JP5524849B2 - 比較的大きな平均孔径を有する微多孔性膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、多様な用途に好適な微多孔性ポリマー膜を提供する。本発明は、ポリマー、核剤及び希釈剤をブレンドして微多孔性ポリマー膜を形成するために、熱誘起相分離法(TIPS)のプロセスを適用する。熱誘起相分離法(TIPS)プロセスを使用してこのブレンドから製造される微多孔性膜は、約2μm超、幾つかの実施形態では約3μm〜約15μmの平均孔径を包含する一連の微多孔性を有するように変更することができる。
本発明の微多孔性膜は、ポリマー球顆状マトリックス材料、ポリマー球顆状マトリックス材料全体にほぼ均一に分散された核剤、更に、ポリマーマトリックス材料全体にほぼ均一に分散された任意の希釈剤及びその他の任意の添加物を包含する多数の構成成分を含むが、これらに限定されない。本発明の微多孔性膜を形成するための代表的構成成分についてもまた以下で述べる。
本発明の微多孔性膜は、少なくとも1種のポリマー球顆状マトリックスを含む。好適なフッ素化ポリマーとしては、ポリ(フッ化ビニル)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVDF)、及びコポリマー(主要ポリマーはPVDFである)が挙げられるが、これらに限定されない。
1種以上の希釈剤材料を1種以上の上記のポリマーとブレンドしてもよい。好適な希釈剤としては、グリセロールトリアセテート、ジブチルフタレート、及びプロピレンカーボネートが挙げられるが、これらに限定されない。グリセロールトリアセテートが好ましい。TIPSプロセスにて希釈剤として機能することに加えて、グリセロールトリアセテートは、その無害性に関連した更なる利点をも有する。グリセロールトリアセテートは、以前は食品添加物として使用されてきた故、無害である。グリセロールトリアセテートは、膜内に残留するか、部分的又はほとんど完全に除去され得る。グリセロールトリアセテートは、水を溶媒として使用して、微多孔性膜から速やかに除去されることができる。更に、副生成物又は溶出液は、グリセロール及び酢酸であり、その両方は無害かつ下水に流すこともできる(sewerable)。
本発明の微多孔性膜は、少なくとも1種の核剤を利用するTIPSプロセスによって製造する。核剤が存在しない場合と比べて、ポリマーの結晶化が大幅に促進されるために、ある種のポリマー材料、例えばPVDFポリマーの結晶化中に、少なくとも1種の核剤が存在することが有利である。言い換えると、溶解物からポリマーが晶出する際に形成される(that form)、数の増大した小さくなったポリマードメイン(即ち、球粒)が存在するために、これによってフィルムがより均一でより強力な微細構造となる。より小さく、より均一なポリマー微細構造は、単位体積当たりの小線維の数が増大し、材料の伸縮性がより大きくなり、従来得られたものよりも、より大きな中空多孔性及びより大きな引張り強度が得られる。核剤の使用に関する更なる詳細については、例えば、米国特許第6,632,850号及び同第4,726,989号に記載されており、その主題は、その全体が参照として本明細書に組み込まれている。
本発明の微多孔性材料には、各種追加成分が含まれてもよい。これらの成分は、ポリマーブレンド溶解物に加えられてもよく、キャスティング後に材料へ加えられても、材料延伸後に材料に加えられてもよく、以下この点について説明する。
本発明の微多孔性膜は、使用する材料、ポリマー球顆状マトリックス内に核剤を均一に分散するための適切な混合、微多孔性膜を形成するために使用する、溶解物を加熱及び急冷するためのその他TIPSプロセス条件、並びに微多孔性膜に適用する任意の形成後処理(例えば、加熱工程、コーティング工程など)を包含する多数の因子に依存する構造特性を有するが、これらに限定されない。多数の性質及び特性について以下説明する。
