JP5213443B2 - ポリオレフィン微多孔膜 - Google Patents

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Description

本発明はポリオレフィン微多孔膜、特にリチウムイオン電池用セパレータに好適なポリオレフィン微多孔膜に関する。
ポリオレフィン微多孔膜は、精密濾過膜、電池用セパレータ、コンデンサー用セパレータ、燃料電池用材料等に使用されている。これらの用途のうち、電池用セパレータ、特にリチウムイオン電池用セパレータとして使用する場合、ポリオレフィン微多孔膜にはイオン透過性に優れること、機械的強度に優れることなどが要求される。
更に、近年の高容量電池向けのセパレータには、電池の安全性を確保するため、「ヒューズ特性」、「耐破膜性」および「低熱収縮性」が求められ、また、電池特性のバラつきを小さくするため、膜厚のバラつきが小さいことが求められている。
「ヒューズ特性」とは、電池内部が過充電状態などで過熱されたときにセパレータが溶融し、電極を覆う被膜を形成して電流を遮断することにより、電池の安全性を確保するしくみである。ポリエチレン微多孔膜の場合には、ヒューズ温度、すなわちヒューズ特性が発現される温度は概ね140℃前後であることが知られている。しかし、電池内部の暴走反応などをできるだけ早く止めるためには、ヒューズ温度は低いほど良いとされている。
また、「耐破膜性」とは、セパレータがヒューズ温度以上に加熱されても破膜しない性能をいう。さらに「低熱収縮性」とはヒューズ温度以上に加熱された場合にも熱収縮が少ない性能をいう。双方とも溶融後も形状を維持し、電極間の絶縁を保持するために必要とされている。
電池用セパレータは、150℃での電池安全性を保証するため、米国規格UL1642の「Standard for Lithium Batteries」に規定された電池安全評価基準を達成する性能を有することが求められている。この評価は、150℃のオーブン中にセパレータを10分間保存することにより行われる。この基準を達成するには、セパレータは130〜140℃でヒューズして無孔化し、かつ、150℃以上に加熱されても破膜せず、しかも熱収縮ができるだけ少ないことによって形状を維持させることが望ましい。
「膜厚のバラつきが小さいこと」は、上記の性能を安定して得るために重要な性能である。セパレータの膜厚がバラつくことにより、上記のヒューズ特性や耐破膜性、熱収縮性を安定して得ることができない場合があった。また、正負極板間の距離が変化すると、電池個々の性能がバラつき、例えばノートパソコン用途でパック電池にした場合、さらにバラつきが大きくなることがあり、歩留まり低下につながっていた。また、製膜自体が難しい場合もあり、収率の低下につながっていた。
ポリオレフィン微多孔膜の耐破膜性を向上させた技術としては、例えば、特許文献1および2が知られている。
特許文献1にはポリエチレンよりも融点の高いポリプロピレンをブレンドすることにより溶融時の形状保持性を高めたポリオレフィン微多孔膜が開示されている。しかし当該技術の実施例では、重量平均分子量が250万を越えるポリエチレンを含むポリオレフィン組成物と重量平均分子量が50万程度のポリプロピレンをブレンドしているために、得られるポリオレフィン微多孔膜に粒が残存するという品位面での欠点があった。
特許文献2では、特定の粘度平均分子量のポリエチレンとポリプロピレン7〜50wt%を必須成分とし、GPC/FTIRより求められる分子量と末端メチル基濃度との相関が特定の関係を満たすことを特徴とするポリオレフィン微多孔膜を開示している。しかし、当該発明はセパレータの耐酸化性の向上を目的としたものであり、膜厚の均一性やセパレータの低熱収縮化については十分に達成されているとはいい難かった。
さらに、ポリオレフィン微多孔膜の耐破膜性を向上させつつ、膜厚の均一化を図った技術として、特許文献3がある。この文献には、重量平均分子量が50万以上であり、走査型示差熱量計により測定される融解熱が90J/g以上であるポリプロピレンを含むポリオレフィン微多孔膜が開示されている。この微多孔膜は、膜厚の均一性に優れるという特徴を有することが記載されている。該発明は融解熱が90J/g以上のポリプロピレンを使用することで、ポリプロピレンの分散性が良好になるために膜厚分布の改善が可能となっていると読み取れる。しかし、ポリエチレンとポリプロピレンをブレンドした場合には溶融粘度低下による膜厚分布が大きくなり、これを改善するまでには至っていない。さらに、該発明で用いられている膜厚分布の標準偏差(膜厚変動)は、実施例中には1.7〜2.8であることが記載されているが、膜厚分布の改善としては不十分であった。
低熱収縮性の観点では、例えば特許文献4のように、セパレータに熱セットを施すことで熱収縮を低減する方法が知られている。しかしながら、セパレータへの熱セットは、ポリエチレンの融点付近までの熱収縮は低減することは可能であるが、安全性基準にて要求されている150℃に達すると、セパレータが電池内部で熱収縮し、電極同士がショートしてしまうという問題点があった。このため、より低熱収縮性を有するセパレータの開発が望まれていた。
また、上記特許文献1〜4で得られるセパレータのヒューズ特性は従来よりも改善されているとはいい難く、満足したレベルに達しているとはいえなかった。
なお、耐破膜性を向上させる技術として、本出願人は特許文献5において、赤外分光法による末端ビニル基濃度がポリエチレン中の10,000個の炭素原子あたり2個以上である高密度ポリエチレン又は線状共重合ポリエチレンからなるポリエチレン微多孔膜を開示している。当該微多孔膜は優れた耐破膜性を有するものの、未だ十分とは言えなかった。また、微多孔膜の薄膜化、膜厚分布を小さくするための方法に関しては、示唆も開示も無い。
したがって、耐破膜性向上とヒューズ特性、および低熱収縮性を満足し、かつ膜厚も均一なセパレータの開発が課題となっていた。
特許第3699561号公報 特開2005−200578号公報 特開2004−196870号公報 特開平9−12756号公報 特許第3177744号公報
本発明は、耐破膜性と低熱収縮性を両立し、さらにヒューズ特性と品位にも優れるポリオレフィン微多孔膜を提供することを目的とする。
本発明者らは上述の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、特定のポリエチレンとポリプロピレンを含み、赤外分光法による末端ビニル基濃度が微多孔膜を構成するポリオレフィン中10,000個の炭素原子あたり2個以上であるポリオレフィン微多孔膜であると、溶融時の耐破膜性に優れることはもちろんのこと、電池内部において融点以上の高温になった場合にも熱収縮性が低いことを見出した。
また粘度平均分子量10万以上のポリプロピレンを7〜30wt%含むこと、かつ赤外分光法による末端ビニル基濃度が微多孔膜を構成するポリオレフィン中の10,000個の炭素原子あたり4個以上であることにより、上記に加えて、膜厚分布(特にMD方向の膜厚分布)を改善できることを見出した。
すなわち、本発明は以下の通りである。
[1]ポリエチレンと粘度平均分子量10万以上のポリプロピレンからなるポリオレフィン微多孔膜であって、該ポリプロピレンの含有量が4〜30wt%であり、かつ赤外分光法による微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が2個以上であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
[2]前記ポリプロピレンを7〜30wt%含むことを特徴とする上記[1]に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[3]上記[2]において、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が4個以上であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
[4]上記[2]において、粘度平均分子量10万以上100万未満のポリプロピレンを9〜30wt%含むことを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
[5]上記[2]において、粘度平均分子量10万以上100万未満のポリプロピレンを15〜30wt%含むことを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
[6]上記[3]において、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が5〜20個であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
[7]上記[3]において、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が6〜20個であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
[8]ポリエチレン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基が5〜20個のポリエチレンを20〜93wt%、粘度平均分子量が10万以上100万未満のポリプロピレンを7〜30wt%含み、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が4〜20個であることを特徴とする上記[3]のポリオレフィン微多孔膜。
