JP6666991B2 - 樹脂組成物、無機微粒子分散スラリー組成物、無機微粒子分散シート、全固体電池の製造方法及び積層セラミクスコンデンサの製造方法 - Google Patents
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Description
このような積層セラミクスコンデンサは、一般に、次のような方法を用いて製造される。まず、バインダー樹脂を有機溶剤に溶解した溶液に、可塑剤、分散剤等の添加剤を添加した後、セラミック原料粉末を加え、ボールミル等を用いて均一に混合して無機微粒子分散組成物を得る。
得られた無機微粒子分散組成物を、ドクターブレード、リバースロールコーター等を用いて、離型処理したポリエチレンテレフタレートフィルム、SUSプレート等の支持体表面に流延成形し、有機溶剤等の揮発分を溜去させた後、支持体から剥離してセラミックグリーンシートを得る。
次に、得られたセラミックグリーンシート上に内部電極となる導電ペーストをスクリーン印刷等により塗工し、これを複数枚積み重ね、加熱及び圧着して積層体を得る。得られた積層体を加熱して、バインダー樹脂等の成分を熱分解して除去する処理、いわゆる脱脂処理を行った後、焼成することによって、内部電極を備えたセラミック焼成体を得る。更に、得られたセラミック焼成体の端面に外部電極を塗布し、焼成することによって、積層セラミクスコンデンサが完成する。
このようなセラミックス系固体電解質は、リチウムを含有するガラス微粒子等の無機微粒子をバインダー樹脂に分散させた無機微粒子分散スラリー組成物を、グリーンシートに形成し、焼成工程を経て板状の固体電解質が形成される。
そこで、低温焼成が可能で焼成後の残留炭素成分が少ない(メタ)アクリル樹脂を用いることが検討されている。
しかしながら、このような樹脂組成物は、ガラス転移温度Tgが約28℃から約52℃であり全体的に脆いという問題があった。また、このような樹脂組成物は200℃から急激に分解されるが300℃近辺では分解しにくく煤が残りやすい結果、得られる積層電子部品の特性が低下するという問題があった。
しかしながら、このような共重合体も全体的に脆く、また300℃付近では50%以上が分解せずに残留し、特に全固体電池用の固体電解質を作製するために用いると、電解質層中の残留炭化物が生じ、自己放電や内部短絡等が発生するという問題が生じていた。
しかしながら、ポリイソブチルメタクリレートは他の(メタ)アクリルホモポリマーよりも低温で分解し始めるのに対して、分解終了温度は他のホモポリマーとほとんど差がなく、分解特性が途中で悪化して脱脂に長時間を要し、結果として、固体電解質として用いる際に電解質の劣化の原因となるという問題があった。また、バインダー樹脂の残留による全固体電池の特性が悪化するという問題があった。
以下に本発明を詳述する。
上記(メタ)アクリル樹脂は、メチルメタクリレートに由来するセグメントとイソブチルメタクリレートに由来するセグメントとを合計で20〜70重量%含有する。また、グリシジル基を有する(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントを1〜10重量%含有する。更に、エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントを5〜40重量%含有する。
なお、上記(メタ)アクリル樹脂は、メチルメタクリレートに由来するセグメントとイソブチルメタクリレートに由来するセグメントとを合計で20〜70重量%含有していればよく、メチルメタクリレートに由来するセグメントを含み、イソブチルメタクリレートに由来するセグメントを含まないものであってもよい。また、イソブチルメタクリレートに由来するセグメントを含み、メチルメタクリレートに由来するセグメントを含まないものであってもよい。更に、メチルメタクリレートに由来するセグメントとイソブチルメタクリレートに由来するセグメントとの両方を含むものであってもよい。
上記合計含有量が20重量%以上であると、降伏応力を高め、腰のある無機微粒子分散シートを得ることができる。上記合計含有量が70重量%以下であると、低温分散性とシート強度の両立させることができる。
上記合計含有量は、好ましい下限が25重量%、より好ましい下限が30重量%、更に好ましい下限が50重量%、好ましい上限が65重量%、より好ましい上限が60重量%である。
上記範囲であると、得られる(メタ)アクリル樹脂の分解開始温度を充分に低くすることができる。
上記グリシジル基を有する(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントを有することにより、得られる積層体の強度を充分に向上させることができる。
上記グリシジル基を有する(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントの含有量が1重量%以上であると、得られる無機微粒子分散シートの耐溶剤性を改善して、全固体電池の作製に用いた際に、電気的特性に優れる全固体電池を作製することができる。上記グリシジル基を有する(メタ)アクリル酸エスエルに由来するセグメントの含有量が10重量%以下であると、(メタ)アクリル樹脂の低温分解性を充分に向上させることができる。
上記グリシジル基を有する(メタ)アクリル酸エステルの含有量は、好ましい下限が2重量%、好ましい上限が7重量%である。
上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントを有することにより、(メタ)アクリル樹脂の分解終了温度を充分に低下させることができるとともに、得られる無機微粒子分散シートを強靭にすることができる。
