JP7547844B2 - 多孔性ポリオレフィンフィルム - Google Patents
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Description
(a)ポリオレフィン単体、ポリオレフィン混合物、ポリオレフィン溶媒混合物(可塑剤)、添加剤、及びポリオレフィン混練物を含むポリマー材料を混練・溶解してポリオレフィン溶液を調整する(ポリオレフィン溶液の調製)。
(b)溶解物を押出し、シート状に成型して冷却固化し(押出物の形成およびゲル状シートの形成)、
(c)得られたシートをロール方式またはテンター方式により湿式延伸を行う(湿式延伸工程)。
(d)その後、得られた延伸フィルムから可塑剤を抽出しフィルムを乾燥する(洗浄・乾燥工程)。
(e)つづいて乾式再延伸/熱処理を行う(乾式再延伸/熱処理工程)。
ポリオレフィン樹脂を、可塑剤に加熱溶解させたポリオレフィン溶液を調製する。可塑剤としては、ポリエチレンを十分に溶解できる溶剤であれば特に限定されないが、比較的高倍率の延伸を可能とするために、溶剤は室温で液体であることが好ましい。溶剤としては、ノナン、デカン、デカリン、パラキシレン、ウンデカン、ドデカン、流動パラフィン等の脂肪族、環式脂肪族又は芳香族の炭化水素、および沸点がこれらに対応する鉱油留分、並びにジブチルフタレート、ジオクチルフタレート等の室温では液状のフタル酸エステルが挙げられる。液体溶剤の含有量が安定なゲル状シートを得るために、流動パラフィンのような不揮発性の液体溶剤を用いるのが好ましい。溶融混練状態では、ポリエチレンと混和するが室温では固体の溶剤を液体溶剤に混合してもよい。このような固体溶剤として、ステアリルアルコール、セリルアルコール、パラフィンワックス等が挙げられる。ただし、固体溶剤のみを使用すると、延伸ムラ等が発生するおそれがある。
ポリオレフィン溶液の均一な溶融混練は、特に限定されないが、高濃度のポリオレフィン溶液を調製したい場合、二軸押出機中で行うことが好ましい。必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で酸化防止剤等の各種添加材を添加してもよい。特にポリエチレンの酸化を防止するために酸化防止剤を添加することが好ましい。
得られたゲル状(積層シート含む)シートを延伸する。用いられる延伸方法としては、ロール延伸機によるMD一軸延伸、テンターによるTD一軸延伸、ロール延伸機とテンター、或いはテンターとテンターとの組み合わせによる逐次二軸延伸、同時二軸テンターによる同時二軸延伸などが挙げられる。延伸倍率は、膜厚の均一性の観点より、ゲル状シートの厚さによって異なるが、いずれの方向でも5倍以上に延伸することが好ましい。面積倍率では、25倍以上が好ましく、より好ましくは36倍以上、さらに好ましくは49倍以上である。面積倍率を25倍以上とすることで、延伸が十分で膜の均一性も十分なものとすることができ、強度の観点からも優れた多孔性フィルムを得ることができる。
次に、ゲル状シート中に残留する溶剤を洗浄溶剤を用いて除去する。ポリエチレン相と溶媒相とは分離しているので、溶剤の除去により多孔性フィルムが得られる。洗浄溶剤としては、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の飽和炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素等の塩素化炭化水素、ジエチルエーテル、ジオキサン等のエーテル類、メチルエチルケトン等のケトン類、三フッ化エタン等の鎖状フルオロカーボンなどがあげられる。これらの洗浄溶剤は低い表面張力(例えば、25℃で24mN/m以下)を有する。低い表面張力の洗浄溶剤を用いることにより、微多孔を形成する網状構造が洗浄後に乾燥時に気-液界面の表面張力により収縮が抑制され、空孔率および透過性を有する多孔性フィルムが得られる。これらの洗浄溶剤は可塑剤に応じて適宜選択し、単独または混合して用いる。
乾燥した多孔性フィルムを少なくとも一軸方向に延伸(乾式再延伸)する。乾式再延伸により、フィブリルの開裂が促進され、空孔率および平均孔径が増加し、透過性に優れた多孔性フィルムが得られる。また、ポリオレフィン結晶の配向が促進され、突刺強度および引張弾性率・引張強度が増加し、安全性および工程搬送性に優れた多孔性フィルムが得られる。
さらに、その他用途に応じて、多孔性フィルムに親水化処理を施すこともできる。親水化処理は、モノマーグラフト、界面活性剤処理、コロナ放電等により行うことができる。モノマーグラフトは架橋処理後に行うのが好ましい。多孔性ポリオレフィンフィルムに対して、α線、β線、γ線、電子線等の電離放射線の照射により架橋処理を施すのが好ましい。電子線の照射の場合、0.1~100Mradの電子線量が好ましく、100~300kVの加速電圧が好ましい。架橋処理により多孔性ポリオレフィンフィルムのメルトダウン温度が上昇する。
超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン原料の重量平均分子量、および多孔性ポリオレフィンフィルムの分子量分布は以下の条件でゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により求めた。
・測定装置:WATERS CORPORATION製GPC-150C
・カラム:昭和電工株式会社製SHODEX UT806M
