JP6103602B2 - Chitin nanofiber dispersion plasticizer and method for producing polyolefin microporous stretch film containing chitin nanofiber - Google Patents
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Description
本発明は、キチンナノファイバー分散可塑剤及びキチンナノファイバー入りポリオレフィン微多孔延伸フィルムの製造方法に関し、特に、突刺強度及び安全性の高いセパレータを得るための新規な改良に関する。 The present invention relates to chitin nanofibers dispersed plasticizer and preparation how chitin nanofibers containing polyolefin microporous stretched film, in particular, relates to a novel improvement for obtaining a high pin puncture strength and safety separator.
一般に、キチンナノファイバーはナノ材料の一つで、蟹や海老の殻を薬品処理により、脱アセチル化処理した後、グラインダー処理により、ナノファイバー化したもので、直径が数十〜数百ナノメートルの極細繊維である。そのため、従来の繊維と比較して、大きな表面積を有し、新規かつ特殊な機能を発揮するものとして、注目されている。ナノファイバーの原料としては、ナイロンやポリエステルなどの高分子材料が主たるものであるが、最近では、環境への配慮から、生物材料からナノファイバーを得て、これらを利用することについても、盛んに研究がなされている。 In general, chitin nanofiber is one of the nanomaterials. The shell of shrimp and shrimp is deacetylated by chemical treatment and then converted to nanofiber by grinder treatment. The diameter is tens to hundreds of nanometers. Is an ultrafine fiber. Therefore, it has been attracting attention as having a large surface area compared with conventional fibers and exhibiting a new and special function. Polymer materials such as nylon and polyester are mainly used as raw materials for nanofibers. Recently, in consideration of the environment, nanofibers are obtained from biological materials and used actively. Research has been done.
例えば、硬化性樹脂を主成分としたキチンナノファイバーを含有するハードコート層を基材となるプラスチックフィルムに形成して、耐擦傷性、耐摩耗性に優れた硬質表面を有するハードコートフィルムが開発されている(特許文献1)。また、硬化性シリコン樹脂混合物を、キチンナノファイバーに含浸させてナノファイバーによる補強効果を持たせた複合材料も開発されている(特許文献2)。 For example, a hard coat film that has a hard surface with excellent scratch resistance and abrasion resistance has been developed by forming a hard coat layer containing chitin nanofibers based on a curable resin on the base plastic film. (Patent Document 1). A composite material in which chitin nanofibers are impregnated with a curable silicon resin mixture to have a reinforcing effect by nanofibers has also been developed (Patent Document 2).
通常、キチンナノファイバーは、自身が水酸基を有する構造であるため、親水性が高く、一度乾燥すると、ナノファイバー間の水素結合により、強固に凝集するため、再び解繊することが困難となる。そのため、脱アセチル化したキチンを、水媒体中で機械処理を施すことで、ナノファイバー化した水スラリーを製造するのが一般的である。そのため、ポリオレフィンと混合する場合は、この水スラリーを混練機中に添加するため、押出機内で脱水処理を行う必要が生じる。また、ポリオレフィンと混合する場合は、キチンナノファイバーとポリオレフィンをスーパーミキサーで混練した後、二軸押出機によりストランド上に押出して、キチンナノファイバーと複合化したペレットを作製し、これを原料として、フィルムを製造していた(特許文献3)。 In general, chitin nanofibers have a structure having a hydroxyl group, and thus have high hydrophilicity. Once dried, the chitin nanofibers are strongly aggregated by hydrogen bonds between the nanofibers, making it difficult to defibrate again. Therefore, it is common to produce a nano-fibre water slurry by subjecting deacetylated chitin to mechanical treatment in an aqueous medium. Therefore, when mixing with polyolefin, since this water slurry is added in a kneader, it is necessary to perform a dehydration treatment in the extruder. When mixing with polyolefin, chitin nanofibers and polyolefin are kneaded with a super mixer, then extruded onto strands with a twin screw extruder to produce pellets combined with chitin nanofibers. A film was manufactured (Patent Document 3).
後述の本発明におけるキチンナノファイバーを添加して微多孔化したポリオレフィンシートは、非水系二次電池のセパレータとしての使用が考えられるが、このセパレータの製造方法としては、一般的な湿式法に該当する。湿式法では、一般的なポリオレフィン原料とパラフィンなどの可塑剤を両者の融点以上の温度で混練し、Tダイよりシート状に押出して、シート化する。さらに、シートを延伸機により、所定の倍率に延伸後、相分離した可塑剤を塩化メチレンなどの抽出剤で除去して微多孔を有するフィルムを製造していた。 The polyolefin sheet microporous by adding chitin nanofibers in the present invention described later is considered to be used as a separator for non-aqueous secondary batteries, but the manufacturing method of this separator corresponds to a general wet method. To do. In the wet method, a general polyolefin raw material and a plasticizer such as paraffin are kneaded at a temperature equal to or higher than the melting point of both and extruded into a sheet form from a T-die to form a sheet. Furthermore, after stretching the sheet with a stretching machine at a predetermined magnification, the phase-separated plasticizer was removed with an extractant such as methylene chloride to produce a microporous film.
