JP2018103111A

JP2018103111A - 塗工装置

Info

Publication number: JP2018103111A
Application number: JP2016252709A
Authority: JP
Inventors: 瑛山下; Akira Yamashita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP6880715B2

Abstract

【課題】基材上に塗布された塗料におけるスジ等の塗工不良の発生を抑制することが可能な塗工装置を提供すること。【解決手段】本開示の塗工装置は、先端面に塗料を吐出するための吐出口を有するダイと、ダイに対して基材を移動させる移動装置と、を備え、ダイに対して移動する基材に対して、ダイから塗料を本体部吐出し、基材上に塗料を塗布するための、塗工装置である。基材がダイに対して移動する速度をＶ（ｍ／分）とし、ダイの先端面と、基材の移動方向の上流側において先端面に隣接する斜面と、の成す鋭角の角度をΦ（°）とした場合に、「４５−９００／Ｖ≦Φ≦３０＋５００／Ｖ」を満たす。【選択図】図４

Description

本開示は、塗工装置に関する。

特開２０１０−０５１９５３号公報（特許文献１）には、塗工用のダイとして、先端面にスリット状の開口（吐出口）を有するダイが開示される。ダイ塗工では、スリットダイの吐出口から、ダイに対して移動する基材上へ、塗料を吐出することで、基材上に塗料が塗布される。

特開２０１０−０５１９５３号公報

本発明者らは、塗工および乾燥等の工程によって得られる製品（電極シート等）の製造効率を従来よりさらに高めるために、塗料として不揮発成分の含有量が多い高粘度の塗料（ペースト）を使用して乾燥工程の時間を短縮すること、および、基材の移動速度を速くして単位時間当たりの塗工面積を増やすことについて、検討を行った。

その結果、本発明者らは、電極シート等の製造工程において、高粘度の塗料を使用し、基材の移動速度を速くした場合、基材上に塗布された塗料にスジ等の部分的な塗工不良が生じやすくなるという問題があることを見出した。

本開示は、上記の課題に鑑みて、塗工装置を用いた電極シート等の製造効率を高めつつ、基材上に塗布された塗料におけるスジ等の塗工不良の発生を抑制することが可能な塗工装置を提供することを目的とする。

本開示の塗工装置は、先端面に塗料を吐出するための吐出口を有するダイと、前記ダイに対して基材を移動させる移動装置と、を備え、
前記ダイに対して移動する前記基材に対して、前記ダイから前記塗料を本体部吐出し、前記基材上に前記塗料を塗布するための、塗工装置である。

前記基材が前記ダイに対して移動する速度をＶ（ｍ／分）とし、
前記ダイの前記先端面と、前記基材の移動方向の上流側において前記先端面に隣接する斜面と、の成す鋭角の角度をΦ（°）とした場合に、
４５−９００／Ｖ≦Φ≦３０＋５００／Ｖ
を満たす。

本開示の塗工装置を用いることで、電極シート等の製造効率を高めつつ、基材上に塗布された塗料におけるスジ等の塗工不良の発生を抑制することができる。その理由は次のように考えられる。

図６を参照して、塗工時において、通常は、基材３の移動方向（塗料１の移動方向）に沿って、空気の流れ（点線矢印）が発生する。なお、この空気は、ダイ２の側方（図６の紙面に垂直な方向）に排出されるため、塗料１に混入せず、塗料１の塗工は通常は妨げられない。

しかし、ダイ２の先端面２４（ダイブロック２１，２２の先端部２１２，２２２）において、幅方向の任意の領域（例えば、図８の領域Ｃ）で、図７に点線矢印で示されるように、空気の流れがぶつかりあい、乱流が発生して、空気流れの滞留部分が発生する場合がある。特に、塗工速度（基材３がダイ２に対して移動する速度）を速くした場合、このような乱流による空気の対流部分が発生しやすくなる。空気が滞留した部分では、塗料が空気を巻き込む場合があり、その結果、基材上に塗布された塗料に、スジ（線状の未塗工部）１０ａ、スケ（他より塗工量が少ない部分）などの塗工不良が発生する（図８参照）。

なお、一時的にこのような塗工不良部が生じても、塗料の粘度が低ければ、塗料の流動によって不良部がある程度補修される。もしくは、流動性が高いために、不良そのものが生じにくい。しかし、塗料の粘度が高まると、塗料の流動性（塗工性）が低化するため、塗工不良部がそのまま残存し易くなる。

これに対して、本発明者らは、意外にも、ダイの先端部の形状（基材の移動方向の上流側において先端面に隣接する斜面の角度）を調整することにより、ダイの先端面と基材との間の近傍（上記の上流側）において、空気の流れを整えることができ、塗料による空気の巻き込みを抑制できることを見出した。