[9]ポリエチレン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基を5〜20個有し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定される分子量1,000以下の成分の含有量が0.5〜10wt%であるポリエチレンを含有することを特徴とする上記[3]または[8]に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[10]上記[1]〜[9]のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜を用いた電池用セパレータ。
[11]上記[1]〜[9]のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜を用いた電池。
本発明のポリオレフィン微多孔膜は、耐破膜性と低熱収縮性の双方が達成されており、かつヒューズ特性に優れ、かつ膜厚も均一である。したがって、本発明のポリオレフィン微多孔膜を特に電池用セパレータとして使用する際の電池安全性を改善し、かつ電池製造上の歩留りを向上することが可能である。
以下に本発明の好ましい形態を詳述する。
本発明で用いるポリエチレンとしては、10,000個の炭素原子あたりの末端ビニル基濃度が2個以上のポリエチレン(以下PEa)や同濃度が1個以下のポリエチレン(以下PEb)と前記PEaとの混合物を用いることができる。
PEaおよびPEbは基本的にエチレン単位を主体とする重合体であるが、エチレンと、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、オクテン等のα−オレフィンとの共重合体であってもよい。エチレン単位に対するα−オレフィン含有量は、ポリオレフィン微多孔膜のヒューズ温度を下げる観点から、好ましくは0.1モル%以上であり、共重合体の結晶化度が低下して、微多孔膜の透化性が低下するのを防止する観点から、好ましくは2モル%以下である。より好ましくは0.1〜1モル%である。
本願で使用するポリエチレンおよびポリオレフィン微多孔膜の分子量1000以下の重量分率、分子量100万以上の重量分率、および分子量分布は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(以下GPC)で測定される数値である。具体的には日本ウォーターズ社製のGPC(商品名150−GPC)を使用し、カラムとしてSHODEX AT−807Sを一本と、TOSO TSK−GEL GMH−6Hを2本つないで使用し、溶媒として1,2,4−トリクロルベンゼン、カラム温度140℃で測定した。標準物質として市販の単分散ポリスチレンを用いて作成した校正曲線に基づき、ポリスチレン換算分子量分布データを得た。次にポリスチレン換算分子量分布データに、0.43(ポリエチレンのQファクター/ポリスチレンのQファクター=17.7/41.3)を乗じることにより得られる、ポリエチレン換算分子量分布データを使用して各数値を求めた。
本発明の要件を満たすポリオレフィン微多孔膜を効率よく製造するために、PEaの末端ビニル基濃度はポリエチレン中の10,000個の炭素原子あたり3個(以後、3個/10,000Cと表現する)以上のものを用いることが好ましく、より好ましくは5個/10,000C以上、更に好ましくは6個/10,000C以上、最も更に好ましくは8個/10,000C以上である。溶融混練時におけるPEaの熱劣化を防止する観点から、20個/10,000C以下であることが好ましく、好ましくは15個/10,000C以下である。末端ビニル基濃度がこの範囲であるPEaは、例えば特公平1−12777号公報に開示されたポリエチレン(B)が挙げられ、有機金属化合物と組み合わされたクロム化合物担持触媒を用いて、懸濁重合、溶液重合又は気相重合等を行うことにより製造可能である。末端ビニル基濃度は、触媒の活性状態、重合時間、重合温度等を適宜設定することにより調整できる。
PEaの密度は、好ましくは0.90〜0.98g/cm、より好ましくは0.93〜0.97g/cm、さらに好ましくは0.94〜0.96g/cmである。微多孔膜の多孔化が困難となるため密度が0.90以上であることが好ましく、0.98より大きい密度を有するPEaは入手困難である。
PEaの粘度平均分子量(以下Mv)は、好ましくは10万〜300万である。PEaのMvが10万以上であると微多孔膜の機械的強度が適当となり、また300万以下であると成形しやすい。より好ましくは20万〜200万、更に好ましくは30万〜80万である。PEaに含まれる分子量が100万以上の割合は、成型性が良好であるという観点から、好ましくは0.5%以上、より好ましくは1.0%以上、更に好ましくは3.0%以上である。
PEaの結晶融点は、均一な孔構造を有する微多孔膜が得られることから、好ましくは125℃以上、より好ましくは130℃以上、更に好ましくは132℃以上、最も好ましくは134℃以上150℃以下である。
PEaの分子量分布(重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn))は、膜厚ムラをより少なくするという観点から、好ましくは8以上40以下、より好ましくは10以上、更に好ましくは12以上、最も好ましくは14以上20以下である。PEaの成形加工性を良好にするために、2段重合やブレンド等の手段によってPEaの分子量分布を概ね10〜60の範囲で調整して使用することも可能である。例えば、上記特公平1−12777号公報に開示されているPEaが好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜中のPEaの末端ビニル基濃度は、GPC/FTIRを利用して確認することが可能である。具体的には、910cm−1のビニル基吸収が確認されるかどうかで判断可能である。
PEbとしては、上記の特公平1−12777号公報に開示されたポリエチレン(A)が挙げられ、マグネシウム化合物を含有したチーグラー触媒を用いて、懸濁重合、溶液重合又は気相重合等で2段重合によって製造可能である。
PEbの密度は、好ましくは0.90〜0.98g/cm、より好ましくは0.93〜0.97g/cm、さらに好ましくは0.94〜0.96g/cmである。微多孔膜の多孔化が困難となるため密度が0.90g/cm以上であることが好ましく、0.98g/cmより大きい密度を有するPEbは入手困難である。
PEbのMvは微多孔膜の機械的強度の観点から10万以上が好ましく、成形性の観点から300万以下が好ましい。より好ましくは20万〜200万、更に好ましくは30万〜80万である。
PEbの分子量分布(重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn))は、PEaと均一に溶融混練させるために、好ましくは2以上10以下、より好ましくは4以上10以下である。成型加工性をより良くする目的で、より広い分子量分布を得るために2段重合やブレンド等の手段によってPEbの分子量分布を概ね10〜60の範囲で調整して使用することができる。分子量分布は前記の方法で測定可能である。
上記のPEaとPEbの混合比は、結果として得られるポリオレフィン微多孔膜の末端ビニル基濃度が本発明の範囲から外れずかつ本発明の効果を損なわない範囲であれば特に限定されない。例えば、PEa/PEb=10/0〜1/9である。また数種類のPEaとPEbをブレンドして使用することも可能である。
本発明に用いられるポリエチレンに分子量が1,000以下の成分を0.5wt%以上含むと、ヒューズ温度をより低くすることができる点で好ましい。より好ましくは0.8wt%以上であり、更に好ましくは1.0wt%以上である。また、膜の機械的強度の低下を防ぐという観点から10wt%以下であることが好ましく、より好ましくは5.0wt%以下である。
分子量が1,000以下の成分は上述のGPCで測定可能であり、ポリオレフィン微多孔膜を構成するいずれの樹脂であってもよいが、PEaもしくはPEaが50wt%以上のポリエチレンであることが好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜におけるPEaの分子量1,000以下の成分は、GPC/FTIRを利用してポリオレフィン微多孔膜中の末端ビニル基分布を測定することにより確認可能である。具体的には、分子量が1000以下の成分に、FTIRによる910cm−1のビニル基吸収が確認されるかどうかで判断可能である。さらに、ポリオレフィン微多孔膜中に含まれるPEaの末端ビニル基濃度も、GPC/FTIRを利用して確認することが可能である。
また、結果として得られるポリオレフィン微多孔膜の末端ビニル基濃度が本発明の効果を損なわない範囲で、上述のPEaまたはPEaとPEbのブレンド組成物に、低密度ポリエチレンやポリメチルペンテン等をブレンドすることもできる。
本発明で用いるポリプロピレンとしては、ホモポリプロピレン又はエチレンプロピレンランダムコポリマー、エチレンプロピレンブロックコポリマー等を用いることができる。コポリマーの場合は、ポリプロピレンの結晶化度が低下せず、微多孔膜の透過性が低下しない観点からエチレン含有量が1.0重量%以下であることが好ましい。
ポリプロピレンのMvは、得られる微多孔膜の機械的強度の観点から10万以上、成形性の観点から100万未満であることが好ましい。より好ましくは20万〜80万、更に好ましくは40万〜80万である。
