JP7429803B2 - ポリエチレンパウダー及び成形体 - Google Patents
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Description
電池用セパレータは、正極と負極を隔離しつつイオンのみを透過させる機能に加え、大電流が流れた時に孔部分が溶融することよりイオンの透過を遮断して電池反応が暴走することを防止するためのシャットダウン機能すなわち熱暴走する温度よりも低い温度で孔が閉塞する機能、いわゆるヒューズ効果を有しており、当該シャットダウン機能の向上が求められている。
また、電池用セパレータは、高い機械的強度を有することが必要とされる。
さらに、電池用セパレータの製造においては、一般的に、ポリエチレンパウダーを溶媒に溶解させながら押出加工をする湿式押出法が用いられている。このポリエチレンパウダーの押出加工の際、溶剤中におけるポリエチレンパウダーの分散性が悪いと未溶融物が発生し、押し出し機のフィルター詰まりやセパレータの外観悪化に繋がる。そのため、外観性の向上のためにポリエチレンパウダーの溶剤中における分散性の向上が求められている。
ここで、電池用セパレータの長期安定性とは、微多孔膜の孔構造が均一であることによりイオン透過率の偏りがなく、ショートや経時劣化が起こりづらいことをいう。
また、特許文献5には、成形性、耐久性及び衝撃強度に優れ、さらには、成形品としたときに、高分子量ゲルに由来する凹凸が生じにくく、外観に優れた成形品を製造することができる、多段重合により製造されたポリエチレン樹脂組成物及びその成形体が開示されている。
また、特許文献2においては、押出溶媒中の樹脂の分散性を向上させる検討がなされておらず、最も分子量の高い成分が未溶融物として微多孔膜中に残存し、外観の悪化を引き起こす可能性があるという問題点を有している。また、微多孔膜中において分子量の高い成分が偏在している箇所では、分子鎖の絡み合いが強いために部分的な収縮が起こりやすく、微多孔膜の孔構造が不均一となるため、イオンの透過に偏りが生じ、長期安定性に劣るという問題点を有している。
さらに、特許文献3においては、電池用セパレータのシャットダウン機能を向上させる検討がなされていない、という問題点を有している。
さらにまた、特許文献4及び5においては、電池用セパレータの長期安定性やシャットダウン機能を向上させる検討がなされていない、という問題点を有している。
すなわち本発明は以下のとおりである。
粘度平均分子量が100,000以上2,500,000以下のポリエチレンパウダーであって、
ラボプラストミルを使用して下記の<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
二つの極大点を結ぶ直線の傾きが、2N・m/min以上15N・m/min以下である、ポリエチレンパウダー。
<混練条件>
(株)東洋精機社製ラボプラストミルミキサー(本体型式:30C150、ミキサー形式:R-60)を用い、設定温度114℃、回転数5rpmの条件で流動パラフィン24gを10分間混練した後、前記ポリエチレンパウダー16gと酸化防止剤0.4gを添加し、回転数を30rpmとして3分間混練した後、設定温度を114℃から163℃まで1分間かけて上昇させる。昇温後は、設定温度163℃、回転数30rpmとして5分間混練する。
〔2〕
前記ラボプラストミルを使用して、前記<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
膨潤時の混練エネルギー(EA)と溶融時の混練エネルギー(EB)との比率(EA/EB)が0.02以上0.3以下である、前記〔1〕に記載のポリエチレンパウダー。
〔3〕
前記ラボプラストミルを使用して、前記<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
膨潤開始時における混練エネルギー(E0)が全混練エネルギー(Et)の5%以下である、前記〔1〕又は〔2〕に記載のポリエチレンパウダー。
〔4〕
前記ラボプラストミルを使用して、前記<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
膨潤時の混練エネルギー(EA)と溶融時の混練エネルギー(EB)との比率(EA/EB)が0.02以上0.1以下である、前記〔1〕乃至〔3〕のいずれか一に記載のポリエチレンパウダー。
〔5〕
メディアン径が50μm以上250μm以下である、前記〔1〕乃至〔4〕のいずれか一に記載のポリエチレンパウダー。
〔6〕
電池用セパレータ用である、前記〔1〕乃至〔5〕のいずれか一に記載のポリエチレンパウダー。
〔7〕
前記〔1〕乃至〔5〕のいずれか一に記載のポリエチレンパウダーの成形体。
〔8〕
微多孔膜である、前記〔7〕に記載の成形体。
〔9〕
電池用セパレータである、前記〔7〕又は〔8〕に記載の成形体。
なお、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本実施形態のポリエチレンパウダーは、
粘度平均分子量が100,000以上2,500,000以下であり、
ラボプラストミルを使用して下記の<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、二つの極大点を結ぶ直線の傾きが2N・m/min以上15N・m/min以下である。
<混練条件>
(株)東洋精機社製ラボプラストミルミキサー(本体型式:30C150、ミキサー形式:R-60)を用い、設定温度114℃、回転数5rpmの条件で流動パラフィン24gを10分間混練した後、前記ポリエチレンパウダー16gと酸化防止剤0.4gを添加し、回転数を30rpmとして3分間混練した後、設定温度を114℃から163℃まで1分間かけて上昇させる。昇温後は、設定温度163℃、回転数30rpmとして5分間混練する。
電池用セパレータの長期安定性とは、微多孔膜の孔構造が均一であることによりイオン透過率の偏りがなく、ショートや経時劣化が起こりづらいことをいう。
本実施形態のポリエチレンパウダー(以下、単に「パウダー」ということもある。)は、エチレン系重合体により構成されている。
エチレン系重合体としては、エチレン単独重合体、及びエチレンと、エチレンと共重合可能な他のコモノマーとの共重合体(例えば、二元又は三元共重合体)が挙げられる。共重合体の結合形式は、ランダムでもブロックであってもよい。
エチレンと共重合可能な他のコモノマーとしては、特に限定されないが、例えば、α-オレフィン、ビニル化合物等が挙げられる。他のコモノマーは、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
α-オレフィンとしては、特に限定されないが、例えば、炭素数3~20のα-オレフィンが挙げられ、具体的には、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、1-ノネン、1-デセン、1-ウンデセン、1-ドデセン、1-トリデセン、1-テトラデセン等が挙げられる。これらの中でも、他のコモノマーとしては、微多孔膜の耐熱性及び強度をより一層向上させる観点から、プロピレン及び/又は1-ブテンが好ましい。
ビニル化合物としては、特に限定されないが、例えば、ビニルシクロヘキサン、スチレン及びこれらの誘導体等が挙げられる。
また、他のコモノマーとして、必要に応じて、1,5-ヘキサジエン、1,7-オクタジエン等の非共役ポリエンを使用してもよい。
本実施形態のポリエチレンパウダーは、粘度平均分子量(Mv)が、100,000以上2,500,000以下であり、好ましくは200,000以上2,000,000以下であり、より好ましくは250,000以上1,200,000以下である。
ポリエチレンパウダーの粘度平均分子量(Mv)は、後述する重合条件等を適宜調整することにより、上記数値範囲に制御することができる。具体的には、重合系内に連鎖移動剤として水素を存在させるか、又は重合温度を変化させること等によって粘度平均分子量(Mv)を制御することができる。
Mv=(5.34×104)×[η]1.49
ポリエチレンパウダーに対する可塑剤の含浸性を推定する公知の指標としては、パウダーの細孔物性や静的条件下における溶解性といった指標が挙げられる。
しかしながら、成形加工時には、ポリエチレンパウダーと可塑剤に対して機械的な外力が加わるため、上記指標から推定される含浸性と実際の含浸性に乖離が生じる可能性がある。
