Brevet FR2528437A1 — publié le 19831216

La présente invention concerne la polymérisation de l'acrylamide en solution aqueuse, plus précisément un procédé de préparation de polymères d'acrylamide, qui se caractérise- par un inducteur de polymérisation spécifique employé dans ce procédé. Des polymères hydrosolubles comprenant de l'acrylamide comme constituant principal sont très largement e mployés comme coagulants, agents de viscosité etc, mais depuis quelques années il existe une demande particulière pour ceux ayant une masse moléculaire assez élevée. Ces polymères d'acrylamide sont ordinairement obtenus par polymérisation en solution aqueuse de l'acrylamide ou d'un mélange de monomères comprenant de l'acrylamide comme consti- tuant principal, et les inducteurs qui sont employés dans ces polymérisations sont le plus souvent des composés azoiques, des peroxydes ou des inducteurs rédox comprenant des peroxydes et des réducteurs Comme autres exemples, on a aussi proposé des combinaisons d'inducteurs azoiques et d'inducteurs rédox. En général, on peut obtenir un polymère d'acrylamide à haute masse moléculaire par une polymérisation en solution aqueuse à une température basse et avec une quantité d'in- ducteur réduite Dans ce type de polymérisation o le poly- mère est obtenu sous la forme d'une masse aqueuse ayant une trop forte viscosité, ou à l'état de gel, il est nécessaire d'induire la polymérisation à la température la plus basse possible du fait qu'il est difficile d'évacuer par agitation la chaleur que produit la polymérisation, c'est-à-dire que, comme la température s'élève inévitablement dès que la poly- mérisation a commencé, celle-ci doit être déclenchée à une température basse afin d'éviter un abaissement de la masse moléculaire du produit polymère, abaissement qui serait du à une température de polymérisation élevée, et pour rendre possible l'induction de la'polymérisation à une basse tempé- rature, on utilise des inducteurs rédox. Par ailleurs, et comme on l'a déjà dit, on connait des composés azoiques hydrosolubles comme inducteurs pour polymériser l'acrylamide en solution aqueuse, composés azoiques qui donnent généralement des polymères à haute masse moléculaire et avec peu de ramifications, et qui semblent donc pouvoir convenir pour préparer des polymères d'acryla- mide à très haute masse moléculaire Cependant, la plupart des composés azoiques que l'on trouve dans le commerce comme inducteurs, quand ils sont employés aux concentrations ordi- naires, ne peuvent se décomposer à des températures basses pour former suffisamment de radicaux pour induire la poly- mérisation, et ils ne peuvent donc être utilisés dans le cas o celle-ci doit être déclenchée à basse température, comme dans la préparation de polymères d'acrylamide à très haute masse moléculaire. On peut résoudre ce problème des inducteurs azoiques en les employant associés avec des inducteurs rédox Plus précisément, dans la préparation de polymères d'acrylamide à très haute masse moléculairecomme on Ma dit plus haut, la polymérisation qui a été amorcée par un inducteur rédox à une température basse, se poursuit ensuite jusqu'à ce que soit atteinte la température de décomposition d'un composé azoique employé conjointement avec le premier inducteur, et à partir de ce moment la polymérisation reprend par le composé azoique, ce qui permet de bénéficier des avantages de cet inducteur indiqués ci-dessus. On peut dire que cette méthode, dans laquelle la polymérisation est conduite à une température basse et à une température élevée, séparément, en présence d'inducteurs convenant respectivement pour les deux domaines de tempé- rature, se montre préférable