JPWO2005040258A1 - ポリオレフィン微多孔膜 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、高強度という観点では、高度な分子配向状態を作り出すためにポリエチレンの分子量を高くしたり、配向させるために延伸倍率を高くする技術が一般的に知られている。しかし、単なるこのような高度な分子配向は、溶融状態になると高い収縮応力を発生させる原因となり、結果的に耐熱性を低くすることになる。
同様に、特許文献5は、分子量70万以上の超高分子量ポリエチレンを1%以上含有し、分子量分布が10〜300のポリオレフィン組成物からなる微多孔膜を開示してはいる。しかし、具体的に開示されているのは、分子量250万と24万のポリエチレンからなる組成物であり、本発明に必須である分子量1〜20万である低分子量成分を含んでおらず、ヒューズ特性や緩和速度が不充分である。
(1)Mvが200万以上、DSC(示差走査熱量分析)から求められる第一融解ピークの信号高さが3.0mW/mg以上であり、比表面積が0.7m2/g以上、かつ平均粒径が1〜150μmであるポリエチレン(A)を5〜95重量%、Mwが1万を超え20万未満であるポリエチレン(B)を95〜5重量%含み、前記(A)と(B)の分子量の比(A)/(B)は10以上であり、膜全体の分子量が30万〜150万、ヒューズ温度が120〜140℃、破膜温度が150℃以上であり、140℃突刺強度と25℃突刺強度の比が0.01〜0.25であるポリオレフィン微多孔膜。
(2)前記ヒューズ温度が120〜135℃である前記(1)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(3)前記ヒューズ温度が120〜133℃である前記(1)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(4)152℃以上のショート温度を有する前記(1)〜(3)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(5)90℃以上のTD方向の熱収縮開始温度を有する前記(1)〜(4)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(6)前記TD方向の熱収縮開始温度が100℃以上である前記(5)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(7)前記TD方向の熱収縮開始温度が110℃以上である前記(6)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(8)5〜24μmの膜厚を有する(1)〜(7)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(9)30〜60%の気孔率を有する(1)〜(7)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(10)25℃突刺強度が3〜10N/20μmである(1)〜(7)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(11)粘度平均分子量(Mv)が200万以上、DSC(示差走査熱量分析)から求められる第一融解ピークの信号高さが3.0mW/mg以上であり、比表面積が0.7m2/g以上、かつ平均粒径が1〜150μmであるポリエチレン(A)を5〜95重量%、Mwが1万を超え20万未満であるポリエチレン(B)を95〜5重量%含み、前記(A)と(B)のMvの比(A)/(B)は10以上であるポリオレフィン組成物と、可塑剤とを含む混合物を混練して押出した後、ゲル状シートに成型して冷却固化し、得られたゲル状シートを延伸した後、可塑剤を抽出して乾燥し、熱固定を行うことを含む、膜全体の分子量が30万〜150万、膜のヒューズ温度が120〜140℃、破膜温度が150℃以上であり、140℃突刺強度と25℃突刺強度の比が0.01〜0.25であるポリオレフィン微多孔膜の製造方法であって、前記熱固定工程は、前記可塑剤抽出後の膜をTD方向に延伸する工程と、その後、前記延伸後の膜幅に対し、TD方向に熱収縮させる工程とを含むことを特徴とする、上記製造方法。
(12)前記延伸する工程が、前記可塑剤抽出後の膜を、少なくともTD方向に20%より大きく延伸する工程であり、前記熱収縮させる工程が、前記可塑剤抽出後の膜を、前記延伸後の膜幅に対し、少なくとも10%より大きくTD方向に熱収縮させる工程である(11)記載の製造方法。
このような組成物の微多孔膜がヒューズ特性及び耐熱性と深く関係するのは、組成物内の超高分子量成分が、溶融時の電極等へのしみ込みを防止するための強さの役目を担い、低分子量成分が、配向された微多孔膜の溶融時の熱収縮力をできるだけ速く緩和するための性質(緩和率)と、低ヒューズ特性とを発現するからである。
ここで、第1融解ピークの信号高さは、第1融解開始温度(オンセット温度)−20℃のにおけるDSC曲線上の点と第1融解終了温度(オフセット温度)+20℃におけるDSC曲線上の点とを結ぶ直線と、第1融解ピーク点(D)を通る垂線との交点をCとしたときに、このC点と第1融解ピーク点(D)との高低差のことである。
更に、このような融解挙動を示す粒径の細かい超高分子量ポリエチレンを用いた微多孔膜は、明確な解析は行われていないが、破膜温度が高く室温での強度も強い。これは、超高分子量成分が均一に混練、分散し、中・低分子量成分である他のポリエチレンとの絡み合いが効果的に行われるためと考えられる。また、微視的な超高分子量成分の未溶融分が少ないため、室温での引張り試験等においては未溶融ゲル付近からの界面破壊やクラックの生成が起きにくく、そのために強度が高められているとも考えられる。
上記ポリエチレン(A)及び(B)の分子量比(A)/(B)は10以上である必要があり、特に好ましくは20以上である。この比が10より小さいと、ヒューズとショート特性とをバランスよく持たせることが困難となる。
ヒューズ温度は電池の使用温度と安全性の観点から120〜140℃であることが必須であり、より好ましくは120〜135℃、特に好ましくは120〜133℃である。ヒューズ温度が120℃を下回ると、電池乾燥工程などで孔が閉塞しやすくなってしまうため好ましくない。