上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルは、上記エステル置換基が分岐鎖構造を有することが好ましい。
上記エステル置換基の炭素数の好ましい上限は30、より好ましい上限が20、更に好ましい上限は10である。
なかでも、分岐鎖状の炭素数8以上のアルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステルが好ましく、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、イソノニル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレートがより好ましい。
上記2−エチルヘキシルメタクリレート、イソデシルメタクリレートは、他の長鎖アルキルメタクリレートと比較して特に分解性に優れる。
また、上記ポリアルキレングリコール(メタ)アクリレートは、末端にアルコキシ基を有するものであってもよく、末端にエチルヘキシル基を有するものであってもよい。
上記アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、ブトキシ基等が挙げられる。上記アルコキシ基は、直鎖状であってもよく、分岐鎖状であってもよく、分岐鎖状であることが好ましい。
また、上記ポリアルキレングリコール(メタ)アクリレートは、分岐型のアルキレングリコール構造を有することが好ましい。
なかでも、エチレングリコール単位、プロピレングリコール単位、及び、ブチレングリコール単位のうち少なくとも1つを有するポリアルキレングリコール(メタ)アクリレートが好ましい。また、ポリエチレングリコールメタクリレート、エトキシポリプロピレングリコールメタクリレート、メトキシポリプロピレングリコールメタクリレート、ポリブチレングリコールメタクリレート、ポリプロピレングリコール−ポリブチレングリコールメタクリレートが更に好ましい。
メトキシポリプロピレングリコールメタクリレート、ポリプロピレングリコールメタクリレート、ポリブチレングリコールメタクリレート、プロピレングリコール−ポリブチレングリコールメタクリレートは、他のアルキレングリコール(メタ)アクリレートと比較して、焼成残渣が少なく、低温分解性に特に優れる。
上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントの含有量が5重量%以上であると、得られる無機微粒子分散シートの強靭性を高めることができる。上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントの含有量が40重量%以下であると、(メタ)アクリル樹脂の分解終了温度を充分に低くして、低温分解性に優れたものとすることができる。
上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルの含有量は、好ましい下限が10重量%、より好ましい下限が15重量%、更に好ましい下限が20重量%、好ましい上限が39重量%、より好ましい上限が35重量%、更に好ましい下限が30重量%、特に好ましい上限が25重量%である。
上記、他の(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば、炭素数が2〜6であるアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリル酸エステル、エステル置換基にポリアルキレンエーテル鎖を有するグラフトモノマー、多官能(メタ)アクリル酸エステル、水酸基又はカルボキシル基を有する(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられる。なかでも、炭素数が2〜6であるアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリル酸エステル、及び、水酸基又はカルボキシル基を有する(メタ)アクリル酸エステルが好ましい。
上記直鎖状アルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートとしては、例えば、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、n−ペンチル(メタ)アクリレート、n−ヘキシル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
上記分岐鎖状アルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートとしては、例えば、イソプロピル(メタ)アクリレート、sec−ブチル(メタ)アクリレート、tert−ブチル(メタ)アクリレート、イソペンチル(メタ)アクリレート、ネオペンチル(メタ)アクリレート、sec−ペンチル(メタ)アクリレート、tert−ペンチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
上記環状アルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートとしては、例えば、シクロヘキシル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
