Brevet FR2581074A1 — publié le 19861031

NOUVEAUX PIGMENTS COLORES A BASE DE TERRES RARES ET LEURS APPLICATIONS a présente invention a trait à de nouveaux pigments colorés à base de terres rares. Les pigments colorés sont largement utilisés dans de nombreuses industries notamment dans celles des peintures et vernis et des matières plastiques. Cependant, un des paramètres qui peut limiter considéra- blement le champ d'application d'un pigment coloré est sa stabilité à haute température. En particulier, leur emploi dans les matières plastiques nécessite qu'il résiste à une température d'au moins C. Il est connu que le sulfure de cadmium et ses dérives peuvent être utilisés dans les matières plastiques et également dans les peintures. Toutefois l'usage desdits sulfures se trouve limité du fait de la toxicité du cadmium et leur emploi dans les peintures intérieures domestiques ou dans des revêtements suscep- tibles d'être au contact des enfants ou de denrées alimentaires se trouve exclu. Pour pallier les inconvénients précités, il était souhai- table de disposer de nouveaux pigments. I1 a maintenant été trouvé et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention de nouveaux pigments colorés caractérisés p-r le fait qu'ils comprennent au moins un sulfure de terres rares rcz-iîdant à la formule Ln2 S3 dans laquelle Ln représente au moins un élément pris dans le groupe constitué par les lanthanides et l'yttrium. La demanderesse a trouvé que les sulfures de terres rares pouvaient être utilisés en tant que pigments colorés en raison de leurs propriétés avantageuses: - bonne stabilité thermique - large éventail de couleurs - insolubilité dans les solvants organiques - bonne résistance à l'attaque chimique - bonne résistance à la dégradation U.V. - bon pouvoir opacifiant - bonne résistance à la migration de la couleur bonne dispersabilité notamment dans les matières plastiques La gamme de couleurs obtenue conformément à l'invention dépend de la nature du cation métallique et du type de réseau cristallin. Les pigments colorés de l'invention présentent une structure sesquisulfure Ln2S3 identifiée selon la méthode d'analyse par diffraction à l'aide de rayons X. On donne ciaprès à titre illustratif et non limitatif des exemples de pigments colorés. Les pigments à base de sulfures de cérium ont une couleur variant du brun au rouge selon les conditions de préparation, en particulier, la température de calcination. Ils sont bruns ou rouge sang selon que l'on ait la phase Ce2S3 e orthorombique (J.C.P.D.S. 269) ou la phase Ce2S3 y cubique (J.C.P.D.S. 27 104). Avec le lanthane, on obtient des composés jaunes corres- pondant à une structure La2S3 cubique (J.C.P.D.S. 25 1041). La coloration verte peut être obtenue avec le néodyme et vert-jaune avec le praséodyme. Ils présentent respectivement la structure Nd2S3 cubique (J.C.P.D.S. 26 1450) et la structure Pr2S3 cubique (J.C.P.D.S. 27 481). On dispose d'un composé jaune-marron avec le dysprosium de structure Dy2S3 cubique (J.C.P.D.S. 26 594). Différentes nuances de marron peuvent être obtenues: ocre avec le terbium, structure Tb2S3 cubique brun avec l'erbium, structure Er2S3 monoclinique (J.C.P.D.S. 21 324) et beige foncé avec l'yttrium, structure Y2S3 monoclinique (J.C.P.D.S. 22 996). On donne d'autres exemples de couleur obtenue: brun-gris avec le sar. :arium, structure Sm2S3 cubique (J,.C.P.D.S. 26 1480), brun-vert avec].e gadolinium, structure Gd S3 y cubique 2) 3 (J.C.P.D.S. 26 1424), vert-or avec le thulium, structure Tm2 S3 rronoclinique (J.C.P.D.S. 30 1364). Les sulfures de terres rares sont des produits connus et décrits dans la littérature. Leur mode de préparation n'est en aucun cas critique. Ils peuvent être fabriqués selon une voie sèche ou humide. On donne, ci-après, à titre illustratif et non pas limitatif, un prccédé d'obtention des sulfures de terres rares. Ledit procédé consiste à faire réagir au moins un oxyde d'une terre rare avec un courant gazeux d'hydrogène sulfuré à une température comprise entre 800 C et 1500 C. Comme oxydes de terres rares, on utilise le peroxyde de cérium ou les sesquioxydes des autres métaux de terres rares ou leur mélange. Il est souhaitable que l'oxyde mis en oeuvre soit d'une borne pureté au moins 95 % et de préférence supérieure à 99 % et qu'il soit sec: sa teneur en eau doit être inférieure à 5 % et, de préférence, inférieure à 1 %. La mise en oeuvre de cet oxyde peut nécessiter une étape de séchage à une température comprise le plus souvent entre 100 et 500 C qui peut être faite séparément ou qui peut être réalisée antérieurement au traitement thermique à haute température. L'hydrogène sulfuré utilisé présente également une haute pureté. On peut faire appel au produit du commerce qui présente une pureté supérieure à 99 % en volume. La quantité d'hydrogène sulfuré mise en oeuvre peut varier dans de larges limites. Généralement, elle est au moins égale à la quantité molaire stoechiométrique et peut être en large excès atteignant 2000 % de la quantité stoechiométrique. Selon un mode de réalisation pratique, on commence à chauffer l'oxyde de terres rares à une température comprise entre C et 500 C et de préférence entre 100 et 150 C. Le chauffage de l'oxyde est réalisé sous balayage de gaz inertes; azote ou gaz rare notairaent l'argon. Cette opération qui permet de chasser l'air résiduaire et l'eau, dure entre 30 minut;es et 2 heures. Ensuite, on étalit le courant gazeux d'hydrogène sulfure un débit qui est calculé, sachant que 22,4 litres de gaz corres- pondent à 1 mole d'hydrogène sulfuré, de telle sorte que l'on ait le rapport avec le ou les oxydes de terres rares précédemment définis. On poursuit ensuite la montée en température afin d'obtenir une température comprise entre 800 C et 1500 C que l'on maintient pendant une durée variant entre 1 et 10 heures. D'une manière préférentielle, on travaille à une température comprise entre 900 C et 1200 C; cette température étant tenue constante environ 2 à 3 heures. On procède ensuite au refroidissement de la masse réac- tionnelle qui peut être réalisé sous atmosphère de gaz sulfurant ou sous atmosphère de gaz inerte. Après refroidissement, on peut réaliser le broyage du produit obtenu de telle sorte qu'il présente des dimensions de particules allant de 0,1 à 10 pm et de préférence de 0,5 à 2 pm. Le broyage peut être accompagné d'une opération de sélection granulométrique qui peut être réalisée simultanément ou successivement. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre dans un appareillage classique. Dans le cas de la mise en oeuvre d'un mélange d'oxydes, on peut effectuer un mélange homogène desdits oxydes par exemple, dans un broyeur à billes ou à boulets. L'opération de sulfuration est réalisée dans un creuset placé dans un four à chambre étanche de préférence tubulaire coupl! d'un dispositif permettant de réguler la température et d'un dispositif permettant d'assurer la régulation de débit d'un cu plusieurs gaz susceptibles d'être utilisés au cours du procédé de l'invention. Le creuset doit être constitué d'un matériau résistant aux hautes températures et à l'atmosphère sulfurée. D'une manière préférentielle, on utilise un creuset en carbone vitreux, en alumine ou en platine. Après calcination, le produit peut être soumis à des opérations de broyage réalisées dans le même type de broyeur que celui utilisé lors du mélange et de sélection granulomètrique effectuée par exemple, sur un tamis vibrant. On peut également faire les opérations de broyage et de sélection granulomètrique dans un seul appareillage tel qu'un microniseur. Un domaine d'application privilégié des pigments colorés de l'invention est celui des matières plastiques. Ils peuvent être utilisés dans la coloration des matières plastiques, thermoplastiques ou thermodurcissables. Comme résines thermoplastiques susceptibles d'être colorées selon l'invention, on peut nommer à titre illustratif le chlorure de polyvinyle, l'alcool polyvinylique, le polystyrène, les copolymères styrène-butadiène, styrène-acrylonitrile, acrylonitrile- butadiène-styrène (A.B.S.), les polymères acryliques notamment le polyméthacrylate de méthyle, les polyoléfines tels que le polyéthy- lène, le polypropylène, le polybutène, le polyméthylpentène, les dérivés cellulosiques par exemple l'acétate de cellulose, l'acéto- butyrate de cellulose, l'éthylcellulose, les polyamides dont le polyamide 6-6. Pour ce qui des des résines thermodurcissables pour lesquelles conviennent les pigments de l'invention, on peut citer, par exemple, les phénoplastes, les aminoplastes notamment Ies copolymères urée-formol, mélamine-formol, les résines époxy et les polyesters thermodurcissables. On peut également mettre en oeuvre les pigments de l'invention dans les polymères spéciaux tels que les polymères fluorés en particulier le polytétrafluoréthylène (P.T.F.E.), les polycarbonates, les élastomères silicones, les polyimides. Dans cette industrie des matières plastiques, on peut mettre en oeuvre les pigments de l'invention sous forme de poudre. On peut également les mettre sous une forme pré-dispersée, par exemple en prémélange avec une partie de la résine, sous forme d'un concentré pâte ou d'un liquide ce qui permet de les introduire à n'importe quel stade de la fabrication de la résine. es pigments peuvent être incorporés dans les matières plastiques en une proportion pondérale de 0,01 à 5 %. Les pigments de l'invention peuvent être utilisés dans le domaine des peintures et lasures et plus particulièrement dans les résines suivantes: résines alkydes dont la plus courante est dénommée glycérophtalique; les résines modifiées à l'huile longue ou courte; les résines acryliques dérivées des esters de l'acide acrylique (méthylique ou éthylique) et méthacrylique éventuellement copolymérisés avec l'acrylate d'éthyle, d'éthyl-2 hexyle ou de butyle; les résines vinyliques comme par exemple l'acétate de pclyvinyle, le chlorure de polyvinyle, le butyral polyvinylique, le formalpolyvinylique, et les copolymères chlorure de vinyle et acétate de vinyle ou chlorure de vinylidène; les résines amino- plastes ou phénoliques le plus souvent modifiées; les résines polyesters; les résines polyuréthanes; les résines époxy; les résines silicones. Généralement, les pigments sont mis en oeuvre à raison de à 30 % en poids de la peinture et de 0,1 à 5 % en poids du lasure. - Les pigments de l'invention peuvent également convenir pour les applications dans l'industrie du caoutchouc notamment dans les revêtements pour sols et dans l'industrie du papier et des encres d'imprimerie, dans le domaine de la cosmétique et pour de nombreuses autres utilisations comme par exemple, le finissage des cuirs et dans les revêtements stratifiés pour cuisine. Avant de concrétiser par deux exemples, l'aptitude des pigments de l'invention pour les applications dans les matières plastiques, on donne des exemples de fabrication de différents sulfures de terres rares qui sont ensuite caractérisés par leur structure cristalline et par leur couleur. '81074 La structure cristalline est d6termninee selon la r4thode Debve et Scherrer en transmission: rayormement monochromatique du molybdène. La couleur est mesurée à l'aide d'un spectro-photocolori- netre utilisant une sphère intégratrice. La mesure de la couleur est ex.primée en système lunter ou I., a, b. Ce système L, a, b permet de situer les écarts de couleur et fait appel aux grandeurs suivantes L, a, b: L donne une mesure de la réflectance (nuance claire/sombre) et varie de 100 (blanc) à O (noir) a et b sont les valeurs des tendances colorées: a positif = rouge a négatif = vert b positif = jaune b négatif = bleu L représente donc la variation du noir au blanc, a la variation du rouge au vert et b la variation du jaune au bleu. Les exemples qui suivent, illustrent l'invention sans toutefois la limiter. Dans les exemples, les pourcentages donnés sont exprimés en poids. EXEMPLE 1 On réalise la préparation de sulfure de cérium de structure Ce2S3 y cubique. Dans une nacelle de