ポリプロピレンの結晶融点は微多孔膜の耐熱性を向上させる観点から、155℃以上であることが好ましく、より好ましくは160℃以上165℃以下である。
本発明のポリオレフィン微多孔膜全体に対するポリプロピレンの含有量は、成形性や膜厚を均一に保つために4〜30wt%以下である必要がある。安定した製膜を達成し、膜厚をより均一化する観点から、7〜30wt%以下が好ましく、更に好ましくは9〜30wt%以下、最も好ましくは15〜25wt%以下である。
一般に、ポリエチレンにポリプロピレンをブレンドした場合、ポリプロピレンは同じ分子量のポリエチレンと比較して溶融粘度が低いために、全体としての樹脂粘度がポリエチレンのみを使用した場合の樹脂粘度に比べて低下する傾向がある。ポリオレフィン微多孔膜に対するポリプロピレン含有量が4wt%以上になると、溶融粘度の低下が顕著となるため、ポリオレフィン微多孔膜の延伸工程において延伸機内の温度ムラ等の影響を受けやすくなり、偏肉による膜厚分布が起きる。しかし、本発明ではPEaを含有していることによりこれを防止でき、結果としてポリオレフィン微多孔膜の膜厚が均一となる。
このように本発明の微多孔膜の膜厚が均一となる理由は必ずしも明らかではないが、次のように考えられる。PEaは、ポリエチレン分子鎖末端にビニル基を2個以上有することに加えて、10,000炭素連鎖あたりに1本程度の長鎖分岐が存在する傾向があることが知られている。長鎖分岐の生成機構は現在でも完全に解明されていないが、分子鎖末端にビニル基を有するマクロモノマーが成長反応に消費される際に生成するものと考えられている。従って、末端ビニル基が多いPEaには10,000炭素連鎖あたりの長鎖分岐数(長鎖分岐濃度)も多いことが予測される。
一般的に長鎖分岐を有するポリエチレンは、低せん断速度での粘度が高いという特徴や、伸長粘度が増加する傾向にある。したがって、末端ビニル基濃度が高いほど、長鎖分岐の効果が顕著になると推測される。このようなポリエチレンにポリプロピレンをブレンドすることによって樹脂粘度低下するのを抑制し、延伸時の厚みムラを防止することが可能になっているのではないかと予想される。
本発明においては、延伸加工装置の延伸方向(MD)の厚みムラを見ることにより、膜の均一性を評価することが重要である。その理由は下記のとおりである。
通常、微多孔膜の膜厚ムラは、主にMDおよびTD(幅方向)の温度のバラつき、および原料ポリマーの溶融粘度の低下が原因で発生する。延伸加工装置は幅方向に長い数個の温度制御室で構成されているため幅方向の温度が均一になり難い。このためTDはMDに比べて温度のバラつきが大きいのが一般的である。従って、原料ポリマーが膜厚ムラに与える影響を評価しようとしても、この温度のバラつきの要因も考慮する必要があり、正しい評価が得られない。一方、MDは上記の理由から温度が均一なので、温度のバラつきが小さい。従って、原料ポリマーの溶融粘度が膜厚のバラつきに与える影響を判断するために好適である。また、MDの膜厚ムラが良好となれば、TDの膜厚ムラの改善にも繋がる。さらに、電池セパレータはMD寸法がTD寸法の10〜400倍となる形状で使用されることが多いため、TDの厚みムラよりもMDの厚みムラを抑えることの方が、電池性能を向上させるという点でも重要である場合が多い。
本発明のポリオレフィン微多孔膜は、加工装置の温度制御のバラつきによる影響、原料の溶融粘度が低下することによる影響の双方の問題を解決することができるので、延伸方向と幅方向の両方の厚みムラを改善することが可能である。
また、この厚みムラ防止効果により、ポリプロピレンをブレンドしたポリオレフィン微多孔膜において従来は困難であった、均一な膜厚分布を有する膜厚10μm以下のポリオレフィン微多孔膜も製造可能となる。さらに従来は溶融粘度がさらに低下するとして積極的には添加できなかった1,000以下のポリマー成分を添加することも可能となった。
さらに、本発明のポリオレフィン微多孔膜は、熱収縮率が従来の微多孔膜と同等であるにも関わらず、電池セパレータとして使用した場合、低収縮性である。このメカニズムは明らかではないが、PEa中に含まれる末端ビニル基が高温状態になると、電極との接着性を発現するためであると推測される。
本発明のポリオレフィン微多孔膜の末端ビニル基濃度は、膜厚ムラを少なくし低熱収縮性を達成するために、ポリオレフィン中の10,000個の炭素原子あたり2個以上(以後、2個/10,000Cと表現する)である。好ましくは4個/10,000C以上、より好ましくは5個/10,000C以上、更に好ましくは6個/10,000C以上である。末端ビニル基の反応によるポリオレフィン微多孔膜の熱劣化を防止するために、末端ビニル基濃度は20個以下が好ましく、より好ましくは15個以下である。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜の分子量は、ポリエチレン換算のMvで、好ましくは20万〜100万未満、より好ましくは20万〜80万、更に好ましくは20万〜60万である。ポリオレフィン微多孔膜の機械的強度の観点から20万以上が好ましく、製膜安定性の観点から100万未満が好ましい。
上記の微多孔膜の末端ビニル基濃度及び分子量は、後述するように、原料樹脂となるポリエチレンおよびポリプロピレンの種類、組成比によって調整すればよい。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜の膜厚は、好ましくは3μm〜50μmであり、より好ましくは3μm〜30μmである。機械的強度の観点から3μm以上が好ましく、微多孔膜の透過性の観点から50μm以下が好ましい。
本発明におけるMD膜厚偏差は3%未満であることが好ましい。MD膜厚偏差が3%未満であれば、セパレータの厚みのムラに起因する電池不良や電池性能低下を防止することが可能である。より好ましくは、MD膜厚偏差は2%以下、更に好ましくは1.5%以下である。この範囲とするためには、延伸装置の温度制御能力を適宜調整すればよい。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜の気孔率は、好ましくは20〜80%であり、より好ましくは30〜50%未満である。微多孔膜の透過性の観点から20%以上が好ましく、機械的強度を得るために80%以下が好ましい。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜の透気度は、好ましくは10〜2,000秒であり、より好ましくは50〜1,000秒、更に好ましくは50〜800秒、より更に好ましくは150〜800秒、最も好ましくは150〜600秒である。適度な機械的強度を得るためには10秒以上が好ましく、透過性の観点から2,000秒以下が好ましい。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜の突刺強度は、好ましくは1〜12N/16μm、より好ましくは2〜10N/16μm、更に好ましくは3〜8N/16μmである。微多孔膜をセパレータとして使用した際の機械的強度の観点から1N/16μm以上が好ましく、極度の分子配向による生産中の膜破断を防ぐ観点から12N/16μm以下が好ましい。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜は、ポリエチレンとして、赤外分光法による末端ビニル基濃度がポリエチレン中の10,000個の炭素原子あたり3〜20個であり、かつ重量平均分子量1,000以下の成分を0.5wt%以上含むポリエチレン(PEa)を使用することが、耐破膜性と低収縮性と高品位性を有しつつ、優れたヒューズ特性を達成できる点から好ましい。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜のヒューズ温度は、電池昇温時の安全性の観点から、2℃/minの昇温条件下で140℃以下が好ましい。より好ましくは138℃以下、更に好ましくは137℃以下、最も好ましくは136℃以下である。電池の使用環境を想定して、好ましくは100℃以上、より好ましくは120℃以上、更に好ましくは130℃以上である。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜のショート温度は、電池昇温時の安全性及び耐熱性の観点から、2℃/minの昇温条件下で160℃より高いことが好ましく、より好ましくは170℃より高く、更に好ましくは180℃より高いことが好ましい。
本発明におけるポリオレフィン微多孔膜の100℃における熱収縮率(%)はMD、TDのいずれについても30%以下であることが好ましく、より好ましくは20%以下、更に好ましくは15%以下である。熱収縮率が30%以下であれば、電池製造工程において微多孔膜が熱収縮しにくく、正極と負極がショートする問題が発生しにくい。
本発明のポリオレフィン微多孔膜は、GPC/FTIRより求められる分子量M(i)の常用対数値と末端メチル基濃度C(M(i))の値との最小二乗法近似直線関係が、M(i)10万以上100万以下の分子量範囲において、以下の関係を満たすことが好ましい。
C(M(i))=A×log(M(i))+B (A、Bは定数)
−0.015≦A≦2.000
