JP6222906B2 - 冷間成形用二軸延伸ナイロンフィルム - Google Patents

冷間成形用二軸延伸ナイロンフィルム Download PDF

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Description

本発明は冷間成形用包材、特にリチウムイオン二次電池等の電池ケース用包材の主要基材として好適に用いられる、冷間成形用二軸延伸ナイロンフィルムに関するものである。
従来、例えば、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、燃料電池等、または液体、固体セラミック、有機物等の誘電体を含む液体コンデンサ、固体コンデンサ、二重層コンデンサ等の電解型コンデンサ等の化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する素子を含む種々の電池が、パソコン、携帯端末装置(携帯電話、PDA等)、ビデオカメラ、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星等に広く用いられている。これらの電池用外装体としては、金属をプレス加工して円筒状または直方体状に容器化した金属製缶、あるいは、プラスチックフィルム、金属箔等をラミネートして得られる積層体を袋状にしたもの(以下、外装体)が用いられていた。
しかしながら、電池の外装体のうち、金属製缶タイプにおいては、容器外壁がリジッドであるため、ハード側を電池の形状に合わせて設計する必要があり、形状の自由度がなくなるという問題があった。また、金属製缶タイプは容器自体が厚いため、長時間使用時など電池が発熱した場合に放熱しにくいという欠点もあった。一方、積層体タイプは、金属端子の取出し易さや密封のし易さ、あるいは柔軟性を有するため、電子機器や電子部品の適当な空間に合わせた形状とすることができ、電子機器や電子部品自体の形状をある程度自由に設計することができる。さらに、薄膜で放熱性にも優れているため、発熱による異常放電を防止することも可能である。よって、積層体タイプは金属製缶タイプに比べて小型化、軽量化を図りやすい、および安全性が高い等の利点から、電池用外装体として主流になりつつある。
積層体タイプの外装体を用いたリチウム電池の形態としては、包材を筒状に加工し、リチウム電池本体および正極および負極との各々に接続された金属端子を外側に突出した状態で収納し、開口部を熱接着して密封した袋タイプ(たとえば、特許文献1の図2参照)と包材を容器状に成形し、この容器内にリチウム電池本体および正極および負極との各々に接続された金属端子を外側に突出した状態で収納し、平板状の包材ないし容器状に成形した包材で被覆すると共に、四周縁を熱接着して密封した成形タイプ(たとえば、特許文献1の図3参照)が知られている。
そして、成形タイプは袋タイプに比べて、電池本体をタイト(ぴったりとした状態)に収納することができるため、体積エネルギー密度を向上させることができると共に、リチウム電池本体の収納がし易いなどの利点がある。さらに、成形タイプのうち、冷間(常温)成形法は、加熱成形法に比べて加熱による強度物性の低下や熱収縮の発生など成形加工時に包材自体の特性が変化する危険性が低く、さらに成形装置も安価で、簡便であるとともに生産性も高いことから、現在主流の成形方法となっている。
電池用外装体に要求される物性・機能としては、高度な防湿性、密封性、耐突刺性、耐ピンホール性、絶縁性、耐熱・耐寒性、耐電解質性(耐電解液性)、耐腐蝕性(電解質の劣化や加水分解により発生するフッ酸に対する耐性)等が必要不可欠であり、特に防湿性は重要な要素となる。しかしながら、積層体タイプ、特に冷間成形タイプにおいて、金属箔として一般的に用いられるアルミニウム箔は成形性に優れる反面、成形時に生じる不均一変形によりピンホールやクラックが生じ易いという問題があり、シャープな形状で深く安定して成形するという成形安定性の点において改善の余地があった。また、積層体タイプは、少なくとも、基材層、バリア層、シーラント層から構成されているが、前記各層間の接着強度が電池の外装体として必要な性質に影響を与えることが確認されている。例えば、バリア層と基材層間の接着強度が不十分であると、電池本体を収納後ヒートシールして密封する工程、あるいは高温の状態で長時間使用された場合、基材層の熱収縮応力が層間接着強度より大きくなり、バリア層と基材層間でデラミネーション(剥離)が発生する問題があった。特に200℃前後の熱が基材層に加わるヒートシール時にデラミネーションの発生頻度が高かった。バリア層と基材層間でデラミネーションが発生した場合、電池用外装体の要求特性のうち、耐突刺性、耐ピンホール性等の強度特性の低下を招き、外部から水蒸気の浸入の原因となりうる。内部に水蒸気が侵入した場合、電池を形成する成分の一つである電解質と反応して生成するフッ化水素酸により、前記バリア層であるアルミニウム箔が腐食するという問題があった。
以上、積層体タイプ、特に冷間成形タイプの電池用外装体の主たる品質的な課題、すなわち優れた冷間成形性の確保と各層間でのデラミネーションの抑制に関してこれまで種々の提案がなされている。優れた冷間成形性を確保する方法として、例えば特許文献2は、基材層表面に脂肪酸アマイド系の滑り性付与成分をコーティングし、成形時に金型内への滑り込みを良くして成形性を改善する方法、また特許文献3、特許文献4、特許文献5、および特許文献6はナイロンフィルム等の基材層の強度物性に着目し、冷間成形時におけるアルミニウム箔の破断抑制のため、異方性が少なく、かつ高強度あるいは高伸度等の性質を有する基材を使用してアルミニウム箔を補強する方法、さらには特許文献7のように基材層の結晶性に着目したものなどが提案されている。一方、デラミネーションを抑制する方法として、特許文献8は基材層の熱水収縮率を、特許文献9は基材層の密度をある範囲に限定する方法が提案されている。