du point de vue des caracté- ristiques du procédé de préparation de polymères d'acrylamide à très haute masse moléculaire, dans lequel la température de polymérisation s'élève inévitablement du fait que l'on ne peut agiter. Néanmoins, cette méthode s'est avérée soulever encore divers problèmes qui n'encouragent pas sa mise en oeuvre à une échelle industrielle, par exemple une période-d'induction prolongée ou une vitesse de polymérisation trop faible, suivant les catégories des inducteursrédox et des composés azoiques qui sont employés en association. La présente invention permet de résoudre ces problèmes grâce à un procédé dans lequel on utilise un inducteur rédox spécifique et un composé azoique spécifique, qui produisent un effet de synergie maximal. Ainsi, la caractéristique essentielle du présent procédé de préparation de polymères d'acrylamide est l'emploi d'un inducteur de polymérisation comprenant une association d'un persulfate, de formaldéhyde sulfoxylate sodique et de 2,2 '-azo-bis-2-amidinopropane dans la polymérisation en milieu aqueux de l'acrylamide ou d'un mélange de monomères dont l'acrylamide est le constituant prédonimant. Cette association d'inducteurs est déterminante,comme il sera montré dans les exemples comparatifs ci-après, et elle permet d'obtenir les avantages indiqués dans les exemples qui seront donnés plus loin. 1 Inducteur de polymérisation. L'inducteur selon cette invention comprend une association d'un persulfate, de formaldéhyde sulfoxylate so- dique et de 2,2 '-azo-bis-2-amidinopropane, l'expression "comprend une association" devant être entendueici comme signifiant qu'en plus des trois constituants essentiels mentionnés, on peut aussi ajouter d'autres constituants dans des proportions moindres, ou qu'il peut y avoir des composants accidentels ou fortuits, à la condition que cela ne nuise pas aux caractéristiques avantageuses de la présente combi- naison des trois constituants essentiels. Parmi ces trois constituants, les deux premiers sont considérés comme formant un inducteur rédox, bien que la présente invention ne soit aucunement limitée par un tel mécanisme fonctionnel. 1) Inducteur rédox. L'agent oxydant de cet inducteur est un persulfate, et le réducteur est le formaldéhyde sulfoxylate de sodium. Les persulfates les plus représentatifs sont ceux de métaux alcalins, le sel de potassium et le sel d'ammonium étant particulièrement préférables. Un dihydrate du formaldéhyde sulfoxylate sodique est connu sous le nom de rongalite, et le dihydrate est choisi de préférence pour l'exécution de l'invention, mais on peut égale- ment employer des anhydrides ou d'autres formes de ce composé. 2) Composé azoique. Le composé azoique employé est le 2,2 '-azo-bis-2- amidinopropane représenté par la formule CH 3 -HN = CN = t { 2 NH 2 CH 3 Ce composé azoique,étant basique, peut être sous la forme du chlorhydrate ou d'autres sels, et il est couramment vendu sous une telle forme, et l'appellation " 2,2 '-azo-bis- 2-amidinopropane" comprend à la fois la base libre et les sels Bien que le chlorhydrate soit choisi de préférence dans cette invention, on peut également utiliser la base libre ou des sels d'autres acides, ou même encore d'autres formes. 