JP6878841B2 - 超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータ - Google Patents

超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータ Download PDF

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Description

本発明は、特定の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータに関するものであり、さらに詳細には、融点及び強度が高く薄膜化が可能で、かつ低分子量成分が少なく、クリーン性に優れた超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータに関するものである。
超高分子量エチレン系重合体は、粘度平均分子量(Mv)で100万以上に相当する極めて高い分子量を有していることから、耐衝撃性、自己潤滑性、耐摩耗性、耐候性、耐薬品性、寸法安定性等に優れており、エンジニアリングプラスチックに匹敵する高い物性を有している。このため、各種成形方法により、ライニング材、食品工業のライン部品、機械部品、人工関節、スポーツ用品、微多孔膜、セパレータ等の用途への適用が試みられている。
しかし、超高分子量エチレン系重合体は、その高い分子量故に、溶融時の流動性が極めて低く、分子量が数万から約50万の範囲にある通常のポリエチレンのように混練押出により成形することは困難である。そこで、超高分子量ポリエチレンは、重合により得られた重合体粉末を直接焼結する方法、圧縮成形する方法、間歇圧縮させながら押出成形するラム押出機による成形方法、溶媒等に分散させた状態で押出成形した後、溶媒を除去する方法等の方法が行われている。
このうち、溶媒等に分散させた状態で押出成形した後、溶媒を除去する成形方法においては、溶媒を除去する前後で、一軸、二軸延伸することで、多孔質膜が製造できることが知られている。そして、この超高分子量ポリエチレン微多孔膜は、超高分子量ポリエチレンの高い分子量により耐熱性、強度、耐衝撃性等の物性が優れたものになることが期待される。但し、現在市販されているチーグラー触媒によって製造される超高分子量ポリエチレンは、重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(分子量分布)が4より大きく、分子量分布が広いため、成形体の強度、耐熱性は、十分に向上したものとは言えず、期待される性能を発揮するものとは言えないものである。
一方、メタロセン系触媒、ポストメタロセン系触媒を用いて製造した分子量分布の狭い超高分子量エチレン系重合体も提案されている(例えば特許文献1、2参照。)。
また、超高分子量ポリエチレンに延伸性を付与する方法として、分子量の低いポリエチレンを混合する方法が提案されている(例えば特許文献3参照。)。
特許4868853号公報 特開2006−36988号公報 特開2003−105121号公報
しかし、特許文献1、2に提案された超高分子量ポリエチレンを用いて微多孔膜を製造した場合、成形性が劣るため、延伸がしにくく、その性能は充分満足を得られるものではなかった。
また、特許文献3に提案された方法においては、延伸性を付与するために混合するポリエチレンが低分子量成分を多く含むものであるため得られる組成物は、低分子量成分の溶出が多く、クリーン性に課題を有するばかりか、超高分子量ポリエチレンの特徴である力学的強度にも悪影響を与える可能性の極めて高いものであった。
そこで、本発明は、力学的強度、耐熱性、延伸性に優れると共に、クリーン性にも優れる、超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータを提供することを目的とするものである。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、超高分子量ポリエチレンと特定の分子量、分子量分布を有するポリエチレンを含む組成物により力学的強度、耐熱性、延伸性に優れ、クリーン性も優れるセパレータとなり得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
即ち、本発明は、固有粘度(以下、[η]と記す場合もある。)が10dl/g以上80dl/g以下の超高分子量ポリエチレン100重量部に対し、重量平均分子量(以下、Mwと記す場合もある。)50万以下、重量平均分子量と数平均分子量(以下、Mnと記す場合もある。)の比(Mw/Mn)が4以下のポリエチレン5重量部以上5000重量部以下を含む超高分子量ポリエチレン組成物よりなることを特徴とするセパレータに関するものである。
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明のセパレータに用いる超高分子量ポリエチレン組成物は、[η]が10dl/g以上80dl/g以下の超高分子量ポリエチレン100重量部に対し、Mw50万以下、Mw/Mnが4以下のポリエチレン5重量部以上5000重量部以下を含む組成物である。
そして、該超高分子量ポリエチレン組成物は、超高分子量ポリエチレン組成物の[η]が、超高分子量ポリエチレンの[η]の0.9倍以下、特に0.8倍以下となる超高分子量ポリエチレン組成物であることが好ましい。
該超高分子量ポリエチレン組成物を構成する超高分子量ポリエチレンとしては、[η]が10dl/g以上80dl/g以下の超高分子量ポリエチレンと称される範疇に属するものであればよく、チーグラーナッタ触媒、メタロセン触媒等により調製された如何なる超高分子量ポリエチレンであってもよい。また、超高分子量ポリエチレンと称されるものとしては、例えば超高分子量エチレン単独重合体;超高分子量エチレン−プロピレン共重合体、超高分子量エチレン−1−ブテン共重合体、超高分子量エチレン−1−ヘキセン共重合体、超高分子量エチレン−1−オクテン共重合体等の超高分子量エチレン−α−オレフィン共重合体;等を挙げることができる。ここで、[η]が10dl/g未満である場合、得られるセパレータは、力学的特性に劣るものとなる。一方、[η]が80dl/gを越える場合、得られる組成物をセパレータとする際の成形性に劣るものとなる。なお、本発明における[η]は、例えばウベローデ型粘度計を用い、デカヒドロナフタレンを溶媒としたポリマー濃度0.0005〜0.01%の溶液にて、135℃において測定する方法により測定することが可能である。
そして、該超高分子量ポリエチレン組成物を構成する超高分子量ポリエチレンとしては上記範疇に属するものであれば如何なるものであってもよく、中でもセパレータとした際に力学的強度、耐熱性、延伸性に優れ、クリーン性も優れるものとなることからメタロセン系超高分子量ポリエチレンであることが好ましく、特に以下に説明する超高分子量ポリエチレン又はその粒子であることが好ましい。
該超高分子量ポリエチレンは、セパレータとする際に粒子の流動性がよく、保管設備、保管容器、ホッパーでの充満率に優れる等、操作性が向上することから、粒子形状を有するものであることが好ましく、その際の(2)嵩密度は130kg/m以上700kg/m以下であることが好ましく、セパレータとする際の特に加工性に優れるものとなることから200kg/m以上600kg/m以下であることが好ましい。なお、嵩密度は、例えばJIS K6760(1995)に準拠した方法で測定することが可能である。
該超高分子量ポリエチレンは、セパレータとした際に、耐熱性、強度等に優れるものとなることから、(3)示差走査型熱量計(以下、DSCと記すこともある。)にて、1stスキャンした際の1stスキャンのTm、その後、5分間放置後、10℃/分の降温速度で−20℃まで降温し、5分間放置後、再度、2ndスキャンした際の2ndスキャンのTmをそれぞれ測定し、ΔTm=Tm−Tmが9℃以上30℃以下であることが好ましく、特に11℃以上30℃以下であることが好ましく、更に耐熱性、機械的強度、成形性のバランスに優れる超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータとなることからΔTmが11℃以上15℃以下であることが好ましい。
なお、一般的なポリエチレンにおいては、高融点を有するポリエチレンとして、高密度ポリエチレンに属するエチレン単独重合体が知られている。しかし、該高密度ポリエチレンにおける融点は130〜135℃程度と低いものである。一方、本発明の超高分子量ポリエチレン組成物に適した超高分子量ポリエチレンは、従来から知られているポリエチレンと比較しても極めて高い融点(Tm)を有するものであり、例えばエチレン単独重合体であるならば、Tmとして140℃を超える極めて高い融点を有している。該超高分子量ポリエチレンにおいては、ポリエチレンの分子鎖が配向するなどして、高度に結晶化されているため、DSCにて測定した際のTmとTm差であるΔTmが9℃以上30℃以下という極めて大きな差となると考えている。
