JP7533189B2 - Polyolefin-based microporous film, laminate, and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same - Google Patents
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Description
本発明はポリオレフィン系微多孔膜、積層体、及びそれを用いた非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a polyolefin-based microporous membrane, a laminate, and a nonaqueous electrolyte secondary battery using the same.
熱可塑性樹脂微多孔膜は物質の分離膜、選択透過膜、及び隔離膜等として広く用いられている。微多孔膜の具体的な用途は、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル-水素電池、ニッケル-カドミウム電池、ポリマー電池などの非水電解液二次電池用セパレータや、電気二重層コンデンサ用セパレータ、逆浸透濾過膜、限外濾過膜、精密濾過膜等の各種フィルター、透湿防水衣料、医療用材料、燃料電池用支持体などである。 Microporous thermoplastic resin membranes are widely used as separation membranes, selective permeable membranes, and isolation membranes for substances. Specific applications of microporous membranes include, for example, separators for nonaqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel-cadmium batteries, and polymer batteries, separators for electric double-layer capacitors, various filters such as reverse osmosis filtration membranes, ultrafiltration membranes, and microfiltration membranes, moisture-permeable waterproof clothing, medical materials, and supports for fuel cells.
特にリチウムイオン二次電池用セパレータとして、ポリオレフィン系微多孔膜が広く採用されている。その特徴として電池の安全性、生産性に大きく寄与する機械的強度に優れることに加え、電気絶縁性を担保しつつ、微細孔に浸透した電解液を通じたイオン透過性を併せ持ち、電池の外部/内部の異常反応時には120~150℃程度において自動的にイオンの透過を遮断することにより、過度の温度上昇を抑制する孔閉塞機能を備えている点が挙げられる。 In particular, polyolefin-based microporous membranes are widely used as separators for lithium-ion secondary batteries. In addition to excellent mechanical strength, which contributes greatly to the safety and productivity of batteries, they also have ion permeability through the electrolyte that permeates the micropores while ensuring electrical insulation, and have a pore-blocking function that automatically blocks ion permeation at around 120 to 150°C when an abnormal reaction occurs inside or outside the battery, thereby suppressing excessive temperature rise.
ポリオレフィン系微多孔膜をリチウムイオン二次電池に組み込む際には、耐熱性を向上させるための耐熱性樹脂層や電極層を積層するのが一般的である。積層する工程においては、金属ロールを回転させて、ポリオレフィン系微多孔膜を搬送させながら塗布やラミネート加工を行う方法が一般的に用いられる。また、ポリオレフィン系微多孔膜を製造する際には、ロール状態に巻き取った中間製品を作製した後、中間製品をスリットしてリールに巻取り製品化する方法が一般的に用いられる。 When incorporating a polyolefin-based microporous film into a lithium-ion secondary battery, it is common to laminate a heat-resistant resin layer or an electrode layer to improve heat resistance. In the lamination process, a method is generally used in which a metal roll is rotated and the polyolefin-based microporous film is conveyed while coating or laminating. In addition, when manufacturing a polyolefin-based microporous film, a method is generally used in which an intermediate product is wound into a roll, and then the intermediate product is slit and wound onto a reel to produce a finished product.
回転させた金属ロールでポリオレフィン系微多孔膜を搬送する際、微多孔膜表面に傷を付きにくくする観点や、ポリオレフィン系微多孔膜のロール状中間製品およびリール製品の製造時に皺を入りづらくする観点からは、微多孔膜の摩擦係数は低い、すなわち微多孔膜の表面が滑りやすいことが重要である。一方、近年ではリチウムイオン二次電池の小型化、薄膜化が進行しており、正極、セパレータ、負極を捲回させてリチウムイオン二次電池を製造する際に、同一積層数で電池の小型化、薄膜化が可能となる観点から、セパレータで使用されるポリオレフィン系微多孔膜は平滑であることが重要である。 From the viewpoint of preventing scratches on the surface of the polyolefin-based microporous membrane when it is transported by a rotating metal roll and preventing wrinkles from occurring during the production of roll-shaped intermediate products and reel products of the polyolefin-based microporous membrane, it is important that the friction coefficient of the microporous membrane is low, i.e., that the surface of the microporous membrane is slippery. On the other hand, in recent years, lithium-ion secondary batteries have become smaller and thinner, and when lithium-ion secondary batteries are manufactured by winding the positive electrode, separator, and negative electrode, it is important that the polyolefin-based microporous membrane used in the separator is smooth in order to enable the battery to be made smaller and thinner with the same number of layers.
ポリオレフィン系微多孔膜の摩擦係数に関して、特許文献1には、微多孔膜を構成するポリオレフィン組成物の分子量分布を広く特定の範囲とすることで膜表面の摩擦係数を低くする提案がされており、また、特許文献2には分子量の低いポリエチレン系樹脂を特定範囲の濃度で含有させることで当該ポリエチレン系樹脂を膜表面にブリードアウトさせて膜表面の摩擦係数を低くする提案がされている。 Regarding the friction coefficient of polyolefin-based microporous membranes, Patent Document 1 proposes lowering the friction coefficient of the membrane surface by broadly setting the molecular weight distribution of the polyolefin composition that constitutes the microporous membrane within a specific range, and Patent Document 2 proposes lowering the friction coefficient of the membrane surface by including a low-molecular-weight polyethylene resin at a specific concentration range, thereby causing the polyethylene resin to bleed out onto the membrane surface.
ポリオレフィン系微多孔膜の平滑性に関して、特許文献3には、ポリオレフィン系微多孔膜の表面粗さを特定範囲に大きくすることで電極との密着性を高くする提案がされている。 Regarding the smoothness of polyolefin-based microporous membranes, Patent Document 3 proposes increasing the surface roughness of the polyolefin-based microporous membrane within a specific range to improve adhesion to electrodes.
摩擦係数が大きく滑り性が良好な微多孔膜の表面は、一般的に粗く、電池の小型化に必要な微多孔膜の平滑性が得られない。つまり、微多孔膜の表面の平滑性と易滑性は相反する特性であり、平滑性と易滑性を両立することは困難であった。特許文献1、2においては、平滑性に関して十分に考慮された設計とはなっておらず、リチウムイオン電池の小型化、薄膜化の観点で不十分であった。特許文献3においては平滑性に関して十分に考慮された設計とはなっておらず、リチウムイオン電池の小型化、薄膜化の観点で不十分であった。 The surface of a microporous membrane with a large coefficient of friction and good slipperiness is generally rough, and the smoothness of the microporous membrane required for miniaturization of batteries cannot be obtained. In other words, the smoothness and slipperiness of the surface of a microporous membrane are contradictory properties, and it has been difficult to achieve both smoothness and slipperiness at the same time. In Patent Documents 1 and 2, the design does not take smoothness into sufficient consideration, and is insufficient in terms of miniaturization and thinning of lithium-ion batteries. In Patent Document 3, the design does not take smoothness into sufficient consideration, and is insufficient in terms of miniaturization and thinning of lithium-ion batteries.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記の欠点を解消し、相反する特性である、易滑性と平滑性を備えるポリオレフィン系微多孔膜を提供することを目的とする。 The problem that the present invention aims to solve is to provide a polyolefin-based microporous membrane that overcomes the above-mentioned shortcomings and has the contradictory properties of slipperiness and smoothness.
上記課題を解決するための本発明は、以下の構成を有する。
(1)微多孔膜の一方の表面と他方の表面との動摩擦係数μkが0.2以上0.7以下であり、かつ、微多孔膜の一方の表面と他方の表面のうち二乗平均平方根高さSqが大きい面において、二乗平均平方根高さSqが10nm以上100nm以下である、ポリオレフィン系微多孔膜である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
(1) A polyolefin-based microporous membrane in which the dynamic friction coefficient μk between one surface and the other surface of the microporous membrane is 0.2 or more and 0.7 or less, and the root-mean-square height Sq of the surface between the one surface and the other surface of the microporous membrane that has a larger root-mean-square height Sq is 10 nm or more and 100 nm or less.
(2)微多孔膜の少なくとも一方の表面において、当該一方の表面と金属との動摩擦係数μmkが0.13以下である、(1)のポリオレフィン系微多孔膜である。 (2) A polyolefin-based microporous film according to (1), in which the dynamic friction coefficient μmk between at least one surface of the microporous film and a metal is 0.13 or less.
(3)下記測定法によって求められる一辺が2.7μmの立方体中のフィブリル本数が870本/μm3以上2800本/μm3以下であり、該フィブリルの平均直径が25nm以上60nm以下である、(1)または(2)のポリオレフィン系微多孔膜である。 (3) The polyolefin-based microporous membrane of (1) or (2), in which the number of fibrils in a cube with a side length of 2.7 μm, as determined by the following measurement method, is 870/ μm3 to 2,800 /μm3, and the average diameter of the fibrils is 25 nm to 60 nm.
工程(A):微多孔膜の断面において、切削して順次画像を得、3次元画像を作成する
工程(B):得られた3次元画像の樹脂部と空孔部とを判別し、構成樹脂部の3次元画像を作成する
工程(C):該構成樹脂部を、フィブリル単位に分割し、フィブリルの本数を計数する。
Step (A): The cross section of the microporous membrane is cut to sequentially obtain images, and a three-dimensional image is created. Step (B): The resin parts and pore parts of the obtained three-dimensional image are distinguished, and a three-dimensional image of the constituent resin parts is created. Step (C): The constituent resin parts are divided into fibril units, and the number of fibrils is counted.
(4)微多孔膜の突刺強度が180gf以上700gf以下である、(1)~(3)のいずれかに記載のポリオレフィン系微多孔膜である。 (4) A polyolefin-based microporous film according to any one of (1) to (3), in which the pin puncture strength of the microporous film is 180 gf or more and 700 gf or less.
(5)微多孔膜の厚みが3μm以上14μm以下である、(1)~(4)のいずれかに記載のポリオレフィン系微多孔膜である。 (5) A polyolefin-based microporous film according to any one of (1) to (4), in which the thickness of the microporous film is 3 μm or more and 14 μm or less.
(6)130℃1時間での熱収縮率が長手方向、幅方向とも20%以下である、(1)~(5)のいずれかに記載のポリオレフィン系微多孔膜。
(7)前記(1)~(6)のいずれかに記載の微多孔膜を、捲回した微多孔膜ロールであって、動摩擦係数μkの変動係数が10%以下であるポリオレフィン系微多孔膜ロールである。
(6) The polyolefin-based microporous film according to any one of (1) to (5), which has a heat shrinkage rate of 20% or less in both the longitudinal and transverse directions at 130° C. for 1 hour.
(7) A microporous membrane roll produced by winding the microporous membrane according to any one of (1) to (6) above, the polyolefin-based microporous membrane roll having a coefficient of variation of dynamic friction μk of 10% or less.
(8)微多孔膜の一方の表面について、二乗平均平方根高さSqの変動係数が10%以下である、(7)に記載のポリオレフィン系微多孔膜ロールである。 (8) A polyolefin-based microporous membrane roll as described in (7), in which the coefficient of variation of the root mean square height Sq for one surface of the microporous membrane is 10% or less.
(9)前記(1)~(6)のいずれかに記載のポリオレフィン系微多孔膜に、さらに耐熱性樹脂層を積層した、微多孔膜/耐熱性樹脂層積層体である。 (9) A microporous membrane/heat-resistant resin layer laminate in which a heat-resistant resin layer is further laminated on the polyolefin-based microporous membrane described in any one of (1) to (6).
(10)前記(1)~(6)のいずれかに記載のポリオレフィン系微多孔膜、または、(9)に記載の微多孔膜/耐熱性樹脂層積層体を備える、非水解電解液二次電池。 (10) A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the polyolefin-based microporous membrane described in any one of (1) to (6) above, or the microporous membrane/heat-resistant resin layer laminate described in (9).
本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜は、リチウムイオン二次電池をはじめとする非水電解液二次電池のセパレータとして適用した際に、易滑性と平滑性のどちらにも優れ、搬送性や巻取り時の外観が良好であり、電池の小型化、薄膜化を可能とする効果を奏する。 When the polyolefin-based microporous membrane according to the embodiment of the present invention is used as a separator for nonaqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium ion secondary batteries, it has excellent lubricity and smoothness, is easy to transport, and has a good appearance when wound up, and has the effect of enabling the batteries to be made smaller and thinner.
以下、本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜について詳細に説明する。本明細書において、ポリオレフィン系微多孔膜を単に「微多孔膜」と称する場合がある。 The polyolefin-based microporous membrane according to an embodiment of the present invention will be described in detail below. In this specification, the polyolefin-based microporous membrane may be simply referred to as a "microporous membrane."
本発明のポリオレフィン系微多孔膜は、膜の一方の表面と他方の表面との動摩擦係数μkが0.2以上0.7以下であり、微多孔膜の一方の表面と他方の表面のうち二乗平均平方根高さSqが大きい面において、二乗平均平方根高さSqが10nm以上100nm以下である。動摩擦係数μkは膜同士を重ねた際の易滑性の指標の一つであり、白色干渉計で測定した二乗平均平方根高さSqは平滑性を表す指標の一つである。 The polyolefin-based microporous film of the present invention has a dynamic friction coefficient μk between one surface and the other surface of the film of 0.2 or more and 0.7 or less, and the root-mean-square height Sq of the surface between the one surface and the other surface of the microporous film that has a large root-mean-square height Sq is 10 nm or more and 100 nm or less. The dynamic friction coefficient μk is one index of the ease of sliding when films are stacked on top of each other, and the root-mean-square height Sq measured with a white light interferometer is one index of smoothness.
本発明の実施形態におけるポリオレフィン系微多孔膜は、ポリオレフィン系樹脂を主成分とする。ここで、ポリオレフィン系樹脂を主成分とするとは、微多孔膜の全質量を100質量%とした際に、50質量%を超えて100質量%以下のポリオレフィン系樹脂を含有することを意味する。ここで、本発明の実施形態におけるポリオレフィン系樹脂としては、各種ポリエチレン系樹脂や各種ポリプロピレン系樹脂などが挙げられる。本発明の実施形態におけるポリエチレン系樹脂とは、ポリエチレン系樹脂の重合体の全質量を100質量%とした際に、エチレン由来成分の合計が50質量%を超えて100質量%以下である態様の重合体を意味する。 The polyolefin-based microporous film in the embodiment of the present invention is mainly composed of a polyolefin-based resin. Here, "mainly composed of a polyolefin-based resin" means that the film contains more than 50% by mass and not more than 100% by mass of polyolefin-based resin when the total mass of the microporous film is taken as 100% by mass. Here, examples of the polyolefin-based resin in the embodiment of the present invention include various polyethylene-based resins and various polypropylene-based resins. The polyethylene-based resin in the embodiment of the present invention means a polymer in which the total amount of ethylene-derived components is more than 50% by mass and not more than 100% by mass when the total mass of the polyethylene-based resin polymer is taken as 100% by mass.