なかでも、直鎖状アルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートが好ましく、n−ブチル(メタ)アクリレートが好ましい。
2官能(メタ)アクリレートとしては、例えば、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。また、1,3−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、エトキシ化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、エトキシ化ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。更に、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9−ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、1,10−デカンジオールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。また、グリセリンジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジアクリレートモノステアレート等が挙げられる。その他、イソシアヌル酸エトキシ変性ジ(メタ)アクリレート(イソシアヌル酸EO変性ジ(メタ)アクリレート)、2官能ウレタンアクリレート、2官能ポリエステルアクリレート等が挙げられる。
3官能(メタ)アクリレートとしては、例えば、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート等が挙げられる。また、トリメチロールプロパンEO変性トリ(メタ)アクリレート、イソシアヌル酸EO変性トリ(メタ)アクリレート等が挙げられる。更に、エトキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、プロポキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、プロポキシ化グリセリルトリ(メタ)アクリレート、3官能ポリエステルアクリレート等が挙げられる。
4官能(メタ)アクリレートとしては、例えば、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
5官能以上の(メタ)アクリレートとしては、例えば、ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
なかでも、水酸基を有する(メタ)アクリル酸エステルが好ましく、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートがより好ましい。
上記他の(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントの含有量が、上記好ましい下限以上、かつ、上記好ましい上限以下であると、得られる(メタ)アクリル樹脂の低温分解性を充分に向上させることができ、得られる無機微粒子分散シートを強靭なものとすることができる。
上記合計含有量が30重量%以上であると優れた低温分解性を発揮することができる。上記合計含有量が92重量%以下であると得られる積層体の強度を充分に向上させることができる。
上記合計含有量は、より好ましい下限が40重量%、更に好ましい下限が65重量%、特に好ましい下限が70重量%、より好ましい上限が92重量%、更に好ましい上限が90重量%である。
上記範囲であると、得られる(メタ)アクリル樹脂の分解開始温度を充分に低くすることができる。
上記重量平均分子量のより好ましい下限は20万であり、より好ましい上限は150万である。
特に、上記(メタ)アクリル樹脂のポリスチレン換算による重量平均分子量が20万〜150万であると、後述する有機溶剤を用いることで少量の樹脂で充分な粘度が確保でき、かつ、糸曳きが少ない無機微粒子分散スラリーが得られるため好ましい。
このような範囲内とすることで、低重合度の成分が適度に含有されるため、無機微粒子分散スラリー組成物の粘度が好適な範囲となり、生産性を高めることができる。また、得られる無機微粒子分散シートのシート強度を適度なものとすることができる。
また、上記Mw/Mnが2未満であるとグリーンシートの塗工時のレベリング性が悪く、グリーンシートの平滑性が悪化する場合がある。Mw/Mnが8よりも大きいと、高分子量成分が多くなるため、グリーンシートの乾燥性が悪く、表面平滑性が悪化する場合がある。
上記Mw/Mnは3以上8以下であることがより好ましい。
なお、ポリスチレン換算による重量平均分子量、数平均分子量は、カラムとして例えばカラムLF−804(昭和電工社製)を用いてGPC測定を行うことで得ることができる。
上記ガラス転移温度が上記範囲内であることで、可塑剤の添加量を少なくすることができ、上記(メタ)アクリル樹脂の持つ低温分解性を向上させることができる。
なお、上記Tgは、例えば、示差走査熱量計(DSC)等を用いて測定することができる。
上記ガラス転移温度は、より好ましい下限が35℃、更に好ましい下限が40℃、より好ましい上限が50℃である。
これにより、極めて高い低温分解性を実現して脱脂に要する時間を短縮することが可能となる。
上記90重量%分解温度の好ましい下限は230℃、より好ましい下限は250℃、より好ましい上限は270℃である。
なお、上記90重量%分解温度は、例えば、TG−DTA等を用いて測定することができる。
なお、上記最大応力は、オートグラフによる引張試験によって測定することができる。
