Brevet FR2867190A1 — publié le 20050909

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de préparation de poudre de polyamide 12 à point de fusion élevé. Il s'agit d'une synthèse de type anionique à partir de lauryllactame. Les poudres obtenues ont un diamètre compris entre 15 m et 100 m et une température de fusion d'au moins 180 C. Ces poudres de polyamide 12 sont utiles dans de nombreux usages et en particulier dans la technologie d'agglomération de poudres de polyamide par fusion utilisant un rayonnement tel que par exemple un faisceau laser (laser sintering), un rayonnement infra rouge ou un rayonnement UV (UV curing). L'art antérieur et le problème technique La technologie d'agglomération de poudres de polyamide sous faisceau laser sert à fabriquer des objets en trois dimensions tels que des prototypes et des modèles. On dépose une fine couche de poudre de polyamide sur une plaque horizontale maintenue dans une enceinte chauffée à une température située entre la température de cristallisation Tc et la température de fusion Tf de la poudre de polyamide. Le laser agglomère des particules de poudre en différents points de la couche de poudre selon une géométrie correspondant à l'objet, par exemple à l'aide d'un ordinateur ayant la forme de l'objet en mémoire et le restituant sous forme de tranches. Ensuite on abaisse la plaque horizontale d'une valeur correspondant à l'épaisseur d'une couche de poudre (par exemple entre 0,05 et 2mm et généralement de l'ordre de 0, 1mm) puis on dépose une nouvelle couche de poudre et le laser agglomère des particules de poudre selon une géométrie correspondant à cette nouvelle tranche de l'objet. La procédure est répétée jusqu'à ce qu'on ait fabriqué tout l'objet. On obtient un bloc de poudre contenant à l'intérieur l'objet. Les parties qui n'ont pas été agglomérées sont donc restées à l'état de poudre. Ensuite on refroidit doucement l'ensemble et l'objet se solidifie dès que sa température descend en dessous de la température de cristallisation Tc. Après complet refroidissement on sépare l'objet de la poudre qui peut être réutilisée pour une autre opération. Il est recommandé que la poudre ait un écart Tf Tc le plus grand possible afin d'éviter les phénomènes de déformation (ou "curling") lors de la fabrication. En effet au temps to, immédiatement après l'action du faisceau laser, la température de l'échantillon est supérieure à la température de cristallisation (Tc) de la poudre mais l'apport d'une nouvelle couche de poudre plus froide fait chuter rapidement la température de la pièce en dessous de Tc et entraîne des déformations. Par ailleurs une enthalpie de fusion (AHf) la plus élevée possible est requise afin d'obtenir une bonne définition géométrique des pièces fabriquées. En effet si cette dernière est trop faible, l'énergie amenée par le laser est suffisante pour fritter par conduction thermique les particules de poudre proches des parois en construction et ainsi la précision géométrique de la pièce n'est plus satisfaisante. Il est clair que tout ce qui vient d'être expliqué pour l'agglomération de poudres de polyamide sous faisceau laser est valable quelque soit le rayonnement qui provoque la fusion. Le brevet US 6245281 décrit l'utilisation de poudres de polyamide 12 (PA 12) dans la technologie d'agglomération de poudres sous faisceau laser. Ces poudres sont telles que leur Tf est comprise entre 185 et 189 C, leur Tc est comprise entre 138 et 143 C et leur AHf vaut 112 17 J/g. Ces poudres sont fabriquées selon le procédé décrit dans le brevet DE 2906647 (= US 4334056). Dans ce dernier on fabrique d'abord du PA 12, on le dissout dans l'éthanol entre 130 et 150 C puis on refroidit doucement en dessous de 125 C sous agitation. Le PA 12 précipite sous forme de poudre. Le brevet EP 192 515 décrit la polymérisation anionique d'un lactame