また、本発明の実施形態におけるポリプロピレン系樹脂とは、ポリプロピレン系樹脂の重合体の全質量を100質量%とした際に、プロピレン由来成分の合計が50質量%を超えて100質量%以下である態様の重合体を意味する。 In addition, the polypropylene-based resin in the embodiment of the present invention means a polymer in which the total amount of propylene-derived components is more than 50% by mass and not more than 100% by mass when the total mass of the polypropylene-based resin polymer is 100% by mass.
本発明の実施形態におけるポリエチレン系樹脂は、エチレンのみからなるホモポリマー、またはプロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、1-へキセン、3-メチル-1-ブテン、3-メチル-1-ペンテン、3-エチル-1-ペンテン、4-メチル-1-ペンテン、4-メチル-1-へキセン、4,4-ジメチル-1-ヘキセン、4,4-ジメチル-1-ペンテン、4-エチル-1-へキセン、3-エチル-1-ヘキセン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセン、1-テトラデセン、1-ヘキサデセン、1-オクタデセン、1-エイコセン等などの鎖状オレフィン(α-オレフィン)が共重合されたコポリマーなどが挙げられる。 The polyethylene resin in the embodiment of the present invention may be a homopolymer consisting of ethylene alone, or a copolymer in which a chain olefin (α-olefin) such as propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 3-methyl-1-pentene, 3-ethyl-1-pentene, 4-methyl-1-pentene, 4-methyl-1-hexene, 4,4-dimethyl-1-hexene, 4,4-dimethyl-1-pentene, 4-ethyl-1-hexene, 3-ethyl-1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-tetradecene, 1-hexadecene, 1-octadecene, 1-eicosene, etc. is copolymerized.
本発明の実施形態におけるポリプロピレン系樹脂は、プロピレンのみからなるホモポリマー、またはエチレン-プロピレン共重合体、エチレン-プロピレン-ブテン共重合体、プロピレン-ブテン共重合体といった、各種ポリプロピレン系樹脂などが挙げられる。 The polypropylene-based resin in the embodiment of the present invention may be a homopolymer consisting of propylene alone, or various polypropylene-based resins such as ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene-butene copolymer, and propylene-butene copolymer.
また、本発明の実施形態におけるポリオレフィン系樹脂は、単一物、または2種類以上の異なるポリオレフィン系樹脂の混合物のいずれであってもよい。 In addition, the polyolefin resin in the present embodiment may be a single resin or a mixture of two or more different polyolefin resins.
これらの各種ポリオレフィン系樹脂のなかでも、優れた孔閉塞性能の観点からポリエチレン系樹脂が特に好ましい。ポリエチレン系樹脂の融点(軟化点)は微多孔膜の孔閉塞性能の観点から70~150℃が好ましい。 Among these various polyolefin resins, polyethylene resins are particularly preferred from the viewpoint of excellent pore-blocking performance. The melting point (softening point) of the polyethylene resin is preferably 70 to 150°C from the viewpoint of the pore-blocking performance of the microporous membrane.
以下、本発明の実施形態で用いるポリオレフィン系樹脂としてポリエチレン系樹脂を例に詳述する。本発明での実施形態用いられるポリエチレン系樹脂の種類としては、密度が0.94g/cm3を越えるような高密度ポリエチレン、密度が0.93~0.94g/cm3の範囲の中密度ポリエチレン、密度が0.93g/cm3より低い低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、特定の分子量を有する超高分子量ポリエチレン等が挙げられるが、後述するポリオレフィン系微多孔膜の内部の孔構造を所望の範囲に制御する観点からは、微多孔膜の全質量を100質量%とした際に、超高分子量ポリエチレンを80質量%以上含有する構成が好ましい。 Hereinafter, a polyethylene resin will be described in detail as an example of the polyolefin resin used in the embodiment of the present invention. The types of polyethylene resin used in the embodiment of the present invention include high-density polyethylene having a density of more than 0.94 g/ cm3 , medium-density polyethylene having a density in the range of 0.93 to 0.94 g/ cm3 , low-density polyethylene having a density lower than 0.93 g/ cm3 , linear low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene having a specific molecular weight, but from the viewpoint of controlling the internal pore structure of the polyolefin microporous membrane described below within a desired range, it is preferable that the microporous membrane contains 80% by mass or more of ultra-high molecular weight polyethylene when the total mass of the microporous membrane is 100% by mass.
本発明の実施形態に用いられる超高分子量ポリエチレンは、重量平均分子量が1.0×106以上、1.0×107以下が好ましい。重量平均分子量が1.0×106以上であれば、緩和時間が短くなりすぎず延伸温度や熱処理温度の増加を抑え微細なフィブリルが溶融し、微多孔膜の孔数が低減してしまうのを防ぐことができる。重量平均分子量が1.0×106以上の超高分子量ポリエチレンを用いることで、分子鎖の絡み合いが増加し、延伸工程においてポリエチレン系樹脂層に均一に応力が負荷されるため、後述する厚み方向の各種構造を所望の範囲に制御することが可能となる。そのため、超高分子量ポリエチレンの重量平均分子量は、1.0×106以上であり、好ましくは1.5×106以上、より好ましくは2.0×106以上、さらに好ましくは3.0×106以上である。また、重量平均分子量(Mw)の上限としては、好ましくは8.0×106以下、より好ましくは6.0×106以下、さらに好ましくは5.0×106以下、さらに好ましくは4.0×106以下である。 The ultra-high molecular weight polyethylene used in the embodiment of the present invention preferably has a weight average molecular weight of 1.0×10 6 or more and 1.0×10 7 or less. If the weight average molecular weight is 1.0×10 6 or more, the relaxation time is not too short, and the increase in the stretching temperature and heat treatment temperature is suppressed, and fine fibrils are melted, and the number of pores in the microporous membrane can be prevented from decreasing. By using an ultra-high molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of 1.0×10 6 or more, the entanglement of molecular chains is increased, and stress is uniformly applied to the polyethylene resin layer in the stretching process, so that it is possible to control various structures in the thickness direction described below within a desired range. Therefore, the weight average molecular weight of the ultra-high molecular weight polyethylene is 1.0×10 6 or more, preferably 1.5×10 6 or more, more preferably 2.0×10 6 or more, and even more preferably 3.0×10 6 or more. The upper limit of the weight average molecular weight (Mw) is preferably 8.0×10 6 or less, more preferably 6.0×10 6 or less, even more preferably 5.0×10 6 or less, and still more preferably 4.0×10 6 or less.
超高分子量ポリエチレンの分子量分布(重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn))は3.0~100の範囲内であることが好ましい。分子量分布が狭いほど系が単一化され均一な微細孔が得られやすいため、分子量分布が狭いほど好ましいが、分布が狭くなるほど成形加工性が低下する。そのため、分子量分布の下限は好ましくは4.0以上、より好ましくは5.0以上、さらに好ましくは6.0以上である。分子量分布が増加すると低分子量成分が増加するため強度の低下や延伸・熱固定における微細なフィブリルの溶融・融着が起こりやすくなるため、上限は好ましくは80以下、より好ましくは50以下、さらに好ましくは20以下、さらに好ましくは10以下である。上記範囲とすることで、良好な成形加工性が得られるとともに、系が単一化されるため均一な微細孔が得られる。 The molecular weight distribution (weight average molecular weight (Mw)/number average molecular weight (Mn)) of the ultra-high molecular weight polyethylene is preferably within the range of 3.0 to 100. The narrower the molecular weight distribution, the more uniform the system and the easier it is to obtain uniform micropores, so the narrower the molecular weight distribution, the lower the moldability. Therefore, the lower limit of the molecular weight distribution is preferably 4.0 or more, more preferably 5.0 or more, and even more preferably 6.0 or more. As the molecular weight distribution increases, the amount of low molecular weight components increases, which leads to a decrease in strength and the tendency for fine fibrils to melt and fuse during stretching and heat setting, so the upper limit is preferably 80 or less, more preferably 50 or less, even more preferably 20 or less, and even more preferably 10 or less. By setting it in the above range, good moldability can be obtained, and the system can be unified to obtain uniform micropores.
本発明の実施形態に用いられる高密度ポリエチレンは、重量平均分子量(Mw)が1.0×104以上1.0×106以下であることが好ましく、1.0×105以上1.0×106以下であることがより好ましく、5.0×105以上9.0×105以下であることがさらに好ましい。重量平均分子量が上記の範囲内の高密度ポリエチレンを本発明の実施形態のポリオレフィン系微多孔膜に適用することで、押出機内の樹脂の圧力変動が起きづらくなり、品位を良好にできる場合がある。 The high-density polyethylene used in the embodiment of the present invention preferably has a weight-average molecular weight (Mw) of 1.0 × 10 4 or more and 1.0 × 10 6 or less, more preferably 1.0 × 10 5 or more and 1.0 × 10 6 or less, and even more preferably 5.0 × 10 5 or more and 9.0 × 10 5 or less. By using a high-density polyethylene having a weight-average molecular weight within the above range for the polyolefin-based microporous membrane of the embodiment of the present invention, pressure fluctuations of the resin in the extruder are less likely to occur, and the quality may be improved.
その他、本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜には、本発明の効果を損なわない範囲において、酸化防止剤、熱安定剤や帯電防止剤、紫外線吸収剤、さらにはブロッキング防止剤や充填材等の各種添加剤を含有させてもよい。特に、ポリオレフィン系樹脂の熱履歴による酸化劣化を抑制する目的で、酸化防止剤を添加することが好ましい。 In addition, the polyolefin-based microporous membrane according to the embodiment of the present invention may contain various additives such as antioxidants, heat stabilizers, antistatic agents, ultraviolet absorbers, antiblocking agents, and fillers, within the scope of the invention, without impairing the effects of the present invention. In particular, it is preferable to add an antioxidant for the purpose of suppressing oxidative deterioration of the polyolefin-based resin due to its thermal history.
酸化防止剤としては、例えば、2,6-ジ-t-ブチル-p-クレゾール(BHT:分子量220.4)、1,3,5-トリメチル-2,4,6-トリス(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシベンジル)ベンゼン、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]メタン等から選ばれる1種類以上を用いることが好ましい。 As the antioxidant, it is preferable to use one or more selected from, for example, 2,6-di-t-butyl-p-cresol (BHT: molecular weight 220.4), 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris(3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl)benzene, tetrakis[methylene-3(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate]methane, etc.
本発明において、膜の一方の表面と他方の表面の動摩擦係数μkとは、ASTM-D-1894に準じて、微多孔膜同士の動摩擦力を求めた後、微多孔膜の垂直抗力(すなわち膜に乗せたおもりの重力)で除して求めることができる。具体的な測定方法としては、微多孔膜を一方の表面と他方の表面が触れるような向きになるように膜を上下に重ねて設置し、上側の微多孔膜のさらに上側にすべり片と呼ばれる200g重、接触面が63mm角のおもりを乗せた状態で、上側の微多孔膜に水平に力を加え、接触面を滑らせることで動摩擦力を求めることができる。 In the present invention, the dynamic friction coefficient μk between one surface and the other surface of a membrane can be determined by determining the dynamic friction force between the microporous membranes in accordance with ASTM-D-1894, and then dividing the result by the normal force of the microporous membrane (i.e., the gravity of a weight placed on the membrane). As a specific measurement method, the microporous membranes are stacked one on top of the other so that one surface and the other surface are in contact with each other, and a weight called a sliding piece, weighing 200 g and having a contact surface of 63 mm square, is placed on top of the upper microporous membrane. A horizontal force is then applied to the upper microporous membrane, and the contact surfaces are slid to determine the dynamic friction force.
本発明の実施形態における、膜の一方の表面と他方の表面の動摩擦係数μkは、易滑性を高め、巻取り時の外観を良好とする観点からは、0.7以下が必要である。また、易滑性をさらに高め、微多孔膜を搬送する際の巻取り時の外観をより良好とする観点からは、膜の一方の表面と他方の表面の動摩擦係数μkは0.65以下が好ましく、0.6以下がより好ましい。また、膜の一方の表面と他方の表面の動摩擦係数μkは、巻き取った後のずれを防止する観点から、0.2以上とすることが重要である。 In an embodiment of the present invention, the dynamic friction coefficient μk between one surface and the other surface of the membrane must be 0.7 or less in order to increase the ease of sliding and improve the appearance when wound up. In addition, in order to further increase the ease of sliding and improve the appearance when wound up for transporting the microporous membrane, the dynamic friction coefficient μk between one surface and the other surface of the membrane is preferably 0.65 or less, and more preferably 0.6 or less. In order to prevent slippage after winding, it is important that the dynamic friction coefficient μk between one surface and the other surface of the membrane is 0.2 or more.
本発明においての実施形態における、微多孔膜の一方の表面と他方の表面のうち二乗平均平方根高さSqが大きい面において、二乗平均平方根高さSqが10nm以上100nm以下であることが重要である。本発明の二乗平均平方根高さSqは、微多孔膜の表面を白色干渉計を用いて測定し得られる。種々の検討の結果、捲回後の電池の小型化、薄膜化に対しては、mm単位で囲まれた面積における非接触測定での二乗平均平方根高さSqが重要な指標となることがわかり、微多孔膜の一方の表面と他方の表面のうち二乗平方根高さSqが大きい面において、二乗平均平方根高さSqを100nm以下とすることが電池の小型化、薄膜化に重要となる。mm単位で囲まれた面積とは、例えば、2.5mm×2.5mmの測定面積等が挙げられる。電池の小型化、薄膜化をより進行させる観点からは、二乗平均平方根高さSqは90nm以下が好ましく、80nm以下がより好ましく、65nm以下が特に好ましい。また、微多孔膜の易滑性を維持する観点からは、二乗平均平方根高さは10nm以上、より好ましくは20nm以上とすることが重要である。 In the embodiment of the present invention, it is important that the root-mean-square height Sq is 10 nm or more and 100 nm or less on the surface where the root-mean-square height Sq is large between one surface and the other surface of the microporous membrane. The root-mean-square height Sq of the present invention is obtained by measuring the surface of the microporous membrane using a white light interferometer. As a result of various studies, it has been found that the root-mean-square height Sq in non-contact measurement in an area surrounded in mm units is an important indicator for miniaturization and thinning of a battery after winding, and it is important for miniaturization and thinning of a battery to have the root-mean-square height Sq of 100 nm or less on the surface where the root-mean-square height Sq is large between one surface and the other surface of the microporous membrane. The area surrounded in mm units is, for example, a measurement area of 2.5 mm x 2.5 mm. From the viewpoint of further miniaturization and thinning of the battery, the root mean square height Sq is preferably 90 nm or less, more preferably 80 nm or less, and particularly preferably 65 nm or less. Also, from the viewpoint of maintaining the slipperiness of the microporous membrane, it is important that the root mean square height is 10 nm or more, more preferably 20 nm or more.