140℃突き刺し強度と25℃突き刺し強度の比は、取り扱い性の観点から通常の温度ではできるだけ高強度で、溶融時には収縮応力ができるだけ緩和しているという観点から、0.01〜0.25であることが必須であり、より好ましくは0.01〜0.20、更に好ましくは0.01〜0.15である。通常の25℃突刺強度は、電池捲回時の耐破断性や、電極間の短絡による電池不良防止の観点から、好ましくは3〜10N/20μである。
(a)ポリオレフィン及び可塑剤からなる混合物を混練する。
(b)混練物を押出し、ゲル状シートに成型して冷却固化させる。
(c)得られたゲル状シートを延伸する。
(d)延伸後、可塑剤を抽出する。
(e)得られた微多孔膜を、熱固定する。
ここでいう可塑剤とは、沸点以下の温度でポリオレフィンと均一な溶液を形成し得る有機化合物であり、具体的にはデカリン、キシレン、ジオクチルフタレート、ジブチルフタレート、ステアリルアルコール、オレイルアルコール、デシルアルコール、ノニルアルコール、ジフェニルエーテル、n−デカン、n−ドデカン、パラフィン油等が挙げられる。このうちパラフィン油、ジオクチルフタレートが好ましい。可塑剤の割合は特に限定されないが、得られる膜の気孔率の観点から20重量%以上が好ましく、粘度の観点から90重量%以下が好ましい。より好ましくは50重量%から70重量%である。
上記工程(c)において、ゲル状シートの延伸工程は可塑剤を抽出する前に少なくとも1回行う。延伸はテンター法による同時二軸延伸が好ましい。延伸温度は常温からポリオレフィンの融点、好ましくは80〜150℃、更に好ましくは100〜140℃である。セパレータとして十分な強度を確保する観点から、延伸倍率は面積倍率で4〜400倍が好ましく、より好ましくは10〜200倍である。延伸倍率が4倍以下ではセパレータとしての強度が不充分であり、400倍以上では延伸が困難であるだけでなく、得られた微多孔膜の気孔率が低いなどの弊害が生じやすい。
この発明で使用される抽出溶媒としては、ポリオレフィンに対して貧溶媒であり、且つ可塑剤に対しては良溶媒であり、沸点がポリオレフィンの融点よりも低いものが望ましい。このような抽出溶媒としては、例えば、n−ヘキサンやシクロヘキサン等の炭化水素類、塩化メチレンや1,1,1−トリクロロエタン等ハロゲン化炭化水素類、エタノールやイソプロパノール等のアルコール類、アセトンや2−ブタノン等のケトン類が挙げられる。抽出溶媒はこの中から選択し、単独又は混合して用いられる。
以上の方法で得られたポリオレフィン微多孔膜は、必要に応じて、プラズマ照射、界面活性剤含浸又は塗布、表面グラフト等の表面処理を施すことができる。
(1)Mv
分子量が100万を超えるポリエチレンにあっては、Mvの測定により分子量を測定した。溶剤(デカリン)を用い、測定温度135℃で測定を行い、粘度[η]から次式によりMvを算出した。
[η]=6.77×10−4Mv0.67(Chiangの式)
測定には島津製作所社製DSC60を用いた。
試料6〜7mgをアルミパン(セイコーインスツルメンツ(株)社、SSC000E032及びSSC000E030)に投入し、窒素気流下、10℃/minの昇温速度で室温から200℃までDSC測定を行った。融解開始温度(オンセット温度)−20℃におけるDSC曲線上の点と融解終了温度(オフセット温度)+20℃におけるDSC曲線上の点とを結ぶ直線と、融解ピーク点(D)を通る垂線との交点をCとする。このC点と融解ピーク点(D)との高低差を第1融解ピークの信号高さとして読み取った。
試料を光学顕微鏡により50〜100倍に拡大し、無作為に20個の粒子径を測り、平均をとった。粒子形状が楕円状にあっては、長辺と短辺の平均値とした。
(4)比表面積
測定には島津製作所社製、比表面積測定装置ASAP−2400を用いた。
試料約2gを標準セルに採り、60℃で4時間脱ガス処理を行った。その後、多点法(BET法)により測定を行った。
分子量が100万未満のポリエチレンにあっては、GPCにより分子量を測定した(Mvによって求められる値を使用することもできる。)
Waters社製 ALC/GPC 150C型(商標)を用い、以下の条件で測定し、標準ポリスチレンを用いて較正曲線を作成した。これの各分子量成分に0.43(ポリエチレンのQファクター/ポリスチレンのQファクター=17.7/41.3)を乗じることによりポリエチレン換算の分子量分布曲線を得た。
カラム:東ソー製 GMH6−HT(商標)2本+GMH6−HTL(商標)2本
移動相:o−ジクロロベンゼン
検出器:示差屈折計
流速 :1.0ml/min
カラム温度:140℃
試料濃度:0.1wt%
図1Aにヒューズ温度の測定装置の概略図を示す。1は微多孔膜であり、2A及び2Bは厚さ10μmのニッケル箔、3A及び3Bはガラス板である。電気抵抗測定装置(安藤電気製LCRメーター「AG−4311」(商標))4はニッケル箔2A、2Bに接続されている。熱電対5は温度計6に接続されている。データコレクター7は電気抵抗装置4及び温度計6に接続されている。オーブン8は微多孔膜を加熱するものである。
更に詳細に説明すると、図1Bに示すようにニッケル箔2A上に微多孔膜1を重ねて、縦方向に「テフロン」(商標)テープ(図の斜線部)でニッケル箔2Aに固定する。微多孔膜1には電解液として1mol/リットルのホウフッ化リチウム溶液(溶媒:プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート/γ−ブチルラクトン=1/1/2)が含浸されている。ニッケル箔2B上には図1Cに示すように「テフロン」(商標)テープ(図の斜線部)を貼り合わせ、箔2Bの中央部分に15mm×10mmの窓の部分を残してマスキングしてある。
ニッケル箔2Aとニッケル箔2Bを微多孔膜1を挟むような形で重ね合わせ、更にその両側からガラス板3A、3Bによって2枚のニッケル箔を挟みこむ。このとき、箔2Bの窓の部分と、多孔膜1が相対する位置に来るようになっている。
2枚のガラス板は市販のダブルクリップで挟むことにより固定する。熱電対5は「テフロン」(商標)テープでガラス板に固定する。
このような装置で連続的に温度と電気抵抗を測定する。なお、温度は25℃から200℃まで2℃/minの速度で昇温し、電気抵抗値は1kHzの交流で測定する。ヒューズ温度とは微多孔膜の電気抵抗値が103Ωに達するときの温度と定義する。また、ヒューズの後、電気抵抗値が再び103Ωを下回るときの温度を破膜(ショート)温度とした。
