JP5718325B2 - シャットダウン機能を有する電池用微孔質ホイル - Google Patents
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Description
メルトフローインデックスが、DIN 53 735に従って、ポリプロピレンポリマーについては、230℃、2.16kgの荷重で、ポリエチレンについては、190℃、2.16kgの荷重で測定された。
それらの異なる結晶範囲又は結晶相のため、例えば、プロピレンポリマーなどの半結晶性の熱可塑性ポリマーは、溶融範囲を有する代わりに固定した融点を持たない。従って、融点及び溶融範囲は、各々のポリマーのDSC曲線からの正確に定められた方法で導かれる値である。DSC測定において、単位時間あたりの熱量は、定められた加熱速度でポリマーに適用され、熱流束が温度に対してプロットされ、即ち、エンタルピーの変化がベースラインからの熱流束の偏差として測定される。ベースラインは、相転移が起こらない曲線の(直線状の)部分であると理解される。ここで、直線関係は、適用された熱と温度との間に存在する。溶融プロセスが生じる範囲において、要求される溶融エネルギーにより増加された熱流束及びDSC曲線は、上昇する傾向がある。微結晶のほとんどが溶融している範囲では、曲線は極大点を通過し、微結晶の全てが溶融した後、ベースラインに降下する。本発明の目的では、融点は、DSC曲線の極大である。本発明の目的では、溶融範囲の始まりは、DSC曲線がベースラインから逸れ、DSC曲線の上昇が生じる(開始)温度である。同様に、溶融範囲の終わりは、DSC曲線が、再びベースラインに降下した温度である。
プレフィルムのβ−含有率もまた、DSC測定によって決定され、これは、以下の方法で、プレフィルム上で行われる:プレフィルムはまず220℃に加熱され、DSCにおいて加熱速度10K/分で溶融され、次に、再び冷却される。この第1加熱曲線から、結晶化度Kβ,DSCが、β−及びα−結晶性の相(Hβ+Hα)の溶融エンタルピーの合計に対するβ−結晶性の相(Hβ)の溶融エンタルピーの比として決定される。
密度は、DIN 53 479、方法Aに従って決定される。
ホイルの透過度は、ガーレーテスター4110を使用して、ASTM D 726−58に従って測定された。100cm3の空気が試料の1インチ2(6.452cm2)の面積を透過するために必要な時間(秒)が決定される。ホイルに亘る圧力差は、12.4cmの高さの水柱の圧力に相当する。必要とされる時間はガーレー数に相当する。
シャットダウン機能は、温度130℃の熱処理の前後で行われるガーレー測定に基づき決定される。ホイルのガーレー数は、上記のようにして測定される。次に、ホイルは、5分間、加熱オーブン中で130℃の温度に曝される。次いで、ガーレー数が、上述のようにして、再度決定される。ホイルが少なくとも5000sのガーレー値を有し、熱処理後に少なくとも1000s増加した場合に、シャットダウン機能が作用する。
長さ方向及び横断方向の収縮値は、収縮プロセスの前のホイルの各々の直線状長さ(縦L0及び横Q0)を言及する。長さ方向は、機械方向であり、従って、横断方向は、機械方向に直交する方向として定義される。寸法が10*10cm2の試験片が、循環空気オーブンにおいて、温度100℃で60分収縮させられる。次に、試験片の残った直線状長さを再び、長さ方向及び横断方向(L1及びQ1)について決定される。最初の長さL0及びQ0に対する測定した直線状長さ間の差に100を乗じて収縮率をパーセントで表す。
押出プロセスにおいて、単層プレフィルムは、フラットダイから、押出温度240〜250℃で押出された。このプレフィルムは、まず、冷却ローラ上で延伸され、冷却される。次に、プレフィルムは、長さ方向及び横断方向に配向され、最後に固定される。ホイルは、以下の組成を有する:
13C−NMRアイソタティシティが97%であり、n−ヘプタン溶解性分画が2.5重量%(100%PPに対して)であり、融点165℃;2.16kgの荷重、230℃のメルトフローインデックスが2.5g/10分(DIN 53 735)の約80重量%の高アイソタクチックプロピレンホモ重合体(PP)と、
密度が0.954(ISO 1183)であり、MFIが190℃、2.16kgの荷重で0.4g/10分(ISO 1133/D)であるか、21.6kgの荷重で27g/10分(ISO 1333/G)であり、融点が130℃(DSC:10℃/minの加熱速度でのピーク)、溶融範囲が125℃で開始する約20重量%のHDPE(高密度ポリエチレン)と、
β−成核剤としての0.04重量%のカルシウムピメレート。
押出:押出温度235℃
引取りローラ:125℃、
引取り速度:4m/分
滞留時間:40s長さ方向の延伸:
延伸ローラ T=90℃
倍率3.0での長さ方向の延伸
