JPWO2014034448A1 - ポリエチレン製多孔質膜の製造方法およびポリエチレン製多孔質膜 - Google Patents
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Abstract
Description
現在、リチウムイオン電池セパレーターとして用いられているポリエチレン製多孔質膜の開孔は、原料であるポリエチレンフィルム中に予め含浸させておいた有機溶剤を抽出除去することによって行われている(特開2004−182763号公報)。また、有機溶剤を含浸したポリエチレンフィルムを延伸し、その後に溶媒を抽出除去することで多孔質膜を形成する方法も提案されている(特開2003−103626号公報)。
ここで、これら従来のポリエチレン多孔質膜の製造方法では、有機溶剤とポリエチレン成分の相分離構造が多孔質構造の前駆体となっているため、溶剤の抽出除去によってnmオーダーの微細孔を形成させるには、原料となるポリエチレンフィルムに含まれるポリエチレン成分と同量あるいはそれよりも多量の溶剤を含浸させておく必要がある。したがって、このような多量の有機溶剤の除去により開孔を行うポリエチレン製多孔質膜の製造は煩雑であり、有機溶剤の揮発に伴う環境負荷も問題となっている。
これに対して、本発明者らは、超高分子量ポリエチレンフィルムを溶融状態(該フィルムの融点以上)で二軸延伸後、収縮処理して均一な厚さを有するラメラ構造を発現させ、さらに、これを固相状態(該フィルムの融点以下)で再延伸することで開孔してnmオーダーの細孔を有するポリエチレン製多孔質膜の製造方法を開示した出願を行っている(WO2010/101214パンフレット)。この製造方法によれば、含浸有機溶媒の抽出除去による開孔や添加無機物の溶解除去による開孔を伴わないため、より環境に負荷の少ないポリエチレン製多孔質膜の製造が可能である。しかしながら、この製造方法では溶融延伸後の収縮処理が必須であり、より少ない工程により、効率的にポリエチレン多孔質膜を製造するという点で改善の余地があった。
セパレーター膜の高強度化は、これ以外にも、セルスタックの薄肉化や高集積化にも効果的である。同じテンションで電極層を巻き付け積層する場合、膜強度が高い方がセパレーター膜をより薄くしても破断しない利点がある。このようなセパレーター膜の薄膜化により、電極層の積層数を向上させることができ、高出力化が望める。
なお、無孔のポリエチレンフィルムの強度を上げる手段として、通常分子量(10万以下)のポリエチレンに超高分子量のポリエチレンを添加して延伸する手段が提案され、この手段により引張り強度、耐衝撃性に優れたフィルムが得られることが記載されている(特開2010−167640号公報)。しかしながら、特開2010−167640号公報に記載の延伸ポリエチレンフィルムは、強度や耐衝撃性に優れ、人体の保護部材としては有用であるものの、超高分子量ポリエチレンの添加量が40質量%以下と少なく、且つ、その多孔質化に関しては検討が行われていない。
(1) 粘度平均分子量が100万〜1500万である超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量が1万〜80万であるポリエチレンとを、50:50〜99:1の質量比で含有するフィルムを延伸のみにより開孔して得られた、水銀圧入法にて室温(20℃)で測定した平均細孔直径が200nm以下であり、比表面積が50m2/g以上であり、且つ、空隙率が15%以上である、ポリエチレン製多孔質膜。
(2) 室温(20℃)で測定した引張り強度が10MPa以上である(1)に記載のポリエチレン製多孔質膜。
(3) 室温(20℃)で測定した酸素透過係数が、5×10−15mol・m/(m2・s・Pa)以上である(1)又は(2)に記載のポリエチレン製多孔質膜。
(4) トリクロロベンゼンを溶媒として150℃にてゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定を行って得られた含有ポリエチレンの分子量分布曲線から見積もった分子量1万(104g/mol)以下の成分の質量分率が1質量%以上、且つ、分子量100万(106g/mol)以上の成分の質量分率が15質量%以上である(1)〜(3)のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜。
前記混合物を加熱溶融してフィルムに成形するフィルム成形工程と、
前記フィルムを、該フィルムの融点以上、且つ、180℃以下の温度範囲でx軸およびy軸方向に二軸延伸する延伸工程と、
前記二軸延伸したフィルムを、該延伸倍率を保持したまま、室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲で熱処理する熱処理工程と
前記熱処理したフィルムを、140℃以下の温度で、x軸およびy軸の少なくとも一方の軸に沿って再度延伸する開孔工程と、
を含む、ポリエチレン製多孔質膜の製造方法。
(7) 前記混合物調製工程が、粘度平均分子量が100万〜1500万である超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量が1万〜80万のポリエチレンとの混合物をp−キシレン、m−キシレン、о−キシレン、テトラクロロベンゼン、及びジクロロベンゼンから選ばれるベンゼン誘導体、デカリン、テトラリン、並びに流動パラフィンからなる群より選択される1種以上の溶剤に添加し、室温以上であり且つ用いる溶媒の沸点以下の温度範囲に加熱、溶解した後、該混合物から溶剤を除去する工程である(5)又は(6)に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法。
(9) 前記フィルム成形工程が、前記混合物を加熱溶融して成形したフィルムを積層して積層体を形成する工程をさらに含む、(5)〜(8)のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法。
(10) (5)〜(9)のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法によって得られたポリエチレン製多孔質膜。
(11) 水銀圧入法にて室温(20℃)で測定した平均細孔直径が200nm以下であり、比表面積が50m2/g以上であり、且つ、空隙率が15%以上である(10)に記載のポリエチレン製多孔質膜。
(12) 室温(20℃)で測定した引張り強度が10MPa以上である(10)又は(11)に記載のポリエチレン製多孔質膜。
(13) 室温(20℃)で測定した酸素透過係数が、5×10−15mol・m/(m2・s・Pa)以上である(10)〜(12)のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜。
ここで、「延伸のみにより開孔」とは、原料となるフィルムを延伸操作のみで開孔させることを意味し、延伸及び延伸に必要な付随的物理的操作以外の物理的操作を含まないことを指す。詳細には、延伸及びフィルムの構造を安定化させるための熱処理操作以外を含まないで開孔させることを指すものであり、延伸操作は2回以上の延伸工程を含んでいてもよい。
この「延伸のみによる開孔」とは、例えば、(1)あらかじめフィルムに含浸させておいた溶剤等を揮発除去あるいは抽出除去することによる開孔、(2)あらかじめフィルムに混合しておいた無機添加物等を溶剤や酸、アルカリによって除去する開孔、(3)溶剤や酸、アルカリ等に浸漬することによってフィルム内の一部のポリエチレン成分を除去することによる開孔、あるいは、(4)上記(1)−(3)の延伸によらない開孔処理後にさらに延伸を施す方法など、開孔するにあたって延伸以外の上記各操作を行わない開孔処理を指す。
ただし、本発明における「延伸のみによる開孔」にて得られた多孔質膜について、多孔質膜の形成後に、適宜、上記(1)−(3)の如き各操作の1種又は2種以上を行って、延伸により開孔した多孔質構造を補強するなどの処理を付随的に行うことを妨げるものではない。
従って、本発明の製造方法により得られたポリエチレン製多孔質膜は、以下に詳述する種々の良好な物性を有するものとなる。
