Brevet FR2731432A1 — publié le 19960913

COMPOSITION A BASE DE POLYAMIDE A STABILITE LUMIERE ELEVEE La présente invention conceme une composition à base de polyamide présentant une stabilité à la lumière élevée. Elle conceme plus particulièrement une composition à base de polyamide comprenant un pigment noir. Les compositions à base de matière thermoplastique comprenant ou non des charges de renforcement sont utilisées pour la fabrication de pièces moulées diverses telles que pièces pour les connections électriques, pièces de moteur thermique tel que les moteurs de véhicules automobiles, pièces diverses fixées sur le corps de différents appareils ou faisant partie de celui-ci. A titre d'exemple, on peut citer les tableaux de commande de différents appareils électroménagers, ou des éléments fixés dans l'habitacle d'un véhicule ou sur la carrosserie de celuici. Ainsi, les coquilles de rétroviseur, les poignées, ou les éléments du tableau de bord peuvent être réalisés par moulage d'une composition à base de matière thermoplastique. Parmi les matières thermoplastiques, les polyamides sont utilisés pour la réalisation de pièces requérant des propriétés mécaniques etlou une tenue en température élevées. II est demandé, pour les pièces qui sont exposées en permanence à la lumière et'ou aux intempéries, une résistance du matériau à ces deux éléments, c'est-à-dire une conservation des propriétés du matériau après exposition à la lumière et'ou aux intempéries. Parmi les matières thermoplastiques, les polyamides ont une résistance à l'agression par la lumière etlou les intempéries plus faibles que le polyester thermoplastique par exemple. Un des objets de la présente invention est de proposer une composition polyamide présentant une stabilité améliorée de ses propriétés sous l'effet de la lumière etlou des intempéries par exemple voisine de celle du polyester. A cet effet, I'invention propose une composition comprenant une matrice thermoplastique à base de polyamide semicnstallin, comprenant un pigment noir et éventuellement des charges de renforcement. Cette composition se caractérise par la présence d'additifs thermiquement stabilisants, en association avec un pigment noir constitué par au moins un pigment noir d'origine minérale, et avec au moins des additifs diminuant l'effet des rayonnements sur la dégradation de la matrice polymérique Les additifs diminuant l'effet des rayonnements sur la dégradation de la matrice polymérique comprennent des composés antioxydants, et'ou des composés appelés anti-UV ou absorbant les rayonnements tels que les rayons U.V. Ces additifs sont par exemple décrits dans l'ouvrage intitulé "Oxidation, Inhibition in Organic Materials édités par Jan Pospisil et Peter P. Klemchuk (1990), ou dans la demande de brevet européen n" 0 610 155. A titre d'exemple, on peut citer comme composés antioxydants convenables pour l'invention, les monophénols substitués ou non par des groupements alcoyles tels que le 2,6-di-tert-butyl4-méthylphénol ou analogues ; les hydroquinones substituées ou non par des groupements alcoyles telles que la 2,6-di-tert-butyl4-méthoxyphénol; les thiophényléthers hydroxylés tels que le 2,2'-thiobis(6-tert-butyl-4méthylphénol); les bisphénols substitués ou non par des groupements alcoyles tels que 2,2'-méthylène bis(6-tert-butyl-4 méthylphénol); les composés du benzène tels que le 1 ,3,Stri-(3,5di- tert-butyl-4hydroxybenzyl)-2,4,6-triméthylbenzène; les aminophénols acylés; les amines encombrées telles que la N,N'-di-isopropyl-p-phénylènediamine, phénothiazine, 1,4benzothiazine ou analogue. On peut également utiliser des antioxydants appelés 'secondaires" tels que les phosphites, phosphonites aromatiques ou aliphatiques, les sels alcalins d'acide phénylphosphonique ou d'acide hypophosphoreux. Comme composés stabilisants lumière ou absorbants des rayons UV, on peut citer, à titre d'exemples, les 2-(2'-hydroxyphényl)benzotriazoles comme le 2-(2'-hydroxy5'-méthylphényl)benzotriazole ou analogue; les 2-hydroxy-benzophénones comme la 3,3'-méthylène-bis(2-hydroxy-4méthoxybenzophénone); les esters d'acides benzoiques substitués ou non tels que le bis(4tert-butylbenzoyl)résorcinol; les acrylates ; les amines encombrées stériquement; les diamides d'acide oxalique, les hydroxyphényl-s-triazine ; les composés du nickel tels que les complexes du nickel avec le 2,2'-thiobis4-(1 , 1 ,3,3-tétraméthylbutyl)-phénol. Quand