Brevet FR2644792A1 — publié le 19900928

L'invention est relative & une composition constituée d'une polyoléfine et d'un polyamide incompatible associés à un terpolymère, permettant la fabrication dans des matériels de transformation conventionnels de tubes ou de récipients présentant une perméabilité réduite vis à vis des hydrocarbures liquides ou gazeux. Le problème de la perméabilité aux hydrocarbures liquides ou gazeux d'objets manufacturés à base de polyoléfines a été abordé de diverses façons. On connait les procédés de fluoration de la surface des récipients (US-A-4142032) ; ceux-ci d'une mise en oeuvre délicate (emploi d'acide fluorhydrique å l'état gazeux), ne semblent conférer qu'une réduction temporaire de la perméabilité. En effet, lors de la déformation, de l'usure ou du gonflement par l'hydrocarbure, la surface du récipient peut être altérée et l'efficacité du traitement décroit rapidement (Journal of Applied Polymer Science, Vol 30, 1407-1418 (1985)). On peut également mélanger, å l'état fondu, une polyoléfine et un polyamide en présence d'un copolymère à base d'éthylène et d'acide acrylique ou méthacrylique, par exemple US-A-3373222. De tels copolymères améliorent la dispersion de la phase polyamide dans une matrice polyoléfinique (notamment de polyéthylène) et conduisent à des mélanges dont la perméabilité est inférieure à celle de la matrice et dont les propriétés mécaniques sont supérieures à celles des mélanges polyéthylène-polyamide préparés en l'absence de copolymère éthylène-acide acrylique (ou méthacrylique). Les procédés de mise en oeuvre des compositions ainsi constituées sont l'extrusion ou l'extrusion-soufflage. Dans ces conditions, on n'observe pas de particules de polyamide présentant une orientation particulière en microscopie optique (grossissement 100). On connait également la demande de brevet EP-A-0015556 décrivant un procédé de fabrication d'objets ayant une structure lamellaire dispersée avec des compositions contenant une polyoléfine, un second polymère de type polyamide incompatible avec la polyoléfine et un copolymère d'éthylène contenant des groupements acides, anhydrides ou esters, soit dans la chaîne principale, soit sous forme greffons (de chaînons pendant). Dans ce cas, le mélange est décrit comme hétérogène avec une phase continue polyoléfinique et une phase dispersée polyamide sous forme de lamelles orientées dans le plan de la paroi de l'objet. Cette orientation est obtenue par un étirement important (100 à 500%) dans deux directions de l'espace, de la phase polymère à chaud, suivi d'une trempe.L'épaisseur des lamelles de polyamide ainsi obtenues est comprise entre 0,5 et 50 10 6 mètre (EP-A-0095349 ; EP-A-0090554). Dans ce type de composition, l'agent utilisé pour améliorer les propriétés mécaniques du mélange obtenu est généralement un copolymère d'éthylène et d'acide organique de type acide fumarique ou adipique (EP-A-0095349, 0090554, 0015556), ainsi que d'acide acrylique ou d'anhydride maléique (US-A-3373222, 3373223, 3373224, 4444817). On connait également des compositions de polyamide associé à des copolymères ou terpolymères à base d'éthylène, d'ester acrylique ou méthacrylique et d'acide acrylique ou méthacrylique ou d'anhydride maléique. La présence des copolymères ou terpolymères dispersés sous forme nodulaire dans une phase continue polyamide confère à cette dernière, une résistance à l'impact améliorée (DE-A-2551023). Les références précédentes, représentatives de l'état actuel des développements industriels dans le domaine industriel des alliages de résines thermoplastiques en général et des mélanges polyéthylène-polyamide en particulier, font apparaitre l'intérêt de l'utilisation de