Brevet FR2528858A1 — publié le 19831223

La présente invention concerne une composition de résine résistant à la chaleur et possédant une température élevée de déformation thermique et une température élevée de décomposition thermique- Un copolymère (SMA) d'un monomère vinylique aromatique avec l'anhy- dride maléique possède une température élevée de déformation thermique et une bonne compatibilité avec d'autres résines thermoplastiques,telles qu'un copoly- mère styrène/acrylonitrile (résine AS) et il est utile pour la préparation d'une composition de résine résistant à la chaleur. Toutefois le SMA est peu intéressant en ce qui concerne sa stabilité à température élevée et il présente des inconvénients tels que lorsqu'on le chauffe à une température égale ou supérieure à 2300 C, il a tendance à mousser ou B subir une réduction du poids et il est susceptible de subir une réticula- tionce qui détériore considérablement l'aptitude au traitement de moulage de la composition résineuse contenant du SMA On a tenté d'améliorer la stabilité à température élevée du SMA en incorporant divers a dditifs tels que des anti- oxydants, mais on n'a obtenu aucun résultat satisfaisant La Demanderesse a poursuivi des recherches poussées pour tenter de surmonter les inconvénients indiqués et fournir une composition résineuse résistant à -la chaleur et con- tenant un copolymère obtenu à partir d'un monomère vinylique aromatique et d'un dérivé d'acide maléique et possédant une stabilité aux températures éle- vées et une température élevée de déformation thermique C'est ainsi que la présente invention é été réalisée. Plus précisément, on a atteint l'objectif susmentionné conformément à l'invention en réalisant une composition de résine résistant à la chaleur et comprenant, en poids, de 10 à 90 % d'un copolymère A et de 90 à 10 % d'un copolymère B, dans laquelle le copolymère A est composé d'un reste de-monomère maléimide N-aromatique, d'un reste de monomère maléimide, d'un reste de mono- mère vinylique aromatique et, facultativement, d'un reste d'un autre monomère vinylique, la teneur totale en reste de monomère maléimide Naromatique et en reste de monomère maléimide étant de 10 à 45 %, la teneur en reste de monomère 3 a maléimide N-aromatique étant plus élevée que la teneur en restede monomère maléimide, la teneur en reste de monomère vinylique aromatique étant de 90 à % et la teneur en reste dudit autre monomère vinylique étant de O à 20 % et le copolymère B est composé d'un reste de monomère cyanure et vinyle, d'un reste de monomère vinylique aromatique et, facultativement, d'un reste d'un autre monomère vinylique, la teneur en reste du monomère cyanure de vinyle étant de 20 à 55 %, la teneur en reste de monomère vinylique aromatique étant de 80 à 45 % et la teneur en reste dudit autre monomère vinylique étant de O à 20 %. Dans la présente invention la teneur en reste de chaque monomère est représentée par le pourcentage du nombre de motifs du reste de monomère par rapport au nombre total de motifs des divers restes de monomères contenus dans le copolymère en question. On va maintenant décrire l'invention en détail avec référence aux modes de réalisation préférés. En ce qui concerne le composé vinylique aromatique à utiliser, le styrène est le plus courant mais on peut employer d'autres composés tels que 1 Wméthylstyrène, le p-méthylstyrène, le t-butylstyrène, un halogénure de styrène ou un mélange de ceux-ci Pour ce qui est du composé cyanure de vinyle, on emploie habituellement l'acrylonitrile, le méthacrylonitrile ou un mélange de ceux-ci. On peut obtenirle maléimide N-aromatique en condensant une amine aromatique primaire avec l'acide fumarique, l'acide maléique, l'anhydride de l'acide maléique ou un autre dérivé d'acide maléique Pour ce qui est de l'a- mine aromatique primaire, on peut utiliser l'aniline ou un dérivé d'aniline dont le noyau benzénique porte comme substituant un radical alkyle, un atome d'halogène ou un groupe