Brevet FR2896499A1 — publié le 20070727

Domaine de l'invention L'invention concerne les monomères (méth)acryliques spéciaux et a trait plus particulièrement à des solutions de (méth)acrylates d'alkylimidazolidone dans des esters (méth)acryliques, ainsi qu'à leur préparation et leurs applications. Art antérieur et problème technique 11 est connu, par exemple d'après les documents EP 1 293 502, EP 433 135, EP 712 846, EP 650 962 ou EP 619 309, de préparer les acrylates ou les méthacrylates (désignés par (méth)acrylates) d'alkylimidazolidone de formule (I) : R1 B OùAùN NH O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et A et B représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupement alkylène à chaîne droite ou ramifiée ayant de 2 à 5 atomes de carbone, selon un procédé de transestérification par réaction d'au moins un (méth)acrylate d'alkyle de formule (II) : R1 OR2 O dans laquelle R1 a la signification précitée et R2 est un groupement alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 1 à 4 atomes de carbone, avec un alcool hétérocyclique de formule (III) : B HOù AùN U NH O dans laquelle A et B ont les significations précitées, en présence d'un catalyseur. Lorsque le (méth)acrylate (II) est en large excès par rapport à l'alcool hétérocyclique (III), on obtient à la fin de la réaction une composition comprenant une solution de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) dans le (méth)acrylate (II). 2 Ainsi, les (méth)acrylates d'alkylimidazolidone sont généralement commercialisés dans un (méth)acrylate léger (II). Plus particulièrement, le méthacrylate d'éthyl-1-imidazolyl-2-one (MEIO), préparé à partir de méthacrylate de méthyle (MAM), est commercialisé en solution dans le méthacrylate de méthyle (MAM). Il est connu de substituer le méthacrylate de méthyle par de l'eau dans des compositions comprenant un (méth)acrylate d'alkylimidazolidone et du méthacrylate de méthyle, obtenues selon un procédé de transestérification. Selon le document EP 1 241 163, la méthode consiste à éliminer la quasi-totalité du méthacrylate de méthyle par distillation sous vide dans des conditions de température/pression de 40 C à 60 C / 760 à 60 mm de Hg, puis à ajouter l'eau. La composition finale obtenue contient plus de 50 % d'eau. Selon le document EP 902 017, la méthode consiste à introduire une petite quantité d'eau dans le mélange comprenant le (méth)acrylate d'alkylimidazolidone et le méthacrylate de méthyle, puis à éliminer le méthacrylate de méthyle par distillation sous forme d'azéotrope avec l'eau, tout en introduisant en continu de l'eau. La composition finale obtenue contient environ 48 % d'eau. Les (méth)acrylates d'alkylimidazolidone sont connus pour leur rôle dans la constitution de polymères utilisables comme revêtements et adhésifs, dans le domaine du papier et des textiles, pour leur utilisation comme agents de traitements du cuir et dans la production de peintures en émulsion. Les (méth)acrylates d'alkylimidazolidone en solution dans l'eau ou dans un (méth)acrylate léger, tel que le méthacrylate de méthyle, présentent cependant des inconvénients lors de leur mise en oeuvre. En particulier, selon l'utilisation finale, l'eau présente l'inconvénient d'une évaporation lente et le méthacrylate de méthyle possède une faible tension de vapeur et conduit à l'émission de composés organiques volatiles (VOC). Il a maintenant été trouvé de nombreux avantages à substituer l'eau ou le (méth)acrylate léger par un monomère (méth)acrylique plus lourd et polymérisant facilement sous radiation, dans les formulations de (méth)acrylates d'alkylimidazolidone dans l'eau ou dans un (méth)acrylate léger. Le monomère (méth)acrylique plus lourd jouant le rôle de solvant réactif et polymérisable sous radiation ou sous faisceau d'électrons, permet de conférer des caractéristiques particulières à la composition ainsi 3 obtenue, notamment d'étendre le domaine d'utilisation des (méth)acrylates d'alkylimidazolidone à celui des formulations polymérisables sous UV ou sous faisceau d'électrons, plus particulièrement dans le domaine des peintures. Les problèmes résultants de l'émission de VOC sont ainsi évités. Résumé de l'invention La présente invention a donc pour objet une composition comprenant un (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) R1 OùAùN~ BNH O O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et A et B représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupement alkylène à chaîne droite ou ramifiée ayant de 2 à 5 atomes de carbone, en solution dans un (méth)acrylate de formule (IV) R1 OR' O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et R' est un radical alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 9 à 40 atomes de carbone ou un radical aliphatique cyclique, alcényle, aryle, alkyle-aryle ou aryle alkyle ayant de 2 à 40 atomes de carbone, ces radicaux pouvant être substitués et pouvant contenir des hétéroatomes. Avantageusement, la composition contient de 20 à 80 % en poids de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) et de sous-produits monomériques porteurs d'une fonction uréido, de préférence, de 30 à 60 % en poids, et plus