横断方向の延伸:加熱領域 T=132℃
延伸領域 T=132℃
倍率5.0での横断方向の延伸
固定: T=130℃
このようにして製造された多孔質ホイルは、厚さが約25μmであり、密度が0.38g/cm3であり、平坦な白色の不透明な外観を有する。
共押出プロセスにおいて、2層のプレフィルム(多孔質層II及びシャットダウン層I)は、フラットダイから共押出され、各々の層の押出温度は240〜250℃である。このプレフィルムは、まず、冷却ローラ上で延伸され、冷却される。次に、プレフィルムは、長さ方向及び横断方向に配向され、最後に固定される。ホイルは、以下の組成を有していた。
13C−NMRアイソタクティシティが97%であり、n−ヘプタン溶解性分画が2.5重量%(100%のPPに対して)であり、融点が165℃であり;230℃、2.16kgの荷重でのメルトフローインデックスが2.5g/10分(DIN 53 735)の約80重量%の高アイソタクチックプロピレンホモ重合体(PP)と、
密度が0.954(ISO 1183)、MFIが190℃、2.16kgの荷重で0.4g/10分(ISO 1133/D)であるか、190℃、21.6kgの荷重で27g/10分であり(ISO 1333/G)、融点が130℃であり(DSC:10℃/分の加熱速度でのピーク)、溶融範囲が125℃で開始し、133℃で終了する約20重量%のHDPE(高密度ポリエチレン)と、
0.04重量%のβ−成核剤としてのカルシウムピメレート。
13C−NMRアイソタクティシティが97%であり、n−ヘプタン溶解性分画が2.5重量%(100%PPに対して)であり、融点が165℃であり、メルトフローインデックスが、230℃、2.16kgの荷重で2.5kg/10分(DIN 53 735)である約80重量%の高アイソタクチックプロピレンホモ重合体(PP)と、
ブロックコポリマーに対して5重量%のエチレン成分を含み、MFIが6g/10分(230℃で2.16kg)であり、融点(DSC)が165℃である約20重量%のプロピレンエチレンブロック共重合体と、
β−成核剤としての0.04重量%のカルシウムピメレート。
押出: 押出温度235℃
引取りローラ: 温度125℃、
引取り速度: 4m/分
長さ方向の延伸: 延伸ローラ T=90℃
倍率4.3での長さ方向の延伸
横断方向の延伸:加熱領域 T=129℃
延伸領域 T=129℃
倍率5.0での横断方向の延伸
固定: T=130℃
この方法で製造された多孔質ホイルは、厚さが約25μmであり、そのシャットダウン層の総厚さは12μmであった。ホイルは、密度が0.38g/cm3であり、平坦な白色の不透明な外観を有していた。
例3
2層のホイルが例2に記載された通り製造された。例2とは対照的に、シャットダウン層においてポリプロピレンホモポリマーの分画は、75重量%に減少され、HDPEの分画は、25重量%に増加された。多孔質層IIの組成及びプロセス条件は変化させなかった。この方法で製造された多孔質ホイルは、厚さが約28μmであり、その各々の層の厚さは、14μmであった。ホイルは、密度が0.42g/cm3であり、平坦な白色の不透明な外見を有していた。
2層のホイルが例2に記載する通り製造された。例2とは対照的に、シャットダウン層におけるHDPEは、密度が0.954(ISO 1183)のMDPEに置き換えられ、これは、MFIが190℃、2.16kgの荷重で0.4g/10分であるか(ISO 1133/D)、又は190℃、21.6kgの荷重で27g/10分であり(ISO 1333/G)、融点は125℃(DSC:10℃/分の加熱速度でのピーク)である。MDPEの溶融範囲は、120〜127℃である。さらに、横断方向の延伸温度(加熱領域)を128℃と、例2よりも低く設定された。多孔質層IIの残りの組成と、他の全てのプロセス条件は変更しなかった。延伸ホイルは、厚さが30μmであり、その各々の層の厚さは15μmであった。ホイルは、密度が0.42g/cm3であり、平坦で白色の不透明な外観を有していた。
ホイルは、例2に記載される通り製造された。例2とは対照的に、ホイルは、シャットダウン層を含まず、多孔質層IIのみから構成され、それに従ってその厚さを増加させた。従って、ホイルは単層ホイルとして製造された。多孔質層IIの組成及びプロセス条件は変更しなかった。ホイルは、白色の不透明な外観を有しており、厚さが25μmであり、密度が0.38g/cm3であった。
ホイルは、例1に記載された通り製造された。ホイルの組成は変更されなかった。例1とは対照的に、この場合、ホイルを横断方向に、温度135℃で延伸した。従って、多孔質ホイルの厚さは25μmであり、密度は0.38g/cm3であり、白色の不透明な外観を有していた。
