Brevet FR2870252A1 — publié le 20051118

PROCEDE DE SYNTHESE DE PIGMENTS OUTREMERS Les pigments outremers sont des aluminosilicates de sodium de structure sodalite qui contiennent des espèces soufrées. La sodalite de formule Na6(AI6Si6024) est formée de cages sodalite (cubooctaèdres tronqués) juxtaposées. Dans cette structure compacte peuvent s'insérer des sels NaX. Les chromophores du pigment outremer sont des polysulfures radicalaires S3 (bleu) et S2 (jaune). Ces chromophores sont insérés dans les cages sodalite sous la forme de sels NaS3 et NaS2. La teinte des pigments est liée à la concentration de ces chromophores. Le pigment outremer bleu est la forme synthétique de la pierre semiprécieuse lapis lazuli. Pendant des siècles, un pigment bleu était préparé à partir de cette pierre. Ce pigment de très bonne qualité était toutefois très coûteux et on chercha à le synthétiser par voie chimique. C'est seulement en 1828 que J.B. Guimet découvrit le procédé de synthèse du pigment outremer bleu. Le procédé actuel de synthèse du pigment outremer bleu, basé sur le procédé découvert par Guimet, consiste à chauffer un mélange de métakaolin, de carbonate de sodium, de soufre et d'un réducteur. Ces réactifs sont mélangés dans les proportions souhaitées, puis sont calcinés dans des fours. Le cycle de température se décompose en plusieurs étapes: un chauffage à 800 C à l'abri de l'air, suivi d'une étape d'oxydation à plus basse température. Ce procédé produit des pigments outremers bleus de bonne qualité, mais présente plusieurs inconvénients: les températures élevées et la durée de synthèse rendent ce procédé coûteux en énergie; au cours du chauffage à l'abri de l'air et du refroidissement, une quantité importante de gaz se dégage: dioxyde de carbone, dioxyde de soufre; le S02 doit être traité afin de respecter les normes locales 2870252 2 de protection de l'environnement, ce qui accroît le coût de la production; les eaux de lavage du pigment brut ont une DCO (demande chimique en oxygène) élevée, à cause de la présence de polysulfures résiduels et de thiosulfate de sodium. Pour respecter les normes locales de protection de l'environnement, ces eaux doivent être traitées avant d'être rejetées; la qualité du pigment bleu synthétisé varie en fonction de différents paramètres et en fonction du cycle de température, en particulier au 10 cours de l'oxydation. Peu après la découverte de la synthèse du pigment outremer bleu, des pigments roses et verts, ayant la même structure que l'outremer bleu et contenant également des espèces soufrées, furent synthétisés. L'outremer vert a été synthétisé par calcination, à l'abri de l'air, de matières premières similaires à celles utilisées pour la fabrication du bleu outremer. Lors de sa production, on rencontrait des problèmes liés au rejet des eaux de lavage du pigment brut qui contiennent une quantité importante de polysulfures. La présente invention permet de pallier les inconvénients présentés par les procédés de synthèse de pigments outremers existants. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de synthèse de pigments outremers vert et bleu par calcination en une seule étape et qui ne dégage pas de gaz polluants. Selon un premier aspect, l'invention a trait à un procédé de synthèse de pigments outremers par calcination à l'abri de l'air d'un mélange comprenant de la zéolithe A, du sulfure de sodium et du soufre, caractérisé en ce que: la zéolithe A est séchée en préalable jusqu'à une teneur en eau inférieure à 10%, de préférence inférieure à 1% (en poids) , et 30 - le milieu de réaction est exempt d'eau. 2870252 3 Selon diverses réalisations, le procédé de synthèse présente les caractères suivants, le cas échéant combinés: le mélange réactionnel comprend du sulfure de sodium anhydre; la température de calcination est comprise entre 500 et 1000 C; la zéolithe séchée est gardée à l'abri de l'humidité jusqu'à la calcination; - le mélange réactionnel se caractérise par: o un rapport massique S/Na* compris entre 0,87 et 1,74 (Na* étant Na du Na2S) et o les pourcentages massiques suivants: ^ Na2S/zéolithe > 9% et ^ S/zéolithe > 1% ; la mise en oeuvre du procédé de synthèse à partir dudit mélange conduisant dans ce cas à l'obtention d'un pigment outremer vert; - le mélange réactionnel se caractérise par: o un rapport massique S/Na* supérieur à 1,74; o les pourcentages massiques suivants: ^ 9% Selon un second aspect, l'invention