un de ces additifs est présent dans la composition, sa concentration pondérale est comprise entre 0,05 % et 5 % environ, par rapport à la composition totale. Dans le cas où ces deux catégories de composés sont présents, ce qui représente un mode de réalisation préféré de l'invention, la concentration pondérale totale en ces composés est comprise entre 0,10 % et 5 % environ par rapport à la composition totale Selon une autre caractéristique de l'invention, la composition peut comprendre un additif diminuant la vitesse de cristallisaiton du polymère constituant la matrice, et plus particulièrement du polyamide. Cet additif permet d'améliorer l'état de surface de la pièce moulée, et également d'améliorer l'aspect de surface de la pièce après l'exposition aux rayonnements tels que la lumière etlou aux intempéries. Les composés diminuant la vitesse de cristallisation convenables pour l'invention sont choisis dans le groupe comprenant les polymères amorphes, les polymères semicristallins présentant une température de cristallisation inférieure à celle du polyamide formant la matrice de la composition. Ces deux types de polymères ont également la propriété d'être compatibles avec le polyamide formant la matrice de la composition, c'est-à-dire pouvant être mélangés avec ledit polyamide sans risque de séparation de phases. Les composés diminuant la cristallisation peuvent également être choisis parmi les produits de condensation de l'aniline avec le nitrobenzène ou les polyols, tels que le glycol ou les polyglycols. Selon une caractéristique préférée de l'invention, le composé diminuant la vitesse de cristallisation est un produit de condensation de l'aniline avec le nitrobenzène, et plus particulièrement de la nigrosine ou ses dérivés tels que le chlorhydrate de nigrosine. Selon une caractéristique de l'invention, la concentration massique en pigment noir d'origine minérale est au moins égale à 0,05 % environ de la composition totale, de préférence comprise entre 0,1 % et 2 % environ. Les stabilisants thermiques sont ceux usuellement utilisés dans le domaine des polyamides, tels que les associations métal/halogène comme le système iodure de cuivre, iodure de potassium, par exemple. Ces composés sont présents à une concentration pondérale comprise entre 0,03 % et 1 % du poids total de la composition. Quand l'additif diminuant la vitesse de cristallisation est de la nigrosine ou un de ses dérivés, la concentration pondérale totale en nigrosine et en pigment noir d'origine minérale est avantageusement au moins égale à 0,10 % de la composition totale, avantageusement comprise entre 0,15 et 0,5 % environ. Dans les autres cas, I'additif diminuant la vitesse de cristallisation est présent selon une concentration pondérale au moins égale à 0,5 % et avantageusement comprise entre 1 % et 10 % de la composition totale. Les compositions de l'invention peuvent également comprendre d'autres pigments pour obtenir des compositions de couleurs différentes, notamment des pigments blancs pour la réalisation de pièces de couleur grise. Les compositions de l'invention peuvent comprendre une charge de renforcement constituée par des fibres minérales telles que des fibres de verre, fibres de carbone etlou des fibres organiques telles que des fibres en polymère thermostable comme des fibres en poly(p-phénylène téréphtalamide), par exemple ou par des particules minérales telles que du kaolin, du talc ou du mica. Elles peuvent comprendre un mélange de cellesci. La composition de l'invention présente un aspect de surface très bon, c'est-à-dire que les charges et les pigments n'apparaissent pas en surface de la pièce. La concentration pondérale en charge de renforcement peut être élevée et notamment supérieure à 10 % en poids par rapport au poids de la composition totale. La composition peut également comprendre d'autres additifs usuellement utilisés pour la fabrication de compositions polyamides destinées à être moulées. Ainsi, on peut citer les lubrifiants, ignifugeants, plastifiants, agents nucléants, agent d'amélioration de la résilience ou autres additifs conventionnels. Par polyamide semi-cristallin convenable pour l'invention comme matrice de la composition on entend les polymères obtenus par action de polycondensation de diacides carboxyliques aliphatiques saturés ayant de 6 à 12 atomes de carbone tels que, par exemple l'acide adipique, acide