すなわち、基材がダイに対して移動する速度をＶ（ｍ／分）とし、ダイの先端面と、基材の移動方向の上流側において先端面に隣接する斜面と、の成す鋭角の角度をΦ（°）とした場合に、Φを「４５−９００／Ｖ」以上「３０＋５００／Ｖ」以下の範囲に調整することにより、塗工速度を速くし、高粘度の塗料を用いることにより、電極シート等の製造効率を高めた場合でも、塗料による空気の巻き込みを抑制できることが、本発明者らによって見出された。

したがって、本開示の塗工装置によれば、塗工装置を用いた電極シート等の製造効率を高めつつ、基材上に塗布された塗料におけるスジ等の塗工不良の発生を抑制することができる。

実施形態の塗工装置を説明するための断面模式図である。実施形態の塗工装置におけるダイを示す斜視図である。図２に示すダイの分解斜視図である。実施形態の塗工装置におけるダイの特徴を説明するための断面模式図である。実施例に用いたダイを説明するための断面模式図である。通常の塗工時の空気の流れを示す断面模式図である。塗工不良が発生する場合の塗工時の空気の流れを示す断面模式図である。基材上の塗料に塗工不良が発生した状態を示す模式図である。

以下、本開示の実施形態について説明する。ただし、本開示はこれらに限定されるものではない。

［塗工装置］
図１を参照して、本実施形態の塗工装置は、ダイ２に対して移動する基材３に対して、ダイ２から塗料１を本体部吐出し、基材３上に塗料１を塗布するための装置である。

塗料１は、塗布性からは低粘度のペーストであることが好ましいが、乾燥コストを低減するために溶媒量を減らすと、背反として塗料の粘度が増大する。塗料の粘度は、例えば、５０００〜１５０００ｍＰａ・秒程度である。本実施形態の塗工装置は、このような高粘度の塗料を用いる場合において、特に有用である。なお、粘度（ｍＰａ・秒）は、Ｅ型回転粘度計を用いて、剪断速度２．５１／秒（１ｒｐｍに相当）の条件で測定され得る。

塗工装置としては、例えば、ダイコーターなどが挙げられる。ダイコーターの方式は、ロール・ツー・ロール方式であってもよく、枚葉方式であってもよい。なお、図１に示されるように、ロール・ツー・ロール方式のダイコーターでは、通常、ダイ２は移動せず、基材３のみが（実線矢印の方向に）移動する。

ダイ２の導入口２０ａに接続された塗料タンク等から、塗料１（ペースト）がダイ２の貯留部２０に供給される（図３参照）。塗料１は、貯留部２０からシム２３によって形成されるスロットを経由して、ダイ２の先端面２４の吐出口２４ａから連続的に吐出され、ロール４上で移動している基材３に対して塗料１が塗布される。

具体的に、塗工装置は、ダイ２と、ダイ２に対して基材３を移動させる移動装置と、を備える。例えば、図１に示されるようなロール・ツー・ロール方式の塗工装置において、上記の移動装置は、ロール４と、それを回転させる駆動装置（図示せず）と、から構成される装置である。

ダイ２は、基材３に対して所定の間隔を空けて設置される。なお、基材３は、先端面２４の近傍において先端面２４と略平行な方向に移動する。

ダイ２の先端面２４（ダイリップ）と基材３との隙問（ギャップ）は、所望の塗工幅を達成でき、エアーを巻き込まない程度に、狭くする必要がある。ただし、ダイ２の先端面２４における塗料１の圧力が高くなり過ぎて、基材３の切断等が起こらないように、ある程度広くする必要がある。このようなギャップは、通常、μｍオーダーであり、例えば、５０〜８０μｍ程度である。

なお、例えば、図１に示されるような塗工装置において、ギャップとは、図４（ｂ）に示される上述の仮想面Ｐ１（先端面２４を含む平面）と仮想面Ｐ２（仮想面Ｐ１と平行であり、基材３のダイ２側に接する平面）との間の距離Ａである。

［ダイ］
図２は、本実施形態の塗工装置におけるダイを示す斜視図であり、図３はその分解斜視図である。主に図２を参照して、本実施形態のダイ２は、その先端面に、塗料を吐出するためのスリット状の吐出口２４ａを有している。

主に図３を参照して、ダイ２は、一対のダイブロック２１，２２と、切欠部２３ａを有するシム２３と、を含む。シム２３は、一対のダイブロック２１，２２の間に挟持され、切欠部２３ａによって、塗料を（導入口２０ａから貯留部２０を経て）吐出口２４ａへ流すための隙間（スロット）が形成されている。

