JP2021183733A

JP2021183733A - 繊維シートの製造方法及び繊維シートの製造装置

Info

Publication number: JP2021183733A
Application number: JP2020089001A
Authority: JP
Inventors: 健哉内田; Kenya Uchida; 佑磨菊地; Yuma Kikuchi; 具道中; Tomomichi Naka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2021-12-02
Also published as: CN113699692A; CN113699692B

Abstract

【課題】製造された繊維シートに含まれる溶媒量が低く抑えられるとともに、効率的に繊維シートが乾燥される繊維シートの製造方法を提供すること。【解決手段】実施形態の繊維シートの製造方法によれば、ロール状に巻かれた基材を巻き解くとともに、有機材料が溶媒に溶解された原料溶液を巻き解かれた基材の表面に噴出させることにより、基材の前記表面に繊維シートを形成する。そして、製造方法では、繊維シートが表面に形成された基材をロール状に巻き取るとともに、基材が巻き取られる前において、基材の表面に形成された繊維シートを乾燥させる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、繊維シートの製造方法及び繊維シートの製造装置に関する。

有機材料が溶媒に溶解された原料溶液を電界紡糸法等によって基材の表面に噴出させ、基材の表面に有機繊維の繊維シートを形成する製造方法が、広く用いられている。例えば、電池の電極群において、正極と負極との間を絶縁するセパレータを、正極又は負極と一体に形成することがある。この場合、セパレータと一体に形成される電極（正極又は負極）の表面に、電界紡糸法等によって有機繊維の繊維シートを形成し、繊維シートがセパレータとなる。

前述のようにして形成される繊維シートでは、繊維シートの耐久性の確保、及び、繊維シートを用いた製品の性能の確保等の観点から、製造された繊維シートに含まれる溶媒量を低く抑えることが、求められている。また、繊維シートの製造時等において乾燥によって繊維シートに含まれる溶媒量を減少させる場合は、効率的に繊維シートが乾燥されることが、求められている。

特許第５６２４６５３号公報

本発明が解決しようとする課題は、製造された繊維シートに含まれる溶媒量が低く抑えられるとともに、効率的に繊維シートが乾燥される繊維シートの製造方法及び製造装置を提供することにある。

実施形態の繊維シートの製造方法によれば、ロール状に巻かれた基材を巻き解くとともに、有機材料が溶媒に溶解された原料溶液を巻き解かれた基材の表面に噴出させることにより、基材の前記表面に繊維シートを形成する。そして、製造方法では、繊維シートが表面に形成された基材をロール状に巻き取るとともに、基材が巻き取られる前において、基材の表面に形成された繊維シートを乾燥させる。

実施形態の繊維シートの製造装置は、巻き解き機、紡糸ヘッド、巻き取り機及び乾燥機を備える。巻き解き機は、ロール状に巻かれた基材を巻き解き、紡糸ヘッドは、有機材料が溶媒に溶解された原料溶液を巻き解かれた基材の表面に噴出することにより、基材の表面に繊維シートを形成する。巻き取り機は、繊維シートが表面に形成された基材をロール状に巻き取り、乾燥機は、基材が巻き取られる前において、基材の表面に形成された繊維シートを乾燥する。

図１は、第１の実施形態に係る繊維シートの製造装置を示す概略図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る繊維シートの製造装置１を示す。図１に示すように、製造装置１は、巻き解き機２、紡糸機３、乾燥機５、及び、巻き取り機６を備える。また、製造装置１には、搬送ライン８が形成される。製造装置１では、搬送ライン８によって、基材１０が、巻き解き機２から巻き取り機６まで、紡糸機３及び乾燥機５を順に通って搬送される。

巻き解き機２は、リール２１を備える。リール２１には、基材１０がロール状に巻かれる。巻き解き機２では、電動モータ等の駆動部材（図示しない）を駆動することにより、矢印Ｒ１の方向へリール２１が回転する。これにより、リール２１に巻かれた基材１０が、巻き解かれる。そして、巻き解かれた基材１０は、搬送ライン８に繰り出される。

巻き取り機６は、リール６１を備える。巻き取り機６では、電動モータ等の駆動部材（図示しない）を駆動することにより、矢印Ｒ２の方向へリール６１が回転する。これにより、搬送ライン８によって搬送された基材１０が、リール６１によってロール状に巻き取られる。