copolymères, c'est-à-dire de polymères composés de deux monomères différents, comme agent favorisant l'adhérence entre les deux phases constituées des deux polymères incompatibles. Or, on a maintenant découvert, de manière surprenante, que l'incorporation de certains terpolymères, c'est-à-dire de polymères composés de trois monomères différents, dans des alliages de polymères incompatibles permettait d'obtenir une amélioration sensible des propriétés physicochimiques de la composition obtenue par comparaison d'une part avec les mélanges binaires et d'autre part avec les mélanges en présence de copolymère. Les compositions de l'invention peuvent être définies d'une manière générale en ce qu'elles comprennent au moins une polyoléfine et au moins un polymère oxygéné incompatible associés à un terpolymère formé principalement d'éthylène, d'au moins un ester acrylique ou méthacrylique et d'anhydride maléique. Les polyoléfines considérées dans les compositions de l'invention consistent en général en des polyéthylènes, polypropylènes, polybutylènes ou des copolymères de ces matériaux. On préfère, le plus souvent, utiliser des polyéthylènes ou des copolymères d'éthylène constitués de 90%, au moins, de motif éthylène et de 10%, au plus, d'une oléfine en C3 à C8. Les densités des polyoléfines considérées sont comprises entre 0,90 et 0,97 et les indices de fusion mesurés selon ASTM D 1238 sont compris entre 0,2 (mesuré sous 19,6 kg à 1900C) et 100 (mesuré sous 1,96 kg à 1900C). Le second polymère incompatible avec la polyoléfine peut être choisi parmi les polyamides, les alcools polyvinyliques et les copolymères éthylène-alcool vinylique ou éthylène-acétate de vinyle. Les polyamides et copolyamides considérés sont obtenus par des réactions bien connues d'un diacide sur une diamine ou d'un aminoacide ou d'un lactame sur lui-mAme. On peut citer par exemple, comme acides carboxyliques, les acides adipique, subérique, sébacique, azélolque, malonique, glutarique et pimelique et comme amines primaires, les tétraméthylène-pentaméthylène-hexaméthylène-octaméthy- lène-diamines ; comme lactames et aminoacides, on peut citer par exemple le caprolactame (polyamide 6) et l'acide amino-undécanoique. Les polyamides considérés plus particulièrement sont par exemple, les polyamides 4 à 12 et les polyamides 6-6, 5-6, 4-10, 5-10, 6-10. On utilisera de préférence les polyamides 6 et Il. Les alcools polyvinyliques sont bien connus et sont obtenus par hydrolyse d'un acétate de vinyle de type homopolymêre. On utilisera plus particulièrement les alcools polyvinyliques dont le degré d'hydrolyse des radicaux acétate de vinyle est compris entre 80 et 99,8. Les copolymères éthylène-alcool vinylique sont obtenus par hydrolyse d'un copolymère éthylène-acétate de vinyle. On utilisera préférentiëllement des copolymères éthylène-alcool vinylique dont le pourcentage en poids de C2H4 est inférieur à 30% et dont l'indice de fluidité Norme ASTM D 1238 est compris entre 1 et 5 (mesuré sous 1,96 kg à l900C). Les terpolymères mis en jeu dans les compositions de l'invention renferment plus particulièrement de 64 à 94% de motifs dérivant de l'éthylène, de 5 à 35% de motifs dérivant d'au moins un ester acrylique ou méthacrylique et de 1 à 5% de motifs dérivant de l'anhydride maléique. L'adjonction selon l'invention de terpolymères à des mélanges polyéthylène-polyamide concerne plus particulièrement le cas des mélanges dont la teneur pondérale en polyamide est inférieure à la teneur pondérale en polyéthylène. Ainsi, les proportions pondérales des divers constituants des compositions de l'invention sont en général de 50 à 90% de polyéthylène, de 10 à 40% de polyamide et de 0,5 à 10% de terpolymère. Des proportions