Brevet FR2521573A1 — publié le 19830819

La présente invention concerne une composition de polyéthylène haute densité ou moyenne densité extrudable- et réticulable Elle concerne aussi le procédé de prépa- ration d'objets extrudés et réticulés mis en oeuvre, ainsi que les objets obtenus eux-mêmes. On sait que la réticulation des polyéthylènes haute densité ou moyenne densité (qui peut être effectuée par un processus radicalaire initié par un composé géné- rateur de radicaux libres) permet d'améliorer certaines de leurs propriétés, notamment leurs propriétés mécaniques et leur résistance à la chaleur. On sait d'autre part qu'il est possible de met- tre en forme par frittage les polyéthylènes haute densité ou moyenne densité (réticulables par réaction radicalaire). Cependant, les procédés de frittag'e usuels nécessitent l'emploi d'un appareillage spécifique et la mise en oeuvre de pressions élevées ?A cet égard, on peut se référer par exemple au brevet français N O 2 383 006). Si l'on désire réaliser la mise en forme des polyéthylènes par extrusion en appareillage classique, on se heurte à certaines difficultés. D'une parte comme la réticulation des polyéthy- lènes haute densité par générateurs de radicaux libres effectuée après l'étape de mise en forme (extrusion), né- cessite le réchauffement de la matière à réticuler jus- qu'à la température de décomposition du composé généra- teur de radicaux, il est nécessaire,pour éviter la défor- mation du produit formé, d'utiliser des polyéthylènes haute densité de masses moléculaires élevées. D'autre part, de tels polyéthylènes ne peuvent être extrudés avec des débits satisfaisants au'à des tem- pératures élevées dont la mise en oeuvre provoque, dès l'étape d'extrusion la décomposition des générateurs de radicaux libres usuels. On connait aussi divers agents plastifiants des' polyéthylènes haute densité (voir par exemple "The techno- logy of solvents and plasticizers" d'Arthur K DOOLITTLE- John WILEY & SONS New York) qui peuvent être utilisés en présence-d'un initiateur de réactions radicalaires tel qu'un peroxyde, aux températures nécessaires à la mise en oeuvre de la matière (extrusion par exemple) Des agents plastifiants peuvent être des esters tels que, par exemple, des acrylates et des méthacrylates d'alkyle. Cependant, ces agents plastifiants présentent deux inconvénients majeurs. D'une part, ils sont le plus souvent réactifs dans l'intervalle des températures muises en oeuvre lors de l'extrusion, ce qui a pour effet d'amorcer la réticulation dès l'étape d'extrusion-dont le déroulement se trouve per- turbé. D'autre part, ils exercent un effet plastifiant insuffisant si on les utilise aux concentrations qui per- mettent de conserver aux produits réticulés finaux des propriétés satisfaisantes. Sinon, le taux de gel des prduits après réticu- lation se trouve souvent sensiblement réduit. On a maintenant découvert qu'il était possible de réaliser des compositions de polyéthylènes haute den- sité ou moyenne densité extrudables et réticulables dans des conditions satisfaisantes, en incorporant aux'poly- éthylènes un additif réactif de mise en oeuvre permettant IO la plastification des polyéthylènes à des températures d'extrusion compatibles avec les générateurs-de radicaux libres (c'est-à-dire assez modéréespour éviter la décompo- sition du générateur de radicaux libres pendant l'extrusion). Les additifs incorporés aux polyéthylènes présentent l'a- I 5 vantage supplémentaire de participer à la réticulation ul- térieure en s'intégrant au réseau tridimensionnel du poly- éthylène réticulé, ce qui permet de réduire la quantité de matière extractible dans le matériau final et de lui conserver ses propriétés mécaniques lors de son utilisa- tion, par exemple en milieu hydrocarboné. D'une manière générale, les compositions extru- dables et réticulables de l'invention comprennent (a) une proportion majeure d'un polymère d'éthylène ou d'un copolymère dérivant de l'éthylène et d'une proportion