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CN107078259A - 微孔片材产品及制备和使用其的方法 - Google Patents

微孔片材产品及制备和使用其的方法 Download PDF

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CN107078259A
CN107078259A CN201580060255.XA CN201580060255A CN107078259A CN 107078259 A CN107078259 A CN 107078259A CN 201580060255 A CN201580060255 A CN 201580060255A CN 107078259 A CN107078259 A CN 107078259A
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microperforated
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Abstract

微孔片材产品及制备和使用其的方法。在一个实施方式中，微孔片材产品通过这样的方法制备：其包括使用挤出混合物熔体挤出片材材料，所述挤出混合物包括(i)环烯烃共聚物、(ii)电解液可溶胀热塑性塑料、和(iii)相容性试剂，相容性试剂促进环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料的混合，相容性试剂具有135‑300℃范围的沸点。作为实例，环烯烃共聚物可以是乙烯‑降冰片烯共聚物，电解液可溶胀热塑性塑料可以是聚环氧乙烷，以及相容性试剂可以是矿油精。挤出之后，片材材料可被冷却，以及相容性试剂可被去除，形成离子导电的微孔片材产品。微孔片材产品具有高温稳定性并且当暴露于液体电解液时凝胶凝化，当用作电池隔板时能够实现高离子导电性。

Description

微孔片材产品及制备和使用其的方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)要求2014年11月5日提交的美国临时专利申请号62/075,501的权益，其公开内容通过引用被并入本文。
发明背景
本发明总体上涉及微孔片材(sheet)产品和更具体地涉及新的微孔片材产品和涉及制备和使用其的方法。
微孔片材产品是在多种不同项目(items)，例如，电化学电池、食品包装材料和超滤装置中发现的熟知和通常使用的物品。例如，在电化学电池中，微孔片材产品通常用作电池隔板。典型地，电化学电池包括至少一对相反极性的电极，并且在许多情况中包括一系列交替极性的电极对。每对电极之间的电流通过电解液(electrolyte)维持。取决于电池系统的性质，电解液可以是酸性、碱性或基本上中性的，并且电池可以是一次或二次(可再充电或存储)系统。例如，在碱性蓄电池中，包括但不限于，一次电池、二次电池、镍电池、锌电池和银电池，电解液一般是氢氧化钾的水溶液。相比之下，在铅酸电池中，电解液典型地是硫酸溶液，并且，在锂蓄电池中，电解液典型地是锂盐，如三氟甲基磺酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、或另一种锂盐的有机溶液。
电池隔板典型地提供在电池相反极性的相邻电极之间以防止带相反电荷的电极板之间的直接接触，因为这种直接接触可导致电池短路。一般而言，强烈期望隔板具有以下特性中的一个或多个：(i)薄和重量轻以有助于提供高能量密度和比能量的电池；(ii)具有抑制电极板之间树枝晶形成的结构；(iii)具有提高电极板上电解质(electrolytic)组合物的摄取，并且在这种情况下，促进电极板上电解质组合物的基本上均匀的分布(一般称作芯吸(wicking)的效应)的能力；(iv)提供自由地允许电解质导电的性质；和(v)具有在尺寸上稳定的结构，甚至在热偏移(内部或外部加热)期间。强烈期望隔板以经济的和环境上安全的方式制备，同时基本上没有缺陷，如针孔等。
电池系统中常规使用的类型的隔板典型地由多孔结构制成，当置于电解液或电解质系统中时，能够展现高度导电性同时对电池系统呈现的环境是稳定的。隔板可以是大孔结构，如在电纺聚合物(spun polymer)和玻璃纤维制成的非织造结构的情况下。可选地，隔板可以是微孔结构，如在具有或没有填充剂的聚合物膜的情况下。
更具体地，一种已知类型的隔板包括非织造纤维材料，非织造纤维材料典型地具有高孔隙率、至少10微米的平均孔径、和低电阻率。这样的隔板的实例在1981年7月21日授权和通过引用并入本文的发明人Benson等的美国专利号4,279,979中公开。具体地，在前面提到的专利中，公开了电池隔板的非织造纤维基材。前面提到的基材(其据说是用于碱性电池隔板)是由具有小于约35gsm的基础重量和小于约200微米的厚度的重量轻、多孔、热粘合、合成的有机片材材料制成。主要的纤维组分是合成的浆料，其包括具有与木浆相似的预熔微原纤维结构的热塑性聚烯烃纤维。次要的纤维组分是具有大于约6mm的纤维长度的高韧度聚酰胺纤维。通过微原纤维聚烯烃的部分熔化形成的热粘合足以赋予片材材料至少400g/in宽度的湿抗拉强度，同时允许保持每分钟约100升和更多的透气性。据说基材特别适合镍-锌电池中的使用。
另一种已知类型的隔板在1981年8月11日授权和通过引用并入本文的发明人Machi等的美国专利号4,283,442中公开。具体地，在前面提到的专利中，公开了生产在尺寸上稳定的电池隔板的方法。该方法的特征为将丙烯酸和/或甲基丙烯酸接枝到聚乙烯膜上，用碱性水溶液处理得到的膜，和在施加拉伸下干燥处理的膜。
又一种已知类型的隔板包括微孔片材产品，其通过挤出包括聚烯烃和液体增塑剂的组合物和其后去除增塑剂以生产具有微孔结构的片材而形成。常规地，这样的增塑剂是高分子量油(即，10至70个碳原子的碳链)，其在包括相分离的片材形成的初始步骤期间基于它们与聚合物材料的相容性而被选择和在过程形成期间是容易萃取的。特别地，矿物油通常用作锂电池隔板的增塑剂。增塑剂的萃取通过使用相容的低分子量液体溶剂(例如，己烷)将增塑剂从冷却的最初形成的片材清洗而常规地实现。由增塑剂的去除引起的空隙提供遍及得到的隔板片材产品的基本上均匀的孔隙率。
隔板的再一个实例在2013年1月31日公开和通过引用并入本文的发明人Yen的美国专利申请公开号US 2013/0029126 A1中公开。具体地，在前面提到的公开中，公开了适合用作电池隔板的片材产品，以及形成片材产品的方法。该方法包括形成聚烯烃和具有高蒸汽压的流体混合物，将混合物成型为片材材料和将片材材料在高温经历拉伸/流体汽化以形成具有0.15和1之间的流体百分比与聚合物结晶度百分比之比的中间材料，之后是在低温的二次拉伸/流体汽化，同时从片材去除一部分流体剩余物。将得到的片材退火和去除流体剩余物以形成片材产品，该片材产品具有跨其厚度包括小和较大孔分层构造的分层结构的厚度。
隔板的进一步实例在2002年10月8日授权和通过引用并入本文的发明人Radovanovic等的美国专利号6,461,724B1中公开。在该专利中，公开了微孔材料，其包括具有至少20％结晶度的聚丙烯聚合物；和相容的、无定形的、玻璃状聚合物，其中所述聚合物当加热到聚丙烯聚合物的熔化温度以上时在化合物中是易混合的和当冷却到聚丙烯聚合物的结晶温度以下时与化合物相分离。优选的与聚丙烯相容的无定形的玻璃状聚合物据说是包括乙烯降冰片烯共聚物的环烯烃共聚物。据说适合聚丙烯聚合物与无定形的、玻璃状聚合物熔体混合的化合物包括矿物油和矿油精(minerl spirits)。
