Brevet FR2662168A1 — publié le 19911122

La présente invention a pour objet un procédé de préparation de polyamides-imides semi-ordonnés. Il est déjà connu selon le FR 1498015 de préparer des polyamides imides par réaction en une seule étape entre au moins un diisocyanate aromatique ou aliphatique et au moins un composé carbonylé capable de fournir, à la fois, un amide et un imide interne et contenant d'une part, un groupe carboxyle, et, d'autre part, une paire de groupe carbonyles reliés, chacun, d'un côté à un atome de carbone différent d'un même radical trivalent, et de l'autre à un atome d'oxygène, les deux groupes carbonyles étant séparés par trois atomes de carbone au maximum, le groupe carboxyle étant séparé de chacun des groupes carbonyles par deux atomes de carbone au minimum, dans un rapport molaire 1:1 dans un solvant polaire du type N,N-diméthylacétamide, N,N-diméthylformamide, N-méthyl-2 pyrrolidone et diméthylsulfoxyde. Il est également connu selon l'EP A 194058 de préparer des polyamides et/ou polyimides par polycondensation en une seule étape à une température supérieure à 1000 C entre un acide polycarboxylique ou un anhydride acide, un diisocyanate aliphatique ou aromatique en présence d'un catalyseur du type (hydrogeno) carbonate alcalin, hydroxyde alcalin, ou sel alcalin d'acide polycarboxylique dans un solvant N,N- diméthylalkylène urée D'après cette demande, l'introduction des monomères est effectuée selon un ordre arbitraire. Les procédés connus pour l'obtention de polyamides-imides concernent tous l'obtention de polymères statistiques selon des procédés comprenant une seule étape de réaction. Il a maintenant été trouvé qu'il était possible d'obtenir des polyamidesimides semi-ordonnés possèdant une température de transition vitreuse de premier ordre (TG) plus basse que celle des polymères statistiques connus jusque là Ces polyamides-imides présentent l'avantage d'être transformables à plus basse température. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'obtention de polyamides-imides issus d'un diisocyanate aromatique, l'anhydride trimellique et d'acide téréphtalique, dans la diméthylalkylène urée de p H S 4 7, M représentant un métal alcalin. -et le complément en diisocyanate aromatique (v moles) goutte à goutte, et de la diméthylalkylène urée en quantité suffisante pour la dilution complète du polyamide-imide, la proportion de diisocyanate étant en léger excès par rapport à celle des réactifs acides, avec x 0,5 y y+z = 1 0. H L Cmi RL N S Ca R z-: m 8 Hl N On entend par stoechiométrie la réaction entre un nombre égal de groupes réactifs isocyanates et de groupes réactifs anhydrides et acides Selon l'invention, parmi les diisocyanates aromatiques utilisables on peut citer les diisocyanato-2,4 ou 2,6 toluène, le diisocyanato-4,4 'diphénylméthane, le diisocyanato-4,4 'diphényléther, le diisocyanato-1,4 benzène, le diisocyanato-1,3 benzène ou leur mélange. Le diisocyanate préféré est le diisocyanato-4,4 'diphénylméthane. Parmi les diacides aromatiques des acides téréphtalique et isophtalique sont généralement utilisés quoique l'acide téréphtalique soit préféré. Comme diacide porteur de groupement SO 3 M les dicarboxy-3,5 benzène sulfonates de sodium ou potassium sont utilisés préférentiellement. Il est important dans les conditions de l'invention d'utiliser de la diméthyléthylène urée (DMEU) ou de la diméthylpropylène urée (DMPU) de p H polycondensation est limitée en masse moléculaire. Par ailleurs, des solvants autres que -les diméthylalkylènes urées ont été utilisés, tels que la la N-méthylpyrrolidone: la polycondensation séquencée est incomplète, le polyamide-imide obtenu possède une viscosité trop faible. Il est nécessaire d'utiliser de l'anhydride trimellique anhydre et de pureté > 98 %. Les polyamides-imides semi-ordonnés ainsi obtenus possèdent un nombre de séquences imide-imide et amide-amide supérieur à celui d'un polyamideimide obtenu en une seule étape dans le même solvant ou dans un autre solvant De tels polymères possèdent également une température de transition vitreuse inférieure de 5 à 20 'C par rapport à celle des polymères statistiques issus des mêmes constituants. Lors de leur mise en forme par filage, filmage ou moulage, ils sont ainsi plus aisés à tranformer, en particulier à des températures plus basses ce qui permet de limiter les phénomènes de dégradation pouvant se produire. Dans les exemples qui suivent la détermination de la température de io transition vitreuse Tg est réalisée au pendule à fibre de la manière suivante: La solution du polymère est utilisée pour enduire une tresse de verre de type E désensimé de 5 cm de long Cette tresse imprégnée est séchée sous un vide de 53,2 10-2 Pa à 120 'C pendant 12 heures Cette tresse est ensuite soumise à une sollicitation dynamique en torsion à l'aide d'un pendule à fibre On mesure ainsi la variation de rigidité de l'échantillon en fonction de la température, ce qui permet de déterminer les températures de transition vitreuse (Tg) du matériau. La caractérisation des enchaînements imide et amide est effectuée par résonance magnétique nucléaire (RMN'H) au moyen d'un appareil connu dans le commerce sous la marque Bruker Cette analyse est réalisée de la manière suivante: Le polymère est isolé par précipitation dans l'eau, lavage à l'eau bouillante et séchage ( 12 H à 100 'C sous 53,2 10-2 Pa) puis remis en solution à 5 % (poids) dans du DMSO deutérié sous septum chauffé à 130 'C. Les conditions d'analyses RMN'H sont: angle d'impulsion 26 temps d'acquisition: 3,4 S par 16 K mots nombre d'accumulation: 512 temps d'attente: 2 s Les enchaînements (imide-imide), (imide-amide), (amideamide) sont détectés grâce aux résonances méthyléniques (ex MDI) à 4,2-3,7 ppm. On observe un massif formé de 3 types de raies II, IA et AA. Par déconvolution, on obtient le pourcentage molaire de chaque type de CH 2 ( % IA, % AA, % II). Dans les exemples qui suivent, la DMEU utilisée a un p H de 6 est la DMPU un p H de 7. Exemple 1: Appareillage: Réacteur en verre de 1,5 1, équipé d'un agitateur de type ancre en acier inoxydable, vitesse de rotation 85 t/mn, d'une ampoule de coulée de 250 ml destinée à l'addition de la solution de diisocyanate de l'étape 2 et du solvant de dilution, d'une arrivée d'azote sur comptebulle, d'une sonde thermométrique et d'un réfrigérant à reflux avec sortie sur compte-bulle La sortie du réfrigérant est reliée à une colonne garnie de 600 g de chaux sodée destinée à piéger le gaz carbonique qui se dégage au cours de la réaction de polycondensation Une balance placée à proximité de l'installation permet d'enregistrer l'augmentation de poids de la colonne garnie de chaux sodée (accès direct en poids de C 02 dégagé). Le chauffage du réacteur est amené par un bain d'huile silicone piloté par système LOGILAP assisté d'un émetteur de programme de montée en température et éventuellement de maintien en isotherme à une température donnée (dans la majeure partie des cas 198 C). Réactifs: Etape 1: -Anhydride trimellique (ANTM) -Diisocyanato-4,4 'diphényl méthane (MDI) -Diméthyléthylène urée (DMEU) 61,44 g ( 0,32 mole) g ml ( 0,16 mole) -Acide téréphtalique (AT) 10,62 g( 0,064 mole) Dicarboxy 3,5 benzène sulfonate de sodium (Ai S Na) 4,29 g( 0,016 mole) DMEU 100 ml -MDI 60 + 3 = 63 g ( 0,252 mole) -DMEU 100 ml -DMEU rinçages 37 ml -DMEU dilution 27 > 21 % 149,4 g(d= 1,055)soit 142 ml -DMEU engagée à la polycon- densation 381,6 g(d= 1,055)soit 362 ml Etape 2: -2662168 Mode opératoire: Etape 1 On charge ANTM, MDI, DMEU, agite et purge l'appareil par