通常、(メタ)アクリル樹脂は硬くて脆いため、シート状に成形して引っ張ると歪みが5%未満で破断する。そのため、ガラス転移温度が低い組成とすると降伏値を示さない。
一方、本発明の樹脂組成物において、(メタ)アクリル樹脂の組成を調整することで、シート状に成形して引っ張った際にも降伏応力を示すものとなる。この際のシート厚みは500μm程度とすることが好ましい。
上記(メタ)アクリル樹脂は、イソブチルメタクリレートに由来するセグメントを有することにより、優れた低温分解性を発揮することができる。また、メチルメタクリレートに由来するセグメントを有することにより、イソブチルメタクリレートに由来するセグメントの300℃付近での分解性の悪化を抑制して、低温分解性を更に向上させることができる。
上記メチルメタクリレートに由来するセグメントの含有量が5重量%以上であると、イソブチルメタクリレートに由来するセグメントの300℃付近での分解性の悪化を充分に抑制することができる。上記メチルメタクリレートに由来するセグメントの含有量が68重量%以下であると、分解開始温度を低くして優れた低温分解性を発揮することができる。
上記イソブチルメタクリレートに由来するセグメントの含有量が2重量%以上であると、分解開始温度を低くして優れた低温分解性を発揮することができる。上記イソブチルメタクリレートに由来するセグメントの含有量が65重量%以下であると、300℃付近での分解性の悪化を抑制する効果を充分に発揮させることができる。
上記範囲であると、得られる(メタ)アクリル樹脂の分解開始温度を充分に低くすることができる。
上記重量比は、20:80〜70:30であることがより好ましい。
上記合計含有量が50重量%以上であると優れた低温分解性を発揮することができる。上記合計含有量が70重量%以下であると得られる積層体の強度を充分に向上させることができる。
上記合計含有量は、より好ましい下限が55重量%、より好ましい上限が65重量%である。
上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントの含有量が15重量%以上であると、得られる無機微粒子分散シートを強靭にすることができる。上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルの含有量が40重量%以下であると、(メタ)アクリル樹脂の分解終了温度を充分に低くして、低温分解性に優れたものとすることができる。
上記エステル置換基の炭素数が8以上である(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントの含有量は、より好ましい下限が20重量%、より好ましい上限が35重量%である。
上記合計含有量が30重量%以上であると優れた低温分解性を発揮することができる。上記合計含有量が92重量%以下であると得られる積層体の強度を充分に向上させることができる。
上記合計含有量は、より好ましい下限が40重量%、更に好ましい下限が65重量%、特に好ましい下限が70重量%、より好ましい上限が92重量%、更に好ましい上限が90重量%である。
上記範囲であると、得られる(メタ)アクリル樹脂の分解開始温度を充分に低くすることができる。
上記メチル(メタ)アクリレートに由来するセグメントの含有量は、好ましい下限が5重量%、好ましい上限が40重量%である。
上記含有量が5重量%以上であると、分解温度を低温化させることができる。上記含有量が40重量%以下であると、グリーンシートとしての取り扱い性を向上させることができる。
上記含有量は、より好ましい下限が15重量%、より好ましい上限が35重量%、更に好ましい上限が20重量%である。
重合させる方法は特に限定されず、乳化重合、懸濁重合、塊状重合、界面重合、溶液重合等が挙げられる。なかでも、溶液重合が好ましい。
これらの市販品としては、例えば、パーメンタH、パークミルP、パーオクタH、パークミルH−80、パーブチルH−69、パーヘキサH、パーロイルSA(何れも日油社製)等が挙げられる。
本発明の樹脂組成物、無機微粒子、有機溶剤及び可塑剤を含有する無機微粒子分散スラリー組成物もまた、本発明の1つである。
上記有機溶剤としては特に限定されないが、無機微粒子分散シートを作製する際に、塗工性、乾燥性、無機粉末の分散性等に優れたものであることが好ましい。
例えば、トルエン、酢酸エチル、酢酸ブチル、イソプロパノール、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エチレングリコールエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル、トリメチルペンタンジオールモノイソブチレート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テルピネオール、テルピネオールアセテート、ジヒドロテルピネオール、ジヒドロテルピネオールアセテート、テキサノール、イソホロン、乳酸ブチル、ジオクチルフタレート、ジオクチルアジペート、ベンジルアルコール、フェニルプロピレングリコール、クレゾール等が挙げられる。なかでも、テルピネオール、テルピネオールアセテート、ジヒドロテルピネオール、ジヒドロテルピネオールアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テキサノールが好ましい。また、テルピネオール、テルピネオールアセテート、ジヒドロテルピネオール、ジヒドロテルピネオールアセテートがより好ましい。なお、これらの有機溶剤は単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記無機微粒子は特に限定されず、例えば、ガラス粉末、セラミック粉末、蛍光体微粒子、珪素酸化物等、金属微粒子等が挙げられる。