しかしながら、基材層の表面に滑り性付与成分をコーティングする方法は、コーティングする工程を設けなければならず、生産性が低下するという問題があった。また、電池の真空脱気時やシール加工時に滑り性付与成分が蒸発して、この蒸発成分が加工設備に付着するため、これらを除去する清掃作業が必要になることから、さらに生産性が低下するという問題があった。また、高強度あるいは高伸度の基材を使用してアルミニウム箔を補強する方法は、成形性の向上は見られるものの、デラミネーションの抑制に関しては何ら記載が無かった。さらに、基材層の熱水収縮率を制限しデラミネーションを抑制する方法は、特に発生頻度が高い200℃前後の熱が基材に加わるヒートシール工程や高温高湿度下条件でのデラミネーションの発生状況とは必ずしも条件が合致しておらず、デラミネーションの指標としては不十分であった。また、デラミネーションの発生は、基材層の熱収縮応力が層間接着強度より大きくなった場合に発生することから、熱水中での収縮量を制限するだけではデラミネーションの発生を完全に抑制することは必ずしも出来なかった。
筆者らは上記課題に鑑み、特許文献10の基材層であるナイロンフィルムの熱収縮応力、および引張強度をある範囲に限定することにより、積層体タイプ、特に冷間成形タイプの電池用外装体の主たる品質的な課題であった優れた冷間成形性の確保と各層間でのデラミネーションの抑制を両立できることを見い出した。しかしながらリチウムイオン電池に代表される二次電池は広く普及しており、最近では自動車用等比較的長く、しかも過酷な条件で使用される場合があり、外装材に益々の耐久性の要求が高まっている。従来の技術では過酷条件での耐久性、特に高温高湿度下やONyフィルムとアルミニウム箔間に印刷層を設けた場合においては各層間の接着力が弱くなる場合があり、デラミネーション発生の危険性も高まる場合があった。
一方、ラミネート強度改善を目的として特にボイル、レトルト時の接着性が求められるような用途に易接着ナイロンフィルムが開発されている。(特許文献11、12、13)しかし、これを電池用外包材の基材として応用した例は無い。
特開2004−74419号公報 特開2002−216714号公報 特開2000−123800号公報 特開2006−236938号公報 特開2008−44209号公報 特開2005−22336号公報 特開2007−42469公報 特開2006−331897公報 特開2008−288117公報 特開2011−162702公報 特公昭57−26236公報 特開平8−258232公報 特開平11−20104公報
本発明は、前述のような、過酷条件での耐久性、特に高温高湿度下やONyとアルミニウム箔間に印刷層を設けた場合においても、デラミネーション発生がない、冷間成形用ナイロンフィルムを得ることを課題とする。
本発明者は本課題に鋭意研究を重ねた結果、ある特定の強度特性を持つ二軸延伸フィルムの表面がある特定の樹脂で薄く塗工されていることで、それを基材とした電池用外装材として優れた冷間成形性の確保と高温高湿度下や印刷層の介在等の過酷条件下で各層間でのデラミネーションの抑制に関して両立できることを見出した。
具体的には、
[1]、未延伸または延伸され、熱処理されていないナイロンフィルムに、ポリウレタン樹脂、又はアクリル酸共重合体樹脂およびその架橋剤を塗工後、熱処理したことを特徴とする易接着性ナイロンフィルムであって、170〜210℃における熱収縮応力の最大値
がMD、TDともに5.0MPa以下で、かつ一軸引張試験(試料幅15mm、チャック間距離100mm、引張速度200mm/min.)における4方向(0°(MD)、45°、90°(TD)、135°)すべての破断強度が240MPa以上であることを特徴とする二軸延伸ナイロンフィルム、
[2]、[1]記載の樹脂Aおよびその架橋剤Bが下記A、Bであって固形分重量比A/B=98〜30/2〜70から成る組成物を主成分とする水性塗工剤を延伸後の塗工量が固形分で0.005〜0.030g/mである[1]記載の二軸延伸ナイロンフィルム、
A:三重結合の二つの隣接炭素原子にいずれも水酸基及びメチル基が置換されたアセチレングリコール及び/又はそのエチレンオキサイド付加物である非イオン系界面活性剤を含有した水系ポリウレタン樹脂。
B:水溶性ポリエポキシ化合物。
[3]、[2]記載の塗工剤に平均粒子径が0.001〜1.0μmの微粒子Cが固形分重量比A/B/C=98〜30/2〜70/0.1〜10となるように含まれていることを特徴とする[2]記載の二軸延伸ナイロンフィルム、
[4]、一軸引張試験(試料幅15mm、チャック間距離100mm、引張速度200mm/min.)における4方向(0°(MD)、45°、90°(TD)、135°)すべての50%モジュラス値が120MPa以上であることを特徴とする[1]〜[3]に記載の二軸延伸ナイロンフィルム、
[5]、少なくとも基材層、バリア層、シーラント層により形成された冷間成形用電池ケース包材であって、前記基材層として、[1]〜[4]に記載の二軸延伸ナイロンフィルムの塗工面をバリア層側に配したことを特徴とする冷間成形用電池ケース包材、
[6]、少なくとも基材層、バリア層、シーラント層により形成された冷間成形用電池ケース包材であって、前記基材層として、[1]〜[4]に記載の二軸延伸ナイロンフィルムの塗工面に印刷し、印刷面をバリア層側に配したことを特徴とする冷間成形用電池ケース包材、
[7]、[5]又は[6]に記載の冷間成形用電池ケース包材を使用し、シーラント層が内面になるように張り出し成形、または深絞り成形して凹部分を形成した電池ケース、
[8]、[7]に記載の電池ケースの凹部分に電池本体を収納し、密封されていることを特徴とする電池、
を提供する。
ここで、本発明の二軸延伸ナイロンフィルムの好ましい態様のうち一つは、
未延伸の又は延伸後の、熱処理されていないナイロンフィルムに、ポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子を主成分とする水性塗工剤を塗工後、熱処理した易接着性ナイロンフィルムであって、
該易接着性ナイロンフィルムを基材層として用いたときに、高温高湿度下、該基材層とアルミニウム箔層との間でのデラミネーションの発生を抑制することができ且つ成形性に優れ、
170〜210℃における熱収縮応力の最大値がMD、TDともに5.0MPa以下であり、一軸引張試験(試料幅15mm、チャック間距離100mm、引張速度200mm/min.)における4方向(0°(MD)、45°、90°(TD)、135°)すべての破断強度が280MPa以上であり且つ50%モジュラス値が150MPa以上であり、
