Brevet FR2459265A1 — publié le 19810109

On connait d'une manière générale, des photoinitiateurs constitués de sels onium d'éléments du groupe VIb et compor- tant un anion MF6, oh M est choisi entre P, As, et Sb. On peut utiliser ces compositions photoinitiatrices en combinaison avec divers matériaux organiques photopoly- mérisables, tels que des esters cycliques, des éthers cycliques des acétals polyvinyliques, des résines époxydes, etc., pour produire des compositions durcissables sous l'effet des rayons UV et des compositions durcissables sous l'effet de la chaleur. Les photoinitiateurs répondent à la formule: 1 2 + (1) [(R)a (R)b (R)c X] [MF6] dans laquelle: - R est un radical organique aormatique monovalent, - R1 est un radical organique aliphatique monovalent choisi entre les radicaux alkyles, cycloalkyles, et leurs dérivés, - R2 est un radical organique polyvalent formant une structure hétérocyclique ou à cycles condensés, choisi parmi les ra- dicaux aliphatiques et aromatiques, - X est un élément du groupe VIb choisi entre le soufre et le sélénium; - M est choisi entre P, As et Sb, a est un nombre entier compris entre O et 3, bornes incluses, - b est un nombre entier compris entre 0 et 2, bornes incluses, - c est un nombre entier égal à O ou 1, et la somme de a + b + c est au plus égal à 3. Les radicaux que représente R peuvent être identiques ou différents et être des radicaux hétérocycliques ou carbocycli- ques aromatiques ayant entre 4 et 20 atomes de carbone pouvant être substitués par un à quatre groupes monovalents choisis entre les groupes alcoxy ayant de 1 à 8 atomes de carbone, les groupes alkyle ayant de 1 à 8 atomes de carbone, les groupes nitro, chloro, etc. R est plus particulièrement un groupe phényle, chloro-phényle, nitrophényle, méthoxyphényle, pyridyle, etc, R1 peut être un groupealkyle ayant de 1 à 8 atomes de carbones, tel qu'un radical méthyle, éthyle, etc., un groupe alkyle substitué tel qu'un radical -C2H4OCH3, -CH2COOC2H5 - CH2COCH3, etc. R2 peut représenter des structures telles que: o: Les sels onium du groupe VIb compris dans la formule (1) sont par exemple, les suivants: S+ CH C3 C-CH2-S3 o 02N- Br X/--oo2-s S Br Q CCH2S: AsF6 PF6 AsF6 SbF6 -/ 3 L)S SbF6 C -CH2Se PF6 e/\' (C Se AsF6 SbF6,etc. On emploie un sel aryl-iodonium, tel que l'hexafluoroarsé- niate de diphényliodonium avec un composé du groupe VIb, tel que le sulfure de diphényle, en présence d'un catalyseur formé d'un sel de cuivre, par exemple le benzoate de cuivre, à des températures comprises entre 50 C et 250 C, pendant de une à cinq heures. On peut utiliser d'autres procédés tels que ceux décrits par J.W. Knapczyk et W.E. McEwen, J. Am. Chem. Soc. 91 (1969), A.L. Maycock et G.A. Berchtold, J. Org. Chem. 35, N 8, 2532 (1970), H.M. Pitt, brevet des E.U.A. n 2.807 648, E. Goethals et P. de Radzetsky, Bul. Soc. Chim. Belg., 73 546/(1964), H.M. Leicester et F.W. Bergstrom, J. Am. Chem. Soc. 51, 3587 (1929) etc. On peut utiliser les sels onium du groupe VIb de formule (1) comme photoinitiateurs pour effectuer le durcissement d'une grande variété de matériaux organiques polymérisables de façon cationique comme les résines époxy, des éthers cycliques, le poly(acétal de vinyle), les résines phénol-formaldéhydes, etc.. Dans les exemples ci-après, les quantités indiquées en parties visent des parties en poids. Exemple 1 On a préparé du chlorure de triphénylsélénium selon le procédé décrit par H.M. Leicester et F.W. Bergstrom, J. AM. Chem. Soc. 51 3587 (1929) à partir de sélénure de diphényle. Les fluoroborate, hexafluoroarséniate et hexafluoroantimonate correspondants ont été obtenus en ajoutant, selon le cas, de l'hexafluoroarséniate