微多孔膜の一方の表面と他方の表面は、両面の二乗平均平方根高さSqが小さく、特定の範囲であれば、電池の薄膜化・小型化につながる。よって、二乗平均平方根高さSqの大きい面において、二乗平均平方根高さSqを特定範囲に規定すれば、反対の面の二乗平均平方根高さSqはより小さいことになるので、微多孔膜の両面ともが特定の範囲を超えることはない。 If the root mean square height Sq of both surfaces of the microporous membrane is small and within a specific range, this leads to thinner and smaller batteries. Therefore, if the root mean square height Sq of the surface with a large root mean square height Sq is set to a specific range, the root mean square height Sq of the opposite surface will be smaller, and neither surface of the microporous membrane will exceed the specific range.
膜の平滑性と易滑性の関係については、一般的には膜の表面を粗くして平滑性を低下させると動摩擦係数が小さくなり易滑性が高くなり、膜の平滑性と易滑性が相反する場合が多い。そのため、これらの両立は容易ではなく、種々の検討を行った結果、ポリオレフィン系微多孔膜の構成樹脂の80質量%以上を超高分子量ポリエチレンとし、かつ湿式延伸の面倍率を60倍以上とし、延伸後の熱固定温度をポリエチレン系樹脂の融点より25℃以上低い温度に設定して15分以上とする方法などが有効であることがわかった。このような構成、製造方法とすることで、微多孔膜表面に多数の微細フィブリル(繊維状樹脂構成物)を形成して微多孔膜同士の接触面積を低減して易滑性を発現するとともに、低温で長時間の熱固定を行うことで加熱による微多孔膜表面のフィブリル形状は維持しながら、微多孔膜のmm単位で囲まれた面積における二乗平均平方根高さSq、すなわち平滑性を良好とすることができる。微細フィブリルとは、三次元的に不規則に連結した平均直径数nm以上数百nm以下の繊維状の樹脂構成物である。 Regarding the relationship between the smoothness and slipperiness of a film, generally, when the smoothness of the film is reduced by roughening the surface of the film, the coefficient of dynamic friction decreases and the slipperiness increases, and the smoothness and slipperiness of the film are often contradictory. Therefore, it is not easy to achieve both of these, and as a result of various studies, it was found that a method in which 80% by mass or more of the constituent resin of the polyolefin-based microporous film is ultra-high molecular weight polyethylene, the areal ratio of wet stretching is 60 times or more, and the heat setting temperature after stretching is set to a temperature 25°C or more lower than the melting point of the polyethylene-based resin for 15 minutes or more is effective. With such a configuration and manufacturing method, a large number of fine fibrils (fibrous resin components) are formed on the surface of the microporous film to reduce the contact area between the microporous films and to exhibit slipperiness, and by performing heat setting at a low temperature for a long time, the fibril shape of the microporous film surface due to heating is maintained, while the root mean square height Sq in the area enclosed in mm units of the microporous film, i.e., the smoothness, can be improved. Microfibrils are fibrous resin structures that are irregularly connected in three dimensions and have an average diameter of several nanometers to several hundred nanometers.
本発明において、ポリオレフィン系微多孔膜は、回転させたロール等で搬送する際の耐傷付き性の観点から、膜の少なくとも片方の表面において、膜の表面と金属との動摩擦係数μmkが0.13以下であることが好ましい。耐傷付き性をより良好とする観点からは、膜の表面と金属との動摩擦係数μmkは0.08以下がより好ましく、0.04以下がさらに好ましい。膜の表面と金属との動摩擦係数μmkは、ASTM-D-1894に準じて、微多孔膜と金属箔(例えばSUS箔、アルミニウム箔)の動摩擦力を求めた後、微多孔膜の垂直抗力(すなわち膜に乗せたおもりの重力)で除して求めることができる。なお、具体的な測定方法としては、微多孔膜の一方の表面と金属箔の表面が触れるような向きになるように上下に重ねて設置し、上側に設置した微多孔膜のさらに上側にすべり片と呼ばれる200g重、接触面が63mm角のおもりを乗せた状態で、上側の微多孔膜に水平に力を加え、接触面を滑らせることで動摩擦力を求めることができる。 In the present invention, from the viewpoint of scratch resistance when transported by a rotating roll or the like, the polyolefin-based microporous membrane preferably has a dynamic friction coefficient μmk between the membrane surface and metal of 0.13 or less on at least one surface of the membrane. From the viewpoint of improving scratch resistance, the dynamic friction coefficient μmk between the membrane surface and metal is more preferably 0.08 or less, and even more preferably 0.04 or less. The dynamic friction coefficient μmk between the membrane surface and metal can be determined by determining the dynamic friction force between the microporous membrane and metal foil (e.g., SUS foil, aluminum foil) according to ASTM-D-1894, and then dividing it by the normal force of the microporous membrane (i.e., the gravity of a weight placed on the membrane). As a specific measurement method, the microporous membrane and the metal foil are stacked one on top of the other so that one surface of the microporous membrane and the surface of the metal foil are in contact with each other, and a 200 g weight called a sliding piece with a contact surface of 63 mm square is placed on top of the upper microporous membrane. A horizontal force is then applied to the upper microporous membrane, and the contact surfaces are slid to determine the kinetic friction force.
微多孔膜の表面と金属との動摩擦係数μmkを0.13以下とする方法としては、後述する湿式延伸において、幅方向の延伸倍率を長手方向よりも高い条件としつつ、かつ湿式延伸後の乾式延伸において長手方向の延伸倍率を幅方向よりも高い条件とする方法などが挙げられる。このような製造条件とすることで、微多孔膜の表面のフィブリルを長手方向に多く配向させて金属上で搬送方向に微多孔膜をずらした際の滑りやすさを向上させることができる。 Methods for making the dynamic friction coefficient μmk between the surface of the microporous membrane and metal 0.13 or less include a method in which the stretching ratio in the width direction is higher than that in the longitudinal direction in the wet stretching described below, and the stretching ratio in the longitudinal direction is higher than that in the width direction in the dry stretching after the wet stretching. By using such manufacturing conditions, it is possible to orient the fibrils on the surface of the microporous membrane more in the longitudinal direction, thereby improving the slipperiness when the microporous membrane is shifted on the metal in the transport direction.
本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性と平滑性を両立させる観点から、微多孔膜のFIB-SEM測定で得られる各断面像から作成された一辺が2.7μmの立方体の三次元画像において、フィブリル本数が870本/μm3以上2800本/μ3以下であり、該フィブリル平均直径が25nm以上60nm以下であることが好ましい。 From the viewpoint of achieving both easy lubrication and smoothness, the polyolefin-based microporous membrane according to an embodiment of the present invention preferably has a fibril count of 870/μm3 to 2800 / μm3 and an average fibril diameter of 25 nm to 60 nm in a three-dimensional image of a cube with a side length of 2.7 μm, which is created from each cross-sectional image obtained by FIB-SEM measurement of the microporous membrane.
FIB-SEM測定とは、集積イオンビーム(FIB)で微多孔膜の断面を一定間隔で削り取る操作(FIB切削)、ならびに削り取った面のSEM(走査型電子顕微鏡)画像の撮影を行う操作を繰り返すことで奥行き方向の一定間隔の連続画像を測定する方法を指す。具体的な測定方法の例としては、電子染色を施した樹脂を微多孔膜に含浸させ、空孔部の包埋処理を行ったのち、フィルムの断面が初期の観察面になるようにミクロトームを用いてフィルム断面の切片を作製する。得られたフィルム断面の切片を、奥行き方向に10nmずつ切削しながら、奥行き方向のSEM画像を順次撮影していく方法などが挙げられる。なお、各SEM画像の位置情報を特定させる方法としては、FIB切削を行う微多孔膜の観察画面の一部に金属成分を含んだマーキングを行っておき、マーキングした位置をもとに各画像の位置の相関を特定する方法などが用いられる。画像面積は3μm角から10μm角程度が好ましく、観察面が傾斜している場合は、傾斜を考慮して縮尺を換算してもよい。 FIB-SEM measurement refers to a method of measuring continuous images at regular intervals in the depth direction by repeatedly cutting off the cross section of a microporous membrane at regular intervals (FIB cutting) with a focused ion beam (FIB) and taking SEM (scanning electron microscope) images of the cut surface. A specific example of the measurement method is to impregnate a microporous membrane with a resin that has been subjected to electronic dyeing, embedding the pores, and then using a microtome to prepare a slice of the film cross section so that the cross section of the film becomes the initial observation surface. One example is a method of cutting the obtained slice of the film cross section by 10 nm in the depth direction while sequentially taking SEM images in the depth direction. In addition, as a method of specifying the position information of each SEM image, a method is used in which a marking containing a metal component is made on a part of the observation screen of the microporous membrane to be cut with FIB, and the correlation between the positions of each image is specified based on the marking position. The image area is preferably about 3 μm square to 10 μm square, and if the observation surface is inclined, the scale may be converted taking the inclination into account.
また、各断面画像から三次元画像を作成する方法としては、例えば、日本ビジュアルサイエンス社製「ExFact(登録商標)Analysis for Fiber」などの画像処理ソフトを用いて、ポリオレフィン系微多孔膜のうち、明部として観察される包埋処理された樹脂部分(明部樹脂部分、すなわち微多孔膜の空孔部に相当する部分)とポリオレフィン系微多孔膜を構成する樹脂の部分(構成樹脂部分)に二値化処理を行った後、二値化処理の情報を元にして三次元の立体画像化を行う。三次元の立体画像について、日本ビジュアルサイエンス社製「ExFact(登録商標)Analysis for Fiber」などの画像処理ソフトを用いてポリオレフィン系微多孔膜を構成する樹脂部分の細線化処理を行うことで、ポリオレフィン系微多孔膜内部の構成樹脂部分の三次元画像を作成する方法などが挙げられる。作成する三次元画像のサイズについては、解析時間や解析パラメータの再現性の観点から、本願発明では2.7μmの長さの辺で囲まれた立方体とすることとする。 In addition, a method for creating a three-dimensional image from each cross-sectional image may involve, for example, using image processing software such as "ExFact (registered trademark) Analysis for Fiber" manufactured by Japan Visual Science Co., Ltd. to perform binarization processing on the embedded resin portion (bright resin portion, i.e., the portion corresponding to the pore portion of the microporous membrane) observed as a bright portion of the polyolefin-based microporous membrane and the resin portion (constituent resin portion) constituting the polyolefin-based microporous membrane, and then creating a three-dimensional stereoscopic image based on the information from the binarization processing. Regarding the three-dimensional stereoscopic image, a method may be used in which a three-dimensional image of the constituent resin portion inside the polyolefin-based microporous membrane is created by performing a thinning process on the resin portion constituting the polyolefin-based microporous membrane using image processing software such as "ExFact (registered trademark) Analysis for Fiber" manufactured by Japan Visual Science Co., Ltd. In terms of the size of the three-dimensional image to be created, from the perspective of analysis time and reproducibility of analysis parameters, in this invention, the image will be a cube with sides 2.7 μm long.
フィブリル本数は、三次元画像で得られた構成樹脂部分について、日本ビジュアルサイエンス社製「ExFact(登録商標)Analysis for Fiber」などの画像処理ソフトを用いて、細線化処理を行った構成樹脂部分の線を、交差、分岐している部分で分割処理を行った後の細線の数を求めた後、1μm3あたりの本数に換算した値とする。なお、具体的な分割処理の例としては、X字型の箇所については4本、Y字型の箇所については3本、T字型の箇所については3本に分割を行う処理方法とする。 The number of fibrils is determined by dividing the lines of the constituent resin parts obtained from the three-dimensional image by dividing them at the intersections and branches of the lines of the constituent resin parts that have been subjected to a dividing process using image processing software such as "ExFact (registered trademark) Analysis for Fiber" manufactured by Japan Visual Science Co., Ltd., and then converting the number of fibrils per 1 μm3. As a specific example of the dividing process, an X-shaped portion is divided into four, a Y-shaped portion into three, and a T-shaped portion into three.
本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性と平滑性をともに良好とする観点からは、微多孔膜の上述のFIB-SEM測定で得られる各断面像から作成された2.7μm角の三次元画像におけるフィブリル本数は1000本/μm3以上がより好ましく、1250本/μm3以上がさらに好ましく、1400本/μm3以上がさらに好ましい。 From the viewpoint of achieving both good lubricity and smoothness, the polyolefin-based microporous membrane according to an embodiment of the present invention has a fibril count of preferably 1000/μm3 or more , more preferably 1250/μm3 or more, and even more preferably 1400/ μm3 or more in a 2.7 μm square three-dimensional image created from each cross-sectional image obtained by the above-mentioned FIB-SEM measurement of the microporous membrane.
本発明において、微多孔膜のFIB-SEM測定で得られる各断面像から作成された2.7μm角の三次元画像において、フィブリル本数を870本/μm3が2800本/μm3以下とする方法としては、ポリオレフィン系微多孔膜を構成する樹脂の80質量%以上を、超高分子量ポリエチレンとし、かつ湿式延伸の面倍率を60倍以上とし、さらに製造時の樹脂濃度(ポリオレフィン系樹脂溶液全量を100質量%とした際のポリエチレン等の各樹脂の合計量の比率)を30質量%未満とする方法が挙げられる。本発明の実施形態においては、ポリオレフィン系微多孔膜を構成する樹脂の80質量%以上を高分子量ポリエチレン系樹脂とすることで、延伸前のキャストシートでのポリエチレンの球晶成長が抑制でき、キャストシート構造を均一化できるため、湿面倍率を60倍以上とした湿式延伸と組み合わせることで、均一な開孔が可能となり、微多孔膜の表面に微細なフィブリルを多数配置させることが可能となる。 In the present invention, a method for reducing the number of fibrils from 870/μm3 to 2800/μm3 or less in a 2.7 μm square three -dimensional image created from each cross-sectional image obtained by FIB-SEM measurement of the microporous membrane includes a method in which 80% by mass or more of the resin constituting the polyolefin microporous membrane is ultra-high molecular weight polyethylene, the areal magnification of wet stretching is 60 times or more, and the resin concentration during production (the ratio of the total amount of each resin such as polyethylene when the total amount of the polyolefin resin solution is taken as 100% by mass) is less than 30% by mass. In an embodiment of the present invention, by using a high molecular weight polyethylene resin as 80% by mass or more of the resin constituting the polyolefin microporous membrane, spherulite growth of polyethylene in the cast sheet before stretching can be suppressed and the cast sheet structure can be made uniform, and therefore, by combining with wet stretching with a wet areal magnification of 60 times or more, uniform pore opening is possible and a large number of fine fibrils can be arranged on the surface of the microporous membrane.