mi- neure d'au moins une autre oléfine, (b) une proportion mineure convenable d'au moins un composé générateur de radicaux libres, et r) une proportion mineure convenable d'au moins "un additif réactif de mise en oeuvre", consis- tant en un polymère ou un copolymère d'acrylate (s) de n- alkyle de CI 4 à C 24, ayant une masse moléculaire moyenne en nombre de 500 à 50 000, de préférence de I 000 à 20 000. Elles peuvent comprendre en outre-divers ingré- dients usuels tels que par exemple des additifs anti- oxydants, des colorants ou des charges. Les polymères d'éthylène haute ou moyenne densi- I O té considérés dans l'invention peuvent consister en des hômopolyéthylènes haute ou moyenne densité ou en des copolymères renfermant en outre une proportion mineure d'unités dérivant d'une ou plusieurs autre(s) oléfine (s) de C à C;ils présentent un taux de branchement ex- 3 8 ' J 5 primé en CH 3 pour I 000 atomes de carbone inférieur à 2,5. Sous la désignation "polyéthylènes haute densité", on entend dans l'invention des polyéthylènes ayant une densité d'au moins 0,94 I, les "polyéthylènes moyenne den- sité" ayant pour leur part une densité supérieure à 0,926 (suivant la classification donnée dans ASTM D I 248). Les masses moléculaires moyennes en poids de ces polymères sont relativement élevées Elles peuvent être par exemple d'environ 50 000 à 700 000; elles sont plus particulièrement comprises entre I 00 000 et 500 000 Ces polymères présentent en général un indice de fusion (me- sure à 1900 C sous une charge de 21,6 kg/cm) au moins égal à I et pouvant aller par exemple jusqu'à 50. Comme mentionné précédemment, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser au lieu des poly- éthylènes, des copolymères d'éthylène formés avec une proportion mineure d'au moins une autre oldfine de C 3 à C 8, comme par exemple du propylène ou un butène Dans ce cas, la proportion du co-monomère oléfinique est en géné- ral inférieure à 5 % en unités par rapport au copolymère final Les autres caractéristiques des copolymères d'é- IO O thylène ainsi définis sont identiques à celles des homo- polyéthylènes haute et moyenne densité considérés plus haut. Les (co) polymères d'éthylène haute ou moyenne densité sont en général utilisés au départ du procédé I 5 sous la forme d'une poudre ou en grains. Les composés générateurs de radicaux libres que l'on peut utiliser dans les compositions de l'invention sont ceux dont la température de décomposition se situe dans un intervalle allant de I 40 à 2800 C On peut citer par exemple: le peroxyde de dicumyle le peroxyde de cumyl-t-butyle le 2,5-dimethyl 2,5 di-(t-butylperoxy) hexane le 2,5-dimethyl 2,5-di-(t-butylperoxy) hexyne-3 le peroxyde de di-t-butyle le 3,3,66 99-hexamethyl tétraoxocyclononane le 2 i 2 '-azo-bis ( 2-acétoxy propane) l'ethyl-o-benzoyl-laurohydroximate le di-t-butyl peroxy-téréphtalate ou le 3,5-bis-(tertio-butyl peroxy) 3,5diméthyl dioxolane-I,2. Le composé générateur de radicaux libres est introduit dans les compositions de l'invention en une proportion usuelle, par exemple de 0,3 à 5 % en poids par rapport au poids du polymère d'éthylène. -O I La mise en jeu selon l'invention des additifs réactifs de mise en oeuvre permet d'effectuer l'étape d'extrusion en appareillage conventionnel et dans des conditions (débits, pressions et températures) compatibles avec les composés générateurs de radicaux libres mention- 1 15 nés plus haut, en particulier à des températures telles que le générateur de radicaux libres particulier utilisé ne se décompose pas pendant l'extrusion du mélange à l'état fondu Ainsi, suivant le générateur de radicaux libres utilisé, on pourra ajuster la proportion de poly- acrylate de n-alkyle à mettre en jeu pour pouvoir extru- der de façon satisfaisante à des températures inférieures à la température de décomposition du générateur de radi- caux libres considéré La proportion de polyacrylate-de n-alkyle de Ci 4 à C 24 ira en général de 0,5 à I O % en I 4 24 poids et, de préférence, de I à 5 % en poids, par rapport au poids de polymère d'éthylène mis en jeu. Après l'extrusion, le matériau mis en forme est soumis aux conditions de la réticulation En particu- lier, il est chauffé à une température permettant la dé- composition du composé générateur de radicaux libres, entre et 280 C suivant le cas La température de réticula- tion est, en général, supérieure de 20 à IO O C à la tem- pérature maximale de l'étape d'extrusion. Pour faciliter la réticulation des compo- sitions de l'invention, on peut prévoir au départ d'asso- cier au composé générateur de radicaux libres un agent IO co-réticulant, tel que par exemple le cyanurate de triallyle. On peut aussi prévoir d'introduire dans les compositions de l'invention, avant extrusion, divers in- grédients usuels, tels que les additifs anti-oxydants, des colorants ou des charges diverses (noir de carbone par exemple), en des proportions appm priées. Les matériaux obtenus selon l'invention pré- sentent des propriétés très satisfaisantes En particulier, leur vieillissement à IO O C en milieu hydrocarboné fait apparaître la conservation des caractéristiques mécaniques du produit réticulétliée à la difficulté d'extraire l'agent plastifiant selon l'invention. Leur taux de gel n'est que très peu abaissé par rapport à ceux obtenus en l'absence d'agent plastifiant. La préparation de matériaux extrudés et ré- ticulés selon l'invention s'applique avantageusement à o la fabrication de tubes de diamètres supérieurs à 20 mm et, plus particulièrement, compris entre 75 et 300 mm. Les exemples suivants illustrent l'invention et ne doivent en aucune manière être considérés comme limitatifs. Les exemples I à 6, I 0, 12, I 4, I 6, 18 et 20 sont donnes 'à titre de comparaison. Exemples I à 9: (les exemples I à 6 sont donnés à titre de comparaison). Dans ces exemples, on a préparé des compositions à IO extruder et à réticuler en utilisant comme matière thermo- plastique de départ un polyéthylène haute densité de masse moléculaire comprise dans l'intervalle 300 000 à 500 000. Ce polyéthylène, commercialisé par Phillips Petroleum sous la dénomination MARLEX 56020, présente une densité I 5 de 0,953 et un indice de fusion égal à 2 sous une charge de 2 I,6 kg/cm 2. La composition des mélanges formés est indiquée au Tableau I. Sauf pour l'échantillon n I, auquel on n'a ajouté aucun additif, on a ajouté aux échantillons 2 à 9, 1,5 partie-poids d'éthyl-o-benzoyllaurohydroximate (amorceur radicalaire) et I partie-poids de cyanurate de triallyle pour 100 parties-poids de polyéthylène. Aux échantillons des exemples 3 à 6, on a égale- ment ajouté des proportions variées de plastifiants de l'art antérieur et aux échantillons des exemples 7 à 9, on a ajouté des proportions variées d'un additif réactif de mise en oeuvre selon l'invention Les notations sont les suivantes: AA: acrylate de n-alkyle. MAA: méthacrylate de n-alkyle PMAA: polyméthacrylate de n-alkyle (M = 4 IO 0) n IO PAA: polyacrylate de n-alkyle (M = 2 600) Dans chaque cas, le radical alkyle linéaire cor- respond à une coupe d'alcools dont la composition est ap- proximativement la suivante: Monoalcool en Ci 6 I % en poids I 5 C 8 C 20 52-64 " C 20 C 22 25-35 " C 24 C 2 C 26 Le mélange des divers constituants des composi- tions I à 9 a été réalisé de manière classique au mélangeur rapide à 3 000 tours/minute, pendant IO minutes. On a essayé d'extruder ces compositions sur une machine GOTTFERT munie d'une vis de diamètre D = 20 mm et de longueur 20 D. Io On a mis en oeuvre deux types de fonctionnement: a) les températures dans les 3 zones du fourreau étaient I 30 ' I 35 I 40 C (extrusion à I 40 C) % b) les températures dans' les 3 zones du fourreau étaient: I 55 I 600 C (extrusion à I 60 e C). La vitesse de rotation de la vis de l'extru- deuse était la même dans les deux cas: 40 tours/mn. Les débits d'extrusion indiqués au Tableau I ont 6 té calculés par la formule: débit '(g /h atm) = poids de matière extrudée temps x pression en tête de filière ? On a déterminé les taux de gel après extru- sion p Sr extraction au xylène bouillant pendant 8 heures. Après extrusion, les mélanges ont été granulés, puis réticulés sous presse à 250 C, pendant 30 minutes sous 1 i O bars Les taux de gel ont alors été déterminés comme précédemment sur les plaques obtenues Dans les cas o 'l'on n'a pas pu effectuer l'extrusion, la réticulation a été_réalisée sur le mélange initial. Des résultats du Tableau I, il ressbrt des exemples: comparatifs 3 et 4 que les acrylates ou métha- crylates monomères présentent une réactivité importante w S ô: v 5 la w r F X e S ^ _ -Avé' _ v A,,, _ _ s_ ô,, h,, -de " De, ré' , i:'l - t A* r ' à: Ww , : _,, ES _ r a'-: -a j i : \ _ _, :-, " -, g _ : ''ES _ _,: > Dr '-# ,, ': ,_} A '' D * A; Ts :v* a A sa -, - Of', Y+,; -t I 5 A ix, e., a+ -", - "r w :: s - >> 20 S, S, _4- : j ci z _ " s r A B L E A U 1 leu Ln M - -.à VI 4 w à, MARLEX'56020 en Ilabsencé a'initutgur de radicaux libres. lors de l'étape d'extrusion (les taux de cel après ?etrusion vont de I 5 à 60 o'). Les exemples comparatifs 5 et 6, mis en regard des exemples 8 et 9, montrent que l'emploi d'un polymétha- crylate d'alkyle produit un effet plastifiant inférieur à celui obtenu avec les mêmes concentrations de polyacryla- tes d'alkyle ainsi qu'une réduction sensible du taux de gel après réticulation. Exemples IO à I 9: (les exemples IO, I 2, I 4, I 6 et I 8 sont données à titre de comparaison). Dans ces exemples, on a utilisé plusieurs poly- éthylènes ayant des densités différentes (à partir de 0,938) ainsi que des indices de fusion (sous 21,6 kg/cm à I 90 C) différents (de 2 à 20). L'additif réactif de mise en oeuvre, conforme à l'invention était un polyacrylate de n-alkyle de masse moléculaire moyenne en nombre de 9 700 dont la partie al- kyle linéaire correspond à une coupe d'alcools dont la com- position approximative est la suivante: Monoalcool en Ci 4 CI 6 47-55 " " C 8 26-34 " I 8 C 2 O IO-I 8 " C 3 22 On a utilisé plusieurs générateurs de radicaux libres différents. 252 1 573 Dans deux formulations comparables (exemples 12 et I 3) on a incorporé une charge de noir de carbone dont les caractéristiques étaient les suivantes: surface spécifique BET (N 2) volume des vides (DBP) dimensions des particules I 000 m 2/g 340 tl/IOO g m A Comme dans les exemples I à 9, on a effectué l'ex- trusion à deux températures différentes (I 40 et I 60 C) pour chaque formulation. La réticulation des échantillons des exemples I O à I 5 a été effectuée sous presse à 2500 C pendant 20 minutes, alors que pour la réticulation des échantillons des exemples I 6 à I 9, la température était de 200 C. La composition des différentes formulations est I 5 indiquée au Tableau 2, ainsi que les observations et ré- sultats concernant chaque expérimentation. Dans tous les cas, il apparaît que l'introduction du polyacrylate décrit précédemment permet d'augmenter le débit de l'extrusion sans provoquer une diminution trop importante du taux de gel après l'étape ultérieure de réticulation. cl C:1600 C 13 2 2 70 100 78 I 4 0, 953 2 2, 2-azo-bis-( 2 0, 5 O O ne s'extru ecgtoxv -Pro-pane) de vas I 5 19 le O 2 30 90 85 I 6 0,945 9 ,5 dimethyl 2, 0,5 O O ne s'extru- -di-(t-butyl per de -pas xy)-hexan 7 O 1 87 I 8 0,938 20 0,5 O O ne s'e,,tru- -1 -U 2 T A B L t A Taux de gel 1 après réti-, culation sous presse M Générateur de ràd caux Exemple n O Po 1 yéthy 1 ène densité' mi 21,6 Indice de fusion Teneux PAA poids) 1)6 bît d'-ex- trusion teneur poids) nom g/h atm. 0, 961 éthyl-o -benzoyl lauro-hydroxyma:- te T, 5 Io I 1 4,- II 50 il Il Il I 2 débit irrê- gulier et f et 4,K 1 il le Il Il r'.) Ln r 1 j Ln I-J L 4 Il go le _ 1 30 _j_ 5 j_ 86 I 9 Il Teneur en noir poids) Exemples 20 à 26: (l'exemple 20 est donné à titre de com- paraison). Dans ces exemples, on a utilisé à différentes con- centrations des polyacrylates de n-alkyle de masses molé- culaires moyennes en nombre variées, comprises entre 2 000 et 20 000 Pour