balayage d'azote durant 40 minutes La température est montée à 198 C en 1 h 10 mn avec dégagement de C 02: 13,5 g piégés sur chaux sodée, théorie 14,08 g soit 95,88 %. Etape 2 - Addition, de l'AT et de l'Ai S Na (en poudre) puis de 100 ml de DMEU afin de véhiculer ces réactifs La température passe de 198 à 151 C On effectue la stabilisation de la température masse à 198 C et l'addition en 32 mn de la solution MDI ( 63 g)/DMEU Le début d'accroissement de la viscosité se situe 25 mn après le début de la coulée et la valeur de couple atteint 100 mv 8 mn après la fin de celle-ci On ajoute alors la DMEU de dilution en 8 mn, la température masse diminue de 198 à 150 C, on laisse revenir à température ambiante et on stocke. Caractérisation: Viscosité: Epprecht Rhéomat 15 cuve D + E 25 C vitesse lecture 57,2 f 12,36 j_(poises) Masses moléculaires: GPC 60 C Vecteur NMP à 5 10-2 N en Li Br (Masse donnée en équivalent Polystyrène) Troncature Mn Mw Polydispersité 2,09 Le PAI ainsi obtenu possède un nombre de séquences indiquées dans le tableau ci-dessous comparativement à un PAI statistique obtenu à partir des mêmes monomères dans la N- méthylpyrolidone selon le procédé décrit dans le FR 2079785. Exemple 1 (PAI séquencé) _ _ _ Comparatif (PAI statistique) _ _ _ _ _ __ Imide-imide 24 % 18 % Imide-amide 32 % 44 % Amide-amide 44 % 38 % Température de transition vitreuse Tg o 270 C 285 C Exemple 2: On utilise l'appareil décrit dans l'exemple 1. But: Réalisation d'un PAI au MDI sans Ai S Na (stoechiométrie compensée par de l'acide isophtalique) avec addition séquencée des réactifs. Appareillage: on utilise l'appareil décrit dans l'exemple 1. Réactifs: Etape 1: -ANTM -MDI -DMEU Etape 2: -AT -AI (acide isophtalique) -DMEU -MDI -DMEU -DMEU rinçages -DMEU dilution 27 > 21 % -DMEU engagée à la polycon- densation 61,44 g ( 0,32 mole) g ( 0,16 mole) ml ,62 g ( 0,064 mole) 2,66 g ( 0,016 mole) ml + 3 *= 63 g ( 0,252 mole) ml 37 ml 149,4 g(d= 1,055) soit 142 ml 381,6 g(d= 1,055)soit 362 ml *=excès de 3 %/MDI total engagé à la polycondensation. Mode opératoire: Etape 1: On charge ANTM, MDI, DMEU, agite et purge par balayage d'azote durant 40 minutes Début du chauffage jusqu'à 198 'C en 1 h 10 mm avec suivi du dégagement de C 02: 13,2 g piégés sur chaux sodée, théorie 14,08 g soit 95,88 %. -On ajoute de l'AT et de l'AI en poudre puis de 100 ml de DMEU afin de véhiculer ces 2 réactifs On stabilise la température masse à 198 C et ajoute en 32 mn la solution MDI ( 63 g) /DMEU Début d'accroissement de la viscosité mm après le début de la coulée La DMEU de dilution est ajoutée 8 mm après la fin de la coulée de la solution MDI/DMEU. Durée de l'addition de la DMEU de dilution 8 min (La température masse diminue de 198 à 162 C) Retour à température ambiante Stockage du polymère. Caractérisation: Viscosité: Epprecht Rhéomat 15 cuve D+E 25 C vitesse lecture f ,40 q L(poises) Exemple 3: Comparatif (NMP) Appareil: idem celui de l'exemple 1. Réactifs: Etape 1: -ANTM 61,44 g -MDI 40 g -NMP (N-méthylpyrrolidone) 125 ml ( 0,32 mole) ( 0,16 mole) Etape 2: Etape 2: -AT 10,62 g ( 0,064 mole) Ai S Na 4,29 g ( 0,016 mole) -NMP 100 ml -MDI 60 g ( 0,24 mole) -NMP 100 ml -NMP rinçages 45,5 ml -NMP dilution 27 > 21 % 149,4 g(d= 1,03)soit 145 ml lo -NMP engagée à la polycon- densation 381,6 g(d= 1,03)soit 370,5 ml Mode opératoire: Etape 1: -On charge ANTM, MDI, NMP, agite et purge par balayage d'azote durant 45 mn La température est montée à 198 C en 1 heure avec suivi du dégagement de C 02: 13,2 g piégés sur chaux sodée, théorie 14,08 g soit 93,75 %. Etape 2 -Addition de l'AT et de l'Ai S Na (en poudre) puis de 100 ml de NMP afin de véhiculer ces 2 réactifs La température passe de 198 à 153 OC La température masse est stabilisée à 197-198 C et on ajoute en 25 mn la solution MDI/DMEU; on rince l'ampoule de coulée par 45,5 ml de NMP Pas de montée en viscosité à la fin de la coulée On laisse réagir 10 mn en isotherme à 198 C, on n'observe toujours pas de montée de viscosité (CO 2 piégé à la fin de la coulée: 90,9 % de la théorie). On procède alors à des ajouts de MDI ( 2 g + I g + 2 g dans chaque fois 10 ml de NMP) soit + 5 % /MDI théorique Ces ajouts sont sans effet sur la viscosité. On ajoute néanmoins la NMP de dilution, laisse revenir à température ambiante et stocke On obtient un collodion très coloré et peu visqueux ( _ 10 poises) donc inutilisable. Exemple 4: On utilise l'appareil décrit dans l'exemple 1. Réactifs: -ANTM -DIDE (diisocyanato 4,4 ' diphényl éther) -DMEU -AT -Ai S Na -DMEU -DIDE 6 ( _n M Fl II 1 LS loe -DMEU rinçages -DMEU engagée à la polycon- densation -DMEU dilution 27 > 21 3.1 61,44 g ,32 g ml ( 0,32 mole) ( 0,16 mole) ,62 g ( 0,064 4,29 g ( 0,016 ml ),48 g ( 0,24 moles) )O ml 9 ml mole) mole) 364 ml(d= 1,055)soit 384 g 142 ml(d= 1,055)soit 150 g -On charge ANTM, DIDE et DMEU cuve démontée On met en place la cuve, agite et purge à l'azote durant 45 mn La température est montée à 198 C en 1 h 10 avec suivi du dégagement de C 02: 13,2 g piégés sur chaux sodée, théorie 14,08 g soit 93,75 % On ajoute l'AT et l'Ai S Na (en poudre) puis 100 ml de DMEU pour véhiculer ces 2 réactifs. -On stabilise la température de masse à 197-198 C et ajoute en 25 mn la solution DIDE/DMEU puis rince l'ampoule de coulée par 39 ml de DMEU On observe une montée en viscosité, valeur du couple 72 mv On laisse réagir encore 10 mn, coule la DMEU de dilution en 10 mn Après retour à la température ambiante on stocke le produit obtenu. Etape 1: Etape 2: Mode opératoire: Etape 1: Etape 2: Bilan C 02 des 2 étapes: 33,0 g (théorie 35, 2 g) soit 93,75 % il n'a pas été nécessaire de procéder à des ajouts de DIDE pour obtenir la montée en viscosité. Caractérisation: Viscosité: Epprecht Rhéomat 15 cuve D + E 25 C vitesse lecture f 12,36 rt (poises) Masses moléculaires: GPC 60 C Vecteur NMP à 5 10-2 N en Li Br (Masse donnée en équivalent Polystyrène) Troncature Mn Mw Mz Polydispersité 2,35 Température de transition vitreuse Tg 272 C témoin PAI statistique 280 C Exemple 5: Appareil: idem celui décrit dans l'exemple 1. Réactifs: Etape 1: -ANTM 76,8 g ( 0,4 mole) -TDI (diisocyanato-2,4 toluène) 34,8 g ( 0,2 mole) -DMEU 125 ml(d= 1,055)soit 132 g -AT -Ai S Na -DMEU -TDI-2,4 -DMEU rinçages 13,28 g ( 0,08 mole) ,36 g ( 0,02 mole) ml(d= 1,055)soit 137 g 52,2 g ( 0,3 mole) ml+ 20 ml (d= 1,055)soit 105,5 g Mode opératoire: Etape 1: -On charge ANTM, DMEU et TDI-2,4 cuve démontée On met en place la cuve et purge par un courant d'azote sous agitation durant 20 mn On monte la température jusqu'à dégagement de C 02 voisin de la théorie ( 0,4 mole soit 17,6 g) Cette valeur est atteinte ( 17 g soit 96,6 % de la théorie) à 197 C soit i H 20 après le début du chauffage. -On ajoute l'AT, Ai S Na (en poudre) et 130 ml de DMEU pour véhiculer ces 2 poudres dans la masse réactionnelle A température masse de 192 C on ajoute goutte à goutte en mn la solution de TDI dans la DMEU (pas d'exothermicité, isotherme à 197 C) puis on rince avec 2 x 10 ml de DMEU L'isotherme à 198 C est poursuivi durant mn On n'observe pas de montée en viscosité On procède alors à des ajouts de TDI de 1 ml ( 3 x 1 ml) Après chaque addition on observe une élévation de la viscosité On introduit encore 1 ml de TDI, on laisse en isotherme à 198 C durant 38 mn, on ajoute la DMEU de dilution en 10 min, laisse revenir à 50-60 C et on stocke. Caractérisation: Masses moléculaires: GPC 80 C Vecteur NMP à 5 10-2 N en Li Br (Masse donnée en équivalent Polystyrène) Troncature Mn Mw Mz Polydispersité 2,10 Etape 2: Etape 2: Viscosité: Epprecht Rhéomat 15 cuve D + E 25 C