本発明のポリオレフィン系微多孔膜は、リチウムイオン二次電池のセパレータとして使用した際の電池の耐衝撃性を向上させる観点から、突刺強度が180gf以上700gf以下であることが好ましい。リチウムイオン二次電池のセパレータとして使用した際の電池の耐衝撃性をより高める観点からは、突刺強度は250gf以上がより好ましく、350gf以上がさらに好ましく、500gf以上が特に好ましい。また、電池の耐衝撃性の観点からは、ポリオレフィン系微多孔膜の強度は高いほど好ましいが、熱収縮率など他物性とのバランスを良好とする観点からは、700gf以下が好ましい。なお、本発明における突刺強度は、厚みを10μmに換算した際の突刺強度とする。 From the viewpoint of improving the impact resistance of the battery when used as a separator for a lithium ion secondary battery, the polyolefin-based microporous film of the present invention preferably has a puncture strength of 180 gf or more and 700 gf or less. From the viewpoint of further improving the impact resistance of the battery when used as a separator for a lithium ion secondary battery, the puncture strength is more preferably 250 gf or more, even more preferably 350 gf or more, and particularly preferably 500 gf or more. From the viewpoint of the impact resistance of the battery, the higher the strength of the polyolefin-based microporous film, the more preferable it is, but from the viewpoint of a good balance with other physical properties such as the thermal shrinkage rate, 700 gf or less is preferable. Note that the puncture strength in the present invention is the puncture strength when the thickness is converted to 10 μm.
ポリオレフィン系微多孔膜の突刺強度を180gf以上700gf以下とする方法としては、ポリオレフィン系微多孔膜の構成樹脂の80質量%以上を、超高分子量ポリエチレンとし、かつ湿式延伸の面倍率を60倍以上とし、かつポリオレフィン系微多孔膜の空孔率を35%以上55%以下とする方法が挙げられる。 A method for making the pin puncture strength of a polyolefin-based microporous membrane 180 gf or more and 700 gf or less includes making 80% by mass or more of the constituent resin of the polyolefin-based microporous membrane ultra-high molecular weight polyethylene, making the areal ratio of the wet stretching 60 times or more, and making the porosity of the polyolefin-based microporous membrane 35% or more and 55% or less.
本発明のポリオレフィン系微多孔膜は、厚みが3μm以上14μm以下であることが、リチウムイオン電池のセパレータとして使用した際に、電極間の距離を小さくすることができ、電池部材の積層数を増加することが可能になることから、電池の高容量化の観点で好ましい。厚みを3μm以上14μm以下とする方法としては、湿式延伸方式を採用し、延伸倍率や製造時のライン速度を高める方法などが用いられる。電池を高容量化させる観点からは、ポリオレフィン系微多孔膜の厚みは12μm以下がより好ましく、10μm以下がさらに好ましく、7μm以下がさらに好ましい。
本発明のポリオレフィン系微多孔膜は、130℃1時間での熱収縮率が長手方向、幅方向とも20%以下であることが、リチウムイオン電池のセパレータとして使用した際に高温状態で保持された際の寸法安定性が良好となり、セパレータ端部の変形を起因とした絶縁不良が生じにくくなるため好ましい。ポリオレフィン系微多孔膜のうち特にポリエチレン系樹脂を主成分とした微多孔膜については、一般的に120~150℃付近に到達すると孔が閉塞するシャットダウン機能を有しており、リチウムイオン電池のセパレータとして使用した際にリチウムイオンの移動を停止させて電池の熱暴走を抑制させる機能を有する。そのため、シャットダウンが起こる直前の温度まではリチウムイオン電池が一定時間保持される場合があり、この温度領域(例えば130℃など)でセパレータの変形が大きいとリチウムイオン電池内での正極と負極の間で短絡が発生し、発火等の不具合につながる場合がある。
本発明のポリオレフィン系微多孔膜は、130℃1時間での熱収縮率が長手方向、幅方向とも18%以下であることが、高温での寸法安定性を良好とする観点からより好ましい。また、130℃1時間での熱収縮率はシャットダウン特性を維持する観点からは、長手方向、幅方向とも3%以上であることが好ましい。
130℃1時間での熱収縮率を長手方向、幅方向とも20%以下とする方法としては、後述する、乾燥したポリオレフィン系微多孔膜を少なくとも一軸方向に延伸(再延伸)する工程にて、再延伸温度を130℃以上とする方法などが挙げられる。
The polyolefin microporous film of the present invention has a thickness of 3 μm or more and 14 μm or less, which is preferable from the viewpoint of increasing the capacity of the battery, since when used as a separator of a lithium ion battery, the distance between electrodes can be reduced and the number of stacked battery components can be increased.As a method for making the thickness 3 μm or more and 14 μm or less, a method of adopting a wet stretching method and increasing the stretching ratio or the line speed during production is used.From the viewpoint of increasing the capacity of the battery, the thickness of the polyolefin microporous film is more preferably 12 μm or less, more preferably 10 μm or less, and even more preferably 7 μm or less.
The polyolefin microporous film of the present invention is preferably 20% or less in both the longitudinal and transverse directions at 130°C for 1 hour, because when used as a separator for a lithium ion battery, the film has good dimensional stability when held at high temperatures, and insulation failure caused by deformation at the separator end is unlikely to occur. Among polyolefin microporous films, microporous films mainly composed of polyethylene resins in particular have a shutdown function in which the pores are closed when the temperature reaches approximately 120 to 150°C, and when used as a separator for a lithium ion battery, they have a function of stopping the movement of lithium ions and suppressing thermal runaway of the battery. Therefore, the lithium ion battery may be held for a certain period of time up to a temperature just before shutdown occurs, and if the separator is significantly deformed in this temperature range (e.g., 130°C), a short circuit may occur between the positive and negative electrodes in the lithium ion battery, leading to problems such as fire.
The polyolefin microporous membrane of the present invention preferably has a heat shrinkage rate of 18% or less in both the longitudinal and transverse directions at 130° C. for 1 hour from the viewpoint of improving dimensional stability at high temperatures. Also, the heat shrinkage rate of 3% or more in both the longitudinal and transverse directions at 130° C. for 1 hour from the viewpoint of maintaining shutdown properties.
An example of a method for making the heat shrinkage rate at 130°C for 1 hour 20% or less in both the longitudinal and transverse directions is a method in which the re-stretching temperature is 130°C or higher in a step of stretching (re-stretching) a dried polyolefin-based microporous membrane in at least one axial direction, as described below.
ポリオレフィン系微多孔膜を製造する際には、ロール状態に巻き取った中間製品を作製した後、中間製品をリール状にスリットして製品化する方法が一般的に用いられる。中間製品やスリット後の製品として見られるポリオレフィン系微多孔膜ロールは、長手方向に広範囲にわたり、良好で均一な易滑性と平滑性を有する。均一性を評価する指標の一つとして変動係数がある。変動係数とは、測定値(N個)の標準偏差を平均値で除した値である。 When manufacturing polyolefin-based microporous membranes, a common method is to prepare an intermediate product wound into a roll, and then slit the intermediate product into a reel shape to produce the finished product. Polyolefin-based microporous membrane rolls, which are seen as intermediate products or products after slitting, have good and uniform slipperiness and smoothness over a wide range in the longitudinal direction. One index for evaluating uniformity is the coefficient of variation. The coefficient of variation is the standard deviation of the measured values (N pieces) divided by the average value.
広範囲での平滑性を良好とする観点から、ロール状態から長手方向に10mの長さの微多孔膜を切り取り、微多孔膜の長手方向に等間隔で10点以上測定した際の二乗平均平方根高さSqの変動係数が10%以下であることが好ましい。ポリオレフィン系微多孔膜ロールは、平滑性をより良好とする観点から、二乗平均平方根高さSqの変動係数が8%以下となることがより好ましく、6%以下がさらに好ましい。 From the viewpoint of achieving good smoothness over a wide range, it is preferable that the coefficient of variation of the root mean square height Sq when a 10 m long microporous membrane is cut from the roll in the longitudinal direction and 10 or more points are measured at equal intervals in the longitudinal direction of the microporous membrane is 10% or less. From the viewpoint of achieving better smoothness, it is more preferable that the coefficient of variation of the root mean square height Sq of the polyolefin microporous membrane roll is 8% or less, and even more preferably 6% or less.
また、本発明のポリオレフィン系微多孔膜ロールは、広範囲での易滑性を良好とする観点から、ロール状態から長手方向に1mの長さの微多孔膜を、20カ所以上切り取り、任意の組合せで微多孔膜の一方の表面と他方の表面が触れるような向きになるように微多孔膜を上下に重ねて設置して、動摩擦力μkを10回以上測定した際に、動摩擦係数μkの変動係数が10%以下となることが好ましい。ポリオレフィン系微多孔膜ロールは、易平滑性をより良好とする観点から、動摩擦係数μkの変動係数が8%以下となることがより好ましく、6%以下が特に好ましい。 In addition, from the viewpoint of improving the easy slippage over a wide range, the polyolefin-based microporous membrane roll of the present invention is preferably such that when the microporous membrane having a length of 1 m in the longitudinal direction is cut from the rolled state at 20 or more locations, the microporous membranes are stacked one on top of the other in any combination so that one surface of the microporous membrane is in contact with the other surface, and the dynamic friction force μk is measured 10 or more times, the coefficient of variation of the dynamic friction coefficient μk is 10% or less. From the viewpoint of improving the easy slippage over a wide range, the coefficient of variation of the dynamic friction coefficient μk of the polyolefin-based microporous membrane roll is more preferably 8% or less, and particularly preferably 6% or less.
微多孔膜ロールの二乗平均平方根高さSqと動摩擦係数μkの変動係数を所望の範囲とするための方法としては、ポリオレフィン系微多孔膜の構成樹脂の80質量%以上を超高分子量ポリエチレンとし、かつ湿式延伸の面倍率を60倍以上とし、延伸後の熱固定温度をポリエチレン系樹脂の融点より25℃以上低い温度と設定して15分以上かけて、安定に連続生産することで、動摩擦係数μkや二乗平均平方根高さSqなどを所望の範囲とする方法などが挙げられる。 Methods for setting the root mean square height Sq and the coefficient of variation of the dynamic friction coefficient μk of the microporous membrane roll within the desired range include a method in which 80% by mass or more of the constituent resin of the polyolefin-based microporous membrane is ultra-high molecular weight polyethylene, the areal ratio of the wet stretching is 60 times or more, the heat setting temperature after stretching is set to a temperature 25°C or more lower than the melting point of the polyethylene-based resin, and the film is produced stably and continuously for 15 minutes or more, thereby setting the dynamic friction coefficient μk and the root mean square height Sq within the desired range.
本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜は、リチウムイオン電池に搭載した際の耐熱性を向上させる観点から、さらに耐熱性樹脂層を積層し、積層体としてもよい。耐熱性樹脂層としては、各種フッ素系樹脂、アクリル系樹脂、芳香族ポリアミド径樹脂などの電池の電解液に不溶であり、かつ電池使用条件の範囲において電気的に安定な樹脂が好ましく用いられる。また、耐熱性樹脂層には、耐熱性を更に向上させる観点から、有機粉末、無機粉末、またはこれら混合物をフィラーとして含有してもよく、例えば有機粉末としては、フッ素系樹脂、メラミン系樹脂、芳香族ポリアミド系樹脂等が、無機粉末としては、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物、炭酸塩、硫酸塩等、さらに具体的にはアルミナ、シリカ、二酸化チタン、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウムなどを用いることができる。 The polyolefin-based microporous film according to the embodiment of the present invention may be laminated with a heat-resistant resin layer to improve the heat resistance when mounted on a lithium-ion battery. As the heat-resistant resin layer, resins that are insoluble in the electrolyte of the battery and are electrically stable within the range of the battery use conditions, such as various fluorine-based resins, acrylic resins, and aromatic polyamide resins, are preferably used. In addition, the heat-resistant resin layer may contain an organic powder, an inorganic powder, or a mixture thereof as a filler to further improve the heat resistance. For example, the organic powder may be a fluorine-based resin, a melamine-based resin, an aromatic polyamide-based resin, etc., and the inorganic powder may be a metal oxide, a metal nitride, a metal carbide, a metal hydroxide, a carbonate, a sulfate, etc., more specifically, alumina, silica, titanium dioxide, aluminum hydroxide, calcium carbonate, etc. can be used.
次に、本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜の製造方法例について以下に説明するが、本発明はかかる例に限定して解釈されるものではない。 Next, an example of a method for producing a polyolefin-based microporous membrane according to an embodiment of the present invention will be described below, but the present invention should not be interpreted as being limited to this example.
本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜の製造方法は、以下の(a)~(e)の工程を有することが好ましい。
(a)1種又は2種以上のポリオレフィン系樹脂と、必要に応じて溶媒とを含むポリマー材料を溶融混練し、ポリオレフィン系樹脂溶液を調製する工程
(b)溶解物を押出し、シート状に成型して冷却固化する工程
(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延伸を行う工程
(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工程
(e)熱処理/再延伸を行う工程
以下、各工程について説明する。
The method for producing a microporous polyolefin membrane according to an embodiment of the present invention preferably includes the following steps (a) to (e).
(a) A process for melt-kneading a polymer material containing one or more polyolefin-based resins and, if necessary, a solvent to prepare a polyolefin-based resin solution; (b) A process for extruding the melt, forming it into a sheet, and cooling and solidifying it; (c) A process for stretching the obtained sheet by a roll method or a tenter method; (d) A process for extracting the plasticizer from the obtained stretched film and drying the film; (e) A process for heat treatment/re-stretching. Each process will be explained below.
(a)ポリオレフィン系樹脂溶液の調製工程
本発明の実施形態に用いられるポリオレフィン系樹脂を、可塑剤に加熱溶解させ、ポリオレフィン系樹脂溶液を調製する。可塑剤としては、ポリオレフィン系樹脂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、溶剤は室温で液体であることが好ましい。
(a) Preparation of polyolefin resin solution The polyolefin resin used in the embodiment of the present invention is dissolved in a plasticizer by heating to prepare a polyolefin resin solution. The plasticizer is not particularly limited as long as it is a solvent that can sufficiently dissolve the polyolefin resin, but it is preferable that the solvent is liquid at room temperature in order to enable stretching at a relatively high ratio.
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。 Solvents include aliphatic, cycloaliphatic or aromatic hydrocarbons such as nonane, decane, decalin, paraxylene, undecane, dodecane and liquid paraffin, as well as mineral oil fractions with corresponding boiling points, and phthalate esters that are liquid at room temperature, such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate. In order to obtain a gel-like sheet with a stable liquid solvent content, it is preferable to use a non-volatile liquid solvent such as liquid paraffin.
溶剤の比率としては、微細なフィブリルの構造を特定範囲に制御しやすくする観点から、ポリオレフィン系樹脂溶液の全量を100質量%とした際の溶剤濃度が70質量%を超える範囲が好ましい。溶融混練状態では、ポリオレフィン系樹脂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恐れがある。 From the viewpoint of making it easier to control the fine fibril structure within a specific range, it is preferable that the solvent concentration is in the range of more than 70% by mass when the total amount of the polyolefin resin solution is taken as 100% by mass. A solvent that is miscible with the polyolefin resin in the melt-kneaded state but is solid at room temperature may be mixed with the liquid solvent. Examples of such solid solvents include stearyl alcohol, ceryl alcohol, and paraffin wax. However, if only a solid solvent is used, there is a risk of uneven stretching, etc.