de sodium, du tétrafluoroborate de sodium ou de l'hexafluoroantimonate de potassium à une solu- tion aqueuse de chlorure de triphénylsélénonium. On a séché sous vide les produits solides cristallins blancs résultants. On a durci des solutions de 3% des sels ci-dessus dans le dioxyde de vinyl-4 cyclohexène, sous forme de pellicules de 0,05 mm, en les plaçant à une distance de 152,4 mm d'une lampe GE H3T7. On a observé les temps de durcissement ci-après: Sel Temps de durcissement (C6H5)3Se +BF4 10 secondes (C6H5) 3Se AsF6 5 6 + - (C6H5)3Se SbF6 6 5 3 " Les résultats ci-dessus montrent que le sel hexafluoro est plus efficace comme photosensibilisant que le sel tétra- fluoroborate, ce qui ressort de leur temps de durcissement respectif. EXEMPLE 2. On a préparé plusieurs sels d'hexafluoroarséniate de sulfonium, hexafluoroantimoniate desulfonium et hexafluoroar- séniate de sélénium en ajoutant l'anion correspondant sous la forme acide ou salifiée, tel que de l'hexafluoroarséniate de sodium, à la structure cationique correspondante, telle qu'une solution aqueuse de chlorure de tri(diméthyl-3,5 hydroxy-4) phényl sulfonium. A cette fin, on a eu recours au procédé décrit par H.M. Leicester et F.W. Bergstrom J.Am. Chem. Soc. 51 3587 (1929). Les résultats obtenus sont rapportés dans le Tableau I. TABLEAU I - SELS DE SULFONIUM Structure cationique Anion PF (C) kMax (EMax) Analyse élémentaire C H S CH t 3 154-156 300(3000) 284(4100) 279(4600) 252(9300) calcule: 33,20 trouvé: 32,99 4,15 8,75 3,90 8,92 CH3 HX X S AsF6 245-251 263(23 300) calculé: 49,3 4,62 5,48 280(20 708) trouvé: 49,39 4,59 5,55 CH3 C H Se Se AsF6 184-187 258(10 900) calculé: 43,3 3,01 15,8 6 266( 2 841) trouvé: 43,4 2,99 16,0 275( 2 145) HO CH3 AsF6 CH3 tn NO r'o tn rN TABLEAU I - SELS DE SULFONIUM (Suite) Structure cationique Anion PF( C) XMax (sMax) Analyse élémentaire C H SbF6 -143 258(10 900) 266 ( 2 841) 275( 2 145) Calculé: trouvé: o + -C - CHI-S l PF6 117-120 300( 4 700) 248( 10 200) AsF6 161-163 300( 4 700) 248( 10 200) SbF6 -163 300( 4 700) 248( 10 200) Se+ 39,6 39,9 2,75 2,98 ri Ln o J' On a constaté que les compositions de dioxyde de vinyl-4 cyclohexène contenant les sels onium essayés offrent une plus grande vitesse de durcissement par rapport à celle observée avec les sels onium de tétrafluoroborate antérieure- ment connus. EXEMPLE 3 On a chauffé un mélange de 11,75 parties d'hexafluoro- arséniate de diphényliodonium, 4,065 parties de sulfure de diphényle et 0,2 partie de benzoate de cuivre, tout en agi- tant, à une température de 120-125 C pendant 3 heures. On verse ensuite le mélange, tandis qu'il est chaud, dans un récipient o il cristallise. On extrait trois fois le produit avec de l'éther diéthylique et le sèche à l'air. On obtient un rendement de 97% d'hexafluoroarséniate de triphénylsulfo- nium. Ce dernier a un point de fusion de 95-197 C une fois recristallisé dans de l'éthanol à 95%. On a soumis un mélange formé d'une solution renfermant 0,02 mole d'hexafluoroarséniate de triphénylsulfonium dans l'oxyde de styrène à un rayonnement produit par une lampe Hanovia de 450 W. Le mélange était renfermé dans un flacon de verre, sous atmosphère d'azote, à une température de 25 C. On a constaté que l'oxyde de styrène polymérisait en 5 mn. On a répété le même mode opératoire, hormis que l'on a utilisé du tétrahydrofuranne. Exemple 4. On a répété le mode opératoire de l'exemple 3, si ce n'est que l'on a employé 12,75 parties d'hexafluoroarséniate de diphényl-iodonium 2,55 parties de sulfure de pentaméthylène et 0,2 partie de benzoate de cuivre. On a obtenu un rendement de 60% en produit, c'est-à-dire en hexafluoroarséniate de phénylpentaméthylène sulfonium, une fois le produit recris- tallisé dans le méthanol. EXEMPLE 5 On a chauffé, sous atmosphère d'azote et tout en agitant, pendant 3 heures à 120-125 C, un mélange de 12,75 parties d'hexafluoroarséniate de diisopropyl-4,4'phényliodonium, parties de phénoxanthène et 0,2 partie de benzoate de cuivre. Apres refroidissement, on a extrait le produit à l'éther diéthylique. On a dissous l'huile restante dans du chlorure de méthylène et l'a fait passer au travers d'une colonne d'alu- mine de 152,4 mm. Après trituration avec de l'éther et refroi- dissement dans un bain de glace, on a obtenu un produit blanc qui est de l'hexafluoroarséniate d'isopropyl-4 phénylphénoxan- thylium. Ce dernier fond entre 126-127 C et répond à la for- mule: S AsF6 Analyse: C H S calculé: 49,61 3,74 6,30 trouvé: 49,57 3,82 6,25 On a soumis une solution à 3% du sel onium ci-dessus dans du carboxylate d'époxy-3,4 cyclohexylméthyl époxy-3', 4' cyclohexane au rayonnement d'une lampe GE H3T7 placée à une distance de 254 mm. On a obtenu une pellicule dure non col- lante en 30 secondes. Exemple 6 En suivant le mode opératoire décrit aux exemples 3 et 5, on a préparé les sels onium supplémentaires du groupe VIb répertoriés dans le tableau II ci-après: TABLEAU II Sel +. Comp.du Groupe VIb Sel VIb Analyse %C %il PF ( C) [ 2I +AsF6 2 S L'-' 6 2 [4 I+PF 6 1 S 1d S +AsF6 - 97 i- c,+ -[D] PF6 92 S &-. --j 92 S X] AsF6 88 -197 calc. 47,7 t. 47,78 133-136 calc. 56,90 t. 57,05 151-152 calc. t. 51,01 51,05 3,3 7,06 3,41 7,06 4,06 6,90 ,03 7,09 4,25 4,34 6,48 6,44 [CH5 I AsF6 vF>II- CH ïD12S PF 87 120-125 calc. 54,0 4,0 7,6 -EH3>1 +I6 LX 3--O' t. 54,2 4,1 7,7 H I+AF C24 AsF 6 100 120-125 calc. 50, 0 3,9 6, 7 t3,9 6,[0- 2 ICL- - -J t. 49,8 3, 9 6, 7 [ b I AsF6[ L TI+AsF - ['E 2 S AsF- 89 -g> +îO 2 79 AsF6 143-145 calc. 51,0 4,0 6,8 t. 51,2 4,1 6,8 -168 calc. 46,3 2,8 6,9 t. 46,2 2,8 7,0 N ri qa.' to %o Ch a, Rdt (%) 41 126-127 Qos - AsF l 6 Calc. 49,1 3,74 T. 49,51 3,82 [H3 2 I+AsF6 I+AsF6 E}I+AsF6 - 95 165-167 a sB _ goS'2 _O) + AsF6 99 183-187 67 182-185 Calc. 50,2 3,6 T. 50,25 3,6 Calc. 43,2 2,4 T. 43,1 2,5 6,3 Calc. 53,1 4,4 T. 53,0 4,6 Sel I - PF (Oc) Analyse 6,30 6,25 6,7 6,67 - 6,o 6,4 6,2 6,1 1%> n o n eos-21 11 2459265 Exemple 7 En plus des sels d'onium du groupe VIb de l'exemple 6, on a préparé d'autres sels du groupe VIb en suivant le mode opératoire décrit dans les exemples 3 et 5. Ces autres sels sont répertoriés dans le Tableau III ciaprès. Exemple 8 On a, par ailleurs, préparé divers sels d'onium de dérivés triaryle d'éléments du groupe VIb en utilisant un hexafluoroarséniate de diaryliodonium, un sel hexafluoro- antimonique ou hexafluorophosphorique et un co-réactif thio- phénol, en combinaison avec du benzoate de cuivre et de la triéthylamine comme co-catalyseur. L'hexafluoroarséniate de diphényliodonium a été préparé par le procédé décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n 3 981 897. On peut utili- ser d'autres procédés, par exemple celui décrit par M.C. Casserio et al. dans J. Am. Chem. Soc., 81 366 (1959). Le mode opératoire utilisé pour la préparation des sels d'onium de l'éléments du groupe VIb à substitution triaryle peut être le suivant: On chauffe un mélange formé de 2,75 parties de thiophénol, 11,75 parties d'hexafluoroarséniate de diphényliodonium, 0,2 partie de benzoate de cuivre et 4 parties de tri-nbutylamine, tout en agitant à 120-125 C, sous azote, pendant 3 heures. Apres refroidissement le produit est lavé avec du diéthyléther et ensuite séché. On obtient ainsi, avec un rendement de 86%, de l'hexafluoroarséniate de triphénylsulfonium. On a préparé les sels d'onium de dérivés d'éléments du groupe VIb à