上述したように、本発明の微多孔性膜は、約2.0μm超、典型的には約3.0μm超の平均孔径を有し得る。ほとんどの実施形態では、本発明の微多孔性膜は、約3.0μm〜約15.0μmの平均孔径を有する。
本発明の微多孔性膜は、その使用目的に応じて変化する平均層厚みを有し得る。典型的には、各微多孔性膜層は、平均厚みが約25マイクロメートル〜約500マイクロメートルの範囲である。
本発明の微多孔性膜は、その使用目的、プロセス条件、及び使用する材料に応じて変化し得る、その中を通る流体流れの抵抗度を有する。微多孔性膜を通る流体流れを測定する一方法は、標準条件下で、ASTM D726−58、方法A(本明細書では、「ガーレイ多孔度(the Gurley porosity)」又は「ガーレイ通気抵抗(the Gurley resistance to air flow)」とも呼ばれる)に記載されているように、所与の体積の気体が微多孔性膜の標準領域を通過するために必要な時間として表される、微多孔性膜を通る気体流れの抵抗を測定することである。ガーレイ通気抵抗は、50立法センチメートル(cc)の空気、又は別の特定体積の空気が、124mm水圧にて微多孔性膜の6.35cm2(1平方インチ)を通過するための秒単位での時間である。
本発明の微多孔性膜の多孔性は、次式を使用して、(i)延伸フィルムの測定されたバルク密度(dsf)及び(ii)(a)延伸前の純粋ポリマーの測定されたバルク密度(dpp)又は(ii)(b)延伸前の、純粋ポリマーに希釈剤を加えたものについて測定されたバルク複合材料密度(dcdに基づいて計算された多孔性値(Pcal)で表してもよい。
II.微多孔性膜及びそれを含有する物品の製造方法
本発明の微多孔性膜は、熱誘起相分離法又はTIPSを使用して製造される。TIPS法は一般に、熱可塑性ポリマー又はポリマーブレンドを希釈剤及び核剤と溶融混合することを伴い、ここで希釈剤は熱可塑性ポリマー又はポリマーブレンドと、熱可塑性ポリマー又はポリマーブレンドの融解温度にて混和性であるが、熱可塑性ポリマー又はポリマーブレンドの相分離温度未満で冷却すると、相が分離する。本発明で使用する場合、用語「希釈剤」は、固体及び液体希釈剤の両方を包含するものとする。(i)熱可塑性ポリマー又はポリマーブレンドと(ii)希釈剤との間の相分離は、液体−固体である。フィルム又は物品が相分離した後、フィルム又は物品は、少なくとも1方向に配向され、至る所に相互接続微細孔の網状組織を提供する。更に、相溶性希釈剤は、配向される前又は後のいずれかにて除去してよく、あるいは、細孔構造の充填を促進するためにフィルム内に維持されてもよい。TIPSプロセスの説明は、米国特許第5,976,686号、同第4,726,989号及び同第4,539,256号、並びに米国特許出願第2005/0058821号(その主題は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる)内に見出すことができる。
本発明の微多孔性膜(及び少なくとも1つの微多孔性膜を含有する物品)については、その他の物品形状が考えられ、かつ形成可能ではあるものの、一般にシート又はフィルムの形態である。例えば、物品は、シート、チューブ、フィラメント、又は中空繊維の形態であってもよい。本発明の微多孔性膜(及び少なくとも1つの微多孔性膜を含有する物品)は、自立型フィルム(又はその他成形物品)であってもよく、あるいは、ラミネーションなどの用途に応じて、ポリマー、金属、セルロース、セラミック、又はこれらの任意の組み合わせである材料から製造された構造体などの基材へ固定してもよい。
実施例においては、以下の材料を用いた。
3M/ダイネオン(Dyneon)1012 PVDFポリマー、溶解温度171℃、メルトフローインデックス6.5(3M(ミネソタ州、セントポール))
希釈剤:
トリアセチン(TRIACETIN)(登録商標)グリセロールトリアセテート(イーストマン・コダック社(Eastman Kodak Co.)(ニューヨーク州、ロチェスター(Rochester)))
