Brevet FR2812297A1 — publié le 20020201

La présente invention concerne les compositions d'élastomères ayant s une bonne tenue thermique. Elle concerne en particulier des polycyanurates modifiés ayant une tenue thermique améliorée. Il existe différents types de polymères élastomères ayant de bonnes propriétés mécaniques statiques en traction. En particulier les polyuréthannes sont largement utilisés (par exemple l'Adilithe IV-95 ou le C36/H12MDI/3- o10 DCM de la société SAMI). Ces types de polymères ont certes des valeurs de contraintes à la rupture de l'ordre de 35 à 40 MPa et de déformations à la rupture de l'ordre de 400% à température ambiante, mais ces propriétés se dégradent rapidement et irréversiblement à haute température (supérieure à C) jusqu'à perdre plus de 60% de leur valeur initiale. Ils ne sont donc pas stables thermiquement. D'autres élastomères sont stables thermiquement mais possèdent alors différents désavantages: - les silicones type Shin Etsu KE 24 ont des propriétés mécaniques trop faibles. - les époxys sont trop rigides. - les fluoroélastomères type Viton sont trop difficiles à mettre en oeuvre en particulier pour réaliser des revêtements de faible épaisseur. Les mélanges de cyanates avec des composés à hydrogène mobile, en particulier les polyols, de façon à obtenir des polycyanurates modifiés ont été peu étudiés. De façon surprenante il a été découvert que certains polycyanurates modifiés selon la présente invention possédaient une bonne tenue thermique et une facilité de mise en ceuvre tout en n'étant ni trop fragiles, ni trop rigides. La présente invention concerne donc une nouvelle composition élastomère thermodurcissable à base de polycyanurate modifié à tenue thermique améliorée caractérisée en ce qu'elle est susceptible d'être obtenue par un procédé de polymérisation à l'aide d'un catalyseur (D) d'un mélange comprenant: (A) un cyanate, (B) un copolymère à bloc constitué par - a) au moins un bloc central (B1) non miscible avec le cyanate et suffisamment long pour donner à la composition obtenue un caractère élastomère et - b) au moins deux blocs terminaux (B2) situés de chaque côté du bloc central et comportant des groupes réactifs avec le cyanate, chacun desdits io blocs (B2) étant suffisamment longs pour être miscibles avec le cyanate et (C) une charge minérale réactive avec le cyanate dans des proportions telles que le rapport r soit au moins égal à 5, mais ne soit pas trop élevé pour éviter l'inversion de phase et avantageusement soit inférieur à 10, ledit procédé comprenant les étapes de: I- mélange de (A), (B), (C) et (D) jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène à une température supérieure à la température de fusion de (A) et de (B) mais inférieure à environ 130 C Il- polymérisation du mélange à une température comprise entre environ 130 et environ 170 C, 11l- post- cuisson du mélange polymérisé à une température supérieure ou égale à environ 200 C pour compléter la réaction et en ce que les valeurs de A'rupt et de Asrupt de la composition ainsi obtenue sont inférieures ou égales à environ 30%. Par le terme de " caractère élastomère d'une composition ", on entend au sens de la présente invention toute composition semi-rigide ayant des valeurs d'allongement à la rupture d'au moins environ 30%, cet allongement étant réversible à température ambiante. Par le terme de " suffisamment long ", on entend au sens de la présente invention: - pour les blocs B1, une masse molaire en nombre Mn d'au moins environ 1000 g/mol - pour les blocs B2, une masse molaire en nombre Mn d'au moins environ 500g/mol Par le terme " d'inversion de phase ", on entend au sens de la présente invention le passage d'une phase o la matrice polymère est essentiellement constituée par le copolymère bloc (B) à une phase o la matrice polymère est essentiellement constituée par le cyanate (A). Par le terme de " charge minérale réactive avec le cyanate ", on entend au sens de la présente invention, toute charge minérale portant des groupes réactifs avec le cyanate. Des exemples de tels groupes sont les groupes hydroxyle ou époxy. Des exemples de charge minérale réactive avec le cyanate selon l'invention sont en particulier l'alumine fonctionnalisée hydroxyle ou encore