さらに、該超高分子量ポリエチレンは、チタンが原因で発生する変色(黄変)や酸化劣化等の抑制が可能で色調が良好なものとなり、耐候性にも優れる超高分子量ポリエチレン組成物を提供することが可能となるから、チタンの含有量が少ないものであることが好ましく、特にチタンの含有量が0.02ppm以下又は検出限界以下、のものが好ましい。なお、チタンの含有量は、化学滴定法、蛍光X線分析装置、ICP発光分析装置等による測定等により求めることができる。
該超高分子量ポリエチレンは、より強靭なセパレータを提供することが可能となることから、(4)プレス温度190℃、プレス圧力20MPaで加熱圧縮した後、前記(3)により測定した2ndスキャンのTmより10℃〜30℃低い金型温度で冷却して成形したシートの引張破断強度(TS(MPa))が、下記関係式(a)を満たすものであることが好ましく、更により強靭で機械強度、耐摩耗性に優れるセパレータを提供することが可能となることから、下記関係式(c)を満たすものであることが好ましい。
TS≧1.35×Tm−130 (a)
1.35×Tm−130≦TS≦2×Tm−175 (c)
なお、一般的なポリエチレンの引張破断強度は、最も高い高密度ポリエチレンでも45MPa程度と低いものである。また、従来の超高分子量ポリエチレンも、その高い分子量を十分生かすことができておらず、引張破断強度は一般的なポリエチレンと同等であり、50MPaを超えることはなかった。このため、高延伸倍率で圧延成形するなどにより配向させて、強度を高める方法がとられていた。
しかし、該超高分子量ポリエチレンは、高分子鎖が適度に絡み合っているため、[η]が7dl/g、好ましくは15dl/gを超える超高分子量ポリエチレンの領域であっても、更にその分子量を高くしても引張破断強度が低下せず、むしろ、さらに向上する傾向を示すものである。そして、該超高分子量ポリエチレンとしては、膜とした際により強度が優れるものとなることから、高密度ポリエチレンの領域に属するものであるならば前記(4)により測定した引張破断強度として、40MPa以上を有するものであることが好ましく、より好ましくは50MPa以上を有するものである。
なお、引張破断強度の測定条件としては、特に制限はなく、例えば厚み0.1〜5mm、幅1〜50mmの短冊形、ダンベル型等の試験片を、引張速度1mm/分〜500mm/分の速度で測定する方法を例示することができる。
該超高分子量ポリエチレンは、比較的低分子量成分の含有量が低く、高分子鎖の適度な絡み合いが可能となり、特に耐熱性にも優れるセパレータとなることから、(5)加熱圧縮成形したシートを、前記(3)により測定した2ndスキャンのTmより20℃高い温度で溶融延伸したときの破断応力(MTS(MPa))が1.5MPa以上を有するものであることが好ましく、更に2MPa以上を有するものであることが好ましい。
なお、分子量50万以下の一般的なポリエチレンは、融点(Tm)より20℃高い温度では、流動性が高く、自重で成形体が変形してしまい、溶融延伸はできず、セパレータとしての適応は困難なものである。また、従来の超高分子量ポリエチレンは、融点(Tm)より20℃高い温度でも、溶融延伸は可能であるが、含有する低分子量成分の影響により、歪み硬化が起きず、応力が低い状態のまま、1MPa前後の応力で破断してしまい、耐熱性に劣るものとなる場合が多々見られた。
そして、本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータとする際には、該超高分子量ポリエチレン組成物製延伸微多孔膜を用いることができ、延伸微多孔膜とする際の溶融延伸に用いる加熱圧縮成形シートの成形条件としては、制限はなく、例えばプレス温度100〜250℃、プレス圧力5〜50MPaの条件であり、その中でも特に前記(4)に記載した加熱圧縮成形法を例示することができる。また、溶融延伸方法としては、例えば厚み0.1〜5mm、幅1〜50mmの短冊形、ダンベル型等の試験片を、引張速度1mm/分〜500mm/分の速度で延伸する方法を例示することができる。さらに、溶融延伸時の破断応力としては、歪み硬化が起き、延伸に伴い応力が増加した場合はその最大値を破断応力とし、歪み硬化が起きず、延伸しても応力が増加しない場合は、降伏後の平坦領域の応力を破断応力とした。
該超高分子量ポリエチレンは、特に耐熱性に優れるセパレータとなることから、(6)前記(5)により測定した溶融延伸したときの破断応力(MTS(MPa))と固有粘度([η])が、下記関係式(b)を満たすものであることが好ましく、特に溶融延伸性、成形性にも優れるものとなることから、下記関係式(d)を満たすものであることが好ましい。
MTS≧0.079×[η] (b)
0.079×[η]≦MTS≦0.23×[η] (d)
該超高分子量ポリエチレンは、特に粉体としての流動性に優れ、成形加工性、物性に優れる超高分子量ポリエチレン組成物となることから、(7)平均粒径が1μm以上1000μm以下であるものが好ましい。なお、平均粒径に関しては、例えばJIS Z8801で規定された標準篩を用いたふるい分け試験法等の方法により測定することができる。
該超高分子量ポリエチレンの製造方法としては、如何なる方法を用いても良く、例えばポリエチレン製造用触媒を用い、エチレンの単独重合、エチレンと他のオレフィンとの共重合を行う方法を挙げることができ、その際のα−オレフィンとしては、例えばプロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン等を挙げることができる。また、重合方法としては、例えば溶液重合法、塊状重合法、気相重合法、スラリー重合法等の方法を挙げることができ、その中でも、特に粒子形状が整った超高分子量ポリエチレンの製造が可能となると共に、高融点、高結晶化度を有し、機械強度、耐熱性、耐摩耗性に優れる超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータを提供しうる超高分子量ポリエチレンを効率よく安定的に製造することが可能となることからスラリー重合法であることが好ましい。また、スラリー重合法に用いる溶媒としては、一般に用いられている有機溶媒であればいずれでもよく、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等が挙げられ、イソブタン、プロパン等の液化ガス、プロピレン、1−ブテン、1−オクテン、1−ヘキセンなどのオレフィンを溶媒として用いることもできる。
また、該超高分子量ポリエチレンを製造するのに用いるポリエチレン製造用触媒としては、該超高分子量ポリエチレンの製造が可能であれば如何なるものを用いることも可能であり、例えば少なくとも遷移金属化合物(A)、脂肪族塩にて変性した有機変性粘土(B)及び有機アルミニウム化合物(C)より得られるメタロセン系触媒を挙げることができる。
そして、該遷移金属化合物(A)としては、例えば(置換)シクロペンタジエニル基と(置換)フルオレニル基を有する遷移金属化合物、(置換)シクロペンタジエニル基と(置換)インデニル基を有する遷移金属化合物、(置換)インデニル基と(置換)フルオレニル基を有する遷移金属化合物等を挙げることができ、その際の遷移金属としては、例えばジルコニウム、ハフニウム等を挙げることができ、その中でも特に超高分子量ポリエチレンを効率よく製造することが可能となることから、(置換)シクロペンタジエニル基とアミノ基置換フルオレニル基を有するジルコニウム化合物、(置換)シクロペンタジエニル基とアミノ基置換フルオレニル基を有するハフニウム化合物であることが好ましい。