核剤:
ハイパーフォーム(HYPERFORM)(登録商標)HPN−68L、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸二ナトリウム塩(ミリケン・ケミカル社(Milliken Chemical Co.)(サウスカロライナ州、スパータンバーグ(Spartanburg))) クロモフタル・ブルー(Chromophthal Blue)色素(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ(Ciba Specialty Chemicals)(ニューヨーク州、ホーソーン(Hawthorne)))
試験方法
実施例にて製造したフィルムの特性を決定するために、以下の試験方法を使用した。
ガーレイとは、膜の気体流れ抵抗の指標であって、ASTM D726−58、方法Aにて明記されているように、一定容積の気体が標準条件下で膜の標準面積を通過するのに必要な時間として表される。ガーレイは、50立法センチメートル(cc)の空気、又は別の特定体積の空気が、124mm水圧にて膜の6.35cm2(1平方インチ)を通過するための秒単位での時間である。フィルムサンプルを円筒リングの間に取り付け、その最上部には、ピストンが収容され、一定量の空気が放出された際に、ピストンから、その自重によって上部シリンダー内の空気に圧力が加えられ、一定量の空気が膜を通過するのにかかった時間が計測された。
バブルポイント孔径は、ASTM−F−316−80に従ってマイクロメートル単位で測定された最大有効孔径を表すバブルポイント値である。
通水抵抗試験とは、約77.3kPa(580mm Hg)の減圧下にて、脱イオン水100ccが47mmディスクの膜を通過するのに要した秒単位での時間を測定するものである。必要であれば、膜はアルコールにて予め濡らしておき、水による濡れを開始させる。低い値は、大きな水分流動率を示す。
微多孔性PVDFフィルムは、以下説明する方法を使用し、図1に示したものと同様の装置を使用して製造した。図1を参照すると、PVDFポリマーペレット(3M/ダイネオン(Dyneon)1012)をスクリュー速度150RPMの40mm二軸押し出し機を備えたホッパー12内に導入した。粉末形態の核剤(ハイパーフォーム(HYPERFORM)(登録商標)HPN−68L)を、2リットルバッチ内でグリセロールトリアセテート希釈剤(トリアセチン(TRIACETIN)(登録商標)グリセロールトリアセテート)と共に、IKAワークス社(IKA Works, Inc.)(ノースカロライナ州、ウィルミントン(Wilmington))からのウルトラ・タラックス(ULTRA TURRAX)(登録商標)T−25、ベーシック高剪断力ミキサーを用いて、約5分間予備混合し(ユニットに対して1つの速度のみを用いた)、アグロメレート化していない、ザラザラしていない、手触りが滑らかな状態に、粉末を均一に分布して、次に、追加の希釈剤を用いて、供給装置13によってポート11を通して押出成形機10内へと供給した。PVDFポリマー/希釈剤/核剤の重量比は、各々42.65/57.00/0.35であった。総押し出し速度は、毎時約11.3キログラム(kg/時間)であった。
微多孔性PVDFフィルムは、PVDFポリマー/希釈剤/核剤重量比が各々38.75/61.00/0.25であった以外は、実施例1に記載されている装置及び手順を使用して製造した。総押し出し速度は、約13.6kg/時であり、キャスト速度は、1.37m/分であり、インライン延伸比は、132℃で1.1×1.2であった。
微多孔性PVDFフィルムは、全ての原材料のスループット率が13.6kg/時であり、キャスティングホイール温度が59℃に維持され、キャスト速度が1.83m/分であり、インライン延伸比が132℃で1.35×1.35であった以外は、実施例1に記載されている装置及び手順を使用して製造した。
微多孔性フィルムは、ガスト・マニュファクシャリング社(GAST Mfg. Corp.)(ミシガン州、ベントンハーバー(Benton Harbor))製、型式1AM−NCC−12、エアモーター/プロペラ・ブレードミキサーを5分間使用して、HPN−68L核剤及びグリセロールトリアセテート希釈剤2リットルプレミックス分散体バッチを調製した以外は実施例1のようにして製造した。実施例1のようにして、分散体を押出成形機内に供給した。しかし、フィルムは、希釈剤除去及びフィルム延伸の更なる処理をするために取り扱うには弱すぎる(例えば、フィルムは触ると粉々になった)ことが判明した。HPN−68粉末は、グリセロールトリアセテート希釈剤中では、アグロメレート化し、手触りがザラザラしていることが判明したが、これはプレミックス分散体の不適切な混合によるものである。
微多孔性PVDFフィルムは、0.35重量%のハイパーフォーム(HYPERFORM)(登録商標)HPN−68Lの代わりに、0.25重量%の核剤、クロモフタル・ブルー(Chromophthal Blue)色素を使用した以外は、実施例1に記載されている装置及び手順を使用して製造した。総押し出し速度は、約9.0kg/時であり、キャスト速度が2.0m/分であり、かつ延伸比は1.4×1.5であった。
実施例1に記載されているような装置及び手順に以下の変更を加えて使用することで、多層フィルムを製造した。実施例1のPVDFポリマー/希釈剤/核剤・組成物を、3ゾーン・フィードブロック・ネックチューブアダプターの最上部及び底部ゾーン内に、11.3kg/時の供給速度にて供給した。第二押出成形機、特に25mm二軸押し出し機を使用して、3ゾーン・フィードブロック・ネックチューブアダプターの中央ゾーンへと、比較実施例2の組成物を1.5kg/時の供給速度にて押し出した。
微多孔性PVDFフィルムの連続ロールは、PVDFポリマー/希釈剤/核剤重量比が各々39.85/60.00/0.15であった以外は、実施例1に記載されている装置及び手順を使用して製造した。総押し出し速度は、約13.6kg/時であり、キャスト速度は、1.6m/分であり、フィルムダイは、166℃に維持され、インラインフィルム延伸比は、132℃で1.6×2.2であった。
Claims (5)
- ポリ(フッ化ビニリデン)ポリマーマトリックス、及び、均一に前記ポリマーマトリックス全体に分散された核剤を含む第一層(前記核剤は、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸二ナトリウム塩を含み、ここで、前記第一層は、その内部の孔が均一な分布を有し、前記孔が2.0μm超の平均孔径を有する)を含む、微多孔性膜。
- 前記ポリマーマトリックスがポリマー球粒を含み、かつ前記核剤がポリマーマトリックスのポリマー球粒内に存在する、請求項1に記載の微多孔性膜。
- 前記第一層の少なくとも1つの外部主面上に第二層を更に含み、前記第二層が、その中に均一な孔分布を有するポリマーマトリックスを含み、前記第二層中の前記孔が0.05μm〜15.0μmの範囲の平均孔径を有する、請求項1に記載の微多孔性膜。
- 微多孔性膜の製造方法であって、前記製造方法が、
ポリ(フッ化ビニリデン)ポリマーマトリックス、希釈剤、及び均一に前記ポリマーマトリックス全体に分散された核剤を含む第一層を形成すること(前記核剤は、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸二ナトリウム塩を含む)、並びに
前記第一層を少なくとも1方向に延伸する工程、を含み、
ここで、前記方法は、2.0μm超の平均孔径を備えた、その内部に均一な孔分布を有する微多孔性膜をもたらす、製造方法。 - 前記第一層の少なくとも1つの外部主面上に、0.05μm〜15.0μmの範囲の平均孔径を備えた、その中に均一な孔分布を有するポリマーマトリックスを含む第二層を形成することを更に含む、請求項4に記載の方法。
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