また、ポリエチレンパウダーを用いて成形した微多孔膜の物性を決定づける最も大きな要因の一つに、押出加工に伴って形成されるポリエチレンの分子鎖の絡み合い状態が挙げられる。この分子鎖の絡み合い状態は、所定の押出加工条件下での指標を使用することで、正確に評価することができる。
そこで、本実施形態においては、微多孔膜に適したポリエチレンパウダーを見極めるべく、所定の混練条件下で得られるトルクカーブにおける二つの極大点を結ぶ直線の傾きを特定することにより、ポリエチレンパウダーに対する可塑剤の含浸性と微多孔膜の物性を同時にかつ正確に評価することとした。
すなわち、本実施形態のポリエチレンパウダーは、(株)東洋精機社製ラボプラストミルミキサー(本体型式:30C150、ミキサー形式:R-60)を用いて、下記<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、二つの極大点を結ぶ直線の傾きが2N・m/min以上15N・m/min以下であるものとし、これにより微多孔膜の原料として極めて好適なポリエチレンパウダーが得られることを見出した。
図1に、前記トルクカーブの一例を示す。
図1においては、所定の混練条件で混練した際の、平均トルク(混練時に発生する回転負荷)(N・m)を縦軸、混練時間(min)を横軸に示す。なお、実線は平均トルクを示し、破線は設定温度を示す。
(株)東洋精機社製ラボプラストミルミキサー(本体型式:30C150、ミキサー形式:R-60)を用い、設定温度114℃、回転数5rpmの条件で流動パラフィン24gを10分間混練した後、前記ポリエチレンパウダー16gと酸化防止剤0.4gを添加し、回転数を30rpmとして3分間混練した後、設定温度を114℃から163℃まで1分間かけて上昇させる。昇温後は、設定温度163℃、回転数30rpmとして5分間混練する。
一方、上述の傾きが15N・m/min以下であることによって、溶融時のポリエチレンの流動性が良好となり、シャットダウン時に孔が閉塞しやすい微多孔膜が製造できる傾向にある。
一方、本実施形態のポリエチレンパウダーは、可塑剤の含浸速度が速く、分散性が良好であるため、未溶融物を抑制することが可能となる。
一方、本実施形態のポリエチレンパウダーは、押出加工することで均一かつ適度な分子鎖の絡み合い状態を形成するため、押出加工後に得られる微多孔膜は、均一な孔構造を有するとともに、シャットダウン時に孔が閉塞しやすい。
上述した<混練条件>でポリエチレンパウダーを混練したときに得られるトルクカーブにおいて、二つの極大点を結ぶ直線の傾きを上述した数値範囲に制御する方法としては、ポリエチレンパウダーの表面部の分子鎖の絡み合いを少なくすることや、重合の後半で分子鎖の成長反応を加速させることでポリエチレンパウダーの表面部の細孔を押し広げること等が挙げられる。具体的には、後述の多段重合プロセスにおいて下記の<式(I)>を満たすこと、後述の多段重合プロセスにおいて反応器と反応器の間に位置するフラッシュタンク中でコモノマーを共重合させること、反応器の後に位置するフラッシュタンクにコモノマーを導入し、低密度のエチレン共重合体を後重合させること等が挙げられる。
<式(I)>
(最終段の反応器温度)-(第一段目の反応器温度)≧20℃
また、重合工程の後半にポリエチレンパウダー中心部で生成する分子鎖からの圧力でポリエチレンパウダーの表面部が引き延ばされやすくなり、絡み合いが解され、細孔も広くなる。さらに、重合工程の後半に高温で重合を行うことで、よりポリエチレンパウダー表面部の分子鎖の絡み合いを解す効果と細孔を広げる効果が大きくなる。加えて、重合工程の後に低密度のエチレン共重合体を後重合し、本実施形態のポリエチレンパウダーを、複数種の重合体の混合物とすることにより、これらの効果を更に向上させることができる。
まず、温度114℃に設定した、(株)東洋精機社製ラボプラストミルミキサー(本体型式:30C150、ミキサー形式:R-60)に流動パラフィン24gを投入し、回転数5rpmの条件で10分間混練する。この流動パラフィンに対して、本実施形態のポリエチレンパウダー16gと酸化防止剤0.4gを添加し、回転数を30rpmとして3分間混練した後、回転数は変えずに設定温度を114℃から163℃まで1分間かけて上昇させながら混練する。昇温後は、設定温度163℃、回転数30rpmとして5分間混練する。次に、ラボプラストミルミキサー試験プログラムVer.4.52(Copyright(C)(株)東洋精機)によって算出される平均トルク(混練時に発生する回転負荷)[N・m]を縦軸に取り、混練時間[min]を横軸に取ることでトルクカーブを得る。このとき、平均トルクの値は、約0.125秒ごとにプロットするものとする。そして、極大値を示した時の経過時間とトルク値を読み取る。
前記<混練条件>において、ポリエチレンパウダーと酸化防止剤は、予め樹脂製の容器中で混合しておくことが好ましい。
流動パラフィンとは、石油の潤滑油留分に含まれる芳香族炭化水素や硫黄化合物といった不純物を、無水硫酸や発煙硫酸で除去し、高純度に精製した最も純粋な炭化水素化合物(オイル)のことである。また、流動パラフィンは、無色透明かつ無味無臭であり、ホワイトオイル(白油)やミネラルオイル等が挙げられる。
そして、一つ目のピーク中の極大点Aが観測されてから二つ目のピーク中の極大点Bが観測されるまでの時間は、ポリエチレンパウダーに可塑剤が含浸してから可塑剤中に分散するまでに要する時間に相当し、可塑剤が含浸しやすいほど短くなる。さらに、一つ目の極大点Aと二つ目の極大点Bの縦軸の値である混練時に発生する回転負荷の差分は、ポリエチレンパウダーの分散前後の系の粘度変化に相当し、ポリエチレンパウダーの分散性が良好であり、かつ混練過程において形成される分子鎖の絡み合いが強いほど、この変化は大きくなる。
本実施形態のトルクカーブにおける二つの極大点を結ぶ直線の傾きは、より具体的には、後述する実施例に記載の方法によって測定することができる。
本実施形態のポリエチレンパウダーを上述した<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、膨潤時の混練エネルギー(EA)と溶融時の混練エネルギー(EB)との比率(EA/EB)は、好ましくは0.02以上0.3以下であり、より好ましくは0.02以上0.2以下であり、さらにより好ましくは0.02以上0.1以下である。
本実施形態のポリエチレンパウダーを上述した<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおける膨潤時の混練エネルギー(EA)は、昇温を開始した点から、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点を迎えるまでの、単位体積当たりのトルクの積算値である。この値は、ポリエチレンパウダー中に取り込まれる可塑剤の量が多くなるほど大きくなる。
本実施形態における溶融時の混練エネルギー(EB)は、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点から混練を終えるまでの、単位体積当たりのトルクの積算値である。この値は、混練過程において形成される分子鎖の絡み合いが強いほど高くなる。
上述の膨潤時の混練エネルギー(EA)と溶融時の混練エネルギー(EB)との比率(EA/EB)が0.02以上であることによって、膨潤時にポリエチレンパウダー中へ適度な量で可塑剤が取り込まれ、未溶融物の発生がより抑制される。さらに、溶融時のポリエチレン樹脂の流動性がより良化する傾向にある。したがって、より外観に優れ、よりシャットダウン機能が向上した微多孔膜を製造できる傾向にある。
一方、上述の比率(EA/EB)が0.3以下であることによって、可塑剤の必要量が抑制される傾向にある。さらに、混練過程において形成される分子鎖の絡み合いが均一になる傾向もある。したがって、微多孔膜の製造における生産コストや環境負荷の低減が可能になり、かつ、より均一な孔構造を有する微多孔膜を製造できる傾向にある。
本実施形態のポリエチレンパウダーを上述した<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおける膨潤時の混練エネルギー(EA)と溶融時の混練エネルギー(EB)との比率(EA/EB)は、具体的には、実施例に記載の方法によって測定することができる。
前記比率(EA/EB)は、重合工程前半で生成するポリエチレンの分子量と密度、及び重合工程後半もしくは重合後の工程で生成するポリエチレンの分子量と密度を調整することにより、上記数値範囲に制御することができる。
