JP2022190569A - 液体組成物セット、多孔質樹脂製造装置、及び多孔質樹脂製造方法 - Google Patents

液体組成物セット、多孔質樹脂製造装置、及び多孔質樹脂製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】多孔質樹脂形成用の液体組成物を別の液体組成物と併用する場合において、多孔質樹脂形成用の液体組成物と別の液体組成物とが接触したとしても、形成される多孔質樹脂の表面均一性の低下を抑制できる液体組成物セットを提供する。【解決手段】重合性化合物X及び溶媒Xを含む液体組成物Xと、溶媒Yを含む液体組成物Yと、を有する液体組成物セットであって、前記液体組成物Xは、多孔質樹脂を形成し、プレート法による25℃における前記液体組成物Yの表面張力Yと、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の25℃における前記液体組成物Xの動的表面張力X1500と、に関する所定の式(1)を満たすことを特徴とする液体組成物セット。TIFF2022190569000013.tif12170【選択図】なし

Description

本発明は、液体組成物セット、多孔質樹脂製造装置、及び多孔質樹脂製造方法に関する。
一般に、多孔質樹脂は様々な用途に活用できる。例えば、多孔質樹脂における空孔の形状、空孔の大きさ、及び骨格部分の表面特性等を適宜選択することで、特定の物質のみを透過または遮断する分離層を提供できる。また、別の例としては、多孔質樹脂が有する広大な表面積や空隙容積を活用することで、外部から取り込んだ気体や液体の効率的な反応場や貯蔵場を提供できる。そのため、取扱性に優れ、多用な箇所に容易に塗布可能な多孔質樹脂形成用の液体組成物を提供できれば、多孔質樹脂のアプリケーションの幅は大きく拡大する。
このような多孔質樹脂形成用の液体組成物としては、例えば、特許文献1において、光重合性モノマー(A)と、光重合性モノマー(A)とは非相溶の有機化合物(B)と、光重合性モノマー(A)と有機化合物(B)とに相溶する共通溶媒(C)および光重合開始剤(D)を必須成分とする多孔質形成性光硬化型樹脂組成物が開示されている。
しかしながら、多孔質樹脂形成用の液体組成物を別の液体組成物と併用して多孔質樹脂を形成する場合、これらの組み合わせによっては、多孔質樹脂形成用の液体組成物と別の液体組成物とが接触することで、形成される多孔質樹脂の表面均一性が低下する課題があった。
本発明は、重合性化合物X及び溶媒Xを含む液体組成物Xと、溶媒Yを含む液体組成物Yと、を有する液体組成物セットであって、前記液体組成物Xは、多孔質樹脂を形成し、プレート法による24℃における前記液体組成物Yの表面張力Yと、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の24℃における前記液体組成物Xの動的表面張力X1500と、に関する所定の式(1)を満たすことを特徴とする液体組成物セットに関する。
本発明によれば、多孔質樹脂形成用の液体組成物を別の液体組成物と併用する場合において、多孔質樹脂形成用の液体組成物と別の液体組成物とが接触したとしても、形成される多孔質樹脂の表面均一性が優れる液体組成物セットを提供することができる。
図1は、本実施形態の多孔質樹脂製造方法を実現するための多孔質樹脂製造装置の一例を示す模式図である。
以下、本発明の一実施形態について説明する。
[液体組成物セット]
液体組成物セットは、液体組成物Xおよび液体組成物Yを有し、必要に応じてその他の構成を有してもよい。また、液体組成物セットは、液体組成物Xおよび液体組成物Yがそれぞれ独立した液体の状態で存在していればよく、液体組成物Xが充填されている容器および液体組成物Yが充填されている容器が一体化している場合などに限られない。例えば、液体組成物Xおよび液体組成物Yがそれぞれ独立した容器に充填されていたとしても、液体組成物Xおよび液体組成物Yが併用されることを前提としている場合、液体組成物Xおよび液体組成物Yが併用されることを実質的に誘導している場合などは液体組成物セットの概念に含まれる。なお、液体組成物Xおよび液体組成物Yは組成が異なる液体である。
液体組成物セットは、液体組成物セットを構成する液体組成物Xの一部成分である重合性化合物等が硬化(重合)させられることで多孔質樹脂を形成する。そのため、液体組成物セットは、多孔質樹脂形成用途で用いられることが好ましい。また、液体組成物セットが多孔質樹脂を形成するとは、液体組成物Xおよび液体組成物Yが接触するように液体組成物セットを使用した結果として多孔質樹脂が形成される限り特に限定されない。具体的には、例えば、液体組成物Xおよび液体組成物Yが互いに接触するように付与されたとき、液体組成物Xが付与された領域と液体組成物X及び液体組成物Yの接触領域とにおいてのみ多孔質樹脂が形成され、液体組成物Yが付与された領域(液体組成物X及び液体組成物Yの接触領域は含まない)では多孔質樹脂が形成されない場合であったとしても、当該液体組成物セットが多孔質樹脂を形成するものとする。より具体的には、例えば、重合性化合物等の硬化(重合)させられることで多孔質樹脂を形成する材料が、液体組成物Xには含まれるが液体組成物Yには含まれない場合であっても、液体組成物セットを使用した結果として多孔質樹脂が形成されるのであれば、当該液体組成物セットが多孔質樹脂を形成するものとする。
なお、液体組成物セットが多孔質樹脂を形成するとは、液体組成物セットを構成する液体組成物Xの一部成分(重合性化合物等)が硬化(重合)させられることで多孔質樹脂を形成し、液体組成物セットを構成する液体組成物のその他成分(溶媒等)が硬化させられずに多孔質樹脂を形成しない場合等も含む意味である。
液体組成物セットは、液体組成物セットの構成物である多孔質樹脂形成用の液体組成物(液体組成物X)と別の液体組成物(液体組成物Y)とを接触させることを前提とした用途に用いられる。このような場合に本開示の液体組成物セットを使用することが好ましい理由について説明する。
多孔質樹脂形成用の液体組成物と別の液体組成物とが接触する場合、形成される多孔質樹脂の表面均一性が低下する懸念がある。より具体的には、例えば、多孔質樹脂形成用の液体組成物を多孔質基材に対して付与し、多孔質基材上に多孔質樹脂を形成させる場合などにおいて上記懸念が顕在化する。このような場合、多孔質樹脂形成用の液体組成物の多孔質基材に対する浸透を抑制し、多孔質樹脂を多孔質基材上に形成させることを目的として、別の液体組成物が事前に多孔質基材に付与される。しかし、特性(表面張力等)が適切に調整されていない多孔質樹脂形成用の液体組成物と別の液体組成物とが接触することで、多孔質樹脂形成用の液体組成物が硬化するまでの時間又は多孔質樹脂形成用の液体組成物の付与量などによっては、多孔質樹脂形成用の液体組成物が別の液体組成物に対して浸透し、形成される多孔質樹脂の表面均一性が低下する可能性がある。このような場合において、多孔質樹脂の表面均一性が低下した状態の一例としては、多孔質樹脂の一部領域において小さな穴(ピンホール)が発生し、下地の多孔質基材が露出する状態などが挙げられる。
そこで、多孔質樹脂形成用の液体組成物と別の液体組成物とが接触したとしても、多孔質樹脂形成用の液体組成物の別の液体組成物に対する浸透性が抑制され、形成される多孔質樹脂の表面均一性に優れる液体組成物セットが求められる。そのような液体組成物セットとしては、上記の多孔質樹脂形成用の液体組成物を液体組成物Xとし、上記の別の液体組成物を液体組成物Yとした場合において、プレート法による24℃における液体組成物Yの表面張力Yと、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の24℃における液体組成物Xの動的表面張力X1500と、に関する下記式(1)を満たすものが挙げられる。
Figure 2022190569000001
なお、液体組成物X及び液体組成物Yを多孔質基材に対して付与し、多孔質基材上に多孔質樹脂を形成させる用途としては、例えば、蓄電素子の製造用途が挙げられる。具体的には、集電箔上の多孔質基材である活物質層に対して下地液として液体組成物Yを付与して活物質層の空隙を埋め、その後、液体組成物Yを含む活物質層上に液体組成物Xを付与し、多孔質樹脂を形成させることで当該多孔質樹脂をセパレータとして機能させる。このような蓄電素子の製造用途に用いた場合、セパレータに小さな穴(ピンホール)が生じにくくなることにより、蓄電素子において短絡の発生が抑制される。
なお、本開示において、プレート法による表面張力とは、Wilhelmy法により白金プレートを用いて測定された表面張力のことであり、シャーレに液体組成物を注入してから1分後における測定値を採用する。表面張力の測定には、例えば、自動表面張力計(DY-300、協和界面化学株式会社製)を用いることができる。
また、動的表面張力の測定には、例えば、動的表面張力計(DynoTesterm、SITA社製)を用いることができる。
また、式(1)を満たす方法としては、特に限定されないが、例えば、後述する通り、適切な界面活性剤を含む液体組成物Xを用いる方法等が挙げられる。
また、液体組成物セットは、プレート法による24℃における液体組成物Xの表面張力Xと、プレート法による24℃における液体組成物Yの表面張力Yと、に関する下記式(3)を満たすことが好ましく、下記式(3a)を満たすことがより好ましい。
Figure 2022190569000002
Figure 2022190569000003
液体組成物セットが、式(3)を満たすことが好ましい理由について説明する。
上記の通り、液体組成物Yを事前に多孔質基材に付与し、多孔質基材に存在する空隙を十分量の液体組成物Yで充填した上で多孔質樹脂形成用の液体組成物Xを多孔質基材に対して付与し、多孔質基材上に多孔質樹脂を形成させる場合において、液体組成物Xの付与を例えばインクジェット方式で行うとき、多孔質樹脂の表面に意図しない筋(溝)状の構造部が形成されることがある。これは、複数のノズル列を有するインクジェット吐出手段(インクジェットヘッド)を用いて液体組成物Xの液滴を吐出する際に、液滴を吐出するノズル列の配置によって液滴の着弾のタイミングが異なり、着弾後の液体組成物Yとの混合により生じる液滴の希釈率がノズル列に対応するドット列ごとに異なることなどに起因する。具体的には、例えば、初期に着弾した液体組成物Xの液滴によって形成されるドット列は、液体組成物Yにより形成される液層に着弾するため、液体組成物X及び液体組成物Yの表面張力差によって液体組成物Xの液滴の希釈化が生じ、ドットは薄く広がる。その結果、形成される多孔質樹脂の空隙率が高くなり、溝が生じやすくなる。一方で、初期に着弾した液体組成物Xの液滴よりも後に着弾した別の液体組成物Xの液滴は、初期に着弾した液体組成物Xが薄く広がることで新たに形成された液層に着弾するため、表面張力差が少なく、ドットは広がりにくくなる。このようにして、多孔質樹脂の表面に意図しない溝状の構造部が形成される場合がある。また、このドット列形成時に多孔質基材又はインクジェット吐出手段が移動していた場合、溝が連続した筋となり得る。具体的には、150dpiのノズル列4つからなる600dpiのインクジェットヘッドを用いた場合、初期1列において液滴の希釈化が起こると150dpiの筋が発生し、初期2列において液滴の希釈化が起こると300dpiの筋が発生する。
