KR101371061B1 - 2-layer seperator for secondary cell with excellent heat-resisting property and its method - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a double-layered separation film with enhanced thermal resistance for a secondary cell and a separation film manufactured by the same and, more specifically, to a method for manufacturing a double-layered separation film with enhanced thermal resistance for a secondary cell which manufactures a separation film by dividing the nozzle block of an electrical discharge device into two discharge sections towards the progress direction and electrically discharging heat-resistant polymers continuously in each discharge section, thereby being able to manufacture a multi-layered separation film with enhanced thermal resistance and accordingly improving thermal stability and a separation film manufactured by the same. The method includes: a step of electrically discharging a solution which is produced by dissolving first heat-resistant polymers filled in a first supply device in an organic solvent onto a collector to form first heat-resistant polymer nano fiber; and a step of electrically discharging a solution which is produced by dissolving another heat-resistant polymers filled in a second supply device in an organic solvent onto the upper surface of the first heat-resistant polymer nano fiber to laminate second heat-resistant polymer nano fiber.

Description

내열성이 향상된 이차전지용 2층 분리막 및 이의 제조방법{2-layer seperator for secondary cell with excellent heat-resisting property and its method}2-layer separator for secondary battery with improved heat resistance and manufacturing method thereof {2-layer seperator for secondary cell with excellent heat-resisting property and its method}

본 발명은 내열성이 향상된 이차전지용 2층 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 내열성 특징을 가진 폴리이미드 또는 폴리아크릴로니트릴 제 1다공성 막과 메타아라미드 제 2 다공성 막이 2층으로 제조하여 이차전지에 적응함으로써 전지의 국부적인 급격한 이온 운동으로 발열이 이루어지거나 분리막 전체가 셧다운 온도에 도달하는 것을 차단할 수 있는 2층 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery two-layer separator and a method for producing the secondary battery having improved heat resistance, and in detail, a polyimide or polyacrylonitrile first porous membrane and a metaaramid second porous membrane having heat resistance characteristics are prepared in two layers. The present invention relates to a two-layer separation membrane and a method for manufacturing the same, which can prevent heat generation due to local rapid ion movement of a battery or block the entire separation membrane from reaching a shutdown temperature.

전자제품의 디지털화와 고성능화 등으로 소비자의 요구가 바뀜에 따라 시장요구도 박형, 경량화와 고에너지 밀도에 의한 고용량을 지니는 전지의 개발로 흐름이 바뀌고 있는 상황이다. 또한, 미래의 에너지 및 환경 문제를 대처하기 위하여 하이브리드 전기 자동차 및 연료전지 자동차의 개발이 활발히 진행되고 있는 바, 자동차 전원용으로 전지의 대형화가 요구되고 있다.As consumers' demands have changed due to digitization and high performance of electronic products, market demand is changing due to the development of batteries with high capacity due to thinness, light weight and high energy density. In addition, in order to cope with future energy and environmental problems, the development of hybrid electric vehicles and fuel cell vehicles has been actively progressed, and thus the size of batteries for automobile power sources is required.

고에너지 밀도 및 대용량의 리튬이온 이차전지, 리튬이온 고분자전지, 슈퍼 커패시터(전기이중층 커패시터 및 유사 커패시터)를 포함하는 이차전지는 상대적으로 높은 작동온도 범위를 지녀야 하며, 지속적으로 고율 충방전 상태로 사용될 때 온도가 상승되므로, 이들 전지에 사용되는 분리막은 보통의 분리막에서 요구되는 것보다도 높은 내열성과 열 안정성이 요구되고 있다. 또한, 급속 충방전 및 저온에 대응할 수 있는 높은 이온전도도 등 우수한 전지특성을 지녀야 한다.Secondary batteries, including high energy density and large capacity lithium ion secondary cells, lithium ion polymer batteries, and super capacitors (electric double layer capacitors and similar capacitors), must have a relatively high operating temperature range and should be continuously used at high rate charge and discharge The separator used in these cells is required to have higher heat resistance and thermal stability than those required in ordinary separators. In addition, it should have excellent cell characteristics such as rapid charge / discharge and high ion conductivity capable of coping with low temperature.

분리막은 전지의 양극과 음극 사이에 위치하여 절연을 시키며, 전해액을 유지시켜 이온전도의 통로를 제공하며, 전지의 온도가 지나치게 높아지면 전류를 차단하기 위하여 분리막의 일부가 용융되어 기공을 막는 폐쇄기능을 갖고 있다.The separator is disposed between the anode and the cathode of the battery to insulate the electrolyte and maintain the electrolyte to provide a path for ion conduction. When the temperature of the battery becomes excessively high, a part of the separator melts to block the current, Lt; / RTI >

온도가 더 올라가 분리막이 용융되면 큰 홀이 생겨 양극과 음극 사이에 단락이 발생된다. 이 온도를 단락온도(SHORT CIRCUIT TEMPERATURE)라 하는데, 일반적으로 분리막은 낮은 폐쇄(SHUTDOWN) 온도와 보다 높은 단락온도를 가져야 한다. 폴리에틸렌 분리막의 경우 전지의 이상 발열시 150℃이상에서 수축하여 전극 부위가 드러나게 되어 단락이 유발될 가능성이 있다. 그러므로, 고에너지 밀도화, 대형화 이차전지를 위하여 폐쇄기능과 내열성을 모두 갖는 것이 매우 중요하다.When the temperature rises further and the separator melts, a large hole is formed and a short circuit occurs between the anode and the cathode. This temperature is called SHORT CIRCUIT TEMPERATURE. In general, the separator should have a lower SHUTDOWN temperature and a higher short-circuit temperature. In the case of the polyethylene separator, when the battery is overheated, it contracts at 150 ° C. or higher to expose the electrode part, which may cause a short circuit. Therefore, it is very important to have both a closing function and a heat resistance for a high energy density, large-sized secondary battery.

즉, 내열성이 우수하여 열 수축이 작고, 높은 이온전도도에 따른 우수한 싸이클 성능을 갖는 분리막이 필요하다.That is, there is a need for a separation membrane having excellent heat resistance, small heat shrinkage, and excellent cycle performance in accordance with high ion conductivity.

다공성 나노섬유는 표면적이 넓고 다공성이 우수하기 때문에 다양한 용도로 이용할 수 있는데, 예를 들면, 정수용 필터, 공기 정화용 필터, 복합재료, 및 전지용 분리막 등에 이용할 수 있다. 특히, 이러한 다공성 나노섬유는 자동차용 연료전지의 분리막에 유용하게 적용할 수 있다. The porous nanofiber can be used for various purposes because it has a wide surface area and excellent porosity. For example, it can be used for a water purification filter, an air purification filter, a composite material, and a separator for a battery. In particular, such porous nanofibers can be usefully applied to the separator of a fuel cell for automobiles.

기존의 폴리올레핀 분리막과 액체전해액을 사용하는 리튬이온 이차전지나 겔 고분자전해질막이나 폴리올레핀 분리막에 겔 코팅한 고분자 전해질을 사용하는 기존의 리튬이온 고분자전지는 내열성 측면에서 고에너지 밀도 및 고용량 전지에 이용하기에는 매우 부족하다. 그러므로 자동차용과 같은 고용량, 대면적 전지에서 요구되는 내열성 및 안전성을 만족하지 못하고 있다.Conventional lithium ion polymer batteries using a conventional polyolefin separator and a liquid electrolyte such as a lithium ion secondary battery or a gel polymer electrolyte membrane or a polymer electrolyte gel coated on a polyolefin separator have a high energy density and a very high Lack. Therefore, it does not satisfy the heat resistance and safety required in a high capacity, large area battery such as automobile.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 미국공개특허 2006-0019154호에서는 폴리올레핀계 분리막을 융점이 180℃이상인 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드 용액에 함침시킨 후, 응고액에 침지하여 용매를 추출하여 다공성 내열성 수지 박층을 접착시킨 내열성 폴리올레핀 분리막을 제시하였으며, 열 수축이 작고 우수한 내열성과 우수한 싸이클 성능을 주장하고 있다. 용매추출을 통해 내열성 박층은 다공성을 부여하고 사용되는 폴리올레핀 분리막도 통기도(AIR PERMEABILITY)가 200초/분 이하인 것을 사용하는 것으로 제한하고 있다.In order to solve this problem, US Patent Publication No. 2006-0019154 discloses that a polyolefin-based separator is impregnated with a polyamide, polyimide, polyamideimide solution having a melting point of 180 ° C. or higher, and then immersed in a coagulation solution to extract a solvent to obtain porous heat resistance. A heat-resistant polyolefin separator in which a thin resin layer is bonded is proposed, and the heat shrinkage is small, and the heat resistance and excellent cycle performance are claimed. The heat-resistant thin layer is made porous through solvent extraction and the polyolefin separator used is limited to the use of an AIR PERMEABILITY of 200 sec / min or less.