nitro, comme par exemple la toluidine ou la nitroaniline. On peut aussi employer la phénylènediamine ou l'o ser ces amines isolément ou en combinaison sous forme d'un mélange de deux ou plusieurs types différents On peut obtenir le maléimide en condensant un dérivé d'acide maléique tel que l'anhydride d'acide maléique avec de l'ammo- niac On peut préparer le copolymère A en copolymérisant un maléimide N- aromatique avec d'autres monomères Cependant comme on le verra plus loin, on préfère utiliser un procédé selon lequel on fait réagir un copolymère d'anhy- dride d'acide maléique avec l'amine précitée et l'ammoniac au cours du stade de polymérisation ou en un stade séparé pour le convertir en un imide, puis- que ce procédé est simple et que les monomères nécessaires sont facilement disponibles. La teneur en maléimide N-aromatique dans le copolymère A doit être plus élevée que la teneur en maléimide S'il en était autement, la compatibi- lité du copolymère A avec le copolymère B serait médiocred'o des propriétés physiques inférieures de la composition de résine ainsi obtenue Dans l'inter- valle mentionné ci-dessus, plus la teneur en reste maléimide est élevée, plus élevée sera la température de déformation thermique. La teneur totale en reste maléimide N-aromatique et en reste maléimide dans le copolymère A doit être de 10 à 45 % Si ce total dépasse 45 %, l'apti- tude à l'écoulement tend à diminuer et l'opération de moulage devient difficile. D'autre part, si le total est inférieur à 10 %, on n'obtient aucune améliora- tion adéquate de la température de déformation thermique. Par ailleurs, la teneur en restede monomère vinylique aromatique doit être de 90 à 55 % Si cette teneur augmente, l'aptitude à l'écoulement est améliorée mais on observe une baisse de la température de déformation. On peut remplacer une partie dureste de monomère vinylique aromatique par un autre monomère, par exemple un monomère cyanure de vinyle tel que l'acrylonitrile ou le méthacrylonotrile, un ester d'acide acrylique ou métha- crylique tel que 1 'acrylate de méthyle ou le méthacrylate de méthyle, ou un dérivé d'acide maléique ou d'acide fumarique tel que l'anhydride maléique, le maléate de diméthyle ou le fumarate de diméthyle, selon la cas Quand il en est ainsi, la teneur totale de l'autre monomère de remplacement ne doit pas dépasser 20 % En cas de dépassement de cette valeur, la compatibilité avec les autres résines du type styrène est susceptible de baisser. On peut obtenir une compatibilité adéquate avec le copolymère A si la teneur en reste de monomère cyanure de vinyle dans le copolymère B est de à 55 %, le complément étant le reste de monomère vinylique aromatique. Une partie du reste de monomère vinylique aromatique peut avantageuse- ment être remplacée par un autre monomère vinylique, tel qu'un ester d'acide acrylique ou méthacrylique, selon le cas Quand il en est ainsi la teneur en reste de l'autre monomère vinylique ne doit pas dépasser normalement 20 % de sorte qu'aucun effet fâcheux n'affectera compatibilité avec les autres résines. La composition selon l'invention possède des caractéristiques supé- rieures de résistance à la chaleur, de stabilité aux températures élevées, de résistance aux solvants et d'écoulement pendant l'opération de moulage En outre, la composition selon l'invention possède une bonne compatibilité avec une résine ABS, une résine MBS, une résine AES, une résine ACS ou une résine AAS, et on peut donc améliorer la résistance au choc en incorporant de telles résines Dans un tel cas, il est facile de porter la température de déforma- 2528 & 58 tion thermique (point de ramollissement Vicat) à au moins 1150 C Par ailleurs, on peut incorporer une matière de renforcement ou charge telle que des fibres de verre, des fibres de carbone, du talc, du carbonate de calcium ou d'autres additifs. On va maintenant décrire le procédé selon l'invention On effectue d'abord la polymérisation en masse par addition continue