a trait à un procédé de synthèse de pigments outremers qui comprend une étape de calcination à l'abri de l'air d'un mélange comprenant de la zéolithe A, éventuellement du sulfure de 2870252 4 sodium et/ou du soufre, éventuellement des ions hydroxyde, et des polysulfures de composition formelle Na2Sn, n étant un nombre supérieur à 1, le produit résultant de la réaction de calcination étant refroidi à l'abri de l'air, conduisant à l'obtention d'un produit brut qui comprend le pigment outremer synthétisé, des polysulfures et éventuellement du soufre. Dans ce cas, le procédé de synthèse présente les caractères suivants, le cas échéant combinés: les polysulfures Na2Sn participant à la réaction de calcination proviennent au moins en partie du recyclage des polysulfures et éventuellement du soufre présents en excès dans ledit produit brut, ledit recyclage comprend les étapes suivantes, réalisées de préférence à l'abri de l'air: o solubilisation des polysulfures et éventuellement du soufre présents dans le produit brut par lavage dudit produit brut avec un solvant non aqueux; o séparation du pigment outremer synthétisé, en suspension dans ledit solvant chargé en polysulfures et éventuellement en soufre; o évaporation dudit solvant permettant d'obtenir les polysulfures et éventuellement le soufre cristallisés. le solvant apte à solubiliser les polysulfures présents dans le produit brut est sélectionné dans le groupe: acétone, acétonitrile, ammoniac, disulfure de carbone, diméthylsulfoxyde, éthanol, méthanol, pyridine, tétrahydrofurane, diméthylformamide, propanol; ledit solvant est utilisé de préférence à l'état anhydre; le solvant évaporé est récupéré et réutilisé dans le procédé. Le pigment outremer présent en suspension dans ledit solvant est séparé par filtration ou tout autre procédé adapté. Le pigment ainsi séparé est soit relavé avec le même solvant selon le même procédé, soit séché afin d'éliminer toute trace de solvant. L'invention va maintenant être décrite en détail. 2870252 5 Les différentes étapes du procédé de synthèse selon l'invention ont lieu à l'abri de l'air. Dans une variante de réalisation, le procédé de synthèse a lieu sous atmosphère inerte, dans une enceinte étanche. Dans une autre variante de réalisation, le procédé de synthèse a lieu dans une enceinte non fermée sous flux continu de gaz inerte. Il est cependant possible de réaliser l'ensemble des étapes du procédé sous vide ou sous air sec et dans des enceintes étanches. Les conditions de travail à l'abri de l'air, tout au long du procédé de synthèse, ont pour effet la réduction drastique de la formation de dioxyde de soufre, le soufre en excès étant transformé en majeure partie en polysulfures. Le mélange réactionnel comprend, comme réactifs: i) de la zéolithe A commerciale préalablement séchée. De manière préférée, est utilisée la zéolithe 4A. L'étape de séchage est nécessaire, car la zéolithe A non séchée contient environ 22% (en poids) d'eau. Le demandeur a constaté, et c'est un des mérites de l'invention, que l'utilisation d'une zéolithe séchée contenant moins de 10% d'eau, de préférence moins de 1% (en poids) d'eau, dans le procédé de synthèse de pigments outremers, conduit à l'obtention de pigments de couleur intense, sans dégagement gazeux important. ii) du sulfure de sodium sous forme anhydre, provenant du commerce. Le demandeur a constaté, et c'est un autre mérite de l'invention, que l'utilisation de sulfure de sodium anhydre, à la place de formes hydratées, utilisées jusqu'à présent pour la synthèse de pigments outremers, contribue, en gardant le milieu réactionnel exempt d'eau, à l'obtention de pigments de couleur intense et à la réduction des quantités de gaz dégagées. Sans chercher à comprendre les causes intrinsèques des effets décrits aux points i et ii, on peut supposer qu'au cours du chauffage, l'eau résiduelle contenue dans la zéolithe A sort de la structure dans le milieu réactionnel où elle hydrolyse une partie des polysulfures, ce qui diminue la quantité de chromophores insérables. L'eau peut également hydrolyser les chromophores dans les cages. A l'inverse, l'absence de l'eau dans le milieu réactionnel au cours de la calcination favorise l'insertion des chromophores S3 et S3 dans la zéolithe A, et par conséquent l'obtention d'un pigment de meilleure qualité. Par 2870252 6 ailleurs, l'absence de l'eau dans le milieu de calcination, combinée à l'absence