Brevet FR2372195A1 — publié le 19780623

La présente invention concerne des mélanges d'elas- tomères et du produit de condensation de la diphénylamine avec le cyclohexanone. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'application de ce produit de condensation qui agit comme un additif antioxydant qui est également non décolorant, modéremment tachant et protège contre les dommages dus à la flexion pour des substances, telles que les caoutchoucs 1,4-cis poly-isoprène, à la fois naturel et synthétique, les caoutchoucs synthétiques butadiène-styrène (SBR), le polybutadiène, le polychloroprène, les caoutchoucs de nitrile (NBR) et tout autre polymère qui tend à se détériorer en présence de l'oxygène et de l'air. Les problèmes en rapport avec le vieillissement, la décoloration et le tachage des articles en caoutchouc vulcanisé, et ceux de la résistance à la flexion sont bien connus dans l'industrie du caoutchouc. Les additifs proposés pour compenser et pour corriger ces défauts sont naturellement très nombreux, mais les fabricants de caoutchouc et d'articles en caoutchouc désirent que ces additifs, si cela se peut, soient efficaces à la fois avant et après la vulcanisation et qu'ils puissent faire preuve en même temps d'une activité polyvalente, ctest-à-dire qu'ils soient capables d'empêcher ou de diminuer deux,ou plus de deux,des défauts mentionnés ci-dessus. La demanderesse a maintenant découvert que, si aux élastomères mentionnés ci-dessus on ajoute le produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone, ces inconvénients sont surmontés, et de toute manière considérablement diminués. La condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone s'effectue à 13000 - 160 C, en utilisant comme solvants des hydrocarbures aromatiques, tels que le toluène et le xylène, et en utilisant comme catalyseurs de l'iode ou des acides organiques et minéraux, forts, tels que les acides benzènesulfonique, para-toluènesulfonique, chlorhydrique. L'eau qui se forme pendant la réaction, est éliminée continuellement par distillation. La réaction dure de 2 à 6 heures. Ensuite, on lave à l'eau chaude pour éliminer le catalyseur.Après avoir séparé la couche aqueuse, la phase organique est distillée pour récupérer le solvant et la cyclohexanone et la diphénylamine, n'ayant pas réagi, en opérant à une température allant de 2000C à 230 C dans une chaudière et sous un vide de 2,6 à 4 millibars Le résidu qui reste dans la chaudière de l'appareil de distillation est le produit qui est le sujet de la présente invention et il se présente sous forme d'une matière solide de couleur ocre-brun, ayant une plage de fusion de 650C à 9500, telle que trouvée selon les conditions adoptées pour la réaction et qui contient moins de 0,3 % de diptaénylamine. Le rapport molaire de la diphénylamine à la cyclohexanone a varié de 1:1 à 1:2, un produit étant obtenu pour chaque rapport, qui possède des propriétés antioxydantes extraordinaires. Ce produit de condensation est ensuite essayé a bien dans les élastomères non vulcanisés que dans les élastomères vulcanisés, ces derniers renfermant les ingrédients de mélange classiques pour le caoutchouc. Les essais avec le caoutchouc naturel non vulcanisé sont effectués selon le procédé d'absorption de l'oxygène. Ce procédé consiste à placer le mélange élastomère-antioxydant, dissous dans un solvant approprié, dans une enceinte saturée d'oxygène sous la même pression que la pression atmosphérique et chauffée à une température choisie au préalable. Le processus de