Brevet FR2523590A1 — publié le 19830923

La présente invention concerne une composition liquide de base convenant pour la réalisation de revêtements transparents ou vernis sur des surfaces solides Elle concerne aussi le procédé d'obtention de ces vernis et les vernis en résultant. On sait que les surfaces solides ayant subi des traitements ou des usinages parfois très poussés, pour leur conférer un poli, un brillant ou tout autre aspect dicté par des nécessités ou des besoins d'ordre technique ou simplement décoratif, doivent être protégées par des revêtements appropriés pour leur éviter les risques d'alté-. ration de leur état Une telle protection s'impose d'autant plus que la surface considérée est fragile ou particulière- ment sujette, de par sa nature elle-même, à ces risques d'altération ou de dégradation comme c'est le cas, par exemple, pour le verre ou les succédanés du verre qui se rayent ou s'opacifient par suite de phénomènes de frottement, d'abrasion, voire même à la suite de chocs Ce risque de rayage se rencontre du reste aussi dans le cas d'autres produits tels que matériaux plastiques, céramiques, porce- laines, falences, grès, métaux usinés ou polis, etc. On a déjà proposé un certain nombre de revête- ments pour éviter ou s'opposer à de telles dégradations de surfaces Toutefois, ces revêtements présentent généralement, et entre autres, au moins l'un des inconvénients suivants adhérence insuffisante au support; résistance au rayage et/ou à l'abrasion insuffisamment élevée; perte de transparence avec le temps; perte de la dureté dans le temps; médiocre résistance au craquèlement; perte d'effi- cacité protectrice sous l'action de l'eau ou d'atmosphères humides. Par ailleurs, les solutions à partir desquelles sont réalisés ces revêtements n'ont pas une stabilité suffisante dans le temps pour permettre un stockage prolongé. Leur dégradation dans le temps est en effet au détriment des propriétés physiques des revêtements à réaliser. Or, la présente invention vise, d'une part, une composition de base convenant pour la réalisation de revêtements ou vernis et qui soit stable dans le temps pour permettre son stockage sans risques de dégradation et, d'autre part, des vernis ne présentant pas les inconvénients ci-dessus mais ayant au contraire l'ensemble des principales propriétés suivantes, à savoir: une bonne adhérence au support, une bonne résistance au rayage et/ou à l'abrasion, une bonne dureté, une bonne résistance à l'opacification dans le temps, une bonne résistance au craquèlement, une bonne résistance à l'eau, aux atmosphères humides, et une épaisseur suffisante du vernis durci. De façon particulière, l'invention vise une composition de base pour vernis du type comprenant un hydro- lysat d'organosiloxanes Ce type de composition est en effet l'un de-ceux préconisés dans la technique antérieure. A ce sujet, le Demandeur a toutefois constaté que non seule- ment la nature des composés soumis à l'hydrolyse avait de l'importance mais que les conditions mêmes de cette hydrolyse étaient d'une extrême importance et que, suivant les condi- tions choisies, les revêtements réalisés à partir des solutions en résultant pouvaient avoir des propriétés physi- ques et des comportements différents mais qu'en général ces revêtements présentaient, l'un ou l'autre, ou plusieurs des inconvénients rappelés cidessus C'est ainsi que si l'on fait varier la nature des constituants ou les conditions d'hydrolyse pour tenter d'améliorer la résistance à l'abrasion du revêtement réalisé, ce dernier se craquèle facilement et que, si l'on améliore sa résistance au craquèlement, sa résistance à l'abrasion diminue En outre, comme indiqué précédemment, les solutions d'hydrolysat obtenues se conser- vent trop peu de temps pour pouvoir être utiles pendant une durée acceptable pour une utilisation industrielle Enfin, les revêtements résultant de ces solutions d'hydrolysat montrent, au