そして、より具体的には、例えばジフェニルメチレン(1−インデニル)(9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(1−インデニル)(2,7−ジ−t−ブチル−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(4−フェニル−1−インデニル)(2,7−ジ−t−ブチル−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(2−(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(2−(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(2−(ジベンジルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(2,7−ビス(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(2,7−ビス(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(2,7−ビス(ジベンジルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(4−(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(4−(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルシランジイル(シクロペンタジエニル)(4−(ジベンジルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2−(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2−(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2−(ジベンジルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2,7−ビス(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2,7−ビス(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2,7−ビス(ジベンジルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライドジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(4−(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(4−(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(4−(ジベンジルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、7−ビス(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、7−ビス(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、7−ビス(ジイソプロピルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、7−ビス(ジ−n−ブチル−アミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、7−ビス(ジベンジルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(3、6−ビス(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(3、6−ビス(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(3、6−ビス(ジ−n−プロピル−アミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、5−ビス(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、5−ビス(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライド、ジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、5−ビス(ジイソプロピルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライドなどのジルコニウム化合物;これらのジクロロ体をジメチル体、ジエチル体、ジヒドロ体、ジフェニル体、ジベンジル体に変えたジルコニウム化合物、およびこれら化合物のジルコニウムをハフニウムに変えたハフニウム化合物などを例示することができる。
該脂肪族塩にて変性した有機変性粘土(B)としては、例えばN,N−ジメチル−ベヘニルアミン塩酸塩、N−メチル−N−エチル−ベヘニルアミン塩酸塩、N−メチル−N−n−プロピル−ベヘニルアミン塩酸塩、N,N−ジオレイル−メチルアミン塩酸塩、N,N−ジメチル−ベヘニルアミンフッ化水素酸塩、N−メチル−N−エチル−ベヘニルアミンフッ化水素酸塩、N−メチル−N−n−プロピル−ベヘニルアミンフッ化水素酸塩、N,N−ジオレイル−メチルアミンフッ化水素酸塩、N,N−ジメチル−ベヘニルアミン臭化水素酸塩、N−メチル−N−エチル−ベヘニルアミン臭化水素酸塩、N−メチル−N−n−プロピル−ベヘニルアミン臭化水素酸塩、N,N−ジオレイル−メチルアミン臭化水素酸塩、N,N−ジメチル−ベヘニルアミンヨウ化水素酸塩、N−メチル−N−エチル−ベヘニルアミンヨウ化水素酸塩、N−メチル−N−n−プロピル−ベヘニルアミンヨウ化水素酸塩、N,N−ジオレイル−メチルアミンヨウ化水素酸塩、N,N−ジメチル−ベヘニルアミン硫酸塩、N−メチル−N−エチル−ベヘニルアミン硫酸塩、N−メチル−N−n−プロピル−ベヘニルアミン硫酸塩、N,N−ジオレイル−メチルアミン硫酸塩等の脂肪族アミン塩;P,P−ジメチル−ベヘニルホスフィン塩酸塩、P,P−ジエチル−ベヘニルホスフィン塩酸塩、P,P−ジプロピル−ベヘニルホスフィン塩酸塩、P,P−ジメチル−ベヘニルホスフィンフッ化水素酸塩、P,P−ジエチル−ベヘニルホスフィンフッ化水素酸塩、P,P−ジプロピル−ベヘニルホスフィンフッ化水素酸塩、P,P−ジメチル−ベヘニルホスフィン臭化水素酸塩、P,P−ジエチル−ベヘニルホスフィン臭化水素酸塩、P,P−ジプロピル−ベヘニルホスフィン臭化水素酸塩、P,P−ジメチル−ベヘニルホスフィンヨウ化水素酸塩、P,P−ジエチル−ベヘニルホスフィンヨウ化水素酸塩、P,P−ジプロピル−ベヘニルホスフィンヨウ化水素酸塩、P,P−ジメチル−ベヘニルホスフィン硫酸塩、P,P−ジエチル−ベヘニルホスフィン硫酸塩、P,P−ジプロピル−ベヘニルホスフィン硫酸塩等の脂肪族ホスフォニウム塩;等の脂肪族塩により変性された粘土を挙げることができる。
また、該有機変性粘土(B)を構成する粘土化合物としては、粘土化合物の範疇に属するものであれば如何なるものであってもよく、一般的にシリカ四面体が二次元上に連続した四面体シートと、アルミナ八面体やマグネシア八面体等が二次元上に連続した八面体シートが1:1又は2:1で組合わさって構成されるシリケート層と呼ばれる層が何枚にも重なって形成され、一部のシリカ四面体のSiがAl、アルミナ八面体のAlがMg、マグネシア八面体のMgがLi等に同型置換されることにより層内部の正電荷が不足し、層全体として負電荷を帯びており、この負電荷を補償するために層間にはNaやCa2+等の陽イオンが存在しているものとして知られているものである。そして、該粘土化合物としては天然品、または合成品としてのカオリナイト、タルク、スメクタイト、バーミキュライト、雲母、脆雲母、縁泥石等が存在し、これらを用いることが可能であり、その中でも入手のしやすさと有機変性の容易さからスメクタイトが好ましく、特にスメクタイトのなかでもヘクトライトまたはモンモリロナイトがさらに好ましい。
該有機変性粘土(B)は、該粘土化合物の層間に該脂肪族塩を導入し、イオン複合体を形成することにより得る事が可能である。該有機変性粘土(B)を調製する際には、粘土化合物の濃度0.1〜30重量%、処理温度0〜150℃の条件を選択して処理を行うことが好ましい。また、該脂肪族塩は固体として調製して溶媒に溶解させて使用しても良いし、溶媒中での化学反応により該脂肪族塩の溶液を調製してそのまま使用しても良い。該粘土化合物と該脂肪族塩の反応量比については、粘土化合物の交換可能なカチオンに対して当量以上の脂肪族塩を用いることが好ましい。処理溶媒としては、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類;エチルアルコール、メチルアルコール等のアルコール類;エチルエーテル、n−ブチルエーテル等のエーテル類;塩化メチレン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素類;アセトン;1,4−ジオキサン;テトラヒドロフラン;水、等を用いることができる。そして、好ましくは、アルコール類または水を単独もしくは溶媒の一成分として用いることである。
また、ポリエチレン製造用触媒を構成する有機変性粘土(B)の粒径に制限はなく、その中でも触媒調製時の効率、ポリエチレン製造時の効率に優れるものとなることから1〜100μmであることが好ましい。その際の粒径を調節する方法にも制限はなく、大きな粒子を粉砕して適切な粒径にしても、小さな粒子を造粒して適切な粒径にしても良く、あるいは粉砕と造粒を組み合わせても良い。また、粒径の調節は有機変性前の粘土に行っても、変性後の有機変性粘土に行っても良い。
