JPWO2016027825A1 - 多孔質ポリイミド膜製造用ワニス及びそれを用いた多孔質ポリイミド膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係る多孔質ポリイミド膜製造用ワニスは、ポリアミド酸及び/又はポリイミドからなる樹脂と、微粒子と、溶剤とを含有し、上記微粒子の含有量が上記樹脂と上記微粒子との合計に対して65体積%以上であり、25℃における粘度が550mPa・s以上である。本発明に係る多孔質ポリイミド膜製造用ワニスは、上記の通り、特定量の微粒子を含有し、かつ、粘度が特定の範囲であることにより、海島構造が発生しにくい未焼成複合膜を与える。
上記微粒子の含有量の上限は上記樹脂と上記微粒子との合計に対して80体積%以下であることが好ましい。上記微粒子の含有量の上限が上記範囲内であると、微粒子同士が凝集しにくく、また、表面にひび割れ等が生じにくいため、安定して電気特性の良好な多孔質ポリイミド膜を形成することができる。
なお、本明細書において、体積%及び体積比は、25℃における値である。
なお、粘度は、E型粘度計により測定される。
本発明で用いるポリアミド酸は、任意のテトラカルボン酸二無水物とジアミンとを重合して得られるものが、特に限定されることなく使用できる。テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの使用量は特に限定されないが、テトラカルボン酸二無水物1モルに対して、ジアミンを0.50〜1.50モル用いるのが好ましく、0.60〜1.30モル用いるのがより好ましく、0.70〜1.20モル用いるのが特に好ましい。
ポリアミド酸は、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明に用いるポリイミドは、本発明のワニスに使用する溶剤に溶解可能な可溶性ポリイミドなら、その構造や分子量が限定されることはなく、公知のものが使用できる。ポリイミドについて、側鎖にカルボキシ基等の縮合可能な官能基又は焼成時に架橋反応等を促進させる官能基を有していてもよい。
ポリイミドは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明で用いられる微粒子の材質は、ワニスに使用する溶剤に不溶で、後にポリイミド膜から除去可能なものであれば、特に限定されることなく公知のものが採用可能である。例えば、無機材料としては、シリカ(二酸化珪素)、酸化チタン、アルミナ(Al2O3)等の金属酸化物、有機材料としては、高分子量オレフィン(ポリプロピレン,ポリエチレン等)、ポリスチレン、エポキシ樹脂、セルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリエステル、ポリエーテル等の有機高分子微粒子が挙げられる。
微粒子は、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明で用いられる溶剤としては、ポリアミド酸及び/又はポリイミドからなる樹脂を溶解することができ、微粒子を溶解しないものであれば、特に限定されず、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとの反応に用いる溶剤として例示したものが挙げられる。溶剤は、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明では、ワニス中の微粒子を均一に分散することを目的に、微粒子とともに更に分散剤を添加してもよい。分散剤を添加することにより、ポリアミド酸及び/又はポリイミドからなる樹脂と微粒子とを一層均一に混合でき、更には、成形又は成膜した前駆体膜中の微粒子を均一に分布させることができる。その結果、最終的に得られる多孔質ポリイミドの表面に稠密な開口を設け、かつ、表裏面を効率よく連通させることが可能となり、フィルムの透気度が向上する。更に、分散剤を添加することにより、本発明に係る多孔質ポリイミド膜製造用ワニスの乾燥性が向上しやすくなり、また、形成された未焼成複合膜の基板等からの剥離性が向上しやすくなる。
本発明に係る多孔質ポリイミド膜の製造方法は、本発明に係る多孔質ポリイミド膜製造用ワニスを用いて、未焼成複合膜を成膜する未焼成複合膜成膜工程と、上記未焼成複合膜を焼成してポリイミド−微粒子複合膜を得る焼成工程と、上記ポリイミド−微粒子複合膜から微粒子を取り除く微粒子除去工程と、を有する。
