されているのと同じ条件下で二層フィルムを製造した。フィルム例1とは異なって、層Aのバッチの組成を変更した。TiO2を、平均粒径3μmのAL2O3に置き換えた。層Aのポリプロピレン混合物の組成、層Bの組成、並びにプロセス条件は変更しなかった。しかしながら、事実上、多数の損壊により、フィルムを製造することはできなかった。
フィルム例1に記載されているのと同じ条件下で二層フィルムを製造した。ただし、押出機にはバッチに代えてTiO2を直接計量添加した。製造時にしばしば損壊が生じた。製造された、いくつかのフィルムは、原則的に、例1によるフィルムと同じ特性を示した。フィルムの面Aは、SEMにおいて10mm2の面積上に、1〜3μmの大きさの凝集物を多数示した。
Claims (26)
- 少なくとも一つの多孔質層を含み、そして、この層が少なくとも一つのプロピレンポリマー、少なくとも一つのβ−晶核剤及び粒子を含有する、二軸配向された、単層又は多層の多孔質フィルムであって、該粒子が、200℃超の融点を有し、そして、該二軸配向された、単層又は多層の多孔質フィルム10mm2のフィルムサンプルのSEM画像上で、>1μmの粒度を有する最大1個の凝集物又は最大1個の粒子が確認可能であることを特徴とする、上記のフィルム。
- 該多孔質が、該フィルムの延伸時のβ結晶性プロプロピレンの変換によって得られ、その際、少なくとも一つのβ晶核剤が該フィルム中に存在していることを特徴とする、請求項1に記載のフィルム。
- 前記フィルムが、前記多孔質層の重量に対して2〜60重量%の粒子を含有することを特徴とする、請求項1又は2に記載のフィルム。
- 前記β晶核剤が、ピメリン酸及び/又はスベリン酸のカルシウム塩及び/又は酸化鉄及び/又はピメリン酸ニッケルであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つに記載のフィルム。
- 10mm2のフィルムサンプルのSEM画像において、>1μmの粒度を有する凝集物及び粒子がないことが確認できることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記粒子が、<1μmの平均粒度を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記粒子が、空胞を発生させいない(nicht−vakuoleninitierende)粒子であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記フィルムの多孔質の層が、少なくとも65重量%のプロピレンポリマーを含有していることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記多孔質フィルムが、少なくとも65重量%のプロピレンポリマーを含有していることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記フィルムの多孔質の層が、50〜85重量%のプロピレンホモポリマー、15〜50重量%のプロピレンブロックコポリマー及び50〜10,000ppmのβ晶核剤を含有していることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記フィルムの密度が、0.1〜0.5g/cm3の範囲にあり、かつ、150s未満のGurley値を有することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記粒子が、無機の球状粒子であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記粒子が、空胞を生じない粒子であり、その際、空胞を生じる粒子が、β晶核剤を用いずにポリプロピレンフィルムを二軸延伸した際に、該ポリプロピレンフィルムの密度を<0.85g/cm3に低下させるような粒子であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記粒子が、無機の粒子であり、好ましくは、金属Al、Zr、Si、Sn、Ti及び/又はYの非導電性の酸化物であることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記粒子が、TiO2であることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一つに記載のフィルム。
- 前記粒子が有機の粒子であることを特徴とする、請求項1〜15のいずれか一つに記載のフィルム。
- (i)少なくとも一層のポリプロピレンフィルムを押し出す工程であって、その際、プロピレンポリマー及びβ晶核剤及び200℃超の融点を有する粒子が押出機において溶融され、そして、フラットノズルを介して引き出しローラー上に押し出される工程;
(ii)引き続いて、該押し出された溶融フィルムを、β結晶を形成させながら冷却し、そして固化させる工程;
(iii)引き続いて、このフィルムを長手方向において、そしてその後横手方向に延伸する工程;及び
(iv)そのプロセス速度が5〜200m/分であること、
を含む、多孔質フィルムの製造方法。 - 前記粒子が少なくとも一種のポリプロピレンとバッチになるよう混合され、そして、該粒子含有のバッチが、ポリプロピレンと該押出機中で混合されて溶融されることを特徴とする、請求項17に記載の方法。
- 前記粒子含有バッチの製造時に、分散剤が添加されることを特徴とする、請求項17又は18に記載の方法。
- 請求項1〜16のいずれか一つに記載のフィルムの、高エネルギーシステム又は高性能システム、特に、リチウム電池、リチウムイオン電池、リチウム−ポリマー電池及びアルカリ土類金属電池におけるセパレータとしての使用。
- 請求項1〜16のいずれか一つに記載のフィルムを含有する、高エネルギーシステム又は高性能システム、特に、リチウム電池、リチウムイオン電池、リチウム−ポリマー電池及びアルカリ土類金属電池。
- 少なくとも一つの多孔質層を含み、かつ、該層が少なくとも一種のプロピレンポリマー、β晶核剤及び粒子を含有している二軸配向された、単層又は多層のフィルムであって、その際、該粒子が、200℃超の融点及び<1μmの平均粒度を有する、上記のフィルム。
- 少なくとも一つの多孔質層を含み、かつ、該層が少なくとも一種のプロピレンポリマー及び粒子を含有している二軸配向された、単層又は多層のフィルムであって、その際、該粒子が、200℃超の融点及び<1μmの粒度を有する該フィルムであり、前記多孔質層が、β晶核剤を含有していないことを特徴とする、上記のフィルム。
- 少なくとも一つの多孔質層を含み、かつ、該層が少なくとも一種のプロピレンポリマー及び粒子を含有して、その際、該粒子が、200℃超の融点及び<1μmの粒度を有する二軸配向された、単層又は多層のフィルムであって、前記多孔質層が、β晶核剤並びにブロックブロックコポリマーを含有してなく、かつ、該多孔質層が500s未満のGurley値を有することを特徴とする、上記のフィルム。
- 前記二軸配向された、単層又は多層フィルムの、10mm2のフィルムサンプルのSEM画像上で、>1μmの粒度を有する粒子の最大1個の凝集物又は最大1個の粒子が検出可能であることを特徴とする、請求項22、23又は24に記載の二軸配向された、単層又は多層フィルム。
- (i)少なくとも一層のポリプロピレンフィルムを押し出す工程であって、その際、プロピレンポリマー及びβ晶核剤なく及び200℃超の融点を有する粒子が押出機において溶融され、そして、フラットノズルを介して引き出しローラー上に押し出される工程;
(ii)引き続いて、該押し出された溶融フィルムを、β結晶を形成させながら冷却し、そして固化させる工程;
(iii)引き続いて、このフィルムを長手方向において、そしてその後横手方向に延伸する工程、
を含む、多孔質フィルムの製造方法であって、
前記フィルムを、5m/分〜200m/分のプロセス速度で製造し、そして、前記二軸配向された、単層又は多層フィルムの、10mm2のフィルムサンプルのSEM画像上で、>1μmの粒度を有する粒子の最大1個の凝集物又は最大1個の粒子が確認可能であることを特徴とする、上記の方法。
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