dans un réacteur agité dans un solvant en présence d'un N,N'- alkylène bis amide et d'une charge organique ou minérale (par exemple la silice en poudre). La proportion de silice est de 1,7 à 17 g pour 1000 g de lauryllactame. La réaction s'effectue entre 100 et 120 C. La poudre de polyamide 12 est recueillie par décantation dans le fond du réacteur. On obtient une poudre de polyamide 12 dont la température de fusion est 177+ /- 1 C. Cette température est insuffisante pour l'application dans la fabrication d'objets par les procédés d'agglomération cités plus haut. On a maintenant découvert qu'en réduisant la proportion de la charge organique ou minérale en dessous de 1,5 pour 1000 g de lauryllactame on obtenait une poudre de polyamide 12 dont la température de fusion est d'au moins 180 C. Il est avantageux aussi que le solvant soit en sursaturation de lactame. Brève description de l'invention La présente invention concerne un procédé de préparation de poudre de polyamide 12 par polymérisation anionique dans lequel on polymérise le lauryllactame en solution dans un solvant le solvant étant un solvant du lactame et la poudre de polyamide 12 étant insoluble dans ce solvant, É en présence d'un catalyseur et d'un activateur, É en présence d'une charge organique ou minérale finement divisée, la proportion de cette charge étant comprise entre 0,2 et 1,5 g pour 1000 g 15 de lauryllactame, É en présence d'une amide de formule R1-NH-CO-R2 dans laquelle R1 peut être remplacé par un radical R3-CO-NH- ou R3-O- et dans laquelle R1, R2, R3 désignent un radical aryle, alkyle ou cycloalkyle. La température de fusion de la poudre de polyamide 12 est d'au moins 180 C et avantageusement de 183 +/-1 C (température de première chauffe mesurée par DSC, abréviation de Differential Scanning Calorimetry). Elles ont une taille moyenne comprise entre 15 et 100pm et avantageusement entre 25 et 60pm. Le procédé peut être effectué dans un réacteur agité muni d'un dispositif de chauffage par une double enveloppe ou un serpentin, d'un système de vidange tel qu'une vanne de fond et d'un dispositif d'introduction des réactifs balayé à l'azote sec. On peut opérer en continu ou en discontinu (batch). Ce procédé présente de nombreux avantages. La poudre est obtenue directement sans étape supplémentaire de retraitement ou de dissolution précipitation. La taille des particules de poudre est ajustable par les paramètres du procédé et la répartition granulométrique étroite permet l'élimination des phénomènes de poussières lors de la mise en oeuvre de la poudre. Un autre avantage de ce procédé direct est qu'il permet d'introduire dans la masse des additifs qui contribueront à améliorer les propriétés applicatives de la poudre. On peut citer par exemple des pigments pour la coloration, du TiO2, des charges ou des pigments pour l'absorption infra rouge, le noir de carbone, des charges minérales pour diminuer les contraintes internes et des additifs antifeu. La répartition granulométrique très étroite de ces poudres favorise leur utilisation pour la fabrication de pièces par agglomération sous rayonnement (Infra rouge, UV curing, ...) parce qu'elle conduit à une définition des pièces très fine, et qu'elle diminue les problèmes de formation de poussières lors de la mise en oeuvre de la poudre. De plus la masse moléculaire du polymère n'augmente pas même après une exposition longue à des températures proches et inférieures à la température de fusion de la poudre. En outre ce procédé permet la fabrication d'objet par agglomération de poudre ayant de bonnes propriétés mécaniques (voir les tableaux dans les exemples). La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'objets en polyamide 12 par agglomération de poudres par fusion utilisant un rayonnement, les poudres ayant été obtenues selon le procédé cité plus haut. A titre