vitesse lecture f 12,36 r L(poises) Exemple 6: o 10 On utilise l'appareil décrit dans l'exemple 1. But: Réalisation d'un PAI au MDI sans Ai S Na (stoechiométrie compensée par de l'acide isophtalique) avec addition séquencée des réactifs dans la DMPU. Appareillage: on utilise l'appareil décrit dans l'exemple 1. Réactifs: Etape 1: -ANTM -MDI -DMPU -AT -AI (acide isophtalique) -DMPU MDI -DMPU -DMPU rinçages -DMPU dilution 27 > 21 % -DMPU engagée à la polycon- densation 61,44 g ( 0,32 mole) g ( 0,16 mole) ml ,62 g ( 0,064 mole) 2,66 g ( 0,016 mole) ml + 3 *= 63 g ( 0,252 mole) ml 37 ml 149,4 g(d= 1,055) soit 142 ml 385 g soit environ 362 ml *=excès de 3 %/MDI total engagé à la polycondensation. Mode opératoire: Etape 1: On charge ANTM, MDI, DMPU, agite et purge par balayage d'azote durant 20 minutes Début du chauffage jusqu'à 198 C en 1 h avec suivi du dégagement de CO 2: 13,2 g piégés sur chaux sodée, théorie 14,08 g soit 93,75 %. Etape 2: -On ajoute de l'AT et de l'AI en poudre puis de 100 ml de DMPU afin de véhiculer ces 2 réactifs On stabilise la température masse à 198 C et ajoute en 42 mn la solution MDI ( 63 g) /DMPU limpide, rinçage avec DMPU La coulée est stoppée alors qu'il reste 15 ml de solution à couler ( 175 ml au départ), la viscosité évoluant très rapidement (valeur couple 324 md) Défaut de MDI par rapport aux 63 g mis en solution: 63 x 15 = 5,4 g soit (,4-3,0 = 2,4 g(-2,4 % par rapport à la stoechiométrie) Bilan C 02 à la fin de l'étape: 95,2 % Durée de l'addition de la diméthylpropylène urée de dilution 11 min (La température masse diminue de 198 à C) Retour à température ambiante Stockage du polymère. Caractérisation: Viscosité: Epprecht Rhéomat 15 cuve D+E 25 OC vitesse lecture 56,4 f ,40 q (poises) Masses moléculaires: GPC 60 C Vecteur NMP à 5 10-2 N en Li Br (Masse donne en quivalent (Masse donnée en équivalent Troncature Mn Polystyrène) Mw Mz Polydispersité 2,20 Température de transition vitreuse Tg 272 C témoin PAI statistique 280 C Etape 2: REVENDICATIONS REVEND ICATIONS 1 Procédé pour l'obtention de polyamides-imides conformables semiordonnés issus d'un diisocyanate aromatique, d'anhydride trimellique et d'au moins un diacide aromatique, en proportions stoechiométriques ou avec léger excès de diisocyanate, dans la diméthylalkylène urée de p H 4 7, par polycondensation en absence de catalyseur en deux phases distinctes comprenant: I) la réaction entre x moles de diisocyanate aromatique de formule OCN-R 1-NCO et y moles d'anhydride trimellique à une température croissante de O à 200 'C en présence d'une quantité de diméthylalkylène urée de p H 7 suffisante pour dissoudre le composé intermédiaire obtenu jusqu'à lo élimination pratiquement totale de dioxyde de carbone correspondant à la quantité théoriquement formée jusque là puis, 2) l'addition à température de 190 à 200 C successivement de: z mole(s) de diacide aromatique dont t mole d'un diacide aromatique porteur de groupement 503 M, véhiculés par de la diméthylalkylène urée de p H 4 7, et v moles de diisocyanate aromatique correspondant au complément en diisocyanate, introduit dans la lère phase, goutte à goutte, et de la diméthylalkylène urée en quantité suffisante pour la dilution complète du polyamide-imide (PAI) avec: x = 0,5 y y + z = I 0 t $ z 0,5 y + z, v 0,55 y + 1,05 z 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les différents constituants sont présents dans les proportions suivantes, ramenées en pourcentage: x compris entre 35 et lo diisocyanate est le diphényl-méthane 4,4 '-diisocyanate. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le diacide aromatique est l'acide téréphtalique. 6 Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le composé acide porteur de groupe 503 M est le dicarboxybenzène-3,5 sulfonate de sodium.