本実施形態のポリエチレンパウダーを、上述した<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、膨潤開始時における混練エネルギー(E0)は、好ましくは全混練エネルギー(Et)の5%以下であり、より好ましくは1%以下であり、さらにより好ましくは0.1%以下である。
また、下限値は特に限定されず、通常0%以上である。
本実施形態における、膨潤開始時における混練エネルギー(E0)は、ポリエチレンパウダーの混練開始から昇温開始までの、単位体積当たりのトルクの積算値である。この値は、膨潤前に溶融が始まる低融点のポリエチレン成分がパウダー表面に存在している場合、0より大きな値を取る。
上述の膨潤開始時における混練エネルギー(E0)が全混練エネルギー(Et)の5%以下であることによって、未溶融物の発生が抑制され、より外観に優れた微多孔膜を製造できる傾向にある。
上述の膨潤開始時における混練エネルギー(E0)を制御する方法としては、例えば、重合工程の前半部におけるコモノマーの量を調整する方法等が挙げられる。
本実施形態の膨潤開始時における混練エネルギー(E0)は、具体的には、後述する実施例に記載の方法によって測定することができる。
本実施形態のポリエチレンパウダーは、メディアン径の範囲が、好ましくは、50μm以上250μm以下であり、より好ましくは60μm以上200μm以下であり、さらにより好ましくは、70μm以上150μm以下である。
本実施形態のポリエチレンパウダーのメディアン径は、累積質量が50%となる粒子径(D50)である。
上述のメディアン径が50μm以上であることにより、製造工程や押出加工工程におけるポリエチレンパウダーの取り扱いやすさ(流動性の向上、粉塵の抑制等)が向上する。
一方、メディアン径が250μm以下であることにより、可塑剤がポリエチレンパウダー中心部まで含浸しやすくなり、未溶融物の発生が抑制される。
本実施形態のポリエチレンパウダーのメディアン径を上記数値範囲に制御する方法としては、例えば、重合触媒の粒子径を制御する方法や、重合反応が急激に進行すること(以下、急重合と記載する場合がある)を抑制するように後述の重合条件を調整する方法等が挙げられる。
本実施形態のポリエチレンパウダーのメディアン径は、具体的には、後述する実施例に記載の方法によって測定することができる。
本実施形態のポリエチレンパウダーは、密度の範囲が、好ましくは920kg/m3以上960kg/m3以下であり、より好ましくは、930kg/m3以上955kg/m3以下であり、さらにより好ましくは、935kg/m3以上950kg/m3以下である。
本実施形態のポリエチレンパウダーの密度が920kg/m3以上960kg/m3以下であることにより、本実施形態のポリエチレンパウダーを用いた微多孔膜が寸法安定性と機械強度のバランスに優れたものとなる。
本実施形態のポリエチレンパウダーの密度を、上記数値範囲に制御する方法としては、例えば、重合工程における、エチレン以外の他のコモノマーの量を調整する方法や、重合体の分子量を調製する方法等が挙げられる。
本実施形態のポリエチレンパウダーの密度は、具体的には、後述する実施例に記載の方法によって測定することができる。
以下に、本実施形態のポリエチレンパウダーの製造方法を説明する。
本実施形態のポリエチレンパウダーは、所定の触媒成分を用いてエチレン又はエチレンと他のコモノマーとを重合することにより製造できる。
本実施形態のポリエチレンパウダーを構成するエチレン系重合体の製造に使用される触媒成分としては、特に限定されず、例えば、チーグラー・ナッタ触媒やメタロセン触媒が挙げられる。
チーグラー・ナッタ触媒やメタロセン触媒の製造方法としては、例えば、日本国特許第5782558号公報や日本国特開2019-19265号公報に記載の方法が挙げられる。
本実施形態のポリエチレンパウダーを構成するエチレン系重合体の重合方法としては、例えば、懸濁重合法又は気相重合法により、エチレンを重合する、又はエチレンとコモノマーとを共重合する方法が挙げられる。
これらの中でも、重合熱を効率的に除熱できる懸濁重合法が好ましい。
懸濁重合法においては、溶媒として不活性炭化水素溶媒を用いることができ、さらにオレフィン自身を溶媒として用いることもできる。
不活性炭化水素溶媒としては、特に限定されないが、例えば、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、灯油等の脂肪族炭化水素;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン等の脂環式炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;エチルクロライド、クロルベンゼン、ジクロロメタン等のハロゲン化炭化水素、及びこれらの混合物等が挙げられる。
重合温度が40℃以上であることにより、工業的に効率的な製造が可能となる。一方、重合温度が100℃以下であることにより、重合体の一部が溶融して生成する塊状のスケールの発生を抑制でき、配管が詰まることなく連続的で安定したエチレン系重合体の製造が可能となる。
重合圧力が常圧以上であることにより、工業的に効率的な製造が可能となる。
一方、重合圧力が2MPaG以下であることにより、重合反応器内での急重合による塊状のスケールの発生を防止でき、安定した製造が可能となる傾向にある。
前記StadisやSTATSAFE等の静電気防止剤は、固体触媒に予め添加しておいてもよいが、不活性炭化水素溶媒に希釈したものをポンプ等により重合反応器に添加してもよい。
静電気防止剤の添加量は、固体触媒に予め添加しておく方法や、重合反応器に添加する方法のいずれにおいても、単位時間当たりのエチレン系重合体の生産量に対して、1ppm以上500ppm以下が好ましく、10ppm以上100ppm以下がより好ましい。
エチレン系重合体の分子量は、西独国特許出願公開第3127133号明細書に記載されているように、重合系内に水素を存在させるか、又は重合温度を変化させること等によって制御することができる。重合系内に連鎖移動剤として水素を添加することにより、エチレン系重合体の分子量を適切な範囲で制御することが可能である。
重合系内に水素を添加してエチレン系重合体の分子量を制御する場合、水素のモル分率の範囲としては、好ましくは0mol%以上50mol%以下であり、より好ましくは0mol%以上30mol%以下である。
また、重合系内に水素を添加する場合、水素は予め触媒と接触させた後、触媒導入ラインから重合系内に添加することも可能である。触媒を重合系内に導入した直後は、導入ライン出口付近の触媒濃度が高くなるために急重合が進行し、局所的な高温状態が生じる可能性が高まる。一方、水素と触媒を重合系内に導入する前に接触させることで、触媒の初期活性を抑制することが可能となり、急重合による塊状のスケールの発生や高温下での触媒の失活等を抑制することができる。
エチレンガス、溶媒、触媒等を連続的に重合系内に供給し、生成したエチレン系重合体と共に、これらを連続的に排出することにより、急激なエチレンの反応によって部分的に高温状態になることを抑制することができ、重合系内がより安定化する。
重合系内で均一な状態でエチレンが反応すると、ポリマー鎖中に分岐や二重結合等が生成されることが抑制され、又はエチレン重合体の分解や架橋によって低分子量成分や、超高分子量体が生成されることが抑制され、エチレン系重合体の結晶性成分が生成しやすくなる。これにより、フィルムや微多孔膜等に要求される強度を達成するために必要十分な量の結晶性成分が得られやすくなる。
まず、上述した製造条件を用いて、第一段目の重合反応器でエチレン系重合体Xを製造し、第一段目の重合反応器から抜き出されたエチレン系重合体Xを中間のフラッシュタンクへ移送し、未反応のエチレン、水素、及び第一段目の重合反応器で共重合を行う場合においてはコモノマーを分離する。
次に、前記エチレン系重合体Xを含む懸濁液を第二段目の重合反応器へと移送し、上述した製造条件を用いてエチレン系重合体Yを製造する。
なお、第二段目が最終段であるものとする。
<式1>
(第二段目の反応器温度)-(第一段目の反応器温度)≧20℃
<式2>
(第二段目の反応器温度)-(第一段目の反応器温度)≧25℃
<式3>
(第二段目の反応器温度)-(第一段目の反応器温度)≧30℃
さらに、第二段目の重合反応器において高温重合を行うことで、ポリエチレンパウダー表面部の分子鎖の運動性が向上し、かつポリエチレンパウダー内部で成長する分子鎖からの圧力が上昇する。これらのことから、上述の<式1>~<式3>を満たすことにより、ポリエチレンパウダー表面部の分子鎖の絡み合い量が少なく、混練過程で分子鎖が分散しやすくなり、かつ細孔が十分に広がり、可塑剤の含浸性をより高めることができる。