GPC/FTIR測定で求められる分子量分布と末端メチル基濃度は、いずれも本発明の微多孔膜を構成するポリエチレンとポリプロピレンの各値の合算値となる。分子量M(i)はポリエチレン換算分子量である。末端メチル基濃度C(M(i))は、メチレン基に帰属される吸光度I(−CH−)(吸収波数2925cm−1)に対するメチル基に帰属される吸光度I(−CH)(吸収波数2960cm−1)の比I(−CH)/ I(−CH2−)とする。ここで、C(M(i))はポリマーの側鎖末端のメチル基と主鎖末端のメチル基との和となる。側鎖末端はポリプロピレンの側鎖メチル基にほぼ対応し、C(M(i))への影響度合いは大きい。よって、M(i)とC(M(i))との相関により、膜中のポリプロピレンの分子量分布を把握することが可能である。
本発明の微多孔膜を電池用セパレータとして用いる場合、例えば下記の方法で電池を作成すればよい。
まず、微多孔膜を幅10mm〜100mm、長さ200mm〜2000mmの縦長の形状にする。このセパレータを、正極−セパレータ−負極−セパレータ、または負極−セパレータ−正極−セパレータの順で重ね、円または扁平な渦巻状に巻回する。さらに、この巻回体を電池缶内に収納し、さらに電解液を注入する。
本発明における電池の種類は特に限定されないが、ポリオレフィン微多孔膜と電解液との親和性の観点から非水電解液電池であることが好ましい。また、本発明の微多孔膜をセパレータとして使用した場合に優れた安全性を付与できるという観点からリチウムイオン電池であることがより好ましい。
以下、本発明の微多孔膜における製造方法の好ましい例を説明する。
本発明の微多孔膜は、例えば次のような工程より得ることができる。(a)原料樹脂となるポリエチレンとポリプロピレン、可塑剤、及び酸化防止剤を窒素雰囲気下で溶融混練する工程、(b)溶融物を押出し、シート状に押出して冷却固化する工程、(c)少なくとも一軸方向に延伸を行う工程、(d)可塑剤を抽出する工程、(e)熱固定する工程。
これらの工程の順序および回数については特に限定は無いが、好ましくは以下の3種が挙げられる。
1.(a)工程→(b)工程→(c)工程→(d)工程→(e)工程
2.(a)工程→(b)工程→(c)工程→(d)工程→(c)工程→(e)工程
3.(a)工程→(b)工程→(d)工程→(c)工程→(e)工程
より好ましくは上記1.または2.である。
(a)工程における酸化防止剤の濃度が、溶融混練される全原料組成の合計量に対して0.2wt%以上であると、溶融時の末端ビニル基が反応することによるポリオレフィンの熱劣化を防止することができるので好ましい。より好ましくは0.4wt%以上、更に好ましくは0.5wt%以上である。また、得られる効果と経済性のバランスから、好ましくは3wt%以下、更に好ましくは2wt%以下である。
酸化防止剤としては、1次酸化防止剤であるフェノール系酸化防止剤が好ましい。具体的には、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、ペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート等が挙げられる。なお、2次酸化防止剤も併用して使用可能である。具体的には、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)フォスファイト、テトラキス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)−4,4−ビフェニレン−ジフォスフォナイト等のリン系酸化防止剤、ジラウリル−チオ−ジプロピオネート等のイオウ系酸化防止剤などが挙げられる。
(a)工程における可塑剤は、原料樹脂と混合した際に、その融点以上において均一溶液を形成しうる不揮発性溶媒を指す。例えば、流動パラフィンやパラフィンワックス等の炭化水素類、ジ−2−エチルヘキシルフタレート(DOP)、ジイソデシルフタレート、ジヘプチルフタレートなどが挙げられる。中でも流動パラフィンが好ましい。
可塑剤の重量割合は、溶融混練される全原料組成の合計量に対して20wt%以上80wt%以下であると、製膜性の観点から好ましく、より好ましくは25wt%以上75wt%以上である。
(a)工程における可塑剤は、経済性の観点から微多孔膜製造工程で回収されたリサイクル品であっても良い。回収の方法としては、後述する(b)工程および(c)工程において膜外へ排出される可塑剤を回収する方法や、(d)工程において蒸留や相分離等の手段によって抽出溶媒と可塑剤の混合物から可塑剤を分離回収する方法が挙げられる。
ポリオレフィン以外のポリマーやその他の材料についても、製膜性を損なうことなく、そして本発明の効果を損なわない範囲で配合することが可能である。さらに、必要に応じて、ステアリン酸カルシウムやステアリン酸亜鉛等の金属石鹸類、紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤、防曇剤、着色顔料などの公知の添加剤も、製膜性を損なうことなく、そして本発明の効果を損なわない範囲で混合することが可能である。
溶融混練の方法としては、例えば、ヘンシェルミキサー、リボンブレンダー、タンブラーブレンダー等で混合後、一軸押出し機、二軸押出し機等のスクリュー押出し機、ニーダー、バンバリーミキサー等により溶融混練させる方法が挙げられる。溶融混練する方法としては、連続運転可能な押出し機で行うことが好ましい。混練性の観点から二軸押出し機がより好ましい。可塑剤は、上記ヘンシェルミキサー等で原料樹脂と混合しても良い。また、溶融混練時に押出し機に直接フィードしても良い。
溶融混練時の温度は分散性の観点より、140℃以上が好ましく、160℃以上がより好ましく、180℃以上が更に好ましい。また分子劣化を防ぐ観点から好ましくは300℃以下、より好ましくは280℃以下、更に好ましくは260℃以下である。ポリエチレン微多孔膜の製造工程では、後述する(b)〜(e)工程において、膜のTD端部を切り揃えることにより発生する屑を、溶融混練時に、ポリオレフィン微多孔膜の品位や性能を損わない程度に原料として再混入することも可能である。
ポリオレフィン微多孔膜の末端ビニル基濃度を本発明に記載の範囲にする方法としては、ポリオレフィン微多孔膜の原料組成全体に占めるPEaのブレンド量を調節する方法やPEaの末端ビニル基濃度を調節する方法等が挙げられる。このうち、PEaのブレンド量を調節する方法が、得られる微多孔膜の物性調整が容易なため好ましい。例えば、末端ビニル基濃度が10個のPEaを使用して、ポリオレフィン微多孔膜の末端ビニル基濃度を2以上にする概算の原料ブレンド比は、全体を100wt%として、PEa20〜96wt%、ポリプロピレン4〜30wt%、PEb0〜76wt%である。また、ポリオレフィン微多孔膜の末端ビニル基濃度を4個以上にするためには、PEa40〜96wt%、PP4〜30wt%、PEb0〜56wt%である。
溶融混練工程においては、上述のように酸化防止剤を高濃度に添加し、さらに窒素雰囲気下で行うことが好ましい。これにより、溶融混練時の揃断発熱によってPEaの末端ビニル基が酸素と反応して分子劣化するのを防ぐことが可能となる。その結果ポリオレフィン微多孔膜の末端ビニル基濃度を高く保ち、優れた特性を付与することが可能となる。
(b)工程において、(a)工程で得られた混練物をシート状に成形する方法としては、溶融物を冷却により固化させる方法をあげることができる。冷却方法として、冷風や冷却水等の冷却媒体に直接接触させる方法、冷媒で冷却したロールやプレス機に接触させる方法等が挙げられる。冷媒で冷却したロールやプレス機に接触させる方法が、厚み制御が優れる点で好ましい。
(c)工程で用いられる延伸方法としては、ロール延伸機によるMD一軸延伸、テンターによるTD一軸延伸、ロール延伸機とテンターの組み合わせによる逐次二軸延伸、同時二軸テンターやインフレーション成形による同時二軸延伸などが挙げられる。中でも、高強度且つ耐変形性の観点より、同時二軸延伸であることが好ましく、同時二軸テンターによる同時二軸延伸が更に好ましい。延伸による面倍率は、機械的強度を適度に保つため、20倍以上が好ましく、30倍以上がより好ましく、40倍以上が更に好ましい。また経済性と安定性の観点より100倍以下が好ましい。延伸温度は100℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましく、115℃以上が更に好ましい。また135℃以下が好ましく、130℃以下が更に好ましい。
上述の通り、本発明のポリオレフィン微多孔膜は薄膜化が可能となる。ここでの薄膜とは概ね10μm以下の膜厚を意味している。ポリオレフィン微多孔膜の薄膜化には延伸機内の温度分布の制御が重要である。特にポリプロピレンをブレンドした場合には、樹脂の溶融粘度が低下するためにより一層薄膜化が困難となる。ところが本発明においては、PEa中に存在する長鎖分岐の厚みムラ防止効果により、従来は困難であった、均一な膜厚分布を有する膜厚10μm以下のポリオレフィン微多孔膜も製造可能となる。
(d)工程における抽出溶媒としては、膜を構成するポリオレフィンに対して貧溶媒であり、且つ可塑剤に対しては良溶媒であり、沸点が膜を構成するポリオレフィンの融点よりも低いものが望ましい。このような抽出溶媒としては、例えば、n−ヘキサンやシクロヘキサン等の炭化水素類、塩化メチレンや1,1,1−トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、ハイドロフロロエーテルやハイドロフロロカーボン等の非塩素系ハロゲン化溶剤、エタノールやイソプロパノール等のアルコール類、ジエチルエーテルやテトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトンやメチルエチルケトン等のケトン類が挙げられる。この中から適宜選択し、単独もしくは混合して用いる。中でも塩化メチレンやメチルエチルケトンが好ましい。(d)工程における抽出溶媒は、経済性の観点から(d)工程において回収された溶媒をリサイクル品しても良い。回収の方法としては、蒸留や相分離等によって、抽出溶媒と可塑剤の混合物から抽出溶媒を分離回収する方法が挙げられる。