avantageuses sont de 65 à 90% pour le polyéthylène, de 15 à 30% pour le polyamide et de 0,5 à 5% pour le terpolymère. La mise en oeuvre de telles compositions, à des températures supérieures aux points de fusion des différents constituants, par les techniques conventionnelles d'extrusion, d'extrusion-soufflage ou d'injection conduit à des objets (par exemple tubes, conteneurs, feuilles et films) caractérisés par une très faible perméabilité aux hydrocarbures liquides ou gazeux ainsi que de bonnes propriétés mécaniques, au moins équivalentes à celles des différents mélanges décrits précédemment dans l'état de la technique, et d'autre part par une morphologie spécifique dans laquelle la phase polyamide forme un réseau tri-dimensionnel continu encapsulant la phase polyoléfinique. Un simple examen visuel des matériaux formés ne permet pas de déceler la présence des hétérogéneités de structure du mélange figure 1A. Aussi des techniques analytiques sont nécessaires pour mettre en évidence la présence d'une phase dispersée. Par analyse thermique différentielle, les pics de fusion du polyéthylène et du polyamide sont distincts et aisément identifiables (par exemple à 130 et 1800C pour le mélange particulier considéré), ce qui prouve la présence de phases séparées. L'examen structural en microscopie électronique à balayage montre un faible constraste des phases en présence ; aussi une coloration spécifique par un métal lourd est nécessaire figure 1B.Dans ces conditions, l'étude morphologique en microscopie électronique en réflexion montre, sur des coupes longitudinales (figure 2a,b,c) et transversales (figures 3a,b,c) des produits, une structure hétérogène où la phase polyamide (en blanc) forme un réseau tridimensionnel continu (figures 1,2,3). Dans ces exemples, des tubes de diamètre 45 mm et d'épaisseur comprise entre 1 et 2 millimètres sont extrudés sur une extrudeuse TROESTER (marque déposée) équipée d'une vis d'un diamètre D de 45 mm, de longueur 25 D et d'une filière de tube ayant un diamètre extérieur de 45 mm et une épaisseur de 3 mm. Sur des échantillons représentatifs de chacun des tubes on a mesuré la perméabilité et les propriétés mécaniques en traction à 200C. Determination de la perméabilité Des portions de tubes ayant une longueur d'environ 10 cm sont coupées et équipées d'embouts en résine époxy présentant une très faible perméabilité aux hydrocarbures. Un tel agencement est montré sur les figures 4A et 4B Avant fermeture du tube, l'épaisseur de la paroi est mesurée en 6 points au moins et 100 cm3 de n-heptane sont introduits dans le tube. L'évolution du poids des échantillons ainsi conditionnés et introduits dans une étuve à température régulée, est suivie par pesée en fonction du temps, On trace des courbes de perte de poids ( ssM) en fonction du temps (t), qui permettent le calcul de la perméabilité de l'échantillon au n-heptane pour une température fixée. L'allure d'une de ces courbes est montrée sur la figure 5.Les perméabilités mesurées sont obtenues après 12 mois au contact du nC7 à 500C ou 200C. Si on désigne par e l'épaisseur du tube en cm et par S sa surface exterieure en cm2 (S = wdl , d étant le diamètre en cm et 1 la longueur en cm du tube), la perméabilité du matériau en g/s.cm est donnée par la formule e Propriétés mécaniques en traction à 200C Des éprouvettes ASTM 4 sont découpées à l'emporte-pièce dans les tubes dans le sens de l'écoulement, c'est-à-dire dans l'axe du tube. Exemple 1 Les compositions pondérales des mélanges de polymères étudiés sont données dans le tableau 1 ci-dessous, dans lequel PE et PA11 désignent respectivement le polyéthylène et le polyamide utilisés. tableau 1 Réf. 1 2 3 4 PE 100 0 79 77 PA11 0 100 21 21 