d'oxygène, empêche la formation de différents gaz (SO2, H2S). iii) du soufre, provenant du commerce. iv) des polysulfures ou un mélange de polysulfures et de soufre, dans une variante de réalisation. Ces composés sont obtenus, au moins en partie, par la solubilisation, dans un solvant non aqueux, des polysulfures et éventuellement du soufre présents en excès dans le produit brut résultant après le refroidissement du produit de la réaction de calcination, suivie d'une étape d'élimination du pigment en suspension et de l'évaporation dudit solvant. Après détermination de la nature des polysulfures solides obtenus (le polysulfure de degré supérieur le moins réduit, existant à l'état solide à température ambiante, est Na2S5; pour les stoechiométries supérieures on obtient donc, après évaporation du solvant, un mélange de polysulfures et de soufre), ils sont mélangés à de la zéolithe et éventuellement à du sulfure de sodium et/ou du soufre pour une nouvelle synthèse. v) des ions hydroxyde. L'ajout d'ions hydroxyde, sous forme d'un sel hydroxyde (par exemple: NaOH, LiOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2) permet de diminuer la durée de calcination ou la température de calcination, dans le cas de la synthèse de pigments outremers bleus. Cependant, plus il y a d'ions hydroxyde, moins la qualité du pigment est bonne. Les pourcentages massiques ions hydroxyde/zéolithe utilisés dans le mélange de calcination sont compris entre 0% et 5%. A titre d'exemple, l'étape de calcination du mélange à 700 C en l'absence d'ions hydroxyde présente une durée supérieure à 72h, alors que l'ajout de NaOH audit mélange avant calcination dans les mêmes conditions réduit cette durée à moins de 24h. Le procédé de synthèse permet d'obtenir, en une seule étape (de calcination), des pigments outremers de bonne qualité. Préalablement à la calcination, la zéolithe A est séchée sous vide dans des conditions lui assurant une teneur massique en eau inférieure à 10%, de préférence inférieure à 1%. Par exemple, une température supérieure à 350 C, 2870252 7 un séchage sous vide (pression inférieure à 10-3 torr) et une durée supérieure à 12h conduisent à l'obtention d'une zéolithe avec une faible teneur en eau. D'autres conditions conviennent également: séchage sous air, sous vide moins poussé ou sous gaz inerte, ainsi que l'utilisation de tout autre moyen de séchage permettant de réduire la teneur en eau de la zéolithe endessous de 10%. Une fois séchée, la zéolithe est maintenue à l'abri de l'humidité. Les réactifs entrant dans la composition du mélange de calcination: zéolithe, sulfure de sodium et soufre (facultativement un hydroxyde) sont mélangés à l'abri de l'air. Simultanément au mélange, on peut broyer les réactifs si nécessaire. La proportion des réactifs dépend du pigment que l'on souhaite obtenir: bleu ou vert. On obtient un pigment vert pour un rapport massique S/Na* compris entre 0,87 et 1,74 (Na* étant Na du Na2S), avec les pourcentages massiques suivants: Na2S/zéolithe > 9% et S/zéolithe > 1%. On obtient un pigment bleu pour un rapport massique S/Na* supérieur à 1,74, avec les pourcentages massiques suivants: 9% Si nécessaire, le mélange de réactifs peut être compacté à l'abri de l'air. L'étape de calcination consiste à chauffer ledit mélange, compacté ou non, à haute température, à l'abri de l'air, dans une enceinte. La température de calcination varie entre 500 C et 1000 C pour obtenir des pigments outremers bleu et vert. Par exemple, avec une zéolithe contenant moins de 1% d'eau, pour un pigment bleu à 850 C il faut environ 12h; à 750 C il faut environ 48h; à 700 C il faut entre 72h et 96h. Pour un pigment vert, il faut environ 10h de calcination à 750 C; à 650 C il faut entre 20h et 30h. Plus la température diminue, plus la durée augmente. Le produit obtenu à la fin de la calcination est refroidi ou laissé refroidir à 30 l'abri de l'air. Le produit obtenu après refroidissement, appelé produit brut, 2870252 8 contient le pigment vert ou bleu et des polysulfures et éventuellement du soufre, en excès. Dans une variante de réalisation, le procédé de synthèse permet d'obtenir des pigments outremers en utilisant comme réactif dans la réaction de calcination, à côté de la zéolithe, éventuellement du sulfure de sodium et/ou du soufre et éventuellement des ions hydroxyde, un mélange de polysulfures et éventuellement de soufre obtenu au moins en partie par le recyclage des