Brevet FR2695645A1 — publié le 19940318

(i RÉPUBLIQUE FRAN AISE INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE O NO de publication: (à n'utiliser que pour les commandes de reproduction) () N d'enregistrement national: PARIS Int Cls: C 08 G 79/08, C 04 B 35/58 DEMANDE DE BREVET D'INVENTION @ O Date de dépôt: 15 09 92. ) Priorité: @)Date de la mise à disposition du public de la demande:18 03 94 Bulletin 94/11. Liste des documents cités dans le rapport de recherche préliminaire: Se reporter à la fin du présent fascicule. e Références à d'autres documents nationaux apparentés: ) Demandeur(s): RHONE-POULENC CHIMIE FR. ) Inventeur(s): Mignani Gérard, Richard Christophe et Trichon Roger. ) Titulaire(s): { Mandataire: Tezier Béatrice Rhône-Poulenc Chimie. G Procédé de préparation de polyaminoborazines. a L'invention concerne un procédé de préparation de pyaminoborazines du type consistant à polycondenser thermiquement des aminoborazines trifonctionnelles, ca- ractérisé en ce que, dans le but d'obtenir des polyaminobo- razines homogènes, la réaction de polycondensation est réalisée à l'équilibre. Elle concerne également les polyaminoborazines sus- ceptibles d'être obtenus par ce procédé. Elle vise enfin l'utilisation de ces polyaminoborazines pour la fabrication de produits et articles céramiques à base de nitrure de bore, notamment sous forme de fibres, de films, de matrices, de revêtements, de poudres et de pièces massives. 2 695 645 92 10952 A 1 I,{ tn Ue Co Cn Co ( 44 Il- PROCEDE DE PREPARATION DE POLYAMINOBORAZINES La présente invention concerne un procédé de préparation de polyaminoborazines. Elle concerne également les polyaminoborazines susceptibles d'être obtenues par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Elle vise enfin, à titre d'application, l'utilisation de ces polymères pour la fabrication de produits et articles céramiques à base de nitrure de bore, notamment sous forme de fibres, de films, de matrices, de revêtements, de poudres et de pièces massives. Afin d'obtenir un polymère précurseur de matériaux céramiques à base de nitrure de bore dont la tenue à la pyrolyse et donc le rendement pondéra I en nitrure de bore sont améliorés, il est connu de polycondenser thermiquement des aminoborazines trifonctionnelles On a ainsi décrit, dans les demandes de brevets et brevets EP 0342673, GB 2163761 et EP 0384857, la polycondensation thermique de différentes aminoborazines en présence ou en absence d'une amine lourde. Cependant, les polyaminoborazines obtenues présentent l'inconvénient de ne pas être homogènes, c'est à dire que ces polymères présentent une répartition polydisperse de leur masse moléculaire, favorisant la formation de gels Cette formation de gels a pour conséquence de rendre la mise en forme de ces polymères délicate, voire difficile, et d'aboutir à des matériaux, mis en forme à partir de ces polymères, dont les propriétés mécaniques ne sont pas satisfaisantes Du fait de leur non homogénéité, ces polyaminoborazines peuvent être également insolubles partiellement et/ou fusibles à des températures trop élevées pour rendre leur mise en forme aisée. Il est donc souhaitable et c'est un des buts de la présente invention de pouvoir disposer de polymères homogènes, c'est à dire qu'ils présentent une répartition de leur masse moléculaire monodisperse, de manière à éviter les inconvénients indiqués ci-dessus. Un autre but de la présente invention est de fournir avec un taux de transformation élevé un polyaminoborazine conduisant, après pyrolyse, au matériau céramique avec un rendement pondéra I élevé. Ces buts et d'autres sont atteints par la présente invention qui concerne en effet un procédé de préparation de polyaminoborazines du type consistant à polycondenser thermiquement des aminoborazines trifonctionnelles, caractérisé en ce que, dans le but d'obtenir des polyaminoborazines homogènes, la réaction de polycondensation est réalisée à l'équilibre. Les aminoborazines