次に、従来のキチンナノファイバーのポリオレフィンへの分散・混合による微多孔シートの製造方について説明する。従来、キチンナノファイバーとポリオレフィンを複合化する場合、ポリオレフィン材料とキチンナノファイバーを押出機中で混練した後、ストランド状に押出してペレット化し、これを中空糸製造用ノズルより押出すことにより、微多孔性中空糸状膜を製造する方法がとられている(特許文献3)。 Next, a method for producing a microporous sheet by dispersing and mixing chitin nanofibers in polyolefin will be described. Conventionally, when a chitin nanofiber and a polyolefin are compounded, the polyolefin material and the chitin nanofiber are kneaded in an extruder, extruded into a strand shape, pelletized, and extruded from a hollow fiber production nozzle. A method for producing a porous hollow fiber membrane has been taken (Patent Document 3).
従来の非水二次電池用セパレータ及びその製造方法は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
従来、負極に析出したリチウムデンドライトが、セパレータを破膜する主原因である。セパレータが破膜した場合、絶縁状態が維持できなくなり、短絡による電池の異常発熱が発生する。そのため、セパレータには高い突刺強度が必要である。また、電気自動車用リチウムイオン電池は、高出力化が求められており、これを実現するためには、セパレータに形成される微細孔径を拡大することが必要である。しかし、セパレータの破膜は、微細孔を起点として生じるため、微細孔径を大きくした場合、突刺し強度が低下する。異常から、微細孔径と突刺強度はトレードオフの関係にあるため、これらを両立させることは、通常、困難であった。
Since the conventional separator for a non-aqueous secondary battery and the manufacturing method thereof are configured as described above, the following problems exist.
Conventionally, lithium dendrite deposited on the negative electrode is the main cause of film breakage of the separator. If the separator breaks, the insulation state cannot be maintained, and abnormal heat generation of the battery due to a short circuit occurs. Therefore, a high puncture strength is required for the separator. In addition, the lithium ion battery for electric vehicles is required to have a high output, and in order to realize this, it is necessary to enlarge the fine pore diameter formed in the separator. However, since the film breakage of the separator occurs starting from the micropores, the piercing strength decreases when the micropore diameter is increased. Because of the abnormality, the fine pore diameter and the puncture strength are in a trade-off relationship, and it has been usually difficult to achieve both.
また、従来、セパレータの耐熱性や強度を向上するために、ポリエチレンとポリプロピレンを貼り合せる方法(特許文献4)や、ガラス繊維やアラミド繊維等の強化繊維との複合化(特許文献5)が提案されている。しかし、ポリエチレンとポリプロピレンのブレンドを原料とする場合は、それらを均一に混練することが困難で、特にポリエチレンの分子量を上げることができなかった。また、積層多孔フィルムはコストが高くなり実用的ではなかった。ガラス繊維やアラミド繊維は5μm以上の繊維径を有する一方、リチウムイオン電池用セパレータの厚さは5〜20μm程度しかないため、フィルムの製造工程でこれらの繊維が破断の原因や、あるいはフィルム表面凹凸の原因となることから上手く多孔フィルム化できず、従来の強化繊維を使用することは困難であった。また、セパレータは絶縁性が必須であり強度向上に対して炭素繊維の使用はできないなどの問題点もあった。 Conventionally, in order to improve the heat resistance and strength of the separator, a method of bonding polyethylene and polypropylene (Patent Document 4) and a composite with a reinforcing fiber such as glass fiber or aramid fiber (Patent Document 5) have been proposed. Has been. However, when a blend of polyethylene and polypropylene is used as a raw material, it is difficult to uniformly knead them, and in particular, the molecular weight of polyethylene cannot be increased. Moreover, the laminated porous film is not practical because of its high cost. While glass fibers and aramid fibers have a fiber diameter of 5 μm or more, the thickness of the lithium ion battery separator is only about 5 to 20 μm, so these fibers may cause breakage or film surface irregularities in the film manufacturing process. Therefore, it was difficult to use a conventional reinforcing fiber because the porous film could not be formed well. In addition, the separator must have insulating properties, and there is a problem that carbon fibers cannot be used for strength improvement.
前述の課題を解決するためには、ポリオレフィン材料にキチンナノファイバーを複合化することが有効であることは、特許文献3ですでに確認されている。この方法では、キチンナノファイバーとポリオレフィンを二軸押出機に投入して混練した後、ストランド状に押出して、ペレットを作製する。次いで、得られたペレットを用いて、二重管構造を有する中空糸製造用ノズルより220℃で押出し、約20℃の水が循環する水槽に投入して冷却を行ない、未延伸中空糸状物を得る。この未延伸中空糸状物を、回転速度の異なる2対のネルソンロール間で120℃にて延伸倍率5倍に一軸延伸し、微多孔性中空糸膜を得る。この方法により微多孔膜を得るためには、キチンナノファイバーとポリオレフィンを混合した原料を製造する必要があるが、従来の湿式法に前述の原料製造工程が加わることになり、コストアップに繋がるため、実用化の大きな障壁となっていた。 In order to solve the above-mentioned problems, it has already been confirmed in Patent Document 3 that it is effective to make chitin nanofibers composite with a polyolefin material. In this method, chitin nanofibers and polyolefin are put into a twin-screw extruder and kneaded, and then extruded into strands to produce pellets. Next, using the obtained pellets, extruded from a hollow fiber production nozzle having a double-pipe structure at 220 ° C., poured into a water tank in which water at about 20 ° C. circulates, cooled, and an unstretched hollow fiber product was obtained. obtain. This unstretched hollow fiber-like material is uniaxially stretched between two pairs of Nelson rolls having different rotational speeds at 120 ° C. at a stretch ratio of 5 to obtain a microporous hollow fiber membrane. In order to obtain a microporous membrane by this method, it is necessary to manufacture a raw material in which chitin nanofibers and polyolefin are mixed, but the above-mentioned raw material manufacturing process is added to the conventional wet method, leading to an increase in cost. It was a big barrier to practical use.