test à l'eau bouillante, soit une perte d'adhésion, soit une perte de dureté, soit une opalescence et des défauts incompatibles avec le maintien de l'aspect de l'objet à protéger ou de ses qualités optiques, en transmission ou en réflexion. Par ailleurs, la durée de durcissement de tels vernis est relativement longue Or l'invention vise aussi à réduirecette dirée de durcissement tout en ayant une adhérence acceptable. Ainsi, le Demandeur fournit une composition de base obviant aux inconvénients ci-dessus et permettant de réaliser directement sur des surfaces solides, sans recourir à une couche dite de fond, un vernis adhérent, dur et résistant aux chocs même après traitement à l'eau bouillante, cette composition présentant, par ailleurs, une longue durée de conservation, même à température ambiante. La composition de base stable selon l'invention est caractérisée par le fait qu'elle comprend, en solution, dans au moins un solvant organique pouvant ou non contenir de l'eau, de 10 à 40 % en poids d'un composé organosilicique durcissable correspondant à celui résultant d'une première réaction d'hydrolyse effectuée à une température inférieure à 50 'C en présence d'un acide carboxylique et d'eau sur au moins un composé organosiloxane par addition d'une base organique. Suivant d'autres caractéristiques: Lorsque, dans la première hydrolyse, on utilise un composé organosiloxane (B) tel que défini ci-dessus, celui- ci est utilisé dans une proportion correspondant au rapport de 1 mole du composé (A) pour O à 0,3 mole du composé (B); le composé (A) est choisi parmi les composés suivants: méthyltriméthoxysilane, méthyltriéthoxysilane, propyltriméthoxysilane, éthyltriméthoxysilane, éthyltri- éthoxysilane, propyltriéthoxysilane, phényltriméthoxysilane, phényltriéthoxysilane, vinyltriméthoxysilane, vinyltriétho- xysilane, diméthyldiméthoxysilane, diméthyldiéthoxysilane, méthyltriacétoxysilane, et analogues. Le composé (B) est choisi parmi les composés suivants: tétraméthoxysilane, tétraéthoxysilane, tétra-n- propyloxysilane, tétraméthylglycoloxysilane, tétraéthyl- glycoloxysilane, et analogues. Le composé (C) est avantageusement du y -glycidyl- oxypropyltriméthoxysilane, ou un époxysilane analogue. Le ou les solvants convenant pour les réactions d'hydrolyse sont choisis parmi les solvants du type alkanol en C 1 à C 4 pouvant ou non contenir de l'eau. L'acide carboxylique peut avantageusement être choisi parmi les acides acétique, propionique, butyrique, acrylique, et analogues. La base organique est avantageusement un imidazole, une amidine, une amidine cyclique ou bicyclique comme le N-méthylimidazole, le diazabicycloundécène (DBU) ou le diazabicyclononène (DBN) et analogues. La proportion de base organique ajoutée cor- respondant au p H final désiré se situe entre 0,5 et 5 /oo en poids. Suivant une autre caractéristique, la composition de revêtement liquide selon l'invention présente une stabi- lité d'au moins 3 mois à 150 C En outre, elle peut comprendre d'autres adjuvants pour lui conférer ou pour conférer au revêtement en résultant d'autres propriétés particulièrement recherchées, en association avec celles déjà obtenues selon l'invention, ces autres propriétés étant dues à ces adjuvants eux-mêmes. La présente invention vise également un vernis possédant l'ensemble des propriétés signalées précédemment à partir de la composition de base telle que définie ci- dessus, ce vernis étant obtenu en appliquant une couche de ladite composition liquide sur la surface à protéger puis en faisant durcir cette couche par action de la chaleur. De façon avantageuse, la composition liquide a une viscosité de 10 à 20 centipoises et elle est appliquée de manière à donner, après durcissement, un vernis renfer- mant de 2 à 50 g de matières solides par mètre carré. De façon également avantageuse, le revêtement est durci par chauffage à une température comprise entre et 200 'C