可能感兴趣的另外文件包括如下，其全部通过引用被并入本文：美国专利号8,748,028 B2，发明人Takita等，2014年6月10日授权；美国专利号8,728,617B2，发明人Benenati等，2014年5月20日授权；美国专利号8,703,283B2，发明人Goerlitz等，2014年4月22日授权；美国专利号8,262,973B2，发明人Lee等，2012年9月11日授权；美国专利号8,092,877B2，发明人Jester等，2012年1月10日授权；美国专利号8,048,520B2，发明人Hayes等，2011年11月1日授权；美国专利号7,288,316B2，发明人Jester，2007年10月30日授权；美国专利号6,696,524B2，发明人Hausmann，2004年2月24日授权；美国专利号6,242,127B1，发明人Paik等，2001年6月5日授权；美国专利号6,013,151，发明人Wu等，2000年1月11日授权；美国专利号5,939,181，发明人Kumano等，1999年8月17日授权；美国专利号5,336,573，发明人Zuckerbrod等，1994年8月9日授权；美国专利号4,699,857，发明人Giovannoni等，1987年10月13日授权；美国专利号4,539,256，发明人Shipman，1985年9月3日；美国专利号4,285,751，发明人Feinberg等，1981年8月25日授权；美国专利号4,210,709，发明人Doi等issued，1980年7月1日授权；美国专利号4,024,323，发明人Versteegh，1977年5月17日授权；美国专利号3,920,588，发明人Traeubel等，1975年11月18日授权；美国专利号3,679,540，发明人Zimmerman等，1972年7月25日授权；美国专利号3,351,495，发明人Larsen等，1967年11月7日授权；美国专利申请公开号US 2015/0228948 A1，发明人Maruyama等，2015年8月13日公开；美国专利申请公开号US 2014/0147726 A1，发明人Toyoda，2014年5月29日公开；美国专利申请公开号US 2013/0280584 A1，发明人Matsumura，2013年10月24日公开；美国专利申请公开号US 2013/0052735 A1，发明人DeRosa等，2013年2月28日公开；美国专利申请公开号US 2006/0051530 A1，发明人Schwarz等，2006年3月9日公开；美国专利申请公开号US2003/0124324 A1，发明人Langley等，2003年7月3日公开；PCT国际公开号WO 2013/065738A2，2013年5月10日公开；欧洲专利申请公开号EP 2 881 163 A1，2015年6月10日公开；欧洲专利号EP 1 157 653 B1，2011年1月26日公开；中国专利申请号CN 103213364 A，2013年7月24日公开；中国专利申请号CN 101541534 A，2009年9月23日公开；和Baldwin，“AReview of State-of-the-Art Separator Materials for Advanced Lithium-BasedBatteries for Future Aerospace Missions,”NASA/TM-2009-215590(2009)。
发明概述
本发明的目的是提供一种新的微孔片材产品。
根据本发明的一个方面，提供微孔片材产品，所述微孔片材产品通过包括以下的方法制备：(a)形成(i)环烯烃共聚物、(ii)电解液可溶胀热塑性塑料(thermoplastic)、和(iii)相容性试剂的混合物，相容性试剂促进环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料的混合，相容性试剂具有135-300℃范围的沸点；(b)铸塑混合物以形成片材材料；和(c)冷却片材材料。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可包括乙烯-降冰片烯环烯烃共聚物。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有约70-180℃的玻璃化转变温度。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有90℃以上的玻璃化转变温度。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有110℃以上的玻璃化转变温度。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有130℃以上的玻璃化转变温度。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有180℃的玻璃化转变温度、170℃的热挠曲温度、270-320℃的熔化温度和在260℃和2.16kg负荷测试的1.5ml/10min的体积流量指数。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有100,000Da以下的分子量。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有60,000Da以下的分子量。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可具有30,000Da以下的分子量。
在本发明更详细的特征中，环烯烃共聚物可构成混合物的按体积计约10-70％。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可包括至少一种负电性的原子，如氧原子或氟原子，当暴露于合适的电解液时其促进溶胀。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可选自聚氧乙烯、聚环氧丙烷、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚丙烯腈、聚偏1,1二氟乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯、氯-三氟乙烯、和聚偏1,1二氟乙烯-六氟丙稀-四氟乙烯。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可选自聚氧乙烯和聚偏1,1二氟乙烯-六氟丙稀-四氟乙烯。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可具有30,000Da以上的分子量。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可具有60,000Da以上的分子量。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可具有100,000Da以上的分子量。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可具有比环烯烃共聚物更高的分子量和更高的熔体粘度。
在本发明更详细的特征中，电解液可溶胀热塑性塑料可构成混合物的按体积计约5-70％。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可以是低分子量、高蒸汽压液体烃。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可具有约170-250℃范围的沸点。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可具有约30-170℃范围内的闪点特征。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可以是各个组分具有跨越至少10℃宽度的沸点的流体混合物。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可以是各个组分具有跨越至少15℃宽度的沸点的流体混合物。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可以是各个组分具有跨越至少20℃宽度的沸点的流体混合物。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可包括矿油精。
在本发明更详细的特征中，相容性试剂可构成混合物的按体积计约10-90％。
在本发明更详细的特征中，混合物可进一步包括聚烯烃。
在本发明更详细的特征中，聚烯烃可包括聚乙烯和聚丙烯中的至少一种。
在本发明更详细的特征中，聚烯烃可以是选自具有约20,000Da至8,000,000Da重均分子量的高密度聚乙烯和聚丙烯聚合物中的至少一个成员。
在本发明更详细的特征中，聚烯烃可构成混合物的按体积计30％以下。
在本发明更详细的特征中，环烯聚合物可构成混合物的按体积计约10-70％，电解液可溶胀热塑性塑料可构成混合物的按体积计约5-70％，和相容性试剂可构成混合物的按体积计约10-90％。
在本发明更详细的特征中，混合物可进一步包括无机填充剂和交联聚丙烯酸酯聚合物中的至少一种。
在本发明更详细的特征中，方法可进一步包括从片材材料去除相容性试剂。
在本发明更详细的特征中，去除相容性试剂的步骤可包括拉伸片材材料。
在本发明更详细的特征中，方法可进一步包括拉伸片材材料。
在本发明更详细的特征中，微孔片材产品可具有在LiPF6电解液中所测试的10,000ohm-cm以下的电阻率和在30％KOH溶液中所测试的300以下的电阻率。
在本发明更详细的特征中，微孔片材产品可具有在LiPF6电解液中所测试的约3000ohm-cm以下的电阻率。
在本发明更详细的特征中，微孔片材产品可具有5微米以下的平均孔径。
在本发明更详细的特征中，混合物可以是挤出混合物，和铸塑步骤可包括使挤出混合物挤出以形成片材材料。
在本发明更详细的特征中，混合物可以是均匀溶液，和铸塑步骤可包括使用溶剂铸塑技术在基材上形成片材材料。
在本发明更详细的特征中，基材可以是聚烯烃膜，和至少部分片材材料可至少部分地渗透聚烯烃膜.