前記水性塗工剤中のポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子がそれぞれ下記のA、BおよびCであって、固形分重量比A/B/C=98〜30/2〜70/0.1〜10であり、該水性塗工剤の塗工量が延伸後乾燥重量で0.010〜0.050g/m であることを特徴とする二軸延伸ナイロンフィルム。
A:三重結合の二つの隣接炭素原子にいずれも水酸基及びメチル基が置換されたアセチレングリコール及び/又はそのエチレンオキサイド付加物である非イオン系界面活性剤を含有した水系ポリウレタン樹脂
B:水溶性ポリエポキシ化合物
C:平均粒子径が0.001〜1.0μmの微粒子
である。
また、本発明の冷間成形用電池ケース包材の好ましい態様のうち一つは、
少なくとも基材層、バリア層及びシーラント層の順に積層して構成された、高温高湿度下、該基材層と該バリア層との間でのデラミネーションの発生を抑制することができ且つ成形性に優れた冷間成形用電池ケース包材であって、
前記基材層が未延伸の又は延伸後の、熱処理されていないナイロンフィルムに、ポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子を主成分とする水性塗工剤を塗工後、熱処理した易接着性ナイロンフィルムであって、170〜210℃における熱収縮応力の最大値がMD、TDともに5.0MPa以下であり、一軸引張試験(試料幅15mm、チャック間距離100mm、引張速度200mm/min.)における4方向(0°(MD)、45°、90°(TD)、135°)すべての破断強度が280MPa以上であり且つ50%モジュラス値が150MPaであり、
前記水性塗工剤中のポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子がそれぞれ下記のA、BおよびCであって、固形分重量比A/B/C=98〜30/2〜70/0.1〜10であり、該水性塗工剤の塗工量が延伸後乾燥重量で0.010〜0.050g/m である二軸延伸ナイロンフィルムであり、
前記バリア層がアルミニウム箔層である、電池ケース包材。
A:三重結合の二つの隣接炭素原子にいずれも水酸基及びメチル基が置換されたアセチレングリコール及び/又はそのエチレンオキサイド付加物である非イオン系界面活性剤を含有した水系ポリウレタン樹脂
B:水溶性ポリエポキシ化合物
C:平均粒子径が0.001〜1.0μmの微粒子
である。
本発明は、冷間成形用二軸延伸ナイロンフィルムに関して、少なくとも1面に特定の樹脂が薄く塗工され、異方性が少なく、引張強度が大きい二軸延伸ナイロンフィルムを冷間成形用包材、特にリチウムイオン二次電池等の電池ケース用包材の主要基材として用いることにより、ヒートシールして密封する工程や高温高湿度下や印刷層が介在した状態で長時間使用された場合においても、バリア層と基材層間でのデラミネーションの発生を抑制することができ、かつあらゆる金型形状や成形深さの冷間成形加工時においてもアルミニウム箔の破断やピンホール等の発生が無く、安定した成形性を確保することが可能となった。また、従来技術のように、滑り性付与成分をコーティングしなくても優れた成形性を確保できるので生産性にも優れている。
ONyフィルムを製造するインライン樹脂塗工チューブラー延伸装置の工程図。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
(二軸延伸ナイロンフィルムの原料) 本発明の二軸延伸ナイロンフィルム(以後、ONyフィルム)の原料は、ポリアミド系樹脂であれば特に限定されるものでは無い。例えば、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン6,66,12共重合体、その他ポリアミド系共重合体、ナイロンMXD6、アラミド、ポリアミドイミド(PAI)、芳香族ポリイミド、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリマレイミドアミン(PMIA)、ポリアミノビスマレイミド(PABM)などが挙げられるが、生産性や冷間成形性、強度物性を主としたフィルム物性の観点からナイロン6がもっとも好ましい。また、ナイロン6原料において、数平均分子量は10000〜30000が好ましく、特に好ましくは22000〜24000である。数平均分子量が10000未満の場合、得られたONyフィルムの衝撃強度や引張強度が不十分である。また数平均分子量が30000より大きい場合、分子鎖の絡み合いが著しく、延伸加工により過度なひずみが生じるため、延伸加工時に破断やパンクが頻繁に発生し、安定的に生産出来ない。
(塗工剤の原料)
本発明に用いる塗工剤はポリウレタン樹脂、又はアクリル酸共重合体樹脂を主成分とし架橋剤にて架橋されていることが必要である。好ましい樹脂としては水系エマルジョン、架橋剤は水溶性架橋剤が塗工のしやすさや環境対応の点でも好ましい。以下樹脂の例を示すが、ポリウレタン樹脂、又はアクリル酸系樹脂で薄膜塗工できかつ適切な架橋剤による架橋構造によりに特に水や溶剤に対する樹脂自体の凝集力が極端に低下するものでなければ特にこだわることなく使用できる。
水系ポリウレタン樹脂としては、粒子径が小さく、安定性が良好な点から自己乳化型が好ましい。その粒子径は10〜100nm程度が良い。本発明に用いる水系ポリウレタン樹脂はそのガラス転移点(Tg)が40℃〜150℃が望ましい。Tgが40℃未満のものは塗工後ロール状に巻き取る際ブロッキングが発生し、密着の跡形が残り透明斑となり、更に激しい場合には巻き戻せず、無理に巻き戻すとフィルムが破断する。また、本発明はポリアミドフィルムに塗工後延伸するインライン塗工であるため、塗工後の乾燥温度及び延伸時にかかる温度よりTgが高すぎると、均一な塗膜を形成しにくい。これは連続した塗膜を形成する最低成膜温度(MFT)が一般にTg付近にあるためであり、150℃未満が好ましい。