エチレン重合体Yの含有量が30%以上であることによって、ポリエチレンパウダー表面部の細孔が押し広げられ、可塑剤の含浸性をより高めることができる。
一方、エチレン重合体Yの含有量が増加するにつれて、第一段目の重合反応器における低活性化や滞留時間の短縮、または第二段目の重合反応器における高活性化や滞留時間の延長が必要となる。したがって、エチレン重合体Yの含有割合が70%以下であることによって、各重合反応器の温度や圧力を極端な条件にすることなく、安定した製造を行うことが可能となる。
また、エチレン系重合体Xの粘度平均分子量の範囲については、最終的に生成するポリエチレンパウダーの粘度平均分子量が上述の範囲内でれば、特に限定はされない。
また、エチレン系重合体Yの粘度平均分子量の範囲については、最終的に生成するポリエチレンパウダーの粘度平均分子量が上述の範囲内でれば、特に限定はされないが、成形加工時において可塑剤の必要量を低減する観点から、10,000以上2,000,000以下であることが好ましく、10,000以上1,500,000以下であることがより好ましい。
溶媒分離後のエチレン系重合体の溶媒含有率は、特に限定されないが、エチレン系重合体の質量に対して好ましくは20質量%以上70質量%以下であり、より好ましくは30質量%以上60質量%以下である。
溶媒含有率が20質量%以上であることにより、ポリエチレンパウダー中心部における後重合が進行し、ポリエチレンパウダー表面部が引き延ばされる傾向にある。
一方、溶媒含有率が70質量%以下であることにより、溶媒中に含まれる低分子量成分すなわちWAXがポリエチレンパウダー中に残存しにくく、WAXを含むことによる微多孔膜の耐熱性低下を抑制することが可能となる。
溶媒と分離した後に触媒を失活させるための薬剤を導入することで、溶媒中に含まれる低分子量成分や触媒成分等がエチレン重合体中で析出することを抑制することができる。
触媒を失活させる薬剤としては、例えば、酸素、水、アルコール類、グリコール類、フェノール類、一酸化炭素、二酸化炭素、エーテル類、カルボニル化合物、アルキン類等が挙げられる。
乾燥工程では、ロータリーキルン方式やパドル方式や流動乾燥方式等を用いることが好ましい。
また、乾燥温度としては、50℃以上150℃以下が好ましく、70℃以上110℃以下がさらに好ましい。
また、乾燥機に窒素等の不活性ガスを導入し乾燥を促進することも効果的である。その際に、触媒を失活させる薬剤としてスチーム等を同伴させる方法もより効果的である。
スリップ剤又は中和剤としては、特に限定されないが、例えば、脂肪族炭化水素、高級脂肪酸、高級脂肪酸金属塩、アルコールの脂肪酸エステル、ワックス、高級脂肪酸アマイド、シリコーン油、ロジン等が挙げられる。具体的には、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸亜鉛等のステアリン酸塩は、好適な添加剤として挙げることができる。
酸化防止剤としては、特に限定されないが、例えば、フェノール系化合物、フェノールリン系化合物、及びリン系化合物が好ましい。具体的には、2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェノール(ジブチルヒドロキシトルエン)、n-オクタデシル-3-(4-ヒドロキ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)プロピオネート、テトラキス(メチレン(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒサロキシハイドロシンナメート))メタン等のフェノール系酸化防止剤;6-[3-(3-t-ブチル-4-ヒドロキシ-5-メチルフェニル)プロポキシ]-2,4,8,10-テトラ-t-ブチルジベンゾ[d,f][1,3,2]ジオキサホスフェピン等のフェノールリン系酸化防止剤;テトラキス(2,4-ジ-t-ブチルフェニル)-4,4’-ビフェニレン-ジ-ホスフォナイト、トリス(2,4-ジ-t-ブチルフェニル)フォスファイト、サイクリックネオペンタンテトライルビス(2,4-t-ブチルフェニルフォスファイト)等のリン系酸化防止剤が挙げられる。
耐光安定剤としては、特に限定されないが、例えば、2-(5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾール、2-(3-t-ブチル-5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)-5-クロロベンゾトリアゾール等のベンゾトリアゾール系耐光安定剤;ビス(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジン)セバケート、ポリ[{6-(1,1,3,3-テトラメチルブチル)アミノ-1,3,5-トリアジン-2,4-ジイル}{(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル)イミノ}ヘキサメチレン{(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル)イミノ}]等のヒンダードアミン系耐光安定剤が挙げられる。
帯電防止剤としては、特に限定されないが、例えば、アルミノケイ酸塩、カオリン、クレー、天然シリカ、合成シリカ、シリケート類、タルク、珪藻土等や、グリセリン脂肪酸エステル等が挙げられる。
本実施形態のポリエチレンパウダーは、微多孔膜、高強度繊維、焼結体、プレス成形体、ラム押し成形体といった各種成形体の原料として使用することができる。特に電池用セパレータ用の微多孔膜の原料として好適である。
本実施形態の成形体は、上述した本実施形態のポリエチレンパウダーを成形したものである。
本実施形態の成形体は、例えば、本実施形態のポリエチレンパウダーを押出機に導入し、シート状等、所望の形状に成形し、乾燥処理を施すことにより得られる。
本実施形態の成形体としては、例えば、微多孔膜が挙げられ、具体的には、電池用セパレータ、さらに具体的には、リチウムイオン二次電池用セパレータ、鉛蓄電池用セパレータ等が挙げられる。
微多孔膜の製造方法としては、湿式押出法を用いた樹脂の押出、延伸、抽出、乾燥の工程を経る成形方法が挙げられる。
各種特性及び物性の測定方法を下記に示す。
ポリエチレンパウダーの物性の評価方法について説明する。
ポリエチレンパウダーの粘度平均分子量は、ISO1628-3(2010)に従って、以下に示す方法によって測定した。
まず、溶解管に、ポリエチレンパウダーを、4.0~4.5mgの範囲内で秤量した。秤量した質量を下記数式中で「m(単位:mg)」と表記する。溶解管内部の空気を真空ポンプで脱気し窒素で置換した後、真空ポンプで脱気し窒素で置換した20mLのデカヒドロナフタレン(2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェノールを1g/L加えたもの、以下、デカリンと表記する。)を加え、150℃で90分間攪拌してポリエチレンパウダーを溶解させ、デカリン溶液とした。
その後、前記デカリン溶液を、135℃の恒温液槽中で、キャノン-フェンスケ粘度計(柴田科学器械工業社製/粘度計番号:100)に投入し、標線間の落下時間(ts)を測定した。
さらに、ブランクとしてポリエチレンパウダーを入れていない、デカリンのみの落下時間(tb)を測定し、下記の(数式A)に従って比粘度(ηsp)を求めた。
ηsp=(ts/tb)-1 (数式A)
比粘度(ηsp)と、濃度(C)(単位:g/dL)から、下記(数式B)、(数式C)を用いて、極限粘度IVを算出した。
濃度C=m/(20×γ)/10(単位:g/dL) (数式B)
γ=(デカリン20℃での密度(単位g/mL))/(デカリン135℃での密度(単位g/mL))
=0.888/0.802=1.107
極限粘度IV=(ηsp/C)/(1+0.27×ηsp) (数式C)
この極限粘度IVを、下記(数式D)に代入し、粘度平均分子量(Mv)を求めた。
粘度平均分子量(Mv)=(5.34×104)×[η]1.49 (数式D)
混練したときに得られるトルクカーブにおける二つの極大点を結ぶ直線の傾きは、以下に示す方法によって求めた。
まず、温度114℃に設定した、(株)東洋精機社製、ラボプラストミルミキサー(本体型式:30C150、ミキサー形式:R-60)に、(株)MORESCO製、流動パラフィン(製品名:P-350P)24gを投入し、回転数5rpmの条件で10分間混練した。