根据本发明的再一方面，提供多层片材产品，所述多层片材产品包括多个堆积层，其中堆积层中的至少一个是上面描述的微孔片材产品中的任意一个。
本发明还涉及制备微孔片材产品的方法，所述方法包括以下步骤：(a)使挤出混合物熔体挤出以生产片材材料，挤出混合物包括(i)环烯烃共聚物、(ii)电解液可溶胀热塑性塑料、和(iii)相容性试剂，相容性试剂促进环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料的混合，相容性试剂具有135-300℃范围的沸点，(b)然后，冷却片材材料，借此微孔在片材材料中形成，和(c)然后，将片材材料经历拉伸/蒸发步骤，借此至少部分相容性试剂从片材材料去除。
本发明还涉及制备微孔片材产品的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在相容性试剂中溶解环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料以形成均匀溶液，相容性试剂具有135-300℃范围的沸点；和(b)使用溶剂铸塑技术用均匀溶液形成片材材料。
本发明另外涉及分离电池电极的方法，所述方法包括在电极之间安置上面描述的微孔片材产品中的任意一个。
本发明进一步涉及包装食品项目的方法，所述方法包括使食品项目与上面描述的微孔片材产品中的任意一个接触。
本发明的另外的目的以及方面、特征和优势将部分在接下来的描述中阐述，和部分根据描述将是显而易见的或可通过本发明的实施而得知。在描述中，参考附图，附图形成描述的部分和其中通过示例来显示实施本发明的多种实施方式。实施方式将被充分详细描述以使本领域技术人员能够实施本发明，以及应当理解，可利用其它实施方式，和可作出结构改变而不背离本发明的范围。因此，以下的详细描述将不是在限制意义上进行，和本发明的范围由所附权利要求最佳限定。
附图简述
附图——其因此被并入和构成该说明书的部分——示例本发明的多种实施方式，并且连同描述，用于解释本发明的原理。在附图中，其中同样的参考数字表示同样的部分：
图1是根据本发明而构造的多层微孔片材产品的示意性侧视图；和
图2是在实施例2中作为样品2AMT讨论的微孔片材产品的横断面扫描电子显微镜(SEM)图像。
发明详述
本发明涉及新的微孔片材产品，以及制备和使用其的方法。根据本发明的第一实施方式，微孔片材产品具有期望的性质，如高温稳定性，可通过以下来制备：(a)使挤出混合物熔体挤出以形成片材材料，挤出混合物包括(i)环烯烃共聚物、(ii)电解液可溶胀热塑性塑料、和(iii)相容性试剂，相容性试剂促进环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料之间的混合，相容性试剂具有135-300℃范围的沸点；和(b)然后，冷却片材材料，借此片材材料中的微孔通过相分离而产生，相容性试剂基本上填充片材材料的微孔以产生“湿的”多孔结构。在某些情况中，例如，微孔片材材料用作食品包装材料时，这样生产的微孔片材材料可被使用而无需任何进一步处理。在其它情况中，例如，微孔片材材料用作电池隔板时，微孔片材材料可随后被处理以从片材材料萃取相容性试剂，从而生产“干的”多孔结构。
如从上述所见，本发明涉及膜，其包括环烯烃共聚物、电解液可溶胀热塑性塑料、和挥发性相容性试剂，如矿油精。这样的膜可用作离子导电的电池隔板和可与多孔载体聚烯烃膜结合使用。使用矿油精或其它适合的相容性试剂以使环烯烃共聚物溶剂化，和电解液可溶胀热塑性塑料变得与环烯烃共聚物在分子上混合，产生稳定的挤出熔体，其可被使用以形成片材产品。矿油精或相似的相容性试剂使在其熔化温度(Tm)以下能够处理环烯烃共聚物，和在其玻璃化(Tg)温度以下更是如此。电解液可溶胀热塑性塑料优选当暴露于电解液时在原位溶胀，产生用于电化学导电性的毛细管。物品可任选地在环烯烃共聚物的玻璃化转变温度以下被定向和拉伸。整体多孔膜典型地是均匀的，在高温在化学和机械上稳定的，和在锂离子电解液中提供优异的导电性。电解液可溶胀热塑性塑料优选充当固体聚合物电解液，与电解液形成凝胶。片材产品可以是多层的和可具有用相同的蒸发性溶剂如矿油精处理的所有层，因此允许环烯烃共聚物分子部分迁移和浸透相邻层，形成具有导电性和尺寸稳定性的单一产品。
不希望受限于发明背后的任何具体理论，注意虽然环烯烃共聚物在高温展示优异的稳定性，但是它难以通过常规的塑料处理设备来处理。由于环烯烃共聚物的无定形的性质，环烯烃共聚物没有相分离以形成多孔膜。相反，环烯烃共聚物独自地趋于产生低弹性和低孔隙率的膜。典型的环烯烃共聚物膜在环烯烃共聚物的玻璃化转变温度以下不能被拉伸或定向。矿油精或相似的相容性试剂在本发明中的应用用于使环烯烃共聚物溶剂化和允许含有环烯烃共聚物的膜在Tg以下挤出和拉伸。
此外，通过利用具有环烯烃共聚物的电解液可溶胀热塑性塑料，当用于电池和与电解液接触时电解液可溶胀热塑性塑料可溶胀和胶凝化，从而在原位产生孔隙率。这通过暴露于电解液之后隔板在厚度上的溶胀来证明。得到的多孔膜具有在电化学电池中的离子导电性，同时当暴露于升高的温度时展示非常低的收缩。电解液可溶胀热塑性塑料在电解液中溶胀，尤其在升高的温度，因此抵抗相邻涂布的、层压的或共挤出的多孔聚烯烃膜的收缩和整体上提高膜的尺寸稳定性。优选，隔板在70℃储存之后在电解液中在厚度上溶胀至少1％，更优选在70℃储存之后在电解液中在厚度上溶胀至少2％，最优选在70℃储存之后在电解液中在厚度上溶胀至少5％。
胶凝化的电解液可溶胀热塑性塑料也具有当电池温度升高发生时迁移到隔板外面的额外的益处。这增加总电解液粘度，使电解液不能移动，和限制在热失控时电解液氧化。无机填充剂可被掺入到膜中以进一步提高稳定性和电池内电极分离。在温度偏移(热失控)的情况中，隔板保持其结构和防止短路或带相反电荷的电极的直接接触。隔板任一方向上的收缩优选在120℃在5％以下或在180℃在30％以下。
根据本发明的第二实施方式，具有期望性质的微孔片材产品可通过以下来制备：在适合的溶剂中溶解环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料以形成均匀溶液和然后铸塑均匀溶液以在适合的基材如多孔膜或电池电极上形成单个膜或涂层。
当本发明的膜作为多层结构的部分来提供时，环烯烃共聚物可在处理期间浸透相邻层，从而提高层的粘结。优选，这样的浸透是至少1％,更优选至少5％。此外，电解液可溶胀热塑性塑料可迁移进一个或多个相邻层以形成连续的胶凝化电解液，从而减小多层结构的孔径。而且，具有未涂布表面的载体膜可用于当电池热失控时进行可用的热停止。当隔板的电阻率增加至少100倍时发生停止，使电池停用。停止温度优选在170℃以下和更优选在140℃以下。
为了清楚的目的，本文和所附权利要求中使用的描述发明的术语中的一些在下面被进一步说明：
术语“片材材料”意欲指单一物品，其具有相对于其长度和宽度尺寸的两个大的表面和具有所述表面之间的厚度。一般而言，该术语用于描述在材料最初的挤出或成型为片材样形式期间实现的结构和在随后的片材材料处理期间产生的结构。
术语“片材产品”意欲包括单层或多层结构，其由单个片材材料组成或包括多个堆积或层压的片材材料。
术语“热塑性塑料”意欲指在特定的温度以上变得易弯曲或可模塑和冷却之后回到固态的聚合物。热塑性聚合物的分子链典型地在加热时分离和在冷却时通过分子间力结合和回复整体性质。热塑性塑料典型地具有与众不同的熔化和玻璃化转变温度。热塑性塑料的物理性质在相变之后大大改变。
可互换地使用的术语“流体”、“液体”、或“溶剂”指用于最初的聚合物/流体混合物的形成以形成片材材料的液体组分。这些术语也可参考用于形成的片材材料最初冷却的冷却浴的液体、用于其它处理步骤的流体和针对在拉伸/流体汽化步骤期间去除的流体而使用。