なお、図２〜図４を参照して、ダイブロック２１，２２の本体部２１１，２２１は、厚みが一定である。一方、ダイ２の先端部２１２，２２２の各々の厚みは、本体部２１１，２２１から先端面２４（吐出口２４ａ）に向かってテーパー状に薄くなっている。ダイ２の先端部２１２の先端面２１２ａ（先端面２４）における厚み（図４（ｂ）に示すＢの長さ）は、例えば、２〜４ｍｍ程度である。

なお、先端面２４は、平面であり、図４（ａ）に示されるように、ダイブロック２１の先端面２１２ａ、ダイブロック２２の先端面２２２ａ、シム２３の先端面２３ｂ、および、吐出口２４ａの開口面を含む面である。

そして、図４(ａ）および（ｂ）を参照して、本開示の塗工装置に用いられるダイにおいて、ダイ２の先端面２４（上記の仮想面Ｐ１）と、基材３の移動方向の上流側（図の下方側）において先端面２４に隣接する斜面２１２ｂと、の成す鋭角の角度をΦ（°）とする。なお、斜面２１２ｂは平面であり、斜面２１２ｂと先端面２４とは、吐出口２４ａの長手方向（基材３の幅方向）と平行な直線（交線）で接している。また、基材３がダイ２に対して移動する速度をＶ（ｍ／分）とする。

この場合において、本実施形態に用いられるダイ２のダイブロック２１の先端部２１２の形状は、
４５−９００／Ｖ≦Φ≦３０＋５００／Ｖ
を満たすように、設計されている。

Ｖは、比較的高速であることが好ましく、例えば、３５〜６０ｍ／分程度である。本実施形態の塗工装置は、このようにダイ２に対する基材３の移動速度が速い場合において、特に有用である。

本開示によれば、ダイに対する基材の相対的な移動速度Ｖ（ｍ／分）を考慮してダイの先端形状が調整されるため、基材の移動速度（搬送速度）が異なる場合でも、塗工不良を抑制するために適切なダイの先端形状を容易に設計することができる。

なお、本実施形態のダイ２を構成するダイブロック２１，２２およびシム２３の材質は、特に限定されないが、例えば、金属、樹脂などでよく、好ましくは金属である。金属としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ合金）が挙げられる。

本実施形態のダイ、および、それを備えた塗工装置は、例えば、電極集電体上に電極合材を含む塗料を塗布し、その塗料を乾燥させて電極合材層を形成して、電極を製造するために、好適に使用することができる。

このような電極の製造方法などにおいては、塗料を乾燥させる工程に時間を要するため、製造効率を高める観点からは、乾燥工程の時間を短縮することが望ましい。そのためには、塗料中の固形分含量を高めることが望ましい。しかし、塗料の粘度が高くなると、塗料の塗工性が低下し、塗布された塗料にスジ等の塗工不良が生じやすくなる。

また、塗工速度（基材の移動速度）を速くすることも、製造効率を高める観点からは望ましい。しかし、塗工速度が速くなると、図７に点線の矢印で示されるように、乱流が発生し易くなるため、塗布された塗料にさらにスジ等の塗工不良が生じやすくなる。

したがって、高粘度の塗料（ペースト）を用いて、塗工速度の速い塗工を行う場合において、本開示の塗工装置は特に有用である。

なお、本実施形態の塗工装置を用いて製造された電極は、例えば、リチウムイオン二次電池の電極として用いることができる。そのリチウムイオン二次電池は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車用等の電源として用いることができる。

以下、実施例が説明される。ただし以下の例は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。

〔実施例１〜１２および比較例１〜１０〕
（正極合材ペーストＡおよびＢの調製）
まず、以下の材料を準備した。
正極活物質：ＬｉＮｉ_1/3Ｃｏ_1/3Ｍｎ_1/3Ｏ₂
導電材：アセチレンブラック
バインダ：ポリフッ化ビニリデン
溶媒：Ｎ−メチル−２−ピロリドン
正極集電箔：Ａｌ箔（厚さ１５μｍ）

連続二軸混練機に、正極活物質並びにＡＢペースト(導電材、バインダおよび溶媒)を投入し、混練することにより、正極合材ペーストＡを得た。固形分の配合比（質量比）は、正極活物質：導電材：バインダ＝９０：８：２とした。また、ペースト中の固形分率（ＮＶ）は６３．５質量％とした。正極合材ペーストＡの粘度は、１００００ｍＰａ・ｓであった。

また、材料（正極活物質）の吸油量を変更した点以外は、正極合材ペーストＡと同様にして、正極合材ペーストＢを得た。正極合材ペーストＢの粘度は、５０００ｍＰａ・ｓであった。

なお、各々の正極合材ペーストの粘度（ｍＰａ・Ｓ）は、Ｂ型回転粘度計を用いて、剪断速度２．５１／秒（１ｒｐｍに相当）の条件で測定した。測定結果は、表１の「粘度」の欄にも示されている。