該有機アルミニウム化合物(C)としては、有機アルミニウム化合物と称される範疇に属するものであれば如何なるものも用いることができ、例えばトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウムなどのアルキルアルミニウムなどを挙げることができる。
該ポリエチレン製造用触媒を構成する該遷移金属化合物(A)(以下(A)成分ということもある。)、該有機変性粘土(B)(以下、(B)成分ということもある。)、および該有機アルミニウム化合物(C)(以下、(C)成分ということもある。)の使用割合に関しては、ポリエチレン製造用触媒としての使用が可能であれば如何なる制限を受けるものでなく、その中でも、特に超高分子量ポリエチレンを生産効率よく製造することが可能なポリエチレン製造用触媒となることから、(A)成分と(C)成分の金属原子当たりのモル比は(A)成分:(C)成分=100:1〜1:100000の範囲にあることが好ましく、特に1:1〜1:10000の範囲であることが好ましい。また、(A)成分と(B)成分の重量比が(A)成分:(B)成分=10:1〜1:10000にあることが好ましく、特に3:1〜1:1000の範囲であることが好ましい。
該ポリエチレン製造用触媒の調製方法に関しては、該(A)成分、該(B)成分および該(C)成分を含むポリエチレン製造用触媒を調製することが可能であれば如何なる方法を用いてもよく、例えば各(A)、(B)、(C)成分に関して不活性な溶媒中あるいは重合を行うモノマーを溶媒として用い、混合する方法などを挙げることができる。また、これらの成分を反応させる順番に関しても制限はなく、この処理を行う温度、処理時間も制限はない。また、(A)成分、(B)成分、(C)成分のそれぞれを2種類以上用いてポリエチレン製造用触媒を調製することも可能である。
該超高分子量ポリエチレンを製造する際の重合温度、重合時間、重合圧力、モノマー濃度などの重合条件については任意に選択可能であり、その中でも、重合温度0〜100℃、重合時間10秒〜20時間、重合圧力常圧〜100MPaの範囲で行うことが好ましい。また、重合時に水素などを用いて分子量の調節を行うことも可能である。重合はバッチ式、半連続式、連続式のいずれの方法でも行うことが可能であり、重合条件を変えて、2段以上に分けて行うことも可能である。また、重合終了後に得られる超高分子量ポリエチレンは、従来既知の方法により重合溶媒から分離回収され、乾燥して得ることができる。
次に、本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータを構成するポリエチレンは、Mwが50万以下、好ましくは5万以上50万以下のものであり、Mw/Mnが4以下、好ましくは1.5以上4以下のものである。ここで、Mwが50万を超えるポリエチレンである場合、得られる組成物の粘度が高くなり、セパレータとすることが困難なものとなる。また、Mw/Mnが4を越えるポリエチレンである場合、低分子量成分が多くなり、機械的特性に劣るセパレータとなるばかりか、クリーン性にも劣るものとなる。
また、該ポリエチレンは、エチレンの単独重合体に加え、エチレンとα−オレフィンとの共重合体を例示することができる。α−オレフィンとしては、例えばプロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン等を挙げることができる。そして、該ポリエチレンとしては、超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータとした際には、異常高温等の環境負荷が増大した状態でも膜強度を維持し、膜が破砕することなく、より素早く細孔を閉塞することが可能となることから、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−1−ブテン共重合体、エチレン−4−メチル−1−ペンテン共重合体、エチレン−1−ヘキセン共重合体、エチレン−1−オクテン共重合体等のエチレン−α−オレフィン共重合体であることが好ましい。
該ポリエチレンは、例えば、メタロセン触媒、ポストメタロセン触媒と呼ばれる遷移金属錯体とアルミノオキサン、イオン化イオン性化合物等の助触媒を組み合わせた触媒の存在下に、エチレンを単独重合、またはエチレンと上記にて例示したα−オレフィンを共重合することにより製造することができる。該ポリエチレンは、特開昭58−19309号公報、特表平1−501950号公報、特表平1−502036号公報、特開平7−224106号公報等の方法により得られたものであってもよい。
本発明のセパレータを構成する超高分子量ポリエチレン組成物は、該超高分子量ポリエチレン100重量部に対し、該ポリエチレン5重量部以上5000重量部以下、好ましくは20重量部以上2000重量部以下を含んでなるものである。ここで、ポリエチレンが5重量部未満である場合、得られる組成物は成形加工性に劣るものとなり、所望の延伸倍率のセパレータが得られず、強度の劣るセパレータとなる。一方、5000重量部を越える場合、得られるセパレータは、機械的強度、耐熱性に劣るものとなる。
該超高分子量ポリエチレン組成物を調製する際の方法としては、該超高分子量ポリエチレンとポリエチレンを混合して超高分子量ポリエチレンの組成物を得ることが可能であれば如何なる方法であってもよく、例えば溶融状態での押出混練、ロール混練、または、溶媒に溶解し、溶液状態にした後、押出混練、ロール混練、もしくは攪拌翼を用いた攪拌混合などをした後、溶媒留去、溶媒抽出等により溶媒を除去する方法等を挙げることができる。また、有機溶媒に溶解する場合は、後で述べる有機溶媒との混合反応と兼ね、得られた混合物をそのまま用いることも可能である。この際の溶媒としては、例えばヘキサン、ヘプタン、デカン、ドデカン、テトラデカン、オクタデカン、エイコサン、流動パラフィン、イソパラフィン等の直鎖状若しくは分岐状の飽和又は不飽和の脂肪族化合物;シクロヘキサン、シクロデカン、テトラヒドロナフタレン、デカヒドロナフタレン等の飽和又は不飽和の脂環族化合物;ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、アントラセン等の芳香族化合物;塩化メチレン、1,2−ジクロロエタン、1,1,2−トリクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素化合物;等を例示することができる。
該超高分子量ポリエチレン組成物は、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて、耐熱安定剤、耐候安定剤、帯電防止剤、防曇剤、抗ブロッキング剤、スリップ剤、滑剤、核剤、顔料等;カーボンブラック、タルク、ガラス粉、ガラス繊維、金属粉等の無機充填剤または補強剤;有機充填剤または補強剤;難燃剤;中性子遮蔽剤等の公知の添加剤、更には、ポリプロピレン系樹脂、ポリ−1−ブテン、ポリ−4−メチル−1−ペンテン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・ビニルアルコール共重合体、ポリスチレン、これらの無水マレイン酸グラフト物等の樹脂を配合していても良く、このような添加剤の添加方法としては、超高分子量ポリエチレン、ポリエチレンに配合する方法、超高分子量ポリエチレン、ポリエチレンと、成形の際にブレンドする方法、予めドライブレンドもしくはメルトブレンドする方法、等を挙げることができる。
そして、該超高分子量ポリエチレン組成物は、超高分子量ポリエチレンの有する優れた耐熱性、機械的特性と共に、ポリエチレンの有する優れた加工性を有し、さらに優れた延伸性、クリーン性も有するものであることから、セパレータに適したものとなる。
本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータは、膜強度と透過性に影響する膜抵抗とのバランスに優れるものとなることから空隙率10%以上80%以下、特に25%以上65%以下のセパレータであることが好ましい。その際の膜厚としては、0.001〜1mm、平均細孔径としては、1〜1000nmであることが好ましい。その際の空隙率は、例えば空隙率(V%)=100−10×(10cm×10cmのセパレータ重量)(W、g)/(セパレータの真密度(g/cm)×セパレータの膜厚(d、mm))により求めることができる。また、セパレータの膜厚(mm)は、例えば該セパレータの30点で接触式膜厚計にて膜厚を測定し、その平均値として求めることができる。平均細孔径は、窒素吸着法、水銀圧入法の他、走査型電子顕微鏡による観察により得られた画像から画像解析により求めることも可能である。
