JP5342775B2 - ポリオレフィン微多孔膜の製造方法及びその微多孔膜 - Google Patents
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Description
ポリオレフィン(PO)は単一物又は二種以上のPOからなる組成物のどちらでもよい。POの質量平均分子量(Mw)は特に制限されないが、通常1×104〜1×107であり、好ましくは1×104〜15×106であり、より好ましくは1×105〜5×106である。
以下本発明の第一及び第二の製造方法について詳細に説明するが、各方法の特徴は別の方法も具備し得るものと理解されたい。
(A) 第一の製造方法
本発明の第一のPO微多孔膜の製造方法は、(1) 上記POに成膜用溶剤を添加した後、溶融混練し、PO溶液を調製する工程、(2) PO溶液をダイリップより押し出した後、冷却してゲル状成形物を形成する工程、(3) POの結晶分散温度+15℃〜結晶分散温度+40℃で、ゲル状成形物に対して少なくとも一軸方向に第一の延伸を施す工程、(4) 成膜用溶剤を除去する工程、(5) 得られた膜を乾燥する工程、及び(6) 乾燥した膜に対して、1.1〜2.5倍の倍率で少なくとも一軸方向に第二の延伸を施す工程を含む。更に(1)〜(6)の工程の後、必要に応じて(7) 熱処理工程、(8) 電離放射による架橋処理工程、(9) 親水化処理工程、(10) 表面被覆処理工程等を設けてもよい。
まずPOに適当な成膜用溶剤を添加した後、溶融混練し、PO溶液を調製する。PO溶液には必要に応じて酸化防止剤、紫外線吸収剤、アンチブロッキング剤、顔料、染料、無機充填材等の各種添加剤を本発明の効果を損なわない範囲で添加することができる。例えば、孔形成剤として微粉珪酸を添加できる。
溶融混練したPO溶液を押出機から直接に又は別の押出機を介してダイから押し出すか、一旦冷却してペレット化した後再度押出機を介してダイから押し出す。ダイリップとしては、通常は長方形の口金形状をしたシート用ダイリップを用いるが、二重円筒状の中空状ダイリップ、インフレーションダイリップ等も用いることができる。シート用ダイリップの場合、ダイリップのギャップは通常0.1〜5mmの範囲内であり、押し出し時には140〜250℃の温度に加熱する。加熱溶液の押し出し速度は0.2〜15 m/分の範囲内であるのが好ましい。
得られたシート状のゲル状成形物を少なくとも一軸方向に延伸する。延伸によりPO結晶ラメラ層間の開裂が起こり、PO相が微細化し、多数のフィブリルが形成される。得られるフィブリルは三次元網目構造(三次元的に不規則に連結したネットワーク構造)を形成する。ゲル状成形物は成膜用溶剤を含むので、均一に延伸できる。第一の延伸は、ゲル状成形物を加熱後、通常のテンター法、ロール法、インフレーション法、圧延法又はこれらの方法の組合せにより所定の倍率で行うことができる。第一の延伸は一軸延伸でも二軸延伸でもよいが、二軸延伸が好ましい。二軸延伸の場合、同時二軸延伸又は逐次延伸のいずれでもよいが、同時二軸延伸が好ましい。
成膜用溶剤の除去(洗浄)には洗浄溶媒を用いる。PO相は成膜用溶剤と相分離しているので、成膜用溶剤を除去すると多孔質の膜が得られる。洗浄溶媒は公知のものでよく、例えば塩化メチレン、四塩化炭素等の塩素化炭化水素;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の炭化水素;三フッ化エタン等のフッ化炭化水素;ジエチルエーテル、ジオキサン等のエーテル;メチルエチルケトン等の易揮発性溶媒が挙げられる。その他に、特開2002-256099号に開示されている、25℃において表面張力が24 mN/m以下になる洗浄溶媒を用いることができる。このような表面張力を有する洗浄溶媒を用いると、洗浄溶媒を除去するための乾燥時に微孔内部の気―液界面における張力により生じる網状組織の収縮が抑制される。その結果微多孔膜の空孔率及び透過性が一層向上する。