일본 공개특허 2005-209570호에서도 고에너지 밀도화 및 대형화시 충분한 안전성을 확보하기 위하여, 200℃이상의 용융점을 지닌 방향족 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리에테르설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드 등의 내열성 수지 용액을 폴리올레핀 분리막의 양면에 도포하고 이를 응고액에 침지, 수세, 건조하여 내열성 수지가 접착된 폴리올레핀 분리막을 제시하였다. 이온전도도의 저하를 줄이기 위하여 다공성 부여를 위한 상분리제가 내열성 수지 용액에 함유되고 내열성 수지층도 0.5-6.0g/㎡로 제한하였다.In Japanese Patent Laid-Open No. 2005-209570, heat-resistant resins such as aromatic polyamides, polyimides, polyethersulfones, polyetherketones, and polyetherimides having a melting point of 200 ° C. or higher in order to ensure sufficient safety at high energy density and size increase The solution was applied to both sides of the polyolefin separator and immersed in a coagulating solution, washed with water and dried to give a polyolefin separator to which a heat resistant resin was adhered. In order to reduce the deterioration of ionic conductivity, a phase separator for providing porosity is contained in the heat resistant resin solution and the heat resistant resin layer is limited to 0.5-6.0 g / m 2.

그러나, 내열성 수지의 침지는 폴리올레핀 분리막의 기공을 막아 리튬이온의 이동을 제한하므로 충방전 특성의 저하가 일어나게 되어 내열성을 확보하였다 하더라도 자동차용과 같은 대용량 전지에서 요구되는 용량에는 못 미치고 있다. 또한, 내열성 수지의 침지로 인해 폴리올레핀 다공막의 기공구조가 막히지 않는다 하더라도, 보편적으로 사용되는 폴리올레핀 분리막의 기공도는 40% 정도이고 기공크기 또한 수십 nm 크기이므로 대용량 전지를 위한 이온전도도에 한계가 있다.However, the immersion of the heat resistant resin prevents the movement of lithium ions by blocking the pores of the polyolefin separation membrane, so that the charge and discharge characteristics are lowered, so that even if the heat resistance is secured, it is less than the capacity required for a large capacity battery such as an automobile. Even if the pore structure of the polyolefin porous membrane is not clogged due to the immersion of the heat resistant resin, the porosity of the polyolefin separator generally used is about 40%, and the pore size is also several tens of nanometers, which limits the ion conductivity for a large capacity battery .

미국특허 6,447,958B1호에서는 세라믹 분말과 내열성 질소함유 방향족 고분자를 유기용매에 용해 및 분산시킨 슬러리를 지지체인 폴리올레핀, 레이온, 비닐론, 폴리에스터, 아크릴, 폴리스틸렌, 나일론 등의 다공성 직포, 부직포, 종이, 다공성 필름 등에 코팅한 후 용매를 제거하여 내열성 분리막을 제조하는 것으로 주장하고 있으나, 내열성 고분자 층을 도입 공정에 있어, 내열성 수지의 도포 및 응고액에 침지, 수세, 건조를 포함하는 다공성 내열수지층 제조 공정이 매우 복잡하고 비용이 크게 증대되는 문제가 있다.US Patent No. 6,447,958B1 discloses a slurry obtained by dissolving and dispersing a ceramic powder and a heat-resistant nitrogen-containing aromatic polymer in an organic solvent. Although it is claimed to manufacture a heat resistant separator by coating a film or the like and removing the solvent, the heat resistant polymer layer is introduced in the process of introducing a heat resistant polymer layer, and a process of preparing a porous heat resistant resin layer including application of the heat resistant resin and immersion in a coagulating solution, washing with water, and drying. This is a very complicated and costly problem.

일본공개특허 2001-222988 및 2006-59717호에서는 융점이 150℃이상인 폴리아라미드, 폴리이미드의 직포, 부직포, 천, 다공성 필름 등에 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에테르, 폴리비닐리덴 같은 고분자의 겔 전해질에 함침하거나 도포하여 내열성 전해질막을 제조하고 있다. 그러나, 이 경우도 요구되는 내열성은 만족할지 모르지만, 이온전도 측면에서는 지지체나 내열성 방향족 고분자 층에서의 이온이동은 기존의 리튬이온 전지의 분리막이나 겔 전해질의 경우와 비슷하게 여전히 제한을 받고 있다.Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-222988 and 2006-59717 disclose gel electrolytes of polymers such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyether and polyvinylidene in polyaramid, polyimide woven fabric, nonwoven fabric, cloth and porous film having a melting point of 150 ° C. or higher. It is impregnated or apply | coated to and manufactures a heat resistant electrolyte membrane. However, even in this case, the required heat resistance may be satisfied, but the ion transport in the support or the heat-resistant aromatic polymer layer is still limited in terms of ion conduction, similar to that of a separator or a gel electrolyte of a conventional lithium ion battery.

현재 사용되고 있는 연료전지용 분리막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(나피온, Nafion, 상품명)(이하 '나피온 수지'라 한다)가 있다. 그러나, 나피온 수지는 기계적 강도가 약하여 장시간 사용하면 핀홀이 발생하고 그로 인해 에너지 전환효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 보강하기 위해서 나피온 수지의 막두께를 증가시켜 사용하는 시도가 있지만, 이 경우는 저항손실이 증가되고 또한 고가의 재료를 사용함에 따라 경제성이 떨어지는 문제가 있다.As a separator for a fuel cell currently in use, there is a perfluorosulfonic acid resin (Nafion, trade name) (hereinafter referred to as "Nafion resin") as a fluororesin. However, since the Nafion resin has a low mechanical strength, pinholes are generated when the Nafion resin is used for a long period of time, thereby deteriorating energy conversion efficiency. There is an attempt to increase the film thickness of the Nafion resin to reinforce the mechanical strength. However, in this case, there is a problem that the resistance loss is increased and the economical efficiency is lowered due to the use of the expensive material.

따라서, 상기 종래의 특허기술에서는 여전히 내열성과 이온전도성을 동시에 충족하지는 못하며, 분리막의 폐쇄기능(SHUTDOWN FUNCTION)에 관하여는 언급이 없고, 내열성과 급속 충방전과 같은 가혹조건 하에서 우수한 성능이 요구되는 자동차용 등과 같은 고에너지 밀도 및 대용량 전지에는 아직 만족스럽지 못하다.Therefore, the above-mentioned conventional patented techniques still do not satisfy the heat resistance and the ionic conductivity at the same time, and there is no mention of the shutdown function of the separator, High energy densities and large capacity batteries, such as batteries, are still unsatisfactory.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2가지 종류의 내열성 고분자를 사용하여 나노섬유를 제조함으로써 열적 안정성을 향상시킬 수 있는 분리막 제조방법과 그에 따라 제조된 분리막을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for preparing a membrane and a separator prepared according to the present invention, which can improve thermal stability by manufacturing nanofibers using two types of heat resistant polymers.

본 발명은 전기방사장치의 노즐이 구비되는 노즐 블록이 수평방향을 향하여 2개의 구간으로 구획되고, 각각의 구획된 구간에 고분자를 공급하는 제 1 공급장치, 제 2 공급장치로 구비되어 컬렉터 상에 고분자를 방사하는 분리막의 제조 방법에 있어서, 상기 전기방사장치의 제 1 공급장치에 내열성 고분자 폴리아크릴로니크릴을 유기용매에 용해시켜 제조한 용액을 컬렉터 상에 전기방사하여 폴리아크릴로니크릴 나노섬유를 형성하는 단계; 상기 전기방사장치의 제 2 공급장치에 또 다른 내열성 고분자 메타아라미드를 유기 용매에 용해시켜 제조한 용액을 상기 폴리아크릴로니크릴 나노섬유 상에 방사하여 메타아라미드 나노섬유를 적층하는 단계;를 포함하는 이차전지용 2층 분리막의 제조방법으로 제조된, 폴리아크릴로니트릴/메타아라미드 나노섬유를 포함하여 이루어지는 이차전지용 2층 분리막에 관한 것이다.The present invention is a nozzle block having a nozzle of the electrospinning device is divided into two sections facing the horizontal direction, provided with a first supply device, a second supply device for supplying a polymer to each partitioned section on the collector In the method for producing a membrane for spinning a polymer, a solution prepared by dissolving a heat-resistant polymer polyacrylonitrile in an organic solvent in the first supply device of the electrospinning apparatus is electrospun onto a collector to obtain polyacrylonitrile nanofibers. Forming; Spinning a solution prepared by dissolving another heat-resistant polymer metaaramid in an organic solvent in the second supply device of the electrospinning apparatus on the polyacrylonitrile nanofibers to stack the metaaramid nanofibers; The present invention relates to a two-layer separator for secondary batteries comprising polyacrylonitrile / metharamid nanofibers produced by a method for producing a two-layer separator for batteries.