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、非水二次電池用セパレータとして要求される機械的及び熱的特性のうち、特に、突刺強度と耐熱性を改善したキチンナノファイバー複合化セパレータを高品質かつ安価に提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. Particularly, among the mechanical and thermal characteristics required as a separator for a non-aqueous secondary battery, in particular, the puncture strength and heat resistance are improved. The purpose of the present invention is to provide a high-quality and low-cost chitin nanofiber composite separator.
本発明によるキチンナノファイバー分散可塑剤は、少なくともカニ又はエビのキチン質をアセチル化処理後、解繊処理手段で、繊維径を5nm〜1μmとしたキチンナノファイバーを、分子量が100〜1000の可塑剤に均一分散させた構成であり、また、請求項1に記載の可塑剤として、流動パラフィン、ノナン、デカン、デカリン、パラキシレン、ウンデカン、ドデカンの鎖状又は環式の脂肪族炭化水素、及び沸点がこれらに対応する鉱油留分、並びにジブチルフタレート、ジオクチルフタレートの室温では液状のフタル酸エステルのうち一種類または数種類の混合物を用いる構成であり、また、請求項1又は2で記載される前記可塑剤中のキチンナノファイバー粉末が0.01〜30重量パーセントである構成であり、また、請求項1に記載されるキチンナノファイバーとして、解繊処理後の水分をエタノール、酢酸エチル、ノルマルヘキサン、酢酸エチルの何れかで複数回の溶媒置換により、水酸基除去した構成であり、また、本発明によるキチンナノファイバー入りポリオレフィン微多孔延伸フィルムの製造方法は、請求項1ないし4の何れか1項に記載のキチンナノファイバー分散可塑剤を用いてポリオレフィンと溶融混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程、該ポリオレフィン樹脂組成物を押出成形する工程、得られた押出成形体を延伸しフィルム化する工程、フィルム中から可塑剤を抽出する工程、可塑剤を抽出後にポリオレフィン原料の融点以下の温度でシートを延伸しつつ収縮性を抑えるための熱固定を行う工程からなる方法である。 The chitin nanofiber-dispersed plasticizer according to the present invention is a plasticizer having a molecular weight of 100 to 1000, which is a chitin nanofiber having a fiber diameter of 5 nm to 1 μm after acetylation treatment of at least crab or shrimp chitin. The plasticizer according to claim 1, wherein the plasticizer according to claim 1 is a liquid paraffin, nonane, decane, decalin, paraxylene, undecane, a linear or cyclic aliphatic hydrocarbon of dodecane, and Mineral oil fractions corresponding to these boiling points, and dibutyl phthalate, dioctyl phthalate are composed of one or several kinds of phthalates that are liquid at room temperature, and are described in claim 1 or 2 The chitin nanofiber powder in the plasticizer is composed of 0.01 to 30 weight percent, The chitin nanofibers described in 1) have a structure in which water after defibration is removed by hydroxyl substitution by solvent replacement with ethanol, ethyl acetate, normal hexane, or ethyl acetate multiple times, and the chitin according to the present invention A process for producing a polyolefin microporous stretched film containing nanofibers is a process of obtaining a polyolefin resin composition by melt-kneading with polyolefin using the chitin nanofiber-dispersed plasticizer according to any one of claims 1 to 4, The process of extruding a polyolefin resin composition, the process of stretching the resulting extruded product to form a film, the process of extracting a plasticizer from the film, and after stretching the plasticizer, stretch the sheet at a temperature below the melting point of the polyolefin raw material Ru method der comprising the step of performing heat for suppressing the contractile while.
本発明によるキチンナノファイバー分散可塑剤及びキチンナノファイバー入りポリオレフィン微多孔延伸フィルムの製造方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、キチンナノファイバーをパラフィン中に分散させた可塑剤を用いて、従来の湿式法と同方法でポリオレフィンと複合化することにより、従来法により製造したセパレータと比較して、特に突刺強度の高いセパレータを得ることができ、安全性の高いセパレータを得ることが可能となる。また、キチンナノファイバーとポリオレフィンの複合化を1台の二軸混練機のみで行うことができるため、複合化セパレータ中へのキチンの収率も制御しやすく、またポリオレフィン中での均一分散が可能となる。
Producing how chitin nanofibers dispersed plasticizer and chitin nanofibers containing polyolefin microporous stretched film according to the present invention, since it is constructed as described above, it is possible to obtain the following effects.
In other words, by using a plasticizer in which chitin nanofibers are dispersed in paraffin, it is combined with polyolefin by the same method as the conventional wet method, so that the puncture strength is particularly high compared to the separator manufactured by the conventional method. A separator can be obtained and a highly safe separator can be obtained. In addition, since chitin nanofibers and polyolefin can be combined with only one twin-screw kneader, the yield of chitin in the composite separator can be easily controlled, and uniform dispersion in polyolefin is possible. It becomes.