d'exemple de rayonnement on peut citer celui fourni par un faisceau laser (le procédé s'appelle alors "laser sintering"). On peut encore citer le procédé dans lequel un masque est disposé entre la couche de poudre et la source du rayonnement, les particules de poudre protégées du rayonnement par le masque ne sont pas agglomérées. Description détaillée de l'invention S'agissant du solvant c'est un solvant du lactame par contre la poudre de polyamide 12 est insoluble dans ce solvant. De tels solvants sont cités dans le brevet EP192515. Le solvant est avantageusement une coupe d'hydrocarbures paraffiniques dont la plage d'ébullition se trouve entre 140 et 170 C. Le catalyseur est une base suffisamment forte pour créer un lactamate. A titre d'exemple de catalyseur on peut citer le sodium, le potassium, les hydrures et les hydroxydes de métaux alcalins, les alcoolates de métaux alcalins tels que le méthylate ou l'éthylate de sodium. S'agissant de l'activateur on désigne ainsi tout produit capable de provoquer et/ou accélérer la polymérisation, on peut citer à titre d'exemple les lactames-N-carboxyanilides, les isocyanates, les carbodiimides, les cyanimides, les acyl-lactames, les triazines, les urées, les imides-N-sustituées, les esters. L'activateur peut être formé in situ, par exemple un acyl-lactame est obtenu en ajoutant un isocyanate d'alkyle dans le lactame. Le rapport du catalyseur sur l'activateur, en moles, peut être compris entre 0.2 et 2 et de préférence entre 0,8 et 1,2. La proportion de catalyseur dans le lactame peut être comprise entre 0,1 et 5 moles pour 100 moles de lactame et de préférence entre 0,3 et 1,5. S'agissant de la charge organique ou minérale finement divisée sa taille peut être comprise entre 0.01 m et 30 m et de préférence entre 0,01 et 10 m. Cette charge peut être ajoutée dans le réacteur après l'introduction du solvant. Cette charge peut par exemple être de la silice. La proportion de cette charge est avantageusement comprise entre 0,35 et 0,9 g pour 1000 g de lauryllactame. Plus la proportion de la charge organique ou minérale est faible plus la taille de la poudre de polyamide 12 sera élevée. S'agissant de l'amide on effectue la copolymérisation en présence d'une N, N'- alkylène bis amide tel que l'éthylène bis stéaramide (EBS) ou l'éthylène bis oléamide (EBO) décrites dans EP 192 515 ou d'une façon générale, les amides de formule R1-NH-CO-R2 dans laquelle R1 peut être remplacé par un radical R3-CO-NH- ou R3-O- et dans laquelle R1, R2, R3 désignent un radical aryle, alkyle ou cycloalkyle. S'agissant plus particulièrement des amides de formule R1-NH-CO-R2 et des radicaux R1, R2, R3 des exemples de radicaux aryles peuvent être le phényle, le para-tolyle, l'alpha-naphtyle. Des exemples d' alkyles peuvent être de radicaux méthyle, éthyle, n-propyle, et n-butyle, et un exemple d'un radical cycloalkyle est le cyclohexyle. Les amides préférés sont ceux dans lesquels R1 et R2 identiques ou différents est le phényle ou un alkyle ayant au plus 5 atomes de carbone, R1 pouvant être remplacé par R3-O- et R3 étant un alkyle ayant au plus 5 atomes de carbone. On peut citer par exemple l'acétanilide, le benzanilide, le N-méthyl-acetamide, le N-éthyl- acetamide, le N-méthyl- formamide et le (4-éthoxy-phényl)acétamide. D'autres amides préférés sont les alkylènes bis amides tels que l'éthylène bis stéaramide (EBS) et l'éthylène bis oléamide (EBO). On ne sortirait pas du cadre de l'invention en effectuant la polymérisation en présence de deux ou plusieurs amides. La proportion d'amide peut être comprise entre 2 et 40 g pour 1000 g de lactame, avantageusement entre 5 et 25 g pour 1000 g de lactame et de préférence entre 8 et 20 g pour 1000 g de lactame. Plus la proportion d'amide est faible plus la masse molaire de la poudre est élevée. Plus la masse molaire de la poudre est