l'oxydation est contrôlé-en mesurant la quantité d'oxygène absorbé pendant l'essai et on détermine un temps d'induction qui est caractéristique pour chaque antioxydant : le terme "temps d'induction" désigne le temps qui s'écoule depuis le départ (moment où l'atmosphère d'oxygène est établie) jusqu'au moment où la vitesse d'absorption d'oxygène atteint sa valeur maximum.Dans ces essais, le produit de condensation diphénylamine-cyclohexanone n1a pas seulement montré qu'il peut communiquer au caoutchouc une résistance élevée à l'oxygène, mais se révèle être supérieur à la 2,2,4-triméthyl-1,2-dihydroquinoline polymère, tandis qu'il se montre être aussi efficace que le 2,2'-méthylène-bis-(4-méthyl- 6-tert.butyl)-phéhol avec un élastomère non vulcanisé et qu'il se révèle être nettement supérieur avec un élastomère vulcanisé. Comme antioxydant pour -les élastomères vulcanisés renfermant les ingrédients de mélange classiques pour caoutchouc, le produit de condensation en question est essayé en mesurant, dans les divers mélanges comparés, les paramètres suivants s allongement à la rupture, résistance à la traction, dureté et module à 200 % d'allongement et à 300 % d'allongement, qui sont équivalents à l'effort qui oblige l'échantillon à s'allonger de 200 % et 300 % respectivement, aussi bien avant, qu'après le vieillissement dans l'étuve à air,pendant 4 à 41 jours à des températures allant de 90 C à 1200C, et dans une bombe à oxygène sous 21 bars pendant 2 jours à 8000. La comparaison est établie entre des mélanges renfermant comme antioxydant le produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone, dans divers rapports de synthèse, et le mélange auquel il n'a pas été ajouté d'antioxydant, et aussi avec des mélanges contenant comme antioxydant la 2,2,4-triméthyl 1,2-dihydroquinoline polymère, la phényl-bétanaphtylamine, la N-isopropyl-N'-phényl-p-phénylènediamine. Le produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone se révèle un antioxydant excellent pour les élastomères vulcanisés, puisque la perte de la résistance à la traction dans les échantillons en contenant, qui est généralement lepar-amètre d'évaluation le plus significatif, est aussi bien avant qu'après le vieillissement dans l'étuve à air et dans la bombe à oxygène, considérablement inférieure à celle des échantillons qui ne contiennent pas d'antioxydant, et se révèle entre du meme ordre de grandeur, et souvent inférieure à la perte de résistance à la traction des échantillons renfermant la triméthyldihydroquinoline polymère, la phényl-béta-naphtylamine , 1' iso- propyl-phényl-p. phénylènediamine. Le-produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone, en question, communique au caoutchouc vulcanisé une résistance à la flexion assez bonne, comparable à celle communiquée par la triméthyldihydroquinoline polymère. Le produit de condensation en question n' a aucune influence sur le processus de vulcanisation. Quatre exemples de préparation sont rapportés dans la présente demande, pour le produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone, en même temps que huit exemples de son utilisation pratique comme additif dans les mélanges de caoutchouc qui ont tendance à se détériorer en présence de l'oxygène et de l'air. Les essais qui sont mentionnés dans les exemples ci-dessous, sont des essais de vieillissement effectués dans la bombe à oxygène (BO) selon la norme AsTM D 572, ou dans des cellules séparées selon la norme ASTM 1865, et les essais de résistance mécanique sont effectués selon la norme