また、前記混合物調製工程では、分子量が異なるUHMW−PEとNMW−PEと、を分子鎖レベルで均一に混合することが重要であり、このため、UHMW−PE原料(パウダー状)とNMW−PE原料(パウダー状あるいはペレット状)を所定の質量比で混合後、これを有機溶剤に添加して加熱溶解して、UHMW−PEとNMW−PEとを均一に混合することが好ましい。混合が不均一であると、得られた多孔質膜における細孔サイズの分布が不均一となり、所望の性能が発現しない可能性がある。
なお、本発明で得られるポリエチレン製多孔質膜に、これらUHMW−PEおよびNMW−PEが所定の質量比で含まれていることを確かめるには、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定による分子量分布の検定が有効である。このGPC測定によるUHMW−PEおよびNMW−PEの含有質量比の算出方法については、後述する。
得られたポリエチレン製多孔質膜は、水銀圧入法にて室温(20℃)で測定した平均細孔直径が200nm以下であり、且つ、比表面積が50m2/g以上、空隙率が15%以上であることが好ましい。一般に、多孔質膜の比表面積が30m2/g以上であれば、好ましい連通性が達成されるところ、本発明の製造方法によれば、得られた膜において、より厳しい条件である比表面積が50m2/g以上を達成できたものである。
さらに、室温(20℃)で測定した酸素透過係数が5×10−15mol・m/(m2・s・Pa)以上であることが好ましい。なお、本明細書においては、多孔質膜内の細孔の連通性を評価するために、基準として酸素を用いた気体透過係数、即ち、酸素透過係数を指標としている。
なお、本発明における気体透過係数の指標は酸素に限定されるものではなく、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを用いた気体透過係数を指標として用いてもよい。窒素ガスやアルゴンガスなどを指標として用いた場合における気体透過係数も、これらの気体の透過係数として、5×10−15mol・m/(m2・s・Pa)以上であることが好ましい。なお、本明細書では多孔質膜の連通性を評価するこれらの係数を包含して「気体透過係数」と称することがある。
気体透過性の測定方法の詳細については、実施例において詳述する。
本発明においては、予めUHMW−PEとNMW−PEとを均一に混合した混合物を調製後、これをフィルムに成形し、該フィルムの融点以上で二軸延伸した後に熱処理し、さらにこれを再延伸することで開孔する。NMW−PEを含むために溶融二軸延伸過程で自発的な配向緩和が起こり、均一なラメラ構造が発現する。開孔工程ではこのラメラ間が効率的に剥離してnmサイズの細孔が多数かつ均一に形成されるため、結果として細孔容積や比表面積が大きく、気体透過係数の高いポリエチレン製多孔質膜を製造することができると考えられる。このため、UHMW−PEのみで構成されるポリエチレン多孔質膜の製造方法(WO2010/101214パンフレットに記載の方法)では必須であった溶融二軸延伸後の収縮処理が不要であり、生産工程が簡便化できる。また、収縮処理しないため、高強度を保持したまま、再延伸による開孔処理が行えるので、引張り破断強度および引き裂き強度が高いポリエチレン製多孔質膜を製造することができると考えられる。
また、本発明によれば、引張り破断強度および引き裂き強度が高いポリエチレン製多孔質膜の製造方法が提供される。
本発明のポリエチレン製多孔質膜の製造方法においては、収縮処理を含まないので、より簡便にポリエチレン製多孔質膜を製造することができる。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書における室温とは、20℃を意味する。
本発明のポリエチレン製多孔質膜は、粘度平均分子量が100万〜1500万である超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量が1万〜80万であるポリエチレンとを、50:50〜99:1の質量比で含有するポリエチレンフィルムを延伸のみにより開孔して得られ、水銀圧入法にて室温(20℃)で測定した平均細孔直径が200nm以下であり、比表面積が50m2/g以上であり、且つ、空隙率が15%以上であることを特徴とする。
本発明のポリエチレン製多孔質膜は、既述のようにUHMW−PEを50質量%以上含有することで開孔処理しても引張り強度が高く、均一な連通性の微細孔を有する。
また、本発明のポリエチレン製多孔質膜は既述のようにNMW−PEを1質量%以上含有することで、溶融二軸延伸後に自発的な配向緩和が起こり、収縮処理を伴うことなく均一なラメラ構造が発現する。また、収縮処理を行わないので、高強度を保持したまま、再延伸による開孔処理が行えるので、引張り破断強度および引き裂き強度が高いポリエチレン製多孔質膜となる。
本発明においては、UHMW−PEとNMW−PEとを均一に混合することで、両者の特性を生かしたポリエチレン製多孔質膜が製造されると共に、本発明のポリエチレン製多孔質膜は、細孔径がnmオーダー(200nm以下)と微小であり、かつ、細孔容積や比表面積が大きいにも関わらず、引張り破断強度および引き裂き強度が高く、気体透過係数が高いなどの特徴を有する。
(a)粘度平均分子量が100万〜1500万である超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量が1万〜80万であるポリエチレンとを、50:50〜99:1の質量比で含む混合物を調製する混合物調製工程。
(b)前記(a)工程で得られた混合物を加熱溶融してフィルムに成形するフィルム成形工程。
(c)前記(b)工程で得られたフィルムを、該フィルムの融点以上、且つ、180℃以下の温度範囲でx軸及びy軸方向に二軸延伸処理する延伸工程。
(d)前記(c)工程で得られた二軸延伸したフィルムを、該延伸倍率を保持したまま、室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲で熱処理する熱処理工程。
(e)前記(d)工程で得られた熱処理フィルムを、140℃以下の温度でx軸およびy軸の少なくとも一方の軸に沿って再度延伸する開孔工程。
(f)前記(e)工程で得られた開孔処理膜を、該延伸倍率(開孔倍率)を保持したまま、室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲で熱処理する第2の熱処理工程である後処理工程。
本発明においては、溶融粘度の大きく異なるUHMW−PEと、NMW−PEと、を均一に混合する(a)工程が重要である。(a)工程は、両者を均一に混合しうるものであれば公知の方法を特に制限なく適用することができる。ここで、UHMW−PEとNMW−PEが均一に混合し得ない場合には、形成される多孔質膜の引張り強度や細孔サイズの均一性が低下するため、好ましくない。
超高分子量ポリエチレンにおいては、上記の粘度平均分子量と極限粘度は、例えば、特開2005−314544号公報および特開2005−313391号公報に記載されるように、下記式で表される関係にあることが知られている。
Mv=5.37×104[η]1.49
上記式を用いて、測定した極限粘度から粘度平均分子量を求めることができ、本発明においてもこのようにして求めた値を採用している。
(重量平均分子量の測定方法)
なお、前記重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定によって決定することができる。GPC測定は、例えば、下記の条件で行うことができ、得られた分子量分布曲線から重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)を決定することができる。
・装置 :HLC−8121GPC/HT(検出器:RI)
・カラム :TSLgel GMHHR−H(20)HT
(東ソー製7.8mmI.D.×30cm)×3本
・溶離液 :HPLC級 1,2,4−トリクロロベンゼン(和光純薬製)
(ジブチルヒドロキシトルエン(BHT):酸化防止剤を0.05質量%含有する)
・流量 :1.0mL/min.