該セパレータは、特に強度に優れ、薄膜化が可能となることから、23℃で測定した引張破断強度が150MPa以上であることが好ましい。また、特に耐熱性、高温時の耐久性、安定性に優れることから熱収縮率が2%以下であることが好ましい。なお、本発明における引張破断強度は、例えば引張試験機等により測定できる。その際の測定条件としては、初期長20mmの試験片を延伸速度10〜100mm/分で延伸するなどして測定することができる。また、熱収縮率は、5cm角の微多孔膜を例えば、1時間100℃で加熱した後、24時間放冷し、その後の収縮率を測定することにより測定することができる。
本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータの製造方法としては特に制限は無く、例えば超高分子量ポリエチレン組成物と有機溶媒とを50℃以上300℃以下の温度で混合しシート状物とした後、該シート状物から有機溶媒の除去を行う工程と二軸延伸を施す工程を付する方法を挙げることができる。
その際の有機溶媒としては、例えばオクタン、デカン、ドデカン、オクタデンカン、デカヒドロナフタレン、テトラヒドロナフタレン等の高沸点の脂肪族炭化水素又は脂環族炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン等の芳香族炭化水素;ジクロロエタン、トリクロロエタン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素;直鎖もしくは分岐状の流動パラフィン;パラフィンワックス;炭素数5以上の高級アルコール;フタル酸エステル類、又はこれらの混合物を挙げることができる。また、該超高分子量ポリエチレン組成物と有機溶媒を混合する際には、効率よく均一性、平滑性に優れるセパレータが得られることから超高分子量ポリエチレン組成物の濃度が0.5wt%以上60wt%以下であることが好ましく、5wt%以上40wt%以下であることが特に好ましい。そして、超高分子量ポリエチレン組成物と有機溶媒とを混合する際には、例えば攪拌翼を取り付けた反応槽で混合する方法、単軸、二軸等の押出機で押出混練する方法、反応器での混合の後、押出混練をする方法等の方法を挙げることができる。そして、得られた混合物は、例えば圧縮成形、Tダイ、サーキュラーダイ等からの押出法、インフレーション成形等の方法により、有機溶媒を含むシート状物として成形される。
さらに、該シート状物から有機溶媒を除去する工程としては、例えば加熱による乾燥法、低融点の脂肪族又は脂環族炭化水素、アルコール、ハロゲン化炭化水素等による溶媒抽出後、乾燥する方法等が挙げられる。
また、二軸延伸を施す工程としては、例えば同時二軸延伸法、逐次二軸延伸を行う遂次二軸延伸法等を行う工程を挙げることができ、その際の延伸速度、延伸温度は一定又は変化を伴う多段階であってもよい。延伸倍率が縦方向に2〜20倍、横方向に2〜20倍のものであることが好ましい。延伸温度は、0℃以上200℃以下が好ましい。なお、有機溶媒の除去工程、二軸延伸を行う工程の工程順は任意であり、例えば有機溶媒の除去の後に二軸延伸を行なっても、二軸延伸の後に有機溶媒の除去を行なっても、これらを同時におこなってもよい。また、延伸後、アニーリングを施すこともできる。
そして、本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータは、例えば電池用セパレータ、電解膜等の各種電極セパレータとしての適用が可能であり、中でも、耐熱性、高温時の耐久性、安定性に優れることから、リチウムイオン二次電池用セパレータとして適しており、該超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータをリチウムイオン二次電池に適用した場合には、薄膜化による小型、軽量化のみならず、緊急時のシャットダウン性、安全性にも優れるものとなる。そして、本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータをリチウムイオン二次電池用セパレータとして用いる際には、膜厚を15μm以下とすることが好ましい。
また、リチウムイオン二次電池とする際、正極としてはリチウム金属酸化物、例えばコバルト・マンガン・ニッケル複合酸化物−リチウムを挙げることができ、陰極としては炭素材、例えばグラファイトを挙げることができ、電解液としては、例えば1MのLiPFのエチルカーボネート/ジエチルカーボネート溶液を挙げることができる。そして、これらを用いてリチウムイオン二次電池に適用した際には、全容量の50%に相当する充電状態としたリチウムイオン二次電池に0.5C(リチウムイオン二次電池の放電容量を2時間で放電する電流値)、1C(リチウムイオン二次電池の放電容量を1時間で放電する電流値)、2C(リチウムイオン二次電池の放電容量を0.5時間で放電する電流値)に相当する定電流放電を10秒行った後、電流を停止し、その時の電圧上昇を測定、この電圧降下の電流値依存性(IR損)から算出した直流抵抗値が10Ω・m以下、かつ該リチウムイオン電池の放電容量を2時間で放電する電流値(0.5C)で定電流充放電したとき、500回以上の充放電を行えるリチウムイオン二次電池となるセパレータであることが好ましい。
本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータは、強度、耐熱性に優れることから、リチウムイオン電池(LiB)、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、アルカリ電池等のセパレータとして用いることができる。
融点及び強度が高く、かつ低分子量成分が少なく、クリーン性、強度に優れた超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータを提供することで、電池の連続使用時間延長や小型化が可能となる。
以下に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により制限されるものではない。
なお、断りのない限り、用いた試薬等は市販品、あるいは既知の方法に従って合成したものを用いた。
有機変性粘土の粉砕にはジェットミル(セイシン企業社製、(商品名)CO−JET SYSTEM α MARK III)を用い、粉砕後の粒径はマイクロトラック粒度分布測定装置(日機装(株)製、(商品名)MT3000)を用いてエタノールを分散剤として測定した。
ポリエチレン製造用触媒の調製、ポリエチレンの製造および溶媒精製は全て不活性ガス雰囲気下で行った。トリイソブチルアルミニウムのヘキサン溶液(20wt%)は東ソーファインケム(株)製を用いた。
さらに、実施例における超高分子量ポリエチレンの諸物性は、以下に示す方法により測定した。
〜固有粘度([η])の測定〜
ウベローデ型粘度計を用い、デカヒドロナフタレンを溶媒として、135℃において、超高分子量ポリエチレン濃度0.005wt%で測定した。
〜嵩密度の測定〜
JIS K6760(1995)に準拠した方法で測定した。
〜TmとTmの測定〜
DSC(エスアイアイ・ナノテクノロジー(株)製 (商品名)DSC6220)を用いて、10℃/分の昇温速度で1stスキャンし1stスキャンの結晶融解ピーク(Tm)の測定を行った。その後、5分間放置後、10℃/分の降温速度で−20℃まで降温し、5分間放置後、再度、2ndスキャンし2ndスキャンの結晶融解ピーク(Tm)を測定した。その際の超高分子量ポリエチレンのサンプル量は4〜6mgとした。
〜チタン含有量の測定〜
超高分子量ポリエチレンを灰化し、アルカリ溶融して、調製した溶液を用いて、ICP発光分析装置((株)パーキンエルマー製、(商品名)Optima3000XL)により、超高分子量ポリエチレン中のチタン含有量を測定した。
〜平均粒径の測定〜
JIS Z8801で規定された9種類の篩(目開き:710μm、500μm、425μm、300μm、212μm、150μm、106μm、75μm、53μm)を用いて、100gの超高分子量ポリエチレンを分級した際に得られる各篩に残った粒子の重量を目開きの大きい側から積分した積分曲線において、50%の重量になる粒子径を測定することにより平均粒径を求めた。
〜超高分子量ポリエチレンの評価用シートの作成〜
超高分子量ポリエチレンの評価用シートは以下の方法で成形した。すなわち、超高分子量ポリエチレンをポリエチレンテレフタレートフィルムに挟んで、190℃で、5分間予熱した後、190℃、プレス圧力20MPaの条件にて加熱圧延した。その後、金型温度110℃、10分間冷却し、厚さ0.3mmのプレスシートを作成した。
〜引張破断強度の測定〜
セパレータおよび超高分子量ポリエチレンの評価用シートからダンベル型に切り出したサンプル(測定部の幅5mm)を、23℃にて48時間静置した後、引張試験機((株)エイ・アンド・ディー製、(商品名)テンシロンRTG−1210)にて、測定温度23℃、試験片の初期長さ20mm、引張速度20mm/分で引張試験をし、引張破断強度を求めた。
〜溶融延伸時の破断応力の測定〜
