Brevet FR2099459A1 — publié le 19720317

La présente invention se rapporte à un procédé pour la polymérisation anionique des lactames en présence de catalyseurs basiques et d'activa teurs, les catalyseurs étant des solutions de lac-tamates de métaux alcalins. 5 Lorsqu'on chauffe des lactames ayant plus de 5 atomes de carbone dans le noyau à des températures supérieures à 160°C en présence de substances alcalines, par exemple en présence d'alcoo-lates de métaux- alcalins ou en présence de sels de métaux alcalins de lactames, elles polymérisent pour former les polyamides corres-10 pondantes. Cette réaction de polymérisation, qui possède un mécanisme anionique, se fait beaucoup plus rapidement que la polymérisation dite hydrolytique des lactames dans laquelle on utilise des acides comme catalyseurs. La polymérisation alcaline des lactames peut être accélérée davantage par la présence de composés ayant un 15 effet acylant, par exemple des isocyanates, des cétènes, des chlorures d'acides carboxyliques ou des imides d'acides carboxyliques. En présence de ces activateurs, la polymérisation des lactames s'effectue en l'affaire de quelques minutes. C'est pourquoi, il est possible de polymériser en continu les lactames dans des extru-20 deuses à vis sans fin, à un ou deux bras, pour former les polyamides correspondantes qui peuvent être extrudées squs la forme de profilés ou de sections. La polymérisation alcaline activée des lactames rend donc possible 1'obtention d'un profilé de polyamide fini à partir d'une lactame en une seule opération. 25 La forme de réalisation de ce procédé a fait l'objet de di vers brevets. Dans la plupart des cas, le procédé est exécuté en fournissant deux masses fondues de lactame, dont une contient le catalyseur alcalin et l'autre l'activateur, ce que l'on appelle le "procédé en deux pots", à partir de deux récipients d'approvision-30 nement chauffables, au moyen de pompes doseuses, dans un récipient de mélange dans lequel elles sont mélangées de manière homogène. La masse fondue de lactame, qui est maintenant polymérisable, est alors fournie par une autre pompe doseuse dans une extrudeuse à vis sans fin dans laquelle elle est chauffée à une température 35 d'au moins 220°C. La polymérisation a lieu et la polyamide formée 71 26224 2099459 -2- est extrudée depuis la matrice de l'extrudeuse dans un appareil ca-libreur qui suit. La polyamide sort ensuite de l'appareil calibreur sous forme du profilé désiré. Un problème sérieux qui surgit dans ce procédé de polyméri-5 sation est qu'il n'est pas facile de manipuler les masses fondues de lactame contenant le catalyseur. A cet égard on notera que les masses fondues en question, même lorsqu'elles ne sont pas combinées avec une masse fondue contenant un activateur, peuvent polymériser en polyamides pour autant qu'elles soient chauffées à une tempéra-10 ture suffisamment élevée. C'est pourquoi, il est possible seulement de préparer des masses fondues contenant un catalyseur à partir de lactames fondant à de basses températures, par exemple 1' capro-lactame (point de fusion 69°C). Les lactames qui fondent à des températures élevées, par exemple la laurolactame (point de fusion 15 153°C) ne peut pas être polymérisée par ce procédé parce qu'en fait elle polymériserait dans le récipient d'alimentation. De plus, les masses fondues d'£--caprolactame contenant des catalyseurs alcalins, par exemple les lactamates de métaux alcalins, polymérisent également graduellement aux températures relativement basses, par 20 exemple à 100°C, et précipitent des oligomères qui sont insolubles dans la masse fondue initialement formée, avec pour résultat que les masses fondues durcissent en prenant la consistance d'une gelée. De la polyamide-6 se forme pendant le stade suivant de la polymérisation. Comme les masses fondues de lactame peuvent parfois 25 rester dans le récipient d'alimentation pendant des périodes prolongées au cours de la polymérisation dans l'extrudeuse à vis sans fin, par exemple au cas où il se produit une obstruction de l'extrudeuse à vis, la possibilité que la masse fondue contenant les catalyseurs puisse en fait polymériser dans le récipient d'alimen-30 tation constitue un inconvénient sérieux de ce procédé. Cet inconvénient peut être surmonté si le catalyseur alcalin est dissous à la température ordinaire dans un solvant qui n'interfère pas avec la polymérisation et si la solution résultante est ensuite ajoutée à la masse fondue de lactame à température 35 élevée qui contient l'activateur, soit immédiatement avant son 71 2622k 2099459 -3- entrée dans l'extrudeuse ou après y