本発明において、水系ポリウレタン樹脂には、三重結合の二つの隣接炭素原子にいずれも水酸基及びメチル基が置換されたアセチレングリコール及び/又はそのエチレンオキサイド付加物である非イオン系界面活性剤が添加されることが好ましい。かかる界面活性剤としては、例えば日信化学工業(株)製のサーフィノール104、440等を例示することができる。添加量は、水系ポリウレタン樹脂の固形分に対し0.01〜1.0%であることが好ましい。従来、塗工剤使用時の発泡と水の大きな表面張力によるフィルム等への均一な「濡れ」の困難さを解決するためには一般に2種類の界面活性剤(消泡剤、濡れ剤)を添加せねばならなかった。さらに多くの場合、消泡効果と濡れ効果は相反するため、一方を解決すれば、他方がかえって悪化するものであった。この界面活性剤を添加することにより、フィルムへの濡れが良くなり、塗工量が少なくても、均一の塗膜が得られるためコストダウンにもつながるのは勿論、消泡効果もあることから、塗工剤調製時及び塗工時の発泡によるトラブルも解消される。
本発明に用いる水系ポリウレタンンの架橋剤としては、水溶性エポキシ化合物、水溶性オキサゾリン化合物等、汎用の水溶性架橋剤が使用できるが、安全性の観点から水溶性ポリエポキシ化合物が特に好ましい。水溶性エポキシ化合物は水への溶解性があり、2個以上のエポキシ基を有する化合物であり、例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール等のグリコール類1モルとエピクロルヒドリン2モルとのエーテル化によって得られるジエポキシ化合物、グリセリン、ポリグリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール等の多価アルコール類1モルとエピクロルヒドリン2モル以上とのエーテル化によって得られるポリエポキシ化合物、フタル酸テレフタル酸、シュウ酸、アジピン酸等のジカルボン酸類1モルとエピクロルヒドリン2モルとのエステル化によって得られるジエポキシ化合物等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。これら水溶性架橋剤は水系ポリウレタン樹脂と架橋し、塗膜の耐水性、耐溶剤性を向上せしめ、更にはポリアミドフィルムとの接着性にも寄与する。
本発明における塗工剤には微粒子を添加してラミネート時の加工適性を向上することができる。塗工膜に微粒子が存在することにより、耐ブロッキング剤、及び巻き取り、印刷、ラミネート、塗工等の後加工工程での適度のすべり性を付与するすべり剤の機能が発現する。平均粒子径が0.001〜1.0μmの微粒子が使用され、好ましくは真球状の微粒子が用いられる。真球状微粒子とはその電子顕微鏡写真に於いて短径/長径が0.90以上であることを言う。微粒子が真球状の場合耐ブロッキング性、すべり性への効果がすぐれ、また、透明性の低下が少ないため好ましい。また、平均粒子径が0.001μm未満だと耐ブロッキング性、すべり性に効果がない。平均粒子径が1.0μmを超えると印刷適性が低下する。特に写真版印刷の場合、ハイライト部分でのインキ抜けが発生する。微粒子は無機系でも有機系でも良いが、製造工程中に変形して効果を失わない耐熱性が必要である。
微粒子は無機、有機化合物特に限定されないが、好ましい微粒子として、例えば、日産化学工業(株)製のコロイダルシリカ"スノーテックス"ST−C(平均粒径0.010〜0.020μm)、ST−XS(平均粒径0.004〜0.006μm)等が挙げられる。
本発明において、界面活性剤を含んだ水系ポリウレタン樹脂(A)と、水溶性ポリエポキシ化合物(B)との配合比率A/Bの重量比は、固形分で98/2〜30/70である。A/Bの比率が98/2より大きいと架橋密度が減少し、耐水性、耐溶剤性、接着性が劣る。逆にA/Bの比率が30/70より小さくなると熟成中のブロッキングが問題点として残る。また、微粒子(C)の配合量は、界面活性剤を含んだ水系ポリウレタン樹脂(A)及び水溶性ポリエポキシ化合物(B)の合計量(A+B)との比率としてC/(A+B)は0.1/100〜10/100である。この比率が0.1/100より小さいと耐ブロッキング性、すべり性に効果が不十分であり、逆に、10/100より大きくしても効果は変わらず経済的に不利である。
界面活性剤を含んだ水系ポリウレタン樹脂脂、水溶性ポリエポキシ化合物及び微粒子を主成分とした水性塗工剤の塗工量は延伸後乾燥重量で0.005〜0.1000g/m 、好ましくは0.010〜0.050g/m であることが望ましい。0.005g/m 未満であると均一な塗膜が得られず耐水性、接着性が不十分である。逆に0.100g/m 以上塗工するとコート面/非コート面がブロッキングしやすくなる。また性能の向上も認められず、コストアップとなり好ましくない。
アクリル酸系共重合樹脂としては、そのガラス転移点が40℃以上であることが好ましい。ガラス転移点が40℃未満のものは水溶性ポリエポキシ化合物で架橋・硬化させるために塗工後ロール状に巻き取り、30〜60℃で熟成する際ブロッキングが発生し、密着の跡形が残り透明斑となり、更に激しい場合には巻き戻せず、無理に巻き戻すとフィルムが破断するので好ましくない。本発明に用いるアクリル酸系樹脂はアクリル酸エステル類及び/又はメタクリル酸エステル類等からなる主モノマーと、エポキシ基と架橋反応に寄与する官能基を有するコモノマーが特に好ましく、その他に希望により更に前記のモノマーと共重合し得る中性モノマーとを共重合することにより得られる。
前記の主モノマーのうちアクリル酸エステル類としては例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n−プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸t−ブチル、アクリル酸2エチルへキシル等、又、メタクリル酸エステル類としてはメタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸2エチルへキシル等が挙げられる。