・検出条件 :polarity=(−)
・注入量 :0.3mL
・カラム温度 :150℃
・試料濃度 :0.1〜1.0mg/mL
NMW−PE原料は、市販品を用いてもよく、例えば、日本ポリオレフィン社製のJ−REX KX285N(商品名:Mw=1.05x105)、三菱化学製JX−20(商品名:Mw=7.09×104)などが挙げられる。
なお、本明細書において「GPC測定」を行うとは、後述する実施例も含め、上記条件にて行われることを指す。
一般に、チーグラー系触媒で合成されたポリエチレンの分子量分布は、後述するメタロセン系触媒で合成されたポリエチレンの分子量分布よりも広く、Mw/Mnはチーグラー系触媒で合成されたポリエチレンの方が大きいことが知られている。
また、これら本発明において原料として用いられるUHMW−PEおよびNMW−PEは、結晶化度が高く強度等の物性に優れる点で、エチレンのみを構成単位とすることが望ましいが、エチレンから誘導される構成単位を含む重合体もしくは共重合体であってもよい。前記UHMW−PEおよびNMW−PEのいずれか一方あるいは両方が共重合体である場合、エチレン構成単位とともに共重合体を構成する構成単位としては、プロピレン、1−ブテン、1−ヘキセン、1−オクテン、および4−メチル−1−ペンテン等のα−オレフィンおよびその誘導体を挙げることができる。すなわち、本発明のUHMW−PEおよびNMW−PEにはエチレンとα−オレフィンの共重合体も含まれる。従って、本発明のUHMW−PEおよびNMW−PEには、直鎖状低密度ポリエチレンや低密度ポリエチレン等の長鎖分岐を含むポリエチレンも含まれる。
ここで、UHMW−PEが50質量%以上含有されることで、形成される多孔質膜は強度に優れたものになるが、UHMW−PEの含有量が増えるにつれて、細孔の連通性が低下するため、気体透過係数がより低くなる。
(A1)〜(A4)における加熱混合は、UHMW−PE原料およびNMW−PEレン原料の融点以上の温度、好ましくは140℃〜250℃の範囲で行われることが好ましい。
(A5)または(A6)における溶解混合は、用いる有機溶剤の沸点以下の温度で行われることが好ましい。
これらの方法に使用される有機溶剤としては、ポリエチレンを膨潤あるいは溶解しうる溶剤であれば特に制限はなく、p−キシレン、m−キシレン、о−キシレン、テトラクロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのベンゼン誘導体、デカリン、テトラリン、流動パラフィンから選ばれる溶剤などが挙げられ、これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。なかでも、p−キシレン、トリクロロベンゼン等が好ましい。
これらの有機溶剤を用いた場合は、後述のフィルム成形工程に先立って、これら有機溶媒を除去することが望ましい。本発明においては、後述の開孔工程におけるラメラ剥離によって細孔が形成される点に特徴があり、溶媒除去による開孔は含まれない。また、開孔工程において溶媒が残存していると、ラメラ剥離が効率的に進行しないため、得られる多孔構造の均一性が損なわれる。
(A7)から(A9)における重合については、チーグラー系触媒やメタロセン系触媒など、公知の触媒系を用いることができる。この際、UHMW−PEおよびNMW−PEの重合にあたっては、同じ重合触媒を用いて行ってよいし、異なる触媒系を用いてもよく、その組み合わせも任意である。また、UHMW−PEを重合してからNMW−PEを重合してもよいし、NMW−PEを重合してからUHMW−PEを重合してもよい。
また、別の好ましい態様として、前記UHMW−PE原料と、前記NMW−PE原料との混合物に、該混合物100質量部に対して、適当な有機溶剤を適量添加してUHMW−PE原料およびNMW−PE原料の融点以上の温度(好ましくは140℃以上)で混練混合する態様が挙げられる。
まず、原料として、超高分子量ポリエチレン(UHMW−PE)粉末と、通常分子量ポリエチレン(NMW−PE)粉末又はペレットとを準備する。
両者を、例えば、50:50の比率で混合し、p−キシレン中に加え、窒素気流下にて130℃に加熱し、溶解させる。この時、ポリエチレンの酸化分解を防止するため、酸化防止剤を加えてもよい。
溶解した溶液を室温まで冷却し、懸濁液を得る。懸濁液を減圧ろ過して溶剤を減少させ、ゲル状のマットを得る。得られたゲル状マットにアセトンをふりかけて溶媒置換を行ったのち、これを乾燥させて完全に溶媒を除去してマット状混合物を得る。乾燥は、風乾であっても減圧乾燥であってもよく、乾燥温度は通常は室温であるが、該マット状混合物の融点未満まで加熱して行ってもよい。
なお、(a)工程に用いうる酸化防止剤としては、チバガイギー製Irganox1076(商品名)や旭電化工業製アデカスタブMARK AO−50(商品名)等のフェノール系酸化防止剤や旭電化工業製アデカスタブPEP 24−G(商品名)等のリン系酸化防止剤、あるいは、硫黄系酸化防止剤等が好適なものとして挙げられる。
フィルムの成形の方法は特に制限されず、プレス成形、ロール成形、混練・押出成形、スカイブ法、インフレーション成形、ダイ押し出し成形等が例示され、これら複数のフィルム成形方法を該フィルム成形工程に含むことも好ましい様態である。複数のフィルム成形方法を組み合わせる場合、その順番や回数には特に制限はない。
これらのなかでも前記(a)工程において溶剤を使用して、マット状混合物が得られる場合には、該マット状混合物の平板形状を維持したままフィルム成形を行いうるプレス成形およびロール成形がより好ましい。マット状混合物を用いてフィルム成形する前に、既述の酸化防止剤を該マット状混合物に散布してもよい。
これらフィルム成形工程において得られるフィルムは、無孔フィルムであることが望ましい。フィルム成形工程で無孔化することで、後述する開孔工程において、nmサイズの細孔を均一に形成させることができる。
プレス成形は、成形に供するUHMW−PE原料とNMW−PE原料の混合物の融点を超える温度で行われるのが好ましく、120℃〜250℃の温度範囲で成形することがより好ましい。
なお、本発明において、「融点」とは、示差走査熱量計(DSC)の昇温測定によって得られたプロファイルの吸熱ピーク温度(℃)を指し、UHMW−PE原料およびのNMW−PE原料の製造方法や分子量およびUHMW−PE原料とNMW−PE原料の混合方法にもよるが、該混合物の融点は約120℃〜145℃である。なお、複数の融解ピークがある場合は、最も強度(吸熱量)の大きいピークの温度を融点とする。
(a)工程においてマット状混合物を得て、これをフィルム成形する場合、該マット状混合物を積層してプレス成形してもよい。また、これらマット状混合物あるいはその積層体をポリイミドフィルムなどの離型フィルムで挟み、そのまま成形することが、得られるフィルムの均一性の観点から好ましい。この際用いる離型フィルムは、フィルム成形時の加熱温度において形状を維持しうるものであれば特に制限無く使用することができる。
また、これらマット状混合物を積層した上で、これらを離型フィルムで挟み、これをプレス形成してもよい。
さらに、プレス成形によって得られたフィルムを再度、プレス成形してもよく、積層してプレス成形してもよい。
これらプレス成形は、通常のプレス装置を用いて常圧下で行ってもよいし、真空プレス装置を用いて減圧下(例えば、10−1Torr即ち、13.3322Pa以下)で行ってもよい。
ロール成形の際のロール同士の間隙としては、得られるポリエチレン製フィルムの均一性・強度の点で、0.005mm〜10mmが好ましく、0.005mm〜0.1mmがより好ましく、0.005mm〜0.05mmが更に好ましい。ロール成形の際のロールの回転速度としては、0.1m/min〜10m/minが好ましく、得られるポリエチレン製フィルムの均一性、及び、破断強度等の力学物性に優れる点で、1m/min〜10m/minがより好ましい。
ロール成形に用いるロールの形状としては、回転可能な形状であれば特に制限はなく、例えば、円筒体、円柱体のほか、回転可能な無限ベルト体等も挙げられる。また、ロールの材質としては、前記UHMW−PE原料とNMW−PE原料の混合物を好適にフィルム成形できれば特に制限はなく、ステンレス鋼等の金属、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの中でも、より好適に、マット状、粉末状、顆粒状あるいは塊状のポリエチレン混合物をロール成形し得る点で、ステンレス鋼等が好ましい。
これらフィルム成形は、成形に供するUHMW−PE原料とNMW−PE原料の混合物(マット状、粉末状、顆粒状あるいは塊状)の融点を超える温度で行うのが好ましい。このときの加熱温度条件としては、120℃〜180℃が好ましく、136℃〜180℃がより好ましい。