この流動パラフィンに対して、あらかじめ樹脂製の容器中でよく混合しておいた、ポリエチレンパウダー16gと、グレートレイクスケミカル日本(株)製、テトラキス[メチレン(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシ-ヒドロシンナマート)]メタン(製品名:ANOX20)0.4gの混合物を添加し、回転数を30rpmとして3分間混練した。
その後、回転数は変えずに設定温度を114℃から163℃まで1分間かけて上昇させながら混練した。昇温後は、設定温度163℃、回転数30rpmとして5分間混練した。
次に、ラボプラストミルミキサー試験プログラムVer.4.52(Copyright(C)(株)東洋精機)によって算出される平均トルク(混練時に発生する回転負荷)を縦軸に取り、混練時間を横軸に取ることでトルクカーブを得た。このとき、平均トルクの値は約0.125秒ごとにプロットした。
そして、当該トルクカーブ中の一つ目の極大点Aと二つ目の極大点Bについて、混練経過時間(tA,tB)とトルク値(PA,PB)を読み取り、下記の式より、二つの極大点を結ぶ直線の傾き(N・m/min)を求めた。
(直線の傾き)=(PB-PA)/(tB-tA)
トルクカーブにおける膨潤時の混練エネルギー(EA)と、溶融時の混練エネルギー(EB)との比率は、以下に示す方法によって求めた。
上述した〔トルクカーブにおける二つの極大点を結ぶ直線の傾き〕を求める際に得られたトルクカーブにおいて、昇温を開始した点から、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点までの、単位体積当たりのトルクの積算値を算出し、その値を膨潤時の混練エネルギー(EA)とした。
さらに、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点から混練終了点までの、単位体積当たりのトルクの積算値を算出し、その値を溶融時の混練エネルギー(EB)とした。
EAとEBの比率(EA/EB)を求めた。
膨潤開始時における混練エネルギー(E0)を、以下に示す方法によって求めた。
上述した〔トルクカーブにおける二つの極大点を結ぶ直線の傾き〕を求める際に得られたトルクカーブにおいて、ポリエチレンパウダーの混練を開始した点から昇温開始点までの、単位体積当たりのトルクの積算値を算出し、その値を膨潤開始時における混練エネルギー(E0)とした。
さらに、混練開始点から混練終了点までの、単位体積当たりのトルクの積算値を算出し、その値を全混練エネルギー(Et)とした。
下記式により、全混練エネルギー(Et)中の膨潤開始時における混練エネルギー(E0)の割合を求めた。
(E0の割合(%))=(E0/Et)×100
ポリエチレンパウダーのメディアン径を、以下に示す方法により求めた。
ポリエチレンパウダーをJIS Z8801規格に準拠したふるいで分級した。ふるいの目開きは425μm、300μm、212μm、150μm、106μm、75μm、及び53μmのものを使用し、各分画毎に回収されたポリエチレンパウダーの質量を測定した。そして、分級前のポリエチレンパウダーの合計質量に対する各分画の分率(質量%)を算出し、目開きの小さい方から積算した割合である積算篩下割合(質量%)を求めた。目開きの値を横軸、積算篩下割合を縦軸とする篩下積算分布グラフ、すなわち粒径分布積算曲線(小粒子からの積算曲線)を書き、積算篩下割合が50%となる横軸の値(D50(μm))をメディアン径とした。
ポリエチレンパウダーの密度を、以下に示す方法(1)~(7)により求めた。
(1)ポリエチレンパウダーを100mm×100mm×厚み2mmの金型に充填した。
(2)設定温度190℃のプレス機で、10kg/cm2で3分間予熱し、3回脱泡操作を行い、15kg/cm2で2分間プレスした。
(3)冷却プレスにて金型を室温まで冷却した。
(4)得られたプレスシートから、20mm×20mm×厚み2mmの切片を切り出した。
(5)切り出した切片を試験管に投入し、窒素雰囲気下、120℃で1時間加熱した。
(6)加熱後、20℃で1時間冷却し、密度測定用の成形体試料を得た。
(7)JIS K7112:1999(D法)に準拠して上述の成形体試料の密度を測定し、得られた値をポリエチレンパウダーの密度(kg/m3)とした。
(微多孔膜の製造方法)
各実施例及び比較例のポリエチレンパウダー45質量部に、酸化防止剤としてペンタエリスリチル-テトラキス-[3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1質量部添加し、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、パウダー混合物を得た。
得られたパウダー混合物は窒素置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーを介して投入した。
さらに流動パラフィン((株)MORESCO製P-350P(商標))55質量部をサイドフィードで前記二軸押出機に注入し、160℃条件で混練し、二軸押出機先端に設置したTダイから押出した後、ただちに25℃に冷却したキャストロールで冷却固化させ、厚さ1200μmのゲル状シートに成形した。
このゲル状シートを115~125℃で同時二軸延伸機を用いて7×7倍に延伸した後、この延伸フィルムをメチルエチルケトンに30分間浸漬し、流動パラフィンを抽出除去後、乾燥した。
さらに115℃~125℃、3分の条件で熱固定し、微多孔膜を得た。
延伸温度と熱固定温度については、指定した温度内の中で、微多孔膜ごとに適宜調整を行った。
上述した(微多孔膜の製造方法)により得られた微多孔膜について、250mm×250mm中に存在する欠点の個数を目視により数えた。なお、微多孔膜を透過光で観察した際、黒点として観察されるゴミ等の不純物は除くものとした。
そして、得られた個数に基づいて、下記評価基準により欠点数を評価した。
<評価基準>
◎(良い):1個以下
○(普通):2個以上5個未満
×(悪い):5個以上
上述した(微多孔膜の製造方法)により得られた微多孔膜について、250mm×250mmの中から100mm×50mmの微多孔膜を8枚打ち抜き、各微多孔膜について、旭精工(株)社製 王研式透気度試験機(型式:EGO1)を用いて、JIS P-8117に定める透気抵抗度の測定を行った。
測定は、前記100mm×50mmの一枚の微多孔膜につき3箇所実施した。
そして、24点の測定値の標準偏差を算出し、下記の評価基準により透気能の均一性を評価し、これを微細多孔膜の孔構造の均一性の評価とした。
<評価基準>
◎(良い):10sec未満
○(普通):10sec以上20sec未満
×(悪い):20sec以上
上述した(微多孔膜の製造方法)により得られた微多孔膜に電解液を含浸させ、これをSUS板電極で挟んだ構成のセルを作製し、昇温させながらそのセルの交流抵抗を測定した。
そして、急激に抵抗値が増大した温度をシャットダウン温度とし、下記の評価基準により評価を行った。
<評価基準>
◎(良い):132℃未満
○(普通):132℃以上134℃未満
×(悪い):134℃以上
(チーグラー・ナッタ触媒(A)の調製)
下記の(1)~(4)に従い、チーグラー・ナッタ触媒(A)を調製した。
<(1)原料(a-1)の合成>
充分に窒素置換された8Lステンレス製オートクレーブに、1mol/LのMg6(C4H9)12AL(C2H5)3のヘキサン溶液2,000mL(マグネシウムとアルミニウムで2000mmol相当)を仕込み、50℃で攪拌しながら、オートクレーブに接続したフィードラインから5.47mol/Lのn-ブタノールヘキサン溶液146mLを3時間かけて滴下し、終了後、前記ラインを300mLのヘキサンで洗浄した。さらに、50℃で2時間かけて攪拌を継続した。反応終了後、常温まで冷却したものを原料(a-1)とした。原料(a-1)はマグネシウムの濃度で0.704mol/Lの、有機マグネシウムであった。
<(2)原料(a-2)の合成>
充分に窒素置換された8Lステンレス製オートクレーブに、1mol/LのMg6(C4H9)12AL(C2H5)3のヘキサン溶液2,000mL(マグネシウムとアルミニウムで2000mmol相当)を仕込み、80℃で攪拌しながら、8.33mol/Lのメチルハイドロジエンポリシロキサン(信越化学工業社製)のヘキサン溶液240mLを圧送し、さらに80℃で2時間かけて攪拌を継続させた。反応終了後、常温まで冷却したものを原料(a-2)とした。原料(a-2)はマグネシウムとアルミニウムの合計濃度で0.786mol/Lであった。