2 Polymérisation en solution aqueuse. Le présent procédé de préparation de polymères d'acrylamide ne diffère pas essentiellement du procédé cou- rant de polymérisation de l'acrylamide en solution aqueuse, sauf que le catalyseur comprend une association des trois constituants indiqués. On part donc d'acrylamide ou d'un mélange de monomères comprenant principalement de l'acrylamide, un mélange à plus de 50 moles % d'acrylamide, de préférence à 70 moles % ou plus, convenant particulièrement bien. En ce qui concerne les comonomères utilisables conjoin- tement avec l'acrylamide, on peut prendre tout monomère à insaturation éthylénique hydrosoluble,copolymérisable avec l'acrylamide, par exemple (a) l'acide acrylique ou méthacryli- que, (b) leurs sels, tels que d'ammonium ou de métaux alcalins, en particulier le sel sodique, et les sels d'amines, et (c) les amides à l'exception de l'acrylamide En plus de ces monomères neutresou anioniques, on peut également employer, si cela est nécessaire, des comonomères cationiques tels que esters amino-alkyliques et sels d'ammoniums quaternaires de l'acide acrylique ou méthacrylique, ainsi que des dérivés de bases de Mannich et des sels d'ammoniums quaternaires de l'acrylamide ou du méthacrylamide. Le copolymère d'acrylamide et des comonomères que l'on vient d'indiquer peut être obtenu par copolymérisation de l'acrylamide et de ces comonomères, ou bien par hydrolyse partielle de l'acrylamide ou conversion partielle de celui-ci en une base de Mannich pendant ou après l'homopolymérisation de l'acrylamide, pour obtenir un polymère sous la forme d'un copolymère On peut préparer très avantageusement un copolymère d'acrylamide et d'un sel de l'acide acrylique, qui constitue l'un des importants polymèresd'acrylamide, en effectuant l'homopolymérisation de l'acrylamide à un p H élevé, comme il sera décrit en détail ci-après. Eu égard aux emplois récemment trouvés des polymères d'acrylamide,il est préférable que ceux-ci aient des masses moléculaires très élevées, plus particulièrement qu'un poly- acrylamide ait une masse moléculaire d'au moins 10 000 000. Un polymère d'acrylamide ayant une telle masse moléculaire est obtenu par polymérisation en solution aqueuse, comme en masse aqueuse à l'état de gel La teneur en polymère de la masse aqueuse ainsi obtenue, qui est sensiblement égale à la teneur en monomère du milieu aqueux au début de la polymérisation en solution aqueuse du fait que le rende- ment de la polymérisation ou le taux de conversion est voi- sin de 100 %, est de l'ordre de 15 à 40 % en poids. Cette masse aqueuse àdl'état de gel ne peut être pratiquement agitée, et il en résulte que la température du système de polymérisation s'élève inévitablement par suite de la chaleur dégagée par la réaction En vue de réduire l'effet nuisible de cette élévation de température, la poly- mérisation est amorcée à la plus basse température possible, et quand on emploie l'inducteur rédox de la présente inven- tion, la température d'amorçage est de préférence de O à G environ 300 C, en particulier voisine de 100 C Par exemple, le système de polymérisation amorcé à 100 C atteint une tempé- rature maximale d'environ 85 à 1000 C dans la pclymnérisaticn d'acrylamide en solution aqueuse à une concentration de 25 à 30 % en poids. On pourrait croire que l'élévation de température pourrait être réglée par un refroidissement externe du réci- pient, mais la masse aqueuse à l'état de gel ne prend pas une température uniforme dans toutes ses parties par suite de la différence de température entre la partie centrale et la partie périphérique Il n'est pas recommandé pour cette raison de refroidir extérieurement l'appareil de polyméri- sation, mais au contraire, pour rapprocher le plus possible la température de la partie centrale de celle de la partie périphérique de la masse aqueuse à l'état de gel, il est sou- haitable de chauffer extérieurement le récipient suivant la température de la partie centrale de la masse. Le milieu aqueux dans lequel on dissout l'acrylamide et autres monomères peut être acide, neutre ou basique Il est préférable de préparer un copolymère d'acrylamide et d'un sel d'acide acrylique, qui constitue l'un des polyacrylamides préférés, en augmentant suffisamment la basicité du milieu aqueux dans la formation d'un homopolymère d'acrylamide pour que le composant acrylamide du produit polymère soit partiel- lement hydrolysé, ceci non seulement parce que l'on n'a pas alors à préparer au préalable un sel de l'acide acrylique, mais aussi en raison des difficultés rencontrées dans le cas o l'on commence par former un homopolymère de l'acrylamide que l'on hydrolyse ensuite, difficultés qui sont par exemple la manipulation de la masse aqueuse à l'état de gel et l'hy- drolyse non homogène, et qui peuvent ainsi être évitées Il est préférable que le p H du milieu aqueux, c'est-à-dire de la solution aqueuse d'acrylamide, soit de 11 ou plus, la limite supérieure étant de l'ordre de 13. En ce qui concerne la proportion de l'inducteur de polymérisation selon cette invention par rapport à la solution aqueuse qui est soumise à la polymérisation, on peut en général opérer avec 1 à 100 ppm d'un persultate, 0,1 à 50 ppm de formaldéhyde sulfoxylate sodique et 10 à 1000 ppm de 2,2 '-azo-bis-2-amidinopropane. 3 Exemples expérimentaux. EXEMPLE 1: Dans un Dewar de 3 litres on met 1000 g d'une solution aqueuse à 50 % d'acrylamide avec 48 g de borate de sodium (Na H 2 BO 3) et 942 g d'eau désionisée, le p H decette solution aqueuse étant de 12,2 On en règle la température à 10 C et on purge l'atmosphère du ballon par un courant d'azote pen- dant environ 30 minutes, puis on ajoute 5 ppm de persulfate d'ammonium, 10 ppm de formaldéhyde sulfoxylate de sodium et 300 ppm de chlorhydrate de 2,2 '-azo-bis-2-amidinopropane, en solutions aqueuses à raison de respectivement 2 ml, 3 ml et ml. Au bout d'environ 5 minutes la polymérisation se dé- clenche, et 100 minutes après la température atteint un maxi- mum de 85 C, température à laquelle on abandonne au repos pendant 16 heures le gel caoutchouteux formé, puis on le découpe au hachoir en petites particules que l'on sèche en étuve à 60 C et que l'on réduit ensuite en poudre. On dissout 5 g de ce polymère pulvérulent dans 495 g d'eau désionisée, la viscosité de la solution obtenue étant de 12 600 c P ( 1 c P = 10-3 Pas) mesurée au viscosi- mètre Brookfield (on emploie le rotor N 2 jusqu'à 5 000 c P et le rotor N 3 au-dessus de 5 000 c P, dans les deux cas à la vitesse de 6 tr/min et à la température de 25 C, de même que dans les exemples qui suivent) Par ailleurs, la visco- sité en milieu acide (p H 2,2) d'une solution aqueuse à 1 % de ce polymère,additionnée de 10 ml de H 2504,est de 1 900 c P. Le degré d'hydrolyse, déterminé sur une partie de cette solution aqueuse, est de 14,5 moles %, et l'on note que cette solution ne contient pas de matières insolubles. EXEMPLE COMPARATIF 1: On suit le procédé de l'exemple 1 mais sans ajouter le chlorhydrate de 2, 2 '-azo-bis-2-amidinopropane La période d'induction de la polymérisation est de 10 minutes et la température atteint un maximum environ 15 heures après le début de la réaction. La viscosité du polymère ainsi obtenu est de 1 670 c P en milieu acide (p H 2,2) et le degré d'hydrolyse de 14,0 moles %. Une chromatographie en phase gazeuse indique que la teneur résiduelle du polymère en acrylamide est de 0,02 %. EXEMPLE COMPARATIF 2: On effectue encore la polymérisation comme dans l'exemple 1 mais sans ajouter ni persulfate d'ammonium ni formaldéhyde sulfoxylate sodique On constate alors que la polymérisation n'a pas avancé, même au bout de 24 heures. EXEMPLES 2 et 3 et EXEMPLES COMPARATIFS 3 à 8 On suit toujours le procédé de l'exemple 1 mais en remplaçant le persulte d'ammonium et le