加熱時間はフィルムの成形法により適宜選択され、たとえば、プレス成形では、材料により1分間から60分間の範囲で加熱されるが、ロール成形の場合には、加熱ロールとの接触時間が加熱時間となる。
ロール成形を行ってからプレス成形を行う場合、ロール成形を120℃〜180℃の範囲で行い、プレス成形を130℃〜250℃の範囲で行うことが好ましい。
(b)工程により均一なフィルムを成形することができる。
なお、これらフィルム成形工程の後、120℃以下に冷却してポリエチレン(UHMW−PEおよびNMW−PE)を結晶化させたのちに取り出して、後述の延伸工程に供することが望ましい。
前記(b)工程で成形されたポリエチレン製のフィルムを、その融点以上180℃以下の温度でx軸およびy軸方向に二軸延伸する。二軸延伸は、まず、一方向(x軸)に延伸し、次いで該方向と垂直方向(y軸)に延伸する逐次二軸延伸でもよいが、x軸およびy軸方向(縦横)同時に延伸する同時二軸延伸が好ましい。
延伸工程では、一軸延伸ではなく、二軸延伸を行うことで、どの方向に対しても引張り強度を向上させることができる。また、融点以上で延伸することにより、多孔構造を発現せず、高倍率までの延伸が可能となり、高強度化に有利である。
二軸延伸処理における温度条件は、混合物に含まれるUHMW−PEの粘度平均分子量(Mv)や共重合組成により適宜選択すればよい。例えば、UHMW−PEの粘度平均分子量が100万近傍であると、融点近傍の136℃〜145℃程度が好ましいが、分子量が大きくなるにつれて、成形フィルムの熱特性が変わるために、より高い温度条件における二軸延伸処理が可能となる。
二軸延伸における延伸倍率は、x軸方向、y軸方向ともに、延伸前の長さの2倍〜50倍が好ましく、5倍〜20倍がより好ましい。x軸方向とy軸方向の延伸倍率は同じでも異なってもよい。
延伸速度としては、1mm/min〜1000mm/minの範囲であることが好ましく、より好ましくは、10mm/min〜500mm/minの範囲である。
また、二軸延伸処理の前に、二軸延伸する温度で一定時間保持する保持工程を含んでいてもよい。この際、温度保持する時間は好ましくは1分から180分、より好ましくは1分から10分である。
(c)工程において二軸延伸処理したフィルムは、該延伸倍率を保持したまま、即ち、延伸したサイズを維持したままで、延伸温度よりも低い温度、具体的には例えば室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲まで降温され、当該温度において、1分間〜180分間保持される。降温後の保持温度は、60℃〜150℃が好ましく、80℃〜140℃がより好ましい。保持時間は1分間〜180分間の範囲であることがより好ましい。
また、降温速度は、1℃/min〜1000℃/minであることが好ましい。このように、一定のサイズを維持したまま熱処理することで、二軸延伸工程で形成されたフィルムの微細構造が良好な状態で固定化されるものと考えられる。
熱処理工程では、このようにして得られた延伸フィルムを、該延伸倍率を保持したまま、室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲で熱処理する。この熱処理工程により、後述するラメラ結晶の均一構造が確定され、引き続き行われる(e)開孔工程において均一な細孔構造が得られる。
前記(d)工程で熱処理されたフィルムを、140℃以下の温度範囲に維持しながら、再度延伸することで、開孔処理を施す。
この際、前記(c)工程である延伸工程、その後の(d)熱処理工程の後に、(e)開孔工程に先立ち、該ポリエチレン製フィルムを、UHMW−PE原料およびNMW−PE原料の融点以下あるいは結晶化温度以下に温度を下げてラメラ構造を確定(結晶化)させる降温処理を行ってもよい。
開孔処理を行う際の温度は140℃以下であるが、より好ましくは室温〜130℃である。これらの温度範囲で開孔処理を行うことにより、形成されたラメラ結晶間が剥離することで開孔が起こり、得られるポリエチレン製多孔質膜の気体透過性を高めることができる。
開孔処理における再延伸速度としては、1mm/min〜1000mm/minの範囲であることが好ましく、5mm/min〜100mm/minの範囲であることがより好ましい。再延伸速度が上記範囲において、得られるポリエチレン製多孔質膜の強度を低下させることなく、必要な開孔処理をより効率よく行うことができる。
また、この開孔処理の前に、開孔処理する温度で一定時間保持する保持工程を含んでいてもよい。この際、温度保持する時間は好ましくは1秒間〜180分間、より好ましくは1分間〜10分間である。
なお、開孔処理は一軸延伸により行ってもよく、二軸延伸により行ってもよい。延伸倍率(開孔倍率)は、x軸方向、y軸方向ともに、開孔処理前の長さの1.1倍〜10.0倍が好ましい。したがって、「総延伸倍率=(c)工程における二軸延伸倍率×(e)工程における開孔倍率」となる。二軸延伸の場合、同時延伸である必要はなく、逐次延伸でもよい。さらに、x軸方向とy軸方向の延伸倍率は同じでも異なってもよい。また、上記の温度範囲であれば、開孔処理中に温度が変動してもよい。
このようにして得られた多孔質膜は、所望により以下に述べる(f)後処理工程、即ち、第2の熱処理工程を行うことができる。(f)後処理工程により、(e)開孔工程において形成された多孔質膜の開孔構造がより安定する。
前記(e)開孔工程の後に、開孔処理した膜を、該延伸倍率(開孔倍率)を保持したまま、即ち、開孔工程において延伸した多孔質膜のサイズを維持したまま室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲で、1分間〜180分間保持する後処理工程を行ってもよい。この後処理工程において、多孔質膜が開孔倍率で維持され、そこで後処理工程である第2の熱処理を行うことにより、形成された多孔構造の破損あるいは多孔質膜の熱収縮による多孔構造の閉塞が抑制され、形成された細孔がより安定に固定化され、膜強度をより向上させることができる。
なお、(e)開孔工程と、その後、所望により行われる(f)後処理工程とは、それぞれを2回以上繰り返し実施してもよく、その順番や回数も任意である。繰り返し実施する際は、一旦温度を融点以下あるいは結晶化温度以下に下げてから行ってもよいし、温度を下げずに開孔処理温度あるいは後処理温度に保持して行ってもよい。
既述のように、開孔工程を繰り返し実施する場合も、一度開孔処理した多孔質膜をUHMW−PE原料およびNMW−PE原料の融点以下あるいは結晶化温度以下に降温処理してから、再度、開孔処理を行うことが好ましい。
本発明においては、このような各種処理工程を施した後、得られたポリエチレン製多孔質膜を最終的には室温で取り出して様々な用途に使用する。
さらに、本発明の目的を損なわない範囲で、本発明のポリエチレン製多孔質膜の製造後、該多孔質膜表面に、公知のコート剤、塗布剤、界面活性剤、高分子エマルジョン、金属、カーボン、セラミック層、シリカ粒子、粘土等の表面改質剤を、そのまま、あるいは溶剤に分散させてから、スピンコート、ディップコート、ラビング、塗布、蒸着あるいはスパッタリングすることで、親水性、接着性、細胞吸着性等を付与させることができる。この際、前記の表面改質剤や溶剤を複数混ぜて用いてもよいし、これらの表面改質処理を複数回行ってよく、それらの組み合わせも任意である。
また、これらの表面改質処理に先立ち、本発明のポリエチレン製多孔質膜に対して、プラズマ処理、コロナ処理、重粒子線照射処理、紫外線照射処理、電子線照射処理等の表面処理を施すことができる。
本明細書における、平均細孔直径、比表面積、及び、空隙率については、水銀圧入法にて測定される。具体的には、Pascal 140及び440(CARLO ERBA INSTRUMENTS社製)を用いて室温にて測定する。
細孔半径と圧力の近似式として以下に示す関係式(1)により細孔の平均孔径と細孔容積を求める。
関係式:半径R=0.75μm/P (1)
(前記式(1)中、Pは圧力(MPa)を表す。)
また、得られた細孔分布・細孔容積の結果から比表面積を算出する。
測定条件として、測定範囲0.3kPa〜400kPaの場合には、Pascal140)を用い、0.1MPa〜400MPaの場合は、Pascal440を用いて室温にて測定した。
また、水銀圧入法によるかさ(嵩)密度(Pd)は、以下に示す密度測定の液相置換法(ピクノメータ法)の式(2)を用いて算出する。
Wa: 風袋(測定用セル)の質量(g)
Wb: 風袋+サンプルの質量(g)
Wc: 風袋+サンプル+水銀の質量(g)
Wd: 風袋+水銀の質量(g)
Ld: 水銀の密度(g/cm3)
<サンプル体積>