carbone vitreux, on place 10 g d'oxyde de cérium à 99,9 % de pureté. On introduit la nacelle dans un four à tube de quartz. La température est portée à 500 C sous courant d'argon en minutes. On remplace alors le courant d'argon par un courant d'hydrogène sulfuré du commerce vendu sous la marque MESSER GRIESHEIM et ayant une pureté de 99,3 % en volume. On monte à 1200 C en 30 minutes sous un débit de gaz de litres/heure. Le débit est maintenu pendant 3 heures t la température de palier. On laisse refroidir le produit obtenu à l'inertie du four sous courant d'hydrogène sulfuré jusqu'à 500 C puis sous courant d'argnr. jusqu'à la terpérature ambiante. On obtient 10,8 g d'un sulfure de cérium. Le produit obtenu est un sulfure de cérium pur de struc- ture Ce2S3 y cubique (J.C.P.D.S. 27 104) et de couleur rouge. Les coordonnées trichromatiques mesurées sur la poudre dans le système Hunter sont les suivantes: L = 42,9 a = 28,3 b = 13,8 EXEMPLE 2 - On réalise la préparation de sulfure de cérium de struc- ture Ce2S3 8 orthorombique. Dans une nacelle de carbone vitreux, on place 50 g d'oxyde de cérium à 99,9 % de pureté. On introduit la nacelle dans un four à tube de quartz. La température est portée à 900 C sous courant d'argon. On soumet le produit à un courant d'hydrogène sulfuré per ant 90 minutes sous un débit de gaz de 22 litres/heure. On laisse refroidir le produit obtenu à l'inertie du four scus courant d'hydrogène sulfuré jusqu'à 500 C puis sous courant d'argoD jusqu'à la température ambiante. On obtient 54 g d'un sulfure de cérium. Le produit obtenu est un sulfure de cérium pur de struc- ture Ce2S3 e orthorombique (J.C.P.D.S. 20 269) et de couleur brun-rouge. Les coordonnées trichromatiaues mesutrées sur la poudre dans le système Hunter sont les suivantes: L = 32,3 a = 11,9 b'= 2,7 à1074 EXEMPLES 3 A 7 - On prépare des sulfures d'autres terres rares selon le mode opératoire décrit à l'exemple 1. On caractérise les poudres obtenues par leurs coordonnées trichromatiques et l'aspect visuel de leur couleur. le tableau I suivant résume les résultats obtenus: TABLEAU I Nature du sulfure Estimation visuelle Coordonnées Ex de terre rare de la couleur trichromatiques L a b 3 La2 S3 jaune 72.1 -5.8 41.8 4 Pr2 S3 vert jaune 60.8 -5.0 37.0 Tb23 Socre 61 5 1.2 32.8 6 Dy2 S3 jaune marron 64.3 0.8 31.3 Er2 S3 brun 62.1 6.0 13.9 Les pigments obtenus peuvent etre mis en oeuvre pour la coloration des matières plastiques ou des peintures, ou de tout autre objet coloré, suivant la description des exemples d'appli- cation suivants. EXEMPLE 8 - Dans cet exemple, on réalise la préparation de bandes d'un copolymère acrylonitrile-butadiène-styrène (A.B.S.) selon un procédé d'extrusion. 1 - On effectue la préparation des échantillons à tester selon le protocole opératoire suivant. g de granulés d'un copolymère A.B.S. commercialisé par PCUK sous la marque UGICRAL sont introduits dans un récipient de 250 cm en polyéthylène. On dispose sur ces granulés sans précaution particulière, 0,5 g du pigment préparé selon l'exemple 1. On ferme le récipient et l'agite manuellement et périodi- quement jusqu'à ce que l'ensemble des granulés présente visuellement une coloration régulièrement répartie. 2 - On extrude les granulés obtenus, en profilés plats,au travers d'une filière, à l'aide d'une extrudeuse équipée d'une vis cylindrique destinée à fluidifier les granulés d'A.B.S. L'extrusion est effectuée à l'aide d'un extrusiographe BRABENDER équipé d'une vis de diamètre = 15 mm et de rapport longueur de vis/diamètre = 12. Le taux de compression est de 1. Le fourreau est terminé par une filière plate ayant les dimensions suivantes: largeur = 2 cm épaisseur = 0,5 mm Les conditions d'extrusion choisies pour les essais sont données ci-après: température du fourreau avec une seule zone de chauffe: 190 C température de la filière: 210 C - vitesse de rotation de la vis: 30 tours/minute On obtient une matière plastique rouge dont les coordon- nées trichromatiques sont L = 45,2; a = 20,2 et b = 11,1. EXEMPLE 9 - On effectue la préparation d'éprouvettes de polyamide 6-6 (acide adipique + hexaméthylène diamine) selon la technique de moulage par injection. 