pendant une durée pouvant varier entre une demi-heure et douze heures. L'invention convient particulièrement bien pour des surfaces de verre minéral, de verres organiques en matières thermoplastiques telles que le polyméthacrylate ou le polycarbonate et analogues, ou en matières thermo- durcissables telles que le polycarbonate de diallylglycol et analogues. D'autres caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre et des exemples ci-après donnés à titre pure- ment explicatif et nullement limitatif. Les tests dont il sera question dans ce qui va suivre sont définis de la façon suivante: a) Pour la rayabilité/résistance à l'abrasion 1 / Par le test d'abrasion avec un billet d'un dollar des Etats-Unis d'Amérique / Par abrasion avec la laine d'acier type 0000 3 / Par abrasion avec la gomme crayon-encre ou gomme rouge-bleue. b) Pour la dureté: Par le test aux crayons, par exemple, selon la norme française NF S 77-109 3 3 o plus le numéro H est élevé, plus la dureté du produit testé est grande c) Pour l'adhésion: Par le test au quadrillage selon la norme française NF T 30 038, avec test complémentaire d'adhérence répété cinq fois avec un ruban adhésif (du type Scotch 3 M). d) La résistance à l'eau est évaluée par une nouvelle mesure d'adhérence, de résistance à l'abrasion et de dureté, après que les objets protégés aient été plongés dans l'eau portée à une température aussi haute que possible selon la nature du substrat et pendant un temps suffisant, par exemple une demi-heure dans l'eau bouillante pour les revêtements sur polycarbonate,ou quatre heures à 70 'C pour les copolymères de méthacrylate de méthyle. f) Enfin, on mesure la durée de conservation du liquide d'enduction en déterminant la viscosité, au moyen soit d'une coupe consistométrique AFNOR de 2,5 mm ou de 4 mm en vérifiant le temps d'écoulement, soit en centipoises avec un viscosimètre Drage à mobile tournant, ou autre appareil adéquat pour mesurer une viscosité de l'ordre de quelques dizaines de centipoises. Exemple 1 On mélange dans un réacteur 487,4 g de méthyl- triméthoxysilane, 142 g de tétraéthoxysilane et 400 g de n-butanol On introduit ensuite 50 g d'acide acétique glacial, 248 g d'eau On laisse l'hydrolyse s'effectuer pendant une heure en refroidissant la solution obtenue pour que la température ne dépasse pas 50 'C Après une heure, on élimine sous vide et à froid les solvants légers tels que méthanol et éthanol, formés lors de l'hydrolyse, pour obtenir une composition ayant un extrait sec théorique de 26 % (mesuré en équivalent Si O 2 et CH 3 Si O 312). On introduit alors dans la solution: 80 g de glycidyloxypropyltriméthoxysilane, 20 g d'eau On effectue cette deuxième hydrolyse en maintenant la température stric- tement inférieure à 40 C Le p H est alors de 3,5 à 4. Après un délai de 3 à 4 jours, on introduit dans la solution entre 0,8 0/oo et 1,3 /oo de DBU (diazabicycloundécèn pour amener le p H entre 4,6 et 4,9 pour obtenir un vernis prêt à l'emploi. Ce vernis présente une bonne stabilité à la con- servation; la coupe consistométrique AFNOR de 2,5 mm passe de 38 à 50 secondes après trois mois à la température am- biante. Une lentille en polycarbonate thermoplastique est plongée dans la composition puis elle en est lentement retirée pour laisser en surface une pellicule régulière Ce revêtement est séché à l'air et ensuite durci pendant 1 heure à 120 C. Même après traitement d'une demi-heure dans l'eau bouillante les objets revêtus de ce vernis durci résistent au test du quadrillage, à la rayure et à l'eau; ainsi avant et après le test à l'eau bouillante, les surfaces vernies de cette manière résistent à la laine d'acier 0000 et au crayon 8 H. Exemple 2 On opère comme dans l'exemple 1, en remplaçant le glycidyloxypropyltriméthoxysilane par le vinyltriéthoxy- silane ( 65 g) Le vernis appliqué à une surface de polycar- bonate ne résiste pas au test du quadrillage quelles que soient