常温突刺強度:カトーテック製「KES−G5ハンディー圧縮試験器」(商標)を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/sec、25℃下の条件で突刺試験を行い、最大突刺荷重(N)を測定した。これを25℃突刺強度という。
高温突刺強度:ポリエチレン微多孔膜を内径13mm、外径25mmのステンレス製ワッシャ2枚で挟み込み、周囲4点をクリップで止めた後140℃のシリコンオイル(信越化学工業:KF−96−10CS)に浸漬し、60秒後に常温の場合と同様の手法で突き刺し強度を測定した。これを140℃突刺強度という。
突刺し強度比は下記の式で表す。
突刺強度比=140℃突刺強度/25℃突刺強度
島津製作所製TMA50(商標)を用いて測定した。TD方向に幅3mmに切り出したサンプルを、チャック間距離が10mmとなるようにチャックに固定し、専用プローブにセットした。初期荷重を0.0098N(1.0g)とし、30℃より10℃/minの速度にてプローブを200℃まで昇温させ、0.0118N(1.2g)以上の収縮力が生じる温度を測定した。これをTD−TMA収縮開始温度という。
(9)膜品位
微多孔膜10cm×10cm中に含まれる、100μm以上の未溶融物の量を測定した。1個/100cm2以上の場合は、品位が×であるとし、1個未満の場合は品位が○であるとした。
実施例1
Mvが200万である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)(平均粒径120μ、DSCによる信号高さが3.1mW/mg、比表面積1.0m2/g)を7.5重量部、Mwが70万であるHDPEを4.5重量部、Mwが30万であるHDPEを9重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を9重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を、小型混練機を用いて200℃で10分間混練した。その後これらの混練物を金属板に挟み込みシート状に急冷した。この急冷シート状樹脂をシート厚が1.0mmになるまで熱プレスし、120℃の温度で縦横7×7倍に二軸延伸した。続いて塩化メチレンを使用して脱溶媒処理を行い、微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例2
Mvが300万である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)(平均粒径35μ、信号差3.8mW/mg、比表面積1.3m2/g)を7.5重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を22.5重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を、小型混練機を用いて200℃で10分間混練した。その後これらの混練物を金属板に挟み込みシート状に急冷した。この急冷シート状樹脂をシート厚が1.0mmになるまで熱プレスし、120℃の温度で縦横7×7倍に二軸延伸した。続いて塩化メチレンを使用して脱溶媒処理を行い、微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例3
実施例2で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に25%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、15%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例4
実施例2で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に45%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、20%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例5
実施例2で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に15%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、10%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例6
Mvが270万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を7.5重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を22.5重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に45%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、20%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例7
Mvが270万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を3重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を27重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、実施例6と同じ条件で熱固定した。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例8
Mvが270万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を10重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を20重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、実施例6と同じ条件で熱固定した。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例9