azélaique, acide sébacique, acide dodécanoique ou un mélange de ceux-ci avec des diamines biprimaires de préférence aliphatiques saturées linéaires ou ramifiées ayant de 4 à 12 atomes de carbone telles que, par exemple l'hexaméthylène diamine, la triméthylhexaméthylène diamine, la tétraméthylène diamine, la m-xylène diamine ou un mélange de celles-ci ;; les polyamides obtenus soit par homopolycondensation directe d'acide eo-aminoalcano7que comportant une chaîne hydrocarbonée ayant de 4 à 12 atomes de carbone, soit par ouverture hydrdytique et polymérisation des lactames dérivés de ces acides; les copolyamides obtenus à partir des monomères de départ des polyamides précités, le composant acide de ces copolyamides pouvant consister en outre en partie en acide téréphtalique etlou en acide isophtalique ; et les mélanges de ces polyamides ou leurs copolymères. A titre d'illustration des polyamides obtenus par polycondensation de diacides et de diamines, on citera par exemple: - le Nylon 4,6 (polymère de tétraméthylènediamine et biacide adipique), - le Nylon 6,6 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide adipique), - le Nylon 6,9 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide azélaique), - le Nylon 6,10 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide sébacique), - le Nylon 6,12 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide dodécanediolque). A titre d'illustration des polyamides obtenus par homopolycondensation qui peuvent convenir, on citera: - le Nylon 4 (polymère d'acide amino-4 butanoique ou de obutyrolactame), - le Nylon 5 (polymère d'acide amino-5 pentanoique ou de Samylolactame), - le Nylon 6 (polymère d'e-caprolactame), - le Nylon 7 (polymère d'acide amino-7 heptanoique), - le Nylon 8 (pdymère de capryllactame), - le Nylon 9 (pdymère d'acide amino-9 nonanoique), - le Nylon 10 (polymère d'acide aminol 0 décanoîque), - le Nylon 11 (polymère d'acide amino-1 1 undécanoique), - le Nylon 12 (polymère d'acide amino-1 2 dodécanoïque ou de laurylactame). A titre d'illustration des copolyamides, on citera par exemple: - le Nylon 6,6/6,10 (copolymère d'hexaméthylènediamine, d'acide adipique et d'acide sébacique), - le Nylon 6,6/6 (copolymère d'hexaméthylènediamine, d'acide adipique et de caprolactame). Les polyamides préférés de l'invention sont les polyamides 6.6, les polyamides 6 et les copolyamides 66/6. Les compositions de l'invention sont obtenues par les procédés classiques de mélange des différents additifs, soit par mélange en milieu fondu dans un mélangeur, soit par passage dans une extrudeuse mono ou double vis. La composition ainsi obtenue, également appelée compound, est produite avantageusement sous forme de granulés obtenus par découpe d'un ou plusieurs joncs formés en sortie d'extrudeuse. Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie des pigments et des additifs est ajoutée dans le polyamide sous forme d'un mélange-maître dont la matrice est un polyamide de même nature que celui de la composition ou différent, et dans lequel les pigments etlou les additifs sont présents à une concentration élevée pouvant aller jusqu'à 50 % en poids. Ce procédé permet une meilleure dispersion des additifs et pigments dans la composition. Les pièces moulées sont obtenues par mise en forme du compound par les techniques habituelles de moulage telles que moulage par injection, injection soufflage, injection gaz, injection compression, injection multimatières ou analogue. Les propriétés des compositions sont déterminées par les méthodes suivantes: - Indice de vlscosité : cet indice est mesuré sur une solution de polymère contenant 0,59 de polymère dissous dans 100ml d'un solvant acide formique / eau (90 / 10) à une température de 25"C selon la Norme ISO 307/1984/015. - Température de cristallisation au refroldissement: détermination par la méthode D.S.C. selon la Norme ISO 1218, pendant le refroidissement du polymère préalablement fondu. - Résilience: Déterminée par la mesure de la résistance au choc Charpy "lisses1 selon la Norme ISO 179/leU. - Aspect de surface des pièces moulées : cet aspect est appécié par estimation visuelle et comparaison avec un témoin de surface bonne formant référence. Pour cette appréciation on réalise une pièce d'aspect type carter par injection lente. - Stabilité vis-à-vis de l'exposltion aux rayonnements UV (Xénotest) :cette stabilité est mesurée par utilisation