trifonctionnelles sont des produits bien connus et ont une structure cyclique de formule générale ( 1) suivante: l-B(NRR 2)-NR 3-l 3, formule ( 1) dans laquelle R,, R 2 et R 3, identiques ou différents, représentent l'hydrogène, un radical alkyle saturé ou insaturé ou un radical aryle. Elles sont notamment décrites dans R Toeniskoetter et Col, Inorg Chem, 2 ( 1963), page 29; le brevet US 2754177; K Niedenzu et Col Chem Ber. ( 1960), 94, page 671 et K Niedenzu et Col J Am Chem Soc ( 1959), 20, page 3561. Les aminoborazines utilisées dans le procédé de la présente invention peuvent également se trouver sous la forme de mélanges de monomères, de dimères, et éventuellement de trimères de ces aminoborazines trifonctionnelles. De préférence, on utilise des aminoborazines trifonctionnelles de formule ( 1) dans laquelle R 3 est l'hydrogène et/ou R, et R 2 sont des radicaux alkyle, de façon plus préférée saturés. De manière encore plus préférentielle, R, et R 2 sont des radicaux alkyle saturés de Ci à C 4 On peut notamment citer les radicaux méthyle, éthyle ou propyle. La Demanderesse a donc découvert de façon surprenante et avantageuse que l'équilibre de la réaction de polycondensation des aminoborazines trifonctionnelles peut être réalisé et que cet équilibre permet de contrôler la polymérisation des aminoborazines trifonctionnelles Les polyaminoborazines ainsi obtenues sont plus particulièrement fusibles et/ou solubles dans la plupart des solvants usuels, tels que le tétrahydrofurane, le diméthylacétamide ou le chloroforme. Ainsi, et sans vouloir se lier à une quelconque théorie de l'invention, il semble nécessaire d'indiquer que la réaction principale d'accès aux polyaminoborazines par polycondensation thermique peut s'écrire de la manière suivante: aminoborazines trifonctionnelles polyaminoborazines + amines. La température et la pression partielle en amines produites lors de la polycondensation sont les facteurs physiques de cet équilibre Ces facteurs doivent être par conséquent controlés, plus particulièrement, la pression partielle en amines doit être différente de 0. Cet équilibre réactionnel peut être avantageusement déplacé à volonté dans le sens de la réaction de la polycondensation en faisant varier soit la température du milieu réactionnel, soit la pression partielle en amines produites lors de la polycondensation, tout en laissant varier ou en variant l'autre paramêtre. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de la présente invention, l'équilibre est réalisé par augmentation de la température, si on laisse la pression partielle en amines produites augmenter Ce mode préféré est mis en oeuvre par tout moyen connu en soi, plus particulièrement, par substitution naturelle du gaz inerte présent dans le réacteur au départ par les amines produites lors de la polycondensation, tout en augmentant la température. L'état de la technique, au contraire, décrit un balayage sous atmosphère inerte lors de la polycondensation thermique, ce qui équivaut à imposer une pression partielle en amines produites nulle, alors que la température de polycondensation est fixée. Les gaz inertes les plus utilisés sont lazote et l'argon. La polycondensation thermique des aminoborazines est généralement réalisée à une température comprise entre 150 'C et 350 'C, de préférence à une température comprise entre 2000 C et 2500 C. Le procédé selon l'invention est réalisé en masse ou en solution dans un solvant aprotique polaire (diméthyléthylèneurée ou N-méthylpyrollidone, par exemple) ou apolaire (chlorobenzène ou hexane, par exemple) et sous conditions anhydres. La figure unique est un chromatogramme de la chromatographie par perméation de gel de polyaminoborazines obtenues selon le procédé de la présente invention. L'homogénéité des polyaminoborazines obtenues selon le procédé de la présente invention, après éventuellement élimination du solvant (distillation ou autres), se constate en interprétant les