サンプル体積は、このようにして得られたサンプルのかさ密度およびサンプル質量から、下記式(3)に従い、算出する。
サンプルに圧入された総水銀容積(測定値)とサンプル体積から、下記式(4)に従い、算出する。
形成されたポリエチレン製多孔質膜中におけるUHMW−PEとNMW−PEの含有量比(質量比)については、前述のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定によって確認することができる。後述の実施例で用いたUHMW−PE原料1種(UHMW−PE)およびNMW−PE原料2種(NMW−PE−1およびNMW−PE−2)のGPC曲線を図1に示した。なお、これらのGPC測定は、既述の測定条件にて行った。
図1は、後述する実施例においてフィルム成形に用いたUHMW−PE、NMW−PE−1及びNMW−PE−2のGPC曲線を示す。
図1に示すGPC曲線から、UHMW−PE原料は分子量1万(104g/mol)以下のポリエチレン成分を1質量部未満しか含まず、逆にNMW−PE原料は分子量100万(106g/mol)以上のポリエチレン成分を2質量部未満しか含まないことがわかる。これらのことから、本発明のポリエチレン製多孔質膜においては、分子量1万(104g/mol)以下のポリエチレン成分の質量分率および分子量100万(106g/mol)以上のポリエチレン成分の質量分率を計測することで、本発明のポリエチレン製多孔質膜に含まれるUHMW−PE原料とNMW−PE原料の質量比を規定することが可能である。
一方、重量平均分子量1万(104g/mol)以下のポリエチレン成分については、NMW−PE原料(例えば、後述するNMW−PE−1およびNMW−PE−2)の含有率の最小値が1質量%であるので、本発明で製造されるポリエチレン製多孔質膜に含まれる1万(104g/mol)以下のポリエチレン成分の質量比率を1質量%以下に限定した。
なお、製造されたポリエチレン製多孔質膜を、既述のGPC測定の際に用いたのと同様の条件で溶解した際に不溶のポリエチレン成分がある場合は、その不溶ポリエチレン成分の質量分率を100万(106g/mol)以上のポリエチレン成分として合算して質量比率を計算する。
これらの検定方法により、後述の実施例において、本発明におけるポリエチレン製多孔質膜に含まれるUHMW−PE原料とNMW−PE原料の質量比を見積もった。その結果、仕込み比との相関によれば、当該測定方法による測定結果とよく一致することを確認した。
また、本発明のポリエチレン製多孔質膜は、UHMW−PEを主成分とするために、微細な貫通孔を有しながら、室温(20℃)で測定した引張り強度が10MPa以上の高機械物性を達成することができる。強度は、好ましくは20MPa以上である。
本発明の製造方法により得られた本発明のポリエチレン製多孔質膜は、超高分子量ポリエチレンを主成分(即ち、含有量が50質量%以上)の高強度な膜に均一に微細な孔が形成されており、イオン透過性、気体透過性に優れるための種々の用途に使用される。特に、その特性から、リチウムイオン電池のセパレーターとして有用である。
リチウムイオン電池の基本的な構造は、少なくとも、正極活物質及び正極集電体を備えた正極、負極活物質及び負極集電体を備えた負極、セパレーター及び電解液を含んで構成され、一般的には、正極と負極とは電解液を透過可能なセパレーターを介して配置され、この状態で外装材にて密封されている。正極集電体にはアルミ箔、負極集電体には銅箔が用いられている。セパレーターは、電解液中のイオン伝導性が良好で、且つ、機械的強度や熱安定性を求められるため、従来の溶剤除去により得られる多孔質膜よりも均一でイオン伝導性に優れ、機械的強度の高い本発明の多孔質膜はセパレーターとして好適である。
[(a)混合物調製工程]
原料として、粉末状UHMW−PE(三井化学製ハイゼックスミリオン340M、Mv=3.5×106、平均粒径150μm)と、粉末状NMW−PE−1(日本ポリオレフィン製J−REX KX285N、Mw=1.1×105、平均粒径300μm)と、粉末状NMW−PE−2(Mw=1.4×105、平均粒径250μm)と、を準備する。
これらのポリエチレン原料の詳細は下記表1に示すとおりである。なお、これらのポリエチレン原料はチーグラー系触媒を用いて合成されたものである。
<DSC昇温測定>
前記UHMW−PE原料、NMW−PE−1原料及びNMW−PE−2原料について、50℃から180℃まで昇温速度10℃/minにて昇温してDSC測定(パーキンエルマー製ダイアモンドDSC)を行った。この際、試料約5mgをアルミパンに封入してDSC測定に供した。なお、温度および熱量は標準物質(インジウムおよびスズ)で校正した。
溶液を室温(20℃)まで冷却して、懸濁液を得た。
懸濁液を、ブフナーロートを用いて減圧ろ過して、溶剤の一部を除去してゲル状物を得た。得られたゲル状物にアセトンを散布して溶媒置換を行なった。その結果、白色マット状物が得られた。
この白色マット状物を、さらに、室温においてドラフト内で1日間風乾し、さらに、50℃において24時間、減圧乾燥してマット状混合物を得た。このマット状混合物の表面全体に前記2種類の酸化防止剤をそれぞれ0.1質量%の濃度で含むアセトンを5mL散布し、24時間風乾し、最終的に以下のフィルム成形工程に供するマット状混合物とした。
上記の乾燥したマット状混合物中の残存溶媒量を検定するため、熱重量測定(TGA)を行った。TGA測定には、リガク製TG8120熱重量計(アルミパン)を用いて、窒素雰囲気下、室温〜500℃の温度範囲で昇温速度5℃/minにて昇温して、溶剤揮発に伴う重量減少を記録した。この際、基準物質にアルミナを用い、試料量は約10mgとした。
その結果、用いた有機溶剤(p−キシレン)の沸点以上である150℃における重量減少率は0.3質量%であり、フィルム成形工程に供するマット状混合物試料中には、ほとんど溶剤が残存していないことが確かめられた。
図3は、実施例におけるフィルム成形工程の作製手順を表す概念図である。
図3に示すように、直径110mmφ×厚さ2mmの円盤状ステンレス板(1)の上に厚さ125μmの離型用ポリイミドフィルム(2)を置き、次に直径110mmφ×厚さ0.25mmの円盤状ステンレス板に70mm×70mmの矩形窓をくり抜いたもの(3)を置き、その矩形窓内に上記マット状混合物を約2g置いた。その上に厚さ125μmの離型用ポリイミド膜(4)を置き、さらにその上に直径110mmφ×厚さ2mmの円盤状ステンレス板(5)を置いた。
これらを、卓上プレス装置に設置された上下のプレス機構の間に挟み、ポリエチレンの融点以上である190℃にて5分間保持した後、2.5MPa(シリンダー圧力30MPa)の圧力で溶融プレス成形を行ない、室温まで徐冷してから取出して、UHMW−PEとNMW−PE−1とを75:25の質量比で含有するフィルム(以下、適宜、プレス成形フィルムと称する)を形成した。
得られたプレス成形フィルムを延伸温度(Td)=150℃、延伸速度100mm/minにて10×10まで同時二軸延伸した(得られた延伸フィルムを、以下、適宜、二軸延伸フィルムと称する)。
[(d)熱処理工程]
前記二軸延伸フィルムを、該延伸倍率を保持したまま、降温速度2℃/minで、120℃まで降温し、該延伸倍率を保持したまま、30分間保持し、熱処理を行なった(以下、熱処理後のフィルムを適宜、熱処理フィルムと称する)。
なお、熱処理後に室温で取り出した熱処理フィルム表面をSEM(日立ハイテク製、S−4800、倍率25000倍)にて観察したところ、均一な厚さ(約30nm)を有するラメラ結晶のみで構成された構造がフィルム面全体にわたって一様に広がっていることが確認された。(図4A参照)これは、溶融延伸することによって分子鎖間の絡み合いの解きほぐしが進行するものの、NMW−PEを含むために溶融二軸延伸過程で自発的な配向緩和が起こり、均一なラメラ構造が発現し、さらに、熱処理によりこのラメラ結晶の均一性がより向上したためと考えられる。
得られた開孔処理前の熱処理フィルムの酸素透過係数及び力学強度を以下の方法で測定した。
<酸素透過係数>
酸素透過係数は、JIS K 7126(ISO 15105−1)に準拠した圧力センサによる差圧法にて、ツクバリカセイキ(株)製K−325N改を用いて室温(20℃)にて測定した。
その結果、実施例1における開孔前の熱処理フィルムの酸素透過係数は1.61×10−15mol・m/(m2・s・Pa)であった。
引張り破断強度の測定はボールドウィン株式会社製RTC−1325Aを用いて室温で行なった。このうち、引張り破断強度の測定では、フィルムから短冊状(供試する直線部分30.0mm、幅5mm)に試料片を切り出して試験に供し、引張り速度20mm/minで記録された応力チャートの最大応力をフィルム断面積で割った値を引張り破断強度とした。