élevée meilleures sont les propriétés mécaniques des objets fabriqués avec ces poudres et en particulier meilleur est l'allongement à la rupture. Le procédé peut être effectué dans un réacteur agité muni d'un dispositif de chauffage par une double enveloppe ou un serpentin, d'un système de vidange tel qu'une vanne de fond et d'un dispositif d'introduction des réactifs balayé à l'azote sec. On peut opérer en continu ou en discontinu (batch). Avantageusement on opère en discontinu, on introduit le solvant puis simultanément ou successivement le lactame, l'amide, la charge divisée, le catalyseur et l'activateur. Il est recommandé d'introduire d'abord le solvant et le lactame (ou le lactame en solution dans le solvant) puis d'éliminer toute trace d'eau et quand le milieu est parfaitement sec d'introduire le catalyseur. On peut éliminer les traces d'eau par distillation azéotropique. On ajoute ensuite l'activateur. La charge divisée peut être introduite par exemple après l'introduction du lauryllactame. L'amide peut être introduite par exemple après l'introduction du lauryllactame. On opère à la pression atmosphérique et à une température comprise entre 20 C et la température d'ébullition du solvant. Il est recommandé que le solvant soit en état de sursaturation de lauryllactame, c'est à dire qu'il est recommandé d'opérer à une température inférieure à la température de cristallisation du lactame dans le solvant. Au dessus de cette température le lactame est soluble, en dessous il apparaît des germes de lactame, c'est ce qui permet d'augmenter la température de fusion de la poudre de polyamide 12. La détermination de cette température de sursaturation se fait selon les techniques habituelles. La sursaturation du solvant en lactame est aussi décrite dans le brevet EP 303530. La durée de la réaction est fonction de la température et diminue quand la température augmente, elle est habituellement comprise entre 1h et 12h. La réaction est totale, tout le lauryllactame est consommé et constitue la poudre de polyamide 12. A l'issue de la réaction on sépare le solvant et la poudre par filtration ou essorage puis la poudre est séchée. Selon une forme avantageuse de l'invention on introduit d'abord le solvant et le lactame séparément ou simultanément puis après l'élimination de l'eau éventuelle on introduit le catalyseur. Ensuite on introduit l'activateur soit en continu soit par paquets. Bien que des étapes du procédé soient continues on le qualifie de "discontinu" parce qu'il se décompose en cycles commençant avec l'introduction du solvant dans le réacteur et se terminant avec la séparation de la poudre et du solvant. Exemples Dans les exemples ci-dessous qui ont pour but d'illustrer l'invention sans toutefois la limiter, les essais ont été réalisés dans un réacteur d'une capacité de 5 litres, muni d'un agitateur à pales, d'une double enveloppe dans laquelle circule de l'huile de chauffage, d'un système de vidange par le fond et d'un sas d'introduction des réactifs balayé à l'azote sec. Un dispositif de distillation azéotropique sous vide permet d'éliminer toute trace d'eau du milieu réactionnel. Exemple 1: On introduit dans le réacteur maintenu sous azote 2800 ml de solvant, puis successivement 899g de lauryllactame sec, 14.4g d'EBS et 0.72g de silice finement divisée et déshydratée. Après avoir mis en route l'agitation à 300t/min, on chauffe progressivement jusqu'à 110 C, puis on distille sous vide 290ml de solvant afin d'entraîner par azéotropie toute trace d'eau qui pourrait être présente. Après retour à la pression atmosphérique, on introduit alors rapidement sous azote le catalyseur anionique, 1.44g d'hydrure de sodium à 60% de pureté dans de l'huile, et on augmente l'agitation à 350t/min, sous azote à 110 C pendant 30 minutes. Ensuite, on ramène la température à 100 C et grâce à une petite