本発明は、非水二次電池用セパレータとして要求される機械的及び熱的特性のうち、特に、突刺強度と耐熱性を改善したキチンナノファイバー複合化セパレータを高品質かつ安価にできるようにしたキチンナノファイバー分散可塑剤及びキチンナノファイバー入りポリオレフィン微多孔延伸フィルムの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has made it possible to make a chitin nanofiber composite separator with improved puncture strength and heat resistance, among mechanical and thermal properties required as a separator for a non-aqueous secondary battery, with high quality and low cost. and to provide a manufacturing how chitin nanofibers dispersed plasticizer and chitin nanofibers containing polyolefin microporous stretched film.
以下、図面と共に本発明によるキチンナノファイバー分散可塑剤及びキチンナノファイバー入りポリオレフィン微多孔延伸フィルムの製造方法の好適な実施の形態について説明する。
本発明では、キチンナノファイバー複合化セパレータを製造するために、一般的な湿式法で用いられるパラフィンなどの可塑剤に、キチンナノファイバーを分散させることにより、従来の装置構成を変更せずに、高強度及び高耐熱性を有した非水二次電池用セパレータの供給を可能にしたものである。
本発明では、カニやエビの殻に含まれるキチン質を、薬品処理により脱アセチル化処理した後、これを対向衝突処理や高圧ホモジナイザー処理等で解繊処理を行い、キチンナノファイバーが高度に分散したスラリーを製造する。このスラリーの状態では、流動パラフィン等の可塑剤に添加することは不可能であるため、薬品を用いた溶媒置換を行った後、流動パラフィン分散キチンナノファイバーを得た。
まず、解繊処理後のスラリーをエタノール中に入れて、20分間の遠心分離を行う。次いで、A.この溶液の固形分を沈降させた後、上澄みを除去する。B.除去した量と同じエタノールを加えて撹拌し、均一な溶液とする。C.これを20分間遠心分離する。以上、A.B.C.の工程を3回以上繰り返す。その後、再度、溶液の固形分を沈降させて、流動パラフィン等の可塑剤を加えることで、流動パラフィン分散キチンナノファイバーを得た。
Hereinafter, chitin nanofibers dispersed plasticizers of the present invention and the preferred embodiment of the manufacturing how chitin nanofibers containing polyolefin microporous stretched film is described in conjunction with the drawings.
In the present invention, in order to produce a chitin nanofiber composite separator, by dispersing chitin nanofibers in a plasticizer such as paraffin used in a general wet method, without changing the conventional apparatus configuration, This makes it possible to supply a separator for a non-aqueous secondary battery having high strength and high heat resistance.
In the present invention, the chitin substance contained in crab and shrimp shells is deacetylated by chemical treatment, and then subjected to defibration treatment by facing collision treatment, high pressure homogenizer treatment, etc., and chitin nanofibers are highly dispersed. A slurry is produced. In this slurry state, it is impossible to add to a plasticizer such as liquid paraffin. Therefore, after replacing the solvent with a chemical, liquid paraffin-dispersed chitin nanofibers were obtained.
First, the slurry after the defibration process is put in ethanol and centrifuged for 20 minutes. A. After the solid content of the solution is allowed to settle, the supernatant is removed. B. Add the same amount of ethanol as the removed amount and stir to make a uniform solution. C. This is centrifuged for 20 minutes. As described above, A. B. C. Repeat step 3 or more times. Thereafter, the solid content of the solution was again settled, and a liquid paraffin-dispersed chitin nanofiber was obtained by adding a plasticizer such as liquid paraffin.
以上の様にして得た流動パラフィン分散キチンナノファイバーとポリオレフィンを、二軸押出機または図1の加圧ニーダー10に投入して、溶融・混練した後、図2のシート成形装置20のTダイよりシート状に押出し、キャストロールにより冷却成形することで、パラフィンとポリオレフィンが相分離したシートを製造する。このシートを図3の延伸機30で同時又は逐次延伸して所定倍率に延伸後、可塑剤を塩化メチレンなどの抽出剤で除去し、さらに残留応力を除去するヒートセット後、微多孔を形成したフィルムを得る。このフィルムは、非水二次電池用セパレータとして用いることが可能である。
The liquid paraffin-dispersed chitin nanofibers and polyolefin obtained as described above are put into a twin screw extruder or a
前述の調整を行うことにより、アミノ基を多量に保有できるため、可塑剤中での分散性が高くなる。尚、本発明におけるポリオレフィン樹脂は、通常の押出、射出、インフレーション、及びブロー成形等に使用するポリオレフィン樹脂を用い、エチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、及び1−オクテン等のホモ重合体及び共重合体、多段重合体等を使用することができる。
また、これらのホモ重合体及び共重合体、多段重合体の群から選んだポリオレフィンを単独、もしくは混合して使用することもできる。前記重合体の代表例としては、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、エチレンープロピレンランダム共重合体、ポリブテン、エチレンプロピレンラバー等が挙げられる。本発明の微多孔膜を非水二次電池用セパレータとして使用する場合、低融点であり、かつ高強度の要求性能から、特に高密度ポリエチレンを主成分とする樹脂を使用することが好ましく、シャットダウン性等の点から、樹脂成分の50重量%以上をポリエチレン樹脂が占めることが好ましい。またポリオレフィンの分子量が100万以上の超高分子量ポリオレフィンが10重量部を超すと均一に混練することが困難となることから10重量部以下であることが好ましい。
By carrying out the above-mentioned adjustment, a large amount of amino groups can be retained, so that dispersibility in the plasticizer is increased. In addition, the polyolefin resin in this invention uses the polyolefin resin used for normal extrusion, injection, inflation, blow molding, etc., ethylene, propylene, 1-butene, 4-methyl-1-pentene, 1-hexene, and Homopolymers and copolymers such as 1-octene, multistage polymers and the like can be used.
In addition, polyolefins selected from the group of these homopolymers, copolymers, and multistage polymers can be used alone or in combination. Representative examples of the polymer include low density polyethylene, linear low density polyethylene, medium density polyethylene, high density polyethylene, ultrahigh molecular weight polyethylene, isotactic polypropylene, atactic polypropylene, ethylene-propylene random copolymer, polybutene. And ethylene propylene rubber. When using the microporous membrane of the present invention as a separator for a non-aqueous secondary battery, it is preferable to use a resin mainly composed of high-density polyethylene because of its low melting point and high strength required performance. From the viewpoint of properties, the polyethylene resin preferably occupies 50% by weight or more of the resin component. Further, when the amount of the ultra-high-molecular-weight polyolefin having a molecular weight of 1 million or more exceeds 10 parts by weight, it becomes difficult to uniformly knead, and therefore the amount is preferably 10 parts by weight or less.
本発明に使用するキチンナノファイバーは、繊維径がナノオーダーであり、繊維表面にアミノ基を保有しているものである。アミノ基を保有することで、可塑剤およびポリオレフィン中での均一分散性が高くなり、混練及びシート化が容易となる。これにより、従来のセパレータ特性より優れた突刺強度を発現することが可能となる。
また、本発明に用いる可塑剤は流動パラフィンなどの他にノナン、デカン、デカリン、パラキシレン、ウンデカン、ドデカンの鎖状又は環式の脂肪族炭化水素、及び沸点がこれらに対応する鉱油留分、並びにジブチルフタレート、ジオクチルフタレート等の室温では液状のフタル酸エステルなどが挙げられる。
The chitin nanofiber used in the present invention has a fiber diameter on the nano order and has an amino group on the fiber surface. By having an amino group, uniform dispersibility in the plasticizer and polyolefin is increased, and kneading and sheeting are facilitated. Thereby, it becomes possible to express the puncture strength superior to the conventional separator characteristics.
In addition to liquid paraffin and the like, the plasticizer used in the present invention is nonane, decane, decalin, paraxylene, undecane, a linear or cyclic aliphatic hydrocarbon of dodecane, and a mineral oil fraction having a boiling point corresponding to these, In addition, phthalic acid esters which are liquid at room temperature such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate can be used.
本発明のキチンナノファイバーを複合化したフィルムは、単層でも多層であっても良い。多層で用いる場合は、構成されるフィルム中の少なくとも一層のフィルム中に、キチンナノファイバー複合化フィルムを含まれていれば良い。延伸後のフィルム厚みは、5μm以上50μm以下の範囲が好ましい。膜厚が5μm以上であれば、機械強度が充分であり、また50μm以下であればセパレータの占有体積が減るため、電池の高容量化の観点において有利になるためである。ガーレ値は、50秒/100cc以上、1000秒/100cc以下の範囲が好ましい。
従って、本発明はアミノ基を有するキチンを可塑剤中へ均一分散させ、それをポリオレフィンと混練することで、キチンの塊をナノファイバー化とポリオレフィンとの複合化を、一般的な湿式法の装置構成と工程を変更することなく、非水系二次電池用微多孔シートを製造可能とする。
The film formed by combining the chitin nanofibers of the present invention may be a single layer or a multilayer. In the case of using multiple layers, the chitin nanofiber composite film may be contained in at least one of the films to be formed. The film thickness after stretching is preferably in the range of 5 μm to 50 μm. If the film thickness is 5 μm or more, the mechanical strength is sufficient, and if it is 50 μm or less, the occupied volume of the separator is reduced, which is advantageous from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. The Gurley value is preferably in the range of 50 seconds / 100 cc or more and 1000 seconds / 100 cc or less.
Therefore, the present invention uniformly disperses chitin having an amino group in a plasticizer and kneads it with a polyolefin, thereby converting the chitin lump into a nanofiber and a composite with the polyolefin. A microporous sheet for a non-aqueous secondary battery can be manufactured without changing the configuration and the process.
次に、本発明における実施例1及び実施例2について図を用いて説明する。尚、本発明により得られた各物性値は、以下に示す方法で得られた値である。
突刺強度:作製したシートを50mm×50mm角に切出し、自動突刺強度計(カトーテック社製:KES−FB3−AUTO)を用いて、針が貫通したときの最大の荷重を測定した。なお、同一シートで10点測定を行い、平均値を算出した。
ガーレ値:作製したシートを50mm×50mm角に切出し、ガーレ式自動計測機(TESTING MACHINES INC 社製)を用いて、測定を行った。本測定ではJISP8177で規定されている100ccの空気がシートを通過するまでの時間をガーレ値とした。
表面観察:作製したシートを真空蒸着装置(日立ハイテク社製E−1045)で0.3nmの厚みの白金蒸着を施した。このシートをFE−SEM(カールツァイス社製SUPRA55VP)を使用して表面観察を行った。
空孔率と膜厚:膜厚はサンプルを50×50mm角に切出し、マイクロメータを用いてシートの各部10点を計測し、平均値を膜厚とした。空孔率は、シートの実測重量と、密度と体積より算出した理論重量より、算出した。
Next, Example 1 and Example 2 in the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, each physical property value obtained by the present invention is a value obtained by the following method.