la température et la durée de la cuisson. Exemple 3 Vernis plus concentré On mélange 487,4 g de méthyltriméthoxysilane, 142 g de tétraéthoxysilane, 242 g d'eau, 150 g d'acide acétique glacial et 300 g de n-butanol. On effectue l'hydrolyse en maintenant la tempé- rature inférieure à 50 C puis, après 1 heure, on élimine les solvants légers à froid sous vide. On concentre jusqu'à un extrait sec de 31,8 % soit 1768 g de solution puis on ajoute 160 g de glycidyl- oxypropyltriméthoxysilane, 40 g de H 20. Lors de cette deuxième hydrolyse, la température reste inférieure à 40 C. Après un délai de 3 jours, on ajuste le p H à 4,7 par addition de D B U Le vernis est appliqué par trempage sur une surface de polycarbonate et est durci deux heures à 120 C Apiès immersion d'une demi-heure dans l'eau bouil- lante, ce vernis durci résiste au test du quadrillage. Exemple 4 Vernis sans tétraéthoxysilane On mélange 713,2 g de méthyltriéthoxysilane, 216,25 g d'eau, 50 g d'acide acétique glacial, 200 g de n-butanol. On effectue l'hydrolyse comme précédemment. Après 1 heure, on élimine l'éthanol à froid sous vide. On concentre jusqu'à un extrait sec de 28,2 % soit 953 g de solution puis on ajoute 60 g de glycidyloxy- propyltriméthoxysilane, 13,8 g d'eau. Lors de cette deuxième hydrolyse, la température reste inférieure à 40 C. Le vernis appliqué par trempage à une surface de polycarbonate et durci une heure à 120 C, résiste au test du quadrillage même après une immersion d'une demi- heure dans l'eau bouillante La dureté et la résistance à l'abrasion du vernis n'égalent cependant pas celles du vernis de l'exemple 1. Exemple 5 Autres acides que l'acide acétique On mélange 256,35 g de méthyltriméthoxysilane, 77,3 g de tétraéthoxysilane, 100 g de n-butanol, 128,5 g d'eau, 30 g d'acide acrylique. On effectue l'hydrolyse et l'élimination des solvants légers comme dans les exemples précédents. On concentre jusqu'à un extrait sec tléoricue de 28 %, puis on ajoute: 40 g de glycidyloxypropyltri- méthoxysilane, 10 g d'eau. Au bout de 4 jours, on ajuste le p H à 4,8 par addition de D B U L'adhérence de ce vernis est moins bonne que lorsqu'on utilise de l'acide acétique Le vernis appliqué par trempage à une surface de polycarbonate, durci deux heures à 120 'C, ne résiste pas au test du quadrillage quand la surface vernie a été immergée une demi-heure dans l'eau bouillante. Exemple 6 On opère comme précédemment, en remplaçant l'acide acrylique par 30,8 g d'acide propionique. L'adhérence de ce vernis comme celle du vernis décrit à l'exemple 5 est inférieure à celle du vernis obtenu en utilisant l'acide acétique selon le test décrit à l'exemple 5 Il ne résiste pas au test du quadrillage après 2 heures de cuisson à 120 'C et passage à l'eau bouillante. Exemple 7 On opère comme dans l'exemple 1, en remplaçant l'acide acétique glacial par l'acide chlorhydrique ( 0,1 g). Le vernis ne résiste pas au test du quadrillage après trai- tement de 30 minutes dans l'eau bouillante même après une cuisson de 4 heures à 120 'C. Exemple 8 On opère comme dans l'exemple 1, en éliminant les solvants légers par chauffage à 600 C à pression atmos- phérique pour obtenir une composition ayant un extrait sec théorique de 26 %. Ce vernis appliqué par trempage sur une surface de polycarbonate, durci une heure à 1200 C, puis immergé dans l'eau bouillante pendant une demiheure, ne résiste pas au test du quadrillage Pousser la durée du durcisse- ment à 4 heures à 120 'C ou relever la température à 125 WC n'améliore pas les résultats du test au quadrillage après le traitement à l'eau bouillante pendant une demi-heure. Par ailleurs, la durée de vie en pot (pot life) de ce vernis est inférieure à celle du vernis préparé selon l'exemple 1. Exemple 9 On opère comme dans l'exemple 1, en ajoutant le glycidyloxypropyltriméthoxysilane et l'eau de la deuxième hydrolyse avant l'évaporation des solvants légers. Ce vernis est appliqué