substi- tution triaryle répertoriés dans le tableau IV en opérant sensiblement de la même façon. TABLEAU III Comp. du gr. VIb 150-151 c 35,87 4,08 8,70 t 35,69 3,98 8,63 .2I+AsF6 [ 2I+AsF6 (0) Q 0AsF6 1 6 Q AsF6 So [, pAI+AsF- 151-153 c 32,43 3,51 8,65 t 32,33 3,53 8,37 56 120-125 c 40,9 5,1 7,8 t 40,9 5,1 7,8 110-115 c 33,9 3,7 9,0 t 33,8 3,9 9,2 + K O>L I S 32 I+AsF6 1; 2 AsF6 97 -102 c 40,0 3,33 8,21 t 38,53 3,39 8,53 $el I+ L 1 I+AsF- Sel IVb S0 Rdt % o 0AsF6 PF ( C) Analyse % C % H 1-' r'., N %71 ru uos Vi r -S-CH3 - ZK 9 s I ' l zi - SV 13TD9 - 9dsv+sL H] HS -- I HS -- H3 HS H -9j v+il] - k1_úHa] qIA adno16 np 'dwoD AI nVg EVI %O o u'% ('- SA L6 1t6 1 Tt -OtI M L91-P91 (3 ) a (%) Pa qIA ITS +I Ias Hg -- 9 E - lqsv+si - 1 14 2459265 Selon un autre aspect de l'invention décrite dans le brevet des-Etats Unis d'Amérique n' 3 058 401, on peut utili- ser des photoinitiateurs de formule (1) avec un solvant orga- nique pour former une solution ou une dispersion du photo- initiateur. Le brevet des Etats Unis d'Amérique n' 4 154 872 décrit des solutions catalytiques de sels de sulfonium, o le mélange de solvants contient un polyol ayant au moins deux groupes hydroxyles et une lactone. Le brevet belge n0 845 746 décrit que la présence des polyols dans un mélange de résine époxy et de sels de sulfonium peut conduire à un film de résine époxy-réticulée, souple. Les brevets des Etats Unis d'Amérique n0 3 794 374 et 4 080 274 indiquent que l'on peut utiliser de façon satis- faisantes des initiateurs cationiques, par exemple des sels de diazonium aromatiques, dans un solvant organique, pour faciliter l'incorporation du sel cationique dans des résines époxy. Cependant, comme le montre le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 4 058 451, on doit utiliser un stabilisant pour réduire la décomposition de ces sels de diazonium aromatiques même dans l'obscurité. L'utilité de tels mélanges de solvant et de sel de diazonium aromatique pour faciliter l'incorpora- tion du catalyseur cationique dans la résine époxy s'en trouve par conséquent extrêmement restreinte. La présente invention est basée sur la découverte que l'on peut incorporer des photoinitiateurs de formule (1) dans du carbonate de propylène ou du carbonate d'éthylène pour produire des mélanges de sel d'aryl sulfonium stable, non volatil, com- prenant de 1% à 75% en poids du sel d'aryl sulfonium de formule (1) par rapport au poids total du mélange photoinitiateur- carbonate de propylène. Un aspect surprenant de la présente invention est que dans des conditions de photopolymérisation en présence de résine époxy, le carbonate de propylène et le carbonate d'éthylène normalement non réactifs copolymérisent avec la résine époxy. En outre, le film de résine époxy réti- culée résultant reste pratiquement non plastifié ce qui est souhaitable dans certains cas. 4 Dans les exemples suivants, toutes les parties sont ex- primées en poids. Exemple 9 On a ajouté 59,7 parties de solution aqueuse à 50% de chlorure de triphénylsulfonium et 26 parties d'hexafluoroanti- moniate de sodium à 80 parties de carbonate de propylène. On a ensuite éliminé par filtration le chlorure de sodium résul- tant du mélange, après l'avoir soigneusement agité. La solu- tion résultante d'hexafluoroantimoniate de triphénylsulfonium- carbonate de propylène contenait 50% en poids de sel de tri- phénylsulfonium. On a placé une partie de la solution de sel de triphénylsulfonium ci-dessus dans un flacon bouché et on l'a conservé dans des conditions atmosphériques pendant 12 mois. On a trouvé que la solution demeurait inchangée après cette période de conservation prolongée. En suivant le même procédé, on a préparé