製造装置１では、矢印Ｒ１の方向へリール２１を回転させると同時に矢印Ｒ２の方向へリール６１を回転させることにより、巻き解き機２から巻き取り機６へ、搬送ライン８を通して基材１０が搬送される。なお、搬送ライン８には、巻き解き機２から巻き取り機６へ基材１０をガイドするガイドローラ（図示しない）が、１つ以上設けられてもよい。この場合、搬送ライン８において、巻き解き機２と紡糸機３との間、紡糸機３と乾燥機５との間、及び、乾燥機５と巻き取り機６との間の少なくともいずれかに、ガイドローラが配置される。また、紡糸機３内及び乾燥機５内のいずれかに、ガイドローラが配置されてもよい。

また、巻き解き機２から巻き取り機６までの搬送ライン８の延設状態は、特に限定されない。ある一例では、搬送ライン８は、水平方向に沿って延設され、別のある一例では、鉛直方向に沿って延設する。また、巻き解き機２と巻き取り機６との間に、搬送ライン８の折れ曲がり部分又は折り返し部分等が１箇所以上設けられ、折れ曲がり部分又は折り返し部分等において、搬送ライン８の延設方向が変更されてもよい。ある一例では、紡糸機３と乾燥機５との間に、搬送ライン８の折り返し部分が設けられ、別のある一例では、紡糸機３内及び乾燥機５内のいずれかに、搬送ライン８の折り返し部分が設けられる。

紡糸機３は、紡糸ヘッド３１を１つ以上備え、図１の一例では、６つの紡糸ヘッド３１を備える。紡糸ヘッド３１のそれぞれは、ヘッド本体３２と、ヘッド本体３２から突出するノズル３３と、を備える。紡糸ヘッド３１のそれぞれには、ノズル３３は、１つのみ設けられてもよく、複数設けられてもよい。紡糸ヘッド３１のそれぞれでは、ヘッド本体３２の内部に、有機材料が溶媒に溶解された原料溶液を収納可能である。

紡糸機３では、リール２１から巻き解かれた基材１０が、巻き取り機６に向かって搬送される。また、紡糸機３には、電源（図示しない）が設けられ、電源によって、巻き解かれた基材１０と紡糸ヘッド３１のそれぞれのノズル３３との間に電圧を印加可能である。紡糸ヘッド３１のそれぞれのヘッド本体３２の内部に原料溶液が収納された状態では、基材１０と紡糸ヘッド３１のそれぞれのノズル３３との間に電圧を印加することにより、紡糸ヘッド３１のそれぞれのノズル３３から原料溶液が、噴出される。この際、巻き解き機２によって巻き解かれた基材１０の表面に、原料溶液が噴出される。これにより、基材１０の表面に、有機繊維の繊維シート１１が形成される。したがって、本実施形態の紡糸機３は、電界紡糸法によって、繊維シート１１を形成する。

図１の一例では、巻き解かれた基材１０の両面に原料溶液が噴出され、基材１０の両面に繊維シート１１が形成される。ただし、ある一例では、巻き解かれた基材１０の片面のみに原料溶液が噴出されてもよい。この場合、基材１０の片面のみに、繊維シート１１が形成される。

原料溶液に用いられる有機材料としては、例えば、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリイミド、ポリケトン、ポリスルホン、セルロース、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアミド、ポリアミドイミド及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄｆ）のいずれか１以上が選択される。ポリオレフィンとしては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリエチレン（ＰＥ）等が挙げられる。

また、紡糸ヘッド３１のそれぞれの内部では、有機材料は、例えば、５質量％以上６０質量％以下の濃度で、溶媒に溶解される。原料溶液において有機材料を溶解する溶媒としては、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、アセトン、ジメトキシエチレン、トルエン、テトラヒドロフラン、水及びアルカン類、ケトン類、エステル類、アルコール類、エーテル類等が用いられる。また、溶解性の低い有機材料に対しては、レーザー等によってシート状の有機材料を溶解してもよい。さらに、原料溶液では、複数種類の溶媒を混合して用いてもよい。ここで、原料溶液に用いられる溶媒の１種類以上は、沸点が１００℃以上の有機溶媒であることが、好ましい。沸点が１００℃以上の有機溶媒としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド及びＮ−メチルピロリドン、トルエン等が挙げられる。

