Brevet FR2565592A1 — publié le 19851213

L'invention concerne un procédé de préparation de microlatex inverses par copolymérisation dans une microémulsion inverse d'au moins deux monomères vinyliques hydrosolubles et les microlatex inverses obtenus par ce procédé. I1 est connu de préparer des latex inverses de polymères hydrosolubles par polymérisation au sein d'une émulsion inverse résultant du mélange d'une phase aqueuse contenant le ou les monomères hydrosolubles à (co-)polymériser, une phase organique et un ou plusieurs tensioactifs (brevets U.S. 3284393, 3624019, 3826771, 4022731, demande allemande DE-A- 2554082 et brevet G. B.2030578). Dans ces formulations, l'agent tensioactif est le plus souvent choisi parmi les tensioactifs non ioniques présentant un faible H L B (Equilibre Hydrophile Lipophile) permettant l'obtention d'une émulsion eau-dans-huile. I1 s'agit le plus souvent de monooleate ou de monostéarate de sorbitan. Par ailleurs, il a éte montré (brevet FR 2245671) que certains tensioactifs de H L B plus élevé (37) sont egalement susceptibles de conduire à des émulsions eau-dans-huile. L'inconvénient majeur des latex inverses est leur manque de stabilité, qui se traduit au cours du temps par une forte décantation. D'autre part, a été également décrite antérieurement la préparation de microlatex inverses utilisant des tensioactifs anioniques ou cationiques (demande de brevet FR-A- 2524895). Maintenant, la demanderesse a trouvé un procédé de préparation de microlatex inverses utilisant des tensioactifs non ioniques qui permet, par rapport à la technique antérieure, d'augmenter la teneur en copolymère hydrosoluble dans le microlatex inverse Le procédé de préparation des microlatex inverses de l'invention est defini d'une manière générale par les étapes suivantes (a) on prepare une microémulsion (stable et transparente) de type eau-dans-l'huile en mélangeant (i) une solution aqueuse des monomeres acryliques à copoly mériser avec (ii) une phase huileuse, comprenant au moins un liquide hydrocarbone (iii) en presence d'au moins un tensioactif non ionique dont le H L B est de 8 à 11 (dans le cas d'un mélange de tensioactifs, il s'agit du H L B résultant)- ;; (b) on soumet la microémulsion inverse obtenue en (a) à des conditions de polymérisation jusqu'à polymérisation complète et obtention d'un microlatex inverse stable, transparent et de haut poids moléculaire. On rappellera qu'une émulsion consiste en un milieu diphasique, turbide, instable. Sous agitation, on observe des particules dispersées dans l'eau ou dans l'huile selon les cas, présentant une large distribution de taille autour d'une moyenne de l'ordre du micromêtre. Lors d'une polymérisation en émulsion, le monomère se trouve dispersé dans les grosses gouttelettes de l'émulsion (diamètre : environ 1 à 10 Mm) ainsi que dans les petites micelles d'émulsifiant (diamètre environ 5 à 10 nm). Une microémulsion consiste en une solution micellaire gonflée, transparente et thermodynamiquement stable, ne nécessitant pas d'agitation. Les gouttelettes sont beaucoup plus petites que dans le cas d'une émulsion, de l'ordre de 10 à 40 nanomètres, justifiant le nom de microémulsion. Elles présentent en outre une étroite distribution de taille. Avant polymérisation, le monomère se trouve dispersé dans les micelles gonflées d'eau et de même taille. Dans les formulations des microémulsions inverses conduisant aux microlatex de l'invention, la phase aqueuse contient au moins deux monomères acryliques hydrosolubles : il s'agit d'une part d'acrylamide et/ou de méthacrylamide ; et d'autre part d'au moins un autre monomère acrylique choisi parmi l'acide acrylique > l'acide méthacrylique et les sels alcalins de ces acides. Dans le mélange de monomères acryliques, la teneur en acrylamide et/ou en méthacrylamide peut aller jusqu'à 95%en poids; elle est le plus souvent de 40 à 85% en poids. L'obtention d'une microémulsion inverse nécessite en