les alumino-silicates et autres silicates. Avantageusement, la charge (C) est de la silice fonctionnalisée hydroxyle, de préférence de la silice aérosil 150 ayant les caractéristiques suivantes: taille des particules entre 7 et 40 nm surface spécifique = 150 m2/g densité = 2,2 g/cm3 ' 3 groupes SiOH/nm2 Par le terme de " rapport r ", on entend au sens de la présente invention le rapport du nombre de groupes OCN présents dans la composition de départ avant réaction par le nombre de groupes réactifs avec le cyanate présents dans la composition de départ avant réaction. Ces groupes réactifs avec le cyanate peuvent en particulier provenir du copolymère, de la charge réactive et/ou du catalyseur. Les groupes OCN proviennent en général du cyanate (A). Par le terme de " Acyrupt ", on entend au sens de la présente invention la mesure de la variation entre la valeur de la contrainte à la rupture mesurée à 1 1 0 C au temps t=0 juste après la polymérisation et celle mesurée à 1 1 0 C au temps t=10 jours après un vieillissement à 160 C. Par le terme de " AErupt ", on entend au sens de la présente invention la mesure de la variation entre la valeur de l'allongement à la rupture mesurée à 110 C au temps t=0 juste après la polymérisation et celle mesurée à 110 C au temps t=10 jours après un vieillissement à 160 C. Avantageusement après 10 jours à 160 C, la valeur de Srupt de la composition selon l'invention mesurée à 110 C est au moins supérieure ou égale à environ % et de façon encore plus avantageuse après 10 jours à 160 C, la valeur de ayrupt de la composition selon l'invention calculée à 110 C est au moins supérieure ou égale à environ 3MPa. Les cyanates utilisables selon l'invention peuvent être de tout type. Il peut s'agir en particulier des monomères suivants: Structure des monomères cyanates nom propriété des commercial/ monomères fournisseur/ Tg % DK état C H20 I MHZ physique - ci-3 AROCYB Ciba-Geicy NC-0O O -CN \ /i \ / eBT-2000 289 2,5 2,91 CH3 Mitsubischi BPACN GC (B 10) -H3C CH3 AROCYM 252 1,4 2,75 _Ov lH Ciba-Geicy NC-O c o-CN CRYSTAL H T/B---iCN cO--3 _ CF3_AROCYF 270 1,8 2,66 NC--O k= /// = O--CNciba-Geicy 1tt CF3CRYSTAL CF3 6FBPACN a-i3__ AROCY L-10 258 2,4 2,98 - CH0 -C \LIQUIDE H BPEQN (L 10) - a A aARTX-366 192 -0,7 2,64 -: yCN Ciba-Geicy SEMI-SOLIDE BCFB PRIMASET 270 3,8 3,08 -O CN O-CN OOCN PT to Allied-signal 350 REX-371 C2 Ciba-Geicy SEMI-SOLIDE /n NOVOLAK CYANATE XU-71787 244 1,4 2,80 WD Dow chemical SEMI- DTCN SOLIDE Les cyanates utilisables selon l'invention peuvent également être avancés en conversion, par homopolymérisation. Il peut par exemple s'agir du B30 (cyanate B10 homopolymérisé à hauteur de 27%) ou du B50 (cyanate B10 homopolymérisé à hauteur de 44%). Les blocs du copolymère à bloc (B) selon l'invention peuvent être: - pour le bloc central (B1) non miscible avec le cyanate, par exemple un polydiméthylsiloxane, polybutadiène, polybutadiène hydrogéné ou polyétherfluoré, - pour les blocs terminaux (B2) miscibles avec le cyanate, par exemple des polycaprolactones, polyesters ou polycarbonates. Le bloc non miscible apporte le caractère élastomère voulu à la composition et les blocs externes apportent la miscibilité avec le cyanate. Avantageusement, le bloc central non miscible du copolymère (B) est du type polysiloxane. De façon encore plus avantageuse, le copolymère (B) est un copolymère polycaprolactone-polydiméthylsiloxane, de préférence le Tegomer 6440 commercialisé par la société GOLDSCHMIDT ayant les caractéristiques suivantes: Spécifications Tegomer 6440 Groupes fonctionnels OH primaires Fonctionnalité 2 Nb d'unités de répétition n/m* = 30/18 Masse molaire 6500 + 600 g/mol Equivalent OH 3300 g/mol Point de fusion (motif PCL) 54 C Apparence Pastilles blanches * n représente le nombre d'unité -Si(CH3)20 (diméthylsiloxane) et m le nombre d'unité -CO(CH2)50 (caprolactone). La présente invention concerne également un procédé de préparation d'une composition selon l'invention caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: I- mélange de (A), (B), (C) et (D) jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène à une température supérieure à la température de fusion de (A) et de (B) mais inférieure à environ 130 C Il- polymérisation du mélange à une