紡糸ヘッド３１のそれぞれのノズル３３と基材１０との間の電圧は、原料溶液における溶媒及び溶質の種類、原料溶液の溶媒の沸点及び蒸気圧曲線、原料溶液の濃度及び温度、ノズル３３の形状、及び、基材１０とノズル３３との間の距離等に対応して、適宜決定される。ある一例では、紡糸ヘッド３１のそれぞれのノズル３３と基材１０との間の電圧は、１ｋＶ〜１００ｋＶの間で適宜決定される。また、紡糸ヘッド３１のそれぞれのノズル３３からの原料溶液の吐出速度は、原料溶液の濃度、粘度及び温度、紡糸ヘッド３１のそれぞれのノズル３３と基材１０との間に印加される電圧、及び、ノズル３３の形状等に対応する大きさになる。

また、紡糸機３では、基材１０の表面への繊維シート１１の形成を、電界紡糸法以外の方法によって行われてもよい。ある一例では、電界紡糸法の代わりに、インクジェット法、ジェットディスペンサー法及びスプレー塗布法のいずれかによって、基材１０の表面に有機繊維の繊維シート１１が形成される。この場合も、紡糸機３では、紡糸ヘッド３１から基材１０の表面へ、有機材料を溶媒に溶解した原料溶液が吐出される。

ここで、ある一例では、電池の電極群において正極と負極との間を絶縁するセパレータが、前述の繊維シート１１として形成される。この場合、電極群において正極及び負極の一方がセパレータと一体に形成され、セパレータと一体に形成される電極（正極又は負極）が、基材１０となる。そして、セパレータと一体に形成される電極の表面に、電界紡糸法等によって有機繊維の繊維シート１１が形成される。また、電極（正極又は負極）と一体のセパレータが繊維シート１１として形成される場合、繊維シート１１は、電気的絶縁性を有する材料から形成される。また、電池の電極群では、正極及び負極のそれぞれは、集電体と、活物質を含む活物質含有層と、を備える。そして、正極及び負極のそれぞれでは、集電体の片面又は両面に、活物質含有層が担持される。

本実施形態では、巻き解き機２と巻き取り機６との間の紡糸機３において、前述のようにして、基材１０の表面に繊維シート１１が形成される。したがって、巻き取り機６では、繊維シート１１が表面に形成された基材１０が、リール６１に巻き取られる。

乾燥機５は、搬送ライン８において、紡糸機３と巻き取り機６との間に配置される。そして、乾燥機５には、繊維シート１１が表面に形成された基材１０が、紡糸機３から搬送される。そして、乾燥機５は、巻き取り機６のリール６１に基材１０が巻き取られる前において、基材１０の表面に形成された繊維シート１１を乾燥する。このため、本実施形態の製造装置１では、基材１０及び繊維シート１１が巻かれていない状態で、乾燥機５によって、繊維シート１１が乾燥される。また、本実施形態では、紡糸機３で繊維シート１１を形成した後、他の工程が間に行われることなく、乾燥機５による乾燥が行われる。

本実施形態では、乾燥機５は、赤外線ヒータ５１を備える。赤外線ヒータ５１は、赤外線を発生させる。そして、赤外線ヒータ５１は、基材１０の表面に形成された繊維シート１１に、発生させた赤外線を放射する。そして、繊維シート１１において有機材料及び溶媒等に含まれる官能基が、赤外線ヒータ５１から放射された赤外線を吸収することにより、繊維シート１１が加熱され、繊維シート１１に含まれる溶媒が蒸発する。これにより、繊維シート１１に含まれる溶媒量が減少し、繊維シート１１が乾燥される。

ここで、赤外線ヒータ５１は、極大放射強度に対応する波長が１０μｍ以下の赤外光を繊維シート１１に放射することが好ましい。この場合、赤外線を放射している状態では、赤外線ヒータ５１の温度は、１７℃（２９０Ｋ）以上となる。ここで、繊維シート１１において有機材料及び溶媒等に含まれる官能基には、波長が１０μｍ以下の赤外線を吸収し易いものが多い。このため、極大放射強度に対応する波長が１０μｍ以下であるスペクトルで赤外線が放射されることにより、繊維シート１１において有機材料及び溶媒等に含まれる官能基が放射された赤外線をさらに吸収し易くなり、繊維シート１１に含まれる溶媒が加熱によって蒸発し易くなる。これにより、繊維シート１１の乾燥が、さらに適切に行われる。なお、繊維シート１１の溶媒に含まれる官能基の中で波長が１０μｍ以下の赤外線を吸収し易いものとしては、メチル基及びカルボニル基等が挙げられる。