可塑剤抽出は、(c)工程で得られたシートを、これらの抽出溶媒に浸漬すればよい。その後、これを充分に乾燥させる。
(e)工程における熱固定は、テンターやロール延伸機等にて、所定の温度雰囲気で、所定の緩和操作を行うことで実施される。なお、緩和の前に気孔率調整等のため低倍率の延伸を行っても良い。その場合の延伸倍率は、1〜3倍が好ましく、1〜2倍が更に好ましい。また延伸時の温度は100℃以上が好ましく、110℃以上が更に好ましい。また135℃以下が好ましく、130℃以下が更に好ましい。緩和操作とは、膜のMD及び/或いはTDの寸法を一旦延伸した後、その寸法を少し元に戻す操作のことである。延伸成形体の熱収縮率を考慮すると、緩和前のMD或いはTDの寸法に対して、1.0倍以下が好ましく、0.95倍以下がより好ましく、0.9倍以下が更に好ましい。また、しわ発生防止の観点より、0.6倍以上であることが好ましい。緩和時の温度は、熱収縮率の観点より、100℃以上が好ましく、110℃以上が更に好ましい。また、気孔率及び透過性を適当な範囲とするためには、140℃以下が好ましく、135℃以下が更に好ましい。
なお、必要に応じて、電子線照射、プラズマ照射、イオンビーム照射、界面活性剤塗布、化学的改質などの表面処理を本発明の効果を損なわない程度に施すことが出来る。
さらに、本発明に記載のポリオレフィン微多孔膜を少なくとも一層使用した積層膜を作成することも可能である。積層方法は特に限定されないが、共押出、張り合わせなどの方法が可能である。セパレータの電池内部での熱収縮を抑制する観点から、本発明の微多孔膜を少なくとも一方の最表層に用いることが好ましい。
本発明のポリエチレン微多孔膜は、電池用セパレータに好適に使用することができる。
本発明を下記の実施例により具体的に説明するが、本発明の範囲を限定するものではない。本発明で用いた各種物性は、以下の試験方法に基づいて測定した。
(1)粘度平均分子量
ポリエチレンおよびポリオレフィン微多孔膜の粘度平均分子量は、溶剤としてデカリンを用い、測定温度135℃で測定し、粘度[η]から次式により算出した。
[η]=6.77×10−4Mv0.67(Chiangの式)
また、ポリプロピレンについては、次式によりMvを算出した。
[η]=1.10×10−4Mv0.80
(2)末端ビニル基濃度
ポリオレフィン微多孔膜を、加熱プレスを用いて1mm程度の厚さにした後、赤外分光光度計(株式会社バリアンテクノロジーズジャパンリミテッド製FTS60A/896/UMA300)で測定した910cm-1における吸光度、ポリオレフィン微多孔膜の密度(g/cm3)及びサンプルの厚さ(mm)より、POLYMER LETTERS VOL.2,PP.339−341に記載の式を参考にして、末端ビニル基濃度、すなわちポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基個数(以下、この単位を個/10,000Cで表現する)を以下の式より算出した。なお、小数点以下を切り捨てて算出した。
末端ビニル基濃度(個/10,000C)=11.4×吸光度/(密度・厚さ)
なお、密度の単位はg/cm3であり、厚さの単位はmmである。
(3)ポリオレフィン微多孔膜中のポリプロピレン含量(wt%)
ポリオレフィン中に含まれるポリプロピレンwt%が4、9、20、30、40wt%であるポリオレフィン微多孔膜を準備し、示差走査熱量計(DSC)より、ポリプロピレンに帰属される結晶融解熱量(J/g)を測定した。プロピレン結晶融解熱量に対するプロピレンwt%の関係を示す原点を通る最小二乗法近似直線を検量線と定義した。この検量線を使用して、DSCで得られるポリプロピレン結晶融解熱量からポリオレフィン微多孔膜中のポリプロピレンwt%を求めた。図1に得られた検量線の例を示す。
なお、結晶融解熱量は以下の方法で求めた。DSCサンプルは、ポリオレフィン微多孔膜を直径5mmの円形に打ち抜き、重ね合わせて3mgとし、直径5mmのアルミ製サンプルパン内に入れて、クリンピングカバーでシールすることにより作成した。プロピレン結晶融解熱は、島津製作所製DSC(品名:DSC−60A)を用いて窒素雰囲気下にて、30〜200℃まで10℃/分で昇温した後、200℃にて5分間温度保持した。さらに200〜30℃まで10℃/分にて冷却した後30℃にて5分間温度保持し、再び30〜200℃まで10℃/分にて昇温した際に測定される数値をとした。
(4)密度(g/cm3)
ASTM−D1505に準拠し、密度勾配管法(23℃)で測定した。
(5)膜厚(μm)
東洋精機製の微小測厚器、KBM(商標)を用いて室温23℃で測定した。
(6)気孔率(%)
10cm×10cm角の試料を微多孔膜から切り取り、その体積(cm)と質量(g)を求め、それらと膜密度(g/cm)より、次式を用いて計算した。
気孔率=(体積−質量/膜密度)/体積×100
なお、膜密度は0.95(g/cm3)として算出した。
(7)透気度(sec)
JIS P−8117に準拠し、東洋精器(株)製のガーレー式透気度計、G−B2(商標)により測定した。
(8)突刺強度(N/16μm)
カトーテック製のハンディー圧縮試験器KES−G5(商標)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーで微多孔膜を固定した。次に固定された微多孔膜の中央部を、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secで、25℃雰囲気下にて突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重として生の突刺強度(N)を得た。これに16(μm)/膜厚(μm)を乗じることにより16μm膜厚換算突刺強度(N/16μm)を算出した。
(9)ヒューズ温度(℃)・破膜(ショート)温度(℃)
図2(A)にヒューズ温度の測定装置の概略図を示す。1は微多孔膜であり、2A及び2Bは厚さ10μmのニッケル箔、3A及び3Bはガラス板である。4は電気抵抗測定装置(安藤電気製LCRメーター「AG−4311」(商標))でありニッケル箔2A、2Bと接続されている。5は熱電対であり温度計6と接続されている。7はデーターコレクターであり、電気抵抗装置4及び温度計6と接続されている。8はオーブンであり、微多孔膜を加熱する。
さらに詳細に説明すると、図2(B)に示すようにニッケル箔2A上に微多孔膜1を重ねて、縦方向に「テフロン」(登録商標)テープ(図の斜線部)でニッケル箔2Aに固定する。微多孔膜1には電解液として1mol/リットルのホウフッ化リチウム溶液(溶媒:プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート/γ−ブチルラクトン=1/1/2)が含浸されている。ニッケル箔2B上には図2(C)に示すように「テフロン」(登録商標)テープ(図の斜線部)を貼り合わせ、箔2Bの中央部分に15mm×10mmの窓の部分を残してマスキングした。
ニッケル箔2Aとニッケル箔2Bを微多孔膜1をはさむような形で重ね合わせ、さらにその両側からガラス板3A、3Bによって2枚のニッケル箔をはさみこんだ。このとき、箔2Bの窓の部分と、多孔膜1が相対する位置に来るようにした。
2枚のガラス板は市販のダブルクリップではさむことにより固定した。熱電対5は「テフロン」(登録商標)テープでガラス板に固定した。
このような装置で連続的に温度と電気抵抗を測定する。なお、温度は25℃から200℃まで2℃/minの速度にて昇温させ、電気抵抗値は1V、1kHzの交流にて測定した。ヒューズ温度とは微多孔膜の電気抵抗値が10Ωに達するときの温度と定義した。また、ヒューズの後、電気抵抗値が再び103Ωを下回るときの温度を破膜(ショート)温度とした。
(10)100℃熱収縮率(%)
ポリオレフィン微多孔膜を各辺がMDとTDに平行となるように100mm四方に切り取り、100℃に温調したオーブン内に1時間放置した後に、MD、TD熱収縮率を測定した。
(11)MD膜厚偏差(%)
ポリオレフィン微多孔膜をMDに1,000mm、TDに30mm切取った短冊上の膜を10枚重ねにしたものについて、MDに50mm間隔でTDの中央部の膜厚を計20点測定した。得られる膜厚の最大値と最小値と平均膜厚より、次式を用いてMD膜厚偏差を算出した。
MD膜厚偏差(%)=(最大値−最小値)/10/平均膜厚×100
(12)150℃、155℃簡易オーブン試験
以下の手順で作成した未充電状態のリチウムイオン電池を30℃から150℃(又は155℃)まで昇温速度5℃/分にて加熱した後、150℃(または155℃)で10分間保持した。該電池を室温まで冷却した後、該電池を解体して電極板積層体を取り出し、電極板積層体の最外部におけるセパレータ熱収縮による電極露出の有無、電池捲回方向に対して垂直方向の、上下の電極端部露出の有無、電極板積層体内部でのセパレータ破膜の有無を目視にて確認した。電極露出/または破膜が有る場合を×、無い場合を○とした。
(13)不透気化温度測定
ポリオレフィン微多孔膜をMDに60mm、TDに60mmに切取った膜を50mm四方の金枠に固定し、一定温度で5分間加熱する試験を行った。加熱後の微多孔膜の透気度が10万秒を超えた温度(不透気化温度)を測定した。
[リチウムイオン電池作成手順]
a.非水電解液の調製
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート=1:2(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1.0mol/リットルとなるように溶解させて調製した。
b.正極の作製
活物質としてリチウムコバルト複合酸化物LiCoOを92.2wt%、導電剤としてリン片状グラファイトとアセチレンブラックをそれぞれ2.3wt%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)3.2wt%をN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の両面にダイコーターで塗付し、130℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、正極の活物質塗付量は250g/m,活物質嵩密度は3.00g/cm3になるようにした。これを電池幅に合わせて切断して帯状にした。
c.負極の作製
活物質として人造グラファイト96.9wt%、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.4wt%とスチレン−ブタジエン共重合体ラテックス1.7wt%を精製水中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを負極集電体となる厚さ12μmの銅箔の両面にダイコーターで塗付し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、負極の活物質塗付量は106g/m,活物質嵩密度は1.35g/cmになるようにした。これを電池幅に合わせて切断して帯状にした。
d.電池組立
幅約42mmに切断した帯状ポリオレフィン微多孔膜(セパレータ)と帯状正極及び帯状負極を、帯状負極、セパレータ、帯状正極、セパレータの順に重ねて渦巻状に複数回捲回した後、平板状にプレスを行うことによって電極板積層体を作製した。前項(9)で作成した電極板積層体をアルミニウム製容器に収納し、正極集電体から導出したアルミニウム製リードを容器壁に、負極集電体から導出したニッケル製リードを容器蓋端子部に接続した。さらにこの容器内に前記した非水電解液を注入し封口した。
[実施例1]
Mv30万、密度0.95g/cm、分子量分布15、末端ビニル基濃度10個/10,000C、Mw1000以下の成分1.2wt%であるPEa(ホモポリマー)(以下PEa−1とする)91wt%、Mv40万、密度0.91g/cm、結晶融点162℃、結晶融解熱100J/g、結晶化温度100℃、溶融張力(230℃)6.8g、メルトフローレート0.5g/10分、Mw/Mn5.9のポリプロピレン(ホモポリマー)(以下PP−1とする)9wt%を、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られたポリマー混合物99wt%に、酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1wt%添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、混合物を得た。フィーダーおよび二軸延伸機内の雰囲気を窒素で置換し、得られた混合物をフィーダーにより二軸押出機へ供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
溶融混練で押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が60wt%となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練は、設定温度200℃、スクリュー回転数280rpm、吐出量10kg/hにて行った。
続いて、溶融混練物をT−ダイを経て表面温度80℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1,400μmのゲルシートを得た。
次に、このゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度122℃とした。
その後、このシートをメチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬させて流動パラフィンを抽出除去し、その後、メチルエチルケトンを乾燥除去した。
さらに、このシートをTDテンターに導き、低倍率で延伸し、さらに緩和操作を行った。延伸倍率は、TDテンター導入時の膜幅に対し1.4倍であり、緩和操作は、125℃で、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.86倍で行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。また、得られた微多孔膜をMDに30mm、TDに300mmの短冊状に切り取り、MDの中央部をTDに10mm間隔で測定した。この際の膜厚標準偏差は0.12μmであり、膜厚偏差は2.8%であった。さらに前項(11)に記載のMD膜厚偏差を測定した際に得られた標準偏差は0.06μmであった。得られた微多孔膜は膜厚偏差が小さく、150℃、155℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜が無かった。
[実施例2]
原料として、PEa−1を10wt%と、Mv28万、密度0.95g/cm、末端ビニル基濃度1個/10,000C、Mw1000以下の成分0wt%であるPEb(ホモポリマー)(以下PEb−1とする)を86wt%、PP−1を4wt%とを用い、同時二軸テンター延伸機の設定温度を121℃とした以外は、実施例1と同様にして微多孔膜を製造した。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚偏差が小さく、150℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜が無かった。ただし、155℃簡易オーブン試験では電極露出があった。
[実施例3]
PEa−1を70wt%と、PP−1を30wt%とをタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られたポリマー混合物99wt%に、酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1wt%添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
溶融混練で押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が60wt%となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練は、設定温度200℃、スクリュー回転数200rpm、吐出量10kg/hにて行った。
続いて、溶融混練物をT−ダイを経て表面温度80℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1,400μmのゲルシートを得た。
次に、このゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度127℃であった。
さらに、このシートをメチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
その後、このシートをTDテンターに導き、小延伸及び熱固定を行った。延伸部の倍率は、TDテンター導入時の膜幅に対し1.3倍であり、熱固定部条件は、温度は115℃で、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.85倍とした。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚偏差が小さく、150℃、155℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜も無かった。
[実施例4]
PEa−1を40wt%、Mv70万、密度0.95g/cm、末端ビニル基濃度1個/10,000C、Mw1000以下の成分0wt%であるPEb(ホモポリマー)(以下PEb−2とする)を53wt%、PP−1を7wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1wt%添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5m2/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
溶融混練で押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が65wt%となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練条件は、設定温度200℃、スクリュー回転数150rpm、吐出量10kg/hにて行った。
続いて、溶融混練物をT−ダイを経て表面温度60℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1350μmのゲルシートを得た。
