JP4746973B2 - 多孔体の製造方法および多孔体 - Google Patents
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Description
例えば、特開平5−25305号公報(特許文献1)では超高分子量ポリエチレンと溶媒を混練・シート化し、延伸処理したのち溶媒を抽出することにより多孔膜が得られることが提案されている。
しかしながら、当該方法では、段落番号0045等で記載されているように、多孔膜全体に含まれている溶媒を洗浄用の有機溶媒で洗浄することにより除去しているため、有機溶媒が大量に必要となり、環境上の観点から好ましくない。
同じく、特開2004−95550号公報(特許文献3)でもリチウム二次電池用セパレーターとして用いる多孔性フィルムを、熱可塑性樹脂と充填剤とを含む樹脂組成物から成形したシートを少なくとも一軸方向に延伸することにより得ている。
しかしながら、これらの方法により得られる多孔性フィルム又はシートでは全層に充填剤が存在していることにより単位面積あたりの質量(坪量)が大きくなるため、軽量化に向けた改善を行う余地がある。
一般的に単一ポリマーによる開孔延伸法と呼ばれている当該方法においては、製造工程において有機溶媒を必要とせず、かつ充填剤が存在していないので単位面積あたりの質量(坪量)も大きくはならない。しかしながら、該方法は結晶制御が非常に難しく、延伸温度や延伸倍率、多段延伸等の延伸条件において好ましい多孔構造を得ることができる条件が非常に狭いため(0025欄〜0028欄等)、工業的規模で生産する際の工程管理を考えると好ましくない。
当該方法は細かくて均質な発泡が得られ、また二酸化炭素や窒素等の不活性ガスの亜臨界または超臨界流体を用いれば環境への負荷が極めて少ないという利点がある。
しかしながら、表面付近では急激な圧力の低下等が起きたときに過飽和状態とならず、直ちに拡散・蒸発により表面から気体が放出されるため、発泡を生じない領域、所謂、スキン層が必ず存在する。このために、厚さ方向に連通性を有する微小孔をもつ多孔体を作ることはできなかった。
さらに、本発明は全体に均等な連通孔を有し、かつ単位面積あたりの質量が小さい積層体からなる多孔体を提供することを課題としている。
特に、電池用セパレーターとして使用した場合、電池重量を大きく増加させることなく、電解液の保持が良好であり、安全性が高い非水電解質2次電池を提供することができるセパレーターおよび電池を提供することを課題とするものである。
ハードセグメントとソフトセグメントを有する熱可塑性樹脂組成物からなる中間層を少なくとも1層含み、中間層の両側に少なくとも熱可塑性樹脂と水系溶媒可溶性物質とを含む熱可塑性樹脂組成物からなる両側外層を積層させた少なくとも3層構造の積層体を作製する工程と、
得られた積層体に超臨界状態または亜臨界状態の流体を含浸させた後に、該超臨界状態または亜臨界状態から解放して前記流体を気化させることにより前記両側外層の最表面に無孔のスキン層を残存させて前記積層体に微小孔を形成する工程と、
前記微小孔を形成した後に、前記両側外層を構成する熱可塑性樹脂組成物から水系溶媒可溶性物質を水系溶媒により抽出することにより前記スキン層に微小孔を形成して前記工程で形成した微小孔と連通させる工程を、備えることを特徴とする多孔体の製造方法を提供している。
即ち、本発明者らは、まず、亜臨界または超臨界流体を利用して多孔化する研究・実験を行い種々の検討を加えたが、前記した表面にスキン層が生じるという問題は回避できなかった。
そこで、本発明者らは、亜臨界または超臨界流体を利用して多孔化する層の表面に無孔のスキン層を設けて、所謂、蓋をすることにより、中間層と両側外層に連通する微小孔を有する多孔体を得ることができることを知見した。すなわち、積層体に亜臨界または超臨界流体を含浸させ、次いで急激な圧力の低下等を発生させた時に、両側外側の最表面に無孔のスキン層を設けて蓋をしているため、気体が蒸散することなく、過飽和状態を作り出すことができ、その結果、積層体に微小孔を作製することに成功した。
その後、蓋となる無孔のスキン層を構成する樹脂組成物から少なくとも1成分を取り除くことにより前記無孔のスキン層に微小孔を設けて多孔化すると、前工程で形成した微小孔と厚さ方向に連通性を有する微小孔を有する多孔体を得ることができた。そして、この無孔のスキン層を多孔化する際に水系溶媒を用いて少なくとも1成分を除去すれば、有機溶媒を使用する必要がなくなり、環境に対する負担がさらに軽減されることを知見した。