上記引張破断強度の測定に記載の方法により、セパレータおよび超高分子量ポリエチレンの評価用シートからダンベル型に切り出したサンプル(測定部の幅10mm)を、23℃にて48時間静置した後、引張試験機((株)エイ・アンド・ディー製、(商品名)テンシロンUMT2.5T)にて、150℃で、試験片の初期長さ10mm、引張速度20mm/分で引張試験をし、溶融延伸時の破断応力を求めた。歪み硬化が起き、延伸に伴い応力が増加した場合はその最大値を破断応力とし、歪み硬化が起きず、延伸しても応力が増加しない場合は、降伏後の平坦領域の応力を破断応力とした。なお、微多孔膜においては、荷重を見掛けの初期断面積で除した値を応力とした。
〜セパレータの膜厚および空隙率の測定〜
微多孔膜の膜厚(d、mm)は、微多孔膜の30点で接触式膜厚計にて膜厚を測定し、その平均値とした。空隙率(V%)は10cm×10cmの微多孔膜の重量(W、g)を測定し、多孔質膜の真密度(0.950g/cm)、下記(e)で算出した。
V=100−W/0.095d (e)
〜セパレータの細孔分布の測定〜
金蒸着を施した後、走査型電子顕微鏡((株)キーエンス製、(商品名)VE−9800)により、倍率10000倍で微多孔膜表面を観察し、得られたSEM写真の画像解析により細孔分布を求め、それを幾何対数分布関数に近似し、そのメジアン径を平均細孔径とした。
〜熱収縮率の測定〜
熱収縮率は、5cm×5cmの微多孔膜を、100℃で1時間加熱し、室温24時間放冷した後の縦横の長さの変化率を算出し、その平均値とした。
〜溶出量の測定〜
ノルマルデカン200mLの中に微多孔膜を2g含浸し、200℃で2時間加熱後、冷却、25℃で1時間静置後、濾液を回収、抽出分を秤量した。
〜リチウムイオン二次電池セパレータとしての電池性能の評価〜
得られた延伸微多孔膜のリチウムイオン二次電池セパレータを用いたラミネート型リチウムイオン二次電池(正極;コバルト・マンガン・ニッケル複合酸化物−リチウム、陰極;グラファイト、電解液;1M LiPFのエチルカーボネート/ジエチルカーボネート(=1/1vol%)溶液、電極サイズ;4mm×4mm、充電容量が約35mA・h)を作製し、その性能評価を行った。得られたリチウムイオン二次電池は、充放電を3サイクルし、初期の状態調整をした後、直流抵抗および充放電効率(=放電容量/充電容量×100)を測定することにより評価を行った。
(直流抵抗);全容量の50%に相当する充電状態としたリチウムイオン二次電池に0.5C(リチウムイオン二次電池の放電容量を2時間で放電する電流値)、1C(リチウムイオン二次電池の放電容量を1時間で放電する電流値)、2C(リチウムイオン二次電池の放電容量を0.5時間で放電する電流値)に相当する定電流放電を10秒行った後、電流を停止し、その時の電圧上昇を測定、この電圧降下の電流値依存性(IR損)から直流抵抗値を算出した。測定温度は25℃である。
(充放サイクル数);25℃で、0.5C(リチウムイオン二次電池の放電容量を2時間で放電する電流値)の定電流で4.2Vまで充電し、それを同じく0.5Cの定電流で2.7Vまで放電する充放電を繰り返し、放電容量(C)が初期の放電容量の60%まで低減する回数を測定した。
製造例1
(1)有機変性粘土の調製
1リットルのフラスコに工業用アルコール(日本アルコール販売社製、(商品名)エキネンF−3)300ml及び蒸留水300mlを入れ、濃塩酸15.0g及びジオレイルメチルアミン(ライオン(株)製、(商品名)アーミンM20)64.2g(120mmol)を添加し、45℃に加熱して合成ヘクトライト(Rockwood Additives社製、(商品名)ラポナイトRDS)を100g分散させた後、60℃に昇温させてその温度を保持したまま1時間攪拌した。このスラリーを濾別後、60℃の水600mlで2回洗浄し、85℃の乾燥機内で12時間乾燥させることにより160gの有機変性粘土を得た。この有機変性粘土はジェットミル粉砕して、メジアン径を7μmとした。
(2)ポリエチレン製造用触媒の懸濁液の調製
温度計と還流管が装着された300mlのフラスコを窒素置換した後に(1)で得られた有機変性粘土25.0gとヘキサンを108ml入れ、次いでジフェニルメチレン(4−フェニル−1−インデニル)(2,7−ジ−t−ブチル−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライドを0.795g、及び20%トリイソブチルアルミニウム142mlを添加して60℃で3時間攪拌した。45℃まで冷却した後に上澄み液を抜き取り、200mlのヘキサンにて2回洗浄後、ヘキサンを200ml加えてポリエチレン製造用触媒の懸濁液を得た(固形重量分:11.3wt%)。
(3)超高分子量ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(2)で得られたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を345mg(固形分38.9mg相当)加え、45℃にした後、分圧が1.6MPaになるようにエチレンを連続的に供給し、エチレンのスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで42.1gの超高分子量ポリエチレン(1)を得た(活性:1080g/g触媒)。得られた超高分子量ポリエチレン(1)の物性は表1に示す。
製造例2
(1)有機変性粘土の調製
製造例1と同様に実施した。
(2)ポリエチレン製造用触媒の懸濁液の調製
温度計と還流管が装着された300mlのフラスコを窒素置換した後に(1)で得られた有機変性粘土25.0gとヘキサンを108ml入れ、次いでジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2−(ジメチルアミノ)−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライドを0.593g、及び20%トリイソブチルアルミニウム142mlを添加して60℃で3時間攪拌した。45℃まで冷却した後に上澄み液を抜き取り、200mlのヘキサンにて2回洗浄後、ヘキサンを200ml加えてポリエチレン製造用触媒の懸濁液を得た(固形重量分:12.5wt%)。
(3)超高分子量ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(2)で得られたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を93.5mg(固形分11.7mg相当)加え、50℃に昇温後、1−ブテン1.0gを加え、分圧が1.1MPaになるようにエチレンを連続的に供給しスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで72.3gの超高分子量ポリエチレン(2)を得た(活性:6180g/g触媒)。得られた超高分子量ポリエチレン(2)の物性は表1に示す。
製造例3
(1)有機変性粘土の調製
1リットルのフラスコに工業用アルコール(日本アルコール販売製、(商品名)エキネンF−3)300ml及び蒸留水300mlを入れ、濃塩酸15.0g及びジメチルベヘニルアミン(ライオン(株)製、(商品名)アーミンDM22D)42.4g(120mmol)を添加し、45℃に加熱して合成ヘクトライト(Rockwood Additives社製、(商品名)ラポナイトRDS)を100g分散させた後、60℃に昇温させてその温度を保持したまま1時間攪拌した。このスラリーを濾別後、60℃の水600mlで2回洗浄し、85℃の乾燥機内で12時間乾燥させることにより125gの有機変性粘土を得た。この有機変性粘土はジェットミル粉砕して、メジアン径を7μmとした。
(2)ポリエチレン製造用触媒の懸濁液の調製
温度計と還流管が装着された300mlのフラスコを窒素置換した後に(1)で得られた有機変性粘土25.0gとヘキサンを108ml入れ、次いでジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2−(ジエチルアミノ)−9−フルオレニル)ハフニウムジクロライドを0.710g、及び20%トリイソブチルアルミニウム142mlを添加して60℃で3時間攪拌した。45℃まで冷却した後に上澄み液を抜き取り、200mlのヘキサンにて2回洗浄後、ヘキサンを200ml加えてポリエチレン製造用触媒の懸濁液を得た(固形重量分:11.5wt%)。
(3)超高分子量ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(2)で得られたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を95.2mg(固形分10.9mg相当)加え、65℃に昇温後、分圧が1.3MPaになるようにエチレンを連続的に供給し、エチレンのスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで102gの超高分子量ポリエチレン(3)を得た(活性:9360g/g触媒)。得られた超高分子量ポリエチレン(3)の物性は表1に示す。