chromatogrammes des chromatographies par perméation de gel des polyaminoborazines obtenues selon le procédé de la présente invention Cette homogénéité est notamment illustré par la figure unique. La présente invention concerne également les polyaminoborazines susceptibles d'être obtenues par la mise en oeuvre du procédé décrit auparavant. Ces polyaminoborazines présentent l'avantage d'être homogènes. Compte tenu de leur qualité, les polyaminoborazines obtenues selon le procédé de la présente invention trouvent une application toute particulière pour la fabrication de produits céramiques formés à base de nitrure de bore, notamment sous forme de fibres, de films, de matrices, de revêtements, de poudres et de pièces massives. Dans le cas le plus général, on pyrolyse alors le polymère dans une atmosphère inerte, sous vide, ou sous ammoniac, à une température allant de 1000 C à 2000 'C jusqu'à ce que le polymère soit converti entièrement en une céramique à base de nitrure de bore. Le polymère, avant pyrolyse, peut également être mis en forme par filmage, par moulage ou par filage par exemple Dans le cas o l'on désire obtenir des fibres, le polymère est filé au moyen d'une filière classique, après fusion ou mise en solution du polymère, puis est pyrolysé entre 1000 C et 20000 C sous vide, sous atmosphère inerte (argon ou azote) ou sous ammoniac en vue de sa transformation en nitrure de bore. Il est préférable, après la mise en forme du polymère, afin d'améliorer la tenue thermique du polymère et d'augi-cnter ainsi les rendements lors de la pyrolyse ultérieure, de procéder à un traitement physique (thermique) ou chimique (hydrolyse) du polymère mis en forme. Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter sa portée. Dans ces exemples: Mn et Mw sont respectivement la masse molaire moyenne en nombre et en masse, THF est le tétrahydrofurane, DMAC est le diméthylacétamide, NMP est le N- méthylpyrollidone, tr/min signifie agitation en tour par minute, les pourcentages sont donnés en masse, sauf mentions contraires. Les valeurs de Mn et Mw sont obtenues à partir des analyses faites par chromatographie par perméation de gel avec un mélange THF/DMAC de composition volumique 80/20 comme éluant et le polystyrène comme référence. Ces valeurs obtenues et données de Mn et de Mw doivent être multipliées par 2,5 pour obtenir les valeurs réelles de Mn et de Mw des polyaminoborazines obtenues. Exemple 1 ,0 g de B-tris(propylamino)-borazine sont introduits dans un réacteur ouvert de 500 cm 3 sous atmosphère inerte (azote) L'agitation est assurée par une ancre dont la vitesse de rotation est de 3 tr/min Le réacteur est ensuite immergé dans un bain métallique à 1000 C dont la température s'élève à 2200 C à raison de 1 'C/min On effectue ensuite un palier de 5 heures à cette température. Au cours de l'essai, on ne réalise pas de balayage du réacteur par un courant d'azote; la propylamine produite reste dans le ciel du réacteur La propylamine dégagée diffuse dans un courant d'azote et on receuille dans une cuve à eau o elle est dosée par de l'acide chlorhydrique 2 N A la fin du palier, la basicité dosée est de 5,57 éq/kg (maximum théorique = 5,96 éq/kg) soit un taux de conversion de 93,4 % On laisse ensuite revenir à température ambiante La perte de masse est de 32,9 % (maximum théorique = 35,2 %). Malgré le taux de conversion élevé, le polymère obtenu est fusible et soluble dans les solvants organiques usuels. Sa température de fusion, mesurée au banc Kofler, est d'environ 1150 C. Dans ces conditions, le polymère présente des Mn et Mw respectivement de 1040 et 1460. La figure unique correspond à une courbe du cumul pondérai (exprimé en pourcentage) en fonction du Log de M, M représentant la masse molaire moyenne, obtenue par chromatographie par perméation de gel. La figure unique correspond au chromatogramme du polymère obtenu. Exemple 2 53,3 g de B-tris(propylamino)-borazine sont polycondensés dans des conditions