ハードセグメントは層の強度を保つ役割をし、ソフトセグメントは亜臨界または超臨界流体を含浸させる役割を有する。ぞれぞれのセグメントが前記役割を確実に果たすためには、ハードセグメントの比率が5〜95質量%であり、ソフトセグメントの比率が95〜5質量%であることが好ましい。ハードセグメントの比率が5質量%未満であると、中間層が柔らかすぎて強度が保てず、また亜臨界または超臨界流体が中間層にとどまることができず脱気してしまい、中間層が多孔化できないおそれがある。一方、ソフトセグメントの比率が5質量%未満であると、亜臨界または超臨界流体の含浸量が少なくなり、十分な連通性を得ることが困難となる。
前記ソフトセグメントは、好ましくは90〜10質量%、特に、70〜20質量%が好ましい。
前記スチレン系熱可塑性樹脂としては、ハードセグメントとして、スチレンもしくはメチルスチレンなどのスチレン誘導体、インデンまたはビニルナフタレン等、好ましくはポリスチレンを用い、ソフトセグメントとしてポリブタジエンもしくはポリイソプレンなどの共役ジエン系ポリマー、またはエチレン/ブチレン共重合体、エチレン/プロピレン共重合体もしくはポリイソブテンなどのポリオレフィン系エラストマーを用いたスチレン系熱可塑性樹脂が挙げられる。
前記ポリアミド系熱可塑性樹脂としては、ハードセグメントとして、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド610、ポリアミド612、ポリアミド11、ポリアミド12等のポリアミドまたはこれらの共重合体を用い、ソフトセグメントとしてポリテトラメチレングリコールやポリ(エチレン/プロピレン)ブロックポリグリコールなどのポリアルキレングリコールなどを用いたポリアミド系熱可塑性樹脂が挙げられる。
・エチレンの単独重合体樹脂、エチレンを主成分とし炭素数3以上のα−オレフィンを副成分とする共重合体樹脂;
・プロピレンの単独重合体樹脂、プロピレンを主成分としこれとエチレンもしくは炭素数4以上のα−オレフィンとの共重合体樹脂;
・1−ブテンの単独重合体樹脂、1−ブテンを主成分としこれとエチレン、プロピレンもしくは炭素数5以上のα−オレフィンとの共重合体樹脂;
・4−メチル−1−ペンテンの単独重合体樹脂、4−メチル−1−ペンテンを主成分とし、これとエチレン、プロピレン、1−ブテンもしくは炭素数6以上のα−オレフィンとの共重合体樹脂;
・上記樹脂の変性物
が挙げられる。これら2種類以上が混合されていても良い。
ジエン系ゴムとしては、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、プロピレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−イソプレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム等が挙げられる。
水素添加ジエン系ゴムは、ジエン系ゴム分子の二重結合の少なくとも一部分に水素原子を付加させてなるものである。
オレフィンエラストマーは、2種類または3種類以上のオレフィンと共重合しうるポリエンを少なくとも1種加えた弾性共重合体であり、オレフィンとしてはエチレンもしくはプロピレン等のα−オレフィン等が使用され、ポリエンとしては1,4−ヘキサジエン、環状ジエン、ノルボルネン等が使用される。好ましいオレフィンエラストマーとしては、例えばエチレン−プロピレン共重合体ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、エチレン−ブタジエン共重合体ゴム等が挙げられる。
ハードセグメントとしてのプロピレン系樹脂にはホモポリマーとコポリマーがあり、更にコポリマーにはランダムコポリマーとブロックコポリマーがある。ホモポリマーはプロピレン単独重合体であり、アイソタクティックないしはシンジオタクティックおよび種々の程度の立体規則性を示すポリプロピレンである。一方、コポリマーとしては、プロピレンを主成分とし、これとエチレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘプテン、1−オクテンもしくは1−デセン等のα−オレフィンとの共重合体が使用される。この共重合体は、2元系でも3元系でも4元系でもよく、またランダム共重合体でもブロック共重合体であってもよい。
プロピレン系樹脂には、プロピレン系単独重合体よりも融点が低い樹脂を混合することもできる。そのような融点が低い樹脂として、高密度あるいは低密度ポリエチレン等を例示することができ。その配合量は2〜50質量%であることが好ましい。