<(3)担体(a-3)の合成>
充分に窒素置換された8Lステンレス製オートクレーブに、1mol/Lのヒドロキシトリクロロシランのヘキサン溶液1,000mLを仕込み、65℃で前記原料(a-1)の有機マグネシウム化合物のヘキサン溶液1340mL(マグネシウム943mmol相当)を3時間かけて滴下し、さらに65℃で1時間攪拌しながら反応を継続させた。反応終了後、上澄み液を除去し、1,800mLのヘキサンで4回洗浄し、担体(a-3)を得た。この担体を分析した結果、固体1g当たりに含まれるマグネシウムは7.5mmolであった。
<(4)チーグラー・ナッタ触媒(A)の調製>
充分に窒素置換された8Lステンレス製オートクレーブ中、担体(a-3)110gを含有するヘキサンスラリー1,970mLを10℃で攪拌しているところに、1mol/Lの四塩化チタンのヘキサン溶液103mLと、前記原料(a-2)131mLを同時に3時間かけて添加した。添加後、10℃で1時間反応を継続させた。反応終了後、上澄み液を除去し、ヘキサンで4回洗浄することにより、未反応原料成分を除去し、チーグラー・ナッタ触媒(A)を調製した。
充分に窒素置換された8Lステンレス製オートクレーブに、ヘキサン1,600mL添加した。
10℃で攪拌しながら、1mol/Lの四塩化チタンのヘキサン溶液800mLと、前記原料(a-2)800mLを同時に5時間かけて添加した。
10℃で1時間反応を継続させた。反応終了後、上澄み液を除去し、ヘキサンで4回洗浄することにより、未反応原料成分を除去し、チーグラー・ナッタ触媒(B)を調製した。
(実施例1)
次に示すように、第一段目の反応器でエチレン系重合体(XA)を重合し、第二段目の反応器でエチレン系重合体(YA)を重合することで、ポリエチレンパウダー(A)を得た。
ポリエチレンパウダー(A)の粘度平均分子量は270,000であり、密度は945kg/m3であり、メディアン径は89μmであった。
ポリエチレンパウダー(A)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(A)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
3枚後退翼の撹拌翼と3枚の邪魔板とが付いたベッセル型300L重合反応器を使用して、エチレン系重合体の重合を行った。
溶媒としてノルマルヘキサンを40L/時間の流量で供給し、撹拌速度は230rpmとした。重合触媒としては、前記チーグラー・ナッタ触媒(A)を使用し、エチレン系重合体の生産速度が7.1kg/時間になるように供給した。重合触媒には、エチレン系重合体の生産速度に対して20質量ppmの量で、ノルマルヘキサンで希釈したInnospec社製の静電気防止剤、STATSAFE3000(90g/L)を添加した。
助触媒成分としてはトリイソブチルアルミニウムとジイソブチルアルミニウムハイドライド(9:1混合物)を使用し、10mmol/時間で供給した。水素は23mol%(モル比:水素/(エチレン+水素))供給した。重合温度は50℃とし、重合圧力は0.37MPaGとし、平均滞留時間は3.3時間とした。
上述のようにして得られたエチレン系重合体(XA)の粘度平均分子量は680,000であり、密度は943kg/m3であった。また、第一段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり20,600gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、重合反応器内のレベルが一定に保たれるよう圧力0.13MPaG、温度80℃の中間フラッシュタンクに導き、未反応のエチレン、水素を分離した。中間フラッシュタンクには、1-ブテンを15mol%(モル比:(1-ブテン)/(エチレン+水素+(1-ブテン)))供給し、平均滞留時間は1.3時間とした。
上述の中間フラッシュタンクから、3枚後退翼の撹拌翼と3枚の邪魔板とが付いたベッセル型300L重合反応器へとエチレン系重合体(XA)を含む重合スラリーを移送し、続けてエチレン系重合体(YA)の重合を行った。
撹拌速度は196rpmとし、助触媒成分としてトリイソブチルアルミニウムとジイソブチルアルミニウムハイドライド(9:1混合物)を10mmol/時間で供給した。水素は26mol%(モル比:水素/(エチレン+水素+(1-ブテン)))供給し、コモノマーとして1-ブテンを5.2mol%(モル比:(1-ブテン)/(エチレン+水素+(1-ブテン)))供給した。重合温度は83℃とし、生産速度が12.7kg/時間になるよう重合圧力は0.58MPaGとし、平均滞留時間は0.75時間とした。こうして得られたエチレン系重合体(YA)の粘度平均分子量は40,000であり、密度は946kg/m3であった。また、第二段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり8,300gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、重合反応器内のレベルが一定に保たれるよう圧力0.05MPaG、温度80℃の最終フラッシュタンクに導き、未反応のエチレン、水素を分離した。最終フラッシュタンクの平均滞留時間は1時間とした。
次に、重合スラリーをフラッシュタンクからポンプにより連続的に遠心分離機に送り、ポリマーと溶媒とを分離した後、分離されたエチレン系重合体を85℃に制御されたロータリーキルン型乾燥機に送り、窒素ブローしながら乾燥させ、ポリエチレンパウダー(A)を得た。
なお、この乾燥工程で、ポリエチレンパウダーに対してスチームを噴霧し、触媒及び助触媒の失活を実施した。
次に示すように、第一段目の反応器でエチレン系重合体(XB)を重合し、第二段目の反応器でエチレン系重合体(YB)を重合することで、ポリエチレンパウダー(B)を得た。
ポリエチレンパウダー(B)の粘度平均分子量は290,000であり、密度は942kg/m3であり、メディアン径は96μmであった。
ポリエチレンパウダー(B)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(B)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
生産速度を7.2kg/時間、水素の供給量を16mol%、重合温度を57℃、重合圧力を0.3MPaGとした以外は、実施例1の(XA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(XB)を得た。得られたエチレン系重合体(XB)の粘度平均分子量は690,000であり、密度は942kg/m3であった。また、第一段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり30,000gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、圧力を0.1MPaGとした以外は実施例1の(XA)と同様の条件に設定した中間フラッシュタンクへと導いた。
生産速度を11.8kg/時間、水素の供給量を22mol%、重合温度を85℃、重合圧力を0.56MPaG、1-ブテンの供給量を7.4mol%とした以外は、実施例1の(YA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(YB)を得た。得られたエチレン系重合体(YB)の粘度平均分子量は45,000であり、密度は942kg/m3であった。また、第二段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり11,000gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、1-ブテンを15mol%供給したこと以外は実施例1の(YA)と同様の条件に設定した最終フラッシュタンクへと導いた後、実施例1の(YA)と同様の分離・乾燥操作を行い、ポリエチレンパウダー(B)を得た。
次に示すように、第一段目の反応器でエチレン系重合体(XC)を重合し、第二段目の反応器でエチレン系重合体(YC)を重合することで、ポリエチレンパウダー(C)を得た。
ポリエチレンパウダー(C)の粘度平均分子量は240,000であり、密度は944kg/m3であり、メディアン径は102μmであった。