général la mise en oeuvre de conditions particulières dont les principaux paramètres sont les suivants : concentration en tensioactifs, H L B du tensioactif ou du mélange de tensioactifs utilisé , température, nature de la phase organique et composition de la phase aqueuse. La teneur en monomères dans la phase aqueuse est en général de 20 à 80% et le plus souvent de 30 à 70% en poids. En général, le pH de la solution aqueuse de monomères a une valeur de 8 à 13 et avantageusement de 9 à 11. Le choix de la phase organique a une importance considérable sur la concentration minimale en tensioactif nécessaire pour obtenir une microémulsion inverse. Cette phase organique peut consister en un hydrocarbure ou en un mélange d'hydrocarbures. Parmi ceux-là, les hydrocarbures ou les mélanges d'hydrocarbures isoparaffiniques sont les mieux adaptés pour obtenir des formulations économiques (plus faible teneur en tensioactifs) de microémulsions inverses. Le rapport pondéral des quantités de phase aqueuse et de phase hydrocarbonée-est choisi le plus élevé possible, de façon à obtenir apres copolymérisation un microlatex possédant une teneur élevée en copolymère. Dans la pratique, ce rapport peut aller par exemple de 0,5 à 3/1 ; il est le plus souvent voisin de 2/1. Par ailleurs, le choix du (ou des) tensioactif(s) est guide par l'obtention d'un H LB allant de 8 à 11. En effet, en dehors de ce domaine, l'obtention de microémulsions inverses soit est impossible, soit nécessite des quantités considérables de tensioactifs, incompatibles avec un procédé économique. Par ailleurs, dans le domaine de H L B ainsi défini, la teneur en tensioactif doit être suffisante pour obtenir une microémulsion inverse. De trop faibles concentrations en tensioactifs conduisent à l'obtention d'émulsions inverses analogues à celles décrites antérieurement et ne faisant pas partie de cette invention. Dans l'intervalle de H L B considéré, la concentration en tensioactifs par rapport à ltensemble des constituants de la microemulsion est de préférence supérieure à une valeur y (en Z poids) definie approximativement par l'équation suivante, déterminée empiriquement y = 5,8 x2 - 110 x + 534 dans laquelle x est la valeur du H L B du tensioactif ou du melange de tensioactifs utilisé. La courbe representative est présentée sur la Figure annexée. En ce qui concerne la limite supérieure de la concentration en tensioactif, pour des raisons économiques, il est souhaitable de se limiter à une concentration de 25% en poids par rapport à l'ensemble des constituants de la microémulsion inverse. Lors de la preparation de la microémulsion inverse, il est important que la température du mélange soit soigneusement contrôlée, en raison de la sensibilité à la température des microémulsions inverses en présence de tensioactifs non ioniques. Cette influence de la température est d'autant plus sensible que la concentration en tensioactif est plus proche de la teneur minimale requise pour obtenir une microémulsion inverse. En vue de réduire la teneur en tensioactif necessaire et afin de s'affranchir au maximum de l'influence de la température sur la stabilité des microémulsions inverses, ces dernieres seront dans la mesure du possible prépares à une température aussi voisine que possible de celle qui aura été choisie pour la copolymérisation. Les monomères acryliques hydrosolubles presents dans la microémulsion inverse décrite précédemment sont polymérisés par voie photochimique ou thermique : la méthode consiste à amorcer la copolymérisation photochimiquement, par exemple par irradiation ultraviolette, ou thermi quement à l'aide d'un générateur de radicaux libres soit hydrophobe tel que, par exemple, l'azobisisobutyronîtrile, soit hydrophile tel que, par exemple, le persulfate de potassium. La copolymérisation s'effectue tres rapidement, par exemple, en quelques minutes par voie photochimique, quantitativement, et conduit à la formation de microlatex stables et transparents dont le rayon des particules est de l'ordre de 20 à 40 nanomêtres avec une distribution de taille étroite. La taille des particules dispersées dans les microlatex inverses de l'invention peut être déterminée à l'aide de la diffusion quasiélastique de la lumière. La source de lumiere sur l'appareil de diffusion de la lumière est constituée par un laser Spectra Physics à ion-argon opérant à 488 nm. La fonction de corrélation temporelle de l'intensité diffusée est obtenue en utilisant un corrélateur digital à 72 canaux. Les données de corrélation de I'intensité ont été traitées en utilisant la méthode des cumulants, qui fournit le temps de décroissance moyen de r-l > de la fonction de corrélation et la variance V. Cette dernière est une mesure de l'amplitude de la distribution des temps de décroissance et est donnée par où est le deuxième moment de la distribution. Pour des solutions de copolymères de faible polydispersite, la variance est reliée en première approximation à l'indice de polydispersite Mw/Mn (masse moléculaire en poids/masse moléculaire en nombre) par la relation Mw/Mn = 1 + 4 V La masse moléculaire des copolymères obtenus dépend du mode d'activation choisi pour la copolymérisation, une activation photochimique favorisant l'obtention de mas-ses moléculaires très elevées, dans la mesure où la température de copolymerisation-est maintenue en dessous de 30"C. Ce mode d'activation sera préferé dans tous les cas où des masses moléculaires très élevées sont recherchées, comme dans le cas des microlatex inverses destines à une utilisation en Récupération Assistée des Hydrocarbures. Le procédé de l'invention permet l'obtention de nicrolatex inverses stables et transparents contenant une teneur élevée en copolymères hydrosolubles t20 à 35 en poids). On notera plus particulièrement la stabilité remarquable vis-à-vis de la température des microlatex inverses, contrairement aux microémulsions inverses dont ils sont issus, prépares en présence de tensioactifs non ioniques. Les microlatex inverses obtenus selon le procédé de l'invention sont utilisables dans de nombreuses applications notamment dans les techniques de production du pétrole : Récupération Assistée des Hydrocarbures, consolidation des sols, fabrication des boues de forage, prévention des venues d'eau lors dela mise en production des puits pétroliers et comme fluides de complétion ou de fracturation. Outre ces applications, les polymères hydrosolubles préparés en microémulsion peuvent servir e de coagulants pour separer des solides en suspension dans les liquides d'adjuvants de flottation et de drainage dans la fabrication de pâte à papier ; ou encore, e de floculants dans le traitement des eaux. Les microlatex inverses obtenus selon le procédé de l'invention peuvent être également utilisés dans l'assemblage des fibres de verre, dans l'industrie du cuir et dans le domaine des peintures. Les exemples suivants illustrent l'invention mais ne doivent en aucune manière être considérés comme limitatifs. Les exemples 1, 10, 14 et 15, donnés à titre comparatif, ne font pas partie de l'invention. EXEMPLE 1. (comparatif) 77,8 g de SOLTROL 220 (huile minérale paraffi ni que ayant un point initial de distillation de 244 C et un point final de 287"C), 25 g d'un mélange de 21,4 g d'hexaoléate de sorbitol polyoxyethylêné (ATLAS G1086 ) et 3,6 g de sesquioléate de sorbitan (ARLACEL 83) dont l'équilibre hydrophile lipophile est de 9,25, sont melanges sous agitation. On dissout 61,3 g d'acrylamide et 20,7 g d'acide acrylique glacial dans un mélange de 42,2 g d'eau distillée et 23,0 g d'une solution de soude à 50 en poids, et on ajoute cette solution au mélange huile/agent tensioactif. La quantité de tensioactifs correspond à 10% en poids de l'ensemble des constituants. On purge pendant une heure à l'azote à la température ambiante.L'émulsion (trouble et instable) ainsi obtenue est chauffée à 40"C et on ajoute 6,5. 