être entrée. Suivant cette for> me de réalisation du procédé, il est impossible que la lactame po-lymérise prématurément dans le récipient d'alimentation. Ces solutions catalytiques, qui sont liquides à la tempéra-5 ture ordinaire, sont par exemple des solutions de sels de métaux alcalins de C-méthyl- caprolactame dans des hydrocarbures aromatiques à point d'ébullition élevé. Malheureusement, l'inconvénient de ces solutions est que, si les hydrocarbures aromatiques sont compatibles avec les lactames, ils ne le sont pas avec les 0 polyamides formées à partir de celles-ci. Dès lors, les hydrocarbures aromatiques sont présents sous une forme de distribution hétérogène dans les profilés de polyamide formés et ils affectent donc les propriétés mécaniques et la qualité de surface des profilés. 5 L'-pyrrolidone, qui fond à des températures d'environ 25°C, semble être un solvant approprié pour les métaux alcalins, car elle ne peut polymériser qu'en la présence de catalyseurs alcalins et d'activateurs, et non en l'absence d'activateurs à température élevée. Les solutions de cette espèce, dans lesquelles 20 les métaux alcalins sont présents sous la forme de sels d,G 0 Chose surprenante, on vient présentement de découvrir que les solutions de métaux alcalins dans des mélanges d"* -pyrrolidone avec d'autres lactames, par exemple de 1' ^.-caprolactame ou de la capryl-lactame, sont liquides à la température ordinaire et restent liquides, même après un entreposage prolongé à la tempérais ture ordinaire. C'est pourquoi, ces solutions conviennent comme 71 26224 2099459 -4- solutions catalytiques pour la polymérisation anionique activée des lactames. Dans le procédé de production de polyamides par polymérisation anionique d'une lactame ayant au moins 5 chaînons nucléaires 5 en présence d'un catalyseur alcalin et d'un activateur ét dans lequel on ajoute comme catalyseur une lactame de métal alcalin, dissoute dans une lactame ou dans un solvant inerte, à la masse fondue de lactame contenant 1'activateur, un perfectionnement consiste à dissoudre un lactamate de métal alcalin dans un mélange 10 d'une alpha-pyrrolidone et d'un membre lactame choisi dans le groupe consistant en une seule lactame et en un mélange de lactames ayant au moins 6 chaînons nucléaires et à ajouter la solution ainsi obtenue, qui est liquide à la température ordinaire, à la masse fondue de lactame contenant 1'activateur. 15 L'avantage technique de cette solution sur les solutions de sels de métaux alcalins de la C-méthyl- ^-caprolactame dans des hydrocarbures aromatiques est que les lactames utilisées oomme solvants dans les solutions conformes à l'invention peuvent elles-mêmes être polymérisées, c'est-à-dire participent à la réaction 20 de polymérisation. Dès lors, les polyamides produites avec les solutions conformes à l'invention ne contiennent pas de constituants étrangers qui y sont distribués de manière hétérogène. Pour cette raison, les propriétés mécaniques ne sont pas défavorablement affectées. 25 Les lactames ayant au moins 5 chaînons nucléaires comme 1 ' alpha-pyrrolidone, l'^-capro-, la capryl- et la lauro-lactame, la lactame de l'acide c^-amino-oenanthique et des mélanges de celles -ci, peuvent être polymérisées conformément au procédé amélioré. Comme activateurs, on utilise des alcoyl-, cycloalcoyl-, aryl-30 mono- ou polyisocyanates comme le butyl-isocyanate, l'hexyl-iso-cyanate, 1'octyl-isocyanate, le cyclohexyl-isocyanate, le naphtyl-isocyanate, l'hexaméthylène-diisocyanate, le phénylène-diisocyana-te, les produits de réaction d'isocyanates et de lactames comme 1'hexaméthylène-1,6-bis-carbaminocaprolactame, une dialcoyl-, di-35 cycloalcoyl- ou diaryl-carbodiimide comme la diisopropyl-carbodi- 71 26224 2099459 -5- imide, la dicyclohexyl-carbodiimide et des lactames N-acylées comme une N-acyl-caprolactame. La composition du mélange de solvants peut être modifiée dans de larges limites. Le préférence, en plus de 1'alpha-pyrroli-5 done, la lactame que l'on doit polymériser est utilisée comme second constituant solvant. Le pourcentage de la composition du mélange de lactames est donc gouverné par la température de solidification du mélange d1alpha-pyrrolidone et de la lactame particulière. Conviendront donc des mélanges quelconques qui se solidi-10 fient à des températures inférieures à 25°C, autrement dit, qui sont liquides à la température ordinaire. C'est pourquoi, un mélange quelconque d'alpha-pyrrolidone et d' -caprolactame qui contient au maximum 50?» en poids d1 «-caprolactame, un mélange quelconque d'alpha-pyrrolidone et de capryl-lactame qui contient 15 au maximum 38$ en poids de capryl-lactame et un mélange quelconque d'alpha-pyrrolidone et de laurolactame qui contient au maximum 7$ en poids de laurolactame, seront utilisés en tant que mélanges de solvants. On utilise des métaux alcalins comme le potassium et le 20 sodium ou des composés de ces métaux pour préparer le catalyseur alcalin. Les solutions catalytiques conformes à l'invention peuvent être préparées de diverses manières, par exemple en dissolvant les métaux alcalins dans le mélange des lactames, cas où les sels de métaux alcalins des lactames sont formés par élimination 25 d'hydrogène. Il est possible aussi de dissoudre un lactamate de métal alcalin déjà préparé, par exemple du caprolactamate de sodium, du caprolactamate de potassium, du capryl-lactamate de sodium, du capryl-lactamate de potassium, du laurolactamate de sodium, du laurolactamate de potassium, dans les mélanges de lacta-30 mes avec chauffage. On utilise alors la solution refroidie. La méthode de préparation la plus simple et en même temps la plus sûre pour préparer une solution catalytique conforme à l'invention est de dissoudre 11alpha-pyrrolidone et/ou l'autre lactame dans une solution du méthylate de métal alcalin dans du méthanol, 35 dans les rapports pondéraux calculés, puis de distiller le méthanol sous vide. 71 26224 -6- 2099459 La concentration la plus élevée du catalyseur alcalin, calculée d'après la concentration du métal alcalin dans la solution conforme à l'invention, est régie par la solubilité du lactamate de métal alcalin dans le mélange de lactames et donc par la tempé-5 rature de saturation du mélange de lactames. A la température ordinaire par exemple, cette limite de solubilité est de 16$ en poids de potassium, 9$ en poids de sodium, dans un mélange de parties égales en poids d'alpha-pyrrolidone et d' £—caprolactame. Mais il est plus favorable d'utiliser des solutions à con-10 centration plus basse, parce qu'elles peuvent être alimentées de manière dosée avec plus de précision et parce qu'elles peuvent être manipulées plus aisément en raison de leur basse viscosité. les solutions catalytiques sont des liquides limpides, de couleur jaune pâle, à basse viscosité. Elles se distinguent par 15 leur stabilité remarquable. Même après avoir été chauffées pendant des jours à 80°C, elles restent liquides au refroidissement à la température ordinaire. Leur activité catalytique demeure inchangée, même après repos prolongé à la température ordinaire ou après chauffage de plusieurs jours à 80°C. 20 les solutions catalytiques conformes à l'invention sont ajoutées au mélange de polymérisation en des quantités pour que la teneur en lactamate de métal alcalin soit comprise entre 0,1 et 2,0$ en poids. la préparation et l'application des solutions conformes à 25 l'invention sont illustrées dans les exemples qui suivent. Exemple 1. On dissout 144 g d* •É.-caprolactame à 40-50°C dans 110 g d'une solution à 17,7$ en poids de méthylate de sodium dans du méthanol. Après refroidissement à 20°C, on ajoute 144 g d'alpha-pyr-30 rolidone et on distille le méthanol sous vide à une température de bain maxima de 50°C. On obtient comme résidu une solution jaunâtre pâle, légèrement visqueuse, contenant 3,6$ en poids de potassium sous la forme de lactamate de potassium. On introduit 1 g de cette solution avec une pipette dans 35 une solution chauffée à 150°C de 0,5 g d'hexaméthylène-diisocyana- 71 26224 2099459 -7- te dans 110 g d' caprolactame. Celle-ci polymérise complètement en une période de 90 secondes. Exemple 2. On dissout 128 g d' «^—caprolactame à 40-50°C dans 300 g d'u-5 ne solution à 7,85$ en poids de méthylate de sodium dans du méthanol. On refroidit ensuite la solution à 20°C puis on ajoute 128 g d'alpha-pyrrolidone. On chasse ensuite le méthanol par distillation sous vide à une température de "bain maxima de 50°C. On obtient comme résidu une solution jaune pâle, limpide et visqueuse, 10 contenant 3,76fo en poids de sodium sous la forme de lactamate de sodium. On introduit 0,5 g de cette solution avec une pipette dans une solution chauffée à 150°C de 0,5 g d'hexaméthylène-diisocyana-te dans 110 g d' caprolactame. Cette dernière polymérise com-15 plètement en une période de 90 secondes. Exemple 3. On utilise une extrudeuse à arbres jumelés comme équipement de polymérisation, l'ouverture d'alimentation est fermée et, à travers un forage situé en ce point, on alimente la solution chauf-20 fée à 150°C, consistant en 0,5 partie en poids d'hexaméthylène-diisocyanate et 0,4 partie en poids de N-benzylacétamide dans 100 parties en poids de caprolactame, au moyen d'une pompe à