ホイルは例1に記載された通り製造された。例1とは対照的に、ホイルは、更に20重量%のポリプロピレンエチレンブロック共重合体を含み、これはブロックコポリマーに対して5重量%のエチレン分画を含み、MFI(230℃及び2.16kg)が6g/10分であり、融点(DSC)が165℃であった。プロピレンホモポリマーの分画は、それに従って80から60重量%に減少された。横断方向の延伸温度も125℃に下げられた。組成物の残りの部分と、他のプロセスパラメータは変更しなかった。この方法で製造された多孔質ホイルは、厚さが約25μmであり、密度が0.38g/cm3であり、平坦で、白色の不透明な外観を示した。
[1]シャットダウン機能を有する単層又は多層の二軸配向した微孔質ホイルであって、その微孔性は、ホイルが延伸された時に、β−結晶性ポリプロピレンの変換によって生じたものであり、プロピレンホモポリマーと1重量%未満のプロピレンブロックコポリマーとβ−成核剤とポリエチレンとを含んだ少なくとも1つのシャットダウン層Iを含み、ガーレー数が50〜5000sであり、E−係数は長さ方向で>300N/mm 2 、横断方向で>500N/mm 2 であり、130℃の温度に対する5分間の曝露後、ガーレー数は少なくとも5000sであり、この温度での処理後、処理前よりも当該ガーレー数が少なくとも1000s高いホイル。
[2]シャットダウン層Iにおける当該ポリエチレンは、115〜140℃の融点を有することを特徴とする[1]に記載のホイル。
[3]シャットダウン層Iにおける当該ポリエチレンの溶融範囲は、10K以下の幅を有することを特徴とする[1]又は[2]に記載のホイル。
[4]シャットダウン層Iにおける当該ポリエチレンは、HDPE又はMDPEであることを特徴とする[1]乃至[3]のいずれか1項に記載のホイル。
[5]シャットダウン層Iは、シャットダウン層Iの重量に対して15〜55重量%のポリエチレンを含むことを特徴とする[1]乃至[4]のいずれか1項に記載のホイル。
[6]シャットダウン層Iは、45〜85重量%のプロピレンホモポリマーと、50〜10,000ppmのβ−成核剤とを含むことを特徴とする[1]乃至[5]のいずれか1項に記載のホイル。
[7]当該プロピレンホモポリマーは、96〜99%の鎖アイソタキシー( 13 C−NMR)を有する高アイソタクチックポリプロピレンであることを特徴とする[1]乃至[6]のいずれか1項に記載のホイル。
[8]当該プロピレンホモポリマーは、90%以上96%未満の鎖アイソタキシー( 13 C−NMR)を有するアイソタクチックポリプロピレンであることを特徴とする[1]乃至[6]のいずれか1項に記載のホイル。
[9]当該成核剤は、ピメリン酸又はスベリン酸のカルシウム塩であるか又はカルボキシアミドであることを特徴とする[1]乃至[8]のいずれか1項に記載のホイル。
[10]当該ホイルは、少なくとも1つの更なる多孔質層IIを有することを特徴とする[1]乃至[9]のいずれか1項に記載のホイル。
[11]多孔質層IIは、50〜85重量%のプロピレンホモポリマーと、15〜50重量%のプロピレンブロックコポリマーと、50〜10,000ppmのβ−成核剤とを含むことを特徴とする[10]に記載のホイル。
[12]多孔質層IIは、0〜5重量%のHDPE及び/又はMDPEを含むことを特徴とする[1]乃至[11]のいずれか1項に記載のホイル。
[13]プロピレンホモポリマーとプロピレンブロックコポリマーとβ−成核剤とを含んだ更なる多孔質層を含むことを特徴とする[1]乃至[12]のいずれか1項に記載のホイル。
[14]当該ホイルの密度は0.1〜0.6g/cm 3 の範囲にあることを特徴とする[1]乃至[13]のいずれか1項に記載のホイル。
[15]ガーレー数は50〜5000sであり、130℃の温度に5分間曝露された後、ガーレー数は少なくとも8000sであることを特徴とする[1]乃至[14]のいずれか1項に記載のホイル。
[16]厚さが10〜100μmであることを特徴とする[1]乃至[15]のいずれか1項に記載のホイル。
[17]当該ホイルは、フラットフィルム押出法に従って製造され、引取りローラ温度は、60〜130℃の範囲にあることを特徴とする[1]乃至[16]の1項以上に記載のホイルを製造する方法。
[18]延伸されていないプレフィルムは、β−微結晶の含有率が30〜80%であることを特徴とする[17]に記載の方法。
[19]当該ホイルは、当該ポリエチレンの融点よりも、2℃を超えて高くも低くもない温度で、横断方向に延伸されることを特徴とする[16]又は[17]に記載の方法。
[20][1]乃至[16]のいずれか1項に記載のホイルの電池又は蓄電池におけるセパレータとしての使用。
Claims (20)