延伸及び成膜用溶剤除去により得られた膜を、加熱乾燥法、風乾法等により乾燥することができる。乾燥温度は、POの結晶分散温度以下の温度であるのが好ましく、特に結晶分散温度より5℃以上低い温度であるのが好ましい。
乾燥後の膜を、再び少なくとも一軸方向に延伸する。第二の延伸は、膜を加熱しながら、第一の延伸と同様にテンター法等により行うことができる。第二の延伸は一軸延伸でも二軸延伸でもよい。二軸延伸の場合、同時二軸延伸又は逐次延伸のいずれでもよいが、同時二軸延伸が好ましい。
第二の延伸を施した膜を熱処理するのが好ましい。熱処理により微多孔膜の結晶が安定化し、ラメラ層が均一化する。熱処理方法としては、熱固定処理及び熱緩和処理のいずれの方法を用いてもよく、これらは微多孔膜に要求される物性に応じて適宜選択すればよいが、熱固定処理が好ましい。熱固定処理は、テンター方式、ロール方式又は圧延方式により行う。熱固定処理はPO微多孔膜を構成するPOの融点+30℃以下、好ましくは結晶分散温度以上〜融点以下の温度範囲内で行う。
第二の延伸を施した微多孔膜に対して、電離放射による架橋処理を施してもよい。電離放射線としてはα線、β線、γ線、電子線等を用いることができる。電離放射による架橋処理は、0.1〜100 Mradの電子線量及び100〜300 kVの加速電圧により行うことができる。架橋処理によりメルトダウン温度を向上させることができる。
第二の延伸を施した微多孔膜を親水化処理してもよい。親水化処理としては、モノマーグラフト処理、界面活性剤処理、コロナ放電処理、プラズマ処理等を用いる。モノマーグラフト処理は電離放射後に行うのが好ましい。
第二の延伸を施した微多孔膜は、PP;ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂多孔質体;ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド等の多孔質体等で表面を被覆することにより、電池用セパレータとして用いた場合のメルトダウン特性が向上する。被覆層用のPPは、Mwが5,000〜500,000の範囲内であるのが好ましく、25℃の温度における100 gのトルエンに対する溶解量が0.5 g以上であるのが好ましい。このPPは、ラセミダイアド(連なった2つの単量体単位が互いに鏡像異性の関係にある構成単位)の分率が0.12〜0.88であるのがより好ましい。
第二のPO微多孔膜の製造方法は、第一の製造方法に対して、(i) 第一の延伸の温度が結晶分散温度以上〜融点+10℃でもよい点、及び(ii) 成膜用溶剤除去の前及び/又は後に、第一の延伸を施した膜を熱溶剤に接触させる点のみが異なり、その他の工程については同じである。従って、以下第一の延伸工程、及び熱溶剤処理工程についてのみ説明する。
第二の製造方法の第一の延伸工程では、延伸温度はPOの結晶分散温度以上〜融点+10℃の範囲内にすればよい。好ましくは結晶分散温度〜結晶分散温度+40℃にし、より好ましくは結晶分散温度+5℃〜結晶分散温度+35℃の範囲内にし、特に好ましくは結晶分散温度+10℃〜結晶分散温度+30℃にする。POがPEからなる場合、延伸温度を通常90〜130℃の範囲内にし、好ましくは100〜125℃の範囲内にし、より好ましくは110〜123℃の範囲内にする。第一の延伸は上記と同様に、テンター法等により行うことができる。延伸倍率についても上記と同様でよい。
第二の製造方法では、成膜用溶剤除去の前及び/又は後に、第一の延伸を施した膜を熱溶剤に接触させる。熱溶剤処理は成膜用溶剤除去の前に行うのが好ましい。加熱処理用溶剤としては、上記液状の成膜用溶剤が好ましい。中でも加熱処理用溶剤としては流動パラフィンが好ましい。ただし加熱処理用溶剤はPO溶液を製造する際に用いたものと同一であってもよいし、異なってもよい。
本発明の好ましい実施態様による微多孔膜は、次の物性を有する。