plusieurs solu- tions de sel de triphénylsulfonium-carbonate de propylène sup- plémentaires ayant des concentrations de 1% et 50% en solides. On a irradié pendant 5 minutes les diverses solutions de sel avec de la lumière ultra-violette en utilisant une lampe GE H3T7 placée à 15,24 cm. On a trouvé que le carbonate de propy- lène restait pratiquement inchangé à la suite de l'irradiation, montrant ainsi que le carbonate de propylène est pratiquement non-réactif lorsqu'on l'irradie en présence d'hexafluoroantimo- niate de triphénylsulfonium. On a préparé un mélange d'hexafluoroantimoniate de triphényl- sulfonium-carbonate de propylène contenant 50% en poids de sel dans le mélange. On prépare une composition durcissable en mé- langeant 4 parties du mélange sel-solvant à 50% sus-mentionné avec 96 parties de carboxylate d'époxy-3,4 cyclohexylméthyl- époxy-3',4' cyclohexane. La composition durcissable finale consiste en 2% en poids de catalyseur hexafluoroantimoniate de triphénylsulfonium, 2% en poids de carbonate de propylène et 96% en poids de résine époxy. On a irradié le mélange pendant 30 secondes à la lumière UV d'une lampe GE H3T7 placée à 15,24 cm. On a répété la même procédure excepté que l'on a préparé un mélange durcissable contenant 2% de sel de sulfonium et 98% de résine époxy. On a alors irradié le mélange exempt de carbonate de propylène en suivant la procédure décrite ci-dessus. On a également irradié un troisième mélange se composant de 93% en poids de résine époxy, 2% en poids de sel de sulfonium et 5% en poids d'éthy- lène glycol. On a alors comparé les duretés des films de résines époxy durcies résultantes les unes aux autres pour déterminer le degré de plastification de chacun des films. Lorsque l'on comparait le film dérivant du mélange contenant du carbonate de propylène avec le film dérivant du mélange de résine époxy durcissable exempt de carbonate de propylène, on a trouvé que le film con- tenant du propylène de carbonate a effectivement une valeur de dureté plus élevée que le mélange exempt de carbonate de propylène. Cependant, le film dérivé du mélange contenant 5% en poids d'éthylène glycol a une valeur de dureté plus faible que l'un ou l'autre. REVENDICATIONS 1. Mélange stable de sel d'arylsulfonium- solvant carac- térisé en ce qu'il comprend: (A) de 1 à 75% en poids de sel d'arylsulfonium de formule: [(R)a (R1)b (R2)c X+] [MF6] dans laquelle: - R est un radical organique aromatique monovalent, - R1 est un radical aliphatique organique monovalent choisi parmi les radicaux alkyles, cycloalkyles et leurs dérivés, - R2 est un radical organique polyvalent formant une structure hétérocyclique ou à cycles condensés, choisi parmi les radi- caux aliphatiques et les radicaux aromatiques, - X est un élément du groupe VIb choisi entre le soufre et le sélénium. - M est choisi entre P, As et Sb, - a est un nombre entier compris entre O et 3, bornes incluses, - b est un nombre entier compris entre O et 2, bornes incluses, - c est un nombre entier égal à O ou 1, et - la somme a + b + c est au plus égale à 3 et, (B) de 99% à 25% en poids de carbonate d'éthylène ou de carbonate de propylène par rapport au poids total de (A) et de (B). 2. Mélange selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sel d'arylsulfonium est un sel de triphénylsulfonium. 3. Mélange selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sel de triphénylsulfonium est choisi parmi l'hexafluo- roarséniate de triphénylsulfonium,l'hexafluoroantimoniate de triphénylsulfonium et l'hexafluorophosphate de triphénylsulfo- nium. 4. Mélange selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient 50% en poids de sel d'arylsulfonium.