ポリエチレンパウダー(C)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(C)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
生産速度を12.8kg/時間、水素の供給量を44mol%、重合温度を78℃、重合圧力を0.65MPaG、平均滞留時間を3時間、コモノマーとして1-ブテンを5.7mol%供給した以外は、実施例1の(XA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(XC)を得た。得られたエチレン系重合体(XC)の粘度平均分子量は60,000であり、密度は947kg/m3であった。また、第一段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり57,000gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、圧力を0.2MPaGとした以外は実施例1の(XA)と同様の条件に設定した中間フラッシュタンクへと導いた。
生産速度を7.2kg/時間、水素の供給量を3mol%、重合温度を78℃、重合圧力を0.29MPaG、1-ブテンの供給量を1.1mol%、平均滞留時間を0.82時間とした以外は、実施例1の(YA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(YC)を得た。
得られたエチレン系重合体(YC)の粘度平均分子量は560,000であり、密度は939kg/m3であった。また、第二段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり8,500gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、実施例2の(YB)と同様の条件に設定した最終フラッシュタンクへと導いた後、実施例1の(YA)と同様の分離・乾燥操作を行い、ポリエチレンパウダー(C)を得た。
<(7)ポリエチレンパウダー(D)の重合>
3枚後退翼の撹拌翼と3枚の邪魔板とが付いたベッセル型300L重合反応器を使用して、ポリエチレンパウダーの重合を行った。
溶媒としてノルマルヘキサンを80L/時間の流量で供給し、撹拌速度は230rpmとした。重合触媒としては、前記チーグラー・ナッタ触媒(A)を使用し、ポリエチレンパウダーの生産速度が9kg/時間になるように供給した。
重合触媒には、ポリエチレンパウダーの生産速度に対して20質量ppmの量で、ノルマルヘキサンで希釈したInnospec社製の静電気防止剤のSTATSAFE3000(90g/L)を添加した。
助触媒成分としてはトリイソブチルアルミニウムとジイソブチルアルミニウムハイドライド(9:1混合物)を使用し、10mmol/時間で供給した。水素は2.7mol%(モル比:水素/(エチレン+水素))供給した。重合温度は78℃とし、重合圧力は0.3MPaGとし、平均滞留時間は1.7時間とした。重合反応器内の重合スラリーは、重合反応器内のレベルが一定に保たれるよう圧力0.3MPaG、温度80℃の最終フラッシュタンクに導き、未反応のエチレン、水素を分離した。最終フラッシュタンクには、1-ブテンを15mol%(モル比:(1-ブテン)/(エチレン+水素+(1-ブテン)))供給し、最終フラッシュタンクの平均滞留時間は1時間とした。
次に、重合スラリーをフラッシュタンクからポンプにより連続的に遠心分離機に送り、ポリマーと溶媒とを分離した後、分離されたポリエチレンパウダーを85℃に制御されたロータリーキルン型乾燥機に送り、窒素ブローしながら乾燥させた。
なお、この乾燥工程で、ポリエチレンパウダーに対してスチームを噴霧し、触媒及び助触媒の失活を実施した。
上記のようにして得られたポリエチレンパウダー(D)の粘度平均分子量は700,000であり、密度は936kg/m3であり、メディアン径は108μmであった。また、反応器における重合活性は、触媒1g当たり11,500gであった。ポリエチレンパウダー(D)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(D)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
次に示すように重合したポリエチレンパウダー(E)50質量部に対して、上述のポリエチレンパウダー(D)50質量部を添加し、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリエチレンパウダー(F)を得た。
ポリエチレンパウダー(F)の粘度平均分子量は500,000であり、密度は941kg/m3であり、メディアン径は99μmであった。
ポリエチレンパウダー(F)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(F)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
<(8)ポリエチレンパウダー(E)の重合>
水素の添加量を6mol%とした以外は、実施例4と同様の条件で重合を行った。得られたポリエチレンパウダー(E)の粘度平均分子量は300,000であり、密度は945kg/m3であり、メディアン径は90μmであった。また、反応器における重合活性は、触媒1g当たり11,600gであった。
次に示すように、第一段目の反応器でエチレン系重合体(XG)を重合し、第二段目の反応器でエチレン系重合体(YG)を重合することで、ポリエチレンパウダー(G)を得た。
ポリエチレンパウダー(G)の粘度平均分子量は900,000であり、密度は941kg/m3であり、メディアン径は90μmであった。
ポリエチレンパウダー(G)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(G)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
重合触媒をチーグラー・ナッタ触媒(B)、生産速度を6.9kg/時間、水素の供給量を0.95mol%、重合圧力を0.3MPaGとした以外は、実施例1の(XA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(XG)を得た。得られたエチレン系重合体(XG)の粘度平均分子量は2,000,000であり、密度は937kg/m3であった。また、第一段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり19,500gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、圧力を0.1MPaGとし、1-ブテンを供給しなかったこと以外は実施例1の(XA)と同様の条件に設定した中間フラッシュタンクへと導いた。
生産速度を12.9kg/時間、水素の供給量を14.4mol%、重合温度を85℃、1-ブテンの供給量を10.5mol%とした以外は、実施例1の(YA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(YG)を得た。
得られたエチレン系重合体(YG)の粘度平均分子量は300,000であり、密度は944kg/m3であった。また、第二段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり33,000gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、実施例1の(YA)と同様の条件に設定した最終フラッシュタンクへと導いた後、実施例1の(YA)と同様の分離・乾燥操作を行い、ポリエチレンパウダー(G)を得た。
<(11)ポリエチレンパウダー(H)の重合>
重合触媒を、前記チーグラー・ナッタ触媒(B)、生産速度を10.0kg/時間、水素の添加量を0.56mol%とした以外は、実施例4と同様の条件で重合を行った。
得られたポリエチレンパウダー(H)の粘度平均分子量は1,500,000であり、密度は930kg/m3であり、メディアン径は82μmであった。
また、反応器における重合活性は、触媒1g当たり59,500gであった。
ポリエチレンパウダー(H)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(H)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