pompe doseuse, on réalise une injection continue dans le milieu réactionnel de l'activateur choisi: l'isocyanate de stéaryle, selon le programme suivant: - 10.7g d'isocyanate pendant 60 minutes -17.7g d'isocyanate pendant 132 minutes Parallèlement la température est maintenue à 100 C pendant les 60 premières minutes, puis montée à 120 C en 30 minutes et maintenue à 120 C pendant encore 2 heures après la fin d'introduction de l'isocyanate. La polymérisation est alors terminée. Après refroidissement à 80 C, décantation et séchage, la poudre de polyamide 12 obtenue présente les caractéristiques suivantes: - visco inhérente: 0.99 - granulométrie comprise entre 14 et 40 m avec le diamètre moyen des particules étant 24 m sans agglomérats - le réacteur est presque propre Exemple 2: On introduit dans le réacteur maintenu sous azote 2800 ml de solvant, puis successivement 899g de lauryllactame sec, 7.2g d'EBS et 0.36g de silice finement divisée et déshydratée. Après avoir mis en route l'agitation à 300t/min, on chauffe progressivement jusqu'à 110 C, puis on distille sous vide 290ml de solvant afin d'entraîner par azéotropie toute trace d'eau qui pourrait être présente. Après retour à la pression atmosphérique, on introduit alors rapidement sous azote le catalyseur anionique, 1.44g d'hydrure de sodium à 60% de pureté dans de l'huile, et on augmente l'agitation à 350t/min, sous azote à 110 C pendant 30 minutes. Ensuite, on ramène la température à 100.2 C et grâce à une petite pompe doseuse, on réalise une injection continue dans le milieu réactionnel de l'activateur choisi: l'isocyanate de stéaryle, selon le programme suivant: - 10.7g d'isocyanate pendant 60 minutes -17.7g d'isocyanate pendant 132 minutes Parallèlement la température est maintenue à 100.2 C pendant les 60 premières minutes, puis montée à 120 C en 30 minutes et maintenue à 120 C pendant encore 2 heures après la fin d'introduction de l'isocyanate. La polymérisation est alors terminée. Après refroidissement à 80 C, décantation et séchage, la poudre de polyamide 12 obtenue présente les caractéristiques suivantes: - visco inhérente: 1.12 - granulométrie comprise entre 3.5 et 170 m avec la diamètre moyen des particules étant 51 m sans agglomérats - le réacteur est presque propre Exemple 3: On introduit dans le réacteur maintenu sous azote 2800 ml de solvant, puis successivement 899g de lauryllactame sec, 9.0g d'EBS et 0.36g de silice finement divisée et déshydratée. Après avoir mis en route l'agitation à 300t/min, on chauffe progressivement jusqu'à 110 C, puis on distille sous vide de 50 mbar, 290ml de solvant afin d'entraîner par azéotropie toute trace d'eau qui pourrait être présente. Après retour à la pression atmosphérique, on introduit alors rapidement sous azote le catalyseur anionique, 1.44g d'hydrure de sodium à 60% de pureté dans de l'huile, et on augmente l'agitation à 400t/min, sous azote à 110 C pendant 30 minutes. Ensuite, on ramène la température à 100.4 C et grâce à une petite pompe doseuse, on réalise une injection continue dans le milieu réactionnel de l'activateur choisi: l'isocyanate de stéaryle, selon le programme suivant - 10.7g d'isocyanate pendant 60 minutes - 17.7g d'isocyanate pendant 132 minutes Parallèlement la température est maintenue à 100,4 C pendant les 60 premières minutes, puis montée à 120 C en 30 minutes et maintenue à 120 C pendant encore 2 heures après la fin d'introduction de l'isocyanate. La polymérisation est alors terminée. Après refroidissement à 80 C, décantation et séchage, la poudre de polyamide 12 obtenue présente les caractéristiques suivantes: - visco inhérente: 1.10 - granulométrie comprise entre 15 et 120 m avec la diamètre moyen des particules étant 40 m sans agglomérats - le réacteur est presque propre Exemple 4: On introduit dans le réacteur maintenu sous azote 2800 ml de solvant, puis