エチレン−プロピレンゴムの含有量またはエチレン−プロピレンゴム中のエチレン含有率を調整することにより中間層を構成する樹脂組成物全体に対するエチレン含有率を5〜95質量%とすることが好ましい。
ソフトセグメントを構成するエチレン−プロピレンゴム等の軟質成分の分散性の観点から、重合型ポリマーを用いる方が好ましい。
同様にプロピレンホモポリマーにエチレンプロピレンゴムやポリエチレン等を二軸押出機等の混練機を使ってブレンドすることにより、好ましいソフトセグメントの含有率をもつオレフィン系熱可塑性樹脂を得ることができる。
前記多価アルコールとしては、ペンタエリスリトール、L−エリスリトール、D−エリスリトール、meso−エリスリトール、ピナコール、トリメチロールプロパン等が挙げられる。
前記グリコール類としては、ポリエチレングリコール、エステルグリコール、ネオペンチルグリコールなど等が挙げられる。なかでも、分子量が35,000以下、特に200〜25,000のポリエチレングリコールが好ましい。
前記水溶性無機アルカリ金属塩としては、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウム、タングステン酸ナトリウム、三リン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウムなどが挙げられる。
なかでも、水系溶媒可溶性物質としては分子量が200〜10,000のポリエチレングリコールが特に好ましい。
具体的には、熱可塑性樹脂と水系溶媒可溶性物質を含む樹脂組成物中に占める熱可塑性樹脂の質量分率が10〜97質量%であり、10〜70質量%であることが好ましく、20〜60質量%であることが更に好ましい。熱可塑性樹脂の質量分率が10質量%より小さいと、溶融成形時のメルトテンションが不足しやすく成形性が低下する傾向がある。また延伸時にかかる延伸応力が小さくなり均一延伸が不十分となる場合がある。一方、熱可塑性樹脂の質量分率が97質量%を越える場合は、連通性を持った孔を得ることが難しい。
これは、両側外層を構成する熱可塑性樹脂と中間層を構成する熱可塑性樹脂とが相溶性を示さないと、亜臨界または超臨界流体を含浸させ、その後、急激な圧力の低下等を発生させても、両側外層と中間層の界面では過飽和状態になりにくく、界面から気体が拡散・蒸発により放出されるため、外層と中間層に連通する孔を形成できなくなる可能性があるからである。
前記熱可塑性樹脂としてはポリオレフィン樹脂を用いることが好ましい。電池用セパレーターとして使用する場合は、電解液との安定性の観点から特にポリオレフィン樹脂を用いることが好ましい。ポリオレフィン樹脂としては、通常の押出、射出、インフレーションおよびブロー成形に使用する公知のポリオレフィン樹脂を用いてよい。
なかでも、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、アイソタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン、ポリブテン、プロピレンエチレンブロック共重合体、プロピレンエチレンランダム共重合体、エチレンプロピレンゴム等が好ましい。
ポリエチレン樹脂はポリエチレンホモポリマーまたはポリエチレンコポリマーのいずれであっても良いが、ポリエチレンホモポリマーであることが好ましい。前記ポリエチレンコポリマーとしてはα−オレフィンコモノマー含量が2モル%以下のポリエチレンコポリマーが好ましい。なお、前記α−オレフィンコモノマーの種類には特に制限はない。
ポリエチレンに混合できる熱可塑性樹脂として、具体的にはポリエチレン以外のポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、ポリスチレン、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、アセタール樹脂またはポリカーボネート等の熱可塑性樹脂が挙げられる。好ましくはポリプロピレン、ポリブテン、プロピレンエチレンブロック共重合体、プロピレンエチレンランダム共重合体等が挙げられる。ポリエチレンに混合できる熱可塑性樹脂は融点が140℃以上であることが好ましい。
このように、ポリエチレンに他の熱可塑性樹脂を混合する場合は、当該他の熱可塑性樹脂の配合量はポリエチレン100質量部に対して、1〜100質量部、好ましくは1〜50質量部、より好ましくは1〜25質量部、更に好ましくは1〜10質量部としている。