これに対し、式(3)を満たす液体組成物セットを用いた場合、液体組成物Yにより形成される液層の表面において、液体組成物Xの着弾後、液組成物Yから液組成物Xへの置換(液体組成物Xのドットが広がること)を抑制することができる。また、液組成物Xに置換されたとしても、後から着弾した液体組成物Xの液滴における挙動を置換前後で少なくすることができ、各液滴における希釈化の程度が均一化される。その結果として、多孔質樹脂の表面に意図しない筋(溝)状の構造部が形成されることが抑制される。
なお、液体組成物セットが式(3)を満たし、後述する式(2)も満たす場合、多孔質樹脂の表面における筋(溝)状の構造部の形成をより抑制することができ、更に、液組成物Yに対する液体組成物Xの浸透も抑制することができる。これにより、例えば、液体組成物セットにより形成される多孔質樹脂を蓄電素子のセパレータとして用いる場合において、意図しない膜厚低下(セパレータ能の低下)、及び多孔質基材(活物質層)が多孔質樹脂(セパレータ)により被覆されることによる電池抵抗の増加を抑制することができ、更には、多孔質樹脂(セパレータ)の薄膜化も可能となり、低抵抗化と低コスト化を実現することができる。
なお、多孔質基材に事前に付与する液体組成物Yの量を減らすことで上記の液滴の希釈化を抑制した場合、多孔質基材に存在する空隙が液体組成物Yで十分に充填されていないことに起因して、多孔質樹脂の一部領域において気泡由来の小さな穴(ピンホール)が発生したり、多孔質樹脂の膜厚が不十分になったりする場合があるため、多孔質基材に事前に付与する液体組成物Yの量は多孔質基材に存在する空隙を充填するのに十分量であることが好ましい。
<<液体組成物X>>
液体組成物Xは、液体組成物Yと併用する液体である。また、液体組成物Xは、液体組成物Yが付与された領域に対して付与されることが好ましい。また、液体組成物Xは単独で用いたとしても(言い換えると、液体組成物Yとともに使用されなかったとしても)多孔質樹脂を形成することができる液体であり、液体組成物セットは液体組成物Xを有することで多孔質樹脂を形成することができる。なお、以降説明では、液体組成物Xを単独で用いた場合に形成される樹脂を樹脂Xと称し、樹脂Xの多孔質体を多孔質樹脂Xと称する。また、液体組成物Xが多孔質樹脂Xを形成するとは、液体組成物Xを構成する一部成分(重合性化合物X等)が硬化(重合)させられることで多孔質樹脂Xを形成し、液体組成物Xを構成するその他成分(溶媒X等)が硬化させられずに多孔質樹脂Xを形成しない場合等も含む意味である。
液体組成物Xは、重合性化合物X、及び溶媒Xを含み、必要に応じて重合開始剤、界面活性剤、その他成分等を含む。
<重合性化合物X>
重合性化合物Xは、重合することにより樹脂Xを形成し、液体組成物X中において重合した場合に多孔質樹脂Xを形成する。重合性化合物Xは、活性エネルギー線の付与等(例えば、光の照射や熱を加えること等)により生成された活性種により重合反応を開始し、硬化する化合物である。活性種によってラジカル重合、カチオン重合、又はアニオン重合などを利用することができるが、これらの中でも反応性の高いラジカル重合を利用することが好ましい。また、重合性化合物Xとしては、多官能モノマー及び単官能モノマーが挙げられるが、重合性オリゴマー及び重合性ポリマー(マクロモノマー)であってもよい。
なお、活性エネルギー線としては、液体組成物X中の重合性化合物Xの重合反応を進める上で必要なエネルギーを付与できるものであればよく、特に限定されないが、例えば、紫外線、電子線、α線、β線、γ線、X線等が挙げられる。これらの中でも紫外線であることが好ましい。なお、特に高エネルギーな光源を使用する場合には、重合開始剤を使用しなくても重合反応を進めることができる。
多官能モノマーとしては、2官能モノマー、3官能モノマー、又はそれ以上の官能基数のモノマーを含む。液体組成物Xにおいて、重合性化合物Xの質量に対して50.0質量%以上が多官能モノマーであることが好ましい。
多官能モノマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)テトラメチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAのプロピレンオキサイド(PO)付加物ジ(メタ)アクリレート、エトキシ化ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAのエチレンオキサイド(EO)付加物ジ(メタ)アクリレート、EO変性ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、PO変性ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、EO変性ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、PO変性ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、EO変性ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、PO変性ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、EO変性トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、PO変性トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、EO変性テトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレート、PO変性テトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、テトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレート、トリメチロールエタントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ビス(4-(メタ)アクリロキシポリエトキシフェニル)プロパン、ジアリルフタレート、トリアリルトリメリテート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9-ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、1,3-ブチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,10-デカンジオールジ(メタ)アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、テトラメチロールメタントリ(メタ)アクリレート、ジメチロールトリシクロデカンジ(メタ)アクリレート、変性グリセリントリ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジグリシジルエーテル(メタ)アクリル酸付加物、変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレートトリレンジイソシアネートウレタンプレポリマー、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレートヘキサメチレンジイソシアネートウレタンプレポリマー、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレートヘキサメチレンジイソシアネートウレタンプレポリマー、ウレタンアクリレートオリゴマー、エポキシアクリレートオリゴマー、ポリエステルアクリレートオリゴマー、ポリエーテルアクリレートオリゴマー、シリコーンアクリレートオリゴマーなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
単官能モノマーは、官能基数が1のモノマーである。
単官能モノマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロイルフォホリン、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、イソボルニル(メタ)アクリレート、アダマンチル(メタ)アクリレート、2-メチル-2-アダマンチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、3,3,5-トリメチルシクロヘキサン(メタ)アクリレート、t-ブチルメタクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、t-ブチルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、(2-メチル-2-エチル-1,3-ジオキソラン-4-イル)メチルアクリレート、環状トリメチロールプロパンホルマールアクリレートなどが挙げられる。これらは、多官能モノマーの架橋を補強する目的、又は柔軟性を付与する目的などで添加することができる。
液体組成物X中における重合性化合物Xの含有量は、液体組成物X全量に対して、10.0質量%以上60.0質量%以下が好ましく、20.0質量%以上50.0質量%以下がより好ましい。重合性化合物Xの含有量が60.0質量%以下である場合、得られる多孔質樹脂Xの空孔の大きさが数nm以下と小さくなりすぎず、多孔質樹脂Xが適切な空隙率を有し、液体や気体の浸透が起きにくくなる傾向を抑制することができるので好ましい。また、重合性化合物Xの含有量が10.0質量%以上である場合、樹脂Xの三次元的な網目構造が十分に形成されて多孔質構造が十分に得られ、得られる多孔質構造の強度も向上する傾向が見られるため好ましい。
また、液体組成物X中における多官能モノマーの含有量は、重合性化合物X全量に対して、50.0質量%以上であることが好ましい。多官能モノマーの含有量が50.0質量%以上であることで、液体組成物X中において重合性化合物Xが重合していく過程で生じる重合物Xと後述する溶媒Xとが相溶しなくなりやすくなり(相分離しやすくなり)、多孔質樹脂Xを形成しやすくなるため好ましい。
<溶媒X(ポロジェン)>
溶媒X(以降の記載において溶媒Xを「ポロジェン」とも称する)は、重合性化合物Xと相溶する液体である。また、溶媒Xは、液体組成物X中において重合性化合物Xが重合していく過程で生じる重合物Xと相溶しなくなる(相分離を生じる)液体である。すなわち、本開示における「溶媒X」の意味は、一般的に用いられる用語である「溶媒」の意味とは区別される。液体組成物X中に溶媒Xが含まれることで、重合性化合物Xは、液体組成物X中において重合した場合に多孔質樹脂Xを形成する。また、光または熱によってラジカル又は酸を発生する化合物(後述する重合開始剤)を溶解可能であることが好ましい。溶媒Xは、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。なお、本開示において、溶媒Xは重合性を有さない。
ポロジェンの1種単独としての沸点または2種以上を併用した場合の沸点は、常圧において、50℃以上250℃以下であることが好ましく、70℃以上200℃以下であることがより好ましく、120℃以上200℃以下であることが更に好ましい。沸点が50℃以上であることにより、室温付近におけるポロジェンの気化が抑制されて液体組成物Xの取扱が容易になり、液体組成物X中におけるポロジェンの含有量の制御が容易になる。また、沸点が250℃以下であることにより、重合後のポロジェンを乾燥させる工程における時間が短縮されて、多孔質樹脂Xの生産性が向上する。また、多孔質樹脂Xの内部に残存するポロジェンの量を抑制することができるので、多孔質樹脂Xを物質間の分離を行う物質分離層や反応場としての反応層などの機能層として利用する場合に品質が向上する。
ポロジェンとしては、液体組成物X及び液体組成物Yの表面張力の関係、ポロジェン及び重合性化合物Xの相性の関係、粘度、及び沸点などの観点から適宜選択されるが、例えば、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル等のエチレングリコール類、γブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類、NNジメチルアセトアミド等のアミド類等を挙げることができる。また、テトラデカン酸メチル、デカン酸メチル、ミリスチン酸メチル、テトラデカン等の比較的分子量の大きな液体も挙げることができる。また、アセトン、2-エチルヘキサノール、1-ブロモナフタレン等の液体も挙げることができる。
なお、本開示では、上記の例示された液体であれば常にポロジェンに該当するわけではない。本開示におけるポロジェンとは、上記の通り、重合性化合物Xと相溶する液体であって、且つ液体組成物X中において重合性化合物Xが重合していく過程で生じる重合物Xと相溶しなくなる(相分離を生じる)液体である。言い換えると、ある液体がポロジェンに該当するか否かは、重合性化合物Xおよび重合物Xとの関係で決まる。
また、本開示の液体組成物Xは、重合性化合物Xとの間で上記の特定の関係を有するポロジェンを少なくとも1種類含有していればいいため、液体組成物X作製時の材料選択の幅が広がり、液体組成物Xの設計が容易になる。液体組成物X作製時の材料選択の幅が広がることで、多孔質構造の形成以外の観点で液体組成物Xに求められる特性がある場合に、対応の幅が広がる。例えば、液体組成物Xをインクジェット方式で吐出する場合、多孔質形成以外の観点として、吐出安定性等を有する液体組成物Xであることが求められるが、材料選択の幅が広いため、液体組成物Xの設計が容易になる。
なお、本開示の液体組成物Xは、上記の通り、重合性化合物Xとの間で上記の特定の関係を有するポロジェンを少なくとも1種類含有していればいいため、重合性化合物Xとの間で上記の特定の関係を有さない液体(ポロジェンではない液体)を追加的に含有していてもよい。但し、重合性化合物Xとの間で上記の特定の関係を有さない液体(ポロジェンではない液体)の含有量は、液体組成物X全量に対して10.0質量%以下であることが好ましく、5.0質量%以下であることがより好ましく、1.0質量%以下であることが更に好ましく、含まれないこと(例えば、公知かつ技術常識の手法を用いた場合に検出限界以下であること)が特に好ましい。
液体組成物X中におけるポロジェンの含有量は、液体組成物X全量に対して、40.0質量%以上80.0質量%以下が好ましく、50.0質量%以上70.0質量%以下がより好ましい。ポロジェンの含有量が40.0質量%以上である場合、得られる多孔質体の空孔の大きさが数nm以下と小さくなりすぎず、多孔質体が適切な空隙率を有し、液体や気体の浸透が起きにくくなる傾向を抑制することができるので好ましい。また、ポロジェンの含有量が80.0質量%以下である場合、樹脂Xの三次元的な網目構造が十分に形成されて多孔質構造が十分に得られ、得られる多孔質構造の強度も向上する傾向が見られるため好ましい。
<重合開始剤>
重合開始剤は、光や熱等のエネルギーによって、ラジカルやカチオンなどの活性種を生成し、重合性化合物Xの重合を開始させることが可能な材料である。重合開始剤としては、公知のラジカル重合開始剤やカチオン重合開始剤、塩基発生剤等を、1種単独もしくは2種以上を組み合わせて用いることができ、中でもラジカル重合開始剤を使用することが好ましい。
ラジカル重合開始剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、芳香族ケトン類、アシルフォスフィンオキサイド化合物、芳香族オニウム塩化合物、有機過酸化物、チオ化合物(チオキサントン化合物、チオフェニル基含有化合物など)、ヘキサアリールビイミダゾール化合物、ケトオキシムエステル化合物、ボレート化合物、アジニウム化合物、メタロセン化合物、活性エステル化合物、炭素ハロゲン結合を有する化合物、アルキルアミン化合物などが挙げられる。具体的には、α-ヒドロキシアセトフェノン、α-アミノアセトフェノン、4-アロイル-1,3-ジオキソラン、ベンジルケタール、2,2-ジエトキシアセトフェノン、p-ジメチルアミノアセトフェン、p-ジメチルアミノプロピオフェノン、ベンゾフェノン、2-クロロベンゾフェノン、pp’-ジクロロベンゾフェン、pp’-ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾイン、ベンジルジメチルケタール、テトラメチルチウラムモノサルファイド、チオキサントン、2-クロロチオキサントン、2-メチルチオキサントン、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾインパーオキサイド、ジ-tert-ブチルパーオキサイド、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-1-オン、1-(4-イソプロピルフェニル)-2-ヒドロキシ-2-メチルプロパン-1-オン、メチルベンゾイルフォーメート、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾインn-ブチルエーテル、ベンゾインn-プロピル、1-ヒドロキシ-シクロヘキシル-フェニル-ケトン、2-ベンジル-2-ジメチルアミノ-1-(4-モルフォリノフェニル)-ブタノン-1、1-ヒドロキシ-シクロヘキシル-フェニル-ケトン、2,2-ジメトキシ-1,2-ジフェニルエタン-1-オン、ビス(η5-2,4-シクロペンタジエン-1-イル)-ビス(2,6-ジフルオロ-3-(1H-ピロール-1-イル)-フェニル)チタニウム、ビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)-フェニルフォスフィンオキサイド、2-メチル-1[4-(メチルチオ)フェニル]-2-モリフォリノプロパン-1-オン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-プロパン-1-オン、ビス(2,6-ジメトキシベンゾイル)-2,4,4-トリメチル-ペンチルフォスフィンオキサイド、1-[4-(2-ヒドロキシエトキシ)-フェニル]-2-ヒドロキシ-2-メチル-1-プロパン-1-オンモノアシルホスフィンオキシド等が挙げられる。
重合開始剤の含有量は、重合性化合物Xの総質量に対して0.1質量%以上10.0質量%以下であることが好ましい。0.1質量%以上であることで硬化速度を高めることができ、硬化が不十分であることによる未反応物の残留を抑制することができる。また、10.0質量%以下であることで硬化速度が速くなることに起因して多孔質構造が過度に微細構造となり、多孔質構造の導通性が低下することを抑制することができる。
<界面活性剤>
界面活性剤は、液体組成物Xの表面張力及び動的表面張力を調整するために用いられる。具体的には、界面活性剤としては、液体組成物Xの表面張力を液体組成物Yの表面張力に対して低くしすぎないものであって、液体組成物Xの動的表面張力の低下能が高いものを選択することが好ましい。なお、界面活性剤が、液体組成物Xの表面張力を調整することで、多孔質樹脂の表面均一性を向上させる目的で用いられる場合、レベリング剤とも称される。また、界面活性剤としては、液体組成物Xにより形成される多孔質樹脂を蓄電素子のセパレータとして用いる場合、電池特性に与える影響が少ない材料を用いることが好ましく、具体的には、例えば、重合性の官能基を有することが好ましい。また、界面活性剤は、液体組成物Xに含まれていることが好ましいが、含まれていなくてもよい。
界面活性剤としては、特に限定されないが、例えば、シリコン系界面活性剤、アセチレングリコール系界面活性剤、及びフッ素系界面活性剤等を用いることができる。
シリコン系界面活性剤の具体例としては、BYK-300、BYK-306、BYK-310、BYK-320、BYK-330、BYK-344、BYK-346、BYK-UV3500、BYK-UV3570(ビックケミー・ジャパン社製);TEGO Rad2100、TEGO Rad2200、TEGO Rad2250、TEGO Rad2300、TEGO Rad2500、Tego Twin4000、Tego Twin4100(エボニック社製);KP-341、KP-358、KP-368、KF-96-50CS、KF-6020、KF-50-100CS(信越化学工業社製)等が挙げられる。
アセチレングリコール系界面活性剤の具体例としては、ダイノール604、サーフィノール104H、サーフィノール104A、サーフィノール104BC、サーフィノール104DPM、サーフィノール104PA、サーフィノール104S、サーフィノール420、サーフィノール440、サーフィノールSE、サーフィノールSE-F、サーフィノール61等(エアープロダクツジャパン社製)等が挙げられる。
フッ素系界面活性剤の具体例としては、メガファックF-430、メガファックF-444、メガファックF-472SF、メガファックF-475、メガファックF-477、メガファックF-552、メガファックF-553、メガファックF-554、メガファックF-555、メガファックF-556、メガファックF-558、メガファックR-94、メガファックRS-75、メガファックRS-76-NS、メガファックRS-72-K(DIC社性);EFTOP EF-351、EFTOP EF-352、EFTOP EF-601、EFTOP EF-801、EFTOP EF-802(三菱マテリアル社製);フタージェント222F、フタージェント251、FTX-218(ネオス社製);サーフロンSC-101、サーフロンKH-40(AGCセイミケミカル社製)等が挙げられる。
界面活性剤の含有量は、液体組成物Xの質量に対して、0.01質量%以上5.0質量%以下であることが好ましく、0.05質量%以上3.0質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以上1.0質量%以下であることが更に好ましい。元々、液体組成物X及び液体組成物Yの表面張力差が少なく界面活性剤を添加する必要がない場合を除くと、界面活性剤の添加量が少なくてすむことは、言い換えると表面張力低下能の強い界面活性剤を使用するということであり、このような場合、式(2)を満たさなくなることが多く、多孔質樹脂の膜厚低下(液体組成物Xの液体組成物Yへの浸透)が生じやすくなるため好ましくない。一方で、界面活性剤の添加量が多くなると、最終的に得られる多孔質樹脂中に不純物として残留することによる影響(例えば、セパレータ用途で用いた場合において電池特性に与える悪影響)が大きくなるため好ましくない。
<その他成分>
液体組成物Xは、必要に応じてその他成分を含んでもよい。その他成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、重合禁止剤、消泡剤、重合促進剤(増感剤)、蛍光増白剤、粘度安定化剤、防黴剤、防腐剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、キレート剤、pH調整剤、増粘剤などが挙げられる。
<樹脂Xの多孔質化条件>
樹脂Xの多孔質体である多孔質樹脂Xは、液体組成物X中において生じる重合誘起相分離により形成される。重合誘起相分離は、重合性化合物Xとポロジェンは相溶するが、重合性化合物Xが重合していく過程で生じる重合物Xとポロジェンは相溶しない(相分離を生じる)状態を表す。相分離により多孔質体を得る方法は他にも存在するが、重合誘起相分離の方法を用いることで、網目構造を有する多孔質体を形成できるために、薬品や熱に対する耐性の高い多孔質体が期待できる。また、他の方法と比較して、プロセス時間が短く、表面修飾が容易といったメリットも挙げられる。
次に、重合誘起相分離を用いた多孔質樹脂Xの形成プロセスについて説明する。重合性化合物Xは、光照射等により重合反応を生じて樹脂Xを形成する。このプロセスの間、成長中の樹脂Xにおけるポロジェンに対する溶解度が減少し、樹脂Xとポロジェンの間における相分離が生じる。最終的に、樹脂Xは、ポロジェン等が孔を満たしている網目状の多孔質構造を形成する。これを乾燥すると、ポロジェン等は除去され、多孔質樹脂Xが残る。そのため、多孔質樹脂Xを形成するために、重合性化合物Xとポロジェンとの相溶性を表す条件、及び樹脂Xとポロジェンとの相溶性を表す条件が検討される。
-重合性化合物Xとポロジェンとの相溶性を表す条件-
重合性化合物Xとポロジェンとが相溶することを表す条件としては、例えば、液体組成物Xを撹拌しながら測定した液体組成物Xの波長550nmにおける光の透過率が30%以上であることが挙げられる。本条件を満たすか否かを判断する測定方法は次の通りである。
まず、液体組成物Xを石英セルに注入し、攪拌子を用いて300rpmで攪拌させながら、液体組成物Xの波長550nmにおける光(可視光)の透過率を測定する。このとき、光の透過率が30%以上である場合を重合性化合物Xとポロジェンとが相溶の状態、30%未満である場合を重合性化合物Xとポロジェンとが非相溶の状態であると判断する。なお、光の透過率の測定に関する諸条件を以下に示す。
・石英セル:スクリューキャップ付き特殊ミクロセル(商品名:M25-UV-2)
・透過率測定装置:Ocean Optics社製USB4000
・撹拌速度:300rpm
・測定波長:550nm
・リファレンス:石英セル内が空気の状態で、波長550nmにおける光の透過率を測定
して取得する(透過率:100%)
-樹脂Xとポロジェンとの相溶性を表す条件-
樹脂Xとポロジェンとが相溶しない(相分離を生じる)ことを表す条件としては、例えば、液体組成物Xを用いて作製したヘイズ測定用素子におけるヘイズ値の上昇率が1.0%以上であることが挙げられる。本条件を満たすか否かを判断する測定方法は次の通りである。
まず、無アルカリガラス基板上に、スピンコートにより樹脂微粒子を基板上に均一分散させ、ギャップ剤とする。続いて、ギャップ剤を塗布した基板を、ギャップ剤を塗布していない無アルカリガラス基板と、ギャップ剤を塗布した面を挟むようにして互いに貼り合わせる。その後、液体組成物Xを、貼り合わせた基板間に毛細管現象を利用して充填し、「UV照射前ヘイズ測定用素子」を作製する。続いて、UV照射前ヘイズ測定用素子にUV照射して液体組成物Xを硬化させる。最後に基板の周囲を封止剤で封止することで「ヘイズ測定用素子」を作製する。作製時の諸条件を以下に示す。
・無アルカリガラス基板:日本電気硝子製、40mm、t=0.7mm、OA-10G
・ギャップ剤:積水化学製、樹脂微粒子ミクロパールGS-L100、平均粒子径100μm
・スピンコート条件:分散液滴下量150μL、回転数1000rpm、回転時間30s
・充填した液体組成物X量:160μL
・UV照射条件:光源としてUV-LEDを使用、光源波長365nm、照射強度30mW/cm、照射時間20s
・封止剤:TB3035B(Three Bond社製)
次に、作製したUV照射前ヘイズ測定用素子とヘイズ測定用素子を用いてヘイズ値(曇り度)を測定する。UV照射前ヘイズ測定用素子における測定値をリファレンス(ヘイズ値0)とし、ヘイズ測定用素子における測定値(ヘイズ値)のUV照射前ヘイズ測定用素子における測定値に対する上昇率を算出する。ヘイズ測定用素子におけるヘイズ値は、重合性化合物Xが重合することにより形成される樹脂Xとポロジェンとの相溶性が低いほど高くなり、相溶性が高いほど低くなる。また、ヘイズ値が高いほど重合性化合物Xが重合することにより形成される樹脂Xが多孔質構造を形成しやすくなることを示す。このとき、ヘイズ値の上昇率が1.0%以上である場合を樹脂Xとポロジェンとが非相溶の状態、1.0%未満である場合を樹脂Xとポロジェンとが相溶の状態であると判断する。なお、測定に用いた装置を以下に示す。
・ヘイズ測定装置:Haze meter NDH5000 日本電色工業製
<液体組成物Xの製造方法>
液体組成物Xは、重合開始剤を重合性化合物Xに溶解させる工程、ポロジェンや他の成分を更に溶解させる工程、及び均一な溶液とするために撹拌する工程などを経て作製するのが好ましい。
<液体組成物Xの物性>
-動的表面張力-
液体組成物Xは、最大泡圧法によるバブルライフタイム15msec時の24℃における液体組成物Xの動的表面張力X15と、最大泡圧法によるバブルライフタイム150msec時の24℃における液体組成物Xの動的表面張力X150と、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の24℃における液体組成物Xの動的表面張力X1500と、に関する下記式(2)を満たすものであることが好ましく、下記式(2a)を満たすものであることがより好ましい。なお、下記式(2)を満たす方法としては、液体組成物Xに添加される界面活性剤の種類及び量を適宜選択する方法が挙げられる。
Figure 2022190569000004
Figure 2022190569000005
液体組成物Xが、式(2)を満たすことが好ましい理由について説明する。
上記の通り、液体組成物Yを事前に多孔質基材に付与し、多孔質基材に存在する空隙を十分量の液体組成物Yで充填した上で多孔質樹脂形成用の液体組成物Xを多孔質基材に対して付与し、多孔質基材上に多孔質樹脂を形成させる場合において、表面均一性(塗膜欠陥の抑制)を得るためには、式(1)を満たす必要があり、液体組成物X動的表面張力は液体組成物Yのプレート法による表面張力に対して低いことが好ましく、液体組成物X単体で見ると動的表面張力は低い特性を有することが好ましい。一方、液体組成物Xの付与を例えばインクジェット方式で行うとき、多孔質樹脂の表面に意図しない筋(溝)状の構造部が形成されることがある。これは、上記の通り、式(3)を満たすことで解消される傾向にあり、液体組成物Xのプレート法による表面張力は液体組成物Yのプレート法による表面張力に対して低すぎないことが好ましく、液体組成物X単体で見るとプレート法による表面張力は高い特性を有することが好ましい。すなわち、動的表面張力低下の時間に対する傾きは、初期が大きく、後半は小さいことが好ましく、この関係を示したものが式(2)である。
また、式(2)を満たすと、上記の表面均一性の向上及び筋(溝)状の構造部の形成抑制だけでなく、多孔質樹脂の膜厚低下(液体組成物Xの液体組成物Yへの浸透)も抑制される。例えば、本来は式(3)を満たさないような強力な(液体組成物Xのプレート法による表面張力が液体組成物Yに対して過剰に低い)界面活性剤を少量添加して、式(1)や式(3)の範囲に収めようとした場合、式(2)を満たすことができずに多孔質樹脂の膜厚低下(液体組成物Xの液体組成物Yへの浸透)が生じうるが、これを抑制することができる。これにより、例えば、液体組成物セットにより形成される多孔質樹脂を蓄電素子のセパレータとして用いる場合において、意図しない膜厚低下(セパレータ能の低下)、及び多孔質基材(活物質層)が多孔質樹脂(セパレータ)により被覆されることによる電池抵抗の増加を抑制することができ、更には、多孔質樹脂(セパレータ)の薄膜化も可能となり、低抵抗化と低コスト化を実現することができる。
-粘度-
液体組成物Xの粘度は、特に制限はなく、用途や適用手段に応じて適宜調整することができ、例えば、液体組成物Xをインクジェット吐出手段から吐出する場合、25℃における粘度が7mPa・s以上40mPa・s以下が好ましく、9mPa・s以上20mPa・s以下がより好ましい。また、20℃から65℃の範囲におけるいずれかの粘度が5mPa・s以上15mPa・s以下が好ましく、6mPa・s以上12mPa・s以下がより好ましい。上記温度範囲において上記粘度範囲を満たすことで、必要に応じてインクジェット吐出手段の温度調整を行うことにより吐出することができる。
なお、上記粘度は、東機産業株式会社製コーンプレート型回転粘度計VISCOMETER TVE-25Lにより、コーンロータ(1°34’×R24)を使用し、回転数50rpm、恒温循環水の温度を20℃~65℃の範囲で適宜設定して測定することができる。循環水の温度調整にはVISCOMATE VM-150IVを用いることができる。
<<液体組成物Y>>
液体組成物Yは、多孔質樹脂を形成する液体組成物Xと併用する液体である。液体組成物Yは、例えば、液体組成物Xの拡散を抑制し、所定の位置に多孔質樹脂を形成させるために用いられることが好ましい。具体的には、例えば、多孔質基材上に多孔質樹脂を形成させる場合において、液体組成物Xが付与される前の多孔質基材に対して液体組成物Yを付与し、液体組成物Xの多孔質基材に対する浸透を抑制するために用いられることが好ましい。液体組成物Xの多孔質基材に対する浸透が抑制されることで、多孔質樹脂の一部が多孔質基材中で形成されることにより多孔質基材の機能が低下することを抑制することができる。より具体的には、例えば、液体組成物セットを蓄電素子のセパレータ形成用途で用いる場合において、セパレータを形成する多孔質樹脂の一部が多孔質構造を有する活物質中で形成され、活物質の機能低下が生じ、結果として蓄電素子の機能低下が生じることを抑制することができる。
液体組成物Yは溶媒Yを含み、必要に応じてその他成分を含む。また、液体組成物Yは、単独で用いた場合に(言い換えると、液体組成物Xとともに使用されなかった場合に)多孔質樹脂を形成しないことが好ましい。すなわち、液体組成物Yは、実質的に重合性化合物を含まないことが好ましい。なお、実質的に重合性化合物を含まないとは、液体組成物Y中における重合性化合物の有無を公知かつ本技術分野における技術常識の手法で確認した場合において、重合性化合物を検出できないことを表す。
また、液体組成物Yは、乾燥させることで除去できる液体であることが好ましく、不揮発成分を含有しないことが好ましく、全成分が揮発成分で構成されていることが好ましい。
<溶媒Y>