analogues à celles de l'exemple 1 La température du palier est de 240 'C et celui-ci dure 4 heures La basicité dosée est de 6,13 éq/kg et la perte de masse de 35,65 %. Le polymère présente une température de fusion de 1700 C et des Mn et Mw respectivement de 1300 et 2200. Exemple 3 53,2 g de B-tris(propylamino)-borazine sont polycondensés dans des conditions analogues à celles de l'exemple 1 La température du palier est de 1800 C et celui-ci dure 14 heures La basicité dosée est de 4,21 éq/kg et la perte de masse de 24,1 %. Le polymère présente une température de fusion inférieure à 200 C et des Mn et Mw respectivement de 920 et 1180. Exemple comparatif 4 ,8 g de B-tris(propylamino)-borazine sont introduits dans le réacteur ouvert de 500 cm 3 La programmation de température est identique à celle de l'exemple 1 ( 100 à 220 C à 1 l C/min puis palier de 5 heures à 220 C) Toutefois, au cours de cet essai, on effectue un balayage du ciel du réacteur par un courant d'azote de 5 I/h A la fin du palier, la basicité dosée est de 6,16 éq/kg et la perte de masse atteint 36,4 %. Le polymère obtenu dans ces conditions présente une température de fusion de 230 C et est peu soluble dans les solvants organiques (DMAC, NMP), la partie soluble du polymère possède des Mn et Mw respectivement de 1470 et 3230. Exemple 5 59,5 g de B-tris(méthylamino)-borazine sont povcondensés dans des conditions analogues à celles de l'exemple 1 La température du palier est de C et celui-ci dure 17 heures La perte de masse est de 27,5 % (maximum théorique = 27,8 %), soit un taux de conversion de 99 %. Le polymère obtenu présente une température de fusion de 220 C et des Mn et Mw respectivement de 810 et 1230. Exemple 6 1 Polycondenstion Dans un réacteur ouvert de 500 ml on introduit, sous azote, 56,7 g de B- tripropylaminoborazine. L'agitation est assurée par une ancre dont la vitesse de rotation est de 3 tr/min L'ensemble est inerté par un courant d'azote ( 5 I/h) dans le ciel du réacteur Ce dernier est immergé dans un bain métallique à 100 C puis la température du bain est montée jusqu'à 220 C à raison de 1 C/min On effectue ensuite un palier de 2 heures 45 minutes à cette température. Au cours de la réaction, on ne réalise pas de balayage du réacteur par un courant d'azote, la propylamine produite reste dans le ciel du réacteur La propylamine dégagée est dosée par de l'acide chlorydrique 2 N de la même façon que dans l'exemple 1. A la fin du palier, le dégagement de propylamine correspond à 4,85 éq/kg, soit un taux de conversion de 81 %. On laisse ensuite revenir à température ambiante Après craquage dans un bain acétone/carboglace, la polymère présente une température de ramollissement de 50 C et de fusion de 80 C mesurées au banc Kofler. Le précurseur obtenu est laissé dans le réacteur et l'on reprend le chauffage dans les conditions données dans le tableau suivant: TEMPERATURE VITESSE DUREE DEGAGEMENT ( C) D'AGITATION ( h) PROPYLAMINE ( tr/min) ( éq/kg) 3 3 O 180 4 0,04 3 4 0,04 180 1 0,04 180 0,5 0,04 180 1 0,04 220 180 0,5 0,18 A la fin de ce traitement thermique, le dégagement total d'amine est de 5,03 éq/kg, ce qui correspond à un taux de conversion de 84 % Le polymère, de couleur brun foncé, présente alors une température de ramolissement de 105 C et de fusion de 130 C Les masses moléculaires obtenues par GPC sont Mn = 1100 et Mw = 1800. 2 Filage du polymère obtenu Le polymère est filé à l'état fondu, durant 45 minutes, à la température moyenne de 150 C à l'aide d'une buse qui, après filtration (filtre Fuji 0,5 pm et tamis métalliques 40 pm) et répartition, débouche sur une plaque filière percée de 7 trous de diamètre et de hauteur de 0,23 mm Le débit total de polymère est de 0,226 cm 3/min Par étirage de filaments sous la filière, à la vitesse d'appel de 15 m/min, on obtient un fil de 7 filaments de diamètre unitaire 52,3 pm et de titre 290 dtex. 3 Pyrolyse des fibres Les fibres sont pyrolysées sous ammoniac jusqu'à 1000 