température comprise entre environ 130 et environ 170 C, III- postcuisson du mélange polymérisé à une température supérieure ou égale à environ 200 C pour compléter la réaction. En effet, l'étape I sert à mélanger de façon intime les différents composants de 1o la composition selon l'invention. Il ne faut donc pas, lors de cette étape, que la réaction de polymérisation commence. La température appliquée doit donc être inférieure à environ 130 C. L'étape II est l'étape de polymérisation du mélange. Cette polymérisation ne peut commencer qu'au dessus d'environ 130 C. L'étape III quant à elle sert à compléter la réaction. Il faut appliquer une haute température afin de s'assurer qu'il ne reste pas de monomère résiduel dans la composition. Avantageusement, les catalyseurs (D) utilisables dans le procédé selon l'invention sont activables thermiquement et/ou par irradiation UV. De façon encore plus avantageuse, ce sont des dérivés organométalliques ou des photocatalyseurs tels que [CpFe(CO)2]2 ou CpMn(CO)3. De façon encore plus avantageuse, il s'agit de l'acétylacétonate de cuivre dans le nonylphénol, de préférence dans la proportion de 100 ppm. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'étape I du procédé est conduite à environ 90 C pendant environ 6h, I'étape II à environ C pendant environ 8h et l'étape III à environ 200 C pendant environ 2h. La température peut être appliquée à la composition selon l'invention de différentes manières. Elle peut l'être, en particulier, en étuve ou sous presse. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, l'étape II du procédé est conduite sous presse à environ 170 C pendant environ 4h et l'étape III est conduite sous presse à environ 200 C pendant environ 2h. La présente invention concerne également l'utilisation de la composition selon l'invention comme revêtement de rouleaux en particulier de machines d'impression, comme encapsulant de composants, comme supports pour microélectronique, comme liant pour propulseurs ou pour composite. Les exemples ci-après de composition selon l'invention sont donnés à titre de d'illustration et sans caractère limitatif. o10 Exemples de préparation d'un polymère selon l'invention: Procédé expérimental a) mélange des réactifs (cyanate et polyol) en pot à température supérieure à leur point de fusion (80 C) puis ajout à cette température du catalyseur et d'une partie de la charge de façon à rendre le mélange suffisamment solide pour rester sur les rouleaux de la calandre b) mélange sur calandre à 80 C du reste de la charge c) presse ou étuve. Le cycle de température utilisé pour réaliser les exemples de compositions selon l'invention est de 6h à 90 C, 8h à 170 C et 2h à 200 C. Pour chaque exemple, les proportions de chacun des constituants sont indiquées dans le tableau 1 suivant. Tableau 1: Proportions introduites dans les formulations selon la proportion de silice. Exemples % de Masse de Masse de Masse de silice Masse de silice Tegomer cyanate Aérosil 150 catalyseur introduit 6440 B 10 Acétyl acétonate de cuivre dans du nonylphénol en poids en g en g en g en g 1 10 100 28,79 14,31 0,2998 2 15 100 33,62 23,58 0,35006 3 20 100 39,5 34,87 0,41129 4 27 100 50,25 55,57 0,52322 Protocole expérimental du test de vieillissement à 160 C: Les matériaux sont préparés sous forme de plaques d'environ 1 mm d'épaisseur coupées en carré de 7 cm /7 cm. Ces plaques emballées dans du papier d'aluminium, considéré inerte vis-àvis de la composition selon l'invention, sont placées dans une étuve dont la température est de 160 C contrôlée à:20C. i0 Chaque plaque est sortie de l'étuve au bout d'un temps précis (0, 6, 7, 24, 72 heures, 5, 9 ou 10 jours). Après avoir subi le test du vieillissement, cinq éprouvettes de traction type H3 normalisées (norme AFNOR T51-034) sont découpées à l'emportepièce dans cette plaque. S5 Les propriétés mécaniques statiques selon la norme AFNOR T51-034 sont ensuite évaluées grâce à une machine de traction de type J.J. Lloyd MK30 à une vitesse de 50 mm/min, dans une chambre d'ambiance régulée à + 1 OC soit à température ambiante, soit à 110 C selon le domaine de températures sur lequel s'étend le plateau caoutchoutique des matériaux testés. Pour chaque exemple et pour d'autres matériaux servant de