・カラム温度:135℃
・溶媒(移動相):O-ジクロルベンゼン
・溶媒流速:1.0 mL/分
・試料濃度:0.1 wt%(溶解条件:135℃/1H)
・インジェクション量:500μL
・検出器:WATERS CORPORATION製ディファレンシャルリフラクトメーター(RI検出器)
・検量線:単分散ポリスチレン標準試料を用いて得られた検量線から、所定の換算定数を用いて作成した。
ポリオレフィン微多孔膜の50mm×50mmの範囲内における5点の膜厚を接触厚み計、株式会社ミツトヨ製ライトマチックVL-50(10.5mmφ超硬球面測定子、測定荷重0.01N)により測定し、平均値を膜厚(μm)とした。
フォースゲージ(株式会社イマダ製 DS2-20N)を用い、先端に球面(曲率半径R:0.5mm)を有する直径1mmの針を、平均膜厚T1(μm)の多孔性フィルムに2mm/秒の速度で突刺して、それ以外はJIS Z 1707(2019)に準拠して最大荷重L1(貫通する直前の荷重、単位:N)を測定し、L2=(L1×10)/T1の式により、膜厚を10μmとしたときの突刺強度L2(N/10μm)を算出した。
ポリオレフィン微多孔膜から50mm×50mm角の正方形にサンプルを切り取り、上述の方法で厚みを測定し、厚みと面積からサンプルの体積を求めた。また、電子天秤を用いてサンプルの質量(g)を求め、それらとポリマー密度(g/cm3 )より、次式を用いて計算した。以上の測定を同じ多孔性フィルム中の異なる箇所で3点行い、空孔率の平均値を求めた。
空孔率=[(体積-質量/ポリマー密度)/体積]×100 。
なお、ポリマー密度は0.99g/cm3の一定値と仮定して計算した。
MD方向およびTD方向の引張強度・引張弾性率については、幅10mmの短冊状試験片を用いて、ASTM D882に準拠した方法により測定した。試験片の固定は両面テープ(ニチバン株式会社製 NW-15)を用いて行い、つかみ具間距離20mm、試験速度100mm/minの条件で測定した。引張弾性率(MPa)は引張張力2~3N間での曲線の傾きを、試験前の断面積で除することで求めた。
パームポロメーター(PMI社製、CFP-1500A)を用いて、Dry-up、Wet-upの順で、最大孔径及び平均孔径を測定した。Wet-upには表面張力が1.59×10-2N/mのPMI社製Galwick(商品名)で十分に浸した多孔性ポリオレフィンフィルムに圧力をかけ、空気が貫通し始める圧力から換算される孔径を最大孔径とした。
d=C・γ/P
上記式中、「d(μm)」は多孔性ポリオレフィンフィルムの孔径、「γ(mN/m)」は液体の表面張力、「P(Pa)」は圧力、「C」は浸液の濡れ張力、接触角等により定まる定数である。
重量平均分子量Mw1が2.0×106である超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)40質量% と、重量平均分子量Mw2が0.3×106である高密度ポリエチレン(HDPE)60質量%とからなるポリエチレン組成物25質量%に流動パラフィン75質量%を加え、さらに混合中のポリエチレンの質量を基準として0.7質量%の2,6-ジーt-ブチル-p-クレゾールと1.1質量%のテトラキス[メチレン-3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)-プロピオネート]メタンを酸化防止剤として加えて溶融混練し、ポリエチレン樹脂溶液を二軸押出機中で調製した。続いて、このポリエチレン樹脂溶液を、押出機の先端に設置されたシート形成ダイから押し出し、得られたシート状押出物を15℃の冷却ロールで引き取りながら、ゲル状成形物を形成した。得られたゲル状成形物に対して、115℃で5×5倍になるように湿式同時二軸延伸を施した後、延伸されたシートを25℃の塩化メチレンに浸漬して流動パラフィンを除去し、室温で空気乾燥させた。そして、乾燥させたシートに対し、温度113℃、MD方向の延伸倍率2.00倍の条件でロール延伸機によるMD一軸延伸を行った後、温度130℃、TD方向の延伸倍率3.00倍、リラックス率8.0%、最終延伸倍率2.76倍の条件でテンター延伸を実施し、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。
多孔性ポリオレフィンフィルムの原料として表1記載の原料を用い、製膜条件を表1のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。得られた多孔性ポリオレフィンフィルム評価結果は表3に記載のとおりである。
重量平均分子量Mw1が2.0×106である超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)10質量%に流動パラフィン90質量%を加え、さらに混合中のポリエチレンの質量を基準として0.7質量%の2,6-ジ-t-ブチル-p-クレゾールと1.1質量%のテトラキス[メチレン-3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを酸化防止剤として加えて溶融混練し、ポリエチレン樹脂溶液を二軸押出機中で調製した。続いて、このポリエチレン樹脂溶液を、押出機の先端に設置されたシート形成ダイから押し出し、得られたシート状押出物を15℃の冷却ロールで引き取りながら、ゲル状成形物を形成した。得られたゲル状成形物に対して、115℃で5×5倍になるように湿式同時二軸延伸を施した後、延伸されたシートを25℃の塩化メチレンに浸漬して流動パラフィンを除去し、室温で空気乾燥させた。そして、乾燥させたシートに対し、温度125℃、MD方向の延伸倍率2.00倍、TD方向の延伸倍率2.00倍、熱固定温度125℃の運転条件で逐次二軸方式によるテンター延伸を実施し、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。