Terpolymère 0 0 0 2 Le polvéthylène est un polyéthylène de moyenne densité d = 0,954) d'indice de fluidité 20 (ASTM D 1238) commercialisé par la société FINA sous la référence FINATHENE 3802 (marque deposce). Le polyamide 11 est commercialisé par la société ATOCHEM sous la référence RILSAN BESNO (marque déposée). Le terpolymère est un terpolymère éthylène (89% poids) acrylate .d'éthyle (8% poids) - anhydride maléique (3% poids), commercialisé par la société ORKEM (NORSOLOR) sous la référence LOTADER 2200 (marque déposée) : ses caractéristiques sont les suivantes indice de fluidité = 1 g/10 mn (ASTM D 1238) indice d'acide = 17 mg KOH/g (Titration) % comonomère (acrylate d'éthyle) = 8 (Spectroscopie IR) Les mélanges de polymères considérés sont extrudés dans les conditions décrites précédemment. Les résultats obtenus figurent dans le tableau 2 suivant Tableau 2 | Références | 1 | 2 | 3 | 4 | Perméabilité l i | | | | 10-12 g/cm.s |12000| 8 |1300 | 300 | I (nC7 , 500C) | | | | | | | | | | Propriétés mécaniques | | (Tractions Statiques à 200C) Module (MPa) 900 1200 700 650 j Contrainte | | | | au seuil (MPa) 17 32 20 20 ≈ Contrainte i ss | | | à la rupture (MPa) 30 55 14 32 Allongement à la rupture (%) 800 330 100 550 Il apparait une réduction très importante de la perméabilité en présence de terpolymère (comparaison des mélanges 3 et 4). Celle-ci est expliquée par l'obtention d'une morphologie spécifique où la phase à faible perméabilité (le polyamide) est répartie dans l'épaisseur du matériau, suivant un réseau tridimensionnel continu, de très faible épaisseur. On sait d'autre part qu'une mauvaise adhérence entre les phases d'un mélange incompatible de polymères entraine des propriétés à la rupture médiocres. Ainsi on peut constater que la présence de terpolymère ameliore très sensiblement les caractéristiques à la rupture des mélanges polyéthylène-polyamide (comparaison des mélanges 3 et 4) et en conséquence l'adhérence entre les phases présentes dans le mélange. Exemple 2 On présente ci-après, de manière comparative, des essais réalisés avec plusieurs types d'additifs susceptibles d'améliorer l'adhérence entre la phase polyéthylène et la phase polyamide. La composition pondérale des mélanges considérés est donnée au tableau 3 ci-après. Le polyéthylène et le polyamide utilisés sont ceux décrits précédemment. Pour former les mélanges 6 et- 7, on a remplacé dans le mélange 5 une partie (2,5 S en poids par rapport à la totalité du mélange) du polyéthylène par - le copolymère éthylène (97% poids) - acide acrylique (3% poids) commercialisé par la société BASF sous la référence LUCALEN 2731 (marque déposée): mélange 6 comparatif, et par - le terpolymère éthylène-ester acrylique-anhydride maléique déjà décrit pour le mélange 4 selon l'invention : mélange 7. Les résultats des tests (perméabilité et propriétés mécaniques) sont donnés dans le tableau 3 suivant. Tableau 3 Référence 5 6 7 1 PE 84 81,5 81,5 100 PA11 16 16 16 0 Copolymère 0 2,5 0 0 Terpolymère 0 0 2,5 0 t Perméabilité e | | | | 10-12 g/cm.s 600 550 150 1500 (nC7 , 20 C) g Propriétés mécaniques | | | | | (Tractions statiques à 20 C) Module (MPa) 1550 1250 1250 900 Seuil (MPa) 26 26 26 17 Rupture contrainte(MPa) 5 16 35 35 t allongement (X)l 300 1 500 1 550 j 800 | On peut ainsi noter une influence prépondérante du terpolymère à la fois sur les caractéristiques à la rupture et sur la réduction de perméabilité à l'heptane. Exemple 3 Les essais rapportés dans cet exemple illustrent par comparaison, pour une même catégorie d'additif, l'influence de la masse moléculaire et de la présence d'une séquence ester acrylique sur les propriétés mécaniques et la perméabilité (n-C7 , 200C) des mélanges polyéthylène-polyamide