또 다른 발명으로는 전기방사장치의 노즐이 구비되는 노즐 블록이 수평방향을 향하여 2개의 구간으로 구획되고, 각각의 구획된 구간에 고분자를 공급하는 제 1 공급장치, 제 2 공급장치로 구비되어 컬렉터 상에 고분자를 방사하는 분리막의 제조 방법에 있어서, 상기 전기방사장치의 제 1 공급장치에 내열성 고분자 폴리이미드 전구체를 유기용매에 용해시켜 제조한 용액을 컬렉터 상에 전기방사하여 폴리이미드 전구체 나노섬유를 형성하는 단계; 상기 전기방사장치의 제 2 공급장치에 또 다른 내열성 고분자 메타아라미드를 유기 용매에 용해시켜 제조한 용액을 상기 폴리이미드 전구체 나노섬유 상에 방사하여 메타아라미드 나노섬유를 적층하는 단계; 상기 적층된 전기방사를 가열하여 폴리이미드 전구체 나노섬유를 이미드화 시켜서 폴리이미드 나노섬유를 제조하는 단계를 포함하는 이차전지용 2층 분리막의 제조방법으로 폴리이미드 전구체로는 폴리아믹애시드를 사용하여, 폴리이미드/메타아라미드 나노섬유를 포함하여 이루어지는 이차전지용 2층 분리막을 제조하는 것이다.In still another aspect of the present invention, a nozzle block including a nozzle of an electrospinning apparatus is divided into two sections in a horizontal direction, and is provided as a first supply device and a second supply device for supplying a polymer to each partitioned section. In the method for producing a membrane for spinning a polymer on the phase, a solution prepared by dissolving a heat-resistant polymer polyimide precursor in an organic solvent in the first supply device of the electrospinning apparatus is electrospun onto a collector to form a polyimide precursor nanofiber Forming; Stacking meta-aramid nanofibers by spinning a solution prepared by dissolving another heat-resistant polymer meta-aramid in an organic solvent in the second supply device of the electrospinning apparatus on the polyimide precursor nanofibers; By heating the laminated electrospinning to imidize the polyimide precursor nanofibers to produce a polyimide nanofibers, a polyimide precursor using a polyamic acid as a polyimide precursor, It is to manufacture a two-layer separator for secondary batteries comprising the mid / meta aramid nanofibers.

본 발명의 내열성이 향상된 이차전지용 2층 분리막은, 전지의 차단 기능을 갖추어 단락 현상을 방지하고 열폭주시에도 전지의 안정성이 우수하며, 젖음성이 향상되어 전기저항이 우수하다. 이와 같은 우수한 물성을 갖는 폴리이미드 또는 폴리아크릴로니트릴 / 메타아라미드 다공성 나노섬유는 경량화, 고효율, 및 고안정성이 요구되는 연료전지용 전해질막 또는 이차전지용 분리막 등에 사용 가능하다.The two-layer separator for secondary batteries having improved heat resistance according to the present invention has a battery blocking function to prevent a short circuit phenomenon, excellent stability of the battery even during thermal runaway, and improved wettability and excellent electrical resistance. Such polyimide or polyacrylonitrile / meta-aramid porous nanofibers having such excellent physical properties can be used for electrolyte membranes for fuel cells or separators for secondary batteries that require lightweight, high efficiency, and high stability.

본 발명의 내열성 고분자인 폴리이미드 또는 폴리아크릴로니트릴와 메타아라미드를 전기방사하여 제 2층 다공성 분리막을 제조하는 방법을 살펴본다.The method for producing a second layer porous separator by electrospinning polyimide or polyacrylonitrile and metaaramid, which are heat resistant polymers of the present invention, will be described.

연료전지용 전해질막은 이온들을 원활하게 이동시키기 위해 이온 전도체를 포함해야 한다. 이러한 이온들이 전해질막을 원활하게 이동하기 위해서는 이온 전도체가 나노섬유 전체에 고르게 채워져야 한다. 그러나, 만일 공극이 너무 작거나 너무 큰 경우 이온 전도체가 편중되어 채워지기 때문에 이온 전도도가 떨어지는 문제가 발생한다. 즉, 나노섬유는 특정 공경을 갖는 공극이 많아야만 이온 전도체가 원활하게 함침될 수 있다. 다시 말하면, 공경이 너무 작을 경우 이온 전도체가 원활하게 함침되지 않을 수 있고, 반면 공경이 너무 클 경우 이온 전도체가 과도하게 함침될 수 있다.The electrolyte membrane for a fuel cell should contain ionic conductors to smoothly transfer ions. In order for these ions to move smoothly through the electrolyte membrane, the ion conductor must be evenly filled throughout the nanofiber. However, if the pore is too small or too large, the ion conductor may become unevenly charged, resulting in a problem that the ion conductivity is lowered. That is, the ion conductor can be impregnated smoothly in the nanofiber only if there are many pores having a specific pore size. In other words, if the pore size is too small, the ion conductor may not be impregnated smoothly, whereas if the pore size is too large, the ion conductor may be excessively impregnated.

본 발명에서는 폴리아믹산(Poly(amic acid), PAA)을 합성하고, 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF)과 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc)의 (THF/DMAc) 혼합용매에 녹여 폴리아믹산 도프(Dope)를 제조하고, 전기방사를 이용한 폴리아믹산 나노섬유 분리막을 제조한 후, 이미드화(Imidization)를 통한 폴리이미드(Polyimide, PI) 나노섬유를 폴리올레핀 기재 위에 제조한 뒤, 상기 PI 나노섬유 상에 무기물입자와 폴리이미드 친화성 고분자 수지를 아세톤에 첨가하여 제조된 슬러리를 캐스팅 방법으로 코팅하여, 무기물 코팅층을 보다 견고하게 부착시킬 수 있어, 내열 안정성 및 분리막의 젖음성을 향상시키고자 한다.In the present invention, a polyamic acid (Poly (amic acid), PAA) is synthesized, and dissolved in a (THF / DMAc) mixed solvent of tetrahydrofuran (Tetrahydrofuran, THF) and dimethylacetamide (DMAc) polyamic acid dope (Dope) ), A polyamic acid nanofiber separator using electrospinning, and then a polyimide (PI) nanofiber through imidization is prepared on a polyolefin substrate, followed by inorganic material on the PI nanofiber. The slurry prepared by adding the particles and the polyimide affinity polymer resin to acetone may be coated by a casting method to more firmly attach the inorganic coating layer, thereby improving heat resistance and wettability of the separator.

상기 PI는 2단계 반응에 의해 제조된다.The PI is prepared by a two-step reaction.

제 1단계는 폴리아믹산의 제조단계로서, 폴리아믹산는 다이아민(Diamine)이 용해된 반응용액에 디안하이드라이드(Dianhydride)를 첨가하여 진행되며, 중합도를 높이기 위해서는 반응온도, 용매의 수분 함유량 및 단량체의 순도 조절 등이 요구된다. 이 단계에서 사용되는 용매로는 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF) 및 엔-메틸-2-피롤리돈(NMP)의 유기 극성 용매가 주로 사용된다. 상기 무수물로는 피로메릴틱디안하이드라이드(Pyromellyrtic dianhydride, PMDA), 벤조페논테트라카복시디안하이드라이드(Benzophenonetetracarboxylicdianhydride, BTDA), 4,4'-옥시디프탈릭안하이드라이드(4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 바이페닐테트라카복실릭디안하이드라이드(biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA) 및 비스(3,4'-디카복시페닐)디메틸실란디안하이드라이드(bis (3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride, SIDA) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 디아민으로는 4,4'-옥시디아닐린(4,4'-oxydianiline, ODA), 파라페닐렌디아민(p-penylene diamine, p-PDA) 및 오르쏘페닐렌디아민(o-penylenediamine, o-PDA) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
In the first step, polyamic acid is prepared by adding dianhydride to a reaction solution in which diamine is dissolved. In order to increase the degree of polymerization, the reaction temperature, the water content of the solvent, And purity control. As the solvent used in this step, organic polar solvents such as dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) and en-methyl-2-pyrrolidone (NMP) are mainly used. Examples of the anhydride include pyromellitic dianhydride (PMDA), benzophenonetetracarboxylic dianhydride (BTDA), 4,4'-oxydiphthalic anhydride (4,4'-oxydiphthalic anhydride) ODPA), biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA), and bis (3,4'-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride (SIDA). One can be used. Examples of the diamine include 4,4'-oxydianiline (ODA), p-penylene diamine (p-PDA) and o-penylenediamine o-PDA) may be used.

Figure 112013021983135-pat00001
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반응식 1. 폴리아믹산의 제조
Reaction 1. Preparation of polyamic acid

제 2단계는 폴리아믹산로부터 폴리이미드를 제조하는 탈수, 폐환 반응 단계로서 다음의 4가지 방법이 대표적이다.The second step is the dehydration and ring-closing reaction step of producing polyimide from polyamic acid as the following four methods.

재침법은 과량의 빈용매(Poor solvent)에 폴리아믹산 용액을 투입하여 고체상의 폴리아믹산를 얻는 방법으로, 재침 용매로는 주로 물을 이용하지만, 톨루엔 또는 에테르 등을 공용매로 사용한다.In the re-impregnation method, a polyamic acid solution is added to an excessive amount of a poor solvent to obtain a solid polyamic acid. As the re-precipitation solvent, water is mainly used, but toluene or ether is used as a co-solvent.

화학적 이미드화법은 아세틱안하이드라이드/피리딘(Acetic anhydride/pyridine) 등의 탈수 촉매를 이용하여 화학적으로 이미드화 반응을 수행하는 방법으로, 폴리이미드 필름의 제조에 유용하다.The chemical imidization method is a method in which a imidization reaction is chemically performed using a dehydration catalyst such as acetic anhydride / pyridine, and is useful for producing a polyimide film.

열적 이미드화 방법은 폴리아믹산용액을 150~200℃로 가열하여 열적으로 이미드화하는 방법으로, 가장 간단한 공정이나 결정화도가 높고, 아민계 용제를 사용할 시 아민교환반응이 일어나기 때문에 중합체가 분해되는 단점이 있다.The thermal imidization method is a method of thermally imidating a polyamic acid solution by heating it to 150 to 200 ° C., which is the simplest process or has a high degree of crystallinity, and has a disadvantage in that the polymer is decomposed because an amine exchange reaction occurs when an amine solvent is used. have.

이소시아네이트(Isocyanate)법은 디아민 대신 디이소시아네이트를 단량체로 사용하며, 단량체 혼합물을 120℃이상의 온도로 가열하면 CO2 가스가 발생하면서 PI가 제조되는 방법이다.Isocyanate method uses diisocyanate as monomer instead of diamine, and when the monomer mixture is heated to a temperature above 120 ° C., CO 2 gas is generated and PI is produced.

Figure 112013021983135-pat00002
Figure 112013021983135-pat00002

반응식 2. 폴리이미드의 제조
Reaction formula 2. Preparation of polyimide

전기방사 장치는 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액 정량 공급을 위한 계량펌프, 다수개의 핀으로 구성되는 다중관형노즐이 블록형태로 조합되어 있으며 방사액을 섬유상으로 토출하는 노즐블록, 상기 노즐블록에 대응하는 위치에서 방사되는 단섬유들을 집적하는 컬렉터, 고전압을 발생시키는 전압 발생장치 및 노즐 블록의 최상부에 연결된 방사 용액 배출 장치 등으로 구성된다.The electrospinning device includes a spinning liquid main tank for storing a spinning solution, a metering pump for supplying a spinning solution in a fixed amount, a nozzle block for combining a plurality of tubular nozzles composed of a plurality of pins in block form and discharging the spinning solution in a fiber form, A collector for accumulating short fibers emitted at a position corresponding to the nozzle block, a voltage generating device for generating a high voltage, and a spinning solution discharging device connected to the top of the nozzle block.

상기 본 발명의 폴리이미드를 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 방법은 다음의 과정을 통하여 이루어진다.The method of preparing the nanofibers by electrospinning the polyimide of the present invention is performed through the following process.

우선 폴리이미드(Polyimide)를 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF)/디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc) 혼합용매(THF/DMAc)에 용해시킨 방사용액을 제조하고, 방사용액 주탱크 내에 상기 폴리이미드 방사액을 보관, 별도의 계량펌프로 계량하여 정량씩 방사용액 드롭장치로 공급한다.First, a spinning solution in which polyimide is dissolved in tetrahydrofuran (THF) / dimethylacetamide (DMAc) mixed solvent (THF / DMAc) is prepared, and the polyimide spinning solution in the spinning solution main tank is prepared. This is stored, weighed with a separate metering pump, and supplied to the spinning solution dropping device one by one.

또 다른 1 구간에서 사용되는 폴리아크릴로니트릴은 주로 사용되는 용매로는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc)로 용해시킨 방사용액을 제조한다. Polyacrylonitrile used in another section is prepared a spinning solution dissolved in dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc) as a solvent mainly used.

폴리아크릴로니트릴 수지는 대부분을 구성하는 아크릴로니트릴과 단위체의 혼합물로부터 만들어지는 공중합체이다. 자주 들어가는 다른 단위체는 부타디엔스티렌염화비닐리덴, 또는 다른 비닐 화합물 등이다. 물론 같은 아크릴 섬유는 최소한 85%의 아크릴로니트릴을, 모드아크릴은 35~85%의 아크릴로니트릴을 포함하고 있다. 다른 단위체가 포함되면 섬유는 염료에 대한 친화력이 증가하는 등의 원하는 성질이다. 더 자세하게는 아크릴로니크릴계 공중합체 및 방사용액을 제조하는 데에 있어서, 아크릴로니트릴계 공중합체를 사용하여 제조하는 경우, 전기방사법으로 극세섬유를 제조하는 과정에서 노즐오염이 적고 전기방사성이 우수하여 용매에 대한 용해도를 증가시킴과 동시에 보다 좋은 기계적 물성을 부여할 수 있다.Polyacrylonitrile resins are copolymers made from a mixture of acrylonitrile and monomers that make up the majority. Other monomers that are frequently incorporated are butadiene styrene, vinylidene chloride, or other vinyl compounds. Of course, the same acrylic fiber contains at least 85% acrylonitrile, and mode acrylic contains 35-85% acrylonitrile. If other monomers are involved, the fiber is a desired property, such as increased affinity for the dye. More specifically, in the production of acrylonitrile-based copolymers and spinning solutions, in the case of using acrylonitrile-based copolymers, there is little nozzle contamination and excellent electrospinning properties in the process of producing ultrafine fibers by electrospinning. By increasing the solubility in the solvent and at the same time can be given better mechanical properties.

폴리아크릴로니트릴의 중합도는 1,000 내지 1,000,000이며, 바람직하게는 2,000 내지 1,000,000인 것을 특징으로 한다. 중합도가 너무 낮으면 카보네이트계 전해액에 용해되거나 팽윤되어 사이클이 진행될수록 집전체로부터 전극의 탈리를 유발시켜 전지의 효율이 낮아지는 경향이 있으며, 중합도가 너무 높으면 음극내의 전기저항이 높아지며, 전극 혼합물의 점도를 상승시켜 다루기 어려운 단점이 있다.The polymerization degree of the polyacrylonitrile is 1,000 to 1,000,000, preferably 2,000 to 1,000,000. If the degree of polymerization is too low, the efficiency of the battery tends to decrease due to the dissociation of the electrode from the current collector as the cycle is progressed as the electrolyte dissolves or swells in the carbonate electrolyte. If the degree of polymerization is too high, There is a disadvantage that it is difficult to handle by increasing the viscosity.

아크릴로니트릴 단량체, 소수성 단량체 및 친수성 단량체의 사용량을 만족시키는 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 고분자 중합 시 아크릴로니트릴 단랑체의 중량%는 친수성 단량체의 중량%와 소수성 단량체의 중량%를 3:4 비율로 하여 전체 단량체에서 뺀 값이 60보다 적을 경우 전기방사하기에 점도가 너무 낮으며 여기에 가교제를 투입하더라도 노즐오염의 유발은 물론 전기방사 시 안정적인 젯(JET)형성이 어렵다. 또한 99이상일 경우 방사점도가 너무 높아 방사가 어렵고 여기에 점도를 낮출 수 있는 첨가제를 투입하더라도 극세섬유의 직경이 굵어지고 전기방사의 생산성이 너무 낮아 본 발명의 목적을 달성할 수 없다. 또한, 아크릴계 고분자에서 공단량체의 양이 많이 투입될수록 가교제의 양도 많이 투입되어야만 전기방사의 안정성이 확보되고 나노섬유의 기계적물성 저하를 방지할 수 있다.It is preferable to use it in a range that satisfies the usage amount of the acrylonitrile monomer, the hydrophobic monomer and the hydrophilic monomer. The weight percent of acrylonitrile monomer in the polymerization of polymer is 3: 4 ratio of hydrophilic monomer and hydrophobic monomer in a ratio of 4: 4, and when the total monomer is less than 60, the viscosity is too low for electrospinning. Even if the crosslinking agent is added to the nozzle, it is difficult not only to cause nozzle contamination but also to form a stable jet during electrospinning. If the ratio is more than 99, the spinning viscosity is too high to spin, and even if an additive capable of lowering the viscosity is added, the diameter of the microfine fibers becomes too large and the productivity of electrospray is too low to achieve the object of the present invention. In addition, as the amount of the comonomer in the acrylic polymer is increased, the amount of the crosslinking agent should be added to ensure the stability of electrospinning and to prevent the mechanical properties of the nanofibers from deteriorating.