C, à une vitesse de 12 C/h avec un palier de 2 heures à cette température La perte de masse n'est que de 46 %, tandis que pour une aminoborazine moins condensée, elle est habituellement de 54 à 57 % Les filaments ont gardé leur individualité: la stabilité ne nuit donc pas à son aptitude à la réticulation. Après pyrolyse à 1800 C sous argon, les fibres sont blanches Elles ont une densité de 2,014 (théorique 2,28). Exemple 7 Polycondensation en solution Dans un réacteur ouvert de 250 ml, sous argon est ajouté 77 g de B- tris(méthylamino)-borazine et 59 g de ' /1 P anhydre Le mélange est agité a I'aide d'une ancre métallique à 200 tr/min jusqu'à ce que la solution devienne homogène et limpide On chauffe ensuite la solution vers 180 C Après 2 heures minutes de ce traitement, on obtient un collodion transparent de viscosité voisine de 876 poises (à 23 C) Ce collodion est constitué de 55 g de NMP et 73 g de polyaminoborazines. Exemple 8 Dans un réacteur ouvert de 250 ml, on charge sous argon 59,5 g de B- tris(méthylamino)-borazine On immerge le réacteur, agité par une ancre métallique tournant à 3 tr/min, dans un bain à 100 C La Btris(méthylamino)- borazine fond rapidement On élève la température du bain à 200 C en 10 minutes La masse entre en ébullition, on laissse réagir 7 heures à cette température Après refroidissement, on obtient un solide ( 41,3 g) ayant une température de ramollissement de 190 C La perte de masse est de 27,5 %. Les masses moléculaires obtenues par GPC sont Mn = 810 et Mw = 1230. Ce polymère est ensuite filé par voie fondue dans les conditions suivantes: Température d'extrusion (régulateur): 225 C, Température de filière (régulateur): 235 C, Débit total de polymère: 0, 754 cm 3/min, Débit par capillaire: 0,1077 cm 3/min, Temps de séjour à l'état fondu: 15 minutes, Vitesse de passage aux capillaires: 2,593 m/min, Vitesse maximale d'appel: 343 m/min, Demi angle de croisure: 70, Taux d'étirage maximal théorique: 132, Diamètre minimum théorique: 20,um, Taux d'étirage maximal mesuré: 370, Diamètre minimum mesuré: 12 ptm. Le polymère s'extrude sans difficulté La stabilité à l'état fondu du polymère est au moins supérieure ou égale à 15 minutes La qualité du fil, en sortie de filière, permet de le déposer sur un support avec un demi-angle de croisure de 7 La qualité du fil est également très satisfaisante d'aspect. REVENDICATIONS 1./ Procédé de préparation de polyaminoborazines du type consistant a polycondenser thermiquement des aminoborazines trifonctionnelles, caractérisé en ce que, dans le but d'obtenir des polyaminoborazines homogènes, la réaction de polycondensation est réalisée à l'équilibre. 2./ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les aminoborazines trifonctionnelles utilisées sont de structure cyclique de formule ( 1): l-B(NR 1 R 2)-NR 3-l 3, formule ( 1) dans laquelle R 1, R 2 et R 3, identiques ou différents, représentent l'hydrogène, un radical alkyle saturé ou insaturé ou un radical aryle. 3./ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que on utilise des aminoborazines trifonctionnelles de formule ( 1) dans laquelle R 3 est l'hydrogène et/ou R 1 et R 2 sont des radicaux alkyle, de préférence saturés. 4./ Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que on utilise des aminoborazines trifonctionnelles de formule ( 1) dans laquelle R, et R 2 sont des radicaux alkyle saturés de Ci à C 4. 5./ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température et la pression partielle en amines produites lors de la polycondensation sont contrôlées. 6 / Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'équilibre est réalisé par augmentation de la température, si on laisse la pression partielle en amines produites augmenter. 7./ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la polycondensation thermique des aminoborazines est réalisée à une température comprise entre 150 C et 350 C, de préférence à une température comprise entre 200 C et 250 C.