これら添加剤の配合量は、両側外層を構成する熱可塑性樹脂100質量部に対し1〜30質量部程度であることが好ましい。
フィラーを含める場合には、無機フィラーおよび有機フィラーの何れのフィラーも使用でき、1種または2種以上を組み合わせて使用できる。
無機フィラーとしては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウムなどの炭酸塩;硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウムなどの硫酸塩;塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムなどの塩化物;酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、シリカなどの酸化物;タルク、クレー、マイカなどのケイ酸塩等が挙げられる。これらの中でも、炭酸カルシウムまたは硫酸バリウムが好ましい。
無機フィラーは樹脂中の分散性向上のため、表面処理剤で無機フィラーの表面を被覆して疎水化してもよい。この表面処理剤としては、例えばステアリン酸またはラウリル酸等の高級脂肪酸またはそれらの金属塩を挙げることができる。
例えば、中間層が組成の異なる複数層から構成されていてもよいし、両側外層の一方または両方が組成の異なる複数層から構成されていてもよい。また、中間層の間に両側外層と同じ組成を有する無孔層が挟まれている5層構造としていてもよい。
さらに、2つの両側外層のそれぞれの層の組成または構造は同一であってもよいし、異なっていても良い。例えば、2つの両側外層のそれぞれが異なる物質と接触する場合は、それぞれの特性に合わせた熱可塑性樹脂の選定が必要となる。例えば、一方の層が水と接触し他方の層が有機溶媒と接触する場合は、水と接触する外層を構成する熱可塑性樹脂を耐水性のあるポリスチレンとし、有機溶媒と接触する外層を構成する熱可塑性樹脂を耐有機溶媒性の高いポリプロピレンとすることができる。
trが0.05より小さければ、両側外層の実質的な厚みが極端に薄くなってしまい、結果的に両側外層表面の多孔構造が極端に不均一になりやすい。また、両側外層の厚みが極端に薄いと蓋の役割を果たさない。すなわち、超臨界状態または亜臨界状態の流体を含浸させ、次いで超臨界状態または亜臨界状態から逸脱させたときに、中間層の表面から気体が薄い両側外層を通り抜けて拡散・蒸発により放出されるため、中間層に発泡を生じない領域、いわゆるスキン層が生じるおそれがあるので好ましくない。
一方、trが0.95より大きければ、中間層が極端に薄くなってしまい、厚さ方向における連通性が悪くなるおそれがある。
なお、本発明においていずれかの工程で延伸処理を行う場合には、全層の厚みtに対する両側外層の厚みの合計toの割合tr(=to/t)は延伸処理後における測定値から算出されるものである。
まず、各層を構成する成分をヘンシェルミキサー等の粉体混合機や、一軸あるいは二軸混練機もしくはニーダー等の混練機を用いて混合し、一旦造粒してもよい。
両側外層を構成する樹脂組成物または造粒物と、中間層を構成する樹脂組成物または造粒物とを用いて前記積層体を作製する。
積層体の作製方法としては、熱接着法、押出しラミネーション法、ドライラミネーション法、共押出法等が挙げられる。なかでも、Tダイ成形法またはインフレーション成形法による共押出法が特に好適に用いられる。これは、中間層および両側外層を別々に製膜してから熱ロールなどで融着させる方法は均一な接着強度で接着させにくく、皺などの欠陥も発生しやすいからである。特にフィルムなどの厚さが薄い場合はこの傾向が顕著であるため、通常は共押出法を用いる。
なかでも好ましい気体としては、二酸化炭素、窒素、亜酸化窒素、エチレン、エタン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロエタン、テトラフルオロメタン、トリフルオロメタンおよび1,1−ジフルオロエチレンが挙げられる。このうち不活性ガスである二酸化炭素と窒素は非可燃性であり非毒性であり、かなりの安価であり、さらに、ほとんどのポリマーに対して非反応性であるという点で特に好ましい。
積層体に超臨界状態または亜臨界状態の流体を含浸させる具体的な方法は公知の方法に従って良い。