d'anhydride d'acide maléique en présence du monomère vinylique aromatique La proportion d'anhydri- de d'acide maléique (monomère) qu'on doit ajouter est, de préférence, de 10 à 45 % en moles La température de polymérisation est, de préférence, de 90 à 1300 C et aucun activant de polymérisation n'est nécessaire La conversion au cours-de ce stade est d'au moins 10 % en poids et on peut l'augmenter dans la mesure o le permet la force d'entraînement d'agitation de l'appareil de polymérisation On détermine la durée de polymérisation selon la conversion, la température de polymérisation et la concentration de l'anhydride d'acide maléique et cette durée est normalement de 1 à 10 heures Après l'interruption de l'addition continue d'anhydride d'acide maléique, ce dernier est rapidement consommé dans le mélange de monomères de sorte que le mélange devient une sorte de sirop composé essentiellement du copolymère et du monomère vinylique aromatique On peut remplacer une partie du composé vinylique aromatique initia- lement présent par un ester d'acide acrylique, un ester d'acide méthacrylique ou un composé de cyanure de vinyle. A ce sirop on ajoute un monomère cyanure de vinyle et on mélange uni- formément On règle l'addition de manière à porter la teneur en reste de mono- mère cyanure de vinyle dans le copolymère formé par la réaction avec le composé vinylique aromatique restant à une valeur de 20 à 55 %. On met ce sirop en suspension dans l'eau et on copolymérise le mono- mère vinylique aromatique et le monomère cyanure de vinyle par polymérisation en suspension On peut utiliser un initiateur classique de polymérisation, tel queltazobisisobutyronitrile ou le peroxyde de benzoyle De même l'agent de mise en suspension peut être d'un type classique tel que l'alcool polyvinylique, le polyacrylamide ou le sulfate de baryum La température de polymérisation est en général de 60 à 160 WC et la durée de polymérisation est déterminée selon la température et selon le type et la quantité de l'initiateur mais elle est en général de 1 à 10 heures Pour maintenir la teneur en reste de monomère cyanure de vinyle dans le copolymère résultant à une valeur constante, on peut ajouter du monomère vinylique aromatique ou du monomère cyanure de vinyle de façon continue ou par intermittences D'autre part, pour réduire la quantité du copolymère résultant ou pour réduire la quantité de monomères restant dans le copolymère, on peut procéder à une séparation pour récupérer lesdits mono- mères. On ajoute ensuite à ce mélange en suspension, une amine aromatique et de l'ammoniac pour convertir le reste d'anhydride maléique du copolymère en son imide Le nombre total de moles d'amine aromatique et d'ammoniac ajoutés est, de préférence, égal à 0,8 1,5 fois le nombre de moles d'anhydri- de maléique utilisé Le nombre de moles d'amine aronntique doit être plus grand que le nombre de moles d'ammoniac Si le nombre de moles d'amine ajoutée dépasse 1,5 fois le nombre de moles d'anhydride maléique, une partie d'amine n'ayant pas réagi restera dans la composition obtenue et si ce nombre est inférieur à 0,8 fois le nombre de moles de l'anhydride, la conversion en imide sera non adéquate,equi estindésirable La température de réaction pour la conversion en imide est avantageusement de 120 à 1600 C et la durée de la réaction est avantageusement de 0,5 à 3 heures On peut ajouter l'ammoniac sous forme gazeuse ou d'une solution aqueuse(c'est à-dire d'ammoniaque aqueuse). On peut ainsi obtenir une composition de résine résistant à la cha- leur sous forme de particules (perles) dans laquelle le copolymère A et le copolymère B sont mélangés de façon uniforme Selon le procédé de l'invention, il est inutile d'employer le maléimide N-aromatique et lemaléimide qui sont coûteux et qu'on ne peut pas préparer par une production de masse, et il est inutile de pétrir mécaniquement le copolymère A et le copolymère B,étant don- né que le produit est obtenu sous une forme dans laquelle