溶媒Yとしては、上記の通り、液体組成物Yが液体組成物Xとの関係で式(1)を満たすことができるものを選択する。溶媒Yは、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。
溶媒Yの1種単独としての沸点または2種以上を併用した場合の沸点は、常圧において、50℃以上250℃以下であることが好ましく、70℃以上200℃以下であることがより好ましい。沸点が50℃以上であることにより、室温付近における溶媒Yの気化が抑制されて液体組成物Yの取扱が容易になり、液体組成物Y中における溶媒Yの含有量の制御が容易になる。また、沸点が250℃以下であることにより、多孔質樹脂形成後に溶媒Yを乾燥させる工程における時間が短縮されて、生産性が向上する。また、多孔質樹脂の内部に残存する溶媒Yの量を抑制することができるので、多孔質樹脂を物質間の分離を行う物質分離層や反応場としての反応層などの機能層として利用する場合に品質が向上する。
溶媒Yとしては、液体組成物Xとの関係、液体組成物Xに含まれる重合性化合物Xとの関係、多孔質基材に対する濡れ性、粘度、及び沸点などの観点から適宜選択されるが、例えば、エチレングリコールモノブチルエーテル等のエチレングリコール類、シクロヘキサノン等のケトン類、炭酸ジエチル等のエステル類、NNジメチルアセトアミド等のアミド類、エタノール、1,3-ブタンジオール、2-プロパノール、2-エチルヘキサノール等のアルコール類を挙げることができる。なお、溶媒Yは、溶媒Xと同一のものであることが好ましい。溶媒Y及び溶媒Xが同一のものであることで、液体組成物X及び液体組成物Yの混合領域において、溶媒Yが重合性化合物Xに対するポロジェンとして機能でき、液体組成物Xにおける多孔質樹脂の形成を阻害しないためである。また、液体組成物Yに対して液体組成物Xが着弾した際に、意図しない混合挙動(対流など)が生じることを抑制できるためである。
液体組成物Y中における溶媒Yの含有量は、液体組成物Y全量に対して、60.0質量%以上が好ましく、70.0質量%以上がより好ましく、80.0質量%以上が更に好ましく、90.0質量%以上が特に好ましい。また、液体組成物Y全量(100質量%)が溶媒Yであってもよい。
<その他成分>
液体組成物Yは、必要に応じてその他成分を含んでもよい。その他成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、消泡剤、粘度安定化剤、防黴剤、防腐剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、キレート剤、pH調整剤、増粘剤などが挙げられる。
<液体組成物Yの物性>
-動的表面張力-
液体組成物Yのプレート法による24℃における表面張力Yは、液体組成物Yが付与される多孔質基材に対して濡れやすいように、30mN/m以下であることが好ましい。
-粘度-
液体組成物Yの粘度は、液体組成物Yが付与される多孔質基材に対して迅速に浸透できるように(言い換えると、多孔質基材の空隙における空気と迅速に置換できるように)低粘度であることが好ましい。具体的には、25℃における粘度が30mPa・s以下が好ましく、15mPa・s以下がより好ましい。
なお、上記粘度は、東機産業株式会社製コーンプレート型回転粘度計VISCOMETER TVE-25Lにより、コーンロータ(1°34’×R24)を使用し、回転数50rpm、恒温循環水の温度を25℃に設定して測定することができる。循環水の温度調整にはVISCOMATE VM-150IVを用いることができる。
[多孔質樹脂製造装置、多孔質樹脂製造方法]
図1は、本開示の多孔質樹脂製造方法を実現するための多孔質樹脂製造装置の一例を示す模式図である。
<<多孔質樹脂製造装置>>
多孔質樹脂製造装置100は、上記の液体組成物X及び液体組成物Yを用いて多孔質樹脂を製造する装置である。多孔質樹脂製造装置100は、印刷基材4上に、液体組成物X及び液体組成物Yをそれぞれ付与して液体組成物Xの層及び液体組成物Yの層をそれぞれ形成する工程を含む印刷工程部10と、液体組成物Xの層の重合開始剤を活性化させて重合性化合物の重合により多孔質樹脂前駆体6を得る重合工程を含む重合工程部20と、多孔質樹脂前駆体6を加熱して多孔質樹脂を得る加熱工程を含む加熱工程部30を備える。多孔質樹脂製造装置100は、印刷基材4を搬送する搬送部5を備え、搬送部5は、印刷工程部10、重合工程部20、加熱工程部30の順に印刷基材4をあらかじめ設定された速度で搬送する。
<印刷工程部>
印刷工程部10は、印刷基材4上に液体組成物X及び液体組成物Yをそれぞれ付与する付与工程を実現する付与手段の一例である印刷装置1aと、液体組成物X及び液体組成物Yをそれぞれ収容する収容容器1b(液体組成物Xを収容する収容容器を収容容器Xと称し、液体組成物Yを収容する収容容器を収容容器Yと称する)と、収容容器1bに貯留された液体組成物X及び液体組成物Yのそれぞれを印刷装置1aに供給する供給チューブ1cを備える。なお、付与手段のうち液体組成物Xを付与する手段を付与手段Xとし、液体組成物Yを付与する手段を付与手段Yとする。また、付与工程のうち液体組成物Xを付与する工程を付与工程Xとし、液体組成物Yを付与する工程を付与工程Yとする。
収容容器1bは液体組成物X及び液体組成物Yをそれぞれ収容し(図1では、液体組成物X及び液体組成物Yを簡易的に液体組成物7と示す)、印刷工程部10は、印刷装置1aから液体組成物X及び液体組成物Yをそれぞれ吐出して、印刷基材4上に液体組成物X及び液体組成物Yをそれぞれ付与して液体組成物Xの層及び液体組成物Yの層を薄膜状に形成する。このとき、本開示における付与工程X及び付与工程Yの順番は、付与工程Yが先に実行され、付与工程Xがあとに実行される。但し、付与工程Yが先に実行される場合、付与工程Xにおいて、液体組成物Xは、液体組成物Yの付与された領域と少なくとも一部が重複するように付与されることが好ましい。
なお、収容容器1bは、多孔質樹脂製造装置100と一体化した構成であってもよいが、多孔質樹脂製造装置100から取り外し可能な構成であってもよい。また、多孔質樹脂製造装置100と一体化した収容容器や多孔質樹脂製造装置100から取り外し可能な収容容器に添加するために用いられる容器であってもよい。
印刷装置1aは、液体組成物X及び液体組成物Yをそれぞれ付与できるものであれば、特に制限はなく、例えば、ナイフコート法、ダイコート法、リップコート法、コンマコート法、ロータリースクリーンコート法、リバースロールコート法、ニーダーコート法、ブレードコート法、カーテンコート法、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スリットコート法、キャピラリーコート法、スプレーコート法、ノズルコート法、グラビア印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、反転印刷法、インクジェット印刷法等の各種印刷方法に応じた任意の印刷装置を用いることができる。これらの中でも、非接触であり且つインクジェットヘッドと印刷基材間のギャップが長いインクジェット法が好ましい。なお、印刷装置1aは、液体組成物X及び液体組成物Yを付与する上で適切な粘度になるように印刷装置1aの温度を調整する温度調整機構を有してもよい。
収容容器1bや供給チューブ1cは、液体組成物X及び液体組成物Yのそれぞれを安定して貯蔵および供給できるものであれば任意に選択可能である。収容容器1bや供給チューブ1cを構成する材料は、紫外および可視光の比較的短波長領域において遮光性を有することが好ましい。これにより、液体組成物Xが外光により重合開始されることが防止される。
<重合工程部>
重合工程部20は、図1に示すように、液体組成物を熱、光などの活性エネルギー線を照射することにより硬化させる硬化工程を実現する硬化手段の一例である光照射装置2aと、重合不活性気体を循環させる重合不活性気体循環装置2bを有する。光照射装置2aは、印刷工程部10により形成された液体組成物Xの層及び液体組成物Yの層に重合不活性気体存在下において光を照射し、液体組成物Xの層において光重合を開始させて多孔質樹脂前駆体6を得る。
光照射装置2aは、光重合開始剤の吸収波長に応じて適宜選択され、液体組成物Xの層中の重合性化合物の重合を開始および進行させられるものならば特に限定はなく、例えば、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、熱陰極管、冷陰極管、LED等の紫外線光源が挙げられる。ただし、短波長の光ほど一般に深部に到達しやすい傾向を持つため、形成する多孔質膜の厚みに応じて光源を選択することが好ましい。
光照射装置2aの光源の照射強度に関しては、照射強度が強すぎると、多孔質構造が微細な構造になり、多孔質構造における導通性が低下する場合や、乾燥時に孔が閉じて多孔質性が低下する場合がある。また、照射強度が弱すぎる場合は、形成される構造が粒子状となり、多孔質性が低下する場合がある。そのため、照射強度としては10mW/cm以上1W/cm以下が好ましく、30mW/cm以上300mW/cm以下がより好ましい。
光照射装置2aの光源の照射のタイミングに関しては、液体組成物Xの層の形成時からの時間が長すぎると、液体組成物Xが液体組成物Yの層内に浸透して硬化不良を生じやすくなる。また、短すぎると、多孔質樹脂前駆体6の印刷基材4に対する密着性が低下する。そのため、適切な照射のタイミングを選択する。
次に、重合不活性気体循環装置2bは、大気中に含まれる重合活性な酸素濃度を低下させ、液体組成物Xの層の表面近傍の重合性化合物Xの重合反応を阻害されることなく進行させる役割を担う。そのため、用いられる重合不活性気体は上記機能を満たすものならば特に制限はなく、例えば窒素や二酸化炭素やアルゴンなどが挙げられる。
また、その流量としては阻害低減効果が効果的に得られる事を考慮して、O濃度が20%未満(大気よりも酸素濃度が低い環境)であることが好ましく、0%以上15%以下であることがより好ましく、0%以上5%以下であることが更に好ましい。また、重合不活性気体循環装置2bは安定した重合進行条件を実現させる為に、温度を調節できる温調手段が設けられていることが好ましい。
<加熱工程部>
加熱工程部30は、図1に示すように、溶媒除去手段の一例である加熱装置3aを有し、重合工程部20により形成した多孔質樹脂前駆体6に残存する溶媒X及び溶媒Yなどを、加熱装置3aにより加熱して乾燥させて除去する溶媒除去工程を含む。これにより多孔質樹脂を形成することができる。加熱工程部30は、溶媒除去工程を減圧下で実施してもよい。なお、溶媒の除去が不十分であると、残留物により、多孔質樹脂を有する製造物の特性(例えば、電池特性)に影響を及ぼす場合がある。
また、加熱工程部30は、多孔質膜前駆体6を加熱装置3aにより加熱して、重合工程部20で実施した重合反応を更に促進させる重合促進工程、および多孔質膜前駆体6に残存する光重合開始剤を、加熱装置3aにより加熱して乾燥させて除去する開始剤除去工程も含む。なお、これらの重合促進工程および開始剤除去工程は、溶媒除去工程と同時ではなく、溶媒除去工程の前または後に実施されても良い。
さらに、加熱工程部30は、溶媒除去工程後に、多孔質を減圧下で加熱する重合完了工程を含む。加熱装置3aは、上記機能を満たすものならば特に制限はなく、例えばIRヒーターや温風ヒーターなどが挙げられる。
また、加熱温度や時間に関しては、多孔質膜前駆体6に含まれる溶媒X及び溶媒Yなどの沸点や形成膜厚に応じて適宜選択可能である。
<印刷基材>
印刷基材4の材料としては透明、不透明を問わずあらゆる材料を用いることができる。すなわち、透明基材として、ガラス基材や各種プラスチックフィルム等の樹脂フィルム基材やこれらの複合基板などを用いることができる。また、不透明な基材としては、シリコン基材、ステンレス等の金属基材、又はこれらを積層したものなど、種々の基材を用いることができる。
なお、印刷基材4は、普通紙、光沢紙、特殊紙、布などの記録媒体であってもよい。また、記録媒体としては、低浸透性基材(低吸収性基材)であってもよい。低浸透性基材とは、水透過性、吸収性、又は吸着性が低い表面を有する基材を意味し、内部に多数の空洞があっても外部に開口していない材質も含まれる。低浸透性基材としては、商業印刷に用いられるコート紙や、古紙パルプを中層、裏層に配合して表面にコーティングを施した板紙のような記録媒体等が挙げられる。
また、印刷基材4は、上記の通り、多孔質基材であることが好ましい。多孔質基材である場合、本発明により得られる効果が顕著になるためである。多孔質基材の具体例としては、蓄電素子において用いられる活物質層、蓄電素子又は発電素子において絶縁層として用いられる多孔質シートなどが挙げられる。
また、形状に関しても曲面であっても凹凸形状を有するものであっても、印刷工程部10、重合工程部20に適用可能な基材ならば使用することができる。
[多孔質樹脂]
液体組成物セットによって形成される多孔質樹脂の膜厚は、特に限定はされないが、重合時の硬化均一性を考慮して0.01μm以上500μm以下であることが好ましく、0.01μm以上100μm以下であることがより好ましく、1μm以上50μm以下であることが更に好ましく、10μm以上20μm以下であることが特に好ましい。膜厚が0.01μm以上であることで、得られる多孔質樹脂の表面積が大きくなり、多孔質樹脂による機能を十分に得ることができる。また、膜厚が500μm以下であることで、膜厚方向において重合時に用いる光や熱のムラが抑制され、膜厚方向において均一な多孔質樹脂を得ることができる。膜厚方向において均一な多孔質樹脂を作製することで多孔質樹脂の構造ムラを抑制し、液体や気体の透過性低下を抑制することができる。なお、多孔質樹脂の膜厚に関しては、多孔質樹脂が使用される用途に応じて適宜調整される。例えば、多孔質樹脂を蓄電素子用絶縁層として用いる場合は、10μm以上20μm以下であることが好ましい。
形成される多孔質樹脂は、特に限定されないが、液体や気体の良好な浸透性を確保する観点から、樹脂の硬化物の三次元分岐網目構造を骨格として有し、多孔質樹脂中の複数の空孔が連続して連結している共連続構造(モノリス構造とも称する)を有することが好ましい。すなわち、多孔質樹脂は多数の空孔を有しており、一つの空孔がその周囲の他の空孔連結した連通性を有して三次元的に広がっていることが好ましい。空孔同士が連通することで、液体や気体の浸み込みが十分に起き、物質分離や反応場といった機能を効率的に発現することができる。
なお、共連続構造を有することで得られる物性の一つとして透気度が挙げられる。多孔質樹脂の透気度は、例えば、JIS P8117に準拠して測定され、500秒/100mL以下である場合が好ましく、300秒/100mL以下である場合がより好ましい。このとき、透気度は、例えば、ガーレー式デンソメーター(東洋精機製作所製)等を用いて測定される。
形成される多孔質樹脂が有する空孔の断面形状は、略円形状、略楕円形状、略多角形状等の様々な形状及び様々な大きさであって構わない。ここで、空孔の大きさとは、断面形状における最も長い部分の長さを指すものとする。空孔の大きさは、走査電子顕微鏡(SEM)で撮影した断面写真から求めることができる。多孔質樹脂の有する空孔の大きさに関しては、特に限定はされないが、液体や気体の浸透性の観点から0.01μm以上10μm以下であることが好ましい。また、多孔質樹脂の空隙率としては、30%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましい。多孔質樹脂の有する空孔の大きさ及び空隙率をこれらの範囲にする方法としては、特に限定されないが、例えば、液体組成物X中における重合性化合物Xの含有量を調整する方法、液体組成物X中におけるポロジェンの含有量を調整する方法、及び活性エネルギー線の照射条件を調整する方法等が挙げられる。
<<多孔質樹脂の用途>>
<蓄電素子用途又は発電素子用途>
本開示の液体組成物セットを用いて形成される多孔質樹脂は、例えば、蓄電素子用又は発電素子用の絶縁層として用いることができる。言い換えると、本開示の液体組成物セットは、蓄電素子又は発電素子における絶縁層を製造するための液体組成物セットとして用いることができる。これら用途として用いる場合には、例えば、電極基体上に予め形成された活物質層上へ液体組成物Y及び液体組成物Xを順に付与することで絶縁層(セパレーター)を形成することが好ましい。
蓄電素子用又は発電素子用の絶縁層としては、例えば、所定の大きさの空孔や空隙率を有するフィルム状の多孔質絶縁層等を用いることが知られている。一方で、本開示の液体組成物セットを用いた場合、重合性化合物Xの含有量、ポロジェンの含有量、活性エネルギー線の照射条件等を適宜調整することで空孔や空隙率を適宜変更することができ、蓄電素子及び発電素子の性能面における設計自由度を向上させることができる。また、本開示の液体組成物セットは、多様な付与方法に展開可能であるため、例えば、インクジェット方式で付与することができ、蓄電素子及び発電素子の形状面における設計自由度を向上させることができる。また、本開示の液体組成物セットは、活物質層の液体組成物Yが付与された領域に対して液体組成物Xを付与するため、液体組成物Xが硬化することにより形成される多孔質樹脂は、活物質層内に過度に入り込まずに形成される。これにより、活物質層の機能が低下することが抑制される。
なお、絶縁層は、正極と負極を隔離し、かつ正極と負極との間のイオン伝導性を確保する部材である。また、本願で絶縁層と表す場合、層状の形状に限られない。
なお、本開示の液体組成物セットは、蓄電素子用又は発電素子用の絶縁層(第一の絶縁層)上に付与されることで、追加的に、多孔質樹脂層からなる絶縁層(第二の絶縁層)を形成することができる。第一の絶縁層上に第二の絶縁層を形成することで、絶縁層全体としての耐熱性、耐衝撃性、耐高温収縮性といった諸機能を追加又は向上させることができる。
電極基体は導電性を有する基体であれば、特に制限はなく、一般に蓄電デバイスである2次電池、キャパシター、なかでもリチウムイオン2次電池に好適に用いることができる、アルミ箔、銅箔、ステンレス箔、チタニウム箔および、それらをエッチングして微細な穴を開けたエッチド箔や、リチウムイオンキャパシターに用いられる穴あき電極基体などが用いられる。また、燃料電池のような発電デバイスで用いられるカーボンペーパー繊維状の電極を不織または織状で平面にしたものや上記穴あき電極基体のうち微細な穴を有するものも使用できる。更に、太陽光デバイスの場合、上記電極に加えてガラスやプラスチックスなどの平面基体上に、インジウム・チタン系の酸化物や亜鉛酸化物のような、透明な半導体薄膜を形成したものや、導電性電極膜を薄く蒸着したものを用いることができる。
活物質層は、粉体状の活性物質や触媒組成物を液体中に分散し、かかる液を電極基体上に塗布、固定、乾燥することによって形成されており、通常はスプレー、ディスペンサー、ダイコーターや引き上げ塗工を用いた印刷が用いられ、塗布後に乾燥して形成される。
正極活物質は、アルカリ金属イオンを可逆的に吸蔵及び放出できる材料であれば特に限定されない。典型的には、アルカリ金属含有遷移金属化合物を正極用活物質として使用できる。例えばリチウム含有遷移金属化合物として、コバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄及びバナジウムからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素とリチウムとを含む複合酸化物が挙げられる。例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムなどのリチウム含有遷移金属酸化物、LiFePOなどのオリビン型リチウム塩、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物、二酸化マンガンなどが挙げられる。リチウム含有遷移金属酸化物は、リチウムと遷移金属とを含む金属酸化物または該金属酸化物中の遷移金属の一部が異種元素によって置換された金属酸化物である。異種元素としては、例えばNa、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、Bなどが挙げられ、なかでもMn、Al、Co、NiおよびMgが好ましい。異種元素は1種でもよくまたは2種以上でもよい。これらの正極活物質は単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。ニッケル水素電池における上記活物質としては水酸化ニッケルなどが挙げられる。
負極活物質は、アルカリ金属イオンを可逆的に吸蔵及び放出できる材料であれば特に限定されない。典型的には、黒鉛型結晶構造を有するグラファイトを含む炭素材料を負極活物質として使用できる。そのような炭素材料として、天然黒鉛、球状又は繊維状の人造黒鉛、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)等が挙げられる。炭素材料以外の材料としては、チタン酸リチウムが挙げられる。また、リチウムイオン電池のエネルギー密度を高める観点から、シリコン、錫、シリコン合金、錫合金、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化錫等の高容量材料も負極活物質として好適に使用できる。
ニッケル水素電池における上記活物質としては水素吸蔵合金としては、AB2系あるいはA2B系の水素吸蔵合金が例示される。
正極または負極の結着剤には、例えばPVDF、PTFE、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。またこれらのうちから選択された2種以上を混合して用いてもよい。また電極に含ませる導電剤には、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、フェニレン誘導体、グラフェン誘導体などの有機導電性材料などが用いられる。
燃料電池での活物質は一般に、カソード電極やアノード電極の触媒として、白金、ルテニウムあるいは白金合金などの金属微粒子をカーボンなどの触媒担体に担持させたものが用いられる。触媒担体の表面に触媒粒子を担持させるには、例えば触媒担体を水中に懸濁させ、触媒粒子の前駆体(塩化白金酸、ジニトロジアミノ白金、塩化第二白金、塩化第一白金、ビスアセチルアセトナート白金、ジクロロジアンミン白金、ジクロロテトラミン白金、硫酸第二白金塩化ルテニウム酸、塩化イリジウム酸、塩化ロジウム酸、塩化第二鉄、塩化コバルト、塩化クロム、塩化金、硝酸銀、硝酸ロジウム、塩化パラジウム、硝酸ニッケル、硫酸鉄、塩化銅などの合金成分を含むもの)を添加し、懸濁液中に溶解させ、アルカリを加えて金属の水酸化物を生成させると共に、触媒担体表面に担持させた触媒担体を得る。かかる触媒担体を電極上に塗布し、水素雰囲気下などで還元させることで、表面に触媒粒子(活物質)が塗布された電極を得る。