successivement 899g de lauryllactame sec, 4.95g d'EBS et 0.36g de silice finement divisée et déshydratée. Après avoir mis en route l'agitation à 300t/min, on chauffe progressivement jusqu'à 110 C, puis on distille sous vide, 290m1 de solvant afin d'entraîner par azéotropie toute trace d'eau qui pourrait être présente. Après retour à la pression atmosphérique, on introduit alors rapidement sous azote le catalyseur anionique, 1.79g d'hydrure de sodium à 60% de pureté dans de l'huile, et on augmente l'agitation à 400t/min, sous azote à 110 C pendant 30 minutes. Ensuite, on ramène la température à 100.5 C et grâce à une petite pompe doseuse, on réalise une injection continue dans le milieu réactionnel de l'activateur choisi: l'isocyanate de stéaryle, selon le programme suivant: - 3.6g d'isocyanate pendant 60 minutes - 5.9g d'isocyanate pendant 132 minutes Parallèlement la température est maintenue à 100,5 C pendant les 60 premières minutes, puis montée à 120 C en 30 minutes et maintenue à 120 C pendant encore 2 heures après la fin d'introduction de l'isocyanate. La polymérisation est alors terminée. Après refroidissement à 80 C, 5 décantation et séchage, la poudre de polyamide 12 obtenue présente les caractéristiques suivantes: - visco inhérente: 1.48 - granulométrie comprise entre 15 et 120pm avec la diamètre moyen des 10 particules étant 30 m sans agglomérats - le réacteur est presque propre Les résultats sont rassemblés dans les tableaux suivants. Tableau 1 Tp de fusion Enthalpie de Masse Taille 1 e chauffe fusion 1 e Moléculaire Moyenne ( C) chauffe (J/g) Mw ( m) (g/mol) EP 192515 177+1-1 110 26000 30 ex 3 Exemple 3 184 +/-1 117 25500 40 Exemple 4 183 +/-1 112 47500 55 Exemple 1 183 +1-1 109 23000 24 Exemple 2 184 +/-1 118 30500 51 Tableau 2 EP 192515 ex 3 poudre de l'ex 3 Contrainte rupture 43-44 Mpa 40 MPa ou contrainte maxi sur pièce Allongement 8% 30% rupture Tableau 3 Mw Mw g/mol après 8h à 150 C Polyamide 12 32780 45750 (polycondensation) EP 192515 ex 3 25150 22550 exemple 1 23000 21500 REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation de poudre de polyamide 12 par polymérisation anionique dans lequel on polymérise le lauryllactame en solution dans un solvant le solvant étant un solvant du lactame et la poudre de polyamide 12 étant insoluble dans ce solvant, É en présence d'un catalyseur et d'un activateur, É en présence d'une charge organique ou minérale finement divisée, la proportion de cette charge étant comprise entre 0,2 et 1,5 g pour 1000 g 10 de lauryllactame, É en présence d'une amide de formule R1-NH-CO-R2 dans laquelle R1 peut être remplacé par un radical R3-CO-NHou R3-O- et dans laquelle R1, R2, R3 désignent un radical aryle, alkyle ou cycloalkyle. 2 Procédé selon la revendication 1 dans lequel la charge organique ou minérale finement divisée est la silice. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la proportion de cette charge finement divisée est 20 avantageusement comprise entre 0,35 et 0,9 g pour 1000 g de lauryllactame. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'amide est choisi parmi l'éthylène bis stéaramide (EBS) et l'éthylène bis oléamide (EBO). Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la proportion d'amide est comprise entre 2 et 40 g pour 1000 g de lactame. 6 Procédé selon la revendication 5 dans lequel la proportion d'amide est comprise entre 5 et 25 g pour 1000 g de lactame. 7 Procédé selon la revendication 6 dans lequel la proportion d'amide est comprise entre 8 et 20 g pour 1000 g de lactame. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le solvant est en état de sursaturation de lauryllactame. 9 Procédé de fabrication d'objets en polyamide 12 par agglomération de poudres par fusion utilisant un rayonnement, les poudres ayant été obtenues selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes.