Brevet FR2629442A1 — publié le 19891006

PROCEDE DE PREPARATION DE COMPOSITIONS DE POLYDICHLOROPHIIOSPHAZENES A TAUX CONTROLE D'OLIGOMERES CYCLIQUES ET LES COMPOSITIONS RESULTANT DE LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention a pour objet un procédé de préparation de polydichlorophosphazènes à taux contrôlé d'oligomères cycliques. Elle concerne également des compositions de polydichlorophosphazènes renfermant ledit taux contrôlé d'oligomères cycliques. Ella a encore pour objet les compositions de polychlorophosphazènes résultant de la réaction de substitution des compositions de polydichlorophos- phazènes précitées. La préparation de polyphosphazènes de formule général; R I 1 n R dans laquelle les symboles R1 et R2, qui peuvent être identiques ou différents sur le même motif ou d'un motif à l'autre, peuvent représenter un groupement tel que: alcoxy, aryloxy, alkyle, aryle, sulfure, amine, s'effectue habituellement en deux étapes, à savoir d'une part la préparation d'un polydichlorophosphazènes de formule - N ='P Cl2 _n (II) puis, d'autre part, par substitution des atomes de chlore du polymère de formule II au moyen des radicaux représentés par R1 et R2, l'obtention des polyphosphazènes de formule I. Le polydichlorophosphazène de formule II peut, d'une manière générale, être obtenue selon deux techniques, l'une partant d'hexa- chlorotriphosphazène cyclique de formule //N\ C12 P P C12 N N \p/ C12 (procédé décrit par H.R. Allcock, par exemple dans le brev.t américain 3.370.020), l'autre mettant en jeu le dichlorophosphoryl- trichlorophosphazène de formule C12P - N = P C1 3 ou le dicblorothiophosphoryltrichlorophosphazène de formule Il Ci2 P - N = P C13 et décrite par exemple par R. de Jaeger dans les brevets français 79.24307, 83.11264 ou la demande francaise publiée SOUS le numéro 2.571. 710. Lorsqu'on utilise ce dernier procédé, la polycondensation s'accompagne d'un dégagement de PO C13 ou PS C13. Dans le but d'obtenir des polyphosphazènes présentant des propriétés élastomériques, il a été recommandé (brevets US 3.943.088, 4.107.108, 4.124.557, 4.152.314). d'associer aux polydi- chlorophosphazènes linéaires de formule II des oligomères, linéaires ou cycliques, de phosphazènes, lesdits oligomères jouant un rôle de plastifiant et étant compatibles avec les polymères de formules I et II. Ces oligomères linéaires ou cycliques peuvent être préparés séparément par substitution de tri- ou tétraphosphazènes chlorés cycliques, au moyen des mêmes substituants que ceux cités pour le polymère lui-même. Les oligomères substitués peuvent ensuite être mélangés au polymère de formule I lors de sa formulation. Lorsqu'on prépare le polydichlorophosphazène par la voie du trimère cyclique, il est nécessaire, pour éviter la réticulation du polymérisat, d'arrêter la polymérisation à un taux de conversion de l'ordre de 50 %, ce qui entraîne, même après élimination du trimère cyclique, la présence d'une quantité importante d'oligomères. Après substitution, ces oligomères, dont la masse est comprise en général entre 700 et 500.000, sont extraits par dissolution sélective, isolés et peuvent être re-mélangés au taux désiré avec le polymère. L'invention concerne un procédé de préparation directe de compositions de polydichlorophosphazènes à taux contr8lé d'oligo- mères cycliques, par la voie mettant en jeu un dichlorophosphoryl- trichlorophosphazène et/ou un dichlorothiophosphoryltrichloio- phosphazène, ces deux produits étant représentés ci-après par la formule abrégée P2 NX C15, X désignant 0 ou S. Elle concerne égale- ment ces compositions ainsi que les compositions de polyphosphazènes substitués renfermant un taux contrôlé d'oligomères. Ce procédé est caractérisé en