상기 소수성 단량체는 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 비닐아세테이트, 비닐피롤리돈, 비닐리덴클로라이드, 비닐클로라이드 등의 에틸렌계 화합물 및 그의 유도체에서 선택되는 어느 하나이상을 사용하는 것이 바람직하다.The hydrophobic monomer is an ethylene compound such as methyl acrylate, ethyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, vinyl acetate, vinylpyrrolidone, vinylidene chloride, vinyl chloride and derivatives thereof. It is preferable to use any one or more selected.

상기 친수성 단량체는 아크릴산, 알릴알콜, 메타알릴알콜, 하이드록시 에틸 아크릴레이트, 하이드록시 에틸메타크릴레이트, 하이드록시프로필 아크릴레이트, 부탄디올모노아크릴레이트, 디메틸아미노에틸아크릴레이트, 부텐트리카르복실산, 비닐술폰산, 알릴술폰산, 메탈릴술폰산, 파라스티렌술폰산 등의 에틸렌계 화합물 및 다가산 또는 그들의 유도체에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.The hydrophilic monomers are acrylic acid, allyl alcohol, metaallyl alcohol, hydroxy ethyl acrylate, hydroxy ethyl methacrylate, hydroxypropyl acrylate, butanediol monoacrylate, dimethylaminoethyl acrylate, butene tricarboxylic acid, vinyl It is preferable to use any one or more selected from ethylene-based compounds such as sulfonic acid, allylsulfonic acid, metalylsulfonic acid, parastyrenesulfonic acid, and polyhydric acids or derivatives thereof.

아크릴로니트릴계 고분자를 제조하기 위하여 사용하는 개시제로는 아조계 화합물 또는 설페이트 화합물을 사용해도 큰 지장은 없으나 일반적으로 산화환원 반응에 이용되는 라디칼 개시제를 사용하는 것이 좋다. As an initiator used to prepare the acrylonitrile-based polymer, even if an azo compound or a sulfate compound is used, there is no big problem, but in general, a radical initiator used for a redox reaction may be used.

상기 메타아라미드의 비중은 1.3 내지 1.4인 것을 특징으로 하며 중량평균 분자량이 300,000 내지 1,000,000인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 중량평균분자량은 3,000 내지 500,000이다. 메타-배향된 합성 방향족 폴리아미드를 포함한다. 중합체는 섬유-형성 분자량을 가져야 하며, 주로 방향족인 폴리아미드 단일중합체, 공중합체 및 그 혼합물을 포함할 수 있으며, 여기서 아미드(-CONH-) 결합의 적어도 85%는 2개의 방향족 고리에 직접 부착된다. 고리는 비치환되거나 치환될 수 있다. 중합체는 2개의 고리 또는 라디칼이 분자 쇄를 따라 서로에 대하여 메타 배향될 때 메타-아라미드가 된다. 바람직하게는, 공중합체는 중합체를 형성하는 데 사용된 일차 다이아민을 치환한 10% 이하의 다른 다이아민, 또는 중합체를 형성하는 데 사용된 일차 이산(diacid) 클로라이드를 치환한 10% 이하의 다른 이산 클로라이드를 가진다. 바람직한 메타-아라미드는 폴리(메타-페닐렌 아이소프탈아미드)(MPD-I) 및 그 공중합체이다. 하나의 그러한 메타-아라미드 섬유는 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E. I. du Pont de Nemours and Company)로부터 입수가능한 노멕스(Nomex)(등록상표) 아라미드 섬유이지만, 메타-아라미드 섬유는 일본 도쿄 소재의 테이진 리미티드(Teijin Ltd.)로부터 입수가능한 상표명 테이진코넥스(Tejinconex)(등록상표); 중국 산동성 소재의 얀타이 스판덱스 컴퍼니 리미티드(Yantai Spandex Co. Ltd)로부터 입수가능한 뉴 스타(New Star)(등록상표) 메타-아라미드; 및 중국 광동의 신후이 소재의 광동 차밍 케미칼 컴퍼니 리미티드(Guangdong Charming Chemical Co. Ltd.)로부터 입수가능한 친퍼넥스(Chinfunex)(등록상표) 아라미드 1313으로 다양한 스타일로 입수가능하다.The specific gravity of the meta-aramid is 1.3 to 1.4, and the weight average molecular weight is preferably 300,000 to 1,000,000. Most preferred weight average molecular weight is from 3,000 to 500,000. Meta-oriented synthetic aromatic polyamides. The polymer should have a fiber-forming molecular weight and can include polyamide homopolymers, copolymers, and mixtures thereof, which are primarily aromatic, wherein at least 85% of the amide (-CONH-) bonds are attached directly to the two aromatic rings . The ring may be unsubstituted or substituted. The polymer becomes meta-aramid when two rings or radicals are meta-oriented relative to each other along the molecular chain. Preferably, the copolymer contains up to 10% other diamines substituted for the primary diamine used to form the polymer, or up to 10% other diacids substituted for the primary diacid chloride used to form the polymer It has a diacid chloride. Preferred meta-aramids are poly (meth-phenylene isophthalamide) (MPD-I) and copolymers thereof. One such meta-aramid fiber is Lee. Wilmington, Delaware, USA. children. Nomex® aramid fiber available from EI du Pont de Nemours and Company, while meta-aramid fiber is available from Teijin Ltd. of Tokyo, Japan. Possible trade names Tejinconex®; New Star (TM) meta-aramid available from Yantai Spandex Co. Ltd, Shandong, China; And Chinfunex (registered trademark) Aramid 1313, available from Guangdong Charming Chemical Co., Ltd., Shinduo, Guangdong, China.

상기 유기 용매는 고분자를 충분히 용해할 수 있고, 전하유도 방사법에 적용 가능한 용매이면 특별히 제한되지 아니할 뿐만 아니라, 전하유도 방사법에 의해 다공성 고분자 분리막을 제조할 때, 유기용매는 거의 제거되기 때문에 전지의 특성에 영향을 미치는 것도 사용될 수 있다. 예를 들어 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 1,4-부티로락톤, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 디메틸설폭사이드, 에틸렌카보네이트, 에틸메틸카보네이트, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 폴리에틸렌설포란, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 아세톤, 알코올 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF) 또는 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)를 사용하는 것이 바람직하다.The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer sufficiently and is a solvent applicable to the charge induction spinning method, and when the porous polymer separator is prepared by the charge induction spinning method, the organic solvent is almost removed. Affecting may also be used. For example, propylene carbonate, butylene carbonate, 1,4-butyrolactone, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, dimethyl sulfoxide, Ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, polyethylene sulfolane, tetraethylene glycol dimethyl ether, acetone, alcohol or mixtures thereof Any one or more of them may be selected and used, and more preferably dimethylformamide (Dimethylformamide, DMF) or dimethylacetamide (Dimethylacetamide, DMAc) is used.

메타아라미드는 최초의 고내열성 아라미드 섬유로서, 단시간내에는 350℃, 연속 사용시에는 210℃에서 사용이 가능하며, 이 이상의 온도에 노출되면 다른 섬유와 같이 녹거나 연소되지 않고 탄화되는 성질을 가지고 있다. 무엇보다 방염이나 내화처리를 한 다른 제품들과는 달리, 탄화시에도 유독가스나 유해물질을 배출하지 않아 친환경 섬유로도 우수한 성질을 지니고 있다.The meta-aramid is the first highly heat-resistant aramid fiber that can be used at 350 ° C for a short time and 210 ° C for continuous use. When exposed to temperatures above this temperature, it is carbonized without melting or burning like other fibers. Above all, unlike other products that are flame retarded or refractory treated, they do not emit toxic gases or harmful substances even when carbonized, and thus they have excellent properties as eco-friendly fibers.