Puncture strength: The produced sheet was cut into a 50 mm × 50 mm square, and the maximum load when the needle penetrated was measured using an automatic puncture strength meter (KES-FB3-AUTO). In addition, 10 points | pieces were measured with the same sheet | seat, and the average value was computed.
Gurley value: The prepared sheet was cut into a 50 mm × 50 mm square, and measurement was performed using a Gurley automatic measuring machine (manufactured by TESTING MACHINES INC). In this measurement, the time required for 100 cc of air stipulated by JIS P8177 to pass through the sheet was taken as the Gurley value.
Surface observation: The produced sheet was subjected to platinum deposition with a thickness of 0.3 nm using a vacuum deposition apparatus (E-1045 manufactured by Hitachi High-Tech). The surface of this sheet was observed using FE-SEM (SUPRA55VP manufactured by Carl Zeiss).
Porosity and film thickness: As for the film thickness, a sample was cut into a 50 × 50 mm square, 10 points on each part of the sheet were measured using a micrometer, and the average value was taken as the film thickness. The porosity was calculated from the actual weight of the sheet and the theoretical weight calculated from the density and volume.
(実施例1)
原料には、表1で示される5nm〜1μmのキチンナノファイバーを流動パラフィンP−350P(モレスコ)中で高度に分散したパラフィンと、超高分子ポリエチレン三井ハイゼックスミリオン030S(三井化学社製)を用いた。上記パラフィン70重量部に対して、上記ポリエチレンを30重量部を混合し、常温で1時間の膨潤を施した。これらを図1に示すニーダー10で混練を行った後、図2に示すプレス機からなるシート成形装置20で厚さ1mmのシートを成形した。このシートを図3に示す延伸機30で同時二軸延伸を行った。混練条件及び延伸条件を表2と3に示す。同時二軸延伸により作製したフィルムは、塩化メチレンにて流動パラフィンを脱脂し、120℃で5分間熱固定処理を施して、フィルム中の残留応力を除去した。
Example 1
As raw materials, paraffin in which chitin nanofibers of 5 nm to 1 μm shown in Table 1 are highly dispersed in liquid paraffin P-350P (Molesco) and ultra high molecular weight polyethylene Mitsui Hi-Z Million 030S (Mitsui Chemicals) are used. It was. 30 parts by weight of the polyethylene was mixed with 70 parts by weight of the paraffin and swelled at room temperature for 1 hour. These were kneaded by a
(実施例2)
実施例1の方法で、メタノールにキチンナノファイバーが分散した溶液を用いた。それ以外については、実施例1と同様である。
(比較例1)
実施例1の方法でキチンナノファイバーを用いない原料でシートを製作した。原料組成は表1の比較例1に示した。それ以外は実施例1と同様である。
(比較例2)
入手した市販されている湿式セパレータAを比較例2とした。
(比較例3)
入手した市販されている乾式セパレータBを比較例3とした。
(Example 2)
In the method of Example 1, a solution in which chitin nanofibers were dispersed in methanol was used. The rest is the same as in the first embodiment.
(Comparative Example 1)
A sheet was produced from the raw material not using chitin nanofibers by the method of Example 1. The raw material composition is shown in Comparative Example 1 in Table 1. The rest is the same as in the first embodiment.
(Comparative Example 2)
The obtained commercially available wet separator A was designated as Comparative Example 2.
(Comparative Example 3)
The commercially available dry separator B was used as Comparative Example 3.
結果比較
図4、図5に実施例1と2の条件により作製したセパレータのSEM像を示す。図5は、メタノール中にキチンナノファイバーを分散させた溶液を用いたサンプルであるが、各部に節となるような塊が多く見られる。この部分にキチンナノファイバーが凝集していると見られ、ポリオレフィン中での分散性が悪いと推定される。
図4は予めパラフィン中にキチンナノファイバーを添加して、分散させたものを用いている。図4は図5と比較して、ほぼ塊状の結晶は見られず、分散状態が良好になっていると推察される。
表4に実施例1と2及び比較例1〜3のセパレータ特性を示す。実施例1及び2の結果を比較すると、リチウムイオン電池の電池特性に影響するガーレ値は、実施例1が低い。これは、リチウムイオンが通過しやすいことを示している。次に、空孔率について比較すると、実施例1の値は大きく、微細孔が多く形成されていることを示している。一方、実施例2のセパレータは実施例1と比較して、空孔率は10%程度しか変わらないが、ガーレ値の値は約2倍大きい。これは、セパレータに形成された微細孔が貫通孔ではないことを示している。これは、実施例2のSEM観察結果において確認された、塊の結晶が抵抗となっているためと推察される。
突刺強度は、経時劣化により生じるリチウムイオンデンドライトや電池製造時の異物混入により破膜する際の強度を示す。実施例1は、実施例2と比較して、突刺強度が大きく増加しており、キチンナノファイバーの分散状態が高くなったことによる効果であると考えられる。
Results Comparison FIGS. 4 and 5 show SEM images of separators produced under the conditions of Examples 1 and 2. FIG. FIG. 5 shows a sample using a solution in which chitin nanofibers are dispersed in methanol, and there are many lumps that form nodes in each part. It seems that chitin nanofibers are aggregated in this part, and it is estimated that the dispersibility in polyolefin is bad.
FIG. 4 uses a dispersion obtained by adding chitin nanofibers to paraffin in advance. Compared to FIG. 5, FIG. 4 does not show almost bulky crystals, and it is presumed that the dispersion state is good.