(1) 透気度(ガーレー値)は15〜400秒/100 cm3である(膜厚20μm換算)。ただし微多孔膜を電池セパレータとして用いる場合、透気度(ガーレー値)は30〜400秒/100 cm3/20μmであるのがより好ましい。電池セパレータの透気度がこの範囲だと、電池容量が大きく、電池のサイクル特性が良好である。透気度が30秒/100 cm3/20μm未満では電池内部の温度上昇時にシャットダウンが十分に行われない可能性がある。微多孔膜をフィルタとして用いる場合、透気度は15〜200秒/100 cm3/20μmであるのがより好ましい。上記のように透気度は第二の延伸の倍率を選択することにより調節することができる。
(2) 空孔率は25〜80%である。空孔率が25%未満では良好な透気度が得られない。一方80%を超えていると、微多孔膜を電池セパレータとして用いた場合の強度が不十分であり、電極が短絡する危険が大きい。
(3) 平均細孔径は一般的に0.01〜1.0μmである。微多孔膜を電池セパレータとして用いる場合、平均細孔径は0.03μm以上であるのがより好ましく、0.05μm以上であるのが特に好ましい。平均細孔径が0.03μm以上であると、一層優れた透過性が得られ、電解液の浸透性が良好である。セパレータの平均細孔径の上限は特に制限されないが、1.0μmを超えるとデンドライト成長を抑えられなくなり、電極の短絡が起こり易くなる。微多孔膜をフィルタとして用いる場合、平均細孔径は0.01〜0.1μmであるのがより好ましい。上記のように平均細孔径は第二の延伸の倍率を選択することにより調節することができる。
(4) 迷路係数〈下記式:(迷路係数)=[透気度(sec/100 cm3/20μm)/4.22]×空孔率(%)×平均孔径(nm)×[膜厚(cm)×5.18×10-3]-1により算出〉は12×109以下である。迷路係数が12×109以下であると、一層優れた透過性が得られ、電解液の浸透性が良好である。
(5) 突刺強度は1,500 mN/20μm以上である。突刺強度が1,500 mN/20μm未満では、微多孔膜を電池用セパレータとして電池に組み込んだ場合に、電極の短絡が発生する恐れがある。
(6) 引張破断強度はMD方向及びTD方向のいずれにおいても20,000 kPa以上である。これにより破膜の心配がない。
(7) 引張破断伸度はMD方向及びTD方向のいずれにおいても100%以上である。これにより破膜の心配がない。
(8) 105℃の温度で8時間暴露後の熱収縮率はMD方向及びTD方向ともに30%以下である。熱収縮率が30%を超えると、微多孔膜をリチウム電池用セパレータとして用いた場合、発熱時にセパレータ端部が収縮し、電極の短絡が発生する可能性が高くなる。
(9) 2.2 MPa(22 kgf/cm2)の圧力下において、90℃で5分間加熱圧縮した後の膜厚変化率は15%以上である。膜厚変化率が15%以上であると、微多孔膜を電池セパレータとして用いた場合に電極膨張の吸収が良好であり、微多孔膜を電池セパレータとして用いた場合に、電池容量が大きく、電池のサイクル特性も良好である。膜厚変化率は20%以上であるのが好ましい。
(10) 到達透気度値[上記条件で加熱圧縮した後の透気度値(ガーレー値。膜厚20μm換算。)]は600秒/100 cm3以下である。この値が600秒/100 cm3/20μm以下であると、微多孔膜を電池セパレータとして用いた場合に、電池容量が大きく、電池のサイクル特性も良好である。この値は500秒/100 cm3/20μm以下が好ましい。
Mwが2.0×106のUHMWPE(Mw/Mn=8)20質量%と、Mwが3.5×105のHDPE(Mw/Mn=13.5)80質量%とからなり、Mw/Mn=16であるPE(融点:135℃、結晶分散温度:100℃)に、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン-3-(3,5-ジターシャリーブチル-4-ヒドロキシフェニル)-プロピオネート]メタンをPE100質量部当たり0.375質量部加えたPE組成物を得た。得られたPE組成物25質量部を二軸押出機(内径58 mm、L/D=42、強混練タイプ)に投入し、この二軸押出機のサイドフィーダーから75質量部の流動パラフィンを供給し、210℃及び200 rpmの条件で溶融混練して、押出機中でPE溶液を調製した。