des appareils d'insolation artificielle : XENOTEST ou WEATHER-O-METER ATLAS Cl35. La résistance de la couleur est évaluée par rapport à l'échelle des gris, conformément à la Norme française NF G 07-011. La durée de l'essai est définie par rapport à une échelle des bleus comprenant plusieurs échantillons conformément à la norme française NF G07-012. Pendant chaque cycle, I'échantillon est arrosé par de l'eau pendant 3min. toutes les 20min., la durée d'arrosage étant portée à 23min. toutes les 6 heures. L'échantillon est éclairé pendant 21 heures puis non exposé à la lumière pendant 3 heures. Ce mode opératoire est mis en oeuvre avec le WEATHER-O-METER. Les exemples donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif illustreront l'invention et les avantages de celle-ci. Dans les exemples ci-dessous les concentrations sont exprimées en pourcentage en poids du composé par rapport au poids total de la composition, sauf indication contraire. Les compositions sont obtenues par alimentation dans une extrudeuse double vis d'un polyamide sous forme de granulés, et des différents additifs constituant la composition à fabriquer. Les conditions de mélange sont celles habituellement utilisées pour la fabrication des compounds à base de polyamide. Généralement, les pigments sont alimentés sous forme d'un ou plusieurs mélanges-maître, c'est-à-dire de composition à base polyamide comprenant une concentration élevée en pigment. Ce mode d'introduction des pigments est uniquement un mode préféré. Par ailleurs, ces mélanges-maître peuvent également contenir d'autres additifs tels que les stabilisants chaleurs, les lubrifiants ou analogue. Les différents composants utilisés dans les essais ci-dessous sont: - copolyamide 66/6 selon un rapport 90/10 - fibres de verre - Kl -Cul - noir minéral: noir Monarch commercialisé par la Société CABOTT - Retardateur de cristallisation: PA 6 (exemple 10) Oisol black N (nigrosine BASE) commercialisée par la Société BAYER (exemples 7 et 9) .Noir Spirit BB (chlorhydrate de nigrosine) commercialisé par la Société SIMPSON (autres exemples) - antioxydant : - Irganox 1098 (commercialisé par la Société CIBA-GEIGY) (exemples 1, 2, 3, 5, 10) Irgafox 168 (commercialisé par la Société CIBA-GEIGY) (exemple 6) - stabilisant lumière: - TINUVIN 770 (commercialisé par la Société CIBA-GEIGY) (exemples 1, 2, 3, 4) - - TINUVIN 1577 (commercialisé par la Société CIBA-GEIGY) (exemple 10, en mélange avec TINUVIN 770 dans un rapport 15771770 de 1/2) - stabilisants mixtes - Tinuvin B 1166 FF (commercialisé par la Société CIBA-GEIGY) (exemples 7, 8, 9) mélange de:Irganox 1098 25 % Irgafox 168 25 % Tinuvin 770 50 % Les granulés de chaque composition ont été moulés pour réaliser d'une part des éprouvettes sur lesquelles ont été mesurées les propriétés mécaniques et de la résistance aux rayons UV, et d'autre part des pièces pour apprécier l'état de surface. Les compositions conformes à l'invention et leurs propriétés sont rassemblées dans le tableau 1 ci-dessous: L'exemple 1 1 comprend également un pigment blanc composé par du TiO2 avec une concentration de 0,095% en poids. La composition a une couleur grise. TABLEAU 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Polyamide 68,37 78,13 78,36 78,70 68,79 68,79 68,26 78,40 77,33 63,65 Fibres de verre 30 20 20 30 30 30 30 20 30 30 Stabilisants Cul 0,044 0,05 0,05 0,044 0,044 0,044 0,028 0,05 0,044 0,044 thermiques Kl 0,24 0,27 0,27 0,239 0,239 0,239 0,015 0,27 0,236 0,236 Lubrifiant 0,41 0,47 0,47 0,408 0,408 0,408 0,172 0,31 0,27 0,27 Antioxydants 0,109 0,125 0,125 -- 0,109 0,109 -- -- -- 0,109 Stabilisant lumière 0,218 0,25 0,25 0,218 -- -- 0,5 0,5 0,436 0,327 Pigment noir minéral 0,409 0,468 0,234 0,204 0,204 0,204 0,129 0,233 0,202 0,179 Retardateur de cristallisation 0,204 0,234 0,234 0,204 0,204 0,204 0,129 0,233 0,202 5 Vieillissement après 6 cycles 4/5 4/5 4 4 4 4 4/5 4/5 4 4 Aspect de surface = +1 +2 = = = = = = = Choc Charpy "Lisses" kJ/m 77,9 44,8 53,7 77,1 78,2 80,4 64,3 41,3 69 Des essais de tenue au vieillissement UV ont été réalisés avec des compositions commerciales à base de matrice polytéréphtalate de butylèneglycol. Ainsi, la composition commercialisée par la Société AKZO sous le nom de zARNITE TV 4460 K1 en coloration grise a la notation 415 après 6 cycles de vieillissement. De même la composition T 29000 V 30 commercialisée par la Société Rhône- Poulenc Chimie a la notation 415 après 6 cycles de vieillissement. Ces essais démontrent que les compositions conformes à l'invention comprenant comme matrice thermoplastique, un polyamide, ont une résistance à l'exposition de lumière du même ordre de grandeur et même équivalente à celle des compositions à matrice polyester. REVENDICATIONS 1.