AS'M D 412. La présente invention est illustrée par les exemples descriptifs et non limitatifs ci-aprè-s. Exemple I Un réacteur, muni d'un système d'élimination de 1'- eau par distillation et d'un système de recyclage du solvant, est chargé avec 80 ml de toluène et 169,2 grammes (1 mole) de diphénylamine puis chauffé. Dès que la diphénylamine s'est complètement dissoute, on-ajoute 3 grammes (0,01 mole) d'iode. On continue de chauffer tout en agitant, et dès que la température atteint 140 C, on commence à charger 98,1 grammes (1 mole) de cyclohexanone. La cyclohexanone est introduite pendant environ 2,5 heures de façon à maintenir la température de la masse réactionnelle à 14000 - 1500C, Une fois l'addition de toute la cyclohexanone terminée, la masse est maintenue pendant encore 1 heure à 14500 - 1500 0. Pendant la réaction qui a demandé 3 heures 1/2, 18 grammes d'eau forme au cours de la réaction de condensation ont distillé.On refroidit le mélange à 90 C et après avoir ajouté encore 100 ml de toluène, on effectue 4 lavages avec de l'eau afin d'éliminer l'acide iodhydrique formé.La masse réactionnelle est ensuite distillée pour récupérer le toluène, la cyclohexanone et la diphénylamine n'ayant pas réagi, en opérant à une température de 220 C dans la chaudière et 180 C à la tête, et sous une pression de 2,6 millibars. Le résidu resté dans la chaudière, qui est le produit final de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone, pèse 206 grammes. Le produit est une matière solide brune fondant dans une plage de température allant de 83 C à 94 C. Exemple Il Un réacteur identique à-celui utilisé dans l'exemple I, est chargé avec 80 ml de toluène et 169,2 grammes (une mole) de dipWénylamine. Après avoir chauffé jusqu'à ce que la diphény lamine soit complètement dissoute, on charge 3 g (0,01 mole) d'iode. On continue de chauffer tout en agitant et une fois qu'on a atteint 140 C, on commence à ajouter 147,2 grammes (1,5 mole) de cyclohexanone, ce qui demande environ 3 heures. Ensuite, on maintient le mélange réactionnel pendant encore 1 heure au reflux à 15000. 26 grammes d'eau de synthèse sont éliminés par distillation de l'ensemble, et sépares. Après avoir refroidi le mélange à 90 C et ajouté 100 ml de toluène, on effectue quatre lavages avec de l'eau tomme dans l'exemple I.La distillation est effectuée comme dans l'exemple I. Le résidu dans la chaudière pesant 270 grammes est le produit final fondant à des températures allant de 70 C à 80 C. Exemple III Les mêmes quantités de réactifs et le même procédé mentionné dans l'exemple II sont adoptés, mais le catalyseur est constitué par 4 grammes (0,023 mole) d'acide p-toluènesulfonique à la place de l'iode. On obtient 202 grammes d'un produit ayant une zone de fusion de 67 C à 7900. L'eau formée au cours de la synthèse représente 24 grammes. Exemple IV 80 ml de toluène et 169,2 grammes (1 mole) de diphénylamine sont chargés dans un réacteur et on commence à chauffer0 Une fois atteinte la température de 60 C, on charge 3 grammes (0,01 mole) d'iode. A 140 C, on commence à ajouter 196,3 grammes (2 moles) de cyclohexanone; cette addition demande 3 heures. Le mélange est maintenu pendant encore 1 heure à environ 150 C, et on sépare en tout 34 g d'eau de synthèse. Après avoir refroidi à 90 C, et ajouté 100 ml de toluène, on effectue quatre lavages avec de lteau chaude. La distillation du produit est effectuée comme dans l'exemple I. On obtient 300 grammes d'un produit ayant une zone de fusion de 7300 à 78 C. Exemple V On prépare une solution de 1,2,4-trichlorobenzène contenant 2 % de caoutchouc naturel et trois autres solutions contenant en-plus 0,2 % (calculé sur le caoutchouc) d'un antioxydant. Comme antioxydants, on utilise le produit de l'exemple I, la 2,2,4-triméthyl-1,2-dihydroquinoline polymère et le 2,2'-méthylène-bis-(4-méthyl-6-tert.butyl)-phénol. Après avoir soumis 20 grammes de ces diverses solutions à l'essai d'absorption d'oxygène à 170 C, les temps d'induction suivants sont obtenus : Antioxydant Période d'induction aucun 87 minutes Produit de l'exemple I 166 Triméthyldihydroquinoline polymère 146 2,2-méthylène bis-(4-méthyl-6-tert. butyl)phénol 167 Ces résultats montrent que le produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone se révèle être, à la concentration utilisée, un bon antioxydant qui est supérieur à la triméthyldihydroquinoline polymère pour le caoutchouc naturel non vulcanisé. Exemple VI On prépare des mélanges avec les ingrédients suivants : Parties en poids Caoutchouc naturel 100,00 ZnO 5,00 Stéarine 2,00 Noir ISAF 45,00 Soufre 2,00 N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfénamide 0,80 nMeramid D" Bozzetto 0,40 Antioxydant 1,00 On prépare un mélange sans antioxydant, tandis que dans les autres mélanges on utilise le -produit de l'exemple I (abrégé par la suite en Pr. Ex. I), le produit de l'exemple Il (Pr. Ex. II), le produit de l'exemple IV (Pr. Ex. IV), la triméthyldiydroquiflolifle polymère (TDQ pol.) , la phényl-bétanaphtylamine (PBN), la N-isopropyl-N'-phényl-p.phénylènediamine (IPPD). Ces mélanges de caoutchouc sont ensuite vulcanisés pendant 12 minutes à 150 C.Après le vieillissement dans l'étu- ve à air pendant 4 jours à 90 C, on obtient pour les divers mélanges vulcanisés les propriétés mécaniques suivantes TABLEAU I Anti- Allongement Pertes Résistance à Pertes M O D U L E oxydant à la rupture la traction % % da N/mm2 % à 200 % al. à 300 % al. daN/mm2 da N/mm2 Aucum 195(490) -60 0,48(2,76) -83 -- (0,66) -- (1,36) Pr. Ex.I 360(500) -28 2,01(2,76) -27 0,90 (0,67) 1,62 (1,33) Pr. Ex.II 380(525) -28 2,06(2,88) -28 0,83 (0,68) 1,53(1,35) Pr.Ex. IV 355(505) -30 1,83(2,79) -34 0,85(0,67) 1,49(1,34) TDQ pol. 345(490) -30 1,90(2,77) -31 0,89(0,68) 1,62(1,36) PBN 275(510) -46 1,06(2,93) -64 0,68(0,73) -- (1,40) IPPD 310(495) -37 1,60(2,86) -44 0,87(0,72) 1,54(1,42) Après vieillissement dans la bombe à oxygène sous 21 bars pendant 48 h , à 80 C on obtient pour les mélanges vulcanisés les propriétés vulcaniques suivantes : Tableau II Anti- Allongement Pertes Résistance à Pertes oxydant à la rupture la traction % % % da N/mm2 Dureté Variation Shore A de la dureté Aucun : échantillon détérioré complètement après vieillissement Pr. Ex. I 440 -12 2,02 -27 0,71 1,28 Pr. Ex. II 435 -17 2,05 -29 0,67 1,26 Pr.Ex. IV 440 -13 1,83 -34 0,63 1,14 TDQ pol. 435 -11 2,14 -23 0,77 1,39 PBN 445 -13 2,02 -31 0,71 1,27 IPPD 410 -17 2,19 -23 0,84 1,52 D'après les résultats ci-dessus, on peut voir que le produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone est un très bon antioxydant pour le caoutchouc naturel, et son efficacité, spécialement après le vieillissement dans l'étuve à air, n'est pas inférieure à celle de la TDQ pol, de la PBN et de l'IPPD. Exempel VII On prépare trois mélanges avec les ingrédients suivants Parties en poids Caoutchouc naturel 100,00 Stéarine 1,00 ZnO 5,00 Noir HAF 45,00 Soufre 2,50 Disulfure de mercaptobenzothiazole 1,00 Antioxydant 1,00 On prépare un mélange sans antioxydant, tandis que dans les deux autres, on utilise respectivement le produit de l'exemple I et le TDQ polymère Après avoir fabriqué ces mélanges, on les vulcanise pendant 15 mnutes à 15000. Après le vieillissement dans l'étuve à air pendant 6 jours à 90 G, on obtient, pour les trois types de mélanges vulcanisés, les propriétés mécaniques suivantes (sur le tableau les paramètres originaux sont inscrits dans les parenthèses). TABLEAU III Anti- Allongement Pertes Résistance à Pertes Dureté Variation oxydant à la rupture la traction % Shore A de la % % da N/mm2 dureté Aucun 165(480) -66 0,62(2,01) -69 62 +5 Pr. Ex.I 265 (515) -49 1,76(1,96) -10 70 +12 TDQ pol. 265(500) -47 1,79(2,07) -14 68 +11 Après le vieillissement dans la bombe à oxygène mous 21 bars, pendant 48 heures, à 80 C, on obtient les résultats suivants : Aucun : échantillon complètement détérioré par le vieillissement Pr.Ex.I 475 -8 1,66 -15 59 +1 TDQ pol. 455 -9 1,72 -17 60 +3 Exemple VIII On prépare deux mélanges avec les ingrédients suivant s Parties en poids Polybutadiène-cis ("Europrènen cis) 100,00 Noir de carbone 40,00 ZnO 3,00 Stéarine 2,00 Soufre 1,80 N-cyclohexyl-2-benzothiazyl-sulfé namide 0,80 On prépare un mélange sans antioxydant, tandis qu'à l'autre, on ajoute une partie en poids du produit de l'exemple II. Ces mélanges sont vulcanisés pendant huit minutes à 16500. Après le vieillissement dans l'étuve à air pendant 26 jours à 90 C, on obtient, pour les deux types de mélanges vulcanisés, les propriétés mécaniques suivantes (dans le tableau, les paramètres originaux sont mis entre parenthèses) Tableau IV Antioxydant Allongement Pertes Résistance à Pertes à la rupture % la traction % da N/mm2 Aucun 30(225) -87 0,19(0s59) -72 Pr. Ex. Il 65(235) -72 0,49(0,68) -28 Exemple IX On prépare trois mélanges avec les ingrédients suivants : Parties en poids Caoutchouc de nitrile("Europrène" BJLT) 100,00 Noir de carbone 40,00 ZnO 5,00 Stéarine 1,00 Soufre 1,50 Disulfure de mercaptobenzothiazole 0,50 Antioxydant 1,00 On prépare un des mélanges sans antioxydant, tandis que dans les deux autres mélanges on ajoute respectivement comme antioxydants le produit de l'exemple II et 1'IPPD. Les mélanges sont ensuite vulcanisés pendant 20 minutes à 150 C. Après le vieillissement dans l'étuve à air pendant 41 jours à 90 C, on obtient, pour les trois types de mélanges vulcanisés, les propriétés mécaniques suivantes ' (les résultats originaux sont reportés dans les parenthèses). Tableau V Antioxydant Allongement Pertes Résistance à Pertes la traction à la rupture % % da N/mm2 Aucun 100(405) -75 0,80(1,95) -59 PrO Ex.II 190(425) -55 1,72(2,02) -15 IPPD 215(495) -56 1,91(2,26) -15 Exemple X On prépare deux mélanges avec les ingrédients suivants Parties en Doids Polychloroprène ("Néoprène" W) 100,00 Acide stéarique 0,50 Noir de carbone 30,00 MgO 4,00 ZnO 5,00 Ethylènethiourée (accélérateur JO 4022 Bozzetto) 1,00 Un des mélanges est préparé sans antioxydant, à l'autre on ajoute une partie en poids du produit de l'exemple II. Ces mélanges sont vulcanisés pendant 15 minutes à 15000. Après le vieillissement dans l'étuve à-air pendant 7 ours à 120 C, on obtient, pour les deux types de mélanges vulcanisés, les propriétés mécaniques suivantes (les paramètres originaux sont mentionnés dans le tableau entre parenthèses) Tableau VI Antioxydant Allongement Pertes Résistance à la Pertes à la rupture traction % % % da N/mm2 Aucun 20(360) -94 0,92(2,01) -54 Pr. Ex. Il 185(385) -52 1,60(2,11) -24 Après le vieillissement dans la bombe à oxygène pendant 4 jours à 80 C, les résultats suivants sont obtenus. Antioxydant