les copolymères sont déjà mélangés de façon uniforme L'intérêt industriel de ce procédé est enorme. On va maintenant décrire l'invention plus en détail en se référant aux Exemples On mesure diverses propriétés physiques des compositions par les méthodes suivantes Résistance à la traction et résistance au choc Izod: JIS K-6871 Résistance à la chaleur (point de ramollissement Vicat):JIS K-6870 Stabilité aux températures élevées:,On conserve un échantillon dans un four à 2700 C pendant 1 heure, et on mesure la présence ou l'absence du moussage et de la réduction de poids. EXEMPLE 1 Dans un autoclave de 20 litres, on introduit 5710 g de styrène et 189 g d'anhydride maléique et on élève la température à 1000 C sous agitation en atmosphère d'azote Tout en ajoutant continuellement à ce mélange de l'anhy- dride maléique liquide en une quantité totale de 1143 g avec maintien à une température de 700 C et à un débit indiqué dans le tableau I ci-après, on effectue la polymérisation en masse à 1100 C pendant 220 minutes A l'achève- ment de l'addition continue, la conversion est de 55 % en poids et la teneur en reste d'anhydride maléique dans le ropolymère résultant est de 33 % On ajoute 1200 g d'acrylonitrile en 20 minutes tout en abaissant la température du mélange à 950 C et on poursuit l'agitation pendant 10 minutes supplémentaires à cette température A ce stade, la concentration en anhydride maléique dans les monomères ne dépasse pas 0,1 %. Au système obtenu, on ajoute 3 g d'un agent de mise en suspension du type alcool polyvinylique, 3 g d'un agent de mise en suspension du type ester d'acide polyacrylique et 6500 g d'eau contenant 30 g de sulfate de sodium pour amener le mélange à l'état de suspension A cette suspension, on ajoute 4 g d'azobisisobutyronitrile et on effectue la polymérisation à 800 C pendant minutes On élève la température à 1500 C en 60 minutes et on effectue la séparation à cette température pendant 60 minutes On ajoute ensuite 1140 g d'aniline et 116 g d'une solution aqueuse à 30 % d'ammoniac et on poursuit la réaction pour réaliser la conversion en imide à une température de 1550 C pendant 120 minutes On lave le polymère obtenu sous forme de perles avec de l'eau et on sèche. On analyse les perles et on trouve qu'elles sont constituées par un mélange comprenant 58 % en poids d'un copolymère A composé de 30 % de reste de N-phénylmaléimide, de 3 % de reste de maléimide et de 67 % de reste en styrène et 42 % en poids d'un copolymère B composé de 40 % de reste d'acry- lonitrile et de 60 % de reste de styrène. On pastille les perles à l'aide d'une extrudeuse de 25 mm munie d'un évent, puis on forme des éprouvettes à partir du produit obtenu, dans une machine de moulage par injection de 28 g On détermine diverses propriétés physiques des éprouvettes et les résultats sont répertoriés dans le tableau II. TABLEAU I Débit d'admission d'anhydride maléique EXEMPLE 2 On prépare des perles de la même façon que dans l'Exemple 1 sauf qu'on utilise 885 g d'aniline et 270 g d'ammoniac aqueux à 30 %. On trouve que les perles sont constituéespar un mélange comprenant 57 % en poids d'un copolymère A composé de 23 % de reste de N-phénylmaléimide, de 10 % de reste de maléimide et de 67 % de reste de styrène, et 43 % en poids d'un copolymère B composé de 40 % de reste d'acrylonitrile et de 60 % de reste l: J yrène Les propriétés physiques apparaissent dans le Tableau II. EXEMPLE 3 On mélange 64 parties en poids des pastilles de l'Exemple 2 avec 36 parties en poids d'une résine ABS (reste de styrène: 49 %, reste d'acrylo- nitrile: 17 % et reste de butadiène: 34 %, en poids) préparée par poly- mérisation en émulsion et on forme des pastilles avec le mélange pour obtenir des éprouvettes On détermine diverses propriétés physiques des éprouvettes. Les résultats obtenus apparaissent dans le Tableau II. EXEMPLE COMPARATIF 1 On prépare des perles comme dans l'Exemple 1 sauf qu'on n'ajoute ni aniline ni ammoniac. On constate que