formaldéhyde sulfoxylate de sodium par les quantités des inducteurs rédox du tableau 1 ci-après, tableau qui indique également comment se fait la polymérisation ainsi que les propriétés des polymères formés Dans ce tableau 1 et dans tous les tableaux suivants, les temps de polymérisation sont les temps comptés entre l'induction de la polymérisation et le moment auquel la température atteint un maximum. (voir tableau 1 page suivante) Tableau i persulfate d'ammonium Exe mple 2 * 1 3 I I 1 à 8 1 r t i i i i persulfate de potassium ioj ____f o ___ 10 10 { 10 peroxyde d 'hydrogène __ _ _ _Ijj 20 _ _ _ _ _ _ _I_ _ _ _ _ _ _ _ hydroperoxyde de butyle tertiaire formnaldéhyde sulfoxylat e de sodium suilfite de sodium acide 15 thiosulfate de sodium pentahydraté 40 dimthy 1 amiinopropionitri 1 30 triéthanolamine 1 ______ 20 1 diméthylaminoethanol Période d'induction (mn) 5 5 5 1080 10 5 5 j Temps de polymérisation (mn) 95 110 330 810 270 320 400 pa de_ Degré' d'hydrolyse ,2 '-azo-&bis 2-amidinopropanie 200 ppm 41 J > 4 o ci 4-J. U- cj la "J) 4- 1-J J > 4 o "J "J) 4-W ci ç:I * 1 EXEMPLES COMPARATIFS 9 à 12: On répète encore le procédé de l'exemple 1 mais en remplaçant le chlorhydrate de 2,2 '-azo-bis-2-amidino- propane par les quantités des composés azoiques du tableau 2, lequel groupe également les résultats obtenus. (voir tableau 2 page suivante) TABLEAU 2 Exempte comparatif 9 10 1 12 Z 2,2 '-azo -bis-isobutyronitrile 500 m -W 2,2 '-azo-bis-4 -mêthoxy-2,4 dim 6thy 1 va 1 ero-30 nitrile 0 m acidle 4,-azo-bis-4-cyanovalerique 25 2,2 ' -azo-bis-2,4-dim 6thylva 14 éronitrile 300 Période d'induction (mn) 270 10 600 3 O Temps de polymérisation (mn) 1200 90 300 40 Degré d'hydrolyse (moles Z) 1410 1417 Viscosité de la solution aqueuse à 1 % à p H 2,2 (c P) ( 1200 > *La polymérisation n'est pas totale. N% ut. me CDI EXEMPLE 4 à 6 et EXEMPLES COMPARATIFS 13 à 15 Ces exemples et exemples comparatifs montrent l'effet du p H du milieu de polymérisation sur la façon dont se fait la réaction. On effectue la polymérisation sur une solution aqueuse à 20 % d'acrylamide suivant le procédé de l'exemple 1 à moins d'indication contraire Les résultats obtenus sont groupés dans le tableau 3. Les acrylamide A, B et C de ce tableau sont res- pectivement un acrylamide liquide du commerce (solution aqueuse à 50 %)-, un acrylamide cristallisé et un acrylamide obtenu par deux recristallisations de l'acrylamide B dans de l'eau et du méthanol Le p H de la solution réactiopnelle est réglé à 7 avec de la soude caustique et à 10 avec de l'acide borique (H 3 B 03) et de la soude caustique. On voit sur le tableau 3 que le comportement de la polymérisation varie beaucoup avec l'acrylamide dont on part à un haut p H dans le cas o l'on utilise le chlorhydrate de 2,2 '-azo-bis-2-amidinopropane seul (exemples comparatifs 13, 14 et 15), problablement à cause des impuretés contenues dans le monomère à l'état de traces, alors que la polyméri- sation reste remarquablement stable dans les exemples conformes à la présente invention. (voir tableau 3 page suivante) TABLEAU 3 Exemple 4 5 6 PH 7 10 12,2 Acrylamnide A B JC A B C A j B' C Période d'induction (mn) 5 > 5 > > > 5 > 5 > 5 > Temps de polymérisation (mn) 70 J 70 75 70 110 115 J 110 Exemple comparatif * 113 14 15 p H 7 10 1212 Acrylami-de A B C A B C A B C Période d'induction (mn) 5 5 15 5 20 20 120 280 L-Temps dpoyriaon(mn) 40 40 50 50 50 70 270 400 pas de' polymé- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ r i -a &t i n * 1 Température d'induct-i Qn de la polymér-isat-ion 300 C Inducteur de polymérisation chlorhydrate'de 2,2 '-azo-bis-2-amidîinopropane seul,'300 ppm/solution i. U-J EXEMPLE 7: On suit le