10-4 mole de péroxypivalate de t-butyle par mole de monomère et on maintient la température entre 40 et 50"C pendant environ 1 heure. Le latex ainsi obtenu est trouble et on observe une décantation au cours du stockage. EXEMPLE 2. Si dans l'exemple 1, toutes choses étant égales par ailleurs, on utilise 63,5 g du mélange de tensioactifs, ce qui correspond à 22% en poids de l'ensemble des constituants, on obtient, contrairement au cas de l'exemple 1, un mélange limpide et monophasique (microemulsion), qui le demeure après copolymerisation. Par précipitation dans l'acétone et lavages successifs à l'acétone et au méthanol, un copolymère acrylamide-acrylate de sodium est obtenu. Sa viscosité en solution aqueuse (400 ppm de copolymère et 5000 ppm de NaCl) mesurée à 30"C est de 1,30 mm2/s. EXEMPLE 3. Si dans l'exemple 1, toutes choses etant égales par ailleurs, on utilise comme solvant organique une coupe isoparaffinique (ISOPAR M) ayant un point initial de distillation de 207qu et un point final de 254"C, et une quantité de mélange de tensioactifs (36,6 g) correspondant à 14% en poids par rapport au total des constituants, le mélange obtenu est limpide et monophasique. Après copolymerisation, on obtient un mélange monophasique (microlatex) contenant 35,3% en poids de copolymère acrylamide-acrylate de sodium. La viscosité d'une solution aqueuse contenant 400 ppm He re copolymère et 5000 ppm de Nacl, mesuree à 30"C est de 1,4 mm2/s. EXEMPLE 4. A 255 g d'une solution aqueuse contenant 38,25 g d'acide acrylique et 89,25 g d'acrylamide neutralisée à la soude jusqu'à un pH voisin de 10, on ajoute 255 g d'ISOPAR M et 90 g d'un melange de tensioactifs constitué de 12,6 g de sesquioléate de sorbitan et de 77,4 g d'hexaoléate de sorbitol polyoxyéthyléné (H L B résultant : 9,3). Cette quantité correspond à 15% en poids de l'ensemble des constituants. Le mélange monophasique ainsi obtenu est additionne de 0,21 g d'azobisisobutyronitrile, dégazé pendant 1 heure et chauffé pendant 2 heures à 60"C, conduisant à l'obtention d'un microlatex stable et transparent dont le rayon des particules détermine par diffusion quasi-élastique de la lumiere est d'environ 25 nm avec une variance de 3%. Par précipitation dans l'acétone et lavages successifs à l'acétone et au méthanol, on obtient avec une conversion totale un copolymere acrylamide-acrylate de sodium dont la viscosité, déterminée à 30"C, en solution aqueuse à 400 ppm de copolymère et 5000 ppm de NaCl est de 1,5 mm2/s. EXEMPLE 5. Si dans l'exemple 4, toutes choses étant égales par ailleurs, on omet d'ajouter l'azobiszisobutyronitrile, mais on effectue la copolymérisation sous irradiation U.V. pendant 5 minutes, la température étant maintenue à 20 C, on obtient avec une conversion totale un copolymère acrylamide-acrylate de sodium dont la viscosite, mesurée à 30"C, en solution aqueuse à 400 ppm de copolymere et 5000 ppm de NaCl est de 3,15 mm2/s.Par ailleurs, la viscosité intrinsèque de ce copolymère dissous dans une eau contenant 20 g/l de NaCl a été trouvee egale à 3250 cm3/g sur la base de mesures effectuées à l'aide d'un viscosimètre LS 30 de la Société CONTRAVES et extrapolées à concentration et gradient nuls. EXEMPLE 6. Dans les conditions de réalisation de la microémulsion inverse de l'exemple 4, on fait varier les proportions de chacun des deux tensioactifs utilisés et on détermine dans chaque cas la quantité minimale de tensioactifs permettant d'obtenir après copolymérisation un microlatex inverse stable et transparent. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le Tableau suivant i Concentration minimale en tensioactif pour obtenir un microlatex inverse H L B stable et transparent (% en poids) 1 8,5 18 9 14 9,5 12 10, 16 EXEMPLE 7. A 400 g d'une solution aqueuse contenant 60 g dtacide acrylique, 140 g d'acrylamide et une quantité de soude convenable pour atteindre un pH voisin de 10, on ajoute 200 g d'ISOPAR M et 92 g du melange de tensioactifs de l'exemple 5. Cette quantité correspond à 13,3% en poids de l'ensemble des constituants. La copolymérisation, conduite dans les mêmes conditions que celles decrites dans l'exemple 5 permet l'obtention d'un microlatex stable et transparent dont le rayon des particules détermine par diffusion quasi-élastique de la lumière est d'environ 40 nm avec une variance de 5%. Ce microlatex inverse contient 31,6% en poids d'un copolymère acrylamide-acrylate de sodium renfermant 35,9% en poids d'acrylate de sodium. La viscosité intrinsèque de ce copolymère est de 3520 cm3/g (solution à 20 g/1 de NaCl). EXEMPLE 8. A 400 g d'une solution aqueuse contenant 40 g d'acide acrylique, 160 g d'acrylamide et une quantité de soude convenable pour atteindre un pH de 9, on ajoute 200 g d'ISOPAR M et 106 g du mélange de tensioactifs de l'exemple 4. Cette quantité correspond à 15% en poids de l'ensemble des constituants. La copolymérisation,conduite dans les mêmes conditions que celles de l'exemple 5, permet l'obtention d'un mélange monophasique contenant 30,1% en poids d'un copolymère acrylamide-acrylate de sodium renfermant 24,6% en poids d'acrylate de sodium. La viscosité d'une solution aqueuse contenant 400 opm de ce copolymere determinée à 30"C en presence de 5 g/1 de NaCl est de 2,7 mm2/s. EXEMPLE 9. Si dans l'exemple 8, toutes choses étant egales par ailleurs, on remplace 1'ISOPAR M par du trimêthyl-pentane, on obtient un microlatexinverse possédant des caractéristiques analogues à celles obtenues dans l'exemple 8. EXEMPLE 10. (comparatif) Si dans l'exemple 8, toutes choses étant égales par ailleurs, on remplace le solvant isoparaffinique : ISOPAR M par un solvant aroma- tique:le toluène, il est impossible d'obtenir dans ces conditions une microémulsion inverse, même en ajoutant des quantites importantes de tensioactifs (31% en poids). EXEMPLE 11. A 400 g d'une solution aqueuse contenant 60 g d'acide acrylique et 140 g d'acrylamide dont le pH a été ramené à 10 par l'addition de soude, on ajoute 200 g d'ISOPAR M et 115 g d'un mélange de tensioactifs contenant 11% en poids de trioléate de sorbitan (montane 85) et 89% en poids de trioléate de sorbitan ethoxyle (montanox 85). Le H L B du mélange de tensioactifs est de 10 et la quantité de tensioactifs correspond à 16% en poids de l'ensemble des constituants. La copolymêrisation, conduite dans les mêmes conditions que celles decrites dans l'exemple 5, a permis l'obtention d'un mélange monophasique contenant 30,5% en poids d'un copolymère acrylamideacrylate de sodium renfermant 35,9% en poids d'acrylate de sodium. La viscosité intrinsèque de ce copolymère est de 3200 cm3/g (en solution aqueuse à 20 g/l de NaCl). EXEMPLE 12. A 400 g d'une solution aqueuse contenant 170 g d'acrylamide et 30 g d'acide acrylique dont le pH a été ramené à 9 par l'addition de soude, on ajoute 200 g d'ISOPAR M et 115 g du mélange de tensioactifs de l'exemple 11. Cette quantité correspond à 16% en poids de l'ensemble des constituants. La copolymérisation,réalisée dans les mêmes conditions que celles décrites dans exemple 5,a permis l'obtention d'un mélange monophasique contenant 29,3-' en poids d'un copolymère acrylamide-acrylate de sodium renfermant 18,7% en poids d'acrylate de sodium. EXEMPLE 13. A 400 g d'une solution aqueuse contenant 50 g d'acide acrylique ét 150 g d'acrylamide, dont le pH a été ramené a 10 par l'addition de soude, on ajoute 200 g d'iSOPAR M et 100 g d'oléate de sorbitol poly oxyéthylèné (ATLAS G1087 ; H L B = 9,2). Cette quantité correspond à 14,3% en poids de l'ensemble des constituants. La copolymérisation de la microémulsion inverse ainsi obtenue, effectuée dans les conditions décrites dans l'exemple 5, a permis l'obtention d'un microlatex inverse stable et transparent contenant 30,7 en poids d'un copolymère acrylamide-acrylate de sodium renfermant 30,3% en poids d'acrylate de sodium. EXEMPLE 14. (comparatif) Si dans l'exemple 7, toutes