polysulfures et éventuellement du soufre présents en excès dans le produit brut. Le recyclage des polysulfures et éventuellement du soufre présents dans le produit brut comporte les étapes suivantes, illustrées dans la figure 1: solubilisation desdits polysulfures et éventuellement du soufre par lavage avec un solvant non aqueux à l'abri de l'air. Le solvant ne doit pas nuire aux caractéristiques colorimétriques du pigment (qui reste en suspension) et doit pouvoir solubiliser les polysulfures et le soufre en excès (qui n'ont pas été insérés dans les cages sodalite) sans que ceux- ci réagissent avec le solvant (solvatation ou oxydation). Plusieurs lavages peuvent être nécessaires pour solubiliser tous les polysulfures et le soufre. Le solvant non aqueux est sélectionné dans le groupe: acétone, acétonitrile, ammoniac, disulfure de carbone, diméthylsulfoxyde, éthanol, méthanol, pyridine, tétrahydrofurane, diméthylformamide, propanol. Il est préférable d'utiliser un solvant anhydre et d'agiter pendant le lavage. - séparation du pigment présent en suspension dans le solvant non aqueux chargé en polysulfures et en soufre. Cette séparation peut être réalisée par filtration ou toute autre technique appropriée. Elle doit être faite de préférence à l'abri de l'air. - évaporation du solvant, permettant d'obtenir les polysulfures et éventuellement le soufre, cristallisés sous forme de résidu sec exempt de solvant. Le solvant choisi doit pouvoir s'évaporer sans oxydation des polysulfures, ni formation de solvates. Après détermination du degré de réduction moyen dudit résidu pour l'ajustement des quantités de réactifs, les 2870252 9 polysulfures et éventuellement le soufre sont mélangés à de la zéolithe, éventuellement à du sulfure de sodium et/ou du soufre et éventuellement à un hydroxyde pour une nouvelle synthèse. Par ailleurs, le solvant récupéré après évaporation est réutilisé dans le recyclage. Séparément, le pigment, humide de solvant, est soit relavé avec le même solvant si nécessaire, soit séché directement afin d'éliminer toute trace de solvant. Les exemples de réalisation suivants, non limitatifs, illustrent plus en détail le procédé de synthèse de pigments outremers. Exemple 1 On chauffe 50,6 g de zéolithe 4A sous air à 500 C pendant 48h. On obtient 40 g de zéolithe séchée qui sont conservés à l'abri de l'humidité. On mélange à l'abri de l'air 40 g de zéolithe A séchée, 11 g de Na2S anhydre, 4,5 g de soufre. Ce mélange est chauffé dans une enceinte étanche remplie d'argon, à 750 C pendant 48h. Après refroidissement, le produit brut obtenu est lavé à l'éthanol. Le produit lavé est vert intense. Exemple 2 On mélange et on broie à l'abri de l'air 50 g de zéolithe A séchée, 13,75 g de Na2S anhydre, 28 g de soufre. Le mélange est chauffé dans une enceinte étanche remplie d'argon à 750 C pendant 48h. Le produit brut obtenu après refroidissement est lavé à l'eau. Le produit lavé est bleu verdâtre intense. Exemple 3, On mélange et on broie à l'abri de l'air 28 g de zéolithe A séchée, 7,7 g de Na2S anhydre et 22,12 g de soufre. Le mélange est chauffé dans une enceinte étanche sous azote à 750 C pendant 48h puis laissé refroidir. Après lavage à l'eau du produit brut, on obtient un pigment bleu rougeâtre intense. 2870252 10 Exemple 4 Pour chacun des pigments obtenus dans les exemples 2 et 3, on mélange 2 g de TiO2, 0,4 g de pigment et 0,7 g d'huile de lin. La peinture ainsi formée est étalée sur un support sous forme d'un film d'épaisseur considérée infinie et on détermine les paramètres colorimétriques selon le système CIELAB 1976: Ex2 Ex3 L* 68,12 68,16 C* 33,41 35,37 h 246,2 266,5 Exemple 5 On procède comme dans l'exemple 2 et on lave le produit brut avec de l'eau 10 dans les proportions 1 kg/L. On mesure la DCO de l'eau de lavage: on obtient 346700 mg O2/L. Exemple 6 On procède comme dans l'exemple 2 et on lave le produit brut trois fois dans l'éthanol (le volume d'éthanol est supérieur à 4 L/kg de pigment). Le pigment est séché sous vide à 100 C. On lave une dernière fois à l'eau dans les proportions 1 kg/L et on mesure la DCO de l'eau de lavage: on obtient 1990 mg O2/L. Exemple 7 On mélange et on broie à l'abri de l'air 50 g de zéolithe A séchée, 13,75 g de Na2S anhydre, 28 g de soufre et 1,5 g de NaOH. Le mélange est chauffé sous vide dans une enceinte étanche à 600 C pendant 96h. Après le refroidissement et le lavage à l'eau, le pigment est bleu intense. Le procédé de synthèse de pigments outremers présente de nombreux avantages: 2870252 11 il permet d'obtenir des pigments outremers bleus et verts dont la teinte et la force colorante sont comparables à celles des pigments industriels; il permet de synthétiser un pigment bleu ou un pigment vert en ne modifiant que les proportions des réactifs; il permet de recycler les matières premières et de les réutiliser dans la synthèse de pigments outremers; il permet de synthétiser un pigment outremer sans rejet polluant sous forme de gaz ou liquide; il permet de synthétiser un pigment outremer bleu sous vide, sous air sec ou sous atmosphère inerte, en une seule étape. 