Mvが450万(平均粒径30μm、DSCによる信号高さが3.5mW/mg、比表面積1.2m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を3重量部、Mwが7万であるHDPEを27重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、テンターを用いて、115℃でTD方向に60%延伸し、続いて120℃で前記延伸後膜幅に対し、20%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
Mvが300万(平均粒径170μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.8m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を7.5重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を22.5重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例2
比較例1で用いた超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)の代りに、Mvが300万(平均粒径120μm、DSCによる信号高さが2.8mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例3
Mwが30万であるHDPE30重量部と流動パラフィン70重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例4
Mvが200万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)30重量部と流動パラフィン70重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例5
Mvが100万である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)25重量部と、Mwが30万であるHDPE15重量部及び、流動パラフィン60重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様に操作し、微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例6
Mvが300万(平均粒径35μm、DSCによる信号高さが3.8mW/mg、比表面積1.3m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)5重量部と、Mwが20万であるHDPE1重量部及び、流動パラフィン94重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例7
Mvが300万(平均粒径30μm、DSCによる信号高さが3.5mW/mg、比表面積1.2m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)9重量部と、Mwが30万であるHDPE21重量部及び、流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例8
実施例で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、115℃でTD方向に20%延伸し、続いて120℃で前記延伸後膜幅に対し、5%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例9
Mvが300万(平均粒径30μm、DSCによる信号高さが3.5mW/mg、比表面積1.2m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)2重量部と、Mwが24万であるHDPE13重量部、及び流動パラフィン85重量部の混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
例えば、高強度という観点では、高度な分子配向状態を作り出すためにポリエチレンの分子量を高くしたり、配向させるために延伸倍率を高くする技術が一般的に知られている。しかし、単なるこのような高度な分子配向は、溶融状態になると高い収縮応力を発生させる原因となり、結果的に耐熱性を低くすることになる。
同様に、特許文献5は、分子量70万以上の超高分子量ポリエチレンを1%以上含有し、分子量分布が10〜300のポリオレフィン組成物からなる微多孔膜を開示してはいる。しかし、具体的に開示されているのは、分子量250万と24万のポリエチレンからなる組成物であり、本発明に必須である分子量1〜20万である低分子量成分を含んでおらず、ヒューズ特性や緩和速度が不充分である。
(1)Mvが200万以上、DSC(示差走査熱量分析)から求められる第一融解ピークの信号高さが3.0mW/mg以上であり、比表面積が0.7m2/g以上、かつ平均粒径が1〜150μmであるポリエチレン(A)を5〜95重量%、Mwが1万を超え20万未満であるポリエチレン(B)を95〜5重量%含み、前記(A)と(B)の分子量の比(A)/(B)は10以上であり、膜全体の分子量が30万〜150万、ヒューズ温度が120〜140℃、破膜温度が150℃以上であり、140℃突刺強度と25℃突刺強度の比が0.01〜0.25であるポリオレフィン微多孔膜。
(2)前記ヒューズ温度が120〜135℃である前記(1)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(3)前記ヒューズ温度が120〜133℃である前記(1)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(4)152℃以上のショート温度を有する前記(1)〜(3)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(5)90℃以上のTD方向の熱収縮開始温度を有する前記(1)〜(4)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(6)前記TD方向の熱収縮開始温度が100℃以上である前記(5)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(7)前記TD方向の熱収縮開始温度が110℃以上である前記(6)記載のポリオレフィン微多孔膜。