製造例4
(1)有機変性粘土の調製及び(2)ポリエチレン製造用触媒の懸濁液の調製は、製造例2と同様に実施した。
(3)超高分子量ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(2)で得られたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を102mg(固形分12.8mg相当)加え、60℃に昇温後、水素を150ppm含む水素/エチレン混合ガスを分圧が1.2MPaになるように供給し、その後、分圧が1.3MPa分圧になるようにエチレンを連続的に供給しスラリー重合を行った。210分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで88.2gの超高分子量ポリエチレン(4)を得た(活性:6890g/g触媒)。得られた超高分子量ポリエチレン(4)の物性は表1に示す。
Figure 0006878841
製造例5
(1)有機変性粘土の調製は、製造例4と同様に実施した。
(2)ポリエチレン製造用触媒の懸濁液の調製
温度計と還流管が装着された300mlのフラスコを窒素置換した後に(1)で得られた有機変性粘土25.0gとヘキサンを108ml入れ、次いでジフェニルメチレン(シクロペンタジエニル)(2、7−ジメチル−9−フルオレニル)ジルコニウムジクロライドを0.586g、及び20%トリイソブチルアルミニウム142mlを添加して60℃で3時間攪拌した。45℃まで冷却した後に上澄み液を抜き取り、200mlのヘキサンにて2回洗浄後、ヘキサンを200ml加えてポリエチレン製造用触媒の懸濁液を得た(固形重量分:13.2wt%)。
(3)ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(2)で得られたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を325mg(固形分42.9mg相当)加え、70℃に昇温後、エチレンを分圧が1.2MPaになるように供給し、その後、分圧が1.2MPa分圧になるようにエチレンを連続的に供給しスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで82.3gのポリエチレン(5)を得た(活性:1920g/g触媒)。得られたポリエチレン(5)の重量平均分子量は45×10、重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は3.3であった。
製造例6
(1)固体触媒成分の調製は、製造例4と同様に実施した。
(2)ポリエチレン製造用触媒の懸濁液の調製
温度計と還流管が装着された300mlのフラスコを窒素置換した後に(1)で得られた有機変性粘土25.0gとヘキサンを108ml入れ、次いで(1,3−ジシクロペンタジエニル)ジルコニウムジクロライドを0.348g、及び20%トリイソブチルアルミニウム142mlを添加して60℃で3時間攪拌した。45℃まで冷却した後に上澄み液を抜き取り、200mlのヘキサンにて2回洗浄後、ヘキサンを200ml加えてポリエチレン製造用触媒の懸濁液を得た(固形重量分:12.5wt%)。
(2)ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(2)で得られたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を165mg(固形分20.6mg相当)加え、70℃に昇温後、エチレンを分圧が1.2MPaになるように供給し、その後、分圧が1.2MPa分圧になるようにエチレンを連続的に供給しスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで75.3gのポリエチレン(6)を得た(活性:3650g/g触媒)。得られたポリエチレン(6)の重量平均分子量は25×10、重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は2.8あった。
製造例7
(1)固体触媒成分の調製は、(2)ポリエチレン製造用触媒の懸濁液の調製、製造例6と同様に実施した。
(2)ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(2)で得られたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を85mg(固形分10.6mg相当)加え、85℃に昇温後、エチレンを分圧が1.2MPaになるように供給し、その後、分圧が1.2MPa分圧になるようにエチレンを連続的に供給しスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで64.1gのポリエチレン(7)を得た(活性:6030g/g触媒)。得られたポリエチレン(7)の重量平均分子量は18×10、重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は3.0であった。
製造例8
(1)固体触媒成分の調製
温度計と還流管が装着された1リットルのガラスフラスコに、金属マグネシウム粉末50g(2.1モル)およびチタンテトラブトキシド210g(0.62モル)を入れ、ヨウ素2.5gを溶解したn−ブタノール320g(4.3モル)を90℃で2時間かけて加え、さらに発生する水素ガスを排除しながら窒素シール下において140℃で2時間撹拌し、均一溶液とした。次いで、ヘキサン2100mlを加えた。
この成分90g(マグネシウムで0.095モルに相当)を別途用意した500mlのガラスフラスコに入れ、ヘキサン59mlで希釈した。45℃でイソブチルアルミニウムジクロライド0.29モルを含むヘキサン溶液106mlを2時間かけて滴下し、さらに70℃で1時間撹拌し、固体触媒成分を得た。ヘキサンを用いて傾斜法により残存する未反応物および副生成物を除去し、組成を分析したところチタン含有量は8.6wt%であった。
(2)ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、(1)で得られた固体触媒成分を8.3mg加え、80℃に昇温後、水素を0.08MPaになるように供給し、分圧が0.6MPaになるようにエチレンを連続的に供給した。90分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで195gのエチレン単独重合体(8)を得た(活性:23500g/g触媒)。得られたポリエチレン(8)の重量平均分子量は28×10、重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は6.5であった。
製造例9
(3)ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、製造例5で用いたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を330mg(固形分43.6mg相当)加え、70℃に昇温後、1−ブテンを4g加え、エチレンを分圧が1.2MPaになるように供給し、その後、分圧が1.2MPa分圧になるようにエチレンを連続的に供給しスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで65.3gのエチレン−1−ブテン共重合体(以下、ポリエチレン(9)と記す。)を得た(活性:1500g/g触媒)。得られたポリエチレン(9)の重量平均分子量は35×10、重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は3.2、融点(Tm)は122℃であった。
製造例10
(3)ポリエチレンの製造
2リットルのオートクレーブにヘキサンを1.2リットル、20%トリイソブチルアルミニウムを1.0ml、製造例5で用いたポリエチレン製造用触媒の懸濁液を325mg(固形分42.9mg相当)加え、80℃に昇温後、1−ヘキセンを3g加え、エチレンを分圧が1.2MPaになるように供給し、その後、分圧が1.2MPa分圧になるようにエチレンを連続的に供給しスラリー重合を行った。180分経過後に脱圧し、スラリーを濾別後、乾燥することで80.1gのエチレン−1−ヘキセン共重合体(以下、ポリエチレン(10)と記す。)を得た(活性:1750g/g触媒)。得られたポリエチレン(10)の重量平均分子量は25×10、重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は3.3、融点(Tm)は124℃であった。
実施例1