続いて、このPE溶液を押出機の先端に設置されたTダイから、厚さ1.7 mmのシートになるように押し出し、40℃に温調した冷却ロールで引き取りながら、ゲル状成形物を形成した。得られたゲル状成形物に対して、テンター延伸機を用いて、119.5℃の温度で5×5倍の同時二軸延伸(第一の延伸)を施した。次いで枠板[サイズ:20 cm×20 cm、アルミニウム製(以下同じ)]に固定し、25℃に温調した塩化メチレンの洗浄槽中に浸漬し、100 rpmで3分間揺動させながら洗浄した。洗浄した膜を室温で風乾した。乾燥した膜を110℃の温度で予備加熱し、テンター延伸機により、110℃の温度下、15%/秒の速度でTD方向に1.4倍に再び延伸した(第二の延伸)。再延伸膜をテンターに保持しながら110℃の温度で30秒間熱固定処理してPE微多孔膜を作製した。なお第一の延伸、洗浄処理、乾燥処理、第二の延伸及び熱固定処理は一連のライン上で連続的に行った。
第二の延伸の倍率を1.3倍にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第二の延伸の倍率を1.2倍にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第二の延伸の倍率を1.75倍にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第一の延伸の温度を119.7℃にし、乾燥処理後の膜を一旦巻きフィルムとし、これを巻き戻しながら第二の延伸(温度:100℃、倍率:1.35倍)を施した以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第一の延伸の温度を119.7℃にし、第二の延伸を100℃の温度下MD方向に1.3倍の倍率で行った以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第一の延伸の温度を119.7℃にし、第二の延伸を100℃の温度下MD方向に1.6倍の倍率で行った以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
ゲル状成形物の膜厚を1.3 mmにし、第一の延伸の温度を116.5℃にし、第二の延伸を100℃の温度下MD方向に1.3倍の倍率で行い、熱固定処理温度を127℃にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
ゲル状成形物の膜厚を1.1 mmにし、第一の延伸の温度を118℃にし、第二の延伸の温度及び熱固定処理温度を126.8℃にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第一の延伸の温度を119℃にし、第二の延伸の温度及び熱固定処理温度を128℃にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
表1に示すようにMwが2.0×106のUHMWPE(Mw/Mn=8)30質量%と、Mwが3.5×105のHDPE(Mw/Mn=13.5)70質量%とからなり、Mw/Mn=15.7であるPE(融点:136℃、結晶分散温度:100℃)を原料樹脂として用い、PE溶液中の樹脂濃度を30質量%にし、膜厚を1.3 mmにした以外参考例1と同様にして、ゲル状成形物を形成した。得られたゲル状成形物に対して、テンター延伸機を用いて、116℃の温度で5×5倍の同時二軸延伸(第一の延伸)を施した。得られた一次延伸膜を上記と同じ枠板に固定し、128℃に温調した流動パラフィン浴に2秒間浸漬した。次いで25℃に温調した塩化メチレンの洗浄槽中に浸漬し、100 rpmで3分間揺動させながら洗浄した。洗浄した膜を室温で風乾した後、テンター延伸機により、125℃の温度下、15%/秒の速度でTD方向に1.4倍に再び延伸した(第二の延伸)。再延伸膜をテンターに保持しながら125℃の温度で30秒間熱固定処理してPE微多孔膜を作製した。なお第一の延伸、熱溶剤処理、洗浄処理、乾燥処理、第二の延伸及び熱固定処理は一連のライン上で連続的に行った。
表1に示すようにHDPEとしてMwが3.0×105であるものを使用し、PO溶液の濃度を30質量%にし、ゲル状成形物の膜厚を1.3 mmにし、第二の延伸及び熱溶剤処理のいずれも行わず、熱固定処理温度を125℃にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
HDPEとしてMwが3.0×105であるものを使用し、ゲル状成形物の膜厚を1.3 mmにし、第一の延伸の温度を114℃にし、第二の延伸の倍率を1.3倍にし、熱固定処理温度を125℃にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第二の延伸の倍率を1.0倍にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
PO溶液の濃度を30質量%にし、第二の延伸の倍率を3.0倍にした以外参考例1と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第二の延伸の倍率を1.0倍にした以外実施例3と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
第二の延伸をMD方向に3.0倍の倍率で行った以外実施例3と同様にして、PE微多孔膜を作製した。
・膜厚:接触厚さ計(株式会社ミツトヨ製)により測定した。
・透気度:JIS P8117によりガーレー値を測定した(膜厚20μm換算)。
・空孔率:質量法により測定した。
・平均細孔径:原子間力顕微鏡(AFM)により20個の細孔について測定した径の平均を算出した。
・迷路係数:式[透気度(sec/100 cm3/20μm)/4.22]×空孔率(%)×平均孔径(nm)×[膜厚(cm)×5.18×10-3]-1に従い、算出した。
・突刺強度:微多孔膜を直径1mm(0.5 mm R)の針を用いて速度2mm/秒で突刺したときの最大荷重を測定し、20μm厚に換算した。
・引張破断強度:10 mmの幅を有する短冊状試験片の引張破断強度をASTM D882により測定。
・引張破断伸度:10 mmの幅を有する短冊状試験片の引張破断伸度をASTM D882により測定。
・熱収縮率:微多孔膜を105℃で8時間暴露したときのMD方向及びTD方向の収縮率をそれぞれ3回ずつ測定し、平均値を算出した。
・耐圧縮性:高平滑面を有する一対のプレス板の間に膜を挟み、これをプレス機により90℃の温度及び2.2 MPaの圧力で5分間プレスし、膜を均一に加熱圧縮した後、上記の方法により膜厚及び透気度(到達透気度値)を測定した。膜厚変化率は、加熱圧縮前の膜厚を100%として算出した。
表1(続き)
表1(続き)
表1(続き)
(2) 破膜した。
Claims (3)
- ポリオレフィンと成膜用溶剤とを溶融混練し、得られた溶融混練物をダイより押出し、冷却することによりゲル状成形物を形成し、得られたゲル状成形物に対して少なくとも一軸方向に第一の延伸を施し、前記成膜用溶剤を除去し、前記溶剤除去後の延伸物に対して少なくとも一軸方向に第二の延伸を施すポリオレフィン微多孔膜の製造方法において、第一の延伸の温度を前記ポリオレフィンの結晶分散温度+15℃〜結晶分散温度+19℃にし、前記第二の延伸の温度を前記ポリオレフィンの結晶分散温度+25℃〜結晶分散温度+40℃にし、第二の延伸の倍率を延伸軸方向に1.1〜2.5倍にすることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法において、前記成膜用溶剤除去の前及び/又は後に、第一の延伸を施した膜を、加熱した溶剤に接触させることを特徴とする方法。
- 請求項1又は2に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法において、第二の延伸の後、熱固定処理することを特徴とする方法。
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