(8)5〜24μmの膜厚を有する(1)〜(7)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(9)30〜60%の気孔率を有する(1)〜(7)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(10)25℃突刺強度が3〜10N/20μmである(1)〜(7)のいずれかに記載のポリオレフィン微多孔膜。
(11)粘度平均分子量(Mv)が200万以上、DSC(示差走査熱量分析)から求められる第一融解ピークの信号高さが3.0mW/mg以上であり、比表面積が0.7m2/g以上、かつ平均粒径が1〜150μmであるポリエチレン(A)を5〜95重量%、Mwが1万を超え20万未満であるポリエチレン(B)を95〜5重量%含み、前記(A)と(B)のMvの比(A)/(B)は10以上であるポリオレフィン組成物と、可塑剤とを含む混合物を混練して押出した後、ゲル状シートに成型して冷却固化し、得られたゲル状シートを延伸した後、可塑剤を抽出して乾燥し、熱固定を行うことを含む、膜全体の分子量が30万〜150万、膜のヒューズ温度が120〜140℃、破膜温度が150℃以上であり、140℃突刺強度と25℃突刺強度の比が0.01〜0.25であるポリオレフィン微多孔膜の製造方法であって、前記熱固定工程は、前記可塑剤抽出後の膜をTD方向に延伸する工程と、その後、前記延伸後の膜幅に対し、TD方向に熱収縮させる工程とを含むことを特徴とする、上記製造方法。
(12)前記延伸する工程が、前記可塑剤抽出後の膜を、少なくともTD方向に20%より大きく延伸する工程であり、前記熱収縮させる工程が、前記可塑剤抽出後の膜を、前記延伸後の膜幅に対し、少なくとも10%より大きくTD方向に熱収縮させる工程である(11)記載の製造方法。
このような組成物の微多孔膜がヒューズ特性及び耐熱性と深く関係するのは、組成物内の超高分子量成分が、溶融時の電極等へのしみ込みを防止するための強さの役目を担い、低分子量成分が、配向された微多孔膜の溶融時の熱収縮力をできるだけ速く緩和するための性質(緩和率)と、低ヒューズ特性とを発現するからである。
ここで、第1融解ピークの信号高さは、第1融解開始温度(オンセット温度)−20℃のにおけるDSC曲線上の点と第1融解終了温度(オフセット温度)+20℃におけるDSC曲線上の点とを結ぶ直線と、第1融解ピーク点(D)を通る垂線との交点をCとしたときに、このC点と第1融解ピーク点(D)との高低差のことである。
更に、このような融解挙動を示す粒径の細かい超高分子量ポリエチレンを用いた微多孔膜は、明確な解析は行われていないが、破膜温度が高く室温での強度も強い。これは、超高分子量成分が均一に混練、分散し、中・低分子量成分である他のポリエチレンとの絡み合いが効果的に行われるためと考えられる。また、微視的な超高分子量成分の未溶融分が少ないため、室温での引張り試験等においては未溶融ゲル付近からの界面破壊やクラックの生成が起きにくく、そのために強度が高められているとも考えられる。
上記ポリエチレン(A)及び(B)の分子量比(A)/(B)は10以上である必要があり、特に好ましくは20以上である。この比が10より小さいと、ヒューズとショート特性とをバランスよく持たせることが困難となる。
ヒューズ温度は電池の使用温度と安全性の観点から120〜140℃であることが必須であり、より好ましくは120〜135℃、特に好ましくは120〜133℃である。ヒューズ温度が120℃を下回ると、電池乾燥工程などで孔が閉塞しやすくなってしまうため好ましくない。
140℃突き刺し強度と25℃突き刺し強度の比は、取り扱い性の観点から通常の温度ではできるだけ高強度で、溶融時には収縮応力ができるだけ緩和しているという観点から、0.01〜0.25であることが必須であり、より好ましくは0.01〜0.20、更に好ましくは0.01〜0.15である。通常の25℃突刺強度は、電池捲回時の耐破断性や、電極間の短絡による電池不良防止の観点から、好ましくは3〜10N/20μである。
(a)ポリオレフィン及び可塑剤からなる混合物を混練する。
(b)混練物を押出し、ゲル状シートに成型して冷却固化させる。
(c)得られたゲル状シートを延伸する。
(d)延伸後、可塑剤を抽出する。
(e)得られた微多孔膜を、熱固定する。
ここでいう可塑剤とは、沸点以下の温度でポリオレフィンと均一な溶液を形成し得る有機化合物であり、具体的にはデカリン、キシレン、ジオクチルフタレート、ジブチルフタレート、ステアリルアルコール、オレイルアルコール、デシルアルコール、ノニルアルコール、ジフェニルエーテル、n−デカン、n−ドデカン、パラフィン油等が挙げられる。このうちパラフィン油、ジオクチルフタレートが好ましい。可塑剤の割合は特に限定されないが、得られる膜の気孔率の観点から20重量%以上が好ましく、粘度の観点から90重量%以下が好ましい。より好ましくは50重量%から70重量%である。
上記工程(c)において、ゲル状シートの延伸工程は可塑剤を抽出する前に少なくとも1回行う。延伸はテンター法による同時二軸延伸が好ましい。延伸温度は常温からポリオレフィンの融点、好ましくは80〜150℃、更に好ましくは100〜140℃である。セパレータとして十分な強度を確保する観点から、延伸倍率は面積倍率で4〜400倍が好ましく、より好ましくは10〜200倍である。延伸倍率が4倍以下ではセパレータとしての強度が不充分であり、400倍以上では延伸が困難であるだけでなく、得られた微多孔膜の気孔率が低いなどの弊害が生じやすい。
この発明で使用される抽出溶媒としては、ポリオレフィンに対して貧溶媒であり、且つ可塑剤に対しては良溶媒であり、沸点がポリオレフィンの融点よりも低いものが望ましい。このような抽出溶媒としては、例えば、n−ヘキサンやシクロヘキサン等の炭化水素類、塩化メチレンや1,1,1−トリクロロエタン等ハロゲン化炭化水素類、エタノールやイソプロパノール等のアルコール類、アセトンや2−ブタノン等のケトン類が挙げられる。抽出溶媒はこの中から選択し、単独又は混合して用いられる。