例えば、積層体をオートクレーブ等の耐圧容器に入れ、上に例示したような流体にして積層体に含浸させる気体状または液体状の物質を封入する。ついで、耐圧容器内の温度または/および圧力を上げて超臨界状態または亜臨界状態をつくる。すなわち、耐圧容器内の温度を0.5Tc以上、好ましくは臨界温度以上に上げるか、または/および、耐圧容器内の圧力を0.5Pc以上、好ましくは臨界圧力以上に上げる。特に、耐圧容器内の温度を臨界温度以上に上げるとともに圧力を臨界圧力以上に上げることがより好ましい。
窒素を使用した場合、窒素の臨界温度が126.2K、臨界圧力が3.40MPaであるから、温度は常温のまま圧力を3MPa以上とすることが好ましい。
亜酸化窒素を使用した場合、亜酸化窒素の臨界温度が309.6K、臨界圧力が7.24MPaであるから、温度は常温のまま圧力を7MPa以上とすることが好ましい。
エチレンを使用した場合、エチレンの臨界温度が282.4K、臨界圧力が5.04MPaであるから、温度を283.0K以上とし、圧力を5MPa以上とすることが好ましい。
エタンを使用した場合、エタンの臨界温度が305.2K、臨界圧力が4.88MPaであるから、温度は常温のまま圧力を4.5MPa以上とすることが好ましい。
このとき温度または圧力は急激に常温または常圧まで戻しても良いし、徐々に下げていっても良い。また、常温以下の温度または常圧以下の圧力にまで一端下げてから、常温または常圧まで戻しても良い。
本発明においては、第2工程で厳密に中間層のみを多孔化することに限定しているわけでなく、中間層に接している層において中間層と接している面およびその近傍で多孔化が起っていても全く問題はない。
例えば水系溶媒に第2工程で得られた多孔体を浸漬し、その後充分に乾燥させることにより、水系溶媒可溶性物を多孔体から実質的に除去することができる。水系溶媒可溶性物を抽出する方法はバッチ式、連続式のいずれでもよい。多孔体の収縮を抑えるために、浸漬、乾燥の一連の工程中にその端部を拘束することが好ましい。
本工程は、60〜100℃、好ましくは70〜90℃に加熱した水系溶媒を用いて行うことが好ましい。
これに対して、本発明の場合、有機溶媒を使うのではなく水系溶媒を使うため環境的な負荷が大幅に軽減される。
延伸温度は特に限定されるものではないが、両側外層を構成する熱可塑性樹脂の融点よりも低い温度、好ましくは融点より30℃以下で延伸することが好ましい。延伸温度が融点に近づきすぎると、両外層の部分で連通性の発現が困難となる。
これらの処理は公知方法で行うことができる。例えば前記熱処理は、加熱ロールによる接触加熱、オーブン中での空気中加熱等、公知の任意の方法で行うことができる。また、前述の延伸装置を転用することも可能である。熱処理温度は、中間層および両側外層を構成する熱可塑性樹脂の融点未満の任意の温度で行うことができるが、好ましくは100℃以上で前記樹脂の融点未満、より好ましくは110℃以上130℃以下としている。
本発明の多孔体の物性は、両外層および中間層を構成する樹脂の種類、水系溶媒可溶性物の種類や量、亜臨界または超臨界流体を含浸する条件、延伸条件(延伸倍率、延伸温度等)等によって自由に調整することができる。
例えば、おむつや生理用品などの衛生用品に使用する場合、透気度は1〜2,000秒/100mlであることが好ましい。
また、電池用セパレーターとして用いる場合、透気度は1〜500秒/100mlであることが好ましい。
中間層を構成する熱可塑性樹脂におけるソフトセグメントの含有量が多くなれば、超臨界状態または亜臨界状態の流体が含浸しやすくなるから、透過性や空孔率は大きくなる。また、超臨界状態または亜臨界状態の流体を含浸させる時間を長くしても、透過性や空孔率を大きくすることができる。
耐熱性の指標として 本発明の多孔体は、その熱収縮率が25%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましく、10%以下であることが特に好ましい。熱収縮率が25%よりも大きいと、本発明の多孔体を電池用セパレーターとして用いた場合、多孔体の端部にて正極と負極が接触し、短絡してしまうことが懸念される。
なかでも、本発明の多孔体はフィルム状を呈することが好ましい。即ち、多孔体の平均厚みは1〜250μmで、好ましくは10〜200μmであり、より好ましくは10〜150μmである。
なお、平均厚みは、1/1000mmのダイアルゲージにて面内を不特定に5箇所測定し、その平均を算出して得られる値である。
なかでも、本発明の多孔体は各種電子機器等の電源として利用されるリチウムイオン二次電池等の非水電解液電池用セパレーターとして好適に用いられる。
さらに、本発明の多孔体の製造方法は、製造条件の幅が広く、工程管理が行いやすいという利点がある。