les perles sont constituées par un mélange comprenant, en poids, 53 % de SMA composé de 33 % de reste d'anhydride maléique et de 67 % de reste de styrène, et 47 % d'un copolymère B composé de 40 % de reste d'acrylonitrile et de 60 % de reste de styrène Les propriétés physiques sont indiquées dans le Tableau II. Temps (minutes) Débit d'admission (g/minute) Quantité totale (g) 0 7,0 O 5,9 388 5,0 715 4,2 992 220 3,8 1 143 EXEMPLE COMPARATIF 2 On prépare des perles de la même façon que dans l'exemple 1 sauf qu'on utilise 506 g d'aniline et 500 g d'ammoniac aqueux à 30 %. On constate que les perles sont constituées par un mélange comprenant, en poids 55 % d'un copolymère composé de 13 % de reste de N-phénylmaléimide, de 20 % de reste de maléimide et de 67 % de reste de styrène, ainsi que 45 % d'un copolymère E composé de 40 % de reste d'acrylonitrile et de 60 % de reste de styrène Les propriétés physiques apparaissent dans le Tableau II Alors que les éprouvettes des Exemples 1 et 2 sont transparentes, les éprouvettes de cet exemple comparatif sont opaques, ce qui indique que la compatibilité entre les copolymères A et B est détruite. EXEMPLE COMPARATIF 3 On détermine diverses propriétés d'une résine AS du commerce ("SAN-C"' fabriquée par Mitsubishi Monsanto Chemical Company) et les résultats apparaissent dans le Tableau II. EXEMPLE COMPARATIF 4 On mélange 46 parties en poids de la résine AS utilisée dans l'Exem- ple comparatif 3 avec 36 parties en poids de résine ABS utilisée dans l'Exem- ple 3 et on pastille le mélange, puis on forme des éprouvettes On détermine diverses propriétés physiques des éprouvettes et les résultats apparaissent dans le Tableau II. EXEMPLE COMPARATIF 5 - 5 On prépare une composition en opérant de la même facon que dans l'Exemple 1 sauf qu'on utilise 1260 g d'aniline et O g d'ammoniac aqueux à %. On trouve que cette composition est unmélange comprenant, en poids, 58 % d'un copolymère composé de 31 % de reste de N-phénylmaléimide, de 2 % de reste d'anhydride maléique et de 67 % de reste de styrène, et 42 % d'un copolymère comprenant 40 % de reste d'acrylonitrile et 60 % de reste de sty- rène Les propriétés physiques des éprouvettes de cet exemple comparatif apparaissent dans le Tableau II Dans le cas o il y a absence de reste de maléimide, le pointde ramollissement Vicat diminue d'environ 10 C par rap- port à la valeur trouvée quand ce reste de malélmide est présent. EXEMPLE COMPARATIF 6 On obtient une composition comme dans l'Exemple 1 sauf qu'on supprime l'aniline et utilise 770 g de solution aqueuse à 30 % d'ammoniac. On trouve que cette composition est un mélange comprenant 53 % en poids d'un copolymère A composé de 29 % de reste de maléimide, de 4 % de reste d'anhydride maléique et 67 % de reste de styrène, et 47 % en poids d'un copo- lymère B comprenant 40 % de reste d'acrylonitrile et 60 % de reste de styrène. Les éprouvettes contenant le reste de N-phénylmaléimide sont opaques et fragiles et la compatibilité entre les copolymères A et B est donc entière- ment détruite. ment détruite. TABLEAU II Exemples comparatifs Exemples Résis 4 ance à la traction kg/cm (soit 10 -Pa) 680 680 500 670 610 720 470 700 Résistance au choc Izod (kg cm/cm) 1,4 1,4 14,0 1,3 0,9 1,8 15,0 1,5 Point de ramollissement Vicat ( C) 133 137 123 131 136 100 98 125 Stabilité à haute température Moussage Non Non Non Oui Non Non Non Non Réduction de poids 0,9 0,9 1,0 3,8 0,9 0,9 1,0 1,0 (% en poids) REVENDICATIONS 1 Composition de résine résistant à la chaleur, caractérisée en ce qu'elle comprend, en poids,de 10 à 90 % d'un copolymère A etde 90 à 10 % d'un copolymère B, o ledit copolymère A est composé d'un reste de monomère maléimide N-aromatique,d'un reste de monomère maléimide, d'un reste de monomère vinyli- que aromatique et, facultativement, d'un reste d'un autre monomère vinylique, la teneur totale en reste de nmonomère maléimide N-aromatique et en reste de monomère maléimide étant de 10 à 45 %, la teneur en