その結果、実施例1における開孔前の熱処理フィルムの引張り破断強度は44MPaであった。
前記熱処理を施した二軸延伸フィルムを、延伸温度(Td)=120℃、延伸速度20mm/minにて2.0×2.0まで同時二軸延伸を行なうことで、該二軸延伸フィルムの開孔処理を行った(以下、開孔工程終了後のフィルムを多孔質膜と称する)。したがって、得られた多孔質膜の総延伸倍率は20.0×20.0となる。
この開孔処理においては、前記で形成された微細なラメラ結晶の間に存在する非晶領域で剥離が起こり、結果としてnmレベルの微細な孔が形成されたものと考えている。
本発明の製造方法は、前記(a)〜(e)工程を必須として含むが、開孔処理において形成された微細孔構造のさらなる安定化を図るため、本実施形態では、(f)後処理工程(第2の熱処理工程)を実施する。
後処理工程は、開孔処理において形成された微細孔構造のさらなる安定化を図るため、該開孔倍率を保持したまま、後処理温度条件120℃にて30分間保持して厚さ30μmのポリエチレン製多孔質膜を得た。
平均細孔直径、比表面積及び空隙率は、水銀圧入法にて測定される。具体的には、Pascal 140又は440(CARLO ERBA INSTRUMENTS社製)を用いて室温にて測定した。
その結果、実施例1のポリエチレン製多孔質膜の平均細孔直径は64.0nm、比表面積は129.4m2/g、空隙率は34.3%であった。
得られたポリエチレン製多孔質膜の酸素透過係数は開孔処理前のフィルムと同様にして測定した。
その結果、7.48×10−13mol・m/(m2・s・Pa)であり、実施例1のポリエチレン製多孔質膜は実用上、充分な細孔連通性を示すことが分かった。
得られたポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度の測定は開孔処理前のフィルムと同様にして行なった。
その結果、実施例1のポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度は67.8MPaであり、優れた機械物性を有していることが分かった。
なお、実施例1のポリエチレン製多孔質膜をトリクロロベンゼンに溶解させ、既述の条件でGPC測定したところ、分子量1万(104g/mol)以下の成分を3.6質量%、分子量100万(106g/mol)以上の成分を33.2質量%含有していることがわかった。
実施例1において、UHMW−PEとNMW−PE−1との混合比を50:50に変えた以外は、実施例1と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
なお、開孔処理前の熱処理フィルムの酸素透過係数及び力学強度を実施例1と同様にして測定したところ、酸素透過係数は、2.33×10−15mol・m/(m2・s・Pa)であり、引張り破断強度20.5MPaであった。
また、得られた実施例2のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、平均細孔直径は90.9nm、比表面積は100.3m2/g、空隙率は34.2%であった。
一方、酸素透過係数は、9.04×10−11mol・m/(m2・s・Pa)であり、実施例2のポリエチレン製多孔質膜は優れた細孔連通性を示すことが分かった。
さらに、実施例2のポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度は29.7MPaであり、優れた機械物性を有していることが分かった。
なお、実施例2のポリエチレン製多孔質膜をトリクロロベンゼンに溶解させ、既述の条件でGPC測定したところ、分子量1万(104g/mol)以下の成分を7.0質量%、分子量100万(106g/mol)以上の成分を21.7質量%含有していることがわかった。
実施例1において、原料であるUHMW−PEとNMW−PE−1との混合比を60:40に変えた以外は、実施例1と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例3のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、実施例3のポリエチレン製多孔質膜の平均細孔直径は89.0nm、比表面積は239.9m2/g、空隙率は53.8%であった。
酸素透過係数は、8.27×10−12mol・m/(m2・s・Pa)であり、実施例3のポリエチレン製多孔質膜は優れた細孔連通性を示すことが分かった。
また、実施例3のポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度は29.8MPaであり、優れた機械物性を有していることが分かった。
(e)開孔工程における延伸倍率(開孔倍率)を1.5×1.5とした以外は、実施例3と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。この場合、総延伸倍率は15.0×15.0となる。
得られた実施例3−2のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、実施例3−2のポリエチレン製多孔質膜の平均細孔直径は142.4nm、比表面積は90.5m2/g、空隙率は48.0%であった。
酸素透過係数は、7.40×10−12mol・m/(m2・s・Pa)であり、引張り破断強度は25.2MPaであった。
実施例2において、NMW−PE−1の代わりにNMW−PE−2を用いた以外は(UHMW−PEとNMW−PE−2との混合比は50:50)、実施例2と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例4のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、平均細孔直径は53.1nm、比表面積は731.0m2/g、空隙率は44.5%であった。
一方、酸素透過係数は、3.95×10−10mol・m/(m2・s・Pa)であり、非常に優れた細孔連通性を示すことが分かった。
また、実施例4のポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度は25.1MPaであり、優れた機械物性を有していることが分かった。
なお、実施例4のポリエチレン製多孔質膜をトリクロロベンゼンに溶解させ、既述の条件でGPC測定したところ、分子量1万(104g/mol)以下の成分を5.6質量%、分子量100万(106g/mol)以上の成分を22.2質量%含有していることがわかった。実施例4で得たポリエチレン製多孔質膜の走査型電子顕微鏡写真を図7に示す。
(e)開孔工程における延伸倍率(開孔倍率)を1.5×1.5とした以外は、実施例1と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。この場合、総延伸倍率は15.0×15.0となる。
得られた実施例5のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、平均細孔直径は90.9nm、比表面積は149.3m2/g、空隙率は48.9%であった。
また、酸素透過係数は、9.28×10−13mol・m/(m2・s・Pa)であり、実用上、充分な細孔連通性を示すことが分かった。
また、実施例5のポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度は29.5MPaであり、極めて優れた機械物性を有していることが分かった。
実施例5で得たポリエチレン製多孔質膜の走査型電子顕微鏡写真を図8に示す。
[実施例6]
(e)開孔工程における延伸倍率(開孔倍率)を1.5×1.5とした以外は、実施例2と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。この場合、総延伸倍率は15.0×15.0となる。
得られた実施例6のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、平均細孔直径は66.7nm、比表面積は54.7m2/g、空隙率は33.3%であった。。
また、酸素透過係数は、9.31×10−11mol・m/(m2・s・Pa)であり、優れた酸素透過係数を示すことが分かった。
また、実施例6のポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度は21.5MPaであり、優れた機械物性を有することが分かった。
(e)開孔工程における延伸倍率(開孔倍率)を2.5×2.5とした以外は、実施例6と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。この場合、総延伸倍率は25.0×25.0となる。