液体溶剤の粘度は40℃において20~200cStであることが好ましい。40℃における粘度を20cSt以上とすれば、ダイからポリオレフィン系樹脂溶液を押し出したシートが不均一になりにくい。一方、40℃における粘度を200cSt以下とすれば液体溶剤の除去が容易である。なお、液体溶剤の粘度は、ウベローデ粘度計を用いて40℃で測定した粘度である。 The viscosity of the liquid solvent is preferably 20 to 200 cSt at 40°C. If the viscosity at 40°C is 20 cSt or more, the sheet extruded from the die of the polyolefin resin solution is less likely to be non-uniform. On the other hand, if the viscosity at 40°C is 200 cSt or less, the liquid solvent is easily removed. The viscosity of the liquid solvent is measured at 40°C using an Ubbelohde viscometer.
(b)押出物の形成およびゲル状シートの形成
ポリオレフィン系樹脂溶液の均一な溶融混練方法は、特に限定されないが、高濃度のポリオレフィン系樹脂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、ステアリン酸カルシウム等の金属石鹸類、紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤など公知の添加剤も、製膜性を損なうことなく、本発明の効果を損なわない範囲で添加してもよい。特にポリオレフィン系樹脂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。
(b) Formation of extrudate and formation of gel-like sheet The method of homogeneous melt kneading of polyolefin resin solution is not particularly limited, but when preparing a high-concentration polyolefin resin solution, it is preferable to carry out in a twin-screw extruder. If necessary, known additives such as metal soaps such as calcium stearate, ultraviolet absorbers, light stabilizers, antistatic agents, etc. may be added within a range that does not impair film formability and does not impair the effects of the present invention. In particular, it is preferable to add an antioxidant to prevent oxidation of polyolefin resin.
押出機中では、ポリオレフィン系樹脂が完全に溶融する温度で、ポリオレフィン系樹脂溶液を均一に混合する。溶融混練温度は、使用するポリオレフィン系樹脂によってことなるが、(ポリオレフィン系樹脂の融点+10℃)~(ポリオレフィン系樹脂の融点+120℃)とするのが好ましい。さらに好ましくは(ポリオレフィン系樹脂の融点+20℃)~(ポリオレフィン系樹脂の融点+100℃)である。 In the extruder, the polyolefin resin solution is mixed uniformly at a temperature at which the polyolefin resin is completely melted. The melt-kneading temperature varies depending on the polyolefin resin used, but is preferably between (melting point of polyolefin resin + 10°C) and (melting point of polyolefin resin + 120°C). More preferably, it is between (melting point of polyolefin resin + 20°C) and (melting point of polyolefin resin + 100°C).
ここで、融点とは、JIS K7121(1987)に基づき、DSC(Differential scanning calorimetry)により測定した値をいう。例えば、ポリオレフィン系樹脂がポリエチレン系樹脂である場合、ポリエチレン系樹脂の溶融混練温度は140~250℃の範囲が好ましい。さらに好ましくは、160~230℃、さらに好ましくは170~200℃である。具体的には、ポリエチレン系樹脂は約130~140℃の融点を有するので、溶融混練温度は140~250℃が好ましく、180~230℃がさらに好ましい。 The melting point here refers to a value measured by DSC (Differential Scanning Calorimetry) based on JIS K7121 (1987). For example, when the polyolefin resin is a polyethylene resin, the melt-kneading temperature of the polyethylene resin is preferably in the range of 140 to 250°C. More preferably, it is 160 to 230°C, and even more preferably, it is 170 to 200°C. Specifically, since the polyethylene resin has a melting point of about 130 to 140°C, the melt-kneading temperature is preferably 140 to 250°C, and even more preferably, 180 to 230°C.
ポリオレフィン系樹脂の劣化を抑制する観点から溶融混練温度は低い方が好ましいが、上述の温度よりも低いとダイから押出された押出物に未溶融物が発生し、後の延伸工程で破膜等を引き起こす原因となる場合がある。また、上述の温度より高いと、ポリオレフィン系樹脂の熱分解が激しくなり、得られるポリオレフィン系微多孔膜の物性、例えば、強度や空孔率等が悪化する場合がある。また、分解物が冷却ロールや延伸工程上のロール等に析出し、シートに付着することで外観悪化につながる。そのため、溶融混練温度は上記範囲内で混練することが好ましい。 From the viewpoint of suppressing deterioration of the polyolefin resin, a lower melt-kneading temperature is preferable, but if the temperature is lower than the above-mentioned temperature, unmelted material may be generated in the extrudate extruded from the die, which may cause film breakage in the subsequent stretching process. If the temperature is higher than the above-mentioned temperature, the thermal decomposition of the polyolefin resin becomes intense, and the physical properties of the obtained polyolefin microporous film, such as strength and porosity, may deteriorate. In addition, the decomposition products may precipitate on the cooling roll or the rolls in the stretching process, and adhere to the sheet, leading to a deterioration in the appearance. Therefore, it is preferable to knead the melt-kneading temperature within the above-mentioned range.
次に、得られた押出物を冷却することによりゲル状シートが得られ、冷却により、溶剤によって分離されたポリオレフィン系樹脂のミクロ相を固定化することができる。冷却工程においてゲル状シートを10~50℃まで冷却するのが好ましい。これは、最終冷却温度を結晶化終了温度以下とするためで、高次構造を細かくすることで、その後の延伸において均一延伸が行いやすくなる。そのため、冷却は少なくともゲル化温度以下までは30℃/分以上の速度で行うのが好ましい。 Next, the resulting extrudate is cooled to obtain a gel-like sheet, and the microphase of the polyolefin resin separated by the solvent can be fixed by cooling. In the cooling step, it is preferable to cool the gel-like sheet to 10 to 50°C. This is to make the final cooling temperature below the crystallization end temperature, and by making the higher-order structure finer, it becomes easier to perform uniform stretching in the subsequent stretching. Therefore, it is preferable to cool at a rate of 30°C/min or more until the temperature is at least below the gelling temperature.
一般に冷却速度が遅いと、比較的大きな結晶が形成されるため、ゲル状シートの高次構造が粗くなり、それを形成するゲル構造も大きなものとなる。対して冷却速度が速いと、小さく均一な結晶が形成されるため、ゲル状シートの高次構造が密となり、均一延伸に加え未開口部低減につながる。 In general, when the cooling rate is slow, relatively large crystals are formed, resulting in a coarse higher-order structure of the gel-like sheet and a large gel structure. In contrast, when the cooling rate is fast, small and uniform crystals are formed, resulting in a dense higher-order structure of the gel-like sheet, which leads to uniform stretching and a reduction in unopened areas.
冷却方法としては、冷風、冷却水、その他の冷却媒体に直接接触させる方法、冷媒で冷却したロールに接触させる方法、キャスティングドラム等を用いる方法等がある。 Cooling methods include direct contact with cold air, cooling water, or other cooling media, contact with a roll cooled with a refrigerant, or using a casting drum, etc.
これまでポリオレフィン系微多孔膜が単層の場合を説明してきたが、本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜は単層に限定されるものではなく、積層体にしてもよい。積層数は特に限定は無く、2層積層であっても3層以上の積層であってもよい。 So far, the polyolefin-based microporous film has been described as being single-layered, but the polyolefin-based microporous film according to the embodiment of the present invention is not limited to being single-layered, and may be a laminate. There is no particular limit to the number of layers, and the film may be a two-layer laminate or a three-layer or more laminate.
ポリオレフィン系微多孔膜を積層体とする方法としては、例えば、所望の樹脂を必要に応じて調製し、これらの樹脂を別々に押出機に供給して所望の温度で溶融させ、ポリマー管あるいはダイ内で合流させて、目的とするそれぞれの層の厚みでスリット状ダイから押出しを行う等して、積層体を形成する方法などが挙げられる。 Examples of methods for forming a polyolefin-based microporous film into a laminate include a method in which desired resins are prepared as needed, these resins are fed separately to an extruder and melted at a desired temperature, and the resins are joined in a polymer tube or die, and extruded through a slit die to the desired thickness for each layer to form a laminate.
(c)湿式延伸工程
得られたゲル状(積層シートを含む)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シート搬送方向(MD方向)への一軸延伸、テンターによるシート幅方向(TD方向)への一軸延伸、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や同時二軸テンターによる同時二軸延伸等が挙げられる。
(c) Wet stretching step The gel-like sheet (including laminated sheet) thus obtained is stretched. Examples of the stretching method that can be used include uniaxial stretching in the sheet conveying direction (MD) using a roll stretching machine, uniaxial stretching in the sheet width direction (TD) using a tenter, sequential biaxial stretching using a combination of a roll stretching machine and a tenter, or a combination of a tenter and a tenter, and simultaneous biaxial stretching using a simultaneous biaxial tenter.
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7倍以上に延伸することが好ましい。また、動摩擦係数μkや表面の二乗平均平方根高さSqなどを所望の範囲とする観点から、面倍率は60倍以上が好ましく、80倍以上がより好ましく、100倍以上が特に好ましい。また、ポリオレフィン系微多孔膜の製造時の破れを抑制する観点からは、面倍率は150倍以下が好ましい。また、搬送方向、幅方向のそれぞれの延伸倍率は、後述する乾式延伸との組み合わせにより金属との易滑性を良好とする観点からは、幅方向の延伸倍率が搬送方向よりも大きく設定することが好ましく、幅方向の延伸倍率は搬送方向の延伸倍率に対して好ましくは1.4倍以上、より好ましくは1.6倍以上とすることが好ましい。 The stretching ratio varies depending on the thickness of the gel-like sheet, but it is preferable to stretch to 7 times or more in either direction from the viewpoint of uniformity of the film thickness. In addition, from the viewpoint of setting the dynamic friction coefficient μk and the root mean square height Sq of the surface in the desired range, the areal ratio is preferably 60 times or more, more preferably 80 times or more, and particularly preferably 100 times or more. In addition, from the viewpoint of suppressing breakage during the production of the polyolefin-based microporous film, the areal ratio is preferably 150 times or less. In addition, with regard to the stretching ratios in the conveying direction and the width direction, from the viewpoint of improving the easy sliding property with metal by combining with the dry stretching described later, it is preferable to set the stretching ratio in the width direction larger than the stretching direction, and the stretching ratio in the width direction is preferably 1.4 times or more, more preferably 1.6 times or more, relative to the stretching ratio in the conveying direction.
延伸工程における延伸均一性向上の観点から、延伸倍率と原料構成の好ましい形態は重量平均分子量(Mw)が100万以上の超高分子量ポリエチレンをゲル状シートに含まれる全ポリオレフィン系樹脂量の全質量を100質量%とした際に80質量%以上含有する構成として、面倍率60倍以上に湿式のゲル状シートから延伸することであり、より好ましくは10×10倍以上に湿式で延伸することである。さらに好ましい形態は、Mw200万以上の超高分子量ポリエチレンを、キャストシート全質量を100質量%とした際に80質量%以上含有する構成として、面倍率60倍以上に湿式のゲル状シートから延伸することであり、より好ましくは10×10倍以上に湿式で延伸することである。 From the viewpoint of improving the stretching uniformity in the stretching process, the preferred form of the stretching ratio and raw material composition is to stretch from a wet gel-like sheet at an areal ratio of 60 times or more, and more preferably to stretch from a wet gel-like sheet at a areal ratio of 10 x 10 times or more, with the ultra-high molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight (Mw) of 1 million or more being 80% by mass or more when the total mass of the total polyolefin resin contained in the gel-like sheet is taken as 100% by mass. An even more preferred form is to stretch from a wet gel-like sheet at an areal ratio of 60 times or more, and more preferably to stretch from a wet gel-like sheet at a areal ratio of 10 x 10 times or more, with the ultra-high molecular weight polyethylene having a Mw of 2 million or more being 80% by mass or more when the total mass of the cast sheet is taken as 100% by mass.
また、重量平均分子量(Mw)が100万以上の超高分子量ポリエチレンは、ゲル状シートに含まれる全ポリオレフィン系樹脂量の全質量を100質量%とした際に、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95%質量以上である。 The ultra-high molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight (Mw) of 1,000,000 or more preferably accounts for 90% by mass or more, and more preferably 95% by mass or more, when the total mass of all polyolefin resins contained in the gel-like sheet is taken as 100% by mass.
延伸温度はゲル状シートの融点+10℃以下にすることが好ましく、(ポリオレフィン系樹脂の結晶分散温度)~(ゲル状シートの融点+5℃)の範囲にするのがより好ましい。具体的には、ポリエチレン組成物の場合は約90~110℃の結晶分散温度を有するので、延伸温度は好ましくは100~130℃であり、より好ましくは115~125℃であり、さらに好ましく117.5~125℃である。結晶分散温度TcdはASTM D 4065(2012)に従って測定した動的粘弾性の温度特性から求める。 The stretching temperature is preferably set to the melting point of the gel-like sheet + 10°C or less, and more preferably in the range of (crystal dispersion temperature of polyolefin resin) to (melting point of gel-like sheet + 5°C). Specifically, since a polyethylene composition has a crystal dispersion temperature of about 90 to 110°C, the stretching temperature is preferably 100 to 130°C, more preferably 115 to 125°C, and even more preferably 117.5 to 125°C. The crystal dispersion temperature Tcd is determined from the temperature characteristics of the dynamic viscoelasticity measured according to ASTM D 4065 (2012).
延伸温度が90℃未満であると低温延伸のため開孔が不十分となり膜厚の均一性が得られにくく、空孔率も低くなる。延伸温度は130℃より高いと、シートの融解が起こり、孔の閉塞が起こりやすくなる場合がある。 If the stretching temperature is less than 90°C, the pores will be insufficient due to low-temperature stretching, making it difficult to achieve uniformity in film thickness and reducing the porosity. If the stretching temperature is higher than 130°C, the sheet may melt and the pores may become easily blocked.
以上のような延伸によりゲルシートの高次構造の開裂が起こり、結晶相が微細化し、多数のフィブリルが形成される。フィブリルは三次元的に不規則に連結した網目構造を形成する。延伸により機械的強度が向上するとともに、細孔形成されるため本発明のポリオレフィン系微多孔膜は電池用セパレータに好適となる。 The stretching described above causes the higher-order structure of the gel sheet to break down, the crystal phase to become finer, and numerous fibrils to form. The fibrils form a network structure in which they are irregularly connected three-dimensionally. The stretching improves the mechanical strength and forms pores, making the polyolefin-based microporous membrane of the present invention suitable for use as a battery separator.