又、前記のコモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸、マレイン酸モノエステル、フマル酸モノエステル等のα,β−不飽和カルボン酸類、メタクリル酸2ヒドロキシエチル、ポリエチレングリコールモノメタクリレート等のヒドロキシ化合物、メタクリル酸グリシジル、アリルグリシジルエーテル等のエポキシ化合物、アリルアミン、N,N−ジメチルアミノエチルアクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド等のアミン類、N−メチルアクリルアミド等のアミド類、無水マレイン酸等の酸無水物などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらのモノマーの官能基はポリエポキシ化合物との架橋、プラスチックフィルムとの接着性等に寄与する。
又、前記の共重合し得る中性モノマーとしてはスチレン、αメチルスチレン等のスチレン類、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のアクリロニトリル類、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等の脂肪族ビニルエステル類、ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル等のビニルアルキルエーテル類、エチレン、プロピレン、1−ブテン等のαオレフィン、塩化ビニル、塩化ビニリデン等が挙げられるがこれに限定されるものではない。
本発明に用いるアクリル酸系共重合樹脂およびエポキシ架橋剤は水溶性が好ましい。有機溶剤溶液では引火爆発の危険性、急性、慢性の中毒及び高価な有機溶剤を使用することによりコストアップ等の問題点があり、本発明においては水系塗工剤を用いることが好ましい。しかし水溶性を付与するために必要最小限の有機溶剤を使用してもよい。
前記の共重合体が水性分散液の場合は水溶液に比べて製膜性に劣り、接着性、耐水性、耐溶剤性に問題点があるので、酸或いは塩基の添加等により水溶化してから用いるのが好ましい。この際、用いる水性分散液は乳化剤を用いないで乳化したものが好ましい。また、少量の水溶性有機溶剤を使用して溶液重合したものは有機溶剤溶液に酸または塩基を添加することにより水溶化して用いる事もできるが、水溶化の方法はこれらに限定されるものではない。
本発明に用いるアクリル酸系共重合樹脂の分子量は5,000以上100,000以下が好ましい。分子量が5,000未満であると耐水性、耐溶剤性、耐擦傷性が劣り、分子量が100,000を超えると水溶化が困難になり、かつ粘度も上昇し取扱いが困難になる。ここでいう分子量とはGPC(ゲルパーミネーションクロマトグラフィー)によるポリメタクリル酸メチルホモポリマー換算の重量平均分子量を指す。
本発明に用いる水溶性ポリエポキシ化合物は水への溶解性があり、2個以上のエポキシ基を有する化合物であり、例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール等のグリコール類1モルとエピクロルヒドリン2モルとのエーテル化によって得られるジエポキシ化合物、グリセリン、ポリグリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール等の多価アルコール類1モルとエピクロルヒドリン2モル以上とのエーテル化によって得られるポリエポキシ化合物、フタル酸テレフタル酸、シュウ酸、アジピン酸等のジカルボン酸類1モルとエピクロルヒドリン2モルとのエステル化によって得られるジエポキシ化合物等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらポリエポキシ化合物は本発明に用いるアクリル酸系共重合樹脂の架橋性官能基と架橋し、塗膜の耐水性、耐溶剤性を向上せしめ、更にはプラスッチックフィルムとの接着性にも寄与する。
(樹脂塗工二軸延伸ナイロンフィルムの製造方法)
本発明の樹脂塗工二軸延伸ナイロンフィルム(以下「ONyフィルム」)は、ポリアミド樹脂原料をダイスより押し出し原反を成形後、延伸して熱固定されるが、樹脂塗工は熱処理の前すなわち原反ないしは熱処理前の延伸フィルムに実施しなければならない。塗工された樹脂は熱処理によってフィルムと凝集力が飛躍的に高まり、強固な塗工層を形成することができる。樹脂塗工の方法は特に限定されるものでなく所定の薄膜塗工量が得られればよい。延伸前に塗工する方が後の延伸工程で塗工層が薄くなるので、塗工し易さの観点から好ましい。例えばグラビア塗工で固形分1g/m塗工した後、MD及びTD共3.2倍の延伸を実施すれば延伸後の塗工量は0.1g/mとなる。延伸後であって、熱処理前の延伸ナイロンフィルムに本発明の樹脂を薄膜塗工してもよい。
前記ポリアミド系原料のいずれかから構成される未延伸原反に対して、延伸倍率は、MD、およびTDそれぞれ2.8〜4.0倍の範囲であることが好ましく、特に好ましくは3.0〜3.4倍の範囲である。延伸倍率が2.8倍未満である場合、得られたONyフィルムの衝撃強度や引張強度が不十分である。また4.0倍以上の場合、延伸により過度な分子鎖のひずみが発生するため、延伸加工時に破断やパンクが頻繁に発生し、安定的に生産出来ない。二軸延伸方式としては、例えばチューブラー方式やテンター方式による同時二軸延伸、あるいは逐次二軸延伸が挙げられるが、縦横の強度バランスの点で、チューブラー法による同時二軸延伸が好ましい。このように二軸延伸加工を施すことにより、特に強度物性が飛躍的に向上し、冷間成形性に優れたONyフィルムを得ることが出来る。
一般に、本発明のポリアミドフィルムは、印刷、金属蒸着、他フィルムとラミネートされるため、塗膜表面の濡れ指数は40〜52dyn/cmが好ましい。本願の樹脂塗工により濡れ指数は大きくなるため、塗膜形成後にコロナ処理等で表面処理しなくてもよい。
得られた樹脂塗工延伸フィルムを熱ロール方式またはテンター方式、あるいはそれらを組み合わせた熱処理設備に任意の時間投入し、185〜215℃、特に好ましくは190〜210℃で熱処理を行うことにより、本発明のONyフィルムを得ることができる。熱処理温度が215℃よりも高い場合は、ボーイング現象が大きくなり過ぎて幅方向での異方性が増加する、または結晶化度が高くなり過ぎるため強度物性が低下してしまう。一方、熱処理温度が185℃よりも低い場合は、フィルムの熱寸法安定性が大きく低下するため、ラミネート加工時にフィルムが縮み易くなる、あるいは冷間成形後、ヒートシールして密閉する工程でデラミネーションが発生し易くなるため、実用上問題が生じる。
ONyフィルムの厚みは、5〜50μm、より好ましくは10〜30μmであることが好ましい。厚みが5μmよりも小さい場合は、ラミネート包材の耐衝撃性が低くなり、冷間成形性が不十分となる。一方、50μmを超えると形状維持の強度は向上するものの、特に破断防止や成形性の向上への効果は小さく、体積エネルギー密度を低下させるだけである。
ONyフィルムの4方向(0°(MD)、45°、90°(TD)、135°)における一軸引張破断強度、および50%モジュラス値は、一軸引張試験(試料幅15mm、標点間距離50mm、引張速度200mm/min)により得られた応力−ひずみ曲線から求める。この応力−ひずみ曲線において、4方向における引張破断強度は、いずれも240MPa以上であることが好ましく、さらに好ましくは280MPa以上である。これにより、一般的に成形しにくいとされる成形深さが大きい金型形状の場合においても、冷間成形時にONyフィルム、およびアルミニウム箔が破断し難くなり、安定して優れた成形性を確保することが出来る。4方向のうち、いずれか一方向でも引張破断強が240MPa未満の場合、冷間成形時にONyフィルムが容易に破断するようになり、特に高伸度時の引張強度が要求される成形深さが大きい金型形状を成形する場合に、安定した成形性が得られない。さらに、応力−ひずみ曲線において、4方向における50%モジュラス値は、いずれも120MPa以上であることが好ましく、さらに好ましくは150MPa以上である。これにより、特に成形深さが比較的小さい金型形状を成形する場合において、安定した成形性を確保出来る。4方向のうち、いずれか一方向でも50%モジュラス値が120MPa以上未満の場合、冷間成形時にONyフィルムが容易に破断するようになり、安定した成形性は得られない。
ONyフィルムの170〜210℃における熱収縮応力の最大値は、MD、TDともに、5.0MPa以下が好ましく、成形後、ヒートシール等の二次加工時においても安定した品質を維持することができる。熱収縮応力の最大値がMD、TDいずれか一方でも5.0MPaより大きくなると、基材の熱収縮応力が大きくなり、特に200℃前後の熱が基材層に加わるヒートシール時やONyフィルムとアルミニウム箔間に印刷層が介在する場合に、アルミニウム箔層と基材層間で容易にデラミネーション(剥離)が発生するため好ましくない。
(ラミネート包材の構成) ラミネート包材は、前記したONyフィルムの少なくともいずれか一方の面に、1層あるいは2層以上他の基材を積層して構成されている。具体的に、他基材としては、高い防湿性を付与するための純アルミニウム箔またはアルミニウム−鉄系合金の軟質材からなるアルミニウム箔層、および密封性や耐薬品性を付与するためのポリエチレン、ポリプロピレン、マレイン酸変性ポリプロピレン、マレイン酸変性ポリエチレン、エチレン―アクリレート共重合体、アイオノマー樹脂、ポリ塩化ビニル等の未延伸フィルムからなるヒートシール層が挙げられる。一般に、アルミニウム箔層を含むラミネート包材は、冷間成形時にアルミニウム箔層の破断やピンホールが生じ易いため冷間成形に適していない。しかし本発明のONyフィルムを含むラミネート包材は、優れた成形性、耐衝撃性および耐ピンホール性を有するため、冷間での張出し成形や深絞り成形等の際に、アルミニウム層の破断を抑制できる。また、優れた接着性を有するため、200℃程度の熱が加わった場合や高温高湿度下条件においてもONyフィルムとアルミニウム箔間でのデラミネーションの発生を抑制出来る。さらに、本発明のONyフィルムはインキとの接着性にも優れていることから、必要に応じてONyフィルムとアルミニウム箔層間に印刷層を設けても品質上何ら支障は無い。
ONyフィルムを含むラミネート基材の総厚みは200μm以下であることが好ましい。厚みが200μmを超える場合、冷間成形によるコーナー部の成形が困難となり、シャープな形状の成形品が得られない場合がある。
アルミニウム箔層の厚みは20〜100μmであることが好ましい。これにより、成形品の形状を良好に保持することが可能となり、また酸素や水分等が包材内へ侵入することを防止できる。アルミニウム箔層の厚みが20μm未満である場合、ラミネート包材の冷間成形時にアルミニウム箔層の破断が生じ易く、また、破断しない場合でもピンホール等が発生し易くなるため、包材中に酸素や水分等が侵入してしまう場合がある。一方、アルミニウム箔層の厚みが100μmを超える場合、冷間成形時の破断やピンホール発生防止の効果も大きく改善されるわけではなく、総厚みが厚くなるだけで好ましくない。
本発明のONyフィルムを含むラミネート包材は、張出し成形、または深絞り成形などの冷間(常温)成形法により加工可能な性能を有する包材であり、包材総厚みが薄いにもかかわらず強度が大きいため、シャープな成形が可能であり、かつ成形時にアルミニウム箔の破断やピンホールの発生を防止したラミネート包材である。
本発明のONyフィルムを含むラミネート包材が使用される分野、および用途としては、特に腐食性の高い電解液を使用し、かつ水分や酸素の侵入を極度に嫌うリチウム二次電池用包材にもっとも適しているが、それ以外の軽量化、小型化を必要とする一次電池、二次電池などにおいても、電池ケースとして軽量で、シャープな形状の成形性が要求される場合に使用可能である。また電池用包材以外としては、ヒートシール性、耐薬品性、成形性などに優れているため、医薬品、化粧品、写真用薬品その他腐食性の強い有機溶剤を含む内容物のための容器用材料としても利用可能な包材である。
以下に実施例および比較例を用いて、本発明を具体的に説明する。
参考例1
(塗工剤の製造法)
塗工剤A:武田薬品工業(株)製の自己乳化型ポリウレタン樹脂”タケラック”W−6010にナガセ化成工業(株)製の水溶性ポリエポキシ化合物”デナコール”EX−521(ポリグリセロールポリグリシジルエーテル)、日信化学工業(株)製の”サーフィノール440”、及び日産化学工業(株)製のコロイダルシリカ”スノーテックス”ST−C(平均粒径10〜20nm)を70/30/0.05/5の配合比で加え、水で希釈した。