得られたポリエチレン製多孔質膜を実施例1と同様に評価した。その結果、実施例6−2のポリエチレン製多孔質再延伸フィルムの平均細孔直径は53.5nm、比表面積は241.64m2/g、空隙率は42.0%であった。
酸素透過係数は、1.11×10−10mol・m/(m2・s・Pa)であり、引張り破断強度は37.3MPaであった。
(e)開孔工程における延伸温度(Td)を110℃とした以外は、実施例2と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例7のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、酸素透過係数は、1.53×10−10mol・m/(m2・s・Pa)であり、非常に優れた細孔連通性を示すことが分かった。
実施例7で得たポリエチレン製多孔質膜の走査型電子顕微鏡写真を図9に示す。
[実施例7−2]
(e)開孔工程における延伸温度(Td)を130℃とした以外は、実施例2と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例7−2のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、酸素透過係数は、6.93×10−12mol・m/(m2・s・Pa)であり、優れた細孔連通性を示すことが分かった。
[実施例8]
(e)開孔工程における延伸温度(Td)を140℃とした以外は、実施例2と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例8のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、酸素透過係数は、2.25×10−12mol・m/(m2・s・Pa)であり、実用上、充分な細孔連通性を示すことが分かった。
実施例8で得たポリエチレン製多孔質膜の走査型電子顕微鏡写真を図10に示す。
実施例2、実施例7〜8のポリエチレン製多孔質膜の評価結果より、(e)開孔工程における延伸温度は140℃以下であることが好ましく、特に、延伸温度を120℃以下とすることでより高い細孔連通性を示すことがわかる。
(e)開孔工程における延伸速度を5mm/minとした以外は、実施例2と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例9のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、酸素透過係数は、9.01×10−11mol・m/(m2・s・Pa)であり、優れた細孔連通性を示すことが分かった。
[実施例10]
(e)開孔工程における延伸速度を100mm/minとした以外は、実施例2と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例10のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、酸素透過係数は、1.06×10−11mol・m/(m2・s・Pa)であり、優れた細孔連通性を示すことが分かった。
実施例2、実施例9および実施例10の評価結果の比較より、(e)開孔工程における延伸速度は少なくとも5mm/min〜100mm/minの範囲において、優れた細孔連通性を示すことがわかる。
実施例2において、(b)フィルム成形工程において、下記の条件でロール成形とプレス成形の両方を行った。
<ロール成形>
前記マット状混合物1.0gを宇部興産製ユーピレックス125S離型用ポリイミドフィルム(厚さ125μm)でサンドイッチし、これを145℃にて、ロールの回転速度3m/minで特開2003−165155公報の記載に準拠してロール成形した。これを数回行い、厚さ75μmフィルム数枚を得た。
<プレス成形>
前記ロール成形により得られたフィルム(厚さ75μm)を積層させてプレス成形した。図3のように、直径110mmφ×厚さ2mmの円盤状ステンレス板(1)の上に厚さ125μmの宇部興産製ユーピレックス125S離型用ポリイミドフィルム(2)を置き、次に直径110mmφ×厚さ0.25mmの円盤状ステンレス板に70mm×70mmの矩形窓をくり抜いたもの(3)を置き、その矩形窓内に上記ロール成形で得られた厚さ約75μmのフィルムを70mm×70mmに切り出したものを4枚、ロール方向が互い違い(直交状態)になるように重ねて置いた。その上に厚さ125μmの前記離型用ポリイミドフィルム(4)を置き、さらにその上に直径110mmφ×厚さ2mmの円盤状ステンレス板(5)を置いた。
このロールプレス成形フィルムを室温で取出し、実施例2と同様の条件で、(c)延伸工程、(d)熱処理工程、(e)開孔工程、(f)後処理工程を施し、ポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた実施例11のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、実施例11のポリエチレン製多孔質膜の酸素透過係数は、8.14×10−11mol・m/(m2・s・Pa)であり、優れた細孔連通性を示すことが分かった。また、引張り破断強度は32.7MPaであり、優れた機械物性を有していることが分かった。
実施例1において、NMW−PE原料を混合せず、UHMW−PE原料のみを用いて、実施例1と同様にしてポリエチレン製多孔質膜を形成しようとしたところ、フィルム成形後の(c)延伸工程において、伸びきり鎖が多数発生し、これを(d)熱処理したが、伸びきり鎖の緩和、消失が充分に生じず、(e)開孔処理工程における二軸延伸過程で膜破断が起こり、多孔質膜は形成できなかった。
なお、比較例1の(d)熱処理工程で得られた延伸倍率10×10の熱処理フィルムをトリクロロベンゼンに溶解させ、既述の条件でGPC測定したところ、分子量1万(104g/mol)以下の成分は1質量%未満しか含まず、分子量100万(106g/mol)以上の成分を45質量%含有していることがわかった。
実施例1において、UHMW−PEとNMW−PE−1との混合比を25:75に変えた以外は、実施例1と同様にして比較例2のポリエチレン製多孔質膜を得た。
得られた比較例2のポリエチレン製多孔質膜を、実施例1と同様に評価した。その結果、平均細孔直径は69.2nm、比表面積229.6m2/g、空隙率は37.1%であった。
酸素透過係数は、1.0×10−9mol・m/(m2・s・Pa)以上であり、非常に優れた細孔連通性を示すことが分かった。
他方、比較例2のポリエチレン製多孔質膜の引張り破断強度は0.50MPaであり、実用上充分な強度の多孔質膜は得られなかった。
なお、比較例2のポリエチレン製多孔質膜をトリクロロベンゼンに溶解させ、既述の条件でGPC測定したところ、分子量1万(104g/mol)以下の成分を10.5質量%、分子量100万(106g/mol)以上の成分を11.4質量%含有していることがわかった。
実施例1において、(b)フィルム成形工程で得られたフィルム(厚さ0.3mm)について、実施例1と同様に評価した。その結果、酸素透過係数は2.67×10−15mol・m/(m2・s・Pa)であり、無孔フィルムが得られていることがわかった。
実施例2において、(c)延伸工程の後、(d)熱処理工程を経ることなく、(e)開孔工程、次いで(f)後処理工程を施し、比較例4のポリエチレン製多孔質膜を得た。
比較例4で得たポリエチレン製多孔質膜の走査型電子顕微鏡写真を図11に示す。図11と、実施例2で得た多孔質膜を撮影した図5Bとの対比より、(d)熱処理工程を行わずに(e)開孔工程を行っても、連通された細孔が殆ど形成されていないことがわかる。このことから、本発明においては、(d)熱処理工程が必須であることがわかった。
市販の厚さ25μmの超高分子量ポリエチレン多孔化膜(旭化成イーマテリアルズ(株)製「ハイポア」:リチウムイオン電池セパレーター用途)について、実施例1と同様にして、水銀圧入法で細孔特性を評価したところ、平均細孔直径は50.5nm、比表面積は164.5m2/g、空隙率は45.0%であった。
また、実施例1と同様にして、酸素透過係数を測定したところ、8.02×10−11mol・m/(m2・s・Pa)が得られた。
したがって、本発明の多孔質膜の細孔サイズや空隙率および酸素透過係数は、これら市販品と同レベルであることが確かめられた。
図4Aは、実施例1において(d)熱処理工程終了後に室温まで冷却したフィルム(熱処理フィルム)の微細構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