par trempage à une surface de polycarbonate Il est durci quatre heures à 120 C. Apres immersion d'une demi-heure de ce vernis durci dans l'eau bouillante, ce vernis ne résiste pas au test du quadrillage. Exemple 10 On mélange dans un réacteur 425,6 g de méthyl- triméthoxysilane, 142 g de tétraéthoxysilane, 400 g de n- butanol. On introduit ensuite 50 g d'acide acétique glacial, 218 g d'eau On effectue l'hydrolyse en refroi- dissant la solution pour maintenir une température infé- rieure à 50 C pendant une heure. Apres une heure, on évapore sous vide et à froid le méthanol et l'éthanol, formés lors de l'hydrolyse, pour obtenir une composition ayant un extrait sec théorique de 26 % (mesuré en équivalent Si O 2 et CH 3 Si O 3/2). On introduit alors dans la solution 172,8 g de vinyltriéthoxysilane, 80 g de glycidyloxypropyltriméthoxy- silane, 69 g d'eau. On effectue cette deuxième hydrolyse en mainte- nant la température strictement inférieure à 40 C. Après 4 jours, on ajuste le p H à environ 4,8 par addition de D B U On obtient un vernis prêt à l'emploi. Une surface de polycarbonate revêtue par trempage dans ce vernis durci ensuite nar cuisson de 1 heure à 120 C résiste au test du quadrillage avant et après immersion d'une demi- heure dans l'eau bouillante. Exemple 11 Essais avec d'autres bases que le DBU On mélange 487,4 g de méthyltriméthoxysilane, 142 g de tétraéthoxysilane, 240 g d'eau, 50 g d'acide acétique glacial, 400 g de n-butanol. On effectue l'hydrolyse en maintenant la tempé- rature inférieure à 50 C Après une heure, on élimine les solvants légers à froid sous vide. On concentre jusqu'à un extrait sec théorique 4 e 27 % puis on ajoute 80 g de glycidyloxypropyltriméthoxy- silane, 20 g d'eau. Cette deuxième hydrolyse se fait à une tempéra- ture inférieure à 40 WC. Au bout de 3 jours, on ajuste le p Iî à environ 4,8 par addition de diazabicyclononène (D B N). Une surface de polycarbonate revêtue par trempage dans ce vernis durci ensuite trois heures à 1200 C, résiste au test du quadrillage avant et après immersion dans l'eau bouillante pendant une demi-heure. Exemple 12 On opère comme dans l'exemple précédent, en remplaçant le D B N par le Nméthylimidazole pour ajuster le p H à 4,8. Une surface de polycarbonate revêtue par trempage dans ce vernis durci ensuite trois heures à 1300 C résiste au test du quadrillage avant et après immersion dans l'eau bouillante pendant une demi-heure. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limi- tatif et que toute modification utile pourra y être appor- tée sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Composition liquide de base stable convenant pour la réalisation de revêtements ou vernis, caractérisée par le fait qu'elle comprend, en solution dans au moins un solvant organique pouvant ou non contenir de l'eau, de 10 à 40 % en poids d'un composé organosilicique durcissable correspondant à celui résultant d'une première réaction d'hydrolyse effectuée à une température inférieure à 50 C en présence d'un acide carboxylique et d'eau sur au moins un composé organosiloxane (A) de formule R' Si(OR)4 n n (R 4-n (dans laquelle N = 1 ou 2, R représente un radical alcoyle de 1 à 4 atomes de carbone ou alcoyloxyalcoyle et R' repré- sente un radical alcoyle, alcoylène, aryle, aralcoyle, alcoylaryle, alcoylènearyle), en association ou non avec au moins un composé organosiloxane (B) de formule Si(OR")4 (o R" représente un radical alcoyle ou alcoyloxyalcoyle), réaction d'hydrolyse suivie d'une période de repos de quel- ques heures, élimination sous pression réduite et à froid des solvants légers formés au cours de cette première hydro- lyse et une seconde hydrolyse effectuée à une température inférieure à 40 C, sur ce premier hydrolysat concentré puis redilué avec un solvant moins volatil tel qu'un alcanol en C 1 à C 4, additionné d'au moins un composé organosiloxane (C) de formule R'''Si(OR 1)3 (o R''' représente un radical époxyalcoyle ou époxyalcoyloxyalcoyle et R 1 représente un radical alcoyle en C 1 à C 4), seconde réaction suivie d'une période de repos de quelques jours puis du réglage du p H du milieu résultant entre 3,5 et 5,5 par addition d'une base organique. 