chaque polyacrylate, la partie alkyle corres- pondait à la même coupe de monoalcools linéaires que celle considérée dans les additifs des exemples 3 à 9. On a utilisé également le même polyéthylène haute IO densité que dans les exemples I à 9 (MARLEX 56 020 de Phil- * lips Petroleum),lainsi que,comme générateur de radicaux li- bresl'6thyl-o-laurohydroximate, à raison de 1,5 parties en poids pour 100 parties en poids de polyéthylène. L'extrusion a été effectuée à température maximale de I 60 C et la réticulation a été effectuée sous presse à 250 C pendant 30 minutes. Les résultats indiqués au Tableau 3 montrent que l'additif devient plus particulièrement efficace pour des teneurs d'au moins I % en poids Pour des teneurs voisines de 5 % en poids, dans les conditions de réticulation mises en oeuvre, le taux de gel ne se trouve pas réduit. T A B L É A U N Ln U 4 uw J Exemple n Teneur PAA M Débit d'extrusion à Aspect Taux de gel n (% poids) I 60 C (g/h atm) après après réti- extru culation sion sous presse O ne s'extrude pas mauvais 2 I 0,5 2 600 20 moyen 85 22 I " 80 bon 83 23 2 110 bon 8 I 24 5 " I 80 bon 80 2 9 700 105 bon 82 26 2 I 8 000 95 bon 8 I ON R E V E N D I CAT IONS I Composition extrudable en ce qu'elle comprend: et réticulable caractérisée a) une proportion majeure d'une polyoléfine consistant en un polyethylène de haute ou moyenne densité ou en un copolymère dérivant de l'éthylène et d'une propor- tion mineure d'une autre oléfine b) une proportion mineure d'au moins un composé généra- teur de radicaux libres, et c) une proportion de 0,5 à IO O % en poids d'au moins un polymère d'acrylate de n-alkyle de C 14 à C 24 ayant une masse moléculaire moyenne en nombre de 500 à 50 000. 2 Composition selon la revendication I, caractérisée en ce que ladite polyoléfine consiste en un polyéthylène de haute ou moyenne densité ayant une masse moléculaire I 5 moyenne de 50 000 à 700 000 3 Composition selon la revendication I, caractérisée en ce que ladite polyoléfine consiste en un polymère d'éthylène ou copolymère d'éthylène avec au moins une autre oléfine et présente un taux de branchement inférieur à 2,5 groupements CH 3 pour I 000 atomes de carbone. 12 2 4 Composition selon l'une des revendications I à 3, caractérisée en ce que ledit composé générateur de radi- caux libres a une température de décomposition dans l'in- tervalle de I 40 à 280 C. 5 Composition selon l'une des revendications I à 4, caractérisée en ce que la proportion de composé générateur de radicaux libres est de 0,3 à 5 % en poids par rapport au poids de la polyoléfine. 6 Composition selon l'une des revendications I à 5, I O caractérisée en ce que ledit polyacrylate de n-alkyie pré- sente une masse moléculaire moyenne en nombre de I 000 à * 20 000. 7 Composition selon l'une des revendications I à 6, ca- ractérisée en ce que la proportion dudit polyacrylate de I 5 n-alkyle est de I à 5 % en poids par rapport au poids de la polyoléfine. 8 Composition selon l'une des revendications I à 7, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend en outre une proportion mineure d'un agent co-réticulant. 9 Composition selon l'une des revendications I à 8, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un ingrédient choisi parmi-les additifs anti-oxydants, les colorants et diverses charges. IO Procédé de fabrication d'un matériau extrudé et réti- culé caractérisé en ce qu'il comprend une première étape dans laquelle on effectue l'extrusion d'une composition selon l'une des revendications I à 9, en opérant à des températures inférieures àla température de décomposition du composé générateur de radicaux libres; et une seconde- étape dans laquelle on soumet le produit extrudé à une température au moins égale à la température de décomposi- tion du composé générateur de radicaux libres. II Produit extrudé et réticulé obtenu par un procédé IO selon la revendication 10. I 2 Produit extrudé et réticulé selon la revendication II, consistant en un tube de grand diamètre.