太陽電池等の場合、活物質は、酸化タングステン粉末や酸化チタン粉末のほかSnO、ZnO、ZrO、Nb、CeO、SiO、Alといった酸化物半導体層があげられ、半導体層には、色素が担持させられており、例えば、ルテニウム・トリス型の遷移金属錯体、ルテニウム-ビス型の遷移金属錯体、オスミウム-トリス型の遷移金属錯体、オスミウム-ビス型の遷移金属錯体、ルテニウム-シス-ジアクア-ビピリジル錯体、フタロシアニン及びポルフィリン、有機-無機のペロブスカイト結晶などの化合物を挙げることができる。
-蓄電素子用途における溶媒X、溶媒Y、及び電解質-
液体組成物セットにより形成される多孔質樹脂を蓄電素子用の絶縁層として用いる場合、溶媒X及び溶媒Yは、蓄電素子を構成する電解液に含まれる成分としても用いられることが好ましい。言い換えると、電解液は、溶媒X、溶媒Y、及び後述する電解質を含む溶液であることが好ましい。多孔質樹脂を形成するためだけでなく、電解液に含まれる成分としても好適な溶媒X及び溶媒Yを選択することで、多孔質樹脂形成後に加熱工程等により溶媒X及び溶媒Yを除去する工程および別途電解液を多孔質樹脂に含浸させる工程等を省略することができる。
加熱工程を省略することができた場合、加熱により生じ得る多孔質樹脂へのダメージや多孔質樹脂以外の構成(例えば、電極基体や活物質層など)へのダメージを抑制することができる。特に、多孔質樹脂へのダメージを抑制することで、蓄電素子における短絡や蓄電素子駆動時における反応ムラを抑制することができ、蓄電素子の性能をより向上させる。
また、加熱工程により溶媒X及び溶媒Yを除去する工程を行う場合であったとしても、多孔質中に一部溶媒X及び溶媒Yが残存するときがある。このような残留した溶媒X及び溶媒Yは、蓄電素子内部で予期しない副反応によりガスを生じさせて蓄電素子の性能を低下させる場合があるが、電解液に含まれる成分としても使用可能な溶媒X及び溶媒Y(例えば、副反応等により蓄電素子の性能を低下させにくいもの等)を選択することで、性能の低下を抑制することができる。
多孔質樹脂を蓄電素子用の絶縁層として用いる場合に好適に選択される溶媒X及び溶媒Yとしては、それぞれ独立して、蓄電素子使用時(充放電時)に分解反応やガスの発生等が抑制されるものが好ましく、例えば、プロピレンカーボネート(炭酸プロピレン)、エチルメチルカーボネート(炭酸エチルメチル)、ジメチルカーボネート(炭酸ジメチル)、エチレンカーボネート(炭酸エチレン)、アセトニトリル、γ-ブチロラクトン、スルホラン、ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,2-ジメトキシエタン、1,2-エトキシメトキシエタン、ポリエチレングリコール、アルコール類、及びこれらを混合したもの等を用いることができる。これらの中でも、プロピレンカーボネート(炭酸プロピレン)、エチルメチルカーボネート(炭酸エチルメチル)、ジメチルカーボネート(炭酸ジメチル)、及びエチレンカーボネート(炭酸エチレン)から選ばれる少なくとも1つを用いることが好ましい。
多孔質樹脂形成後に加熱工程等により除去される工程が省略される溶媒X及び溶媒Yの沸点は、加熱工程等により除去される工程を要する溶媒X及び溶媒Yの沸点に比べて高いことが好ましい。沸点が高いことで、製造中における溶媒X及び溶媒Yの気化が抑制され、電解液の組成が当初想定していた組成から変化することが抑制される。具体的には、80℃以上であることが好ましく、85℃以上であることがより好ましく、90℃以上であることが更に好ましい。なお、プロピレンカーボネート(炭酸プロピレン)の沸点は240℃であり、エチルメチルカーボネート(炭酸エチルメチル)の沸点は107℃であり、ジメチルカーボネート(炭酸ジメチル)の沸点は90℃であり、エチレンカーボネート(炭酸エチレン)の沸点は244℃である。
なお、上記のように、蓄電素子を構成する電解液に含まれる成分としても機能する溶媒X及び溶媒Y用いる場合、図1における多孔質樹脂製造装置100は、加熱工程部30を有していないことが好ましい。
電解質は、上記の通り、液体組成物セットにより形成される多孔質樹脂を蓄電素子用の絶縁層として用いる場合等において用いられる成分である。電解質としては、溶媒X及び溶媒Yに溶解可能な固体電解質およびイオン液体等の液体電解質などが挙げられる。液体組成物X又は液体組成物Y中に電解質が含まれることで、多孔質樹脂形成後において、残存成分を構成する溶媒X、溶媒Y、及び電解質を蓄電素子における電解液として機能させることができる。これにより、多孔質樹脂形成後に加熱工程等により溶媒X及び溶媒Yを除去する工程および別途電解液を多孔質樹脂に含浸させる工程等を省略することができる。
加熱工程を省略することができた場合、加熱により生じ得る多孔質樹脂へのダメージや多孔質樹脂以外の構成(例えば、電極基体や活物質層など)へのダメージを抑制することができる。特に、多孔質樹脂へのダメージを抑制することで、蓄電素子における短絡や蓄電素子駆動時における反応ムラを抑制することができ、蓄電素子の性能をより向上させる。
また、加熱工程により溶媒X及び溶媒Yを除去する工程を行ったとしても、多孔質中に一部溶媒X及び溶媒Yが残存する場合がある。このような残留した溶媒X及び溶媒Yは、蓄電素子内部で予期しない副反応によりガスを生じさせて蓄電素子の性能を低下させる場合があるが、電解液に含まれる成分としても使用可能な溶媒X及び溶媒Y(例えば、副反応等により蓄電素子の性能を低下させにくいもの等)を選択することで、性能の低下を抑制することができる。
固体電解質としては、溶媒X及び溶媒Yに溶解可能である限り特に制限されず、例えば、アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩等の無機イオン塩、4級アンモニウム塩、酸類の支持塩、並びにアルカリ類の支持塩などを用いることができる、より具体的には、LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiCFSO、LiCFCOO、KCl、NaClO、NaCl、NaBF、NaSCN、KBF、Mg(ClO、Mg(BFなどが挙げられる。
液体電解質としては、カチオン成分とアニオン成分を含有する各種イオン液体を挙げることができる。イオン液体は、室温を含む幅広い温度領域において液体状態を維持できるものであることが好ましい。
カチオン成分としては、例えば、N,N-ジメチルイミダゾール塩、N,N-メチルエチルイミダゾール塩、N,N-メチルプロピルイミダゾール塩等のイミダゾール誘導体;N,N-ジメチルピリジニウム塩、N,N-メチルプロピルピリジニウム塩等のピリジニウム誘導体等の芳香族系の塩;トリメチルプロピルアンモニウム塩、トリメチルヘキシルアンモニウム塩、トリエチルヘキシルアンモニウム塩等のテトラアルキルアンモニウム等の脂肪族4級アンモニウム系化合物などが挙げられる。
アニオン成分としては、例えば、大気中の安定性の面でフッ素を含んだ化合物が好ましく、BF 、CFSO 、PF 、(CFSO、B(CNなどが挙げられる。
電解質の含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、電解液中において0.7mol/L以上4.0mol/L以下が好ましく、1.0mol/L以上3.0mol/L以下がより好ましく、蓄電素子の容量と出力の両立の点から、1.0mol/L以上2.5mol/L以下がより好ましい。
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
<実施例1>
以下に示す割合で材料を混合し液体組成物X及び液体組成物Yを調製した。
-液体組成物X-
・重合性化合物X(Ebecryl130、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート(ダイセル・オルネクス株式会社製、表1~2では「DCP」と表示する)):29.0質量部
・溶媒X(ジプロピレングリコールモノメチルエーテル(東京化成工業製、表1~2では「DPM」と表示する)):70.0質量部
・重合開始剤(Omnirad184、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(iGM社製、表1~2では「Omni184」と表示する)):1.0質量部
・界面活性剤(TEGO Twin4000、シロキサン系ジェミニ型界面活性剤(Evonik社製、表1~2では「Twin4000」と表示する)):0.5質量部
-液体組成物Y-
・溶媒Y(ジプロピレングリコールモノメチルエーテル(東京化成工業製、表1~2では「DPM」と表示する)):全量
<各種実施例、比較例>
実施例1において、表1~2の組成に変更した以外は、実施例1の調製と同様にして、各種実施例、比較例の液体組成物X及び液体組成物Yを得た。表1~2における組成の各数字の単位は「質量部」である。
なお、表1~2に示す各種実施例、比較例で使用した各種材料の詳細は以下の通りである。
・界面活性剤(メガファック RS-76-NS、重合性官能基を有する界面活性剤(DIC社製、表1~2では「RS-76」と表示する))
・界面活性剤(KF-6020、ポリエーテル変性シリコーンオイル(信越シリコーン社製))
次に、各種実施例、比較例の液体組成物X及び液体組成物Yにおいて、プレート法による24℃における表面張力の測定を下記の方法に従って行った。結果を表1~2に示した。
また、各種実施例、比較例の液体組成物Xにおいて、最大泡圧法によるバブルライフタイム15msec時の24℃における動的表面張力X15と、最大泡圧法によるバブルライフタイム150msec時の24℃における動的表面張力X150と、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の24℃における動的表面張力X1500と、の測定を下記の方法に従って行った。結果を表1~2に示した。
[プレート法による表面張力の測定]
プレート法に基づき、白金プレートを用い、自動表面張力計(DY-300、協和界面化学株式会社製)により24℃にて測定した。測定は、シャーレに液体組成物を注入してから1分後に実施した。
[最大泡圧法による動的表面張力の測定]
動的表面張力計(DynoTesterm、SITA社製)を用い、15msec時、150msec時、1500msec時の動的表面張力を24℃にて測定した。
次に、各実施例及び比較例の液体組成物セットを用いて形成された多孔質樹脂をセパレータとして有する蓄電素子用の負極を作製した。その後、形成された多孔質樹脂の表面均一性(下地の露出率)の評価、筋(溝)の評価、及び膜厚の評価を行った。
<多孔質樹脂を有する負極の作製>
-電極合材部の作製-
電極合材部は、集電箔として21μmの銅箔を用い、この銅箔上に活物質層として空隙16.5cc/mのグラファイトを塗工したものを用いた。具体的には、負極活物質であるグラファイト粒子(平均粒径10μm)97.0質量部と、増粘剤であるセルロース1.0質量部と、バインダーであるアクリル樹脂2.0質量部と、を水中で均一に分散させて負極活物質分散体を得た。この分散体を集電箔である厚み21μmの銅箔に塗布し、得られた塗膜を120℃で10分乾燥後、プレスし、電極合材部を得た。