Table 4 shows the separator characteristics of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3. When the results of Examples 1 and 2 are compared, the Gurley value that affects the battery characteristics of the lithium ion battery is lower in Example 1. This indicates that lithium ions easily pass through. Next, when comparing the porosity, the value of Example 1 is large, indicating that many fine holes are formed. On the other hand, the separator of Example 2 has a porosity of only about 10% as compared with Example 1, but the Gurley value is about twice as large. This indicates that the fine holes formed in the separator are not through holes. This is presumed to be because the lump crystals confirmed in the SEM observation results of Example 2 are the resistance.
The puncture strength indicates the strength at the time of film breakage due to contamination of lithium ion dendrites caused by deterioration with time or foreign matters during battery production. In Example 1, the puncture strength is greatly increased as compared with Example 2, which is considered to be an effect due to the high dispersion state of chitin nanofibers.
比較例1はポリオレフィンのみで形成された微多孔フィルムであり、実施例1と比較すると、ガーレ値、突刺強度、空孔率のどの特性値も改善された値を示している。次に実施例2と比較例を比較すると、空孔率以外の特性が悪化している。これは、キチンナノファイバーの分散状態が悪いため、微多孔の形成状態が均一に形成されていないことが、影響していると考えられる。また、図6に比較例1のSEM像を示す。各部に塊状の結晶がみられ、これがガーレ値の高い原因であると考えられる。さらに、ポリオレフィンのみのセパレータでは、実施例1で行なった延伸倍率で延伸することができなかった。
比較例2は入手した一般的な湿式法により製造したPEセパレータの特性値である。実施例1と比較すると、ガーレ値以外の特性値が悪い。一般的な湿式のPEセパレータは、押出機を用いて連続的に製造されるため、実施例1のようなニーダーにより製造したセパレータと比較して、特性値が高くなる。特に、パラフィンとポリオレフィンの相分離が微細孔の形成に大きく影響するため、貫通孔が形成されにくくなる。これが、実施例1のガーレ値が、比較例2よりも悪い原因と考えられる。比較例2の特性値は、実施例1と比較して突刺強度が低い。キチンナノファイバーを高度に分散させることにより、市販されているPEセパレータよりも高い強度を得られることを示している。図7に比較例2のSEM像を示す。図より太い結晶構造が見られ、孔形状が不均一であることが確認できる。
比較例3は、入手した一般的な乾式法により製造したPPセパレータの特性値を示す。実施例1と比較すると、ガーレ値は低く、リチウムイオンが通過しやすいが、それに伴い突刺強度が低く、破損しやすいことを示している。比較例2及び3で示された特性値は、実施例1と比較して、特に突刺し強度の値において大きな差が見られた。これは、キチンナノファイバーを高度に分散させることにより、特性が上昇したことを示している。図8の比較例3のSEM像を示す。図8より、部分的に開孔していない部位が確認でき、形状が不均一であることが確認できる。
Comparative Example 1 is a microporous film formed only of polyolefin. Compared with Example 1, all the characteristic values of the Gurley value, the puncture strength, and the porosity are improved. Next, when Example 2 and a comparative example are compared, characteristics other than the porosity are deteriorated. This is thought to be due to the fact that the chitin nanofibers are not well dispersed and the microporous formation is not uniformly formed. FIG. 6 shows an SEM image of Comparative Example 1. Bulky crystals are observed in each part, which is considered to be the cause of the high Gurley value. Furthermore, the separator made only of polyolefin could not be stretched at the stretch ratio performed in Example 1.
The comparative example 2 is a characteristic value of the PE separator manufactured by the obtained general wet method. Compared with Example 1, the characteristic values other than the Gurley value are bad. Since a general wet PE separator is continuously manufactured using an extruder, the characteristic value is higher than that of a separator manufactured by a kneader as in Example 1. In particular, the phase separation between paraffin and polyolefin greatly affects the formation of micropores, so that it is difficult to form through holes. This is considered to be the reason why the Gurley value of Example 1 is worse than that of Comparative Example 2. The characteristic value of Comparative Example 2 is lower in puncture strength than that of Example 1. It shows that higher strength can be obtained than commercially available PE separators by highly dispersing chitin nanofibers. FIG. 7 shows an SEM image of Comparative Example 2. A thick crystal structure is seen from the figure, and it can be confirmed that the pore shape is non-uniform.
The comparative example 3 shows the characteristic value of PP separator manufactured by the obtained general dry method. Compared to Example 1, the Gurley value is low and lithium ions easily pass through, but the puncture strength is accordingly low, and it is easy to break. Compared with Example 1, the characteristic values shown in Comparative Examples 2 and 3 showed a large difference particularly in the value of piercing strength. This indicates that the characteristics are improved by highly dispersing chitin nanofibers. The SEM image of the comparative example 3 of FIG. 8 is shown. From FIG. 8, it can confirm that the site | part which is not partially opened, and it can confirm that a shape is nonuniform.