以上の方法で得られたポリオレフィン微多孔膜は、必要に応じて、プラズマ照射、界面活性剤含浸又は塗布、表面グラフト等の表面処理を施すことができる。
(1)Mv
分子量が100万を超えるポリエチレンにあっては、Mvの測定により分子量を測定した。溶剤(デカリン)を用い、測定温度135℃で測定を行い、粘度[η]から次式によりMvを算出した。
[η]=6.77×10−4Mv0.67(Chiangの式)
測定には島津製作所社製DSC60を用いた。
試料6〜7mgをアルミパン(セイコーインスツルメンツ(株)社、SSC000E032及びSSC000E030)に投入し、窒素気流下、10℃/minの昇温速度で室温から200℃までDSC測定を行った。融解開始温度(オンセット温度)−20℃におけるDSC曲線上の点と融解終了温度(オフセット温度)+20℃におけるDSC曲線上の点とを結ぶ直線と、融解ピーク点(D)を通る垂線との交点をCとする。このC点と融解ピーク点(D)との高低差を第1融解ピークの信号高さとして読み取った。
試料を光学顕微鏡により50〜100倍に拡大し、無作為に20個の粒子径を測り、平均をとった。粒子形状が楕円状にあっては、長辺と短辺の平均値とした。
(4)比表面積
測定には島津製作所社製、比表面積測定装置ASAP−2400を用いた。
試料約2gを標準セルに採り、60℃で4時間脱ガス処理を行った。その後、多点法(BET法)により測定を行った。
分子量が100万未満のポリエチレンにあっては、GPCにより分子量を測定した(Mvによって求められる値を使用することもできる。)
Waters社製 ALC/GPC 150C型(商標)を用い、以下の条件で測定し、標準ポリスチレンを用いて較正曲線を作成した。これの各分子量成分に0.43(ポリエチレンのQファクター/ポリスチレンのQファクター=17.7/41.3)を乗じることによりポリエチレン換算の分子量分布曲線を得た。
カラム:東ソー製 GMH6−HT(商標)2本+GMH6−HTL(商標)2本
移動相:o−ジクロロベンゼン
検出器:示差屈折計
流速 :1.0ml/min
カラム温度:140℃
試料濃度:0.1wt%
図1Aにヒューズ温度の測定装置の概略図を示す。1は微多孔膜であり、2A及び2Bは厚さ10μmのニッケル箔、3A及び3Bはガラス板である。電気抵抗測定装置(安藤電気製LCRメーター「AG−4311」(商標))4はニッケル箔2A、2Bに接続されている。熱電対5は温度計6に接続されている。データコレクター7は電気抵抗装置4及び温度計6に接続されている。オーブン8は微多孔膜を加熱するものである。
更に詳細に説明すると、図1Bに示すようにニッケル箔2A上に微多孔膜1を重ねて、縦方向に「テフロン」(商標)テープ(図の斜線部)でニッケル箔2Aに固定する。微多孔膜1には電解液として1mol/リットルのホウフッ化リチウム溶液(溶媒:プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート/γ−ブチルラクトン=1/1/2)が含浸されている。ニッケル箔2B上には図1Cに示すように「テフロン」(商標)テープ(図の斜線部)を貼り合わせ、箔2Bの中央部分に15mm×10mmの窓の部分を残してマスキングしてある。
ニッケル箔2Aとニッケル箔2Bを微多孔膜1を挟むような形で重ね合わせ、更にその両側からガラス板3A、3Bによって2枚のニッケル箔を挟みこむ。このとき、箔2Bの窓の部分と、多孔膜1が相対する位置に来るようになっている。
2枚のガラス板は市販のダブルクリップで挟むことにより固定する。熱電対5は「テフロン」(商標)テープでガラス板に固定する。
このような装置で連続的に温度と電気抵抗を測定する。なお、温度は25℃から200℃まで2℃/minの速度で昇温し、電気抵抗値は1kHzの交流で測定する。ヒューズ温度とは微多孔膜の電気抵抗値が103Ωに達するときの温度と定義する。また、ヒューズの後、電気抵抗値が再び103Ωを下回るときの温度を破膜(ショート)温度とした。
常温突刺強度:カトーテック製「KES−G5ハンディー圧縮試験器」(商標)を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/sec、25℃下の条件で突刺試験を行い、最大突刺荷重(N)を測定した。これを25℃突刺強度という。
高温突刺強度:ポリエチレン微多孔膜を内径13mm、外径25mmのステンレス製ワッシャ2枚で挟み込み、周囲4点をクリップで止めた後140℃のシリコンオイル(信越化学工業:KF−96−10CS)に浸漬し、60秒後に常温の場合と同様の手法で突き刺し強度を測定した。これを140℃突刺強度という。
突刺し強度比は下記の式で表す。
突刺強度比=140℃突刺強度/25℃突刺強度
島津製作所製TMA50(商標)を用いて測定した。TD方向に幅3mmに切り出したサンプルを、チャック間距離が10mmとなるようにチャックに固定し、専用プローブにセットした。初期荷重を0.0098N(1.0g)とし、30℃より10℃/minの速度にてプローブを200℃まで昇温させ、0.0118N(1.2g)以上の収縮力が生じる温度を測定した。これをTD−TMA収縮開始温度という。
(9)膜品位
微多孔膜10cm×10cm中に含まれる、100μm以上の未溶融物の量を測定した。1個/100cm2以上の場合は、品位が×であるとし、1個未満の場合は品位が○であるとした。
実施例1
Mvが200万である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)(平均粒径120μ、DSCによる信号高さが3.1mW/mg、比表面積1.0m2/g)を7.5重量部、Mwが70万であるHDPEを4.5重量部、Mwが30万であるHDPEを9重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を9重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を、小型混練機を用いて200℃で10分間混練した。その後これらの混練物を金属板に挟み込みシート状に急冷した。この急冷シート状樹脂をシート厚が1.0mmになるまで熱プレスし、120℃の温度で縦横7×7倍に二軸延伸した。続いて塩化メチレンを使用して脱溶媒処理を行い、微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例2