-多孔質樹脂(セパレータ)の作製-
各種実施例、比較例の液体組成物セットに含まれる液体組成物X及び液体組成物Yを、液体組成物X用のインクジェットヘッド(MH5420、株式会社リコー製)、液体組成物Y用のインクジェットヘッド(MH5420、株式会社リコー製)、及びUV-LED光源(波長:365nm)を備える図1に示すようなインクジェット吐出装置に充填した。
次に、作製した電極合材部を搬送速度50mm/秒で搬送しつつ液体組成物Y及び液体組成物Xをこの順で電極合材部上に吐出した。このとき、液体組成物Xは液体組成物Yが吐出された領域に対して付与された。また、液体組成物Yは1000Hz(508dpi、16.5cc/m)で吐出され、液体組成物Xは1300Hz(660dpi、10.0cc/m)で吐出された。
次に、液体組成物X用のインクジェットヘッドの中央部から搬送方向に沿って400mmの距離の位置に設けられた露光部に、液体組成物Y及び液体組成物Xを順に吐出された電極合材部を侵入させてUV照射した。UV照射の照射強度は30mW/cmであり、照射時間は30秒であった。また、露光部は、窒素パージされていた。
その後、130℃のホットプレート上に1分間置くことで、液体組成物X及び液体組成物Yに由来する溶媒を揮発させて多孔質樹脂(セパレータ)及び電極合材部が一体化した負極を得た。
なお、実施例の液体組成物セットを用いて形成された多孔質樹脂(セパレータ)は、孔径が0.01μm以上10μm以下の空孔が観察され、空隙率が30.0%以上であり、かつ樹脂中の複数の空孔が連続して連結している共連続構造を有していた。
[表面均一性(下地の露出)の評価]
作製した負極をKEYENCE社製デジタルマイクロスコープVHX-7000を用いて観察し、下地である活物質層が露出している箇所の数(「欠陥数」とも称する)及び活物質層が露出している箇所の面積の観察面積に対する比率(「欠陥露出率」とも称する)を求めた。活物質層が露出している箇所は、活物質層が黒色であり、多孔質樹脂(セパレータ)が白色であるため、これらコントラストから容易に検出できる。また、評価面積は23cmとした。取得した欠陥数及び欠陥露出率を下記評価基準に基づいて評価した。なお、実験環境のクリーン度やサンプル切断時に発生する欠片も考慮すると、欠陥数が10個未満であることが好ましい。また、欠陥露出率が大きくなるとセパレータとしての絶縁能が低下して電池が短絡する場合があるため、欠陥露出率は小さい方が好ましい。
(評価基準)
A:欠陥露出率が0.2%以下であり且つ50μm以下の欠陥数が10個未満である
B:欠陥露出率が0.2%以下であり且つ50μm以下の欠陥数が10個以上である
C:欠陥露出率が0.2%超2.0%以下である
D:欠陥露出率が2.0%超である
[筋(溝)の評価]
作製した負極の多孔質樹脂(セパレータ)上に300dpi(85μm)間隔で発生する印刷方向に平行な筋を評価した。なお、この筋は、印刷方向が660dpi、直交方向が1200dpiと、直交方向の方が高ドット密度である印刷条件で作製したにも関わらず印刷方向に発生するものであった。また、この筋は、肉眼で筋状又はムラ状の形状として確認でき、光学顕微鏡で観察した場合は下層が透けて見える筋として確認でき、SEMで観察した場合は空隙率の大きな溝として確認できた。筋の有無は肉眼及び顕微鏡(KEYENCE社製デジタルマイクロスコープVHX-7000)で確認し、下記評価基準に基づいて評価した。なお、大きな筋(溝)は電池が短絡する原因となる場合があるため、筋(溝)が存在しない又は軽微な筋(溝)であることが好ましい。
(評価基準)
A+:肉眼では筋又はムラが確認できない
A:肉眼でムラが確認され且つ光学顕微鏡で観察すると線が連なっていない薄い筋が確認される
A-:肉眼でムラが確認され且つ光学顕微鏡で観察すると線として連なった筋が確認される
B:肉眼で筋が確認され且つ光学顕微鏡で観察すると太さのある透けた筋が確認される
C:光学顕微鏡で観察すると下地である活物質層が露出しているのと同等の透けた筋が確認される
[膜厚の評価]
MDH―25MB(株式会社ミツトヨ社製)を用いて膜厚を測定し、印刷前後(多孔質樹脂作製前後)の膜厚の差分から多孔質樹脂(セパレータ)の膜厚を求め、下記評価基準に基づいて評価した。なお、浸透性がない基材に対して10cc/mの塗布量で液体組成物Xを塗布することで形成された多孔質樹脂の膜厚(理論値)は10μmである。この膜厚(理論値)に対し、測定された膜厚が薄すぎると活物質層の凹凸が多孔質樹脂(セパレータ)を貫通する場合があるため、測定された膜厚は、膜厚(理論値)に近いことが好ましい。
(評価基準)
A+:膜厚が9μm以上である
A:膜厚が6μm以上9μm未満である
B:膜厚が3μm以上6μm未満である
C:膜厚が3μm未満である
Figure 2022190569000006
Figure 2022190569000007
実施例1~8は、式(1)を満たしており、これにより優れた表面均一性を有する。一方で、比較例1~5は、式(1)を満たしておらず、これにより表面均一性が劣る。
また、実施例1~3と比較例1、実施例4~5と比較例3~4、及び実施例6~8と比較例5は、それぞれ同種の界面活性剤を用いているが、界面活性剤の添加量が適切な範囲ではないことで式(2)又は式(3)を満たさなくなると筋(溝)の評価が劣る。
また、実施例6~8と比較例5で用いられている界面活性剤は式(2)を満たすことが難しいものであり、これにより表面均一性と、筋(溝)及び膜厚の評価の両立が困難になっている。
1a:印刷装置
1b:容器
1c:供給チューブ
2a:光照射装置
2b:重合不活性気体循環装置
3a:加熱装置
4:印刷基材
5:搬送部
6:多孔質樹脂前駆体
7:液体組成物
10:印刷工程部
20:重合工程部
30:加熱工程部
特許第4426157号

Claims (20)

  1. 重合性化合物X及び溶媒Xを含む液体組成物Xと、溶媒Yを含む液体組成物Yと、を有する液体組成物セットであって、
    前記液体組成物Xは、多孔質樹脂を形成し、
    プレート法による24℃における前記液体組成物Yの表面張力Yと、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の24℃における前記液体組成物Xの動的表面張力X1500と、に関する下記式(1)を満たすことを特徴とする液体組成物セット。
    Figure 2022190569000008
  2. 前記液体組成物Xは、界面活性剤を含み、
    最大泡圧法によるバブルライフタイム15msec時の24℃における前記液体組成物Xの動的表面張力X15と、最大泡圧法によるバブルライフタイム150msec時の24℃における前記液体組成物Xの動的表面張力X150と、前記動的表面張力X1500と、に関する下記式(2)を満たす請求項1に記載の液体組成物セット。
    Figure 2022190569000009
  3. プレート法による24℃における前記液体組成物Xの表面張力Xと、前記表面張力Yと、に関する下記式(3)を満たす請求項1又は2に記載の液体組成物セット。
    Figure 2022190569000010
  4. 前記重合性化合物X及び前記溶媒Xは相溶し、
    前記多孔質樹脂は、前記重合性化合物Xが重合していく過程で生じる重合物X及び前記溶媒Xが相溶しなくなることで形成される請求項1から3のいずれか一項に記載の液体組成物セット。
  5. 前記液体組成物Xは、前記液体組成物Yが付与された領域に対して付与される請求項1から4のいずれか一項に記載の液体組成物セット。
  6. 前記多孔質樹脂は、孔径が0.01μm以上10μm以下の空孔を有する請求項1から5のいずれか一項に記載の液体組成物セット。
  7. 前記多孔質樹脂は、空隙率が30%以上である請求項1から6のいずれか一項に記載の液体組成物セット。
  8. 前記多孔質樹脂は、複数の空孔が連続して連結している共連続構造を有する請求項1から7のいずれか一項に記載の液体組成物セット。
  9. 前記多孔質樹脂は、多孔質基材上に形成される請求項1から8のいずれか一項に記載の液体組成物セット。
  10. 前記多孔質基材は、活物質層である請求項9に記載の液体組成物セット。
  11. 重合性化合物X及び溶媒Xを含む液体組成物Xと、溶媒Yを含む液体組成物Yと、を用いて多孔質樹脂を製造する多孔質樹脂製造装置であって、
    前記液体組成物Yが収容されている収容容器Yと、前記収容容器Yに収容された前記液体組成物Yを付与する付与手段Yと、前記液体組成物Xが収容されている収容容器Xと、前記収容容器Xに収容された前記液体組成物Xを前記液体組成物Yが付与された領域に対して付与する付与手段Xと、付与された前記液体組成物Xを硬化させる硬化手段と、を有し、
    プレート法による24℃における前記液体組成物Yの表面張力Yと、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の24℃における前記液体組成物Xの動的表面張力X1500と、に関する下記式(1)を満たすことを特徴とする多孔質樹脂製造装置。
    Figure 2022190569000011
  12. 前記付与手段Yは、多孔質基材に対して前記液体組成物Yを付与する手段である請求項11に記載の多孔質樹脂製造装置。
  13. 前記多孔質基材は、活物質層である請求項12に記載の多孔質樹脂製造装置。
  14. 前記付与手段Xは、前記液体組成物Xをインクジェット方式で吐出する手段である請求項11から13のいずれか一項に記載の多孔質樹脂製造装置。
  15. 前記硬化後に前記溶媒X及び前記溶媒Yを乾燥させて除去する溶媒除去手段を有する請求項11から14のいずれか一項に記載の多孔質樹脂製造装置。
  16. 重合性化合物X及び溶媒Xを含む液体組成物Xと、溶媒Yを含む液体組成物Yと、を用いて多孔質樹脂を製造する多孔質樹脂製造方法であって、
    前記液体組成物Yを付与する付与工程Yと、前記液体組成物Xを前記液体組成物Yが付与された領域に対して付与する付与工程Xと、付与された前記液体組成物Xを硬化させる硬化工程と、を有し、
    プレート法による24℃における前記液体組成物Yの表面張力Yと、最大泡圧法によるバブルライフタイム1500msec時の24℃における前記液体組成物Xの動的表面張力X1500と、に関する下記式(1)を満たすことを特徴とする多孔質樹脂製造方法。
    Figure 2022190569000012
  17. 前記付与工程Yは、多孔質基材に対して前記液体組成物Yを付与する工程である請求項16に記載の多孔質樹脂製造方法。
  18. 前記多孔質基材は、活物質層である請求項17に記載の多孔質樹脂製造方法。
  19. 前記付与工程Xは、前記液体組成物Xをインクジェット方式で吐出する工程である請求項16から18のいずれか一項に記載の多孔質樹脂製造方法。
  20. 前記硬化後に前記溶媒X及び前記溶媒Yを乾燥させて除去する溶媒除去工程を有する請求項16から19のいずれか一項に記載の多孔質樹脂製造方法。
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