2 Composition selon la revendication 1, carac- térisée par le fait que la proportion de l'organosiloxane (B) correspond à un rapport de 1 mole du composé (A) pour 0 à 0,3 mole de (B). 3 Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le composé (A) peut être choisi parmi les composés suivants: méthyltriméthoxysilane, méthyltriéthoxysilane, propyltriméthoxysilane, éthyltriméthoxysilane, éthyltri- éthoxysilane, propyltriéthoxysilane, phényltriméthoxysilane, phényltriéthoxysilane, vinyltriméthoxysilane, vinyltriéthoxy- silane, diméthyldiméthoxysilane, diméthyldiéthoxysilane, méthyltriacétoxysilane, et analogues. 4 Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le composé (B) peut être choisi parmi les composés suivants: tétraméthoxy- silane, tétraéthoxysilane, tétra-n-propyloxysilane, tétra- méthylglycoloxysilane, tétraéthylglycoloxysilane et analo- gues, et que le composé (C) est avantageusement du r-glycidyl- oxypropyltriméthoxysilane ou un époxysilane analogue. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le ou les solvants convenant pour les réactions d'hydrolyse sont choisis parmi les solvants du type alcanol en C 1 à C 4 pou- vant ou non contenir de l'eau. 6 Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que l'acide carboxylique est choisi parmi les acides acétique, propio- nique, butyrique, acrylique et analogues. 7 Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la base organique est avantageusement un imidazole, une amidine, une amidine cyclique ou bicyclique comme le N-méthylimi- dazole, le diazabicycloundécène (DBU) ou le diazabicyclo- nonène (DBN) et analogues. 8 Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la pro- portion de base organique ajoutée correspondant au p H final désiré se situe entre 0,5 et 5 /oo en poids. 9 Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait qu'elle présente une stabilité d'au moins 3 mois à 150 C. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait qu'elle comprend des adjuvants pouvant lui conférer ou conférer aux revêtements en résultant des propriétés particulières à de tels adjuvants. 11 Vernis obtenu à partir de la composition de base selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par l'association des principales propriétés suivantes: bonne adhérence au support, bonne résistance au rayage et/ou à l'abrasion, bonne dureté, bonne résis- tance à l'opacification dans le temps, bonne résistance au craquèlement et bonne résistance à l'eau et aux atmos- phères humides. 12 Procédé de fabrication du vernis selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'il consiste à préparer une composition de base telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 présentant une viscosité comprise entre 10 et 20 centipoises, à appliquer une telle composition sur un support par immersion, enduc- tion, pulvérisation, application centrifuge, coulée et analoaoes, de manière à obtenir un vernis renfermant de 2 à 50 g de matière solide par m 2 de surface revêtue et à soumettre ledit dépôt de la composition à un traitement thermique pour en assurer le durcissement. 13 Procédé selon la revendication 12, carac- térisé par le fait que le revêtement est durci par chauf- fage à une température comprise entre 50 et 2000 C, pendant une durée pouvant varier entre une demi-heure et 12 heures. 14 Application de la composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 pour revêtir des surfaces en verre minéral, en verres organiques en matières thermoplastiquescomme le polyméthacrylate ou le polycar- bonate, ou en matières thermodurcissables comme le poly- carbonate de diallylglycol et autres matériaux analogues.