また、可塑剤を除去する前に延伸することにより、ポリオレフィン系樹脂が十分に可塑化し軟化した状態であるために、高次構造の開裂がスムーズになり、結晶相の微細化を均一に行うことができる。また、可塑剤を除去する前に延伸することで容易に高次構造が開裂するため、延伸時のひずみが残りにくく、可塑剤を除去した後に延伸する場合に比べて熱収縮率を低くすることができる。 In addition, by stretching before removing the plasticizer, the polyolefin resin is in a sufficiently plasticized and softened state, which allows the higher-order structure to be cleaved smoothly and allows the crystal phase to be uniformly refined. In addition, by stretching before removing the plasticizer, the higher-order structure is easily cleaved, so distortion during stretching is less likely to remain, and the thermal shrinkage rate can be reduced compared to when stretching after removing the plasticizer.
(d)可塑剤抽出(洗浄)・乾燥工程
次に、ゲル状シート中に残留する可塑剤(溶剤)を、洗浄溶剤を用いて除去する。ポリオレフィン系樹脂相と溶媒相とは分離しているため、溶剤を除去することによりポリオレフィン系微多孔膜が得られる。
(d) Plasticizer Extraction (Washing) and Drying Step Next, the plasticizer (solvent) remaining in the gel-like sheet is removed using a washing solvent. Since the polyolefin resin phase and the solvent phase are separated, a polyolefin microporous membrane is obtained by removing the solvent.
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等が挙げられる。 Examples of cleaning solvents include saturated hydrocarbons such as pentane, hexane, and heptane; chlorinated hydrocarbons such as methylene chloride and carbon tetrachloride; ethers such as diethyl ether and dioxane; ketones such as methyl ethyl ketone; and chain fluorocarbons such as ethane trifluoride.
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の乾燥時に気-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に優れたポリオレフィン系微多孔膜が得られる。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。 These cleaning solvents have low surface tension (for example, 24 mN/m or less at 25°C). By using a cleaning solvent with low surface tension, the network structure that forms the micropores is prevented from shrinking due to the surface tension at the air-liquid interface during drying after cleaning, resulting in a polyolefin-based microporous membrane with excellent porosity and permeability. These cleaning solvents are selected appropriately depending on the plasticizer, and are used alone or in combination.
洗浄方法は、ゲル状シートを洗浄溶剤に浸漬し抽出する方法、ゲル状シートに洗浄溶剤をシャワーする方法、またはこれらの組み合わせによる方法等が挙げられる。洗浄溶剤の使用量は洗浄方法により異なるが、一般にゲル状シート100質量部に対して300質量部以上であるのが好ましい。 The cleaning method may be a method of immersing the gel-like sheet in a cleaning solvent and extracting it, a method of showering the cleaning solvent onto the gel-like sheet, or a combination of these methods. The amount of cleaning solvent used varies depending on the cleaning method, but it is generally preferable to use 300 parts by weight or more per 100 parts by weight of the gel-like sheet.
洗浄温度は15~30℃でよく、必要に応じて80℃以下に加熱する。この時、洗浄溶剤の洗浄効果を高める観点、得られるリオレフィン系微多孔膜の物性(例えば、TD方向および/またはMD方向の物性)が不均一にならないようにする観点、多孔性ポリオレフィンフィルムの機械的物性および電気的物性を向上させる観点から、ゲル状シートが洗浄溶剤に浸漬している時間は長ければ長いほど良い。 The cleaning temperature may be 15 to 30°C, and may be heated to 80°C or lower if necessary. In this case, the longer the time that the gel-like sheet is immersed in the cleaning solvent, the better, from the viewpoints of increasing the cleaning effect of the cleaning solvent, preventing the physical properties (e.g., physical properties in the TD and/or MD) of the resulting polyolefin-based microporous membrane from becoming non-uniform, and improving the mechanical and electrical properties of the porous polyolefin film.
上述のような洗浄は、洗浄後のゲル状シート、すなわちポリオレフィン系微多孔膜中の残留溶剤が1質量%未満になるまで行うのが好ましい。 It is preferable to carry out the above-mentioned washing process until the residual solvent in the gel-like sheet after washing, i.e., the polyolefin-based microporous membrane, is less than 1% by mass.
その後、乾燥工程でポリオレフィン系微多孔膜中の溶剤を乾燥させ除去する。乾燥方法としては、特に限定は無く、金属加熱ロールを用いる方法や熱風を用いる方法等を選択することができる。乾燥温度は40~100℃であることが好ましく、40~80℃がより好ましい。乾燥が不十分であると、後の熱処理でポリオレフィン系微多孔膜の空孔率が低下し、透過性が悪化する場合がある。 Then, in the drying process, the solvent in the polyolefin-based microporous membrane is dried and removed. There are no particular limitations on the drying method, and methods using metal heating rolls or hot air can be selected. The drying temperature is preferably 40 to 100°C, and more preferably 40 to 80°C. If the drying is insufficient, the porosity of the polyolefin-based microporous membrane may decrease in the subsequent heat treatment, resulting in poor permeability.
(e)熱処理/再延伸工程
乾燥したポリオレフィン系微多孔膜を少なくとも一軸方向に延伸(再延伸)してもよい。再延伸は、多孔性ポリオレフィンフィルムを加熱しながら上述の延伸と同様にテンター法等により行うことができる。再延伸は一軸延伸でも二軸延伸でもよい。多段延伸の場合は、同時二軸または逐次延伸を組み合わせることにより行う。
(e) Heat Treatment/Re-Stretching Step The dried polyolefin-based microporous membrane may be stretched (re-stretched) at least uniaxially. The re-stretching may be performed by a tenter method or the like while heating the porous polyolefin film, similarly to the above-mentioned stretching. The re-stretching may be uniaxial or biaxial. In the case of multi-stage stretching, simultaneous biaxial or sequential stretching may be combined.
再延伸の温度は、ポリオレフィン系樹脂の融点以下にすることが好ましく、(ポリオレフィン樹脂組成物のTcd-20℃)~ポリオレフィン系樹脂の融点の範囲内にするのがより好ましい。具体的には、ポリエチレン系樹脂の場合、再延伸の温度は、70~135℃が好ましく、110~135℃がより好ましく、125~135℃がさらに好ましく、130~135℃がよりさらに好ましい。 The re-stretching temperature is preferably below the melting point of the polyolefin resin, and more preferably within the range of (Tcd of the polyolefin resin composition - 20°C) to the melting point of the polyolefin resin. Specifically, in the case of a polyethylene resin, the re-stretching temperature is preferably 70 to 135°C, more preferably 110 to 135°C, even more preferably 125 to 135°C, and even more preferably 130 to 135°C.
再延伸の倍率は、一軸延伸、二軸延伸のいずれでもよいが、二軸延伸を行う場合、搬送方向および幅方向にそれぞれ1.01~2.0倍延伸するのが好ましい。なお、金属との易滑性を良好とする観点からは、(c)湿式延伸において幅方向の延伸倍率を搬送方向の延伸倍率より大きく設定した後、再延伸では搬送方向の延伸倍率を幅方向の延伸倍率より大きく設定することが好ましい。このような延伸条件とすることで、湿式延伸にて形成された多数の微細フィブリルを乾式での再延伸後に搬送方向に配向させることが可能となり、かつ、湿式延伸と再延伸の高倍率方向を交互に設定することで、延伸時の破膜を抑制することが可能となる。 The re-stretching ratio may be either uniaxial or biaxial, but in the case of biaxial stretching, it is preferable to stretch 1.01 to 2.0 times in each of the conveying direction and the width direction. From the viewpoint of improving the slipperiness with metal, it is preferable to set the stretching ratio in the width direction in (c) wet stretching to be larger than the stretching ratio in the conveying direction, and then set the stretching ratio in the conveying direction in re-stretching to be larger than the stretching ratio in the width direction. By setting such stretching conditions, it is possible to orient a large number of fine fibrils formed in wet stretching in the conveying direction after dry re-stretching, and it is possible to suppress film rupture during stretching by alternately setting high-magnification directions for wet stretching and re-stretching.
再延伸後はポリオレフィン系微多孔膜の熱寸法安定性や平滑性を向上させるために熱固定処理を行うことが好ましく、易滑性を維持しながら平滑性を良好とする観点から、熱固定温度はポリエチレン系樹脂の融点より25℃以上低い温度に設定し、かつ15分以上熱処理を行うことが好ましい。従来よりも低温で長時間の熱固定処理を行うことで、表面の微細なフィブリル形状を維持して易滑性を良好にしつつ、延伸時のうねりやひずみを緩和させ、平滑性を良好とすることが可能となる。熱処理は一旦巻取りを行った後、別の加工ラインを用いて低速で行う方法や、巻取ったロールの状態でオーブンに投入する方法などが用いられる。 After re-stretching, it is preferable to carry out a heat setting treatment to improve the thermal dimensional stability and smoothness of the polyolefin-based microporous film. From the viewpoint of maintaining slipperiness while improving smoothness, it is preferable to set the heat setting temperature at a temperature 25°C or more lower than the melting point of the polyethylene-based resin and carry out the heat treatment for 15 minutes or more. By carrying out the heat setting treatment at a lower temperature and for a longer period than before, it is possible to maintain the fine fibril shape of the surface and improve slipperiness, while mitigating waviness and distortion during stretching and improving smoothness. The heat treatment can be carried out at a low speed using a separate processing line after winding once, or by putting the wound roll into an oven.
(f)その他の工程
さらに、その他用途に応じて、ポリオレフィン系微多孔膜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。
(f) Other steps Furthermore, depending on other applications, the polyolefin-based microporous membrane may be subjected to hydrophilization treatment. The hydrophilization treatment may be performed by monomer grafting, surfactant treatment, corona discharge, etc. The monomer grafting is preferably performed after the crosslinking treatment.
本発明の実施形態における特性の測定方法、および効果の評価方法は次の通りである。ただし、本発明の実施態様は、これらの実施例に限定されるものではない。 The methods for measuring the characteristics and evaluating the effects in the embodiments of the present invention are as follows. However, the embodiments of the present invention are not limited to these examples.
(1)重量平均分子量(Mw)
高温ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によりポリオレフィンの分子量分布測定(重量平均分子量、分子量分布、所定成分の含有量などの測定)を行った。測定条件は以下の通りであった。
(1) Weight average molecular weight (Mw)
The molecular weight distribution of the polyolefin (weight average molecular weight, molecular weight distribution, content of a specific component, etc.) was measured by high-temperature gel permeation chromatography (GPC) under the following measurement conditions.
装置:高温GPC装置(機器No. HT-GPC、Polymer Laboratories製、PL-220)
検出器:示差屈折率検出器RI
ガードカラム:Shodex G-HT
カラム:Shodex HT806M(2本) (φ7.8mm×30cm、昭和電工製)
溶媒:1,2,4-トリクロロベンゼン(TCB、和光純薬製)(0.1% BHT添加)
流速:1.0mL/min
カラム温度:145℃
試料調製:試料5mgに測定溶媒5mLを添加し、160~170℃で約30分加熱攪拌した後、得られた溶液を金属フィルター(孔径0.5um)にてろ過した。
Equipment: High temperature GPC equipment (equipment No. HT-GPC, manufactured by Polymer Laboratories, PL-220)
Detector: Differential refractive index detector RI
Guard column: Shodex G-HT
Column: Shodex HT806M (2 columns) (φ7.8 mm × 30 cm, Showa Denko)
Solvent: 1,2,4-trichlorobenzene (TCB, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) (0.1% BHT added)
Flow rate: 1.0mL/min
Column temperature: 145 ° C.
Sample preparation: 5 mL of the measurement solvent was added to 5 mg of sample, and the mixture was heated and stirred at 160 to 170° C. for about 30 minutes, and the resulting solution was filtered through a metal filter (pore size: 0.5 μm).
注入量:0.200mL
標準試料:単分散ポリスチレン(東ソー製)(PS)
データ処理:TRC製GPCデータ処理システム
その後、得られたMwをポリエチレン(PE)に換算した。換算式は下記である。
Injection volume: 0.200mL
Standard sample: Monodisperse polystyrene (manufactured by Tosoh) (PS)
Data processing: TRC GPC data processing system. The obtained Mw was then converted to polyethylene (PE) using the following conversion formula:
Mw(PE換算)=Mw(PS換算測定値)×0.468
(2)膜厚
ポリオレフィン系微多孔膜の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。
Mw (PE conversion) = Mw (PS conversion measurement value) x 0.468
(2) Film Thickness The film thickness of the polyolefin microporous film was measured at five points within an area of 50 mm × 50 mm using a contact thickness meter, Litematic VL-50 (10.5 mmφ ultrahard spherical probe, measuring load 0.01 N) manufactured by Mitutoyo Corporation, and the average value was recorded as the film thickness (μm).
(3)空孔率
ポリオレフィン系微多孔膜から評価用の試料を5cm角の正方形に切り取り、室温(25℃)におけるその体積(cm3)と質量(g)を求め、それらの値と樹脂密度(g/cm3)より、次式を用いて計算した。なお、樹脂度は0.99g/cm3の一定値とした。
(3) Porosity A 5 cm square sample for evaluation was cut from the polyolefin microporous membrane, and its volume ( cm3 ) and mass (g) at room temperature (25°C) were determined, and the porosity was calculated from these values and the resin density (g/ cm3 ) using the following formula. The resinity was set to a constant value of 0.99 g/ cm3 .
空孔率=[(体積-質量/樹脂密度)/体積]×100 。 Porosity = [(volume - mass / resin density) / volume] x 100.
(4)突刺強度
試験速度を2mm/秒としたことを除いて、JIS Z 1707(2019)に準拠して測定した。フォースゲージ(株式会社イマダ製 DS2-20N)を用いて、先端が球面(曲率半径R:0.5mm)の直径1.0mmの針で、ポリオレフィン微多孔膜を25℃の雰囲気下で突刺したときの最大荷重(L1)を計測し、下記式から膜厚10μm換算の突刺強度(L2)を算出した。
L2(gf)=L1(gf)×10(μm)/ポリオレフィン微多孔膜の膜厚(μm) (5)微多孔膜の3次元構造の測定(FIB-SEM)
以下の条件にてFIB-SEMによる連続画像を測定した。
・試料調製:エポキシ系樹脂にてポリオレフィン系微多孔膜の包埋処理を行ったのち、OsO4を用いて電子染色を行い、測定に供した。
・観察装置:FEI製Helios G4
・観察条件:加速電圧1kV
・試料傾斜:52°
・ピクセルサイズ:画像横方向:5.4nm、画像縦方向:6.8nm(傾斜補正後)
・FIBでのスライス間隔:10nm
・画像のアライメント方法:フィルム上部にPtを堆積させたマーキングを行い、各画像間の位置確認を実施した。
・傾斜補正:FIB-SEM観察は斜め52°から行っているため、SEM像は縦方向に縮んで観察されていることから、画像縦方向について正面から観察した造にするためには1.27倍(=/sin52°)とする必要があり、傾斜補正後の画像を用いて後述する三次元画像の作製を行った。
・測定サイズ:フィルム断面の5μm×5μmについてFIB加工を順次行い、奥行き方向に4μmになるまでスライスを行い、5μm×5μm×4μmの体積分(撮影画像400枚)について測定を行った。
(4) Puncture strength Measured in accordance with JIS Z 1707 (2019) except that the test speed was 2 mm/sec. Using a force gauge (DS2-20N manufactured by Imada Co., Ltd.), the maximum load (L1) was measured when a polyolefin microporous membrane was pierced with a needle having a diameter of 1.0 mm and a spherical tip (radius of curvature R: 0.5 mm) in an atmosphere of 25°C, and the puncture strength (L2) converted to a film thickness of 10 μm was calculated using the following formula.