- Composition comprenant une matrice thermoplastique à base de polyamide semi-cristallin, des stabilisants thermiques, des pigments dont au moins un pigment noir, caractérisée en ce que le pigment noir comprend au moins un pigment noir d'origine minérale, et en ce qu'elle comprend au moins un composé diminuant l'effet de la lumière etlou des rayons U.V. sur la dégradation de la matière polymérique formant la matrice de la composition. 2.- Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le composé diminuant l'effet de la lumière et(ou des rayons U.V. est choisi dans le groupe comprenant les composés antioxydants, les composés absorbants la lumière etlou les rayons U.V.,et leurs associations. 3.- Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la concentration en pigment noir d'origine minérale est au moins égale à 0,05 % en poids de la composition totale, de préférence comprise entre 0,1 et 2 %. 4.- Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la concentration en composé diminuant l'effet de la lumière etlou des rayons U.V. est comprise entre 0,05 % et 5 %en poids de la composition totale. 5.- Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la concentration en composé diminuant l'effet de la lumière etlou des rayons U.V., quand il est constitué par une association d'au moins un composé antioxydant et d'au moins un composé absorbant, est comprise entre 0,10 et 0,50% en poids de la composition totale. 6.- Composition selon l'une des revendication 2 à 5, caractérisée en ce que les composés antioxydants sont choisis dans le groupe comprenant les composés phénoliques stériquement encombrés, les amines aromatiques, les composés phosphites, phosphonites d'alkyles. 7.- Composition selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que les composés absorbants la lumière etlou les rayons U.V. sont choisis dans le groupe comprenant les composés du benzotriazole, 2-hydroxy-benzophénones, acrylates, esters d'acide benzoïque substitués ou non, les amines stériquement encombrés, les complexes du nickel, les diamides d'acide oxalique. 8.- Composition selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un composé diminuant la vitesse de cristallisation du polymère formant la matrice de la composition. 9.- Composition selon la revendication 8, caractérisée en ce que le composé diminuant la vitesse de cristallisation est choisi dans le groupe comprenant les polyols, les produits de condensation de l'aniline avec le nitrobenzène, les polymères compatibles avec le polymère formant la matrice de la composition et qui soit sont amorphes, soit ont une température de cristallisation inférieure à celle du polymère formant la matrice, ou leurs associations. 10.- Composition selon la revendication 9, caractérisée en ce que les produits de condensation de l'aniline avec le nitrobenzène sont la nigrosine ou ses dérivés tels que le chlorhydrate de nigrosine. 11.- Composition selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que la concentration pondérale en composé diminuant la vitesse de cristallisation quand il est constitué par un produit de condensation de l'aniline avec le nitrobenzène est au moins égale à 0,10% de la composition totale, de préférence comprise entre 0,15 et 0,50% . 12.- Composition selon la revendication 9, caractérisée en ce que la concentration pondérale en composé diminuant la vitesse de cristallisation quand il n'est pas constitué par un produit de condensation de l'aniline avec le nitrobenzène, est au moins égale à 0,5% de la composition totale, de préférence entre 1 et 10%. 13.- Composition selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des charges de renforcement choisies dans le groupe comprenant: des fibres de verre, fibres de carbone, fibres en polymère thermostable, du kaolin, du talc, du mica. 14.- Composition selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le polyamide est choisi dans le groupe comprenant le PA 66; PA 6; PA 4-6 et leurs copolymères. 15.- Articles obtenus par moulage d'une composition selon l'une des revendications précédentes;