- シャットダウン機能を有する単層又は多層の二軸配向した微孔質ホイルであって、その微孔性は、ホイルが延伸された時に、β−結晶性ポリプロピレンの変換によって生じたものであり、プロピレンホモポリマーと1重量%未満のプロピレンブロックコポリマーとβ−成核剤とポリエチレンとを含んだ少なくとも1つのシャットダウン層Iを含み、ガーレー数が50〜5000sであり、E−係数は長さ方向で>300N/mm2、横断方向で>500N/mm2であり、130℃の温度に対する5分間の曝露後、ガーレー数は少なくとも5000sであり、この温度での処理後、処理前よりも当該ガーレー数が少なくとも1000s高いホイル。
- シャットダウン層Iにおける当該ポリエチレンは、115〜140℃の融点を有することを特徴とする請求項1に記載のホイル。
- シャットダウン層Iにおける当該ポリエチレンの溶融範囲は、10K以下の幅を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のホイル。
- シャットダウン層Iにおける当該ポリエチレンは、HDPE又はMDPEであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のホイル。
- シャットダウン層Iは、シャットダウン層Iの重量に対して15〜55重量%のポリエチレンを含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のホイル。
- シャットダウン層Iは、45〜85重量%のプロピレンホモポリマーと、50〜10,000ppmのβ−成核剤とを含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のホイル。
- 当該プロピレンホモポリマーは、96〜99%の鎖アイソタキシー(13C−NMR)を有する高アイソタクチックポリプロピレンであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のホイル。
- 当該プロピレンホモポリマーは、90%以上96%未満の鎖アイソタキシー(13C−NMR)を有するアイソタクチックポリプロピレンであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のホイル。
- 当該成核剤は、ピメリン酸又はスベリン酸のカルシウム塩であるか又はカルボキシアミドであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のホイル。
- 当該ホイルは、少なくとも1つの更なる多孔質層IIを有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載のホイル。
- 多孔質層IIは、50〜85重量%のプロピレンホモポリマーと、15〜50重量%のプロピレンブロックコポリマーと、50〜10,000ppmのβ−成核剤とを含むことを特徴とする請求項10に記載のホイル。
- 多孔質層IIは、0〜5重量%のHDPE及び/又はMDPEを含むことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のホイル。
- プロピレンホモポリマーとプロピレンブロックコポリマーとβ−成核剤とを含んだ更なる多孔質層を含むことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載のホイル。
- 当該ホイルの密度は0.1〜0.6g/cm3の範囲にあることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載のホイル。
- ガーレー数は50〜5000sであり、130℃の温度に5分間曝露された後、ガーレー数は少なくとも8000sであることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載のホイル。
- 厚さが10〜100μmであることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載のホイル。
- 当該ホイルは、フラットフィルム押出法に従って製造され、引取りローラ温度は、60〜130℃の範囲にあることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載のホイルを製造する方法。
- 延伸されていないプレフィルムは、β−微結晶の含有率が30〜80%であることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 当該ホイルは、当該ポリエチレンの融点をT(℃)とした時に、T−2(℃)乃至T+2(℃)の範囲内の温度で、横断方向に延伸されることを特徴とする請求項16又は17に記載の方法。
- 請求項1乃至16のいずれか1項に記載のホイルの電池又は蓄電池におけるセパレータとしての使用。
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