また、上記ガラス粉末として、SnO−B2O3−P2O5−Al2O3混合物、PbO−B2O3−SiO2混合物、BaO−ZnO−B2O3−SiO2混合物、ZnO−Bi2O3−B2O3−SiO2混合物、Bi2O3−B2O3−BaO−CuO混合物、Bi2O3−ZnO−B2O3−Al2O3−SrO混合物、ZnO−Bi2O3−B2O3混合物、Bi2O3−SiO2混合物、P2O5−Na2O−CaO−BaO−Al2O3−B2O3混合物、P2O5−SnO混合物、P2O5−SnO−B2O3混合物、P2O5−SnO−SiO2混合物、CuO−P2O5−RO混合物、SiO2−B2O3−ZnO−Na2O−Li2O−NaF−V2O5混合物、P2O5−ZnO−SnO−R2O−RO混合物、B2O3−SiO2−ZnO混合物、B2O3−SiO2−Al2O3−ZrO2混合物、SiO2−B2O3−ZnO−R2O−RO混合物、SiO2−B2O3−Al2O3−RO−R2O混合物、SrO−ZnO−P2O5混合物、SrO−ZnO−P2O5混合物、BaO−ZnO−B2O3−SiO2混合物等のガラス粉末も用いることができる。なお、Rは、Zn、Ba、Ca、Mg、Sr、Sn、Ni、Fe及びMnからなる群より選択される元素である。
特に、PbO−B2O3−SiO2混合物のガラス粉末や、鉛を含有しないBaO−ZnO−B2O3−SiO2混合物又はZnO−Bi2O3−B2O3−SiO2混合物等の無鉛ガラス粉末が好ましい。
また、ITO、FTO、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化タングステン、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、イットリウム安定化ジルコニア、ガドリニウムドープセリア、酸化ニッケル、ランタンクロマイト等も使用することができる。
上記蛍光体微粒子は特に限定されず、例えば、蛍光体物質としては、ディスプレイ用の蛍光体物質として従来知られている青色蛍光体物質、赤色蛍光体物質、緑色蛍光体物質などが用いられる。青色蛍光体物質としては、例えば、MgAl10O17:Eu、Y2SiO5:Ce系、CaWO4:Pb系、BaMgAl14O23:Eu系、BaMgAl16O27:Eu系、BaMg2Al14O23:Eu系、BaMg2Al14O27:Eu系、ZnS:(Ag,Cd)系のものが用いられる。赤色蛍光体物質としては、例えば、Y2O3:Eu系、Y2SiO5:Eu系、Y3Al5O12:Eu系、Zn3(PO4)2:Mn系、YBO3:Eu系、(Y,Gd)BO3:Eu系、GdBO3:Eu系、ScBO3:Eu系、LuBO3:Eu系のものが用いられる。緑色蛍光体物質としては、例えば、Zn2SiO4:Mn系、BaAl12O19:Mn系、SrAl13O19:Mn系、CaAl12O19:Mn系、YBO3:Tb系、BaMgAl14O23:Mn系、LuBO3:Tb系、GdBO3:Tb系、ScBO3:Tb系、Sr6Si3O3Cl4:Eu系のものが用いられる。その他、ZnO:Zn系、ZnS:(Cu,Al)系、ZnS:Ag系、Y2O2S:Eu系、ZnS:Zn系、(Y,Cd)BO3:Eu系、BaMgAl12O23:Eu系のものも用いることができる。
また、カルボキシル基、アミノ基、アミド基等との吸着特性が良好で酸化されやすい銅や鉄等の金属も好適に用いることができる。これらの金属粉末は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
また、金属錯体のほか、種々のカーボンブラック、カーボンナノチューブ等を使用してもよい。
上記可塑剤としては、例えば、例えば、アジピン酸ジ(ブトキシエチル)、アジピン酸ジブトキシエトキシエチル、トリエチレングリコールビス(2−エチルヘキサノエート)、トリエチレングリコールジヘキサノエート、アセチルクエン酸トリブチル、セバシン酸ジブチル等が挙げられる。
これらの可塑剤を用いることで、通常の可塑剤を使用する場合と比較して可塑剤添加量を低減することが可能となる(バインダーに対して30重量%程度添加されるところ、25重量%以下、更に20重量%以下に低減可能)。
なかでも、非芳香族の可塑剤を使用することが好ましく、アジピン酸、トリエチレングリコール又はクエン酸に由来する成分を含有することがより好ましい。なお、芳香環を有する可塑剤は、燃焼して煤になりやすいため好ましくない。
上記可塑剤は、炭素数が4以上のアルキル基を含有することで、可塑剤への水分の吸収を抑制して、得られる無機微粒子分散シートにボイドやふくれ等の不具合を発生することを防止することができる。特に、可塑剤のアルキル基は分子末端に位置していることが好ましい。
炭素:酸素比を上記範囲とすることで、可塑剤の燃焼性を向上させて、残留炭素の発生を防止することができる。また、(メタ)アクリル樹脂との相溶性を向上させて、少量の可塑剤でも可塑化効果を発揮させることができる。
また、プロピレングリコール骨格やトリメチレングリコール骨格の高沸点有機溶媒も、炭素数が4以上のアルキル基を含有し、炭素:酸素比が5:1〜3:1であれば好ましく用いることができる。
上記(メタ)アクリル樹脂の含有量を上記範囲内とすることで、低温で焼成しても脱脂可能な無機微粒子分散スラリー組成物とすることができる。
上記(メタ)アクリル樹脂の含有量は、より好ましい下限が6重量%、より好ましい上限が12重量%である。