comparaison, les résultats des tests sont indiqués dans les tableaux 2 à 5 suivants: Tableau 2: Evolution de la valeur de la contrainte à la rupture a en MPa mesurée à 110 C en fonction du temps de vieillissement à 160 C. ShinEW Temps (h) EX 1 EX 2 EX 3 EX 4 Viton KE24 0 2,615 3,02241 3,4615 3,74138 5,009 4,57194 24 2,15267 2,467 3,58167 4,755 4,80425 3,1966 72 1,74633 2,08 3,69725 3,82767 4,94525 3,62825 1,73967 2,256 3,385 3,8396 5,35475 2.,78375 216 à 240 1,342 1,852 3,2 3,62833 5,6755 3,2272 Tableau 3: Evolution de la valeur de l'allongement à la rupture s en % mesurée à 110 C en fonction du temps de vieillissement à 160 C. Temps (h) EX 1 EX 2 EX 3 EX 4 Viton SInE;t KE24 o0 110,818 63,285 42, 3425 41,1244 116,35 44,8475 24 169,533 96,775 71,3567 41,5133 101,383 43,52 72 168,6 103,903 86,055 57,34 101,728 40,1625 122 154,775 117,5 86,5625 59,042 99,3525 35,8675 216 117,20 67,185 75,395 45,2067 105 41,1375 1o Les valeurs des variations de Cyrupt et 8rupt calculées à 110 C pour chaque exemple et pour d'autres matériaux au cours du test de vieillissement à 160 C sont rassemblées dans le tableau 4. Tableau 4: Variations des propriétés mécaniques à la rupture mesurées à 110 C au cours du test de vieillissement à 160 C (entre 0 et 10 jours). 1! Ex 1 Ex 2 Ex 3 Ex 4 Viton Shin Adilithe Etsu IV-95 KE 24 Aampt(oo Entre 0 et 24 -17,6 -18,38 3,5 27,1 -4,09 -30,1 - 46.97 heures Entre 0 et 10 -37,21 -38,72 -7,55 -3,02 13,31 -28,32 -77,75 jours Entre 24h et -23, 72 -24,93 -10,66 -23,7 18,14 2,52 -58,04 jours ASrupt(%) Entre 0 et 24 53 52,92 68,52 1 -12,86 -2,96 -12,97 h Entre 0 et 105,76 6,16 78,06 9,93 -9, 75 -8,27 -87,28 jours Entre 24h et - 30,87 -30,57 5,66 8,89 3,57 -5,47 84,25 jours Les valeurs négatives expriment la diminution de la propriété et les valeurs positives l'augmentation de cette propriété. Tableau 5: Valeur des variation de de (aruDt et srupt calculée à 110 C pour le polvuréthanne-urée à base de polvol C36 au cours du test de vieillissement à 160 C. C36/H12MDI/3-DCM (D2000/T5000) Entr 24het3orpt (%) Entre 0 et 24 h -53,38 Entre 0 et 3 jours -62,23 Entre 24h et 3 jours -18,98 A&rupt (%) Entre 0 et 24 h -72,28 Entre 0 et 3 jours -92,12 Entre 24h et 3 jours -71,6 Tableau 6: Valeurs moyennes des écarts sur la contrainte et la déformation à la rupture calculées sur les exemples 1 à 4 selon l'invention. Valeur moyenne AcA,pt (%) &rupt (%) Entre 0 et 10 jours -22% 25% Entre 24h et 10 jours -20,75% -11,80% Ces résultats mettent bien en évidence la stabilité thermique au cours du test de vieillissement à 160 C des compositions selon l'invention. Plus la teneur en silice est élevée, plus la contrainte à la rupture augmente et l'allongement à la rupture diminue. En comparaison avec d'autres matériaux stables thermiquement (silicones Shin Etsu KE 24 et viton ), il apparaît que les compositions selon l'invention contenant 20% ou 27% de silice sont dans la fourchette de valeurs de ces matériaux. La composition selon l'invention contenant 15% de silice offre tout de même un bon allongement à la rupture malgré une contrainte à la rupture plus faible. Les compositions selon l'invention sont donc stables thermiquement. D'après les valeurs moyennes des écarts sur les propriétés mécaniques statiques calculées sur les exemples selon l'invention, il apparaît qu'elles ont toute une variation inférieure ou égale à 30% sur la contrainte et sur la déformation (entre 0 et 10 jours ou entre 1 et 10 jours). On est loin des écarts obtenus avec le polyuréthanne-urée type C36/H12MDI/3-DCM (D2000/T5000) ou le polyuréthanne type l'Adilithe IV-95 commercialisé par la société SAMI, matériaux non stables thermiquement. Exemple de mise en oeuvre d'un rouleau avec la composition de l'exemple 4 selon l'invention. 1. Mélange en pot d'une partie des réactifs (Tegomer 6440+B10+catalyseur) à environ 80 C quelques minutes, le temps que les monomères fondent 2. calandrage à environ 80 C du mélange précédent auquel on rajoute progressivement le reste de la charge. 3. le mélange obtenu avec la calandre est ensuite passé dans une extrudeuse monovis à filière plate (80 C environ) située face à un enrouleur sur lequel est fixé le rouleau à enduire (le rouleau est maintenu suffisamment chaud pour que la matière ne recristallise pas). Les vitesses respectives sont i0 réglées pour que la bande de matière s'enroule régulièrement sans se déchirer. 