(二軸延伸ナイロンフィルムの製造) ナイロン6ペレット(相対粘度3.48)を押出機中、255℃で溶融混練した後、溶融物をダイスから円筒状のフィルムとして押出し、引き続き水で急冷して原反フィルムを作製した。次に、図1に示したように、原反の両面に予めコロナ処理し濡れ指数を上げた後、オフセットグラビアコートにより塗工剤Aを固形分で0.3g/m2両面塗工し乾燥した。この原反フィルムを一対の低速ニップロール
1間に挿通した後、中に空気を圧入しながらヒーター2、およびヒーター3で加熱すると共に、延伸終了点にエアーリング4よりエアーを吹き付けることにより、チューブラー法
によるMD、およびTD同時二軸延伸フィルム5を得た。延伸倍率は、MDが3.0倍、TDが3.2倍であった。次に、この延伸フィルム5を熱ロール式、およびテンター式熱処理設備にそれぞれ投入し、210℃で熱処理を実施し両端をトリミング後2枚に開くことにより片面に樹脂塗工されたONyフィルムを得た。なお、ONyフィルムの厚みは25μm、樹脂塗工量は0.03g/m2であった。
(ONyフィルムの一軸引張破断強度、50%モジュラス値評価方法) ONyフィルムの一軸引張破断強度、50%モジュラス値の評価方法は、オリエンテック製―テンシロン(RTC−1210−A)を使用し、試料幅15mm、チャック間100mm、引張速度200mm/minにて実施した。ONyフィルム18は、23℃×50%の環境下で2時間調湿後、0℃(MD)方向/45°方向/90°(TD)方向/135°方向の4方向についてそれぞれ測定を行った。得られた応力−ひずみ曲線に基づいて、各方向での破断破断強度、および50%モジュラス値を求めた。
(ONyフィルムの熱収縮応力評価方法) ONyフィルムの熱収縮応力は、SIIナノテクノロジー製−EXSTAR−TMA/SS6100を使用し、試料幅3mm、チャック間15mm、30〜245℃(昇温速度:10℃/min.)の温度プログラムにて測定した。ONyフィルムは、23℃×50%の環境下で2時間調湿後、170〜210℃で見られる最大熱収縮応力値をMD、およびTDそれぞれについて測定した。
(冷間成形性、デラミネーションの発生状況評価方法) ONyフィルムを含むラミネート包材の冷間成形性を評価した。具体的には、まず得られたONyフィルムを基材層とし、樹脂塗工面をアルミニウム側としてアルミニウム箔(AA8079−O材、厚み32μm)、および未延伸ポリプロピレンフィルム〔パイレンフィルムCT−P1128(商品名)、東洋紡績製、厚み30μm〕をそれぞれドライラミネート(ドライ塗布量4.0g/m)することによりラミネート包材を得た。なお、ドライラミネート用の接着剤としては、東洋モートン(株)TM−K55/東洋モートン(株)CAT−10(配合比100/8)を用いた。また、ドライラミネート後のラミネート包材は、60℃で72時間エージングを行った。このようにして得られたラミネート包材は、23℃×50%の環境下で2時間調湿後、圧縮用金型(38mm×38mm)を用いて、未延伸ポリプロピレンフィルム側から最大荷重10MPaで冷間(常温)にて成形し、ピンホールやクラックなどの欠陥が発生しない最高成形深さを0.5mmピッチで評価した。前記方法で冷間成形したラミネート包材について、凹部分近傍の余剰部分を200℃×0.2MPa×2sec.の条件でヒートシールし、シール後のナイロン/アルミニウム箔間でのデラミネーションの発生の有無を目視にて確認した。また試料を高温高湿下条件50℃×90%RHに1週間放置し、更にデラミネーションが発生するかどうかを目視にて確認した。
実施例2
参考例1において、延伸フィルムを熱ロール、およびテンター式熱処理設備に入れ、195℃で熱処理した以外は参考例1と同様に行った。
参考例3
塗工剤B:中央理化工業(株)製の水溶性メタクリル酸メチル共重合体”リカボンド”SA−R615A(Tg67℃)にナガセ化成工業(株)製の水溶性ポリエポキシ化合物”デナコール”EX−521(ポリグリセロールポリグリシジルエーテル)及び日本触媒化学工業(株)製の真球シリカ微粒子”シーホスター”KE−P30(平均粒子径0.3μm)を75/25/0.5の配合比で加え、水で希釈した。
参考例1において、塗工剤をBにした以外は参考例1と同様に行った。
参考例4
参考例1において、ONyとアルミニウム箔間に印刷層を設けた以外は参考例1と同様に行った。
実施例5
参考例1において、延伸フィルムを熱ロール、およびテンター式熱処理設備に入れ、195℃で熱処理し、かつONyとアルミニウム箔間に印刷層を設けた以外は参考例1と同様に行った。
比較例1
参考例1において、原反にコロナ処理及び樹脂塗工をしなかった以外は参考例1と同様に行った。
比較例2
参考例1において、延伸フィルムを熱ロール、およびテンター式熱処理設備に入れ、220℃で熱処理した以外は参考例1と同様に行った。
比較例3
参考例1において、延伸フィルムを熱ロール、およびテンター式熱処理設備に入れ、150℃で熱処理した以外は参考例1と同様に行った。
比較例4
参考例1において、ONyフィルムとして東洋紡績製二軸延伸ナイロンフィルム(ハーデンフィルムNAP4142、厚み25μm)を使用した以外は参考例1と同様に行った。
比較例5
参考例1において、原反にコロナ処理及び樹脂塗工をせず、かつONyとアルミニウム箔間に印刷層を設けた以外は参考例1と同様に行った。
表1に示すように、ポリウレタン樹脂ないしはアクリル系樹脂を片面に塗工されたONyフィルムで170〜210℃における熱収縮応力の最大値をMD、TDともに5.0MPa以下に、かつ一軸引張試験における4方向すべての破断強度を240MPa以上、50%モジュラス値を120MPa以上に調整した参考例1、実施例2および参考例3におい