术语“隔板”意欲指电池，特别地蓄电池的组分，通过所述隔板，组分在相邻电极板或酸性、碱性或有机电解液的相反极性的元件之间保持分离。隔板可具有多种构造，如平的、带肋的、波状的片材，其可以是能保持相邻电极分离的膜或封套的形式。
术语“树枝晶”意欲指这样的生长，其在电极元件表面上发展和从电极元件表面向外延伸并且是由于在电池循环期间电极材料的重新电镀。从相反极性的一个电极到另一个电极横贯通过隔板的树枝晶形成可引起电池的短路。
术语“流动性”意欲指展现由组合物的聚合物分子互相滑动的物理能力引起的流动性质的聚合物组合物。该能力通过包含流体材料而增强，尤其当使聚合物与此接触，展现至少部分的溶解度时。
术语“结晶度”指在聚合物团块内相对于彼此聚合物分子的有规则或结构化的定向和区分于产生无定形材料的聚合物团块内聚合物分子的随机、不规则的定向。聚合物团块的结晶度可例如通过常规的x射线衍射分析来测定。
如上面所提到的，根据一个实施方式，本发明的微孔片材产品可至少部分通过以下形成：使挤出混合物熔体挤出，挤出混合物包括(a)环烯烃共聚物、(b)电解液可溶胀热塑性聚合物、和(c)相容性试剂，相容性试剂促进环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性聚合物之间的混合和还在得到的片材材料中产生微孔。
上面描述的挤出混合物的环烯烃共聚物(COC)可包括一种环烯烃共聚物或两种或多种环烯烃共聚物的混合物、降冰片烯聚合物或环烯烃聚合物。每种环烯烃共聚物可以是基于环烯烃和线性烯烃的无定形共聚物。环烯烃可衍生自单体降冰片烯，和线性烯烃可衍生自单体乙烯。本发明的环烯烃共聚物优选具有高的玻璃化转变温度Tg。取决于环烯烃共聚物的等级，环烯烃共聚物的Tg可以是约70-180℃，具有约190-320℃的熔化温度。优选，环烯烃共聚物的Tg为90℃以上，更优选110℃以上，最优选130℃以上。用于本发明目的的适合的环烯烃共聚物的实例包括TOPAS 8007、6013、6015、和6017环烯烃共聚物，其可获自TopasAdvanced Polymers,Inc.(Florence,KY)。这些环烯烃共聚物之中，TOPAS 6017是特别优选的，TOPAS 6017具有180℃的Tg、170℃的热挠曲温度、270-320℃的熔化温度、和在260℃和2.16kg负荷测试的1.5ml/10min的体积流量指数(VFI)。溶剂化的环烯烃共聚物在环烯烃共聚物的处理或熔化温度应具有比电解液可溶胀热塑性塑料更高的VFI。
也可使用具有可比较的Tg的环烯(没有乙烯)的其它聚合物。
如上面所指出的，本发明的环烯烃共聚物可包括一种或多种环烯烃共聚物。使用多个环烯烃共聚物时，两种或多种环烯烃共聚物可以是化学上不同类型的环烯烃共聚物或可以是不同分子量等级的相同类型环烯烃共聚物的混合物。
环烯烃共聚物优选构成挤出混合物的按体积计约10-70％。
上面描述的挤出混合物的电解液可溶胀热塑性塑料(EST)可包括一种电解液可溶胀热塑性聚合物或两种或多种电解液可溶胀热塑性聚合物的混合物。每种电解液可溶胀热塑性聚合物典型地包括负电性的原子，如氧原子或氟原子，或羟基以当暴露于锂或其它合适的电解液时促进溶胀。用于本发明目的的合适的电解液可溶胀热塑性塑料的实例包括聚氧乙烯(即，聚环氧乙烷)、聚环氧丙烷、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚丙烯腈、聚偏1,1二氟乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯、氯-三氟乙烯(例如，来自Solvay的SOLEF等级)和PVDF-HFP-TFE聚偏1,1二氟乙烯-六氟丙稀-四氟乙烯的碳氟三元聚合物(例如，DYNAMAR FX5911,3M,St.Paul,MN)。特别优选的电解液可溶胀热塑性聚合物包括来自The Dow Chemical Co.(Midland,MI)的POLYOX聚环氧乙烷和前面提到的氟聚合物，共聚物是优选的和三元聚合物更优选，如来自3M的FX5911，其具有110℃的熔化温度。
优选，电解液可溶胀热塑性塑料在处理温度具有比溶剂化的环烯烃共聚物更高的熔体粘度。此外，电解液可溶胀热塑性塑料优选具有比环烯烃共聚物更高的分子量。例如，电解液可溶胀热塑性塑料的分子量优选30,000Da以上，更优选60,000Da以上，和最优选100,000Da以上。通过比较，环烯烃共聚物优选具有100,000Da以下、更优选60,000Da以下、和最优选30,000Da以下的分子量。通过使电解液可溶胀热塑性塑料具有比环烯烃共聚物更高的分子量和更高的熔体粘度，环烯烃共聚物可形成膜的连续相，电解液可溶胀热塑性塑料形成膜的不连续相。更高分子量的可溶胀热塑性塑料趋于变得陷入环烯烃共聚物网络内，形成整体可溶胀多孔膜。当使环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料在相容性试剂中溶剂化时该粘度效果甚至更显著。
电解液可溶胀热塑性塑料优选构成挤出混合物的按体积计约5-70％。
前面提到的挤出混合物的相容性试剂优选是有机流体，其能够溶解和降低环烯聚合物的熔点温度并且其能够塑化电解液可溶胀热塑性聚合物，从而允许形成三种材料(即，环烯烃共聚物、电解液可溶胀热塑性塑料、和相容性试剂)的均一熔体。此外，相容性试剂也可用于在片材材料中产生(即，通过相分离)微孔。
因此，相对于环烯聚合物，相容性试剂充当溶剂以允许聚合物和它自己形成在升高的温度(例如，100-250℃)具有流动性的均一聚合物混合物,从而提供最初的片材材料。根据本发明的相容性试剂优选是低分子量、高蒸汽压有机液体，其选自脂肪族、脂环族、芳香族、十氢化萘、石蜡族液体，如矿油精，和其各个组分中的任意一个、低分子量烷、C9-C20烃，如壬烷、癸烷、对二甲苯、十一烷、十二烷、十八烷至二十碳烷和类似物、和其混合物。适合的相容性试剂应具有在70℃约1-50mm Hg(例如，1-5、5-10、10-20、20-40)的蒸汽压和优选也具有在20℃约0.1-5mm Hg的蒸汽压。适合的相容性试剂还应具有约135-300℃(即，275-572℉)的沸腾温度，约170-250℃(即，338-482℉)的沸腾温度是优选的。最后，相容性试剂应具有约30-170℃(即，86-338℉)范围内的闪点特征。优选的相容性试剂是这样的流体混合物：其各个组分具有跨越至少10℃、更优选15℃、最优选20℃宽度的沸点，并且在这种情况下，提高提供受控的多个温度和多个步骤溶剂蒸发的能力。矿油精是特别优选的相容性试剂，其具有在室温无需输入额外的热而溶解环烯聚合物的能力。相比之下，发现矿物油是在室温环烯烃共聚物的差的溶剂和甚至加热到200℃以上也没有使环烯烃共聚物充分地溶剂化。因此，矿物油将不被视为用于本发明目的的适合的相容性试剂。
如上面所指出的，相容性试剂与多种聚合物相分离，并且在这种情况下，在由此形成的片材材料中产生微孔。在那些情况中(其中例如微孔片材材料将用作食品包装材料)，可无需微孔片材材料的进一步处理。另一方面，在那些情况中(其中例如微孔片材材料将用作例如电池隔板)，微孔片材材料可随后被处理以便将相容性试剂从微孔片材材料去除。如下面所进一步讨论的，相容性试剂的这种去除可例如通过常规的溶剂萃取技术和/或通过美国专利申请公开号US 2013/0029126 A1的拉伸/汽化技术来实现。以前面提到的方式的相容性试剂的去除在完成的片材产品中产生用于电解液导电性的开放(可用)毛细管。
相容性试剂优选构成混合物的按体积计约10-90％。
上面描述的挤出混合物可进一步包括少量填充剂、着色剂、抗氧化剂、稳定剂等。例如，混合物可包括一种或多种无机填充剂，其可改善片材产品的孔隙率和溶胀速度。片材产品用作电池隔板时，这种溶胀产生有益的电池堆积压力。适合的无机填充剂可包括但不限于，硅(例如，硅酸盐)、铝、锂、镁、钙、钛、锌、锆和钡的碳酸盐和氧化物。这样的无机填充剂可以处于细颗粒的形式，优选直径约0.01-10微米。这样的颗粒可具有至少5m2/g、优选约5-200m2/g的表面积，可具有约0.01-1ml/g的孔体积(BET)和优选能吸收液体和增塑剂。颗粒可通过导致细颗粒的任何方法来制备，如，但不限于，研磨、凝结、沉淀、烟雾凝结(fumecondensation)、或任何其它适合的方法。这些化合物，当添加至挤出混合物时，增加孔隙率，尤其在聚合物片材材料的拉伸之后。优选，填充剂材料在期望的介质例如用于碱性应用的碱性溶液中基本上不溶解，和具有超过500℃的提高的熔化温度。适合的填充剂的其它实例在通过引用被并入本文的美国专利号8,388,878中描述。
填充剂用作挤出混合物的部分时，填充剂优选构成混合物的按体积计约0-20％。
上面描述的挤出混合物可进一步包括热塑性聚烯烃聚合物。这样的热塑性聚烯烃聚合物可例如在形成片材材料中用作挤出助剂。
热塑性聚烯烃聚合物可包括一种或多种热塑性聚烯烃聚合物并且，具体而言，可包括一种或多种热塑性聚烯烃均聚物或共聚物。优选的热塑性聚烯烃聚合物包括均聚物或共聚物的形式的聚乙烯和聚丙烯，如低或线性低密度、高密度、超高分子量的聚乙烯、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-己烯共聚物等和其混合物。热塑性聚烯烃聚合物的优选种类是具有约20,000Da至约8,000,000Da、更优选约200,000Da至约1,000,000Da的重均分子量的高密度聚乙烯和聚丙烯。
熔体流动指数或MFI是热塑性聚合物熔体流动容易度的度量。它被定义为针对可选的规定温度通过经由规定的可选重量分析重量施加的压力以十分钟流动通过特定直径和长度的毛细管的聚合物质量(克)。测定MFI的方法在ASTM D1238和ISO 1133中描述。熔体流动速率是聚合物分子量的间接度量。用作本发明的热塑性聚烯烃聚合物的优选的热塑性聚烯烃聚合物具有约10以下、优选0.001-2范围的熔体流动指数(MFI)。
如上面所指出的，热塑性聚烯烃聚合物可包括多种聚合物。例如，聚乙烯可与聚丙烯以不同的百分数混合。可选地，可使用相同聚合物(例如，聚乙烯)的不同分子量等级的混合物。
优选，上面描述的热塑性聚烯烃聚合物以尽可能低的百分比存在以便不妨碍环烯烃共聚物网络稳定性。优选，热塑性聚烯烃聚合物构成挤出混合物的按体积计30％以下。
上面描述的挤出混合物可进一步包括交联阳离子聚丙烯酸盐，如聚丙烯酸锂，以提高电解液导电性。
如上面所指出的，上面描述的类型的挤出混合物可被熔体挤出以产生微孔片材材料，并且取决于微孔片材材料的预期应用，微孔片材材料可然后经历另外的处理。适合的熔体挤出工艺的细节和处理挤出的片材材料以产生适合用作电池隔板的微孔片材产品的适合的方法的细节在下面提供。
首先，可制备挤出混合物，例如，通过在升高的温度混合聚合物和相容性试剂。在该混合物的制备期间，聚合物团块失去大量程度的其结晶度。典型地将聚合物和相容性试剂一起混合直到它们形成基本上均一的组合物，即，单相。这样的混合可在挤出工艺之前或期间进行，如通过将聚合物和相容性试剂投进挤出机的单或双螺杆进料室。适合的挤出机的实例在PCT国际公开号WO 2009/051278 A2中公开，其在2009年4月23日公开，并且其通过引用被并入本文。虽然不是特别关键，但是均一的熔体混合优选在双螺杆挤出机中进行。相容性试剂可在熔体混合开始之前添加或它可在混合的中间区段供给挤出机。熔化的材料然后可被泵送通过加热的金属带槽模具，其可被用于将压出物形成为成型的片材材料膜。
然后可将由此形成的片材材料冷却。这可例如通过将片材材料铸塑到冷的辊上或通过将片材材料浸入冷却浴足够的时间以固化片材材料来实现。冷却辊或浴优选维持在100℃以下的温度以便片材材料冷却到热塑性聚合物的熔化温度以下。
冷却之后，环烯烃共聚物(COC)、电解液可溶胀热塑性(EST)和相容性试剂的混合物将相分离，形成富含COC的相，富含EST的相，和分散在间隙中的相容性试剂。COC和相容性试剂形成膜的连续相，可结晶的EST聚合物由无定形的COC聚合物包封。
在某些情况中(例如片材材料将用作食品包装材料时)，相容性试剂保持在原位可以是可接受的。在其它情况中(例如片材材料将用作电池隔板时)，可将冷却的片材材料进行一些形式的处理以从片材材料去除至少一些相容性试剂。这样的处理可包括拉伸/流体汽化技术，其可包括在第一步中在至少一个方向上拉伸片材。该第一方向的拉伸可在纵向方向(machine direction)上进行，片材材料从该纵向方向离开挤出模头和冷却浴。拉伸可容易实现，例如，通过使片材材料通过设定的旋转表面速度的夹辊(nip roller)并且然后在卷绕辊(take-up roller)之前通过第二组更高速度夹辊。可选地，可使用其它常规的拉伸方法，如拉幅机(tenter)方法、吹胀法或其组合。在第一方向的拉伸可包括拉伸片材材料同时在升高的温度保持片材材料。在第一方向的拉伸可在一步操作或在一系列拉伸操作中完成以实现片材材料期望程度的伸长。
在第一方向上的拉伸随后或同时，片材材料可在第二方向上被拉伸，该第二方向可横向于第一拉伸方向。第一拉伸在纵向方向时第二拉伸可横向于纵向方向或反之亦然。优选进行第二拉伸同时在用于第一拉伸的类型的升高的温度保持片材。组合的拉伸可具有原始的双轴向面积约2-100倍的总比率。取决于配置物、机器设置，拉伸可在连续的单轴向步骤或同时的双轴向(纵向和横向方向)拉伸中进行，尽管单轴向拉伸是优选的。当连续进行时，第一和第二拉伸可以以任一顺序进行。在双轴向拉伸的情况中，可使用同时的双轴向拉伸、顺序的拉伸或多阶段拉伸(例如，同时的双轴向拉伸和连续的单轴向拉伸的组合)中的任意一种。膜拉伸步骤中一个或多个可如美国专利申请公开号US 2013/0029126 A1中所描述的进行，该申请通过引用被并入本文。上面描述的拉伸可不但用于进一步打开片材中的孔隙率，而且用于减小片材的厚度和对齐分子结构以最大化机械强度。
与拉伸同时，相容性试剂的部分或全部可通过汽化而从片材材料去除。给定的相容性试剂可被汽化的容易度将取决于相容性试剂的挥发性。某些相容性试剂，如矿油精，是高度挥发性的并且可通过在升高的温度拉伸而容易被汽化。拉伸应掺入残余量的相容性试剂如矿油精以允许在环烯烃共聚物的玻璃化转变温度以下的拉伸。矿油精或其它相容性试剂的残余量优选5％以上，更优选10％以上。用于形成最初组合物和成型材料的受控量的相容性试剂可在第一和第二拉伸步骤中的每个期间被同时汽化和从片材材料去除。
利用在至少一个或两个拉伸方向在张力下拉伸的片材材料，片材材料可经历退火、或升高的温度片材稳定化。相对于形成片材材料的热塑性塑料的最低Tm，退火温度可在(Tm-50)至(Tm-5)℃之间。共挤出的膜可以以相似的方式处理。
代替使用拉伸/流体汽化来去除相容性试剂，相容性试剂可用适合的溶剂，诸如烃如己烷和一种或多种工业中熟知的氯化的溶剂萃取。
作为上面描述的熔体挤出工艺的替代，根据本发明的另一个实施方式，环烯烃共聚物可通过搅拌溶解在相容性试剂，如矿油精中，电解液可溶胀热塑性塑料此后通过混合掺入到混合物中。溶剂溶解膜铸塑技术然后可用于将得到的混合物涂布到预成型的隔板基材，如聚烯烃隔板基材上，环烯烃共聚物部分浸透聚烯烃隔板基材和结合到聚烯烃基材以产生可溶胀和在尺寸上稳定的多层隔板。这样的结构无需拉伸。
在用任何液体吸液之前，根据本发明的“干的”微孔片材产品(即，相容性试剂已被去除的微孔片材产品)的厚度可以是约0.1-20mil(约0.0025-0.50mm)，虽然厚度可基于片材产品预期的特定应用而变化。例如，当用作锂电池中的隔板时，对象片材产品的厚度优选是约0.4-2mil(约0.01-0.05mm)。
这样的“干的”微孔片材产品的孔隙(即，间隙)可具有约0.001至100微米范围的尺寸。对于微孔应用，孔隙的优选范围是约0.001至5微米，更优选约0.01至1微米。对于过滤应用，孔隙的优选范围是约5至100微米。
用作电池隔板的片材产品的性质不但包括渗透性、机械强度、和尺寸稳定性，而且包括与电解质溶液芯吸、吸收、和电池循环性相关的性质。本发明提供薄的、重量轻的片材产品，其具有高电解液保留能力，从而提供给电池在电极表面上保持电解液和实现高电解质导电性的能力，同时，当适当时，提供树枝晶在相反极性的电极元件之间的形成和生长的强抑制和机械强度。同时，本发明的片材产品具有高温稳定性和暴露于电解液胶凝化，从而在电池中提供良好的离子导电性。电阻率(即导电性的倒数)的测量优选10,000ohm-cm以下，更优选约3000ohm-cm以下，如在LiPF6有机电解液中所测试的，或约300ohm-cm以下，如在30％KOH电解液中所测试的。电阻率的目标是在有机锂电解液中10,000ohm-cm以下。
本发明的微孔片材产品可由上面描述的类型中任意一个的单层组成，或可包括多个堆积或层压的层，其一个或多个可具有上面描述的类型中任意一个。层压结构可使用常规的多片材挤出头装置(例如共挤出)，或通过使用热、粘合剂、或其它方法，使两个或多个先前形成的层层压在一起而容易形成。可选地，多层结构也可通过将上面描述的类型的混合物挤出、涂布或层压到适合的基材上而产生。多层结构的实例在2008年4月16日公开的欧洲专利申请公开号EP 1 911 352 A1中描述，其通过引用被并入本文。多层结构的层中的一个或多个可以是保护层，其可以是无孔的以限制水分、氧、病原体或其它有害的微生物的渗透性和改善膜耐久性和最终产品的保存期限。多层结构可包括夹在一对外层之间的中层，其中外层的组合物可与内层的相同或在一些方式上与内层的不同。无论如何，用于各层的材料应是充分相容的和易混合的以在层的挤出和并置期间允许粘合。多层构造不排除层与对象物品的涂布和层压。
虽然根据本发明的隔板可以是单独的膜，但是目前的隔板优选是多层结构，包括至少两层，即，A层和B层，其中至少一个是多孔的。A层可以是，例如，聚烯烃层，和B层可包括环烯烃共聚物、电解液可溶胀热塑性塑料、和适合的相容性试剂如矿油精的混合物。添加物，如无机填充剂、高吸水性聚合物如聚丙烯酸酯聚合物、或高分子量热塑性塑料，可掺入至A层和B层中的一个或多个。前面提到的聚丙烯酸酯聚合物可以是盐形式，如聚丙烯酸锂、聚丙烯酸钠、和/或聚丙烯酸钾，具有不同程度的交联或没有交联。更优选，A层和B层可以处于ABA排列，B层夹在两个微孔的A层之间；可选地，A层和B层可以处于BAB排列。A层可赋予产品处理稳定性和物理强度而B层可赋予产品溶胀能力、导电性、和尺寸稳定性。可包括另外的功能层，这样的层包括但不限于，粘合层、可溶胀扩散层、和陶瓷层。在多层结构中，优选存在至少一个具有稳定的环烯烃共聚物——其具有超过170℃的玻璃化转变温度——的层，和至少第二层，其具有150℃以下的停止和熔化温度。
现在参考图1，显示根据本发明构造的多层微孔片材产品的示意性侧视图，多层微孔片材产品总体上由参考数字101表示。
多层微孔片材产品101包括内层103和一对外层105和107，内层103夹在外层105和107之间。内层103在组成上可与上面描述的微孔片材产品的实施方式中任意一个相同和优选走向基本上在与外层105和107的主表面相同的方向。外层105和107可彼此相同和可与内层103的区别仅在于外层105和107不包括环烯烃共聚物。层103、105、和107中的一个或多个可以是微孔的和可具有约0.001至5微米的孔径。
层103、105和107可被层压在一起，例如，通过共挤出。整个层压材料可作为单个单元被处理和拉伸。
如可以理解的，虽然多层微孔片材产品101具有BAB种类(A层包括环烯烃共聚物和B层不包括环烯烃共聚物)，但是多层微孔片材产品101可具有ABA种类、AB种类、ABC种类(C层在组成上不同于A层和B层两者)、ABCD种类(D层在组成上不同于A、B和C层)、或其它排列。
除了用作电池隔板，上面描述的微孔膜可用于其它应用。对于一些这样的应用，膜可被使用而没有对其的任何进一步修饰，而对于其它应用，膜优选以一些方式被修饰。其中膜可被修饰的一种方法是通过用赋予膜特定功能的材料吸液。吸液材料可以是液体或固体的分散体。某些应用可需要两种或多种反应性组分作为吸液材料以允许微孔片材结构内反应性组分的反应。吸液材料的实例包括药物、香料、调味品、着色剂、抗静电剂、表面活性剂、抗微生物剂、杀虫剂和固体微粒材料，如活性炭和颜料。
本发明的微孔片材产品可被层压或共挤出成许多种其它结构中的任意一种，如非织造、多孔、和无孔片材材料，以提供复合结构。非织造材料可包括但不限于，玻璃、纤维素、聚烯烃、聚酰胺、聚酯和其它聚合物。层压可通过常规的技术，如挤出涂布、溶剂铸塑、浸透、粘合剂粘结、点焊、共挤出或通过其它技术——其不破坏或另外干扰孔隙率或其不产生不希望的孔隙率或穿孔——来实现。
本发明的微孔片材产品可在任意的许多种微孔结构可被利用的情况中使用。例如，微孔片材产品可用于胶体物质的超滤，例如，作为扩散屏障。可选地，膜可用作电化学电池中的隔板、用作电容器纸、用作土工用膜、用作非织造保护性窗纱、用作一次性衣服或尿布、或用作一次性手套。
微孔膜的另一个应用可以在食品包装领域，如在生肉包装、熟肉和香肠肠衣、和乳酪包装中，以提供风味转移和促进粘着。其它应用可以是鲜肉包装，如鸡肉收缩袋和绞牛肉和猪肉展示托盘衬里，以吸收过多的处理液体。包装的食品经常趋于随着时间从它们的固体结构排出水分或血液。由于本文描述的膜可含有超级吸收剂(superabsorber)或保留水分的其它机构，所以食品包装内合并的液体的发生可被最小化。其它应用可包括用于新鲜产品和面包的包装，其中水分、氧、和二氧化碳水平应的平衡应达到以保持这些食品新鲜持续更长的保存期限。
给出以下实施例，仅用于说明的目的和不意味是对本文描述的发明的限制或对所附权利要求的限制。描述、实施例和所附权利要求中给出的所有的部分和百分比是按体积计，除非另外规定。另外，本文提供的数的所有范围将被视为具体公开了每个给定范围内数的所有子集。
对象膜用作电化学电池隔板时，测定最适组合物的指导原则是碱性电解液中最高的导电性，同时显示期望的物理和机械特性。下面的所有样品被相似地处理，材料混合物通过共旋转双螺杆挤出机以上面描述的方式处理。将挤出机在进料区设置100℃的温度，在熔化区设置200℃的温度，将挤出机在泵送区段之前排空，挤出机泵送区段和模具设置在180℃。将熔化的挤出物铸塑到设在40℃的铸塑辊上，总挤出速率为4kg/hr，铸塑辊具有4ft/min的输出(takeoff)速度。
材料:
用于片材产品形成的材料包括：
环烯烃共聚物(COC)–来自Topas Advanced Polymers,Inc.的Topas 8007、6013或6017
PEG聚环氧乙烷(Polyox)聚合物WSR 308-Dow Chemical
氟聚合物FX5911–3M
高密度聚乙烯(HDPE)Alathon L5906-Lyondell Basell(MFI of 0.06)
线性低密度聚乙烯(LLDPE)GA601–由Lyondell Basell制造
聚丙烯(PP)F006EC2，来自Braskem
Sunnyside Corp.分装的矿油精溶剂142
由Evonic制造的二氧化硅–Sipernat50
乙烯醋酸乙烯酯–Petrothene NA362-005，由Lyondell Basell制造
设备：
体积送料器，型号#K2MVS60，K-Tron Corp.
流体泵–Nepture，型号515AN3