L2(gf)=L1(gf)×10(μm)/thickness of polyolefin microporous membrane (μm) (5) Measurement of three-dimensional structure of microporous membrane (FIB-SEM)
Sequential images were measured using the FIB-SEM under the following conditions.
Sample preparation: A polyolefin-based microporous membrane was embedded in an epoxy-based resin, and then subjected to electronic staining using OsO4 and subjected to measurement.
Observation device: FEI Helios G4
Observation conditions: Acceleration voltage 1 kV
Sample tilt: 52°
Pixel size: Image horizontal direction: 5.4 nm, image vertical direction: 6.8 nm (after tilt correction)
・FIB slice interval: 10 nm
Image alignment method: Marking was done by depositing Pt on the top of the film, and the position between each image was confirmed.
Tilt correction: Since FIB-SEM observations were performed at an angle of 52°, the SEM images were observed shrinking in the vertical direction. To make the image vertically resemble that observed from the front, it was necessary to magnify it by 1.27 (=/sin52°). The image after tilt correction was used to create the three-dimensional image described below.
Measurement size: FIB processing was performed sequentially on 5 μm×5 μm of the film cross section, and the film was sliced in the depth direction until it reached 4 μm, and measurements were performed on a volume of 5 μm×5 μm×4 μm (400 captured images).
(6)三次元画像の作成
(5)で得られたFIB-SEM像について、日本ビジュアルサイエンス社製「ExFact(登録商標)Analysis for Fiber」の画像処理ソフトを用いて、微多孔膜のうち、包埋処理された明部樹脂部分(すなわち微多孔膜の空孔部に相当する部分)と微多孔膜を構成する樹脂の部分に二値化処理を行った後、二値化処理の情報を元にして三次元の立体画像化を行った。なお、二値化処理においては、FIB-SEM画像に対して3画素×3画素平均にてノイズ除去を行った後、21画素×21画素平均した画像から-30階調をしきい値として動的二値化処理を行うことで、明部と暗部の二種類に分割処理を行った。その後、日本ビジュアルサイエンス社製「ExFact(登録商標)Analysis for Fiber」の画像処理ソフトで微多孔膜を構成する樹脂部分の細線化処理を行うことで微多孔膜内部の構成樹脂部分の三次元画像を作成した。なお、具体的な分割処理の例としては、X字型の箇所については4本、Y字型の箇所については3本、T字型の箇所については3本に分割を行う処理方法を採用した。作成する三次元画像のサイズについては、解析時間や解析パラメータの再現性の観点から、5μm×5μm×4μmのFIB-SEM測定サイズのうち、中心の2.7μmの長さの辺で囲まれた立方体とした。
(6) Creation of a three-dimensional image For the FIB-SEM image obtained in (5), the embedded bright resin portion (i.e., the portion corresponding to the pores of the microporous membrane) and the resin portion constituting the microporous membrane were binarized using image processing software "ExFact (registered trademark) Analysis for Fiber" manufactured by Japan Visual Science Co., Ltd., and then a three-dimensional stereoscopic image was created based on the information from the binarization process. In the binarization process, noise was removed from the FIB-SEM image by averaging 3 pixels x 3 pixels, and then dynamic binarization was performed using a threshold value of -30 gradation from the image averaged over 21 pixels x 21 pixels, thereby dividing the image into two types, bright and dark. Thereafter, a three-dimensional image of the resin portion constituting the inside of the microporous membrane was created by performing a thinning process on the resin portion constituting the microporous membrane using image processing software "ExFact (registered trademark) Analysis for Fiber" manufactured by Japan Visual Science Co., Ltd. As a specific example of the division process, a process method was adopted in which an X-shaped portion was divided into four, a Y-shaped portion into three, and a T-shaped portion into three. From the viewpoint of analysis time and reproducibility of analysis parameters, the size of the three-dimensional image to be created was set to a cube surrounded by a side with a length of 2.7 μm at the center out of the FIB-SEM measurement size of 5 μm × 5 μm × 4 μm.
(7)フィブリル本数の測定
(6)で得られた三次元画像に対し、日本ビジュアルサイエンス社製「ExFact(登録商標)Analysis for Fiber」の画像処理ソフトを用いて、細線化処理を行った構成樹脂部分の線を、交差、分岐している部分で分割処理を行った後の細線の数を求めた後、1μm3あたりの本数に換算した値を、本発明におけるフィブリル本数とした。
(7) Measurement of the number of fibrils The three-dimensional image obtained in (6) was processed using image processing software "ExFact (registered trademark) Analysis for Fiber" manufactured by Japan Visual Science Co., Ltd., to determine the number of thin lines remaining after dividing the lines of the constituent resin parts that had been subjected to a thinning process at the intersections and branching parts. The value converted into the number of lines per 1 μm3 was taken as the number of fibrils in the present invention.
(8)フィブリルの平均直径の測定
(6)で得られた、2.7μm角の三次元画像に含まれる全フィブリル径の平均値を、日本ビジュアルサイエンス社製「ExFact(登録商標)Analysis for Fiber」の画像処理ソフトから求め、フィブリルの平均直径とした。
(8) Measurement of Average Diameter of Fibrils The average value of all fibril diameters contained in the three-dimensional image of 2.7 μm square obtained in (6) was calculated using image processing software "ExFact (registered trademark) Analysis for Fiber" manufactured by Japan Visual Science Co., Ltd., and this was taken as the average diameter of fibrils.
(9)膜同士の動摩擦係数μk
ASTM-D-1894に準じ、微多孔膜を一方の表面と他方の表面が触れるような向きになるように膜を上下に重ねて設置し、上側の微多孔膜のさらに上側にすべり片と呼ばれる200g重、接触面が63mm角のおもりを乗せた状態で、上側の微多孔膜に水平に力を加えて接触面を滑らせることで動摩擦力を求め、動摩擦力をおもりの重力に相当する垂直抗力で除して、膜同士の動摩擦係数μkを求めた。
(9) Dynamic friction coefficient μk between films
In accordance with ASTM-D-1894, microporous membranes were placed one on top of the other so that one surface was in contact with the other, and a 200 g weight called a sliding piece with a contact surface of 63 mm square was placed on top of the upper microporous membrane. A horizontal force was applied to the upper microporous membrane to slide the contact surface, and the kinetic frictional force was determined by dividing the kinetic frictional force by the normal force equivalent to the gravity of the weight to determine the kinetic friction coefficient μk between the membranes.
(10)膜と金属の動摩擦係数μmk
下側の微多孔膜を厚さ0.3μmのアルミニウム箔(アズワン社、品番3-2154-08)に変更した以外は(9)と同様にして膜と金属の動摩擦係数μmkを求めた。
(10) Dynamic friction coefficient between film and metal μmk
The dynamic friction coefficient μmk between the film and metal was determined in the same manner as in (9), except that the lower microporous film was changed to an aluminum foil having a thickness of 0.3 μm (As One Corporation, product number 3-2154-08).
(11)微多孔膜の二乗平均平方根高さSq
微多孔膜を30mm角に切り取り測定用サンプルを準備したのち、白色干渉計として三菱化学システム社製「VertScan3.0 R4300C」を使用し、2.5mm×2.5mmの測定面積の凹凸情報を測定後、ISO25178で定義される二乗平均平方根高さSqを求めた。なお、同一サンプル内で場所を変えて5回測定を行い、その平均値を二乗平均平方根高さSqとして採用した。また、サンプルの両面について測定を行い、Sqが大きい面の値を当該サンプルの二乗平均平方根高さSqとして採用した。
(11) Root mean square height (Sq) of the microporous membrane
The microporous membrane was cut into 30 mm squares to prepare a measurement sample, and then a Mitsubishi Chemical Systems "VertScan 3.0 R4300C" was used as a white light interferometer to measure unevenness information in a measurement area of 2.5 mm x 2.5 mm, and the root mean square height Sq defined in ISO 25178 was obtained. Note that measurements were performed five times at different locations within the same sample, and the average value was adopted as the root mean square height Sq. In addition, measurements were performed on both sides of the sample, and the value of the surface with the largest Sq was adopted as the root mean square height Sq of the sample.
(12)動摩擦係数μkの変動係数
幅10cmポリオレフィン系微多孔膜のロールから長手方向10mの長さの膜を切り出し、切り出した膜の長手方向の端部から長手方向に50cm間隔となるとなるようにサンプルをさらに切り出した。切り出したサンプルの幅方向中心部分について、任意の2枚ずつを選定し合計10個の組合せとした後、それぞれ(9)と同様の方法でμkを求めた。10回の測定値の標準偏差を平均値で除して動摩擦係数μkの変動係数を求めた。
(12) Variation coefficient of dynamic friction coefficient μk A film of 10m length is cut out from a roll of 10cm wide polyolefin microporous film, and samples are further cut out from the end of the film in the longitudinal direction at intervals of 50cm in the longitudinal direction.From the width direction center part of the cut out sample, two pieces are selected at random to make a total of 10 combinations, and then μk is calculated for each of them by the same method as in (9).The standard deviation of the 10 measured values is divided by the average value to calculate the variation coefficient of dynamic friction coefficient μk.
(13)二乗平方根高さSqの変動係数
サンプルを切り出した後、各サンプルについてそれぞれ(11)と同様の方法でSqを求め、10点の測定値の標準偏差を平均値で除して二乗平方根高さSqの変動係数を求めた。
(13) Coefficient of variation of square root height Sq After cutting out the samples, Sq was determined for each sample in the same manner as in (11), and the standard deviation of the 10 measured values was divided by the average value to determine the coefficient of variation of the square root height Sq.
(14)微多孔ロールの外観評価
100mm幅、200m長のフィルム(3インチ紙コア)を準備し、搬送張力30N/mの条件で別の3インチ紙コアに巻返しを行い、搬送速度を変化させながら巻き返し後の微多孔膜ロールの外観を目視で確認し、下記基準で評価を行った。
A:速度40m/分で巻き返しても皺が発生しなかった。
B:速度40m/分で巻き返すと皺が発生したが、速度30m/分では皺が発生しなかった。
C:速度30m/分で巻き返すと皺が発生したが、速度20m/分では皺が発生しなかった。
D:速度20m/分で巻き返すと皺が発生したが、速度10m/分では皺が発生しなかった。
E:速度10m/分で巻き返すと皺が発生した。
(14) Appearance evaluation of microporous roll A 100 mm wide, 200 m long film (3 inch paper core) was prepared and rewound onto another 3 inch paper core under a conveying tension of 30 N/m. The appearance of the microporous membrane roll after rewinding was visually inspected while changing the conveying speed, and evaluated according to the following criteria.
A: No wrinkles were generated even when rewinding at a speed of 40 m/min.
B: When rewinding at a speed of 40 m/min, wrinkles were generated, but when rewinding at a speed of 30 m/min, no wrinkles were generated.
C: Wrinkles occurred when rewinding at a speed of 30 m/min, but no wrinkles occurred at a speed of 20 m/min.
D: Wrinkles occurred when rewinding at a speed of 20 m/min, but no wrinkles occurred at a speed of 10 m/min.
E: Wrinkles occurred when rewinding at a speed of 10 m/min.
(15)耐傷付き性
おもりの荷重を400g重とし、接触面を滑らせる回数を同一箇所について5回繰り返した以外は、(9)と同様の方法にて微多孔膜をアルミ箔上で滑らせたのち、微多孔膜のアルミ箔接触面側についてAl蒸着を行い、微多孔膜が滑った方向に直線状に付いた傷の本数(すべり片長さの63mm幅に含まれる本数)を光学顕微鏡でカウントし、下記基準にて評価を行った。
A:1本以下。
B:2本以上4本以下。
C:5本以上7本以下。
D:8本以上10本以下。
E:11本以上。
(15) Scratch resistance The microporous membrane was slid on aluminum foil in the same manner as in (9) except that the load of the weight was 400 g and the contact surface was slid five times at the same location. Then, Al was deposited on the aluminum foil contact surface of the microporous membrane. The number of linear scratches in the direction in which the microporous membrane slid (the number included in a 63-mm width of the sliding piece length) was counted using an optical microscope and evaluated according to the following criteria.
A: Less than one.
B: 2 or more and 4 or less.
C: 5 or more and 7 or less.
D: 8 or more and 10 or less.
E: 11 or more.
(16)捲回後の小サイズ化特性
100mm幅の微多孔膜の長尺ロールを準備し、100mm角、厚み0.2mmの鉄板の一辺に長尺ロールの端部を粘着テープで仮留めしたあと、張力10N/mの条件で鉄板の周囲に100回分の巻き付けを行い、捲回体を作製した。得られた捲回体について面方向中心部の厚みをダイヤルゲージで測定し、0.2mmの鉄板分の厚みを除いたフィルム積層部分の厚みを求めた。得られたフィルム積層部分の厚みについて、1枚あたりの微多孔膜の厚みを200倍した厚みで除した値を求め、捲回後の厚み増加比率を電池作製時の小サイズ化特性の指標とした。本数値が小さいほど小サイズ化に適していることを示す。
A:捲回後の厚み増加比率が1.05倍以下。
B:捲回後の厚み増加比率が1.05倍を超えて1.07倍以下。
C:捲回後の厚み増加比率が1.07倍を超えて1.09倍以下。
D:捲回後の厚み増加比率が1.09倍を超えて1.1倍以下。
E:捲回後の厚み増加比率が1.1倍を超えた値。
(17)130℃1時間での熱収縮率
50mm角(長手方向×幅方向)の試料を切り出し、厚さ0.09mmの紙で両面を挟んだ状態で130℃に加熱したオーブンに1時間保管して熱処理を行い、熱処理前後の寸法を測定して収縮率を求めた。なお、寸法については、50mm角の試料の向かい合う各辺の中心位置を結んだ線の長さを測定箇所とした。5枚について熱処理、測定を行い、5枚の収縮率の平均値を130℃1時間での熱収縮率とした。
(16) Size reduction characteristics after winding A long roll of a microporous membrane with a width of 100 mm was prepared, and the end of the long roll was temporarily fixed to one side of a 100 mm square, 0.2 mm thick iron plate with an adhesive tape, and then 100 turns were wound around the iron plate under a tension of 10 N/m to produce a wound body. The thickness of the obtained wound body at the center in the surface direction was measured with a dial gauge, and the thickness of the film laminated part excluding the thickness of the 0.2 mm iron plate was obtained. The thickness of the obtained film laminated part was divided by the thickness of the microporous membrane per sheet multiplied by 200 to obtain a value, and the thickness increase ratio after winding was used as an index of size reduction characteristics during battery production. The smaller this value, the more suitable it is for size reduction.