reste de monomère maléimi- de N-aromatique étant plus grande que la teneur en reste de monomère maléimide, la teneur en reste de monomère vinylique aromatique étant de 90 à 55 % et la teneur en reste dudit autre monomère vinylique étant de O à 20 %; et o le copolymère'B est composé d'un reste de monomère cyanure de vinyle, d'un reste de monomère vinylique aromatique et, facultativement, d'un reste d'un autre monomère vinylique, la teneur en reste de monomère cyanure de vinyle étant de 20 à 55 %, la teneur en reste de monomère vinylique aromatique étant de 80 à 45 % et la teneur en reste dudit autre monomère vinylique étant de O à 20 %. 2 Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le reste de monomère vinylique aromatique est un reste dérivé d'un composé vinyli- que aromatique choisi dans le groupe comprenant le styrène, l' méthylstyrènele P méthylstyrène, le t-butylstyrène, un halogénure de styrène et un mélange de ceux-ci. 3 Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le reste de monomère cyanure de vinyle est un reste provenant d'un composé de cyanure de vinyle choisi dans le groupe comprenant l'acrylonitrile, le métha- crylonitrile et un mélange de ceux-ci. 4 Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le reste de maléimide N-aromatique est un reste d'un maléimide N-aromatique obtenu par condensation d'une amine aromatique primaire avec l'acide fumari- qui, l'acide maléique, l'anhydride de l'acide maléique ou un autre dérivé de l'acide maléique. 5 Composition selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'a- mine aromatique primaire est choisi dans le groupe comprenant l'aniline, la toluidine, la nitro-aniline, la phénylènediamine et l'd-naphtylamine. 6 Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le reste de monomère maléimide est un reste provenant d'un maléimide obtenu par il condensation d'ammoniac avec l'anhydride d'acide maléique. 7 Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le reste dudit autre monomère vinylique est un reste provenant d'un monomère choisi dans le groupe comprenant l'acrylonitrile, le méthacrylonitrile, l'acrylate de méthyle, le méthacrylate de méthyle, l'anhydride d'acide maléi- que, le maléate de diméthyle et le fumarate de diméthyle. 8 Procédé de préparation d'une composition de résine résistant à la chaleur, caractérisé en ce qu'il consiste à polymériser en masse un monomère vinylique aromatique avec 10 à 45 % en moles d'un monomère anhydride d'acide maléique pour obtenir un sirop essentiellement composé d'un premier copoly- mère et d'un monomère vinylique aromatique n'ayant pas réagi; à ajouter à ce sirop un monomère cyanure de vinyle en une proportion telle que la teneur du reste de monomère cyanure de vinyle dans un second copolymère devant être formé par sa réaction avec le monomère vinylique aromatique n'ayant pas réagi soit de 20 à 55 %; à soumettre le mélange à une polymérisation en suspension pour polymériser le monomère vinylique aromatique n'ayant pas réagi avec le monomère cyanure de vinyle pour former le second copolymère; à ajouter une amine aromatique et de l'ammoniac au mélange en suspension en une quantité molaire totale de 0,8 à 1,5 fois la quantité molaire d'anhydride d'acide maléique afin de convertir le reste d'anhydride d'acide maléique du premier copolymère en son imide. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la quantité molaire de l'amine aromatique est supérieure à la quantité molaire d'ammoniac. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on effec- tue la polymérisation en masse à une température de 90 à 1300 C pendant 1 à heures. 11 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on effec- tue la polymérisation en suspension à une température de 60 à 1600 C pendant 1 à 10 heures. 12 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on effec- tue la réaction pour convertir le reste d'anhydride maléique en son imide à une température de 120 à 1600 C pendant 0,5 à 3 heures.