上記界面活性剤は特に限定されず、例えば、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤が挙げられる。
上記ノニオン系界面活性剤としては特に限定されないが、HLB値が10以上20以下のノニオン系界面活性剤であることが好ましい。ここで、HLB値とは、界面活性剤の親水性、親油性を表す指標として用いられるものであって、計算方法がいくつか提案されており、例えば、エステル系の界面活性剤について、鹸化価をS、界面活性剤を構成する脂肪酸の酸価をAとし、HLB値を20(1−S/A)等の定義がある。具体的には、脂肪鎖にアルキレンエーテルを付加させたポリエチレンオキサイドを有するノニオン系界面活性剤が好適であり、具体的には例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル等が好適に用いられる。なお、上記ノニオン系界面活性剤は、熱分解性がよいが、大量に添加すると無機微粒子分散スラリー組成物の熱分解性が低下することがあるため、含有量の好ましい上限は5重量%である。
上記粘度を0.1Pa・s以上とすることで、ダイコート印刷法等により塗工した後、得られる無機微粒子分散シートが所定の形状を維持することが可能となる。また、上記粘度を100Pa・s以下とすることで、ダイの塗出痕が消えない等の不具合を防止して、印刷性に優れるものとすることができる。
本発明の無機微粒子分散シートは、厚みが1〜20μmであることが好ましい。
なお、無機微粒子分散シートを製造する場合、重合液をそのまま無機微粒子分散スラリー組成物として、(メタ)アクリル樹脂を乾燥させずに、無機微粒子分散シートに加工することが好ましい。
(メタ)アクリル樹脂を乾燥させると、再度溶液化した際にパーティクルと呼ばれる未乾燥粒子が発生し、このようなパーティクルは、カートリッジフィルター等を用いた濾過でも除去することが難しく、無機微粒子分散シートの強度に悪影響を及ぼすためである。
上記支持フィルムの厚みは、例えば、20〜100μmが好ましい。
また、支持フィルムの表面には離型処理が施されていることが好ましく、これにより、転写工程において、支持フィルムの剥離操作を容易に行うことができる。
上記全固体電池としては、正極活物質を含有する正極層、負極活物質を含有する負極層、及び、正極層と負極層との間に形成された固体電解質層を積層した構造を有することが好ましい。
上記導電粉末の材質は、導電性を有する材質であれば特に限定されず、例えば、ニッケル、パラジウム、白金、金、銀、銅及びこれらの合金等が挙げられる。これらの導電粉末は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
特に、バインダー樹脂としては、本発明の樹脂組成物を用いることが好ましい。
(1)樹脂組成物の調製
攪拌機、冷却器、温度計、湯浴及び、窒素ガス導入口を備えた2Lセパラプルフラスコを用意した。2Lセパラプルフラスコに、表1に示す配合となるようにモノマーを投入した。更に、有機溶剤として酢酸ブチル100重量部とを混合し、モノマー混合液を得た。
なお、モノマーとしては、以下のものを用いた。
MMA:メチルメタクリレート
iBMA:イソブチルメタクリレート
iDMA:イソデシルメタクリレート(エステル置換基の炭素数:10)
GMA:グリシジルメタクリレート
BMA:n−ブチルメタクリレート
HEMA:2−ヒドロキシエチルメタクリレート
重合開始から7時間後、室温まで冷却し重合を終了させた。これにより、(メタ)アクリル樹脂を含有する樹脂組成物を得た。
得られた樹脂組成物40重量部に、無機微粒子としてLi2S−P2S5系ガラス(平均粒子径2.0μm)、可塑剤としてアジピン酸ジ(ブトキシエチル)、溶媒として酢酸ブチルを表1に示す配合比となるように添加し、高速攪拌機で混練し、無機微粒子分散スラリー組成物を得た。
得られた無機微粒子分散スラリー組成物を、予め離型処理したポリエチレンテレフタレート(PET)からなる支持フィルム(幅400mm,長さ30m,厚さ38μm)上にブレードコーターを用いて塗布し、形成された塗膜を40℃で10時間乾燥することにより溶剤を除去して、厚さ50μmの無機微粒子分散シートを支持フィルム上に形成した。
得られた無機微粒子分散シートを支持フィルムから剥がし、無機微粒子分散シート上に、負極としてインジウム金属箔を貼り付けて、負極/固体電解質積層シートを得た。
また、「(1)樹脂組成物の調製」で得られた(メタ)アクリル樹脂の酢酸ブチル溶液40重量部に、無機微粒子としてLiCoO2(平均粒子径1μm)20重量部、Li2S−P2S5系ガラス(平均粒子径2.0μm)27重量部、導電助剤としてアセチレンブラック(一次粒径35nm)3重量部の合計50重量部を投入した。その後、可塑剤としてアジピン酸ジ(ブトキシエチル)10重量部を投入して、高速攪拌機で混練し、正極用無機微粒子分散スラリー組成物を得た。
得られた正極用無機微粒子分散スラリー組成物を用い、「(3)無機微粒子分散シートの作製」と同様にして、正極シートを作製した。
得られた正極シートと、負極/固体電解質積層シートとをラミネーターを用いて張り合わせ、負極/固体電解質/正極積層シートを得た。
得られた積層シートを2cm×1cmの大きさに打ち抜き、アルミナ基板上で300℃に設定した電気炉で6時間焼成し、バインダーと可塑剤を除去しガラス積層体を得た。
次いで、得られたガラス積層体の端部を電極スラリー組成物に接触させ、集電電極を形成した。その後、300℃オーブンで1時間焼成し、電極を脱脂し、全固体電池を得た。