Allongement Pertes Résistance à Pertes à la rupture la traction % % da N/mm2 Aucun 210 -42 0,75 -62 Pr. Ex. Il 345 -10 1,52 -28 Exemple XI On prépare deux mélanges avec les ingrédients suivants : Parties en poids SBR 1712 137,50 ZnO 5,00 Acide stéarique 1,00 Noir de carbone 60,00 Huile aromatique ("Dutrexn 729) 10,00 Soufre 1,80 N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfénamide 1,20 Un des mélanges est préparé sans antioxydant, tandis qu'à l'autre, on ajoute une partie en poids du produit de l'exemple II. Ces mélanges sont vulcanisés pendant 20 minutes à 165 C.Après le vieillissement dans l'étuve à air pendant 21 jours à 100 C, on obtient, pour les deux types de mélanges vulcanisés, les propriétés mécaniques suivantes (les paramètres originaux sont reportés dans le tableau entre parenthèses) Tableau VII Antioxydant Allongement Pertes Résistance à Pertes à la rupture la traction % % da N/mm2 % Aucun 175(750) -77 1,11(1,97) -44 Pr.Ex.II 218(725) -70 1,08(1,77) -39 Exemple XII On prépare deux mélanges avec les ingrédients suivants Parties en poids Polyisoprène-cis ("Europrène" IP .80) 100,00 Stéarine 1,00 ZnO 5,00 Noir de carbone 45,00 Soufre 2,50 Disulfure de mercaptobenzothiazole 1,00 Un des mélanges est préparé sans antioxydant, tandis gu'à l'autre on ajoute une partie en poids du produit de l'exemple Il. Ces mélanges sont vulcanisés pendant 15 minutes à 150 C. Après le vieillissement dans l'étuve à air pendant 6 jours à 10000, on obtient, pour les deux types de mélanges vulcanisés, les pro priétés mécaniques suivantes (les paramètres originaux sont mentionnés dans le tableau entre parenthèses) Antioxydant Allongement Pertes Résistance à Pertes à la rupture la traction % % da N/mm2 % Aucun 223(495) -55 0,81(2,23) -64 Pr. ex.II 296(520) 43 1,98(2,35) -15 -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=- R E V E N D I C A T I O N S la Mélanges d'élastomères qui tendent à se détériorer en présence de l'oxygène ou de l'air caractérisés par le fait qu'ils renferment le produit de condensation de la diphénylamine avec la cyclohexanone. 2. Mélanges selon la revendication 1, caractérisés par le fait que dans le produit de condensation, le rapport mo lairé de la diphénylamine à la cyclohexanone varie de 1:1 à 1:2. 3. Mélanges selon les revendication}; 1 et 2 , caractérisés par le fait qu'ils sont vulcanisés. 4. Mélanges selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisés par le fait que le taux de diphénylamine dans le produitwde condensation est inférieur à 0,3 * 5. Mélanges selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisés par le fait que les élastomères qui tendent à se détériorer en présence de l'oxygène ou de l'air sont le 1,4-cis polyisoprène naturel, le 1,4-cis polyisoprène synthétique, le polybutadiène, le caoutchouc de styrène-bubadiène, le baout- chouc de nitrile et le polychloroprène. 6. Procédé pour la préparation du produit de condensation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ladite condensation est effectuée dans un solvant aromatique, à une température allant de 130 C à 180 C, en utilisant comme catalyseur : l'iode, des acides forts organiques et minéraux, dans un temps variant de 1 à 8 heures, temps pendant lequel l'eau de la condensation est continuellement éliminée par distillation. 7. Procédé pour la préparation des produits de condensat tion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé-par le fait que les acides forts sont l'acide para-toluènesulfonique, l'acide benzènesulfonique et l'acide chlorhydrique.