A: The thickness increase ratio after winding is 1.05 times or less.
B: The thickness increase ratio after winding is more than 1.05 times and 1.07 times or less.
C: The thickness increase ratio after winding is more than 1.07 times and 1.09 times or less.
D: The thickness increase ratio after winding is more than 1.09 times and 1.1 times or less.
E: The thickness increase ratio after winding exceeded 1.1 times.
(17) Heat shrinkage at 130°C for 1 hour A 50 mm square (longitudinal direction x width direction) sample was cut out, and the sample was sandwiched between 0.09 mm thick paper on both sides and stored in an oven heated to 130°C for 1 hour for heat treatment. The dimensions before and after the heat treatment were measured to determine the shrinkage. The length of the line connecting the center positions of the opposing sides of the 50 mm square sample was used as the measurement point for the dimensions. Five samples were heat treated and measured, and the average of the shrinkage rates of the five samples was used as the heat shrinkage rate at 130°C for 1 hour.
(18)高温での寸法安定性
(16)と同様にて微多孔膜のロールを捲回した後、巻き終わった微多孔膜の端部をポリイミドテープで固定して捲回体を作製した。その後、厚さ0.09mmの紙で捲回体の両面を挟んだ状態で130℃に加熱したオーブンに1時間加熱して熱処理を行い、熱処理後の捲回体について、ロールの捲回方向と直行する方向に微多孔膜が収縮して鉄板が最も露出した部分の鉄板端部からの長さを測定した。合計3回の測定を行い、3回の平均値を求めた後、下記基準にて評価を行った。
A:露出部の長さが3mm以下。
B:露出部の長さが3mmを超えて6mm以下。
C:露出部の長さが6mmを超えた値。
(18) Dimensional stability at high temperature After winding the roll of microporous membrane in the same manner as in (16), the end of the wound microporous membrane was fixed with polyimide tape to prepare a wound body. Then, the roll was sandwiched between 0.09 mm thick paper and heated in an oven heated to 130°C for 1 hour for heat treatment, and the length from the end of the iron plate to the part where the iron plate was most exposed due to the shrinkage of the microporous membrane in the direction perpendicular to the winding direction of the roll was measured for the rolled body after heat treatment. A total of three measurements were performed, and the average value of the three measurements was calculated, and the evaluation was performed according to the following criteria.
A: The length of the exposed portion is 3 mm or less.
B: The length of the exposed portion is more than 3 mm and 6 mm or less.
C: The length of the exposed portion exceeded 6 mm.
(19)融点
微多孔膜、もしくは原料を測定パンに封入し、PARKING ELMER製PYRIS DIAMOND DSCを用いて、10℃/分の速度で30℃から230℃まで昇温した(1回目の昇温)後、230℃で5分間保持し、10℃/分の速度で冷却し、再度10℃/分の昇温速度で30℃から230℃まで昇温した(2回目の昇温)。1回目の昇温、2回目の昇温のそれぞれの吸熱チャートから融解吸熱ピークを読み取り、微多孔膜の場合は1回目の昇温での融解吸熱ピークの温度を、原料の場合は2回目の昇温での融解吸熱ピークの温度をそれぞれ融点とした。
(19) Melting point A microporous membrane or a raw material was sealed in a measurement pan, and using a PYRIS DIAMOND DSC manufactured by PARKING ELMER, the temperature was raised from 30° C. to 230° C. at a rate of 10° C./min (first heating), then held at 230° C. for 5 minutes, cooled at a rate of 10° C./min, and heated again at a rate of 10° C./min from 30° C. to 230° C. (second heating). The melting endothermic peaks were read from the endothermic charts for the first and second heating, and the melting point was determined as the temperature of the melting endothermic peak in the first heating in the case of a microporous membrane, and as the temperature of the melting endothermic peak in the second heating in the case of a raw material.
(実施例1)
原料として重量平均分子量Mwが10×105の超高分子量ポリエチレン(融点135℃)とMwが5×105の高密度ポリエチレン(融点135℃)を用いた。超高分子量ポリエチレン16質量部と高密度ポリエチレン4質量部に流動パラフィン80質量部を加え、さらにポリエチレン系樹脂の合計の質量を基準として0.5質量部の2,6-ジ-t-ブチル-p-クレゾールと0.7質量部のテトラキス[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混合し、ポリエチレン系樹脂溶液を調製した。
Example 1
As raw materials, ultra-high molecular weight polyethylene (melting point 135°C) with a weight average molecular weight Mw of 10 x 10 5 and high density polyethylene (melting point 135°C) with Mw of 5 x 10 5 were used. 80 parts by mass of liquid paraffin was added to 16 parts by mass of ultra-high molecular weight polyethylene and 4 parts by mass of high density polyethylene, and further 0.5 parts by mass of 2,6-di-t-butyl-p-cresol and 0.7 parts by mass of tetrakis[methylene-3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionate]methane were added as antioxidants based on the total mass of the polyethylene resin and mixed to prepare a polyethylene resin solution.
得られたポリエチレン系樹脂溶液を二軸押出機に投入し180℃で混練し、Tダイに供給し、押出物を15℃に制御された冷却ロールで冷却してゲル状シートを形成した。 The resulting polyethylene resin solution was fed into a twin-screw extruder and kneaded at 180°C, then fed into a T-die, and the extrudate was cooled with a cooling roll controlled at 15°C to form a gel-like sheet.
得られたゲル状シートを、ロール延伸機で長手方向(MD方向)に118℃で8倍の延伸を行い、冷却を行った後、テンター延伸機で幅方向(TD方向)に8倍に延伸し、そのままテンター延伸機内でシート幅を固定し、118℃の温度で10秒間保持した。 The resulting gel-like sheet was stretched 8 times in the machine direction (MD) at 118°C using a roll stretching machine, cooled, and then stretched 8 times in the width direction (TD) using a tenter stretching machine. The sheet width was then fixed in the tenter stretching machine and held at 118°C for 10 seconds.
次いで延伸したゲル状シートを洗浄槽で塩化メチレン浴中に浸漬し、流動パラフィン除去後80℃で乾燥を行った後、オーブンを使用して幅方向に3%縮めてリラックスさせた状態で110℃の温度で30分間熱固定を実施し、ポリオレフィン系微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の特性を表1に示す。ポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性と平滑性のどちらも良好であった。搬送性や巻取り時の外観が良好であり、電池の小型化(捲回体の小サイズ化)が良好であった。 The stretched gel-like sheet was then immersed in a methylene chloride bath in a cleaning tank, and after removing the liquid paraffin, dried at 80°C. The sheet was then shrunk in the width direction by 3% in an oven, relaxed, and heat-set at a temperature of 110°C for 30 minutes to obtain a polyolefin-based microporous membrane. The properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1. The polyolefin-based microporous membrane had good slipperiness and smoothness. It was easy to transport and had good appearance when wound, and was suitable for miniaturizing the battery (reducing the size of the wound body).
(実施例2)
原料としてMwが10×105の超高分子量ポリエチレン(融点135℃)とMwが5×105の高密度ポリエチレン(融点135℃)を用いた。超高分子量ポリエチレン16質量部と高密度ポリエチレン4質量部に流動パラフィン80質量部を加え、さらにポリエチレン系樹脂の合計の質量を基準として0.5質量部の2,6-ジ-t-ブチル-p-クレゾールと0.7質量部のテトラキス[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混合し、ポリエチレン系樹脂溶液を調製した。
Example 2
As raw materials, ultra-high molecular weight polyethylene (melting point 135°C) with Mw of 10 x 10 5 and high density polyethylene (melting point 135°C) with Mw of 5 x 10 5 were used. 80 parts by mass of liquid paraffin was added to 16 parts by mass of ultra-high molecular weight polyethylene and 4 parts by mass of high density polyethylene, and further 0.5 parts by mass of 2,6-di-t-butyl-p-cresol and 0.7 parts by mass of tetrakis[methylene-3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionate]methane were added as antioxidants based on the total mass of the polyethylene resin and mixed to prepare a polyethylene resin solution.
得られたポリエチレン系樹脂溶液を二軸押出機に投入し180℃で混練し、Tダイに供給し、押出物を15℃に制御された冷却ロールで冷却してゲル状シートを形成した。 The resulting polyethylene resin solution was fed into a twin-screw extruder and kneaded at 180°C, then fed into a T-die, and the extrudate was cooled with a cooling roll controlled at 15°C to form a gel-like sheet.
得られたゲル状シートを、ロール延伸機で長手方向(MD方向)に118℃で8倍の延伸を行い、冷却を行った後、テンター延伸機で幅方向(TD方向)に8倍に延伸し、そのままテンター延伸機内でシート幅を固定し、118℃の温度で10秒間保持した。 The resulting gel-like sheet was stretched 8 times in the machine direction (MD) at 118°C using a roll stretching machine, cooled, and then stretched 8 times in the width direction (TD) using a tenter stretching machine. The sheet width was then fixed in the tenter stretching machine and held at 118°C for 10 seconds.
次いで延伸したゲル状シートを洗浄槽で塩化メチレン浴中に浸漬し、流動パラフィン除去後80℃で乾燥を行った後、ロール延伸機で長手方向(MD方向)に120℃で1.2倍の延伸を行い、室温冷却後にテンター延伸機で幅方向(TD方向)に120℃で1.2倍の延伸を行った。その後、オーブンを使用して幅方向に3%縮めてリラックスさせた状態で115℃の温度で30分間熱固定を実施し、ポリオレフィン系微多孔膜を得た。 The stretched gel-like sheet was then immersed in a methylene chloride bath in a washing tank, and after removing the liquid paraffin, dried at 80°C. It was then stretched 1.2 times in the longitudinal direction (MD) at 120°C using a roll stretching machine, cooled at room temperature, and stretched 1.2 times in the transverse direction (TD) at 120°C using a tenter stretching machine. It was then shrunk 3% in the transverse direction in an oven to relax it, and heat-set at 115°C for 30 minutes to obtain a polyolefin-based microporous membrane.
得られた微多孔膜の特性を表1に示す。ポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性と平滑性のどちらも良好であった。搬送性や巻取り時の外観が良好であった。 The properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1. The polyolefin-based microporous membrane had good slipperiness and smoothness. It was easy to transport and had good appearance when wound up.
(実施例3)
製造条件を表1の通りとした以外は、実施例1と同様にしてポリオレフィン系微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の特性を表1に示す。ポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性と平滑性のどちらも良好であった。搬送性や巻取り時の外観が良好であった。
Example 3
A polyolefin-based microporous membrane was obtained in the same manner as in Example 1, except that the production conditions were as shown in Table 1. The properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1. The polyolefin-based microporous membrane had good lubricity and smoothness. The transportability and appearance when wound up were good.
(実施例4~9、12~14)
製造条件を表1、表2または表3の通りとした以外は、実施例2と同様にしてポリオレフィン系微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の特性を表1、表2または表3に示す。ポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性と平滑性のどちらも良好であった。搬送性や巻取り時の外観が良好であった。
(Examples 4 to 9, 12 to 14)
A polyolefin-based microporous membrane was obtained in the same manner as in Example 2, except that the production conditions were as shown in Table 1, Table 2, or Table 3. The properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1, Table 2, or Table 3. The polyolefin-based microporous membrane had good lubricity and smoothness. The transportability and appearance when wound up were good.
(実施例10、11)
原料構成を表2または表3の通りとした以外は、実施例6と同様にしてポリオレフィン系微多孔膜を得た。得られた微多孔膜の特性を表2または表3に示す。ポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性と平滑性のどちらも良好であった。搬送性や巻取り時の外観が良好であった。
(Examples 10 and 11)
A polyolefin-based microporous membrane was obtained in the same manner as in Example 6, except that the raw material composition was as shown in Table 2 or Table 3. The properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 2 or Table 3. The polyolefin-based microporous membrane had good lubricity and smoothness. The transportability and appearance when wound up were good.
(比較例1~3)
原料組成、製造条件を表3または表4の通りとした以外は、実施例1と同様にしてポリオレフィン系微多孔膜を得た。得られたポリオレフィン系微多孔膜は、易滑性、平滑性の少なくとも一方が特性不十分であり、搬送性もしくは巻取り時の外観が劣る結果となった。
(Comparative Examples 1 to 3)
A polyolefin-based microporous membrane was obtained in the same manner as in Example 1, except that the raw material composition and production conditions were as shown in Table 3 or Table 4. The obtained polyolefin-based microporous membrane had insufficient properties in at least one of lubricity and smoothness, and was poor in transportability or appearance when wound up.
本発明の実施形態にかかるポリオレフィン系微多孔膜は、リチウムイオン二次電池をはじめとする非水電解液二次電池のセパレータとして適用した際に、易滑性と平滑性に優れることから、電池製造時の搬送性や巻取り時の外観、および電池の小型化、薄膜化が可能なセパレータとして好適に用いられる。 The polyolefin-based microporous membrane according to the embodiment of the present invention has excellent lubricity and smoothness when used as a separator for nonaqueous electrolyte secondary batteries, including lithium ion secondary batteries, and is therefore suitable for use as a separator that allows for easy transport during battery production, good appearance when wound up, and allows for smaller and thinner batteries.
また、逆浸透濾過膜、限外濾過膜、精密濾過膜等の各種フィルター、透湿防水衣料、医療用材料、燃料電池用支持体などにも利用可能である。 It can also be used in various filters such as reverse osmosis filtration membranes, ultrafiltration membranes, and microfiltration membranes, as well as in moisture-permeable, waterproof clothing, medical materials, and supports for fuel cells.
Claims (10)
工程(A):微多孔膜の断面において、切削しながら画像を得て、3次元画像を得る。
工程(B):得られた3次元画像について、樹脂部と空孔部とを判別し、構成樹脂部の3次元画像を作成する。
工程(C):該構成樹脂部を、フィブリルに分割し、フィブリルの本数を計数する。 The polyolefin-based microporous membrane according to claim 1 or 2, wherein the number of fibrils in a cube having a side length of 2.7 μm as determined by the following measurement method is 870/ μm3 to 2800/ μm3 , and the average diameter of the fibrils is 25 nm to 60 nm.
Step (A): An image is obtained while cutting a cross section of a microporous membrane to obtain a three-dimensional image.
Step (B): From the obtained three-dimensional image, resin parts and pore parts are distinguished, and a three-dimensional image of the constituent resin parts is created.
Step (C): The constituent resin portion is divided into fibrils, and the number of fibrils is counted.
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the polyolefin-based microporous membrane according to any one of claims 1 to 6, or the microporous membrane/heat-resistant resin layer laminate according to claim 9.
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