Mvが300万である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)(平均粒径35μ、信号差3.8mW/mg、比表面積1.3m2/g)を7.5重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を22.5重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を、小型混練機を用いて200℃で10分間混練した。その後これらの混練物を金属板に挟み込みシート状に急冷した。この急冷シート状樹脂をシート厚が1.0mmになるまで熱プレスし、120℃の温度で縦横7×7倍に二軸延伸した。続いて塩化メチレンを使用して脱溶媒処理を行い、微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例3
実施例2で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に25%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、15%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例4
実施例2で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に45%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、20%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例5
実施例2で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に15%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、10%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例6
Mvが270万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を7.5重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を22.5重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、テンターを用いて、110℃でTD方向に45%延伸し、続いて115℃で前記延伸後膜幅に対し、20%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例7
Mvが270万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を3重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を27重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、実施例6と同じ条件で熱固定した。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例8
Mvが270万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を10重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を20重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、実施例6と同じ条件で熱固定した。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
実施例9
Mvが450万(平均粒径30μm、DSCによる信号高さが3.5mW/mg、比表面積1.2m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を3重量部、Mwが7万であるHDPEを27重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。続いて得られた微多孔膜を、テンターを用いて、115℃でTD方向に60%延伸し、続いて120℃で前記延伸後膜幅に対し、20%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
Mvが300万(平均粒径170μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.8m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を7.5重量部、Mwが15万である線状共重合高密度ポリエチレン(コモノマー:プロピレン、含有比0.6mol%)を22.5重量部、及び流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例2
比較例1で用いた超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)の代りに、Mvが300万(平均粒径120μm、DSCによる信号高さが2.8mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)を用いた以外は、実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例3
Mwが30万であるHDPE30重量部と流動パラフィン70重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例4