ce que le taux d'oligomères cycliques est contrôlé par action sur la concentration de P2 NX C15 dans la solution soumise à polycondensation. Les compositions résultant de la mise en oeuvre de ce procédé, qui constituent en elles-mêmes un autre objet de l'invention sont caractérisées en ce qu'elles comprennent un polydichlorophosphazene et un ou plusieurs oligomères cycliques de formule C1 N I n 1 dans laquelle n est compris entre 3 et 5 (inclus) à un taux sensi- blement inversement proportionnel à la concentration du P2 NX C15 dans la solution soumise à la polycondensation. L'invention concerne tout particulièrement les compositions renfermant un ou des oligomères de formule III dans laquelle n = 3,4 ou 5 mais elle n'exclut évidemment pas les compositions dans lesquelles on peut trouver des oligomères supérieurs c'est-a-dire dans la formule desquels n est supérieur à 5 et peut par exemple aller de 6 à 10. D'une manière générale, les compositions résultant directement de cette polycondensation en solution sont sensiblement exemptes de monomère n'ayant pas réagi. Parmi ces compositions, l'invention concerne tout spécialement les compositions comprenant entre environ 1,5 et environ 50 X d'oligomères par rapport à l'ensemble polydi- chlorophosphazène + oligomère (mesure effectuée selon la méthode décrite dans l'exemple 1), les oligomères comprenant d'environ 2 à environ 10 Z d'oligomàre de formule III avec n = 3, d'environ 15 à environ 35 Z d'oligomère avec n = 4 et d'environ 55 à environ 75 % d'oligomère avec n = 5. Il doit être entendu que ces observations concernent les compositions résultant directement de la polycondensation en milieu solvant, mais qu'il est toujours possible de modifier ultérieurement la teneur de composition en oligomère. Dans la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, on constate que le taux d'oligomère cesse d'évoluer à partir du moment o le dégagement de P X C13 cesse d'être mesurable, ce qui survient en général au bout d'environ 10 % de la durée totale de polyconden- sation. Le taux d'oligomère reste ensuite sensiblement constant jusqu'à la fin de la polycondensation. On constate que dans le procédé conforme à l'invention, le choix du rapport monomère/solvaut introduit au départ permet, avec une bonne précision, de régler le taux d'oligomères cycliques présent dans la composition de polydi- chlorophosphazène résultant de la mise en oeuvre de ce procédé. Bien évidemment on ne sortirait pas du cadre de l'invention en ajoutant en une ou plusieurs fois une nouvelle quantité de solvant au cours de la polycondensation et notamment après le départ de PXC13, comme indiqué par exemple dans le brevet français 2 571710. Après l'opé- ration de substitution du polydichlorophosphazène, connue en elle-même et qui, de ce fait, ne constitue pas un objet de l'inven- tion, la composition contient un taux préréglé d'oligomère cyclique c'està-dire de plastifiant, sans qu'il y ait lieu de se livrer à une opération complémentaire. A titre purement indicatif, le solvant utilisable dans le procédé conforme à l'invention et qui peut subsister dans les compo- sitions résultant de la mise en oeuvre de ce procédé peut être choisi notamment parmi les hydrocarbures à caractère aromatique et les dérivés chlorés de tels hydrocarbures. Parmi de tels solvants, qui peuvent être utilisés seuls ou en mélange, on citera notamment le benzène, le naphtalène, le diphényle, le chlorobenzène, les dichlorobenzènes, les trichlorobenzènes, le tétrachlorobenzène, le pentachlorobenzène, l'hexachlorobenzène, les chloronaphtalènes, les chlorodiphényles et notamment les trichlorodiphényles. D'une manière générale, la température de polycondensation de P2NX C15 peut être