また、赤外線ヒータ５１から放射される赤外線のスペクトルでは、極大放射強度に対応する波長が、４μｍ以上７μｍ以下であることが、さらに好ましい。放射される赤外線のスペクトルにおいて極大放射強度に対応する波長を７μｍ以下にすることにより、赤外線を放射している状態において、赤外線ヒータ５１の温度は、１３７℃（４１０Ｋ）以上になる。このため、極大放射強度に対応する波長を７μｍ以下になるスペクトルの赤外線を放射することにより、沸点が１００℃以上の有機溶媒等も蒸発し易くなり、繊維シート１１に含まれる溶媒がさらに適切に蒸発する。また、放射される赤外線のスペクトルにおいて極大放射強度に対応する波長を４μｍ以上にすることにより、赤外線を放射している状態において、赤外線ヒータ５１の温度は、４５１℃（７２４Ｋ）以下になる。これにより、赤外線を放射している状態において、繊維シート１１を乾燥させる空間の温度が過度に高くなることが、有効に防止される。

前述のように乾燥機５によって繊維シート１１が乾燥されることにより、ある一例では、乾燥機５による乾燥の後において、繊維シート１１に含まれる溶媒の割合は、５質量％以上２５質量％以下になる。また、乾燥機５による乾燥の後において、繊維シート１１に含まれる溶媒の割合が５質量％以上１０質量％以下になることが、好ましい。繊維シート１１に含まれる溶媒の割合が５質量％以上１０質量％以下になることにより、電極（正極又は負極）と一体のセパレータが繊維シート１１として形成される電池等の繊維シート１１を用いた製品において、性能が向上する。

なお、乾燥機５における繊維シート１１の乾燥は、赤外線ヒータ５１から放射される赤外線を用いた乾燥に限るものではない。ある一例では、乾燥機５において、赤外線ヒータ５１から放射される赤外線の代わりに温風を用いて、繊維シート１１を乾燥させてもよい。

前述のように本実施形態では、原料溶液の噴出によって基材１０の表面に繊維シート１１を形成されると、基材１０が巻き取り機６によって巻き取られる前に、繊維シート１１が乾燥機５によって乾燥される。乾燥機５での乾燥によって繊維シート１１に含まれる溶媒が減少することにより、製造装置１によって製造された繊維シート１１では、繊維シート１１に含まれる溶媒量が低く抑えられる。これにより、製造された繊維シート１１の耐久性が確保されるとともに、繊維シート１１を用いた製品の性能が確保される。

例えば、電極（正極又は負極）と一体のセパレータが繊維シート１１として形成される電池では、繊維シート１１であるセパレータに含まれる溶媒量が低く抑えられることにより、セパレータの耐久性が向上するとともに、電池の耐久性も向上する。また、繊維シート１１であるセパレータに含まれる溶媒量が低く抑えられることにより、電池の内部抵抗が低く抑えられ、電池の高出力化を実現可能になる。これにより、電池の性能が確保される。

また、本実施形態では、前述のように、基材１０が巻き取り機６によって巻き取られる前に、繊維シート１１が乾燥機５によって乾燥される。すなわち、基材１０及び繊維シート１１が巻かれていない状態で、乾燥機５によって、繊維シート１１が乾燥される。このため、繊維シート１１は、長時間を要することなく効率的に乾燥され、繊維シート１１の乾燥における作業効率が向上する。また、基材１０及び繊維シート１１が巻かれていない状態で繊維シート１１が乾燥されるため、繊維シート１１が適切に乾燥される。