ては、優れた成形性の確保とデラミネーションの抑制を両立することが出来た。また、破断強度が280MPa以上、50%モジュラス値が150MPa以上である実施例2においては、デラミネーションの発生を抑制したまま、成形性をさらに向上させることが出来た。更にONyフィルムとアルミニウム箔間の印刷層の有無に関係なく、いずれも高温高湿度下条件でデラミネーションすることが無かった。一方、樹脂塗工をしなかった比較例1、および比較例5は、成形性は良好だったものの、成形時および/または高温高湿度条件でデラミネーションが発生した。樹脂塗工された比較例2、4は成形時のデラミネーションも高温高湿度下でのデラミネーションもなかったが、参考例1、実施例2および参考例3と比較し成形性が劣っていた。また樹脂塗工された比較例3は成形性は優れていたものの、170〜210℃における熱収縮応力の最大値がMD、TDともに、あるいはMD、TDいずれも5.0MPaを超えており、いずれの条件においてもデラミネーションの発生が見られた。また4方向のいずれかの破断強度が240MPa以下、50%モジュラス値が120MPa以下の場合は成形性の低下が見られた。よって、比較例1〜比較例5はいずれも優れた成形性の確保とデラミネーションの抑制を両立することが出来なかった。
Figure 0006222906
本発明は冷間成形用包材、特にリチウムイオン二次電池等の電池ケース用包材の主要基材として好適に用いられる。
1塗工装置
2 チューブラー延伸装置のニップロール
3 チューブラー延伸装置の予熱ヒーター
4 チューブラー延伸装置の主熱ヒーター
5 チューブラー延伸装置の冷却エアーリング
6 チューブラー延伸時のフィルム

Claims (9)

  1. 未延伸の又は延伸後の、熱処理されていないナイロンフィルムに、ポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子を主成分とする水性塗工剤を塗工後、熱処理した易接着性ナイロンフィルムであって、
    該易接着性ナイロンフィルムを基材層として用いたときに、高温高湿度下、該基材層とアルミニウム箔層との間でのデラミネーションの発生を抑制することができ且つ成形性に優れ、
    170〜210℃における熱収縮応力の最大値がMD、TDともに5.0MPa以下であり、一軸引張試験(試料幅15mm、チャック間距離100mm、引張速度200mm/min.)における4方向(0°(MD)、45°、90°(TD)、135°)すべての破断強度が280MPa以上であり且つ50%モジュラス値が150MPa以上であり、
    前記水性塗工剤中のポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子がそれぞれ下記のA、BおよびCであって、固形分重量比A/B/C=98〜30/2〜70/0.1〜10であり、該水性塗工剤の塗工量が延伸後乾燥重量で0.010〜0.050g/m であることを特徴とする二軸延伸ナイロンフィルム。
    A:三重結合の二つの隣接炭素原子にいずれも水酸基及びメチル基が置換されたアセチレングリコール及び/又はそのエチレンオキサイド付加物である非イオン系界面活性剤を含有した水系ポリウレタン樹脂
    B:水溶性ポリエポキシ化合物
    C:平均粒子径が0.001〜1.0μmの微粒子
  2. 少なくとも基材層、バリア層、シーラント層により形成された冷間成形用電池ケース包材であって、前記基材層として、請求項1に記載の二軸延伸ナイロンフィルムを用い、該二軸延伸ナイロンフィルムの塗工面をバリア層側に配し、かつ前記バリア層がアルミニウム箔層であることを特徴とする冷間成形用電池ケース包材。
  3. 少なくとも基材層、バリア層、シーラント層により形成された冷間成形用電池ケース包
    材であって、前記基材層として、請求項1に記載の二軸延伸ナイロンフィルムを用い、該二軸延伸ナイロンフィルムの塗工面に印刷層を設けて印刷をバリア層側に配し、かつ前記バリア層がアルミニウム箔層であることを特徴とする冷間成形用電池ケース包材。
  4. 請求項又はに記載の冷間成形用電池ケース包材を使用し、シーラント層が内面になるように張り出し成形、または深絞り成形して凹部分を形成した電池ケース。
  5. 請求項に記載の電池ケースの凹部分に電池本体を収納し、密封されていることを特徴とする電池。
  6. 少なくとも基材層、バリア層及びシーラント層の順に積層して構成された、高温高湿度下、該基材層と該バリア層との間でのデラミネーションの発生を抑制することができ且つ成形性に優れた冷間成形用電池ケース包材であって、
    前記基材層が未延伸の又は延伸後の、熱処理されていないナイロンフィルムに、ポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子を主成分とする水性塗工剤を塗工後、熱処理した易接着性ナイロンフィルムであって、170〜210℃における熱収縮応力の最大値がMD、TDともに5.0MPa以下であり、一軸引張試験(試料幅15mm、チャック間距離100mm、引張速度200mm/min.)における4方向(0°(MD)、45°、90°(TD)、135°)すべての破断強度が280MPa以上であり且つ50%モジュラス値が150MPaであり、
    前記水性塗工剤中のポリウレタン樹脂、その架橋剤および微粒子がそれぞれ下記のA、BおよびCであって、固形分重量比A/B/C=98〜30/2〜70/0.1〜10であり、該水性塗工剤の塗工量が延伸後乾燥重量で0.010〜0.050g/m である二軸延伸ナイロンフィルムであり、
    前記バリア層がアルミニウム箔層である、電池ケース包材。
    A:三重結合の二つの隣接炭素原子にいずれも水酸基及びメチル基が置換されたアセチレングリコール及び/又はそのエチレンオキサイド付加物である非イオン系界面活性剤を含有した水系ポリウレタン樹脂
    B:水溶性ポリエポキシ化合物
    C:平均粒子径が0.001〜1.0μmの微粒子
  7. 前記基材層と前記バリア層との間に印刷層を設けた、請求項6に記載の冷間成形用電池ケース包材。
  8. 請求項6又は7に記載の冷間成形用電池ケース包材を使用し、シーラント層が内面になるように張り出し成形、または深絞り成形して凹部分を形成した電池ケース。
  9. 請求項8に記載の電池ケースの凹部分に電池本体を収納し、密封されていることを特徴とする電池。
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