1 - On prépare les échantillons à tester de la manière qui suit: 3 kg de granulés de polyamide 6-6 commercialisé par RhSne-Poulenc sous la dénomination Technyl Type A 216 sont intro- duits dans un sac en polyéthylène. On dispose sur ces granulés sans précaution particulière, 9 g d'un pigment préparé selon l'exemple 2. On introduit le sac dans un récipient cubique tournant horizontalement autour de l'un de ses axes. On m.et en rotation le cube mélangeur pendant 10 minutes pour d7sperser le piginent. 2 - On confectionne des éprouvettes par moulage sous injec- tion. e moulage par injection consiste à fluidifier les granulés de polyamide 6-6 par chauffage et malaxage dans un fourreau de presse cylindrique, à lt'aide d'une vis, puis e injecter la matière fondue dans un moule à température convenable en la poussant à l'aide de la même vis servant de piston. L'injection est effectuée sur presse BULHER-ROVER 100 B. Le moule utilisé est une éprouvette plate ayant les dimensions suivantes: épaisseur = 4 mm À poids = 134 grammes Les conditions d'injection choisies pour les essais sont données ci-après: température du cylindre: zone 1: 270 C zone 2: 275'C zone 3: 275 C buse: 282'C température du moule: 60 C température de la trémie: température ambiante pression d'injection: 90 bars (90.105 Pa) * pression de maintien 39 bars 39.10 Pa contre-pression: nulle À temps de maintien de la pression: 9 secondes durée du cycle total: 1 minute vitesse de rotation de la vis: 174 tours/minute L'éprouvette en matière plastique obtenue est de couleur rouge et de coordonnées trichromatiques: L = 35,8, a = 8,6 et b = 1,8. R E V E N D I C AT I ON S 1 - Pigments colores caractérisés car le fait qu'ils compren- nent au moins un sulfure de terres raies répondant à la forrule Ln2 S3 dans laquelle Ln représente au ioirs un élément pris dans le LJ groupe constitué par les lanthanides et l'yttrium. 2 - Pigrents selon la revendication 1 caractérisés par le fait que le sulfure de terres rares et un sesquisulfure de lanthane, de cérium, de néodyme, de praséodyme, de samarium, de gadolinium, de terbium, de dysprosium, de terbium, de dysprosium, d'erbium, de thulium et d'yttrium. 3 - Utilisation des pigments colorés décrits dans l'une des revendications 1 et 2 dans les matières plastiques. 4 - Utilisation selon la revendication 3 caractérisée par le fait que les pigments sont mis en oeuvre dans des résines thermo- plastiques tels que le chlorure de polyvinyle, l'alcool polyviny- lique, le polystyrène, les copolym&res styrène butadiène, styrène- acrylonitrile, acrylonitrile-butadiène-styrène, les polymères acryliques, les polyoléfines, les dérivés cellulosiques, les polyamides. - Utilisation selon la revendication 3 caractérisée par le fait que les pigments sont mis en oeuvre dans des résines thermo- durcissables tels que les phénoplastes, les aminoplastes, Jes rsin.es époxy, les polyesters thermodurcissables. 6 - Utilisation selon la revendication 3 caractérisée par le fait que les pigments sont mis en oeuvre dans des polymères spéciaux te's que les polymères fluorés, les polycarbonates, les élastomères siliccnes, les polyimides. 7 - Utilisation selon l'une des revendications 3 à 6 caracté- risée par le fait que les pigments représentent de 0,01 à 5 % du poids des matières plastiques. 8 - Utilisation des pigments colorés décrits dans l'une des revendications 1 et 2 dans les peintures et laspres. 9 - Utilisation selon la revendication 8 caractérisée par le fait que les pigments représentent de 5 à 30 % du poids de la peinture ou de 0,1 à 5 % du poids du lasure. - Utilisation des pigments colorés décrits dans l'une des revendications 1 et 2 dans l'industrie du caoutchouc, dans l'indus- trie du papier et des encres d'imprimerie, dans le domaine de la cosmétique, dans le finissage des cuirs, dans les revêtements stratifiés pour cuisine.