次に、このゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度122℃であった。
さらに、このシートをメチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
その後、このシートをTDテンターに導き、小延伸及び熱固定を行った。延伸部の倍率は、TDテンター導入時の膜幅に対し1.3倍とした。熱固定部条件は、温度は126℃で、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.85倍とした。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚偏差が小さく、150℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜が無かった。ただし、155℃簡易オーブン試験では部分的な電極露出があった。
[実施例5]
ゲルシートの厚みを800μmとし、同時二軸テンター延伸機の設定温度を120℃とした以外は実施例1と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚9μmと薄膜でありながら、膜厚偏差が小さく、150℃、155℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜も無かった。
[実施例6]
PEa−1を60wt%と、PEb−2を31wt%と、PP−1を9wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1wt%添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5m2/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
溶融混練で押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が65wt%となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練は、設定温度200℃、スクリュー回転数280rpm、吐出量10kg/hにて行った。
続いて、溶融混練物をT−ダイを経て表面温度80℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1,350μmのゲルシートを得た。
次に、このゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度122℃である。
さらに、このシートをメチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
その後、このシートをTDテンターに導き、小延伸及び熱固定を行った。延伸部の倍率は、TDテンター導入時の膜幅に対し1.5倍であり、熱固定部条件は、温度は123℃で、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.77倍とした。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚偏差が小さく、150℃、155℃簡易オーブン試験での電極露出、セパレータ破膜が無かった。
[実施例7]
PEa−1を80wt%と、PP−1を20wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1wt%添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5m2/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
溶融混練で押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が60wt%となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練条件は、設定温度200℃、スクリュー回転数280rpm、吐出量10kg/hとした。
続いて、溶融混練物をT−ダイを経て表面温度80℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1700μmのゲルシートを得た。
次に、このゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度119℃である。
さらに、このシートをメチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
その後、このシートをTDテンターに導き、小延伸及び熱固定を行った。延伸部の倍率は、TDテンター導入時の膜幅に対し1.65倍であり、熱固定部条件は、温度は120℃で、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.81倍とした。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚偏差が小さく、150℃、155℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜も無かった。
[実施例8]
PEa−1を10wt%と、PEb−1を70wt%と、PP−1を20wt%使用した以外は実施例7と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は膜厚偏差が小さく、150℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜も無かった。ただし、155℃簡易オーブン試験では電極露出があった。
[実施例9]
PEa−1を40wt%と、PEb−1を40wt%と、PP−1を20wt%使用した以外は実施例7と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚偏差が小さく、150℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜も無かった。ただし、155℃簡易オーブン試験では部分的な電極露出があった。
[実施例10]
PEa−1を60wt%と、PEb−1を20wt%と、PP−1を20wt%使用した以外は実施例7と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は膜厚偏差が小さく、150℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜も無かった。
[実施例11]
PEa−1を40wt%と、PEb−1を30wt%と、PP−1を30wt%使用し、TDテンターの延伸部の倍率をTDテンター導入時の膜幅に対し1.7倍、熱固定部の温度を117℃、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.82倍にした以外は、実施例7と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。得られた微多孔膜は、膜厚偏差が小さく、150℃簡易オーブン試験における電極露出、セパレータ破膜も無かった。ただし、155℃簡易オーブン試験では部分的な電極露出があった。
[比較例1]
PEb−1を96wt%と、PP−1を4wt%用いた以外は実施例2と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。得られた微多孔膜は高い耐破膜性を有していたものの、低熱収縮性に劣り、さらに膜厚偏差が大きかった。
[比較例2]
PEb−1を91wt%用いた以外は実施例1と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。得られた微多孔膜は高い耐破膜性を有していたものの、低熱収縮性に劣り、さらに膜厚偏差が大きかった。
[比較例3]
Mv40万、密度0.95g/cm3、末端ビニル基濃度1個/10,000C、Mw1,000以下の成分0wt%であるPEb(ホモポリマー)を95wt%と、PP−1を5wt%とをタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1wt%添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
溶融混練で押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が60wt%となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練は、設定温度200℃、スクリュー回転数200rpm、吐出量12kg/hにて行った。
続いて、溶融混練物をT−ダイを経て表面温度25℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1,250μmのゲルシートを得た。
次に、このゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度121℃とした。
次に、このシートをメチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