まず、図1および図2は、それぞれ、後述する本発明の製造方法により製造されたフィルム状の多孔体の第1および第2実施形態を示す。該第1および第2実施形態の多孔体は、積層枚数を相違させた多孔体1(1−1、1−2)からなるが、いずれも後述する同一の製造方法で製造している。
なお、前記したように、第2実施形態の多孔体の製造方法は第1実施形態と同様な下記の工程からなる。
得られた積層体に超臨界状態または亜臨界状態の流体を含浸させた後に、該超臨界状態または亜臨界状態から解放して前記流体を気化させることにより前記中間層2、両側外層3、4の最表面の無孔のスキン層3b、4bの除く部分に前記微小孔を形成する第2工程と、
第2工程で得られた積層体に対し延伸処理を行う第2’工程と
前記両側外層を構成する熱可塑性樹脂組成物から水系溶媒可溶性物質を水系溶媒により抽出することにより前記両側外層3,4の最表面に残存する無孔のスキン層3b、4bを含めて両側外層3、4の全体に微小孔を形成し、前記工程で形成された微小孔と連通させる第3工程からなる。
エチレン−プロピレンゴムの含有量は5〜95質量%であることが好ましく、15〜75質量%であることがより好ましく、30〜60質量%であることがさらに好ましい。
エチレン−プロピレンゴムとしては、ゴム全体に対するエチレン含有率が30〜55質量%であるエチレン−プロピレンゴムが特に好ましい。
エチレン−プロピレンゴムの含有量およびエチレン−プロピレンゴム中のエチレン含有率を調整することにより、中間層を構成するポリプロピレン樹脂組成物全体に対するエチレン含有率が5〜70質量%となることが好ましく、5〜50質量%となることがより好ましく、10〜30質量%となることが特に好ましい。
このように中間層2にポリプロピレン樹脂を用いることにより、従来のポリエチレン樹脂のみからなる多孔性フィルムより高い耐熱性を発揮することができるという利点がある。つまり、高温に曝されてもその形状が保持できる。
前記ポリエチレン樹脂に配合されている水系溶媒可溶性物質としては、グリコール類を用いることが好ましく、ポリエチレングリコールを用いることがより好ましい。ポリエチレングリコールはその分子量が200〜6,000であることが特に好ましい。
まず、両側外層3、4に関しては、熱可塑性樹脂および水系溶媒可溶性物質をヘンシェルミキサー等の粉体混合機で混合し、一軸あるいは二軸混練機、ニーダー等で加熱混練し、ペレットを予め形成しておく。なお、水系溶媒可溶性物質の分散状態を考えると、二軸混練機を使用することが更に好ましい。
前記ペレットの水分率は1000ppm以下、好ましくは700ppm以下に制御している。これは、ペレットの水分が1000ppmより大きいとゲル、ピンボールが極度に発生して好ましくないためである。
こうして得られる積層体においては、全層の厚みtに対する両側外層の厚みの合計toの割合tr(=to/t)が0.4〜0.80、好ましくは0.5〜0.7となるように調整している。
より具体的には、二酸化炭素を使用する場合は圧力を7Mpa以上、好ましくは15Mpa以上に上げている。窒素を使用する場合は圧力を3Mpa以上、好ましくは10Mpa以上に上げている。耐圧容器内の温度は常温でよいが、加熱することもできる。
その後、耐圧容器内の圧力または温度を常圧または常温に戻すことにより、含浸された二酸化炭素または窒素を気化させる。耐圧容器内の圧力または温度は漸減させてもよいし、一気に常圧または常温に戻してもよい。
第2’工程の延伸方法は、縦方向(長手方向)に延伸してから横方向に延伸する逐次二軸延伸が好ましい。延伸倍率としては、面積倍率で4〜16倍、好ましくは4〜12倍とする。延伸温度は30〜80℃であることが好ましい。
このように水系溶媒可溶性物質を水系溶媒により抽出することにより前記両側外層3,4に微小孔が形成され、該微小孔が前記中間層の微小孔と連通され、厚さ方向に連通性を有する微小孔が多数存在する多孔体が得られる。
前記多孔体1は、中間層2および両側外層3,4にはともにフィラーを含有しないことから、25μmあたりの厚みに換算したときの単位面積あたりの質量(秤量という)を10〜30g/m2、好ましくは10〜20g/m2、より好ましくは10〜15g/m2、として、多孔体1を軽量化している。
本発明の多孔体1を電池用セパレーターとして使用する場合は、透気度を50〜500秒/100mlとしている。これは、透気度を50秒/100ml未満にすると、電解液保持性が低下して二次電池の容量が低くなったり、サイクル性が低下したりするおそれがある。一方、透気度が500秒/100mlを超えると、イオン伝導性が低くなり十分な電池特性を得ることができないことによる。好ましくは100〜300秒/100mlである。