双螺杆挤出机(ZSK-30)，由Krupp Werner&Pfleiderer Corporation(Ramsey,NJ)制造
铸塑膜卷绕机(Cast Film Take-up)，由Killion Extruders,a Davis StandardCompany(Pawcatuck,CT)制造
双定向拉幅机框架-Marshall和Williams(Woonsocket,RI)
加热枪，型号69343–Chicago Electric
使用以下程序以形成下面表1、2、3和4中描述的片材产品中的每个(比较的片材产品概述在下面的表5中)：将指定份数的聚合物通过体积送料器投进双螺杆熔体-挤出机。允许聚合物在挤出机内熔化，并且然后，将指定份数的流体通过测量泵引入至挤出机。将聚合物和流体熔体混合成均一的流体混合物。总挤出速率设置在4kg/hr。将混合物通过缝模形成为片材。将片材铸塑到保持在30℃的钢辊上。冷却之后片材材料从液相转变成固相片材材料。
然后将片材以每分钟3英尺从铸塑输出辊(cast take-off roller)去除以提供适合拉伸的片材厚度。未拉伸或使用拉伸试验机的一组虎钳夹口横向拉伸而测试片材。当样品未拉伸或样品拉伸期间热蒸发时将矿油精用丙酮萃取。电阻率在锂电解液中测试，除非另外说明。
实施例1
参考下面的表1，通过组成和性能显示许多单层和多层隔板样品，其包括聚环氧乙烷聚合物、氟聚合物FX5911、或其组合的形式的电解液可溶胀热塑性塑料。表1中的样品1A和1B指用于证明电解液可溶胀热塑性导电性的单层膜。可以看出，样品1A和1B最初在室温具有非常高的电阻率；然而，在在升高的温度(70℃，一小时)暴露于锂电解液之后，电解液可溶胀热塑性塑料溶胀以产生电解液导电性毛细管，从而赋予电化学活性，引起膜增加厚度和重量，和减少膜电阻率。简言之，因为电解液可溶胀热塑性塑料溶剂化，所以样品1A和1B从无孔隔板变成多孔隔板。
表1
*NA＝未获得
厚度使用Mitutoyo 1D-C112EXB测厚度计测量。样品的厚度增加百分比通过在电解液中浸泡之前和之后测量厚度来计算。相似地，样品的重量增加百分比通过在电解液中浸泡(持续特定时间)之前和之后测量样品的重量来计算。
膜的电阻率通过将膜放置在浸入电解液的一对电极之间来测量。将电极连接于HP4338B Milliohm Meter。当通过HP计测量电阻时，具有和没有膜，该区别是以ohm-cm-sq记录的电阻。通过用电阻除以隔板厚度，这使读数标准化，或以ohm-cm记录为隔板的电阻率。
实施例2
参考下面的表2，通过组成和性能，显示许多样品，其中重量和厚度增加的差别，以及电阻率的差别被研究为强度处理的函数。PIB指聚异丁烯。
表2
实施例3
参考下面的表3，显示用加热枪在430℉使对应于上面的样品2AMT的各种样品退火持续多个时期的效果。可以看出，显示收缩的3-层样品的热稳定性可以是在140℃储存低至5％。
表3
退火条件 3A 3B 3C 3D
运行ID,退火温度,℉ 430 430 430 430
运行ID,退火时间,s 15 30 60 120
溶剂浸湿,s ～1 ～1 ～1 ～1
收缩,最初的尺寸,mm 50X 50 50X 50 50X 50 50X 50
收缩％,MD,3个的平均值,100C,％ 1％ -1％ -1％ 0％
收缩％,TD,3个的平均值,100C,％ 2％ 0％ 0％ 0％
收缩％,MD,3个的平均值,120C,％ 1％ -1％ 0％ 0％
收缩％,TD,3个的平均值,120C,％ 3％ 1％ 1％ 1％
收缩％,MD,3个的平均值,140C,％ 3％ 2％ 0％ 1％
收缩％,TD,3个的平均值,140C,％ 11％ 8％ 3％ 2％
收缩％,MD,3个的平均值,160C,％ 4％ 3％ 3％ 3％
收缩％,TD,3个的平均值,160C,％ 19％ 17％ 11％ 7％
收缩％,MD,3个的平均值,180C,％ 7％ 5％ 4％ 4％
收缩％,TD,3个的平均值,180C,％ 29％ 23％ 16％ 15％
收缩％,MD,3个的平均值,200C,％ 8％ 5％ 5％ 5％
收缩％,TD,3个的平均值,200C,％ 30％ 24％ 19％ 17％
观察结果(退火步骤之后) 2个样品产生空穴
ρRT,Ωcm 1074 1231 1687 2617
ρ70C,Ωcm 1298 1347 1857 2509
ρ105C,Ωcm 1297 1183 1431 2032
实施例4
参考下面的表4，显示用加热枪在550℉或570℉使对应于上面的样品2AMT的各种样品退火持续多个时期的效果。可以看出，发现在140℃储存实现3％收缩，而发现过度退火增加隔板电阻率，模拟热停止能力。
表4
实施例5
参考下面的表5，通过组成和性能显示许多比较样品，其缺少电解液可溶胀热塑性塑料。可以看出，样品5A和5C展示非常高的电阻率。包括相当大百分比的二氧化硅的样品5B展示更加可接受的电阻率；然而，该样品易碎和缺少膜完整性。所以，样品5B作为单层隔板可不是最佳的，但是可以更适合作为多层隔板的部分，也许聚烯烃层作为载体层，其提供结构强度。
表5
上面描述的本发明的实施方式意欲仅是示例性的，并且本领域技术人员将能够对它做出很多改变和修饰而不背离本发明的精神。所有这样的改变和修饰意欲在如所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (47)

1.微孔片材产品，其通过包括以下的方法制备：(a)形成(i)环烯烃共聚物、(ii)电解液可溶胀热塑性塑料、和(iii)相容性试剂的混合物，所述相容性试剂促进所述环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料的混合，所述相容性试剂具有135-300℃范围的沸点；(b)铸塑所述混合物以形成片材材料；和(c)冷却所述片材材料。
2.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物包括乙烯-降冰片烯环烯烃共聚物。
3.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有约70-180℃的玻璃化转变温度。
4.如权利要求3所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有90℃以上的玻璃化转变温度。
5.如权利要求4所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有110℃以上的玻璃化转变温度。
6.如权利要求5所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有130℃以上的玻璃化转变温度。
7.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有180℃的玻璃化转变温度、170℃的热挠曲温度、270-320℃的熔化温度、和在260℃和2.16kg负荷测试的1.5ml/10min的体积流量指数。
8.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有100,000Da以下的分子量。
9.如权利要求8所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有60,000Da以下的分子量。
10.如权利要求9所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物具有30,000Da以下的分子量。
11.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯烃共聚物构成所述混合物的按体积计约10-70％。