前述の本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
すなわち、少なくともカニ又はエビのキチン質をアセチル化処理後、解繊処理手段で、繊維径を5nm〜1μmとしたキチンナノファイバーを、分子量が100〜1000の可塑剤に均一分散させたことを特徴とするキチンナノファイバー分散可塑剤であり、また、前述の可塑剤として、流動パラフィン、ノナン、デカン、デカリン、パラキシレン、ウンデカン、ドデカンの鎖状又は環式の脂肪族炭化水素、及び沸点がこれらに対応する鉱油留分、並びにジブチルフタレート、ジオクチルフタレートの室温では液状のフタル酸エステルのうち一種類または数種類の混合物を用いることを特徴とするキチンナノファイバー分散可塑剤であり、また、前述の可塑剤中のキチンナノファイバー粉末が0.01〜30重量パーセントであることを特徴とするキチンナノファイバー分散可塑剤であり、また、前述のキチンナノファイバーとして、解繊処理後の水分をエタノール、酢酸エチル、ノルマルヘキサン、酢酸エチルの何れかで複数回の溶媒置換により、水酸基除去したことを特徴とするキチンナノファイバー分散可塑剤であり、また、前述のキチンナノファイバー分散可塑剤を用いてポリオレフィンと溶融混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程、該ポリオレフィン樹脂組成物を押出成形する工程、得られた押出成形体を延伸しフィルム化する工程、フィルム中から可塑剤を抽出する工程、可塑剤を抽出後にポリオレフィン原料の融点以下の温度でシートを延伸しつつ収縮性を抑えるための熱固定を行う工程からなることを特徴とするキチンナノファイバー入りポリオレフィン微多孔延伸フィルムの製造方法である。
The gist of the present invention described above is as follows.
That is, after chitin of at least crab or shrimp is acetylated, chitin nanofibers having a fiber diameter of 5 nm to 1 μm are uniformly dispersed in a plasticizer having a molecular weight of 100 to 1000 by a fibrillation means. Chitin nanofiber dispersed plasticizers, and the above-mentioned plasticizers include liquid paraffin, nonane, decane, decalin, paraxylene, undecane, linear or cyclic aliphatic hydrocarbons of dodecane, and boiling point. A chitin nanofiber dispersion plasticizer characterized by using one or several kinds of liquid phthalate esters at room temperature of mineral oil fractions corresponding to the above and dibutyl phthalate and dioctyl phthalate, The chitin nanofiber powder in the preparation is 0.01 to 30 weight percent Chitin nanofiber dispersion plasticizer, and as the chitin nanofiber described above, the water after defibration treatment was hydroxyl-removed by solvent replacement multiple times with ethanol, ethyl acetate, normal hexane, or ethyl acetate. A step of obtaining a polyolefin resin composition by melt-kneading with polyolefin using the chitin nanofiber dispersion plasticizer described above, and extruding the polyolefin resin composition A process, a process of stretching the obtained extrusion-molded body to form a film, a process of extracting a plasticizer from the film, and after extracting the plasticizer, for stretching the sheet at a temperature below the melting point of the polyolefin raw material to suppress shrinkage Polyolefin fine particles containing chitin nanofibers, characterized by comprising a process of heat setting Ru manufacturing method der porous stretched film.
従って、前述の本発明においては、予めキチンナノファイバーを流動パラフィン等の可塑剤と混合・膨潤することで、従来のペレット製造工程を短縮することができる。また、パラフィン中にキチンナノファイバーを高度に分散させているため、従来の湿式法の製造方法をそのまま適用することが可能である。湿式法のプロセスでは、パラフィンと、ポリオレフィンを、加圧ニーダーや押出機で溶融・混練した後、図2のシート成形装置20のTダイよりシート状に押出して、キャストロールにより冷却成形することで、パラフィンとポリオレフィンが相分離したシートを製造する。このシートを図3の延伸機30で同時または逐次延伸して所定倍率に延伸後、可塑剤を塩化メチレン等の抽出剤で除去し、さらに残留応力を除去するヒートセットを行う、微多孔を形成したフィルムを得る。このフィルムは、非水系二次電池用セパレータとして用いることが可能である。
Therefore, in the above-mentioned present invention, the conventional pellet manufacturing process can be shortened by previously mixing and swelling chitin nanofibers with a plasticizer such as liquid paraffin. In addition, since chitin nanofibers are highly dispersed in paraffin, it is possible to apply the conventional wet manufacturing method as it is. In the wet process, paraffin and polyolefin are melted and kneaded with a pressure kneader or an extruder, then extruded into a sheet shape from the T-die of the
本発明によるキチンナノファイバー分散可塑剤及びキチンナノファイバー入りポリオレフィン微多孔延伸フィルムの製造方法は、少なくともカニ又はエビのキチン質をアセチル化処理後、解繊処理方法で、繊維径を5nm〜1μmとしたキチンナノファイバーを、分子量が100〜1000の可塑剤に均一分散させたキチンナノファイバー分散可塑剤を用いているため、リチウムイオン電池(非水二次電池)用セパレータとして要求される機械的及び熱的特性のうち、特に、突刺強度と耐熱性を改善したキチンナノファイバー複合化セパレータを高品質で安価に提供することができる。 Producing how chitin nanofibers dispersed plasticizer and chitin nanofibers containing polyolefin microporous stretched film according to the present invention, after the acetylation process at least crab or chitin shrimp in fibrillation treatment method, the fiber diameter 5nm~1μm Because the chitin nanofiber dispersed plasticizer in which the chitin nanofiber is uniformly dispersed in a plasticizer having a molecular weight of 100 to 1000 is used, the mechanical properties required as a separator for a lithium ion battery (non-aqueous secondary battery) In addition, among the thermal characteristics, in particular, a chitin nanofiber composite separator with improved puncture strength and heat resistance can be provided at high quality and at low cost.
10 加圧ニーダー
20 シート成形装置
30 延伸機
10
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