以下、本発明における未焼成複合膜の成膜方法について説明する。未焼成複合膜成膜工程においては、本発明に係る多孔質ポリイミド膜製造用ワニスを用いて、未焼成複合膜を成膜する。その際、未焼成複合膜は、基板上に成膜してもよいし、上記未焼成複合膜とは異なる下層膜上に成膜してもよい。未焼成複合膜は、例えば、基板上又は上記下層膜上に、本発明に係る多孔質ポリイミド膜製造用ワニスを塗布し、常圧又は真空下で0〜100℃、好ましくは常圧10〜100℃で乾燥することにより、形成することができる。
基板としては、例えば、PETフィルム、SUS基板、ガラス基板等が挙げられる。
上記未焼成複合膜に加熱による後処理(焼成)を行ってポリイミドと微粒子とからなる複合膜(ポリイミド−微粒子複合膜)とする。上記未焼成複合膜成膜工程において、上記未焼成複合膜とは異なる下層膜上に上記未焼成複合膜を成膜した場合には、焼成工程において、上記未焼成複合膜とともに上記下層膜も焼成する。焼成工程における焼成温度は、未焼成複合膜及び下層膜の構造や縮合剤の有無によっても異なるが、120〜375℃であることが好ましく、更に好ましくは150〜350℃である。また、微粒子に、有機材料を使用するときは、その熱分解温度よりも低い温度に設定する必要がある。焼成工程においてはイミド化を完結させることが好ましい。
ポリイミド−微粒子複合膜から、微粒子を適切な方法を選択して除去することにより、多孔質ポリイミド膜を再現性よく製造することができる。
本発明に係る多孔質ポリイミド膜の製造方法は、微粒子除去工程前に、ポリイミド−微粒子複合膜のポリイミド部分の少なくとも一部を除去するか、又は、微粒子除去工程後に多孔質ポリイミド膜の少なくとも一部を除去するポリイミド除去工程を有する。微粒子除去工程前に、ポリイミド−微粒子複合膜のポリイミド部分の少なくとも一部を除去することにより、続く微粒子除去工程で微粒子が取り除かれ空孔が形成された場合に、上記ポリイミド部分の少なくとも一部を除去しないものに比べて、最終製品の多孔質ポリイミド膜の開孔率を向上させることが可能となる。また、微粒子除去工程後に多孔質ポリイミド膜の少なくとも一部を除去することにより、上記多孔質ポリイミド膜の少なくとも一部を除去しないものに比べて、最終製品の多孔質ポリイミド膜の開孔率を向上させることが可能となる。
本発明に係る製造方法で作製した多孔質ポリイミド膜は、リチウムイオン電池のセパレータや燃料電池電解質膜、ガス又は液体の分離用膜、低誘電率材料として使用することが可能である。上記多孔質ポリイミド膜は、ニッケルカドミウム、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池用セパレータとして使用することが可能であるが、リチウムイオン二次電池用多孔質セパレータとして使用することが特に好ましい。特に、リチウムイオン電池のセパレータとして使用する場合、上記未焼成複合膜成膜工程において、上記未焼成複合膜とは異なる下層膜上に上記未焼成複合膜を成膜し、上記下層膜として、上記下層膜製造用ワニスを用いて成膜したものを用い、上記下層膜側の面をリチウムイオン電池の負極面側とすることにより、電池性能を向上させることができる。
本発明における二次電池は、負極と正極との間に、電解液と本発明に係る製造方法で作製した多孔質ポリイミド膜からなるセパレータとが配置されることを特徴とする。
・ポリアミド酸溶液:テトラカルボン酸二無水物(ピロメリット酸二無水物)とジアミン(4,4’−ジアミノジフェニルエーテル)との反応物(反応溶媒:N,N−ジメチルアセトアミド)
・分散剤1:ポリオキシエチレン二級アルキルエーテル系分散剤
・分散剤2:ポリオキシエチレンアリルフェニルエーテルホスフェート塩系アニオン界面活性剤
・微粒子
シリカ1:平均粒径300nmのシリカ
シリカ2:平均粒径700nmのシリカ
(1)第一のワニス(下層膜用ワニス)
ポリアミド酸溶液(ポリアミド酸換算:15質量部)に対し、シリカ1(85質量部)と、N,N−ジメチルアセトアミド及びγ−ブチロラクトンの各有機溶剤とを添加し(その際、ワニス中の有機溶剤比(N,N−ジメチルアセトアミド:γ−ブチロラクトン)が90:10(質量比)となるように、有機溶剤の添加量を調整した。)、各成分を混合、撹拌して、ポリアミド酸と微粒子との体積比を22:78(質量比は15:85)とした第一のワニスを調製した。
ポリアミド酸溶液とシリカ2と分散剤とを、表1に示す種類及び量(単位:質量部)で混合し、必要に応じてN,N−ジメチルアセトアミド及びγ−ブチロラクトンの各有機溶剤を追加で添加し(その際、ワニス中の有機溶剤比(N,N−ジメチルアセトアミド:γ−ブチロラクトン)が90:10(質量比)となるように、有機溶剤の添加量を調整した。)、表1に示す固形分濃度を有する第二のワニスを調製した。E型粘度計を用いて、第二のワニスの25℃における粘度を測定した。その結果を表1に示す。なお、表1において、ポリアミド酸溶液の量は、この溶液中のポリアミド酸に換算したものである。また、表1において、ポリアミド酸の分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)のポリスチレン換算による測定値である。
上記の第二のワニスをPETフィルム上にアプリケーターを用いて塗布し、70℃で5分間プリベークして、膜厚約25μmの未焼成複合膜(単層)を形成した。
上記PETフィルムから上記未焼成複合膜を剥離した後、320℃で15分間熱処理を施し、イミド化を完結させて、ポリイミド−微粒子複合膜(単層)を得た。
上記の第一のワニスをPETフィルム上にアプリケーターを用いて塗布し、70℃で1分間プリベークして、膜厚約3μmの下層未焼成複合膜を成膜した。続いて、そのうえに第二のワニスを、アプリケーターを用い成膜した。70℃で5分間プリベークして、膜厚25μmの未焼成複合膜を形成した。
上記PETフィルムから上記下層未焼成複合膜と上記未焼成複合膜との積層膜を剥離した後、320℃で15分間熱処理を施し、イミド化を完結させて、ポリイミド−微粒子複合膜(二層)を得た。
上記ポリイミド−微粒子複合膜(単層又は二層)を、10質量%HF溶液中に10分間浸漬することで、膜中に含まれる微粒子を除去して、多孔質ポリイミド膜(単層又は二層)を得た。
TMAHの2.38質量%水溶液をメタノール50質量%水溶液で1.04%となるように希釈して、アルカリ性のエッチング液を作成した。このエッチング液に、多孔質ポリイミド膜(単層又は二層)を80秒間浸漬してポリイミド表面の一部を除去した。
上記で得られた未焼成複合膜(単層)、積層膜、ポリイミド−微粒子複合膜(単層又は二層)、及び多孔質ポリイミド膜(単層又は二層)の膜特性を評価した。結果を表2に示す。表中、「単層」は、「ポリイミド−微粒子複合膜(単層)の成膜」で得た未焼成複合膜(単層)を出発材料として膜特性を評価した結果を示し、「二層」は、「ポリイミド−微粒子複合膜(二層)の成膜」で得た積層膜を出発材料として膜特性を評価した結果を示す。
得られた未焼成複合膜(単層)又は得られた積層膜中の未焼成複合膜の表面を目視で観察して、海島構造の有無を評価した。評価基準は以下の通りである。
○:海島構造が全く観察されなかった。
△:海島構造がほとんど観察されなかった。
×:海島構造が明確に観察された。
PETフィルムから未焼成複合膜(単層)を剥離する際に、又は、PETフィルムから下層未焼成複合膜と未焼成複合膜との積層膜を剥離する際に、第二のワニスの乾燥性及び上記積層膜の剥離性を評価した。評価基準は以下の通りである。
○:乾燥後、自然に剥離した。又は剥離時に膜の粘着性が残らなかった。
△:剥離時に膜の粘着性が若干残っていた。
ケミカルエッチング後の多孔質ポリイミド膜を目視で観察して、鱗模様の発生の有無を評価した。評価基準は以下の通りである。
○:鱗模様が観察されなかった。
×:鱗模様が全面に観察された。
ケミカルエッチング前の多孔質ポリイミド膜及びケミカルエッチング後の多孔質ポリイミド膜の各々を5cm角に切り出して、透気度測定用のサンプルとした。ガーレー式デンソメーター(東洋精機製)を用いて、JIS P 8117に準じて、100mlの空気が上記サンプルを通過する時間を測定した。その結果、いずれの場合もケミカルエッチング前は130秒以上だった透気度が、ケミカルエッチング後には120秒未満に改善された。なお、ケミカルエッチング前後の膜厚変化量はいずれの場合もほとんど観測されなかった。よって、多孔質ポリイミド膜の表面の開口率及び多孔質ポリイミド膜の内部の連通孔の孔径サイズが大きくなり透気度が向上したと考えられる。
Claims (4)
- ポリアミド酸及び/又はポリイミドからなる樹脂と、微粒子と、溶剤とを含有し、前記微粒子の含有量が前記樹脂と前記微粒子との合計に対して65体積%以上であり、25℃における粘度が550mPa・s以上である多孔質ポリイミド膜製造用ワニス。
- 更に分散剤を含有する請求項1に記載の多孔質ポリイミド膜製造用ワニス。
- 請求項1又は2に記載の多孔質ポリイミド膜製造用ワニスを用いて、未焼成複合膜を成膜する未焼成複合膜成膜工程と、
前記未焼成複合膜を焼成してポリイミド−微粒子複合膜を得る焼成工程と、
前記ポリイミド−微粒子複合膜から微粒子を取り除く微粒子除去工程と、
を有する多孔質ポリイミド膜の製造方法。 - 前記未焼成複合膜成膜工程において、前記未焼成複合膜とは異なる下層膜上に前記未焼成複合膜を成膜し、前記焼成工程において、前記未焼成複合膜とともに前記下層膜も焼成する請求項3に記載の多孔質ポリイミド膜の製造方法。
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