12.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料包括至少一种当暴露于合适的电解液时促进溶胀的负电性原子。
13.如权利要求12所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料选自聚氧乙烯、聚环氧丙烷、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚丙烯腈、聚偏1,1二氟乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯、氯-三氟乙烯、和聚偏1,1二氟乙烯-六氟丙稀-四氟乙烯。
14.如权利要求13所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料选自聚氧乙烯和聚偏1,1二氟乙烯-六氟丙稀-四氟乙烯。
15.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料具有30,000Da以上的分子量。
16.如权利要求15所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料具有60,000Da以上的分子量。
17.如权利要求16所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料具有100,000Da以上的分子量。
18.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料具有比所述环烯烃共聚物更高的分子量和更高的熔体粘度。
19.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料构成所述混合物的按体积计约5-70％。
20.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂是低分子量、高蒸汽压液体烃。
21.如权利要求20所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂具有约170-250℃范围的沸点。
22.如权利要求21所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂具有约30-170℃范围内的闪点特征。
23.如权利要求20所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂是各个组分具有跨越至少10℃宽度的沸点的流体混合物。
24.如权利要求23所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂是各个组分具有跨越至少15℃宽度的沸点的流体混合物。
25.如权利要求24所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂是各个组分具有跨越至少20℃宽度的沸点的流体混合物。
26.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂包括矿油精。
27.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述相容性试剂构成所述混合物的按体积计约10-90％。
28.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述混合物进一步包括聚烯烃。
29.如权利要求28所要求保护的微孔片材产品，其中所述聚烯烃包括聚乙烯和聚丙烯中的至少一种.
30.如权利要求29所要求保护的微孔片材产品，其中所述聚烯烃是选自具有约20,000Da至8,000,000Da的重均分子量的高密度聚乙烯和聚丙烯聚合物中的至少一个成员。
31.如权利要求28所要求保护的微孔片材产品，其中所述聚烯烃构成所述混合物的按体积计30％以下。
32.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述环烯聚合物构成所述混合物的按体积计约10-70％，其中所述电解液可溶胀热塑性塑料构成所述混合物的按体积计约5-70％，和其中所述相容性试剂构成所述混合物的按体积计约10-90％。
33.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述混合物进一步包括无机填充剂和交联聚丙烯酸酯聚合物中的至少一种。
34.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述方法进一步包括从所述片材材料去除所述相容性试剂。
35.如权利要求24所要求保护的微孔片材产品，其中去除所述相容性试剂的所述步骤包括拉伸所述片材材料。
36.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述方法进一步包括拉伸所述片材材料。
37.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述微孔片材产品具有在LiPF6电解液中所测试的10,000ohm-cm以下的电阻率和在30％KOH溶液中所测试的300以下的电阻率。
38.如权利要求37所要求保护的微孔片材产品，其中所述微孔片材产品具有在LiPF6电解液中所测试的约3000ohm-cm以下的电阻率。
39.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述微孔片材产品具有5微米以下的平均孔径。
40.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述混合物是挤出混合物和其中所述铸塑步骤包括使所述挤出混合物挤出以形成所述片材材料。
41.如权利要求1所要求保护的微孔片材产品，其中所述混合物是均匀溶液和其中所述铸塑步骤包括使用溶剂铸塑技术在基材上形成所述片材材料。
42.如权利要求41所要求保护的微孔片材产品，其中所述基材是聚烯烃膜和其中至少部分所述片材材料至少部分地渗透所述聚烯烃膜。
43.多层片材产品，所述多层片材产品包括多个堆积层，其中所述堆积层中的至少一个是权利要求1所述的微孔片材产品。
44.制备微孔片材产品的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)使挤出混合物熔体挤出以产生片材材料，所述挤出混合物包括(i)环烯烃共聚物、(ii)电解液可溶胀热塑性塑料、和(iii)相容性试剂，所述相容性试剂促进所述环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料的混合，所述相容性试剂具有135-300℃范围的沸点，
(b)然后，冷却所述片材材料，借此微孔在所述片材材料中形成，和
(c)然后，将所述片材材料经历拉伸/蒸发步骤，借此至少部分所述相容性试剂从所述片材材料去除。
45.隔离电池电极的方法，所述方法包括在所述电极之间安置权利要求1所述的微孔片材产品。
46.包装食品项目的方法，所述方法包括使所述食品项目与权利要求1所述的微孔片材产品接触。
47.微孔片材产品，其通过包括以下的方法制备：(a)在相容性试剂中溶解环烯烃共聚物和电解液可溶胀热塑性塑料以形成均匀溶液，所述相容性试剂具有135-300℃范围的沸点；和(b)使用溶剂铸塑技术用所述均匀溶液形成片材材料。
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