procédé de l'exemple 1, sauf que l'on remplace le borate de sodium (Na H 2 B 03) par 36 g de carbonate de sodium (Na 2 CO 3), le p H de la solution réactionnelle étant alors de 12,3 La période d'induction est dans ce cas d'environ mn, le temps de polymérisation de 110 minutes, le degré d'hydrolyse du produit polymère formé de 13,3 moles % et la vis- cosité d'une solution aqueuse à 1 % de ce polymère (p H 2,2) de 2 000 c P. EXEMPLE 8: On dissout dans de l'eau désionisée 150 g d'acrylamide et 187,5 g d'une solution aqueuse à 80 % de méthacrylate de diméthylaminoéthyle quaternisé avec du chlorure de méthyle, et on ajuste la solution à p H 3,5 avec de l'acide sulfurique décinormal, le poids total étant de 992 g On met cette solu- tion dans un vase Dewar de 1,5 litre, on règle la tempéra- ture à 20 C et on purge l'atmosphère du récipient par un courant d'azote pendant 30 minutes A la solution aqueuse on ajoute alors 4 ml d'une solution aqueuse de 0,4 g de chlorhydrate de 2,2 '-azo-bis-2amidinopropane ainsi que 2 ml d'une solution aqueuse de 0,01 g de persulfate d'ammonium et 2 ml d'une solution aqueuse de 0,01 g de formaldéhyde sulfoxy- late de sodium, et on purge de nouveau l'atmosphère du réci- pient par un courant d'azote pendant 5 minutes. Dix minutes après l'addition de l'inducteur la polymérisation commence, et 50 minutes après la température atteint un maximum de 90 C, la polymérisation étant alors totale On pulvérise le polymère ainsi obtenu à l'état de gel et on le sèche à 60 C Une solution aqueuse à 1 % de ce polymère a une viscosité de 7 200 c P. Pour terminer, on donne au tableau 4 ci-après les résultats de certains exemples montrant la relation entre le temps de polymérisation et le rendement de la polymé- risation, pour mettre en évidence la spécificité du dérou- lement de la réaction en présence de l'inducteur selon la présente invention. L'effet de synergie de l'association de l'inducteur rédox et du composé azoique, c'est-à-dire l'effet d'acti- vation sur la polymérisation, est clairement observé dans la présente invention (exemple 1) aussitôt après le dé- clenchement de la polymérisation, alors que l'on ne note pas un tel effet de synergie dans le cas d'associations d'inducteurs connues (exemples comparatifs 5 et 11 par exemple). (voir tableau 4 page suivante) * 1 persulfate d'amnmoniumn ( 5) formldéhde sulfoxylt de sodium ( 10) ch'lorhydraté de 2,2 ' -azo bis-2- amaidinopropane ( 300) 0 % 2,3 17,17 TABLEAU 4 Exemple comparatif i 2 5 i ulifa te persulfate persulfa:te monium de potassium d'amînmoniuxn ) ( 10) ( 5) Laid hîde diméthylamino formaldëhyde diyua propionitrile sulfoxylate _____________ ( 30) de sodium ( 10) chlo h Vdrate -de 'chlorhydrate acide 4,4 '- 2,2 '-azo-bis-2 '-de 2,2 '-azo azo-bis-cyano amidinopropane bis-2-amidino valeéricque ___________-( 300) Propane 10 600 0 % 0 % 0 % pas de -polymérisation 12 12 6 25 il 46 28 92 79 98 71 100 88 N 99 r g'., 2528437 ' REVENDICATIONS 1.- Procédé de préparation de polymères d'acryla- mide selon lequel on polymérise l'acrylamide ou un mélange de monomères contenant de l'acrylamide comme constituant principal dans un milieu aqueux, en présence d'un inducteur de polymérisation comprenant une association d'un persulfate, de formaldéhyde sulfoxylate de sodium et de 2,2 '-azo-bis-2- amidinopropane. 2. Procédé selon la revendication 1,dans lequel le milieu aqueux est basique. 3 Procédé selon la revendication 2,dans lequel la basicité du milieu aqueux est suffisante pour que l'acryl- amide qui est compris dans le produit polymère formé soit partiellement hydrolysé. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le milieu aqueux est à un p H de 11 ou plus.