図4Bは、実施例2において(d)熱処理工程終了後に室温まで冷却したフィルム(熱処理フィルム)の微細構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
図4Cは、比較例1において(d)熱処理工程終了後に室温まで冷却したフィルム(熱処理フィルム)の微細構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
図4Dは、比較例2において(d)熱処理工程終了後に室温まで冷却したフィルム(熱処理フィルム)の微細構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
これらの写真より、実施例1〔図4A〕、実施例2〔図4B〕及び比較例2〔図4D〕では、ラメラ結晶の存在を推認させる均一且つ微細な凹凸模様が観察されるのに対して、比較例1〔図4C〕では、熱処理フィルム表面に伸びきり鎖結晶の発生を示すマクロなスジ模様が明確に確認される。
既述のように比較例1〔図4C〕では、(d)熱処理工程後に(e)開孔工程を施したが、フィルムが破断してしまい、多孔質膜を得ることができなかった。
図5Bは、実施例2において、図4Bに示す熱処理フィルムに、さらに、(e)開孔工程及び(f)後処理工程を施して得られたポリエチレン製多孔質膜の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。
図5Cは、比較例2において、図4Cに示す熱処理フィルムに、さらに、(e)開孔工程及び(f)後処理工程を施して得られたポリエチレン製多孔質膜の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。
実施例1〔図5A〕及び実施例2〔図5B〕では、微細、且つ、均一な細孔が形成されているのが確認されたが、比較例2〔図5C〕においては、細孔は多く存在するものの、開孔されていない部分も存在しており、不均一な細孔構造が形成されている。このために、比較例2は細孔容積や比表面積、酸素透過係数は高かったものの、引張り強度が顕著に低下したものと考えられる。これに対して、実施例1および実施例2では、小さくかつ均一な細孔構造が得られたため、十分な細孔容積、比表面積、酸素透過係数を持ちつつ、かつ、高い破断強度を示したと考えられる。
図7は、実施例4において、最終的に得られたポリエチレン製多孔質膜の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。均一で小さな細孔を有していることがわかる。このため、実施例4の多孔質膜も優れた気体透過性と高い破断強度を示したものと推測される。
図8は、実施例5において、最終的に得られたポリエチレン製多孔質膜の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。実施例1と開孔倍率が異なるものの、実施例1と同様に均一で小さな細孔を有しており、実施例1の多孔質膜よりも優れた気体透過性を示していた。一方、破断強度は、実施例1の多孔質膜よりも開孔倍率(延伸倍率)が低いため、やや低い値を示したが、実用上問題のない破断強度であった。
図10は、実施例9において、最終的に得られたポリエチレン製多孔質膜の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。実施例2に比較して開孔処理温度が高い条件で作製されたものであり、実施例2の多孔質膜よりも、さらに小さな細孔を有していることがわかる。このため、実施例8で得られた多孔質膜は実施例2の多孔質膜よりも酸素透過性はやや低いが、実用上問題のないレベルであった。
また、水質浄化膜、エアフィルター、人工透析膜等のろ過膜、グルコースセンサー膈膜、細胞増殖基材等の各種の分野に好適に利用される。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (13)
- 粘度平均分子量が100万〜1500万である超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量が1万〜80万であるポリエチレンとを、50:50〜99:1の質量比で含有するフィルムを延伸のみにより開孔して得られた、水銀圧入法にて室温(20℃)で測定した平均細孔直径が200nm以下であり、比表面積が50m2/g以上であり、且つ、空隙率が15%以上であるポリエチレン製多孔質膜。
- 室温(20℃)で測定した引張り強度が10MPa以上である請求項1に記載のポリエチレン製多孔質膜。
- 室温(20℃)で測定した酸素透過係数が、5×10−15mol・m/(m2・s・Pa)以上である請求項1又は請求項2に記載のポリエチレン製多孔質膜。
- トリクロロベンゼンを溶媒として150℃にてゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定を行って得られた含有ポリエチレンの分子量分布曲線から見積もった分子量1万(104g/mol)以下の成分の重量分率が1重量%以上、且つ、分子量100万(106g/mol)以上の成分の重量分率が15重量%以上である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜。
- 粘度平均分子量が100万〜1500万である超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量が1万〜80万であるポリエチレンとを、50:50〜99:1の質量比で含む混合物を調製する混合物調製工程と、
前記混合物を加熱溶融してフィルムに成形するフィルム成形工程と、
前記フィルムを、該フィルムの融点以上、且つ、180℃以下の温度範囲でx軸およびy軸方向に二軸延伸する延伸工程と、
前記二軸延伸したフィルムを、該延伸倍率を保持したまま、室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲で熱処理する熱処理工程と
前記熱処理したフィルムを、140℃以下の温度で、x軸およびy軸の少なくとも一方の軸に沿って再度延伸する開孔工程と、
を、含むポリエチレン製多孔質膜の製造方法。 - 前記開孔工程の後に、前記開孔処理した膜を、延伸倍率を保持したまま、室温以上、且つ、180℃以下の温度範囲で熱処理する第2の熱処理工程をさらに含む、請求項5に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法。
- 前記混合物調製工程が、粘度平均分子量が100万〜1500万である超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量が1万〜80万のポリエチレンとの混合物をp−キシレン、m−キシレン、о−キシレン、テトラクロロベンゼン、及びジクロロベンゼンから選ばれるベンゼン誘導体、デカリン、テトラリン、並びに流動パラフィンからなる群より選択される1種以上の溶剤に添加し、室温以上であり且つ用いる溶媒の沸点以下の温度範囲に加熱、溶解した後、該混合物から溶剤を除去する工程である請求項5又は請求項6に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法。
- 前記フィルム成形工程が、前記混合物調製工程で得られた混合物を、140℃以上250℃以下の温度範囲、0.1MPa以上100MPa以下の加圧条件下で溶融プレス成形する工程である請求項5〜請求項7のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法。
- 前記フィルム成形工程が、前記混合物調製工程で得られた混合物を加熱溶融して成形したフィルムを積層して積層体を形成する工程をさらに含む、請求項5〜請求項8のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法。
- 請求項5〜請求項9のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜の製造方法によって得られたポリエチレン製多孔質膜。
- 水銀圧入法にて室温(20℃)で測定した平均細孔直径が200nm以下であり、比表面積が50m2/g以上であり、且つ、空隙率が15%以上である請求項10に記載のポリエチレン製多孔質膜。
- 室温(20℃)で測定した引張り強度が10MPa以上である請求項10又は請求項11に記載のポリエチレン製多孔質膜。
- 室温(20℃)で測定した酸素透過係数が、5×10−15mol・m/(m2・s・Pa)以上である請求項10〜請求項12のいずれか1項に記載のポリエチレン製多孔質膜。
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