また、繊維シート１１において有機材料及び溶媒等に含まれる官能基には、赤外線を吸収し易いものが多く、特に、波長が１０μｍ以下の赤外線を吸収し易いものが多い。このため、赤外線ヒータ５１から放射される赤外線によって繊維シート１１を加熱及び乾燥することにより、有機材料及び溶媒等に含まれる官能基が吸収した赤外線によって、繊維シート１１において溶媒が蒸発し易くなる。特に、極大放射強度に対応する波長が１０μｍ以下の赤外線が放射されることにより、繊維シート１１において有機材料及び溶媒等に含まれる官能基が放射された赤外線をさらに吸収し易くなり、繊維シート１１に含まれる溶媒が加熱によってさらに蒸発し易くなる。したがって、本実施形態では、赤外線ヒータ５１が用いられることにより、繊維シート１１の乾燥が、さらに適切に行われる。

（変形例）
本実施形態等の変形例として、巻き解き機２、紡糸機３、乾燥機５及び巻き取り機６の他に搬送ライン８にプレス機を備える構成としてもよい。この場合プレス機は基材１０の表面に形成された繊維シート１１をプレスする構成であり、プレス機で繊維シート１１をプレスすることによって繊維シート１１が圧縮され、繊維シート１１の密度及び強度を高めることができる。

このような、プレス機の一例としては、電動モータ等により駆動される一対のプレスローラを備えるものを用いることができる。この場合、繊維シート１１及び基材１０が一対のプレスローラの間で挟まれることで、一方のプレスローラが基材１０の厚み方向の一方側から繊維シート１１及び基材１０をプレスし、他方のプレスローラが基材１０の厚み方向の他方側から繊維シート１１及び基材１０をプレスする。製造装置１においてプレス機は、少なくとも、巻き取り機６に基材１０が巻き取られる前に、基材１０の表面に形成された繊維シート１１をプレスすればよい。

これらの少なくとも一つの実施形態又は実施例の繊維シートの製造方法及び製造装置によれば、基材が巻き取られる前において、基材の表面に形成された繊維シートを乾燥させる。これにより、製造された繊維シートに含まれる溶媒量が低く抑えられるとともに、効率的に繊維シートが乾燥される繊維シートの製造方法及び製造装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…製造装置、２…巻き解き機、３…紡糸機、５…乾燥機、６…巻き取り機、１０…基材、１１…繊維シート、３１…紡糸ヘッド、５１…赤外線ヒータ。

Claims

ロール状に巻かれた基材を巻き解くことと、
有機材料が溶媒に溶解された原料溶液を巻き解かれた前記基材の表面に噴出させることにより、前記基材の前記表面に繊維シートを形成することと、
前記繊維シートが前記表面に形成された前記基材をロール状に巻き取ることと、
前記基材が巻き取られる前において、前記基材の前記表面に形成された前記繊維シートを乾燥させることと、
を具備する、繊維シートの製造方法。
前記繊維シートの乾燥では、赤外線ヒータから放射される赤外線によって前記繊維シートを加熱することにより、前記繊維シートを乾燥させる、請求項１の製造方法。
前記赤外線による前記繊維シートの加熱では、極大放射強度に対応する波長が１０μｍ以下の前記赤外線を放射させる、請求項２の製造方法。
前記基材が巻き取られる前に、前記基材の前記表面に形成された前記繊維シートをプレスすることをさらに具備する、請求項１乃至３のいずれか１項の製造方法。
前記繊維シートの乾燥によって、前記繊維シートに含まれる前記溶媒の割合は、０．２５質量％以上２５質量％以下になる、請求項１乃至４のいずれか１項の製造方法。
前記基材の前記表面に噴出される前記原料溶液では、用いられる前記溶媒の１種類以上は、沸点が１００℃以上の有機溶媒である、請求項１乃至５のいずれか１項の製造方法。
前記基材は、活物質を含む活物質含有層が集電体の片面又は両面に担持された電極である、請求項１乃至６のいずれか１項の製造方法。
ロール状に巻かれた基材を巻き解く巻き解き機と、
有機材料が溶媒に溶解された原料溶液を巻き解かれた前記基材の表面に噴出することにより、前記基材の前記表面に繊維シートを形成する紡糸ヘッドと、
前記繊維シートが前記表面に形成された前記基材をロール状に巻き取る巻き取り機と、
前記基材が巻き取られる前において、前記基材の前記表面に形成された前記繊維シートを乾燥する乾燥機と、
を具備する、繊維シートの製造装置。