또한 메타아라미드는 섬유를 구성하는 분자 자체가 매우 견고한 분자구조를 가지고 있기 때문에, 본래 가지고 있는 강도가 강할 뿐만 아니라 방사단계에서 섬유 축방향으로 분자가 쉽게 배향되어 결정성을 향상시켜 섬유의 강도를 높일 수 있다. In addition, since meta-aramid has a very strong molecular structure, the molecules constituting the fiber have not only a strong strength inherently, but also easy orientation of molecules in the fiber axial direction during the spinning step, thereby improving crystallinity and increasing the strength of the fiber. Can be.

본 발명에서 사용하는 전기 방사의 장치의 예를 설명하면 다음과 같다. An example of the electrospinning device used in the present invention will be described as follows.

전기방사 장치는 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크와, 방사용액 정량 공급을 위한 계량펌프, 다수개의 핀으로 구성되는 다중관형 노즐이 블록형태로 조합되어 있으며 방사액을 섬유상으로 토출하는 노즐블록, 상기 노즐블록에 대응하는 위치에서 방사되는 단섬유들을 집적하는 컬렉터, 고전압을 발생시키는 전압 발생장치, 그리고 상기 계량펌프와 노즐블록 사이에 구간 별로 방사액을 공급하는 제 1 및 2의 공급장치로 구성된다.Electrospinning apparatus is a combination of a spinning solution main tank for storing spinning solution, a metering pump for spinning solution quantitative supply, a multi-tubular nozzle consisting of a plurality of pins in a block form, the nozzle block for discharging the spinning solution in the form of fibers, A collector for integrating short fibers radiated at a position corresponding to the nozzle block, a voltage generator for generating a high voltage, and first and second supply devices for supplying spinning liquid for each section between the metering pump and the nozzle block. do.

본 발명의 전기 방사의 방사용액을 보관하는 제 1 및 제 2 주탱크에는 상기 폴리이미드 또는 폴리아크릴로니트릴와 메타아라미드 방사액을 각각 보관하며, 상기 제 1 및 2 공급장치는 전체적으로 밀폐된 원통의 형상을 갖도록 설계되어 방사액 주탱크로부터 연속적으로 주입되는 방사용액을 구간 별로 각각 공급하는 역할을 한다. 노즐블록을 2개구간으로 구획하고 각각의 구간에 제 1 및 2의 공급장치를 구비하여 방사액은 각각 제 1 공급장치에는 폴리이미드 또는 폴리아크릴로니트릴, 제 2에는 메타아라미드 고분자가 용매에 용해된 용액을 사용한다. 상기 노즐블럭에서 구획된 구간의 길이는 분리막을 구성하는 각각의 층의 두께에 따라 조절이 가능하다. The polyimide or polyacrylonitrile and metaaramid spinning solution are respectively stored in the first and second main tanks for storing the spinning solution of the electrospinning of the present invention, and the first and second supply devices have a cylindrical shape as a whole. It is designed to have a function to supply the spinning solution continuously injected from the spinning main tank by section. The nozzle block is divided into two sections, and each section is provided with the first and second supply devices, and the spinning solution is polyimide or polyacrylonitrile in the first supply device, and the metaaramid polymer is dissolved in the solvent, respectively. The prepared solution. The length of the section defined by the nozzle block can be adjusted according to the thickness of each layer constituting the separation membrane.

다음으로 상기 본 발명의 전기방사장치를 사용하여 2층 분리막을 제조하는 방법을 살펴본다.Next, a method for manufacturing a two-layer separator using the electrospinning apparatus of the present invention will be described.

먼저, 방사액 주탱크 내에 충진된 내열성 고분자인 폴리이미드 또는 폴리아크릴로니트릴와 메타아라미드 고분자 방사액을 계량 펌프로 계량하여 정량씩 공급하되, 제 1 공급장치에는 폴리이미드 또는 폴리아크릴로니트릴를, 제 2 공급장치에는 메타아라미드 고분자 방사액을 공급한다. 그리고 그 다음 상기 노즐블록에서 방사액을 노즐을 통해 높은 전압이 걸려있는 하부의 컬렉터로 토출하여 나노 섬유를 제조하는데, 이때 방사노즐은 일정속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터의 상측에 콜렉터의 진행방향을 따라 일정한 간격을 두고 2열로 배치 되어 있고 , 각 열마다 다수의 방사노즐이 구비되어져 있는 형태이다. First, the polyimide or polyacrylonitrile and the metaaramid polymer spinning liquid, which are heat-resistant polymers filled in the spinning main tank, are metered by a metering pump and supplied in a quantitative manner. The feed device is supplied with metaaramid polymer spinning solution. Then, the nozzle block is discharged from the nozzle block to the collector under the high voltage through the nozzle to manufacture the nanofibers, wherein the spinning nozzle is located on the upper side of the collector-type grounded collector moving at a constant speed. It is arranged in two rows at regular intervals along the direction of travel, and is provided with a plurality of spinning nozzles in each row.

2열 방사노즐로부터 순차적으로 토출되는 고분자 방사용액에 대하여, 자세히 설명하면, 상기 제 1 공급장치에서 폴리이미드 전구체 용액이 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사노즐을 통과하면서 나노섬유로 방출되어, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터 위에 방사되고, 상기 콜렉터 위에 방사된 폴리아라미드 전구체 나노섬유는 제 2구간으로 일정 속도로 이동하여 메타아라미드 나노섬유가 순차적으로 적층되어 2층 나노섬유가 제조된다. 상기 제조된 2층 나노섬유에 가열을 시켜 폴리이미드 전구체 전기방사를 이미드화하여 폴리이미드 나노섬유로 변형하여 폴리이미드/메타아라미드 2층 분리막을 제조한다. The polymer spinning solution sequentially discharged from the two-row spinning nozzle will be described in detail. In the first supply device, the polyimide precursor solution is released into the nanofibers while passing through the spinning nozzle charged by the high voltage generator, and at a constant speed. The polyaramid precursor nanofibers spun on a grounded collector in the form of a moving conveyor, and the polyaramid precursor nanofibers spun on the collector are moved at a constant speed in a second section to sequentially stack the metaaramid nanofibers to produce two-layer nanofibers. The two-layer nanofibers prepared above were heated to imidize the polyimide precursor electrospinning and transformed into polyimide nanofibers to prepare a polyimide / metharamid two-layer separator.

또 다른 2층 분리막 제조로 상기 제 1 공급장치에서 폴리아크릴로니트릴 고분자 방사액이 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사노즐을 통과하면서 나노섬유로 방출되어, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터 위에 방사되고, 상기 콜렉터 위에 방사된 폴리아크릴로니트릴 나노섬유는 제 2구간으로 일정 속도로 이동하여 메타아라미드 나노섬유가 순차적으로 적층되어 2층 분리막을 제조한다.In another two-layer separator, the polyacrylonitrile polymer spinning solution is discharged into the nanofibers while passing through the spinning nozzle charged by the high voltage generator, and moves on a conveyor-type grounded collector moving at a constant speed. The spun and the polyacrylonitrile nanofibers spun on the collector is moved at a constant speed in the second section to sequentially stack the metaaramid nanofibers to prepare a two-layer separator.

이때 접지된 콜렉터는 일방향으로 이동되도록 제어한 후 2층의 분리막을 형성하는 연속 공정이 가능하게 하는데, 본 발명은 이러한 공정을 통하여 분리막의 제조 공정이 단순해지며 생산 속도가 증가하는 효과가 있다. In this case, the grounded collector is controlled to be moved in one direction, thereby enabling a continuous process of forming a separator of two layers. The present invention has the effect of simplifying the manufacturing process of the separator and increasing the production speed through such a process.

그리고, 고분자 막의 두께, 섬유의 직경, 섬유의 형상, 분리막의 기계적 특성 등은 인가되는 전압의 세기, 고분자 용액의 종류, 고분자 용액의 점도, 토출 유량 등과 같은 전기방사 공정 조건을 제어하는 것을 통하여 임의로 조절할 수 있다. The thickness of the polymer membrane, the diameter of the fiber, the shape of the fiber, and the mechanical characteristics of the separation membrane can be arbitrarily controlled by controlling the electrospinning process conditions such as the intensity of the applied voltage, the kind of the polymer solution, the viscosity of the polymer solution, Can be adjusted.