下記に示すように重合したポリエチレンパウダー(I)36質量部に対して、下記に示すように重合したポリエチレンパウダー(J)64質量部を添加し、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリエチレンパウダー(K)を得た。
ポリエチレンパウダー(K)の粘度平均分子量は280,000であり、密度は946kg/m3であり、メディアン径は76μmであった。
ポリエチレンパウダー(K)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(K)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
ノルマルヘキサンの流量を40L/時間、生産速度を7.1kg/時間、水素の添加量を23mol%、重合温度を50℃、重合圧力を0.37MPaG、平均滞留時間を3.3時間、最終フラッシュタンクの圧力を0.05MPaGとし、最終フラッシュタンクに1-ブテンを供給しなかったこと以外は、実施例4と同様の条件で重合を行った。
得られたポリエチレンパウダー(I)の粘度平均分子量は680,000であり、密度は943kg/m3であり、メディアン径は79μmであった。また、反応器における重合活性は、触媒1g当たり20,600gであった。
ノルマルヘキサンの流量を40L/時間、生産速度を12.8kg/時間、水素の添加量を44mol%、重合圧力を0.65MPaG、平均滞留時間を3時間、1-ブテンを5.7mol%供給し、最終フラッシュタンクの圧力を0.05MPaGとし、最終フラッシュタンクに1-ブテンを供給しなかったこと以外は、実施例4と同様の条件で重合を行った。
得られたポリエチレンパウダー(J)の粘度平均分子量は60,000であり、密度は947kg/m3であり、メディアン径は75μmであった。
また、反応器における重合活性は、触媒1g当たり57,200gであった。
次に示すように、第一段目の反応器でエチレン系重合体(XL)を重合し、第二段目の反応器でエチレン系重合体(YL)を重合することで、ポリエチレンパウダー(L)を得た。
ポリエチレンパウダー(L)の粘度平均分子量は280,000であり、密度は942kg/m3であり、メディアン径は115μmであった。
ポリエチレンパウダー(L)、及び上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(L)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
ノルマルヘキサンの流量を80L/時間、水素の供給量を2.8mol%、重合温度を78℃、重合圧力を0.3MPaG、平均滞留時間を1.7時間とし、1-ブテンを4.8mol%供給したこと以外は、実施例1の(XA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(XL)を得た。得られたエチレン系重合体(XL)の粘度平均分子量は710,000であり、密度は942kg/m3であった。また、第一段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり20,900gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、圧力を0.1MPaGとした以外は実施例1の(XA)と同様の条件に設定した中間フラッシュタンクへと導いた。
水素の供給量を29mol%、重合温度を78℃、重合圧力を0.65MPaGとした以外は、実施例1の(YA)と同様に重合を行い、エチレン系重合体(YL)を得た。得られたエチレン系重合体(YL)の粘度平均分子量は45,000であり、密度は942kg/m3であった。また、第二段目の反応器における重合活性は、触媒1g当たり12,000gであった。
重合反応器内の重合スラリーは、実施例1の(YA)と同様の条件に設定した最終フラッシュタンクへと導いた後、実施例1の(YA)と同様の分離・乾燥操作を行い、ポリエチレンパウダー(L)を得た。
<(13)ポリエチレンパウダー(M)の重合>
重合触媒を、前記チーグラー・ナッタ触媒(B)、ノルマルヘキサンの流量を40L/時間、生産速度を13.1kg/時間、水素の添加量を13mol%、重合温度を83℃、重合圧力を0.37MPaG、平均滞留時間を3時間、最終フラッシュタンクの圧力を0.05MPaGとし、最終フラッシュタンクに1-ブテンを供給しなかったこと以外は、実施例4と同様の条件で重合を行った。
得られたポリエチレンパウダー(M)の粘度平均分子量は310,000であり、密度は953kg/m3であり、メディアン径は94μmであった。
また、反応器における重合活性は、触媒1g当たり41,900gであった。ポリエチレンパウダー(M)、および上述の(微多孔膜の製造方法)により製造したポリエチレンパウダー(M)の微多孔膜について、上述の各種評価を実施した結果を表1に示す。
Claims (9)
- 粘度平均分子量が100,000以上2,500,000以下のポリエチレンパウダーであって、
ラボプラストミルを使用して下記の<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
二つの極大点を結ぶ直線の傾きが、2N・m/min以上15N・m/min以下である、ポリエチレンパウダー。
<混練条件>
(株)東洋精機社製ラボプラストミルミキサー(本体型式:30C150、ミキサー形式:R-60)を用い、設定温度114℃、回転数5rpmの条件で流動パラフィン24gを10分間混練した後、前記ポリエチレンパウダー16gと酸化防止剤0.4gを添加し、回転数を30rpmとして3分間混練した後、設定温度を114℃から163℃まで1分間かけて上昇させる。昇温後は、設定温度163℃、回転数30rpmとして5分間混練する。 - 前記ラボプラストミルを使用して、前記<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
昇温を開始した点から、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点を迎えるまでの、単位体積当たりのトルクの積算値である膨潤時の混練エネルギー(EA)と、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点から混練を終えるまでの、単位体積当たりのトルクの積算値である溶融時の混練エネルギー(EB)との比率(EA/EB)が0.02以上0.3以下である、
請求項1に記載のポリエチレンパウダー。 - 前記ラボプラストミルを使用して、前記<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
混練開始から昇温開始までの、単位体積当たりのトルクの積算値である膨潤開始時における混練エネルギー(E0)が、混練開始点から混練終了点までの、単位体積当たりのトルクの積算値である全混練エネルギー(Et)の5%以下である、
請求項1又は2に記載のポリエチレンパウダー。 - 前記ラボプラストミルを使用して、前記<混練条件>で混練したときに得られるトルクカーブにおいて、
昇温を開始した点から、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点を迎えるまでの、単位体積当たりのトルクの積算値である膨潤時の混練エネルギー(EA)と、一つ目のピークと二つ目のピークの間の極小点から混練を終えるまでの、単位体積当たりのトルクの積算値である溶融時の混練エネルギー(EB)との比率(EA/EB)が0.02以上0.1以下である、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のポリエチレンパウダー。 - メディアン径が50μm以上250μm以下である、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のポリエチレンパウダー。 - 電池用セパレータ用である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のポリエチレンパウダー。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のポリエチレンパウダーの成形体。
- 微多孔膜である、請求項7に記載の成形体。
- 電池用セパレータである、請求項7又は8に記載の成形体。
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