décrits. Les additifs utilisés, (terpolymères et copolymère), commercialisés par la société ORKEM (NORSOLOR) respectivement sous les référence LOTADER 2200, 8200 et LX 8690 (marques déposées), sont, présentés dans le tableau 4 suivant. Tableau 4 Mélange n 7 8 9 Type 2200 8200 LX 8690 indice de fluidité g/10mn 1 200 11 t (ASTM 1238) 1 | | | | | | | | ; indice d'acide | | | | mgKOH/g 17 17 17 (Titration) 1 1 1 I 1 % comonomère (spectroscopie IR) 8 9 0 (acrylate d'éthyle) La comparaison des mélanges extrudés dans des conditions identiques décrites précédement et des résultats obtenus sont portés dans le tableau 5 suivant, dans lequel on a rapporté les résultats obtenus avec le polymère n01. Tableau 5 | Référence | 1 | 7 | 8 | 9 | I PE | 100 181,5 181,5 81,5 PA11 0 16 16 16 Additif 0 2,5 2,5 2,5 I Perméabilité I I | | | 10-12g/cm.s 1500 150 500 500 (20 C , nC7) I I I | | I I Propriétés mécaniques I (Tractions statiques à 200C) Module (MPa) 900 1250 700 1000 Seuil : contrainte (MPa) 17 26 18 27 Rupture:contrainte (MPa) 35 35 30 37 I allongement (%) j 800 1 550 1 500 1 550 1 Il apparait ainsi que le meilleur compromis entre les différentes propriétés testées est atteint avec le terpolymère selon l'invention utilisé dans le mélange 7. Exemple 4 Les essais rapportés dans cet exemple illustrent de manière comparative la composition des mélanges en fonction de la teneur en terpolymère (LOTADER 2200). On a rappelé les résultats obtenus avec les mélanges n03 et 4. Ces résultats sont portés dans le tableau 6 qui suit. Tableau 6 Références 3 4 12 13 14 PE 79 77 75 73 69 PA11 21 21 21 21 21 Terpolymère 0 2 4 6 10 I (LOTADER 2200) I I I I I I 1 Perméabilité I I I I I I | 10-12g/cm.s | 1300| 300 | 250 | 800 | 900 | I (nC7 , 500C) I t | | | | | | | | | | I Propriétés mécaniques I (Tractions statiques à 200C) Module (MPa) 700 650 650 700 800 Seuil :contrainte (MPa) 20 20,5 21,5 21 21 Rupture:contrainte (MPa) 14,5 32 33 31,5 30 allongement (%) 100 550 550 550 550 Il apparait dans ces conditions qu'il est possible d'incorporer aux mélanges polyéthylène-polyamide une large proportion de terpolymère. Cependant, dans le cadre de l'invention une forte réduction de perméabilité à 500C est associée à une faible teneur en terpolymère, ce qui, d'un point de vue économique, est tout à fait satisfaisant. On peut remarquer qu'à ces faibles teneurs en terpolymère, le produit obtenu par mélange possède de bonnes caractéristiques à la rupture. Exemple 5 Les essais rapportés dans cet exemple illustrent de manière comparative la composition des mélanges en fonction de la teneur en polyamide. On a rappelé les résultats obtenus avec les matériaux référencés n01 et 2. Ces résultats sont portés dans le tableau 7 qui suit. Tableau 7 Références 1 15 16 17 18 2 PE 100 81,5 76,5 71,5 65 0 PA11 0 16 21 26 32,5 100 Terpolymère 0 2,5 2,5 2,5 2,5 0 (LOTADER 2200) ss | | | | | | I Perméabilité ss | | | | | | I 10-12g/cm.s 11200011000 1 650 1 100 1 40 1 8 1 (n-C7 , 50 C) Propriété mécaniques j (Tractions statiques à 200C) Module (MPa) 900 925 1100 1300 1300 1200 | Seuil contrainte (MPa)| 17 1 21 122,5 123,5 123,5 1 35 1 Rupture:contrainte (MPa) 35 36 32 35 32 45 allongement (%) 800 610 550 500 450 300 La réduction de perméabilité est telle qu'à 32,5% en poids de polyamide, la perméabilité à 500C au n-C7 est à peine supérieure à celle du polyamide pur dans les mêmes conditions. Dans tous les cas, on observe que les produits obtenus par mélange, et pour des conditions d'extrusion identiques, conservent de bonnes caractéristiques à la rupture. Les figures 1A et 1B sont des microscopies électroniques à balayage d'un échantillon de mélange 18 pour une surface d'observation et un grossissement (X400) identiques. (1A : électrons secondaires SEI ; lB : électrons rétrodiffusés : BEI). Les figures 2A et 2B sont des microscopies électroniques à balayage (électrons rétrodiffusés) d'un échantillon du mélange 18 prélevé sur un tube dans le sens de l'écoulement et après coloration sélective : polyamide en blanc (2A : GX400 ; 2B : GX300). Les figures 3A et 3B sont des microscopies électroniques à balayage (électrons rétrodiffusés : BEI) d'un échantillon du mélange 18 prélevé sur un tube dans le sens perpendiculaire à l'écoulement et après coloration sélective : polyamide en blanc (3A : GX200 ; 3B GX540). Exemple 6 Les essais rapportés dans cet exemple illustrent le comportement de mélanges selon l'invention (mélanges 22 et 23r-et les comparent à celui des produits purs (références 19, 20 et 21), dans le cas de la perméabilité aux essences oxygénées. Le carburant utilisé pour ces essais est constitué de 95% poids d'essence (super) et de 51 poids de tertiobutylalcool. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 8 suivant. Le polyamide noté PA6 est commercialisé par la société RHONE-POULENC CHIMIE sous la référence C.216 (marque déposée) dont les caractéristiques sont les suivantes : densité : 1,14 g/cm T de fusion : 2150C cristallinité : 26% Mn : 15 600 g/mole Mp : 27 500 g/mole Tableau 8 I Références 1 19 | 20 | 21 | 22 1 23 PE 100 0 0 65,5 65,5 PA11 0 100 0 32 0 PA6 0 0 100 0 32 Terpolymère 0 0 0 2,5 2,5 I Perméabilité 10-8g/cm.s 5 2,5 0,30 1,5 0,15 (essences oxygénées) I 500C) I I I I I I Dans ces conditions, on note une réduction très sensible de la perméabilité aux essences oxygénées à 50 C, des matériaux obtenus par mélange selon l'invention. Dans ce cas, la perméabilité de l'alliage est même inférieure à celle des deux constituants purs : on observe ainsi un effet de synergie. REVENDICATIONS 1. Composition de polymères thermoplastiques, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une polyoléfine, au moins un polymère oxygéné incompatible et, en proportion mineure, au moins un terpolymêre formé entre l'éthylène,, au moins un ester acrylique ou méthacrylique et l'anhydride maléique. 2, Composition selon la revendication 1, caretérisée en ce que ladite polyoléfine est un polyéthylène présentant un indice de fluidité défini par la norme ASTM 1238 de 0,2 à 200. 3. Composition selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ledit polymère oxygéné incompatible est choisi parmi les polyamides et les copolymères éthylène-alcool vinylique et les copolymères éthylène acétate de vinyle. 4. Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite polyoléfine représente de 50 à 90% en poids, ledit polymère oxygéné incompatible de 10 à 40% en poids et ledit terpo lymère de 0,5 à 10% en poids. 5. Composition selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite polyoléfine représente de 65 à 90% en poids, ledit polymère oxygéné incompatible de 15 à 30% en poids et ledit perpolymère de 0,5 à 5% en poids. 6. Composition selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit terpolymère présente un indice de-fluidité défini par la norme ASTM 1238 de 1 à 200. 7. Composition selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit terpolymère est constitué de 64 à 94% en poids d'éthylène, de 5 à 35% en poids d'ester acrylique ou méthacrylique et de 1 à 5% en poids d'anhydride malélque. 8. Composition selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit polymère oxygéné incompatible est réparti dans la composition par extrusion, extrusion-soufflage, ou injection sous forme d'un réseau tridimensionnel continu. 9. Utilisation d'une composition selon l'une des revendications 1 à 8 pour former des tubes, des conteneurs, des feuilles ou des films.