（正極シートの作製）
まず、角度Φ（ダイの先端面２４と、基材の移動方向の上流側において先端面２４に隣接する斜面２１２ｂと、の成す鋭角の角度）が２０°であるダイを用意した。角度Φを変更したダイを全て製作すると費用が高くなるため、図５に示されるように、このダイのダイブロック２１の先端部２１２に、簡易的に板２５を設置して角度Φを表１に示すとおりに変化させて、実験を行った。

そのようなダイを備える、図１に示されるような塗工装置（ダイコーター）を用いて、上記で得た正極合材ペースト（塗料１）を正極集電箔（基材３）の片面に塗布した。なお、ダイから吐出される正極合材ペーストの流量は０．９５ｇ／ｍｉｎであり、正極合材（不揮発成分）の目付量は、９．６ｍｇ／ｃｍ^２であった。塗布された正極合材ペーストＡを乾燥させて、正極集電箔上に正極合材層を形成することで、正極シートを製造した。

なお、実施例３、４、１１および１２、並びに、比較例３、４および１０では、正極合材ペーストＢ（粘度５０００ｍＰａ・秒）を使用し、それ以外では、正極合材ペーストＡ（粘度１００００ｍＰａ・秒）を使用した。

《計算値》
表１の「塗工速度Ｖ（ｍ／分）」（ダイに対する基材の相対的な移動速度）の値から、以下の式によってΦｍｉｎおよびΦｍａｘの値を算出した。
Φｍｉｎ＝４５−９００／Ｖ
Φｍａｘ＝３０＋５００／Ｖ
計算値を、表１の「計算値」の欄の「Φｍｉｎ」および「Φｍａｘ」の欄に示す。

《電極ロス率評価》
上記のようにして、実施例１〜１２および比較例１〜１０で作製された各々の正極シート（長さ４０００ｍ）について、４０００ｍの長さに対して、電極合材層（乾燥後）にスジが発生した部分の長さの比率（電極ロス率）を目視および欠点検査機の計測値(ラインセンサカメラ)により測定した。測定値を表１の「電極ロス率(％)」の欄に示す。なお、表１の「判定」の欄において、「○」は、電極ロス率が０％であったこと（良）を意味し、「×」は、電極ロス率が０％でなかったこと（不良）を意味する。

表１に示される実施例１、２および比較例１、２の結果から、Φｍｉｎ≦Φ≦Φｍａｘを満たす場合（実施例１および２）は、スジ発生による電極の不良は発生せず、Φが上記の範囲外である場合（比較例１および２）は、電極（電極合材層）にスジが発生することが分かる。

また、実施例５〜１０および比較例５〜９の結果から、塗工速度を３５〜６０ｍ／分の範囲で変更しても、同様に、Φｍｉｎ≦Φ≦Φｍａｘを満たす場合（実施例５〜１０）は、スジ発生による電極の不良は発生せず、Φが上記の範囲外である場合（比較例５〜９）は、電極にスジが発生することが分かる。ただし、塗工速度が遅くなると、スジによる塗工不良が発生しても、電極ロス率は低くなる傾向があった。

なお、実施例３、４および比較例３、４の結果、並びに、実施例１１、１２および比較例１０の結果から、上記と同様に、Φｍｉｎ≦Φ≦Φｍａｘを満たす場合は、スジ発生による電極の不良は発生せず、Φが上記の範囲外である場合は、電極にスジが発生することが分かる。ただし、塗料（ペースト）の粘度が低くなると、スジによる不良が発生しても、電極ロス率は低くなる傾向があった。

したがって、塗工速度が速く、塗料の粘度が高い場合において、特に本開示の塗工装置によるスジ発生の抑制効果が有用であることが分かる。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１塗料
２ダイ
２０貯留部
２０ａ導入口
２１，２２ダイブロック
２１１，２２１本体部
２１２，２２２先端部
２１２ａ，２２２ａ先端面
２１２ｂ斜面
２３シム
２３ａ切欠部
２４先端面
２４ａ吐出口
２５板
３基材
４ロール
Ｐ１，Ｐ２仮想面

Claims

先端面に塗料を吐出するための吐出口を有するダイと、
前記ダイに対して基材を移動させる移動装置と、を備え、
前記ダイに対して移動する前記基材に対して、前記ダイから前記塗料を吐出し、前記基材上に前記塗料を塗布するための、塗工装置であって、
前記基材が前記ダイに対して移動する速度をＶ（ｍ／分）とし、
前記ダイの前記先端面と、前記基材の移動方向の上流側において前記先端面に隣接する斜面と、の成す鋭角の角度をΦ（°）とした場合に、
４５−９００／Ｖ≦Φ≦３０＋５００／Ｖ
を満たす、塗工装置。