바람직한 전기 방사 공정 조건은 방사용액 공급관으로 이송된 방사용액은 다중관상노즐을 통해 컬렉터로 토출되어 섬유를 형성할 때, 다중관상노즐로부터 전기방사되는 나노섬유는 공기공급용 노즐에서 분사되는 공기에 의해 넓게 퍼지면서 컬렉터상에 포집되어 포집면적이 넓어지고 집적밀도가 균일해진다. 다중관상노즐에서 섬유화되지 못한 과잉 방사용액은 오버플로 제거용 노즐에서 수진된 후, 오버플로액의 임시저장판을 거쳐 방사용액 공급판으로 다시 이동하게 된다. The preferred electrospinning process conditions are that the spinning liquid transferred to the spinning liquid supply tube is discharged to the collector through the multiple tubular nozzles to form fibers, and the nanofibers electrospun from the tubular nozzle are discharged by the air injected from the air supply nozzle It spreads widely and is collected on the collector to widen the collecting area and to make the density of the particles uniform. The excess spinning solution that has not been fiberized in the multi-tubular nozzle is collected in the nozzle for removing the overflow and then moved back to the spinning solution supply plate through the temporary storage plate of the overflow solution.

나노섬유를 제조하고자 할 경우에는 공기공급용 노즐에서 공기의 속도는 0.05m~50m/초, 보다 바람직하기로는 1~30m/초인 것이 좋다. 공기의 속도가 0.05m/초 미만인 경우에는 컬렉터에 포집된 나노섬유 퍼짐성이 낮아서 포집면적이 크게 향상되지 않고, 공기의 속도가 50m/초를 초과하는 경우에는 공기의 속도가 너무 빨라 나노섬유가 컬렉터에 집속되는 면적이 오히려 감소되어, 더욱 심각한 문제는 나노섬유가 아니라 굵은 실타래 형태로 컬렉터에 부착되어 나노섬유의 형성능이 현저하게 저하된다는 심각한 문제가 발생된다.When manufacturing nanofibers, it is preferable that the speed of air in the air supply nozzle is 0.05 m to 50 m / sec, more preferably 1 to 30 m / sec. When the air velocity is less than 0.05 m / sec, the nanofiber spreading property of the collector is low and the collection area is not greatly improved. When the air velocity exceeds 50 m / sec, the air velocity is too fast and the nanofibers are collected. Rather, the area focused on is reduced, so that a more serious problem is that not a nanofiber but a thick thread attached to the collector, causing a serious problem that the formation ability of the nanofiber is significantly reduced.

아울러, 노즐블록 최상부에 과잉 공급된 방사용액은 방사용액 배출장치에 의해 방사용액 주탱크로 강제 이송된다.In addition, the spinning solution which is excessively supplied to the top of the nozzle block is forcibly transferred to the spinning liquid main tank by the spinning solution discharging device.

이때 전기력에 의한 섬유형성을 촉진하기 위하여 노즐블록 하단부에 설치된 도전체판과 컬렉터에는 전압발생장치에서 발생된 1kV 이상, 더욱 좋기로는 20kV 이상의 전압을 걸어준다. 상기 컬렉터로는 앤드레스 (Endless) 벨트를 사용하는 것이 생산성 측면에서 더욱 유리하다. 상기 컬렉터는 나노섬유의 밀도를 균일하게 하기 위하여 좌우로 일정거리를 왕복운동하는 것이 바람직하다.At this time, in order to promote the formation of the fiber by the electric force, a voltage of 1 kV or more, more preferably 20 kV or more, generated by the voltage generator is applied to the conductive plate and collector provided at the lower end of the nozzle block. It is more advantageous in terms of productivity to use an endless belt as the collector. The collector preferably reciprocates a predetermined distance in the left and right directions to uniform the density of the nanofibers.

이와 같이 컬렉터 상에 형성된 나노섬유는 웹 지지로울러를 거쳐서 권취로울러에 권취되면 나노섬유의 제조공정이 완료된다.In this way, the nanofibers formed on the collector are wound on the winding roller via the web support roller to complete the manufacturing process of the nanofibers.

상기 제조장치는 포집면적을 넓혀 나노섬유의 집적 밀도를 균일하게 할 수 있으며, 드롭렛(Droplet) 현상을 효과적으로 방지하여 나노섬유의 품질을 향상시킬 수 있고, 전기력에 의한 섬유형성 효과가 높아져 나노섬유 및 그의 나노섬유를 대량 생산 할 수 있다. 아울러 다수개의 핀으로 구성되는 노즐들을 블록형태로 배열하므로서 부직포 및 필라멘트의 폭 및 두께를 자유롭게 변경, 조절 할 수 있다.The manufacturing apparatus can increase the collecting area to uniform the density of the nanofibers and effectively prevent the droplet phenomenon, thereby improving the quality of the nanofibers and enhancing the fiber-forming effect by the electric force, And nanofibers thereof can be mass-produced. In addition, by arranging the nozzles constituted by a plurality of pins in block form, the width and thickness of the nonwoven fabric and the filament can be freely changed and adjusted.

또한, 상기와 같이 내열성 고분자를 방사하는 경우 고분자 물질에 따라 상이하나 온도 허용범위는 30 내지 40℃ , 습도는 40 내지 70%의 환경조건에서 방사를 하는 것이 가장 바람직하다. In addition, when the heat-resistant polymer is spun as described above, it is most preferable to spin the polymer under environmental conditions of a temperature range of 30 to 40 DEG C and a humidity of 40 to 70% depending on the polymer material.

본 발명에서 2층 분리막을 형성하는 나노섬유의 직경은 30 내지 2000nm인 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 50 내지 1500nm이다. In the present invention, the diameter of the nanofibers forming the two-layer separator is preferably 30 to 2000nm, more preferably 50 to 1500nm.

2층 분리막의 기공도는 40 내지 80%가 바람직하며 섬유의 직경이 작을수록 기공 크기가 작아지며, 기공 크기 분포도 작아진다. 또한, 섬유의 직경이 작을수록 섬유의 비 표면적이 증대되므로 전해액 보액능력이 커지게 되어 전해액 누액의 가능성이 줄어지게 된다.
The porosity of the two-layer separation membrane is preferably 40 to 80%, and as the fiber diameter is smaller, the pore size becomes smaller and the pore size distribution becomes smaller. In addition, since the specific surface area of the fibers is increased as the diameter of the fibers is smaller, the ability to lyse the electrolyte increases and the possibility of leakage of the electrolyte decreases.

이하에서는 본 발명의 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter will be described in more detail through embodiments of the present invention. However, the embodiments are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

제 1구간에는 점도 100,000cps, 고형분 20중량%의 폴리아믹산(Poly(amic acid), PAA)를 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF)과 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc)의 혼합용매(THF/DMAc)에 녹여 폴리아믹산 도프(Dope)를 제조하고, 제 2구간에는 중량평균분자량이 50,000인 메타아라미드 (E. I. du Pont de Nemours and Company)를 DMAc 용매에 용해시켜 도프를 제조한다. 전극과 컬렉터 간의 거리를 40Cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%인 전기방사조건에서 5㎛ 두께의 폴리아믹산 나노섬유를 형성하고 일정속도로 컬렉터가 이동하여 2구간에서 폴리아믹산 나노섬유 상층에 두께가 5㎛ 되도록 메타아라미드를 방사하여 2층 전기방사 막을 형성한 후, 200℃에서 가열을 시켜 폴리아믹산 나노섬유를 폴리이미드 나노섬유로 이미드화 시켜 2층 분리막을 형성한다.
In the first section, a polyamic acid (Poly (amic acid), PAA) having a viscosity of 100,000 cps and a solid content of 20% by weight is a mixed solvent of tetrahydrofuran (THF) and dimethylacetamide (DMAc) (THF / DMAc). It is dissolved in to prepare a polyamic acid dope (dope), and in the second section, a dope is prepared by dissolving metaaramid (EI du Pont de Nemours and Company) having a weight average molecular weight of 50,000 in DMAc solvent. The distance between the electrode and the collector was 40Cm, applied voltage 15kV, spinning solution flow rate 0.1mL / h, temperature 22 ℃, and humidity 20%. In the second section, meta-aramid was spun to the top layer of polyamic acid nanofibers to have a thickness of 5 μm to form a two-layer electrospinning film, and then heated at 200 ° C. to imidize the polyamic acid nanofibers with polyimide nanofibers. To form.