「(1)樹脂組成物の調製」において、表1及び2に示す配合となるようにモノマーを混合し、(メタ)アクリル樹脂及び可塑剤を表1及び2に示す組成になるようにした以外は実施例1と同様にして、樹脂組成物、無機微粒子分散スラリー組成物、無機微粒子分散シート及び全固体電池を作製した。
2EHMA:2−エチルヘキシルメタクリレート(エステル置換基の炭素数:8)
iNMA:イソノニルメタクリレート(エステル置換基の炭素数:9)
LMA:ラウリルメタクリレート(エステル置換基の炭素数:12)
iSMA:イソステアリルメタクリレート(エステル置換基の炭素数:18)
PEOMA:ポリエチレングリコールメタクリレート(エステル置換基の炭素数:8)
EPOMA:エトキシポリプロピレングリコールメタクリレート(エステル置換基の炭素数:11)
MPOMA:メトキシトリイソプロピレングリコールメタクリレート(エステル置換基の炭素数:10)
MPPMA:メトキシポリプロピレングリコールメタクリレート(エステル置換基の炭素数:10)
BEOMA:イソブトキシジエチレングリコールメタクリレート(エステル置換基の炭素数:8)
PPBMA:ポリプロピレングリコール−ポリブチレングリコールメタクリレート(エステル置換基の炭素数:27)
ECHMA:3,4−エポキシシクロヘキシルメチルメタクリレート
HBAG:4−ヒドロキシブチルアクリレートグリシジルエーテル
MAA:メチルアクリレート
EMA:エチルメタクリレート
また、比較例8、10及び18では、無機微粒子分散シートの腰がなく、「(4)全固体電池の作製」において、支持フィルムから剥がす際にシートが破れてしまい、全固体電池を作製することができなかった。
(5)導電ペーストの調製
実施例1で得られた樹脂組成物を乾燥させ、テルピネオール溶媒に樹脂固形分が11重量%となるように溶解させて樹脂組成物溶液を得た。得られた樹脂組成物溶液44重量部に対して分散剤としてオレイン酸1重量部、導電微粒子としてニッケル粉(「NFP201」、JFEミネラル社製)55重量部を加え、三本ロールミルにて混合し、導電ペーストを得た。
実施例1、6、9、参考例19、比較例1、3、5及び14で得られた樹脂組成物、無機微粒子としてチタン酸バリウム(「BT−02」、堺化学工業社製、平均粒子径0.2μm)、溶媒として酢酸ブチルを用いた。(メタ)アクリル酸樹脂、可塑剤、溶媒及び無機微粒子を表3に示す組成になるように添加し、ボールミルを用いて混合して無機微粒子分散スラリー組成物を得た。
得られた無機微粒子分散スラリーを、離型処理されたポリエステルフィルム上に、乾燥後の厚みが1μmになるように塗布し、常温で1時間乾燥後、熱風乾燥機を用いて80℃で3時間、次いで120℃で2時間乾燥させてセラミックグリーンシートを作製した。
得られたセラミックグリーンシートの片面に、得られた導電ペーストを、乾燥後の厚みが1.5μmとなるようにスクリーン印刷法により塗工し、乾燥させて導電層を形成し、導電層形成セラミックグリーンシートを得た。得られた導電層形成セラミックグリーンシートを5cm角に切断し、100枚積み重ねて、温度70℃、圧力150kg/cm2の条件で10分間加熱及び圧着し、積層体を得た。得られた積層体を、窒素雰囲気下、昇温速度3℃/分で400℃まで昇温し、5時間保持した後、昇温速度5℃/分で1350℃まで昇温し、10時間保持することにより、セラミック焼成体を作製した。
なお、比較例19及び20では、セラミックグリーンシートを積層することができず、セラミック焼成体を作製できなかった。
実施例、参考例及び比較例で得られた(メタ)アクリル樹脂、無機微粒子分散スラリー組成物、無機微粒子分散シート、全固体電池、セラミックグリーンシート、セラミック焼成体について以下の評価を行った。結果を表4〜6に示した。
得られた(メタ)アクリル樹脂について、カラムとしてLF−804(SHOKO社製)を用い、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより、ポリスチレン換算による重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mw/Mn)を測定した。得られたMw及びMw/Mnについて測定した。
〇:Mwが10万〜300万の範囲内、かつ、Mw/Mnが2以上8以下の場合
×:上記〇以外の場合
得られた(メタ)アクリル樹脂について、示差走査熱量計(DSC)を用いてガラス転移温度(Tg)を測定した。得られたTgについて測定し、以下の基準で評価した。
〇:Tgが30℃以上60℃以下の場合
×:Tgが30℃未満、又は、60℃を超える場合
得られた樹脂組成物を離型処理したPETフィルムにアプリケーターを用いて塗工し、100℃送風オーブンで10分間乾燥させることで、厚み20μmの樹脂シートを作製した。方眼紙をカバーフィルムとして用い、はさみで幅1cmの短冊状の試験片を作製した。
得られた試験片について、23℃、50RH条件下でオートグラフAG−IS(島津製作所社製)を用いてチャック間距離3cm、引張速度10mm/minにて引張試験を行い、応力−ひずみ特性(降伏応力の有無、最大応力測定)を確認した。結果について以下の基準で評価した。
○:降伏応力を示し、最大応力が20N/mm2以上である場合
×:上記○以外の場合
得られた無機微粒子分散スラリー組成物をTG−DTAのアルミナパンに詰め、10℃/minにて昇温し、溶媒を蒸発、樹脂、可塑剤を熱分解させた。その後、重量が36重量%を示した(90重量%脱脂が終了した)温度を測定し、分解終了温度とした。得られた分解終了温度について以下の基準で評価した。