また、空孔率は30〜70%としている。これは、空孔率が30%未満ではイオン透過性が低く十分な電池性能を得ることが困難である一方、空孔率が70%を越えると電池の安全性の観点から好ましくないことによる。より好ましくは35〜65%である。
正極板21、負極板22の両極をセパレーター10を介して互いに重なるようにして渦巻き状に捲回し、巻き止めテープで外側を止めて捲回体としている。この渦巻き状に巻回する際、セパレーター10は厚さが5〜40μmであることが好ましく、5〜30μmであることがより好ましい。厚みが5μm未満であるとセパレーターが破れやすくなり、40μmを越えると電池用セパレーターとして所定の電池缶に捲回して収納する際、電池面積が小さくなり、ひいては電池容量が小さくなるからである。
なかでも、エチレンカーボネート1質量部に対してメチルエチルカーボネートを2質量部混合した溶媒中に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.4mol/Lの割合で溶解した電解質が好ましい。
負極に炭素材料を用いる場合、炭素材料としてはリチウムイオンをドープ、脱ドープできるものであればよく、例えば黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭などを用いることができる。
両側外層を構成する樹脂組成物の準備として、高密度ポリエチレン(日本ポリエチレン株式会社製「ノバテックHY430P」、密度:0.955g/cm3、メルトフローレート:0.8g/10分)40質量部とポリエチレングリコール(昭和化学(株)製「PEG600」)60質量部を混合し、二軸押出機でペレット化した。次に、該熱可塑性樹脂組成物を両外層とし、中間層を構成する熱可塑性樹脂組成物としてポリプロピレンホモポリマーにエチレン−プロピレンゴムを含有されている重合型のポリプロピレン樹脂組成物(三菱化学株式会社製「Zelas5013」、密度0.88g/cm3、メルトフローレート0.8g/10分)を使用し、層比が外層/中間層/外層=40/20/40となるように調整しながら、多層成型用のTダイを用いて200℃の温度下で成形し、2種3層の積層体を得た。
得られた積層体を圧力容器に仕込み、常温下で圧力容器内に不活性ガスである二酸化炭素を封入した。ついで圧力を18MPaまで上げて二酸化炭素を亜臨界状態または超臨界状態とし、この状態を1時間保持して積層体に亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素を含浸させた。その後、圧力容器のバルブを全開放して容器内の圧力を解放した。
二酸化炭素を含浸させた積層体をストレッチャーにて延伸温度30℃で、縦方向(長手方向)に3倍、横方向に3倍の延伸倍率で逐次延伸を行い、その後123℃で熱固定を行った。
その後、80℃の水を用いてポリエチレングリコールを抽出し、膜厚方向に連通性をもつ実施例1の多孔体を得た。
層比、延伸条件を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして本発明の多孔体を得た。
比較例1は前記特許文献1の特開平5−25305号公報の実施例1に記載の方法で多孔膜を作製した。
即ち、重量平均分子量が2.0×106の超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)20質量%と、重量平均分子量が3.9×105の高密度ポリエチレン(HDPE)66.7質量%と、メルトインデックス(190℃、2.16kg荷重)2.0g/10分の低密度ポリエチレン(LDPE)13.3質量%とを混合した原料樹脂15質量部と、流動パラフィン(64cst/40℃)85質量部とを混合し、ポリエチレン組成物の溶液を調製した。 次に、このポリエチレン組成物の溶液100質量部に、2,5−ジ−t−ブチル−p−クレゾール(「BHT」、住友化学工業(株)製)0.125質量部と、テトラキス〔メチレン−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシルフェニル)−プロピオネート〕メタン(「イルガノックス1010」、チバガイギー製)0.25質量部とを酸化防止剤として加えた。この混合液を撹拌機付のオートクレーブに充填し、200℃で90分間撹拌して均一な溶液を得た。
この溶液を直径45mmの押出機により、Tダイから押出し、冷却ロールで引取りながらゲル状シートを成形した。