製造例1で製造した超高分子量ポリエチレン(1)4.9g、製造例5で製造したポリエチレン(5)9.1g、及び、流動パラフィン(MORESCO社製、(商品名)モレスコホワイトP−350P)56g、酸化防止剤として、(商品名)Irganox1010(BASF製)0.13g、(商品名)Irgafos168(BASF製)0.13gを、100mlのバッチ式混練機((株)東洋精機製作所製、(商品名)ラボプラストミル4C150)で、混練温度190℃、回転数50rpmにて、10分間混練し、超高分子量ポリエチレン組成物を得た。
得られた混合物を圧縮成形し、厚さ0.6mmのシート状物とした。
このシート状物を、設定延伸倍率が縦方向×横方向が6倍×6倍となるように、115℃で同時二軸延伸し、ヘキサンで洗浄し、流動パラフィンの除去を行い、乾燥することによりセパレータを製造した。
得られたセパレータには肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。このセパレータの膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。
実施例2
超高分子量ポリエチレン(1)の代りに、製造例2で製造した超高分子量ポリエチレン(2)4.2g、ポリエチレン(5)の代わりに製造例6で製造したポリエチレン(6)9.8gを用いた以外は、実施例1と同様の方法により、超高分子量ポリエチレン組成物を製造し、セパレータを製造した。
得られたセパレータには肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。このセパレータの膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。
比較例1
超高分子量ポリエチレンを用いずに、ポリエチレン(6)9.8gを14gに変えた以外は、実施例2と同様の方法により微多孔膜を製造した。
得られた膜には肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。この膜の膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。引張破断強度が小さく、熱収縮率が大きく、また、溶出成分があった。
比較例2
ポリエチレン(6)の代わりに製造例8で製造したポリエチレン(8)9.8gを用いた以外は、実施例2と同様の方法により微多孔膜を製造した。
得られた膜には肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。この膜の膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。引張破断強度が小さく、熱収縮率が大きく、また、溶出成分があった。
実施例3
超高分子量ポリエチレン(1)の代りに、製造例3で製造した超高分子量ポリエチレン(3)1.7g、ポリエチレン(5)の代わりに製造例7で製造したポリエチレン(7)12.3gを用いた以外は、実施例1と同様の方法により超高分子量ポリエチレン組成物を製造した。
そして、厚みを0.9mmの超高分子量ポリエチレン組成物のシート状物を作製した。さらに、設定延伸倍率が縦方向×横方向が7倍×8倍として、実施例1と同様の方法でセパレータを製造した。
得られたセパレータには肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。このセパレータの膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。
比較例3
ポリエチレン(7)を用いず、超高分子量ポリエチレン(3)を14g用いた以外は、実施例3と同様の方法により微多孔膜を製造を試みたが、延伸時の負荷が高く、所定の倍率まで延伸することができず、セパレータは得られなかった。
実施例4
超高分子量ポリエチレン(1)の代りに、製造例4で製造した超高分子量ポリエチレン(4)7.7gを用い、ポリエチレン(5)を6.3gとした以外は、実施例1と同様の方法により、超高分子量ポリエチレン組成物を製造し、セパレータを製造した。
得られた延伸多孔膜には肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。このセパレータの膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。
実施例5
超高分子量ポリエチレン(1)を7.0g、ポリエチレン(5)の代わりにポリエチレン(7)7.0gを用いた以外は、実施例1と同様の方法により、超高分子量ポリエチレン組成物を製造し、セパレータを製造した。
得られた延伸多孔膜には肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。このセパレータの膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。
実施例6
超高分子量ポリエチレン(4)を7.7g、ポリエチレン(6)の代わりにポリエチレン(9)を6.3g用いた以外は、実施例4と同様の方法により、超高分子量ポリエチレン組成物を製造し、延伸微多孔膜を製造した。
得られた延伸多孔膜には肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。このセパレータの膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。
本セパレータを用いたLIBセパレータを125℃で1時間保持し、その後、25℃で直流抵抗を測定したところ、1MΩを超える高い抵抗値を示した。
実施例7
超高分子量ポリエチレン(4)の代わりに超高分子量ポリエチレン(2)を6.3g、ポリエチレン(6)の代わりにポリエチレン(10)を7.7g用いた以外は、実施例6と同様の方法により、超高分子量ポリエチレン組成物を製造し、延伸微多孔膜を製造した。
得られた延伸多孔膜には肉眼で確認できるような穴、破れはなく、電子顕微鏡において、微細孔が観察された。このセパレータの膜厚、空隙率、平均細孔径、引張破断強度、熱収縮率、溶出量、リチウムイオン二次電池セパレータに用いたときの電池の直流抵抗、充放電サイクル数を表2に示す。
本セパレータを用いたLIBセパレータを128℃で1時間保持し、その後、25℃で直流抵抗を測定したところ、1MΩを超える高い抵抗値を示した。
Figure 0006878841
本発明の超高分子量ポリエチレン組成物製セパレータは、力学的強度、耐熱性、延伸性に優れると共に、クリーン性にも優れるものであり、リチウムイオン電池(LiB)、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、アルカリ電池、電解槽等のセパレータとして用いることができる。

Claims (6)

  1. 固有粘度([η])が10dl/g以上80dl/g以下のメタロセン系超高分子量ポリエチレン100重量部に対し、重量平均分子量(Mw)50万以下、重量平均分子量と数平均分子量(Mn)の比(Mw/Mn)が4以下のポリエチレン5重量部以上5000重量部以下を含み、下記(A)を満足する超高分子量ポリエチレン組成物からなることを特徴とするセパレータ。
    (A);超高分子量ポリエチレン組成物の[η]がメタロセン系超高分子量ポリエチレンの[η]の0.8倍以下。
  2. 空隙率10%以上80%以下を有することを特徴とする請求項1に記載のセパレータ。
  3. 23℃で測定した引張破断強度が150MPa以上、かつ、熱収縮率が2%以下である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のセパレータ。
  4. メタロセン系超高分子量ポリエチレンが、DSCにて、0℃から10℃/分の昇温速度で230℃まで昇温(1stスキャン)した際の1stスキャンの融点(Tm)、その後、5分間放置後、10℃/分の降温速度で−20℃まで降温し、5分間放置後、再度、10℃/分の昇温速度で−20℃から230℃まで昇温(2ndスキャン)した際の2ndスキャンの融点(Tm)のそれぞれを測定し、該Tmと該Tmの差(ΔTm=Tm−Tm)が9℃以上30℃以下であるメタロセン系超高分子量ポリエチレンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のセパレータ。
  5. ポリエチレンが、エチレン単独重合体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のセパレータ。
  6. リチウムイオン二次電池のセパレータであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のセパレータ。
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