engrenages., dans le cylindre, à une vitesse de 12 kg/heure. En même temps, on fournit la solution catalytique, qui a été préparée conformé-25 ment à l'exemple 1, à travers un second forage à une vitesse de 150 g/heure au moyen d'une pompe doseuse, dans le cylindre. la température du cylindre est maintenue à 230°C pendant toute l'expérience; on extrude le mélange à travers une buselure chauffée à 250°C. On refroidit le cordon d'extrusion dans de l'eau 30 et on le granule. On obtient un granulat de polyamide qui, après extraction à l'eau et séchage, est confectionné en éprouvettes qui présentent les propriétés mécaniques suivantes (testées immédiatement après l'extrusion) : p - tension limite de résistance 790 kp/cm 2 35 résistance à la traction 640 kp/cm 71 26224 2099459 -8- - allongement à la rupture 24-0 $ - module S 26.000 kp/cm^ la viscosité relative de la matière (mesurée dans le m-cré-sol à 25°C; c = 1g/100 cm^) est de 4,2. 5 Exemple 4. On chauffe 3000 g de solution de méthylate de sodium dans du méthanol (7,85 % en poids de Na) à environ 55°C et l'on ajoute 2500 g de caprolactame; on agite ce mélange jusqu'à ce que la caprolactame se soit complètement dissoute. Après refroidissement de 10 la solution à 25°C, on ajoute 2600 g d'alpha-pyrrolidone et l'on chasse le méthanol par distillation sous vide à une température maxima de bain de 50°C. On obtient une solution limpide jaune clair qui commence à se solidifier à -10°C et qui redevient claire quand elle est chauffée à 20°C. 15 A 190 g d' -laurolactame fondue par chauffage à 160°C , on ajoute 0,6 g d'hexaméthylène-diisocyanate et on la polymérise par addition de 2 cm^ de la solution décrite plus haut en 60 secondes pour former un bloc solide de polyamide. Exemple 5. 20 Une extrudeuse à un seul arbre est utilisée comme équipement de polymérisation. Elle possède une vis à trois zones du type conventionnel. L'ouverture d'alimentation est fermée et, à travers un forage situé en ce point, on alimente une solution chauffée à 150°G consistant en 0,7 partie en poids d'hexaméthylène-diisocyanate et 25 en 0,4 partie en poids de N-benzyl-acétamide dans 100 parties en poids de caprolactame, au moyen d'une pompe à engrenage, à une vitesse de 30 kg/heure, dans le cylindre. Simultanément, on fournit la solution catalytique à travers un second forage à une vitesse de 600 g/heure au moyen d'une pompe doseuse, dans le cylindre. On 30 utilise la solution catalytique de la manière décrite à l'exemple 4. La température du cylindre est de 230°G pendant toute l'expérience; on sxtrude le mélange à travers une tuyère chauffée à 250°C. On refroidit le cordon dans de l'eau et on le granule. Le granulat résultant de polyamide a des propriétés similaires à 35 celles décrites à l'exemple 3. 71 26224 2099459 -9- Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple(s) non limitatif(s) sans sortir du cadre de l'invention. 71 26224 -10- 2099459 REVENDICATIONS 1. Procédé de production de polyamides par polymérisation anionique d'une lactame ayant au moins 5 chaînons nucléaires en présence d'un catalyseurs alcalin et d'un activateur, dans lequel 5 on ajoute comme catalyseur un lactamate de métal alcalin, dissous dans une lactame ou dans un solvant inerte, à la masse fondue de lactame contenant 1'activateur, caractérisé en ce qu'on dissout un lactamate de métal alcalin dans un mélange d'alpha-pyrrolidone et d'un membre lactame choisi dans le groupe consistant en une 10 seule lactame et en un mélange de lactames ayant au moins 6 chaînons nucléaires et en ce qu'on ajoute la solution ainsi obtenue qui est liquide à la température ordinaire, à cette masse fondue de lactame contenant 1'activateur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que le lactamate de métal alcalin est dissous dans un mélange d' alpha-pyrrolidone et de la lactame utilisée pour la polymérisation. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lactamate de métal alcalin est dissous dans un mélange d'alpha- 20 pyrrolidone et d'un maximum de 50% en poids d'£ -caprolactame. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lactamate de métal alcalin est dissous dans un mélange d'alpha-pyrrolidone et d'un maximum de 7$ en poids de laurolactame. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 25 le lactamate de métal alcalin est dissous dans un mélange d1alpha- pyrrolidone et d'un maximum de 3>Q% en poids de capryl-lactame. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute la solution de catalyseur à la masse fondue de lactame en des quantités pour que la teneur en lactamate de métal 30 alcalin soit comprise entre 0,1 et 2,0