得られたシートを二軸延伸機にセットして、温度115℃、延伸速度0.5m/分で5
×5倍に同時二軸延伸を行った。得られた延伸膜を塩化メチレンで洗浄して残留する流動パラフィンを抽出除去した後、100℃で30秒熱セットすることによってポリエチレン微多孔膜を得た。
比較例2は前記特許文献3の特開2004−95550号公報の実施例1に記載の方法で多孔性フィルムを作製した。
高密度ポリエチレン(株式会社プライムポリマー製「HI−ZEX7000FP」、密度;0.956g/cm3、メルトフローレート;0.04g/10分)100質量部、軟質ポリプロピレン(出光石油化学社製「PER R110E」)15.6質量部、硬化ひまし油(豊国製油株式会社製「HY−CASTOR OIL」、分子量938)9.4質量部、硫酸バリウム(堺化学社製「B−55」)187.5質量部をブレンドしてコンパウンドを行った。 次に、得られたコンパウンドを用いて温度210℃でインフレーション成形を行い、原反シートを得た。
次に得られた原反シートを70℃でシートの長手方向(MD)に1.23倍、次いでll5℃で横方向(TD)に2.86倍の逐次延伸を行い、多孔性フィルムを得た。
(測定1;厚み)
1/1000mmのダイアルゲージにて、面内を不特定に5箇所測定しその平均を厚みとした。
(測定2;透気度(ガーレ値))
JIS P 8117に準拠して透気度(秒/100ml)を測定した。
(測定3;空孔率)
空孔率は多孔体中の空間部分の割合を示す数値である。空孔率の算出方法は、多孔体の実質量W1を測定し、樹脂組成物の密度と厚みから空孔率0%の場合の質量W0を計算し、多孔体の実質量との差から下記式に基づき空孔率を算出する。
空孔率Pv(%)={(W0−W1)/W0}×100
(測定4;坪量)
坪量は単位面積あたりの質量を表す数値である。その測定方法は、多孔体を10cm角に切り出し、その質量を測定する。厚みによる依存性が大きいので、今回は25μmあたりの厚みに換算し、この操作を3回繰り返し、その平均を坪量とした。
比較例2の多孔性フィルムでは全層に充填剤が存在しているため坪量が33g/m2と重たくなってしまうが、実施例1〜3の多孔性フィルムでは坪量が11〜13g/m2と小さく、軽量化が可能であることがわかった。
2 中間層
3、4 両側外層
2a、3a、4a 微小孔
3b、4b スキン層
10 セパレーター
20 非水電解質電池
21 正極板
22 負極板
Claims (9)
- 厚さ方向に連通性を有する微小孔が多数存在する多孔体の製造方法であって、
ハードセグメントとソフトセグメントを有する熱可塑性樹脂組成物からなる中間層を少なくとも1層含み、中間層の両側に少なくとも熱可塑性樹脂と水系溶媒可溶性物質とを含む熱可塑性樹脂組成物からなる両側外層を積層させた少なくとも3層構造の積層体を作製する工程と、
得られた積層体に超臨界状態または亜臨界状態の流体を含浸させた後に、該超臨界状態または亜臨界状態から解放して前記流体を気化させることにより前記両側外層の最表面に無孔のスキン層を残存させて前記積層体に微小孔を形成する工程と、
前記微小孔を形成した後に、前記両側外層を構成する熱可塑性樹脂組成物から水系溶媒可溶性物質を水系溶媒により抽出することにより前記スキン層に微小孔を形成して前工程で形成した微小孔と連通させる工程を、
備えることを特徴とする多孔体の製造方法。 - 前記水系溶媒可溶性物質を溶媒により抽出する工程の前または後に、少なくとも一軸方向に延伸させて前工程で形成された微小孔を連通させる延伸工程を含む請求項1に記載の多孔体の製造方法。
- 前記超臨界状態または亜臨界状態で含浸させる流体が、二酸化炭素または窒素である請求項1または請求項2に記載の多孔体の製造方法。
- 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の方法により製造された多孔体。
- 前記両外層の少なくとも片側の層が、ポリエチレン樹脂を含む熱可塑性樹脂組成物からなる請求項4に記載の多孔体。
- 前記中間層を構成する熱可塑性樹脂組成物が、少なくともポリプロピレンを含む請求項4または請求項5に記載の多孔体。
- 透気度が1〜10,000秒/100mlである請求項4乃至請求項6のいずれか1項に記載の多孔体。
- 請求項4乃至請求項7のいずれか1項に記載の多孔体からなる電池用セパレーター。
- 請求項8記載の電池用セパレーターを備えた電池。
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