さらに、このシートをTDテンターに導き、小延伸及び熱固定を行った。延伸部の倍率は、TDテンター導入時の膜幅に対し1.5倍であり、熱固定部条件は、温度は122℃で、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.87倍とした。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。なお参考として、得られた微多孔膜を50mm四方の金枠に固定し、一定温度で5分間加熱する試験を行った。加熱後の微多孔膜の透気度が10万秒を超える温度は134℃であった。
得られた微多孔膜は高い耐破膜性を有していたものの、低熱収縮性に劣り、さらに膜厚偏差が大きかった。
[比較例4]
Mv20万、密度0.95g/cm、末端ビニル基濃度1個/10,000C、Mw1000以下の成分0wt%であるPEb(ホモポリエチレン)を70wt%、Mvが300万、密度0.93g/cm、末端ビニル基濃度1個/10,000C、Mw1000以下の成分0wt%であるPEb(ホモポリエチレン)を27wt%、PP−1を3wt%を、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1wt%添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。溶融混練で押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が70wt%となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練は、設定温度230℃、スクリュー回転数250rpm、吐出量15kg/hにて行った。続いて、溶融混練物をT−ダイを経て表面温度30℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1700μmのゲルシートを得た。
次に、このゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度124℃とした。
続いて、このシートをメチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
さらに、このシートをTDテンターに導き、小延伸及び熱固定を行った。延伸部の倍率は、TDテンター導入時の膜幅に対し1.6倍であった。熱固定部条件は、温度は129℃で、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.81倍とした。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。
得られた微多孔膜は高い耐破膜性を有していたものの、低熱収縮性に劣り、さらに膜厚偏差が大きかった。
[比較例5]
PEa−1のみを用い、同時二軸テンター延伸機の設定温度を120℃とした以外は実施例1と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。得られた微多孔膜は低熱収縮性を有しているが、耐破膜性の点で劣っていた。
[比較例6]
PEb−1のみを用い、同時二軸テンター延伸機の設定温度を120℃とした以外は実施例1と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。得られた微多孔膜は低熱収縮性、耐破膜性の両方の点で劣っていた。
[比較例7]
PEb−1を80wt%、PP−1を20wt%使用し、TDテンターの延伸部の倍率をTDテンター導入時の膜幅に対し1.7倍、熱固定部の倍率をTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.82倍にした以外は、実施例7と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。得られた微多孔膜は、低熱収縮性の点で劣っており、さらに膜厚偏差が大きいものであった。
[比較例8]
PEb−1を70wt%、PP−1を30wt%使用し、TDテンターの延伸部の倍率をTDテンター導入時の膜幅に対し1.7倍、熱固定部の温度を117℃、倍率はTDテンターによる延伸後の膜幅に対し0.82倍にした以外は、実施例7と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。得られた微多孔膜は、低熱収縮性の点で劣っており、さらに膜厚偏差も大きかった。
[比較例9]
Mv20万、密度0.95g/cm、末端ビニル基濃度1個/10,000CのPEb(ホモポリエチレン)65wt%、Mvが300万、密度0.93g/cm3、末端ビニル基濃度1個/10,000CのPEb(ホモポリエチレン)25wt%、PP−1を10wt%使用し、TDテンターの熱固定部の温度を127℃とした以外は、比較例4と同様に行った。
得られた微多孔膜の物性を表2に示した。得られた微多孔膜は高い耐破膜性を有するものの、低熱収縮性に劣り、さらに膜厚偏差も大きかった。
[参考例1]
実施例試験方法(9)で使用した装置を用いて、25℃から180℃まで5℃/分で昇温した後、180℃にて30分間保持した際のインピーダンス測定を行った(180℃インピーダンス測定)。なお本試験では、電極として試験方法(9)に示すニッケル箔A、Bに替えて、試験方法(12)で使用した正極と負極を使用した。実施例7に記載のポリオレフィン微多孔膜は本試験において、試験後も電極間の離隔性を保持しており、耐破膜性と形状保持性に優れていた。
[参考例2]
ポリオレフィン微多孔膜としてCelgard(R)2300(Celgard.Inc製)を使用して、参考例1と同様の試験を行った。その結果、十分な離隔性を保持していなかった。試験後のポリオレフィン微多孔膜の状態を確認した結果、膜が溶融して電極内部へ流動したことが原因であると考えられる。
Figure 0005213443
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本発明のポリオレフィン微多孔膜は、電池、コンデンサー、燃料電池等の電気化学反応装置向けセパレータ及び、ウィルスや不純物を除去する濾過膜に好適に利用できる。
本発明のプロピレン結晶融解熱量に対するプロピレンwt%の関係を示す検量線 本発明のヒューズ温度およびショート温度測定装置の概略図

Claims (11)

  1. ポリエチレンと粘度平均分子量10万以上のポリプロピレンからなるポリオレフィン微多孔膜であって、該ポリプロピレンの含有量が4〜30wt%であり、かつ赤外分光法による微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が2個以上であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
  2. 前記ポリプロピレンを7〜30wt%含むことを特徴とする請求項1に記載のポリオレフィン微多孔膜。
  3. 請求項2において、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が4個以上であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
  4. 請求項2において、粘度平均分子量10万以上100万未満のポリプロピレンを9〜30wt%含むことを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
  5. 請求項2において、粘度平均分子量10万以上100万未満のポリプロピレンを15〜30wt%含むことを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
  6. 請求項3において、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が5〜20個であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
  7. 請求項3において、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が6〜20個であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
  8. ポリエチレン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基が5〜20個のポリエチレンを20〜93wt%、粘度平均分子量が10万以上100万未満のポリプロピレンを7〜30wt%含み、微多孔膜を構成するポリオレフィン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基濃度が4〜20個であることを特徴とする請求項3のポリオレフィン微多孔膜。
  9. ポリエチレン中の炭素原子10,000個あたりの末端ビニル基を5〜20個有し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定される分子量1,000以下の成分の含有
    量が0.5〜10wt%であるポリエチレンを含有することを特徴とする請求項3または8に記載のポリオレフィン微多孔膜。
  10. 請求項1〜9のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜を用いた電池用セパレータ。
  11. 請求項1〜9のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜を用いた電池。
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