choses étant égales par ailleurs, on modifie les proportions des deux tensioactifs de façon à avoir un H L B résultant de 7, X,il n'est pas possible d'obtenir,dans ces conditions,de microémulsion inverse, même en ajoutant des quantités importantes de tensioactifs (supérieures à 31% en poids). EXEMPLE 15. (comparatif) Si dans l'exemple 7, toutes choses étant égales par ailleurs, on remplace le mélange de tensioactifs par du nonylphénoléthoxyle contenant 8 motifs oxyde d'éthylène par molécule et ayant un H L B de 12,3, il n'est pas possible d'obtenir, dans ces conditions, de microémulsion inverse, même en ajoutant des quantités importantes de tensioactifs (supérieures à 35% en poids). Les valeurs des concentrations en les tensioactifs ou les mélanges de tensioactifs utilisés, compte tenu des valeurs de H L B correspondantes, ont permis de tracer une courbe représentée sur la figure annexe, '.- const,'ue 1 limite te approximative entre une zone dans laquelle on n'obtient pas de microlatex inverses stables et une zone dans laquelle on peut obtenir des microlatex inverses stables. Sur la figure, on a hachuré le domaine préféré de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procedé de préparation d'un microlatex inverse caractérisé en ce qu'il comprend une étape (a) dans laquelle on prépare une microémulsion inverse (du type eau-dans-huile) en mélangeant les constituants suivants - une solution aqueuse d'au moins deux monomeres acryliques - une phase huileuse comprenant au moins un liquide hydrocarboné ; - et un tensioactif non ionique ou un mélange de tensioactifs non ioniques, ayant un H L B de 8 à 11, en une proportion suffisante pour obtenir une microêmulsion inverse ; et une retape (b) dans laquelle on soumet la microémulsion inverse obtenue à l'étape (a) à des conditions de copolymrisation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape (a), on met en jeu comme monomères au moins un monomère acrylique choisi parmi l'acrylamide et le méthacrylamide et au moins un autre monomère acrylique choisi parmi l'acide acrylique, l'acide méthacrylique et les sels alcalins de ces acides, à une concentration de 20 à 80% en poids dans ladite solution aqueuse. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'acrylamide et/ou le methacrylamide représente jusqu'à 95% en poids du mélange des monomères acryliques mis en jeu. 4. Procedé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans l'étape (a), le pH de ladite solution aqueuse est de 8 à 13. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans l'étape (a), la phase huileuse comprend au moins un hydrocarbure isoparaffinique. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérise en ce que, dans l'étape (a), le rapport pondéral entre la solution aqueuse de monomères et la phase huileuse est de 0,5 à 3/1. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans l'étape (a), la proportion de tensioactit ou de mélange de tensioactifs est superieure à la valeur y donnée,en % poids par rapport à l'ensemble des constituants de ladite microémulsion inverse, par la relation y = 5,8 x2 - 110 x + 534 dans laquelle x représente le H L B du tensioactif ou du melange de tensioactifs. 8. Procéde selon-l'une des revendications 1 à 7, caractérise en ce que, dans l'étape (a), la proportion de tensioactif ou de mélange de tensioactifs est au plus de 25% en poids par rapport à l'ensemble des constituants de ladite microémulsion inverse. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, dans l'étape (b;, la polymérisation est effectuée par chauffage en presence d'un initiateur de réactions radicalaires. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, dans l'étape (b), la polymérisation est amorcée par irradiation. 11. Microlatex inverse obtenu par un procédé selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Microlatex inverse selon la revendication 11, caractérisé en ce que sa teneur en copolymère est de 20 à 35% en poids.