20 25 12 REVENDICATIONS 1. Procédé de synthèse de pigments outremers par calcination à l'abri de l'air d'un mélange comprenant de la zéolithe A, du sulfure de sodium et du soufre caractérisé en ce que: la zéolithe A est séchée en préalable jusqu'à une teneur en eau inférieure à 10%, de préférence inférieure à 1% (en poids) , et le milieu de réaction est exempt d'eau. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit mélange comprend de la zéolithe A, éventuellement du sulfure de sodium et/ou du soufre, et des polysulfures de sodium de composition formelle Na2Sn, n étant un nombre supérieur à 1, le produit résultant de la réaction de calcination étant refroidi ou laissé refroidir à l'abri de l'air, conduisant à l'obtention d'un produit brut qui comprend les pigments outremers synthétisés, des polysulfures et éventuellement du soufre, et en ce que les polysulfures Na2Sn participant à la réaction de calcination proviennent au moins en partie du recyclage des polysulfures et éventuellement du soufre présents en excès dans ledit produit brut. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le mélange réactionnel comprend du sulfure de sodium anhydre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de calcination est comprise entre 500 C et 1000 C. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zéolithe séchée est gardée à l'abri de l'humidité jusqu'à la calcination. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé 30 en ce que le mélange réactionnel se caractérise par: o un rapport massique S/Na* compris entre 0,87 et 1,74 (Na* étant Na du Na2S) et o les pourcentages massiques suivants: ^ Na2S/zéolithe > 9% et ^ S/zéolithe > 1% . 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le temps de calcination est d'au moins 10h. 8. Pigment outremer vert obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mélange réactionnel se caractérise par: o un rapport massique S/Na* supérieur à 1,74; o les pourcentages massiques suivants: ^ 9% 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que le temps de calcination est d'au moins 12h. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 9 et 10, caractérisé en ce que le mélange réactionnel comprend des ions hydroxyde, le pourcentage massique ions hydroxyde/zéolithe étant compris entre 0% et 5%. 12. Pigment outremer bleu obtenu par le procédé des revendications 9 à 11. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1-7 et 9-11 caractérisé en ce que la réaction de calcination a lieu dans une enceinte étanche sous vide, sous gaz inerte ou sous air sec, ou dans une enceinte non fermée sous flux continu de gaz inerte. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2-7, 9-11 et 13 caractérisé en ce que le recyclage des polysulfures et éventuellement du soufre présents dans le produit brut comprend les étapes suivantes réalisées de préférence à l'abri de l'air: 2870252 14 solubilisation des polysulfures présents dans le produit brut par lavage dudit produit brut avec un solvant non aqueux; séparation du pigment outremer synthétisé, en suspension dans ledit solvant chargé en polysulfures; évaporation dudit solvant permettant d'obtenir un mélange de polysulfures et de soufre sous forme solide. 15. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que le solvant apte à solubiliser les polysulfures présents dans le produit brut est sélectionné dans le groupe: acétone, acétonitrile, ammoniac, disulfure de carbone, diméthylsulfoxyde, éthanol, méthanol, pyridine, tétrahydrofurane, diméthylformamide, propanol. 16. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que ledit solvant est utilisé à l'état anhydre. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 caractérisé en ce que le solvant évaporé est récupéré et recyclé dans le procédé.