Mvが200万(平均粒径115μm、DSCによる信号高さが3.7mW/mg、比表面積0.7m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)30重量部と流動パラフィン70重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例5
Mvが100万である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)25重量部と、Mwが30万であるHDPE15重量部及び、流動パラフィン60重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様に操作し、微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例6
Mvが300万(平均粒径35μm、DSCによる信号高さが3.8mW/mg、比表面積1.3m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)5重量部と、Mwが20万であるHDPE1重量部及び、流動パラフィン94重量部との混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例7
Mvが300万(平均粒径30μm、DSCによる信号高さが3.5mW/mg、比表面積1.2m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)9重量部と、Mwが30万であるHDPE21重量部及び、流動パラフィン70重量部の混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例8
実施例で得られた微多孔膜を、テンターを用いて、115℃でTD方向に20%延伸し、続いて120℃で前記延伸後膜幅に対し、5%熱緩和させた。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
比較例9
Mvが300万(平均粒径30μm、DSCによる信号高さが3.5mW/mg、比表面積1.2m2/g)である超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)2重量部と、Mwが24万であるHDPE13重量部、及び流動パラフィン85重量部の混合物を用いた以外は実施例1と同様の操作で微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示す。
Claims (12)
- 粘度平均分子量(Mv)が200万以上、DSC(示差走査熱量分析)から求められる第一融解ピークの信号高さが3.0mW/mg以上であり、比表面積が0.7m2/g以上、かつ平均粒径が1〜150μmであるポリエチレン(A)を5〜95重量%、Mwが1万を超え20万未満であるポリエチレン(B)を95〜5重量%含み、前記(A)と(B)のMvの比(A)/(B)は10以上であり、膜全体の分子量が30万〜150万、膜のヒューズ温度が120〜140℃、破膜温度が150℃以上であり、140℃突刺強度と25℃突刺強度の比が0.01〜0.25であるポリオレフィン微多孔膜。
- 前記ヒューズ温度が120〜135℃である請求項1記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 前記ヒューズ温度が120〜133℃である請求項1記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 152℃以上のショート温度を有する請求項1〜3のいずれか一項記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 90℃以上のTD方向の熱収縮開始温度を有する請求項1〜4のいずれか一項記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 前記TD方向の熱収縮開始温度が100℃以上である請求項5記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 前記TD方向の熱収縮開始温度が110℃以上である請求項6記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 5〜24μmの膜厚を有する請求項1〜7のいずれか一項記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 30〜60%の気孔率を有する請求項1〜7のいずれか一項記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 25℃突刺強度が3〜10N/20μmである請求項1〜7のいずれか一項記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 粘度平均分子量(Mv)が200万以上、DSC(示差走査熱量分析)から求められる第一融解ピークの信号高さが3.0mW/mg以上であり、比表面積が0.7m2/g以上、かつ平均粒径が1〜150μmであるポリエチレン(A)を5〜95重量%、Mwが1万を超え20万未満であるポリエチレン(B)を95〜5重量%含み、前記(A)と(B)のMvの比(A)/(B)は10以上であるポリオレフィン組成物と、可塑剤とを含む混合物を混練して押出した後、ゲル状シートに成型して冷却固化し、得られたゲル状シートを延伸した後、可塑剤を抽出して乾燥し、熱固定を行うことを含む、膜全体の分子量が30万〜150万、膜のヒューズ温度が120〜140℃、破膜温度が150℃以上であり、140℃突刺強度と25℃突刺強度の比が0.01〜0.25であるポリオレフィン微多孔膜の製造方法であって、前記熱固定工程は、前記可塑剤抽出後の膜をTD方向に延伸する工程と、その後、前記延伸後の膜幅に対し、TD方向に熱収縮させる工程とを含むことを特徴とする、上記製造方法。
- 前記延伸する工程が、前記可塑剤抽出後の膜を、少なくともTD方向に20%より大きく延伸する工程であり、前記熱収縮させる工程が、前記可塑剤抽出後の膜を、前記延伸後の膜幅に対し、少なくとも10%より大きくTD方向に熱収縮させる工程である請求項11記載の製造方法。
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