[실시예 2][Example 2]

제 1구간에는 중량평균 분자량이 157,000인 폴리아크릴로니트릴(한일합성)을 디메틸포름아마이드(DMF)에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 제 2구간에는 메타아라미드를 DMAc 용매에 용해시켜 도프를 제조한다. 전극과 컬렉터 간의 거리를 40Cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%인 전기방사조건에서 5㎛ 두께의 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 형성하고 일정속도로 컬렉터가 이동하여 2구간에서 폴리아크릴로니트릴 나노섬유 상층에 두께가 5㎛ 되도록 메타아라미드를 방사하여 2층 분리막을 형성한다.
In the first section, a polyacrylonitrile (Korean Synthesis) having a weight average molecular weight of 157,000 is dissolved in dimethylformamide (DMF) to prepare a spinning solution, and in the second section, metaaramid is dissolved in a DMAc solvent to prepare a dope. . 5μm thick polyacrylonitrile nanofibers were formed under electrospinning conditions of 40Cm, applied voltage 15kV, spinning solution flow rate 0.1mL / h, temperature 22 ℃, and humidity 20%. The two-segment membrane is formed by spinning meta-aramid to have a thickness of 5 μm on the upper layer of polyacrylonitrile nanofibers in two sections.

[비교예 1]Comparative Example 1

폴리아믹산를 THF/DMAc 8:2 혼합용매에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 전극과 컬렉터 간의 거리를 40Cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%인 전기방사조건에서 10㎛ 두께의 폴리아믹산 나노섬유를 제조한 후, 200℃에서 가열을 시켜 폴리아믹산 나노섬유를 폴리이미드 나노섬유로 이미드화 시켜 분리막을 형성한다.
The polyamic acid was dissolved in a THF / DMAc 8: 2 mixed solvent to prepare a spinning solution, and the distance between the electrode and the collector was 40 cm, an applied voltage of 15 kV, a spinning solution flow rate of 0.1 mL / h, a temperature of 22 ° C., and a humidity of 20%. Under the conditions, a polyamic acid nanofiber having a thickness of 10 μm was prepared and then heated at 200 ° C. to imidize the polyamic acid nanofiber with the polyimide nanofiber to form a separator.

[비교예 2][Comparative Example 2]

폴리아크릴로니트릴을 DMF 용매에 용해시켜 도프를 제조한다. 상기 도프를 폴리올레핀 기재 상에 전극과 컬렉터 간의 거리를 40Cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%로 전기방사하여 10㎛ 두께의 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 제조 한다
Doping is prepared by dissolving polyacrylonitrile in DMF solvent. The dope was electrospun on a polyolefin substrate at a distance of 40 cm, an applied voltage of 15 kV, a spinning solution flow rate of 0.1 mL / h, a temperature of 22 ° C., and a humidity of 20% on a polyolefin substrate to prepare a polyacrylonitrile nanofiber having a thickness of 10 μm. do

-분리막의 열수축율 평가-- Evaluation of Heat Shrinkage of Membrane -

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2의 분리막을 3cm X 3cm로 자른 후 150℃에서 30분 보관후 열 수축율을 평가하여 표 1에 나타내었다. The separators of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were cut to 3 cm × 3 cm and stored at 150 ° C. for 30 minutes, and then evaluated for thermal shrinkage.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 열 수축율(%)Heat shrinkage (%) 22 33 88 99 두께(㎛)Thickness (㎛) 1010 1010 1010 1010

이와 같이 본 발명을 통해 제공된 2층 분리막은 1층 분리막에 비해 내열 안정성이 향상되었다. As described above, the two-layer separator provided through the present invention has improved heat stability compared to the one-layer separator.

Claims (8)

전기방사장치의 노즐이 구비되는 노즐 블록이 수평방향을 향하여 2개의 구간으로 구획되고, 각각의 구획된 구간에 고분자를 공급하는 제 1 공급장치, 제 2 공급장치로 구비되어 컬렉터 상에 고분자를 방사하는 분리막의 제조 방법에 있어서,
상기 전기방사장치의 제 1 공급장치에 내열성 고분자 폴리아크릴로니트릴을 유기용매에 용해시켜 제조한 용액을 컬렉터 상에 전기방사하여 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 형성하는 단계;
상기 전기방사장치의 제 2 공급장치에 또 다른 내열성 고분자 메타아라미드를 유기 용매에 용해시켜 제조한 용액을 상기 폴리아크릴로니트릴 나노섬유 상에 방사하여 메타아라미드 나노섬유를 적층하는 단계;
를 포함하는 이차전지용 2층 분리막의 제조방법.
The nozzle block provided with the nozzle of the electrospinning apparatus is divided into two sections in the horizontal direction, and is provided with a first supply device and a second supply device for supplying the polymer to each partitioned section to radiate the polymer onto the collector. In the manufacturing method of the separation membrane,
Forming a polyacrylonitrile nanofiber by electrospinning a solution prepared by dissolving a heat-resistant polymer polyacrylonitrile in an organic solvent in a first supply device of the electrospinning apparatus on a collector;
Stacking the solution prepared by dissolving another heat-resistant polymer metaaramid in an organic solvent in the second supply device of the electrospinning apparatus on the polyacrylonitrile nanofibers to stack the metaaramid nanofibers;
Method of manufacturing a two-layer separator for a secondary battery comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 폴리아크릴로니트릴의 중량평균 분자량(Mw)은 2,000 내지 1,000,000인 것을 특징으로 하는 이차전지용 2층 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The weight average molecular weight (Mw) of the polyacrylonitrile is a manufacturing method of a secondary battery two-layer separator, characterized in that 2,000 to 1,000,000.
제 1항의 제조 방법으로 제조된, 폴리아크릴로니트릴/메타아라미드 나노섬유로 이루어진 이차전지용 2층 분리막.A two-layer separator for secondary batteries made of polyacrylonitrile / metharamid nanofibers prepared by the method of claim 1. 전기방사장치의 노즐이 구비되는 노즐 블록이 수평방향을 향하여 2개의 구간으로 구획되고, 각각의 구획된 구간에 고분자를 공급하는 제 1 공급장치, 제 2 공급장치로 구비되어 컬렉터 상에 고분자를 방사하는 분리막의 제조 방법에 있어서,
상기 전기방사장치의 제 1 공급장치에 내열성 고분자 폴리이미드 전구체를 유기용매에 용해시켜 제조한 용액을 컬렉터 상에 전기방사하여 폴리이미드 전구체 나노섬유를 형성하는 단계;
상기 전기방사장치의 제 2 공급장치에 또 다른 내열성 고분자 메타아라미드를 유기 용매에 용해시켜 제조한 용액을 상기 폴리이미드 전구체 나노섬유 상에 방사하여 메타아라미드 나노섬유를 적층하는 단계;
상기 적층된 나노섬유를 가열하여 폴리이미드 전구체 나노섬유를 폴리이미드 나노섬유로 이미드화시키는 단계;
를 포함하는 이차전지용 2층 분리막의 제조방법.
The nozzle block provided with the nozzle of the electrospinning apparatus is divided into two sections in the horizontal direction, and is provided with a first supply device and a second supply device for supplying the polymer to each partitioned section to radiate the polymer onto the collector. In the manufacturing method of the separation membrane,
Forming a polyimide precursor nanofiber by electrospinning a solution prepared by dissolving a heat resistant polymer polyimide precursor in an organic solvent in a first supply device of the electrospinning apparatus on a collector;
Stacking meta-aramid nanofibers by spinning a solution prepared by dissolving another heat-resistant polymer meta-aramid in an organic solvent in the second supply device of the electrospinning apparatus on the polyimide precursor nanofibers;
Heating the stacked nanofibers to imidize the polyimide precursor nanofibers with the polyimide nanofibers;
Method of manufacturing a two-layer separator for a secondary battery comprising a.
제 4항에 있어서,
상기 폴리이미드 전구체로는 폴리아믹산(Poly(amic acid), PAA)을 이용하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 2층 분리막의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The polyimide precursor is a polyamic acid (Poly (amic acid), PAA) manufacturing method of a secondary battery two-layer separator, characterized in that using.
제 1항 또는 제 4항에 있어서.
컬렉터 상에 고분자를 전기방사하는 방법은 상향식 전기방사법인 것을 특징으로 하는 이차전지용 2층 분리막의 제조방법.
The method of claim 1 or 4.
Wherein the method of electrospinning a polymer on a collector is a bottom-up electrospinning method.
제 1항 또는 제 4항에 있어서.
상기 메타아라미드의 중량평균 분자량이 3,000 내지 500,000인 것을 특징으로 하는 이차전지용 2층 분리막 제조방법.
The method of claim 1 or 4.
Method for producing a two-layer separator for secondary batteries, characterized in that the weight average molecular weight of the meta-aramid is 3,000 to 500,000.
제 4항에서 제조 방법으로 제조된, 폴리이미드/메타아라미드 나노섬유로 이루어지는 이차전지용 2층 분리막.A two-layer separator for secondary batteries made of polyimide / metharamid nanofibers prepared by the manufacturing method of claim 4.
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