◎:分解温度が270度以下の場合
○:分解終了温度が270度を超えており、300℃以下の場合
×:分解終了温度が300℃を超えていた場合
得られた全固体電池について、充放電評価装置TOSCAT−3000(東洋システム社製)を用いて、得られた全固体電池を4.0Vまで0.1mAで充電、3.5V放電を30サイクル繰り返し、30サイクル目の放電容量について以下の基準で評価した。なお、比較例1、2、5〜10では、全固体電池を作製することができず、充放電評価を行うことができなかった。また、比較例3及び11で得られた負極/固体電解質/正極積層シートは茶褐色に変色しており、得られた全固体電池は電池としての機能を発現しなかった。更に、比較例12〜16及び18では、無機微粒子分散シートの粘着性が高すぎ、支持フィルムから剥がす際にしわや破れが生じ、得られた全固体電池は数回の充放電により通電しなくなった。
◎:放電容量が60mAh以上の場合
〇:放電容量が10mAh以上、60mAh未満の場合
×:放電容量が10mAh未満、また、充放電評価を行うことができなかった場合
一方、比較例1〜16及び18の組成は引張試験においては降伏応力を示さず、10%未満のひずみで破断した。降伏応力が現れず、無機シートに加工した際には可塑化効果が激しくなり、腰のないグリーンシートとなったため、取り扱い性に問題が生じた。また、比較例17及び18で得られた無機微粒子分散シートは茶褐色に変色しており、焼成残渣が多量に生じていた。
実施例28〜30、参考例31、比較例19〜22で得られたセラミックグリーンシートの片側に離型処理されたPETフィルムを保護フィルムとして貼り合わせ、評価用の無機微粒子分散シートを作製した。
得られた無機微粒子分散シートを直径15cm、長さ50cmのポリプロピレンパイプに巻き付けて巻回体とし23℃の室温で24時間養生した。
巻回体からセラミックグリーンシートを巻き出し、端部から5m及び10mの部分を20cm×45cmで切り出して評価用シートを作製した。得られた評価用シートの状態を目視にて観察した。なお、比較例20では、捲回体からセラミックグリーンシートを剥離できず評価用シートを作製できず、シート巻き取り性の評価ができなかった。
〇:クラックが確認されなかった場合
×:評価用シートが作製できなかった、または、クラックが確認された場合
実施例28〜30、参考例31、比較例19〜22で得られたセラミック焼成体を常温まで冷却し、中央部の積層面に対し垂直方向に切断し、50層目付近のシートの断面の状態を電子顕微鏡で観察することにより、セラミック層と導電層との剥離の有無を確認し、以下の基準で評価した。なお、比較例19及び20では、積層体を作製できず、セラミック焼成体を作製することができなかったため、シート接着性の評価ができなかった。
〇:層間剥離が確認されなかった場合
×:セラミック焼成体を作製できなかった、または、層間剥離が確認された場合
Claims (11)
- (メタ)アクリル樹脂を含有する樹脂組成物であって、
前記(メタ)アクリル樹脂は、メチルメタクリレートに由来するセグメントを20〜50重量%、2−エチルへキシルメタクリレート、イソデシルメタクリレート、イソノニルメタクリレート、イソステアリルメタクリレート、末端にエトキシ基又はエチルへキシル基を有するポリエチレングリコールメタクリレート、及び、末端にエトキシ又はエチルへキシル基を有するポリプロピレングリコールメタクリレートからなる群より選択される少なくとも1種に由来するセグメントの合計が10〜39重量%、グリシジル基を有する(メタ)アクリル酸エステルに由来するセグメントを1〜10重量%含有し、
前記(メタ)アクリル樹脂のガラス転移温度が30℃以上60℃以下である
ことを特徴とする樹脂組成物。 - (メタ)アクリル樹脂におけるメチルメタクリレートに由来するセグメントとイソブチルメタクリレートに由来するセグメントとの合計含有量が50〜70重量%であることを特徴とする請求項1記載の樹脂組成物。
- (メタ)アクリル樹脂の重量平均分子量(Mw)が10万〜300万であることを特徴とする請求項1又は2記載の樹脂組成物。
- (メタ)アクリル樹脂の重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)が2以上8以下であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の樹脂組成物。
- (メタ)アクリル樹脂は、厚み20μmのシート状に成形した場合の引張試験における最大応力が20N/mm2以上であることを特徴とする請求項1、2、3又は4記載の樹脂組成物。
- 請求項1、2、3、4又は5記載の樹脂組成物、無機微粒子、有機溶剤及び可塑剤を含有することを特徴とする無機微粒子分散スラリー組成物。
- 無機微粒子は、リチウム又はチタンを含有することを特徴とする請求項6記載の無機微粒子分散スラリー組成物。
- 可塑剤は、アジピン酸、トリエチレングリコール又はクエン酸に由来する成分、及び、炭素数が4以上のアルキル基を含有し、炭素:酸素比が5:1〜3:1であることを特徴とする請求項6又は7記載の無機微粒子分散スラリー組成物。
- 請求項6、7又は8記載の無機微粒子分散スラリー組成物を用いてなることを特徴とする無機微粒子分散シート。
- 請求項9記載の無機微粒子分散シートを用いることを特徴とする全固体電池の製造方法。
- 請求項9記載の無機微粒子分散シートを用いることを特徴とする積層セラミクスコンデンサの製造方法。
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