4. le rouleau enduit est ensuite placé en étuve pour le cycle thermique complet de 6h à 90 C, 8h à 170 C et 2h à 200 C. On obtient ainsi un rouleau enduit de la composition selon l'invention et donc stable thermiquement au niveau des propriétés statiques mécaniques. La composition selon l'invention a donc une grande facilité de mise en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Composition élastomère thermodurcissable à base de polycyanurate modifié à tenue thermique améliorée, caractérisée en ce qu'elle est susceptible d'être obtenue par un procédé de polymérisation en présence d'un catalyseur (D) d'un mélange comprenant au moins: (A) un cyanate, (B) un copolymère bloc constitué par - a) au moins un bloc (B1) central non miscible avec le cyanate et o10 suffisamment long pour donner à la composition un caractère élastomère - b) au moins deux blocs terminaux (B2) situés de chaque côté du bloc central et comportant des groupes réactifs avec le cyanate, chacun des blocs (B2) étant suffisamment longs pour être miscibles avec le cyanate et (C) une charge minérale réactive avec le cyanate dans des proportions telles que le rapport r soit au moins égal à 5, mais reste inférieur à une valeur limite pour éviter l'inversion de phase ledit procédé comprenant les étapes de: I- mélange de (A), (B), (C) et (D) jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène à une température supérieure à la température de fusion de (A) et de (B) mais inférieure à environ 130 C Il- polymérisation du mélange à une température comprise entre environ et environ 170 C, III- post-cuisson du mélange polymérisé à une température supérieure ou égale à environ 200 C pour compléter la réaction et en ce que les valeurs de A'rupt et de Asrupt de la composition ainsi obtenue sont inférieures ou égales à +30%. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'après 10 jours à 160 C la valeur de son srupt mesuré à 11 0 C est au moins égal à environ 40%. 3. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'après 10 jours à 160 C la valeur de son crupt mesurée à C est au moins égal à environ 3MPa. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bloc (B1) du copolymère (B) est du type polysiloxane. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le copolymère (B) est un copolymère polycaprolactone- 1o polydiméthylsiloxane, de préférence le Tegomer 6440. 6. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la charge (C) est de la silice fonctionnalisée hydroxyle, de préférence de la silice aérosil 150. 7. Procédé de préparation d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: I- mélange de (A), (B), (C) et (D) jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène à une température supérieure à la température de fusion de (A) et de (B) mais inférieure à environ 130 C Il- polymérisation du mélange à une température comprise entre environ et environ 170 C, III- post- cuisson du mélange polymérisé à une température supérieure ou égale à environ 200 C pour compléter la réaction. 8. Procédé selon la revendications 7, caractérisé en ce que le catalyseur (D) utilisé est de l'acétylacétonate de cuivre dans le nonylphénol, de préférence dans la proportion de 100 ppm. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'étape I est conduite à environ 90 C pendant environ 6h, l'étape II à environ 170 C pendant environ 8h et l'étape III à environ 200 C pendant environ 2h. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'étape Il est conduite sous presse à environ 170 C pendant environ 4h et l'étape III est conduite sous presse à environ 200 C pendant environ 2h. 11. Utilisation de la composition selon l'une quelconque des io revendications I à 6, comme revêtement de rouleaux, en particulier des machines d'impression. 12. Utilisation de la composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comme encapsulant de semi-conducteurs. 13. Utilisation de la composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comme supports pour micro-électronique. 14. Utilisation de la composition selon I'une quetconque des revendications 1 à 6 comme liant pour propulseurs ou pour composite.