comprise entre 200 et 350 C et de préférence entre 210 et 300 C. Le procédé conforme à l'invention mis en oeuvre à ces tempéra- tures permet d'une manière générale de préparer des compositions contenant, au terme de la mise en oeuvre de ce procédé, des teneurs en oligomères (exprimées comme indiqué ci-après dans l'exemple 1) pouvant atteindre 50 % pour une concentration en P2 NX C15 infé- rieure à 10 % dans la solution et être aussi réduites que 1,5 % pour une concentration voisine de 100 %. D'une manière générale, cette concentration peut varier entre 0,1 % et sensiblement 100 %. A titre purement indicatif, et pour une température de polycon- densation de 270 C, on peut proposer la relation suivante entre le taux d'oligomères cycliques (ensemble des produits de formule III dans laquelle n = 3, n = 4 et n = 5) et la concentration initiale en P2 NO Cl5_: logi oligomères %I= - 1,43. 10-2[P2 NO Cl5 %]+ 1,726 (Coefficient de correlation: 0,996). La figure jointe illustre cette relation. Les compositions de polydichlorophosphazènes obtenues confor- mément au procédé décrit ci-avant peuvent être substituées selon des techniques connues, par exemple par réaction avec des phénates ou des alcoolates. Ces compositions de polyorganophosphazènes consti- tuent également un objet de l'invention. Les exemples suivants illustrent l'invention. EXEMPLE 1 L'appareillage de polycondensation comprend un réacteur agité, chauffé par circulation d'huile, surmonté d'un condenseur à reflux, thermostats à 140 C, qui débouche sur un système de réception de PO Cl3, ledit système comprenant un condenseur descendant et une recette graduée. Le réacteur est chargé avec 894 g (3,32 moles) de P2 NO Cl5 et est chauffé à 280 C. Après 4 heures de réaction, le PO Cl3 cesse pratiquement de couler. On effectue une prise d'échantillon à ce stade et rajoute 826, 4 g de trichlorodiphényle. La polycondensation est poursuivie pendant 47 heures en effectuant des prises d'échan- tillonr aux temps (t). On effectue sur chacun de ces échantillons un dosage par RMN _31 p des oligomères cycliques et du polydichloro- phosphazène. On indique ci-après la répartition entre trimère, tétramère et pentamère ainsi que la répartition de ces oligomères par rapport au polymère. Les valeurs sont exprimées en % de phosphore, n3 %, n4 % et n5 % étant données par le rapport: Intégration du pic correspondant à n3 ou n4 ou n5 somme Zi somme Zé étant la somme des integrations des pics correspondants à n3, n4 et n5 sonmme Zni des intégrations des pic correspondant à n3, n4 et n5 ni % =i Z %= ni Eni + intégration du pic correspondant au polymèrn Echantillon (1) (2) (3) (4) (5) t (heures) 4 25 29 33 47 I n3 Z 7,2 7,4 7,3 6,5 5,3 n4 % 25,8 24,3 26,8 26,1 25,6 n5 % 67, 1 68,3 65,9 67,4 69 Zni % 2,45 3,05 2,31 2,36 2,51 La lecture de ce tableau montre à la fois qu'une concentration de 100 Z pendant la 1 phase de polycondensation (jusqu'à cessation du départ de POC13) conduit à un certain taux d'oligomères cycliques (Zi % d'environ 2,5 + 0,5), taux qui reste constant au cours de la ni poursuite de la polycondensation et l'accroissement de la mass. moléculaire sans réticulation, rendue possible gràce à l'addition de solvant. EXEMPLE 2 On renouvelle l'essai de l'exemple 1 en remplaçant les 894 g de 2 NO C15 par 100 g du même monomère et en effectuant la polyconden- sation à plusieurs températures et plusieurs concentrations. Les analyses sont également faites par RMN 31 p. Le tableau qui suit rassemble les résultats. Dans ce tableau, les valeurs indiquées dans la colonne t(h) correspondent à une durée sensiblement double de celle requise par l'élimination de POC13. (expulouom ua uoI -euluazuoz mamn e) ainiviedmaz asszq e -juejaodu snld zuelq aa;ja lez lnluiadmal wl DzaAv 13olliaDz,8 e puel saaamo2Ttoop xnBe au ÀlqT; lue 9ID ON j ua no;iealusauoD lI anb agAal snld zueinvp:ss (z zuZ) salamo$$Io ua naual sl aauuop alnladlal aun a,nb alluou ';wvd ailni, p ZI;e 'Tl 01 '6 '8 'liwd eun,p i la 9 'z saldmaxe sap uosseadmoa el - -: 9ueAn9 sal;luamzoa sol alladde nealquI aD - * uo$vs -uapuoaiod B ausmnos al;;T$uT uoTznlos el ins eaini3 Ise alla uotlnlos ap spiod el ans aiqmouom ap splod u aauiTadxa Is0 uotievluaDuoz el (I) I *1! '! _ _'I_ _0 9'a III OL[ 0ú I t9'17 ''O9 9'U L QIz4110! OLZ Z i IL-LI L' 9 19'LZ L'9 E O OLZ, Il OIlI'99!'89 K 9 ç' O OL! ! i f 99'9 |S89 9'9Z 6'9 1'Zj IL OLZ 60 I I t'Ii' LI'6 L9 8'LZ Z'S I'8 1 OZ 9 9 1OL | Z ' I 8'81 OS, Z 0S S V7 I9S'9 |60 0L'9 00 I 001 i OI 9 _ _ _ _i I i__ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ZOSS 6'ZL |'9 9'98 001 os 0 IZ, 9'1 i 'L I ú6Z ' V9L 001 O'IZ Z I i I (I) I (30) t: Iu úu _ ZL 3 6 % u (q)_ _%IDON 1dainqaudmeúsaldmaxZ L Z t j6Z9 La comparaison des exemples 5, 6 et 7, réalisée en renouve- lant chaque fois l'essai dans son intégralité, montre la reproduc- tibilité du procédé. o R E V EN DI C A T I 0 N S 1. Procédé de préparation directe de compositions de polydi- chlorophosphazènes à taux contr8lé d'oligomères cycliques, à partir de dichlorophosphoryltrichlorophosphazène et/ou dichlorothiophos- phoryltrichlorophosphazène, représentés par la formule P2 NX Cl5 dans laquelle X représente respectivement O ou S, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à contr8ler le taux d'oligomères cycliques dans lesdites compositions pal action sur la concentration de P2 NX Cl5 dans la solution soumise à polycondensation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les oligomères cycliques comprennent les produits répondant à la formule Cl N =P Cl dans laquelle n est compris entre 3 et 5 (inclus). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé en ce que la concentration en P2 NO Cl5 varie entre 0,1 % et 100 %. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que la température de la polycondensation est comprise entre 200 et 350 C. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le solvant est choisi dans le groupe constitué par les hydrocarbures à caractère aromatique et leurs dérivés chlorés. 6. Des compositions comprenant un polydichlorophosphazène et ur. taux contrôlé d'oligomères cycliques de fbrmule - Cl C1 dans laquelle n est compris entre 3 et 5 (inclus). 7. Des compositions selon la revendication 6, caractérisées en ce que le taux d'oligomères cycliques est compris entre environ 1,5 % et environ 50 %. 8. Des compositions selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7 et telles qu'obtenues par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 9. Des compositions selon la revendication 8, préparées par polycondensation à 270 C, et dans lesquelles le taux d'oligomères cycliques est sensiblement régi par la relation. log t oligomères %1 = - 1,43. 10 2 [ P2 NO Ci5 Zg + 1,726 10. Des compositions selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisées en ce qu'elles comprennent d'environ 1,5 à environ 50 % d'oligomères de formule III dans laquelle n = 3, 4-et 5 par rapport à l'ensemble polydichlorophosphazène + oligomères, ces oligomères étant partagés entre environ 2 et environ 10 % d'oligo- mères avec n = 3, entre environ 15 et environ 35 % d'oligomères avec n = 4 et entre environ 55 et environ 75 Z d'oligomères avec n = 5. 11. Des compositions selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisées en ce qu'elles sont soumises à une réaction de substitution des atomes de chlore du polydichlorophosphazèue et des oligomères par des radicaux alcoxy, aryloxy, alkyle, aryle, sulfure ou amine.