多孔性ポリオレフィンフィルムの原料として表1記載の原料を用い、製膜条件を表1のとおりに変更した以外は実施例5と同様にして、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。得られた多孔性ポリオレフィンフィルム評価結果は表3に記載のとおりである。
重量平均分子量Mw1が1.5×106である超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)20質量%に流動パラフィン80質量%を加え、さらに混合中のポリエチレンの質量を基準として0.7質量%の2,6-ジ-t-ブチル-p-クレゾールと1.1質量%のテトラキス[メチレン-3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを酸化防止剤として加えて溶融混練し、ポリエチレン樹脂溶液を二軸押出機中で調製した。続いて、このポリエチレン樹脂溶液を、押出機の先端に設置されたシート形成ダイから押し出し、得られたシート状押出物を15℃の冷却ロールで引き取りながら、ゲル状成形物を形成した。得られたゲル状成形物に対して、113℃でMD方向に8倍になるようにロール延伸し、124℃でTD方向に7.4倍になるようにテンター延伸を施した(湿式逐次二軸延伸)。延伸されたシートを25℃の塩化メチレンに浸漬して流動パラフィンを除去し、室温で空気乾燥させた。そして、乾燥させたシートに対し、131℃でTD方向に延伸倍率1.39倍、リラックス率6.5%、最終延伸倍率1.30倍の条件でテンター延伸を実施し、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。
多孔性ポリオレフィンフィルムの原料として表1記載の原料を用い、製膜条件を表1のとおりに変更した以外は実施例7と同様にして、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。得られた多孔性ポリオレフィンフィルム評価結果は表3に記載のとおりである。
重量平均分子量Mw1が2.0×106である超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)40質量% と、重量平均分子量Mw2が0.3×106である高密度ポリエチレン(HDPE)60質量%とからなるポリエチレン組成物25質量%に流動パラフィン75質量%を加え、さらに混合中のポリエチレンの質量を基準として0.7質量%の2,6-ジ-t-ブチル-p-クレゾールと1.1質量%のテトラキス[メチレン-3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを酸化防止剤として加えて溶融混練し、ポリエチレン樹脂溶液を二軸押出機中で調製した。続いて、このポリエチレン樹脂溶液を、押出機の先端に設置されたシート形成ダイから押し出し、得られたシート状押出物を15℃の冷却ロールで引き取りながら、ゲル状成形物を形成した。得られたゲル状成形物に対して、115℃で5×5倍になるように湿式同時二軸延伸を施した後、延伸されたシートを25℃の塩化メチレンに浸漬して流動パラフィンを除去し、室温で空気乾燥させ、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。
多孔性ポリオレフィンフィルムの原料として表2記載の原料を用い、製膜条件を表1のとおりに変更した以外は比較例1と同様にして、多孔性ポリオレフィンフィルムを作製した。得られた多孔性ポリオレフィンフィルム評価結果は表4に記載のとおりである。
Claims (8)
- 空孔率が50%以上であり、膜厚10μm換算の突刺強度が4.0N以上であり、長手方向の引張弾性率E MD が980MPa以上であり、平均孔径が10nm以上35nm以下であり、かつフィルムの重量による分子量分布において、分子量1.0×10 6 以上のポリエチレン成分の含有量が40質量%以上であることを特徴とする多孔性ポリオレフィンフィルム。
- E MD および幅方向の引張弾性率E TD について、E MD /E TD が1.0以上である、請求項1に記載の多孔性ポリオレフィンフィルム。
- 長手方向の引張強度M MD が180MPa以上である、請求項1または2のいずれかに記載の多孔性ポリオレフィンフィルム。
- 最大孔径に対する平均孔径の比(平均孔径)/(最大孔径)が0.70以上である、請求項1~3のいずれかに記載の多孔性ポリオレフィンフィルム。
- 膜厚が15μm以下である、請求項1~4のいずれかに記載の多孔性ポリオレフィンフィルム。
- ポリエチレンを主成分とする、請求項1~5のいずれかに記載の多孔性ポリオレフィンフィルム。
- 請求項1~6のいずれかに記載の多孔性ポリオレフィンフィルムを用いたことを特徴とする電池用セパレータ。
- 請求項7に記載の電池用セパレータを用いたことを特徴とする二次電池。
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