particulièrement de 45 à 55 % en poids. Les sous-produits monomériques porteurs d'une fonction uréido sont les sous-produits inhérents à la fabrication du (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) par transestérification. Ils résultent de l'addition de type Michaël de la fonction amine secondaire du cycle imidazolidone sur une autre molécule de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone (I) ou sur une molécule de (méth)acrylate d'alk:yle (II). Généralement, ces sous-produits sont présents à une teneur 4 allant de 5 à 25 % par rapport au (méth)acrylate d'alkylimidazolidone, en particulier de 10 à 20 %. L'invention concerne aussi un procédé de préparation de solutions de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) R1 OùAùN B- NH O O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et A et B représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupement alkylène à chaîne droite ou ramifiée ayant de 2 à 5 atomes de carbone, dans un (méth)acrylate de formule (IV) R1 OR' 0 dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et R' est un radical alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 9 à 40 atomes de carbone ou un radical aliphatique cyclique, alcényle, aryle, alkyle-aryle ou aryle alkyle ayant de 2 à 40 atomes de carbone, ces radicaux pouvant être substitués et pouvant contenir des hétéroatomes, à partir de solutions de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) dans l'eau ou dans un (méth)acrylate de formule (II) R1 OR2 O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle et R2 est un groupement alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 1 à 4 atomes de carbone. L'invention a aussi pour objet l'utilisation des compositions précitées dans la préparation de polymères utilisables comme revêtements et d'adhésifs, dans le traitement du papier et des textiles, comme agents de traitement du cuir et dans la production de peintures ou vernis polymérisables par chauffage, ou sous radiation UV ou visible, ou sous faisceau d'électrons. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui suit. Exposé détaillé de l'invention Comme exemples de composé (I), on peut citer ceux pour lesquels le 5 groupement A est un groupement alkylène ayant 2 atomes de carbone, et plus particulièrement le méthacrylate d'éthyl-l- imidazolidyl-2-one (MEIO). Comme exemples de radicaux R' dans la formule (IV), on peut citer les radicaux lauryle, stéaryle, dodécyle, béhényle, isobornyle, phényle, naphtyle, naphtyloxyalkyle comprenant un groupement alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 10 atomes de carbone. Les acrylates de formule (IV) sont préférés, et plus particulièrement l'acrylate d'isobornyle. Une composition préférée comprend de 45 à 55 % en poids de MEIO et de sous-produits monomériques porteurs d'une fonction uréido, et de 55 à 45 % de (méth)acrylate d'isobornyle ; de préférence la teneur en MEIO est supérieure à 35 % . Les compositions selon l'invention peuvent contenir un ou plusieurs inhibiteurs de polymérisation, tel que la phénothiazine, l'hydroquinone l'éther monométhylique d'hydroquinone, le diterbutyl para-crésol, la paraphénylène diamine, le TEMPO (2,2,6,6-tétraméthyl-1-piperidinyloxy) et le di-tertiobutylcatéchol, ou les dérivés du TEMPO. La teneur en inhibiteurs de polymérisation est comprise entre 100 et 2000 ppm par rapport au mélange final, de préférence de 200 à 600 ppm. Les solutions de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) dans un (méth)acrylate (IV) sont préparées à partir de solutions initiales de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) dans l'eau ou dans un (méth)acrylate de formule (II) R~ OR O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle et R2 est un groupement alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 1 à 4 atomes de carbone. Le procédé consiste à substituer l'eau ou le (méth)acrylate de formule (II) par un (méth)acrylate de formule (IV). 6 De préférence, le (méth)acrylate (II) est un (méth)acrylate léger tel que le (méth)acrylate de méthyle ou le (méth)acrylate d'éthyle. La teneur en (méth)acrylate d'alkylimidazolidone et de sous-produits monomériques porteurs d'une fonction uréido dans la solution initiale n'est pas critique, elle est généralement de 20 à 80 %, de préférence de 40 à 60 % et plus particulièrement de 45 à 55 %. La solution initiale peut être stabilisée avec un ou plusieurs inhibiteurs de polymérisation parmi lesquels on peut citer la phénothiazine, l'hydroquinone l'éther monométhylique d'hydroquinone, le diterbutyl para-crésol, la paraphénylène diamine, le TEMPO (2,2,6,6-tétraméthyl-1-piperidinyloxy) et le di-tertiobutylcatéchol, ou les dérivés du TEMPO. Les solutions initiales de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) dans l'eau ou dans un (méth)acrylate léger de formule (II) peuvent être obtenues selon l'un des procédés connus de l'homme du métier, tels que cités précédemment, ou sont disponibles commercialement. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre selon différents modes de réalisation. Selon un premier mode de réalisation, la solution de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone dans un (méth)acrylate (II), et le (méth)acrylate (IV) de substitution sont chargés initialement dans un réacteur et le (méth)acrylate léger est éliminé par distillation sous vide. La pression est ajustée de façon à ne pas dépasser une température comprise entre 50 C et 80 C dans le mélange lors de la distillation. On peut opérer dans un réacteur agité ou à l'aide d'un évaporateur rotatif ou à film mince. Selon un second mode de réalisation, la solution de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone dans un (méth)acrylate (II) est introduite dans un réacteur et une partie du (méth)acrylate (II) est distillée ; avantageusement, 20 à 70 % du (méth)acrylate (II) présent dans la solution de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone, et de préférence 40 à 60 % sont distillés au cours de cette étape. Puis, le (méth)acrylate (IV) de substitution est ajouté en continu, tout en continuant la distillation du (méth)acrylate (II). On peut procéder de la même façon avec des solutions de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone dans l'eau. Dans les deux modes de réalisation, un bullage d'air, éventuellement appauvri (8 à 9 % 02) est effectué. Un strippage final, consistant en un épuisement des composés légers avec de l'air appauvri contenant 8 à 9 % d'O2 peut être mis en oeuvre permettant de compléter l'élimination du (méth)acrylate (II) dans le mélange. La teneur résiduelle en (méth)acrylate (II) dans la solution obtenue est généralement inférieure à 5 %, de préférence inférieure à 1 %. Les compositions selon l'invention et les solutions obtenues selon le procédé de l'invention présentent de nombreux avantages du point de vue de leurs propriétés applicatives, plus particulièrement dans le domaine des peintures, en raison de la présence du (méth)acrylate (IV) qui joue un rôle de solvant réactif, polymérisable par chauffage en présence d'un initiateur radicalaire, ou sous radiation UV ou visible en présence de photoamorceurs, ou sous faisceau d'électrons. Les exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée. Exemples de réalisation Les abréviations suivantes y sont utilisées : HEIO : 1-(2-hydroxyéthyl)-imidazolidyl-2-one MEIO : méthacrylate d'éthyl-l- imidazolidyl-2-one NORSOCRYL 104 : solution à 50 % massique de méthacrylate d'éthyl-limidazolidyl-2-one et d'impuretés monomériques du type uréido dans du méthacrylate de méthyle. MAM : méthacrylate de méthyle EMHQ : éther méthylique d'hydroquinone PTZ : phénothiazine AISOBOR : acrylate d'isobornyle MAISOBOR : méthacrylate d'isobornyle Les pourcentages sont exprimés en pourcentages massiques. Exemple 1 Dans un appareillage constitué d'un évaporateur rotatif, on charge 1000 g de NORSOCRYL104 et 480 g d'AISOBOR. On distille le MAM à une température du mélange de pied de 50 C en ajustant la pression de service (de 60 mm Hg à 15 mmHg en final). En fin de distillation du MAM, et après refroidissement, on récupère une solution homogène limpide qui contient 42 % de MEIO, 3 % de MAM, 49 % 5 d'AISOBOR, 2 % de HEIO et 4 % d'impuretés. Exemple 2 On utilise un évaporateur rotatif de plus grande capacité de type QUICKFIT M200 de capacité 20 litres et de vitesse de rotation 12-95 tours par minute. On charge 8,0 kg de NORSOCRYL104 qui contient 39,6 % de MEIO, 1,0 % 10 de HEIO, 52,3 % de MAM, 0,017 % de EMHQ et 0,046 % de PTZ. La température au sein de l'évaporateur est maintenue entre 40 et 56 C en ajustant la pression de service entre 23 et 34 mbar (P absolue). On distille 4,02 kg de MAM en 3h45min. On charge alors 4,0 kg d'AISOBOR en 15 min. Après 20 min d'agitation, on 15 refroidit le mélange à 30 C, et on le vidange après avoir ramené la pression à la pression atmosphérique. Pendant tout l'essai on maintient un bullage d'air dans le mélange. On obtient à la fin 7,83 kg de mélange ayant la composition massique suivante: - MEIO : 37,5 % 20 AISOBOR : 54,1 % MAM : 1,0 % Autres : 7,2 % - EMHQ : 0,023 % - PTZ : 0, 043 % 25 Exemple 3 L'exemple 1 est repris en remplaçant l'AISOBOR par du MAISOBOR. On obtient un mélange contenant : - MEIO : 38,0 % - MAISOBOR : 54,0 % 30 - MAM : 0.5 % Autres : 7,5 % - EMHQ : 0,022 % - PTZ: 0,044 % Exemple 4 La préparation du mélange est ici réalisée dans un réacteur agité chauffé par circulation d'huile dans une double enveloppe surmonté d'une colonne à distiller. On charge 387 g de NORSOCRYL 104 qui contient 39,6 % de MEIO, 1,0 % de HEIO, 52,3 % de MAM, 0,017 % de EMHQ et 0,046 % de PTZ. On maintient un bullage d'air dans le réacteur durant toute l'opération et on chauffe le milieu à une température qui devra rester comprise entre 70 et 75 C. Pour ce faire, on baisse progressivement la pression de service de 300 mm Hg à 50 mm Hg. Le MAM est éliminé par distillation. Lorsqu'on a distillé 184 ml de MAM, on commence l'introduction en continu de 186 g d'AISOBOR pendant une heure. Lorsque tout l'AISOBOR a été introduit, on augmente le bullage d'air afin d'éliminer les traces de MAM résiduel. Le strippage est effectué sous 15 mm Hg de pression. Le produit final se présente sous la forme d'un liquide homogène limpide et jaune contenant 0,5 % de MAM résiduel. Exemple 5 Dans un réacteur agité chauffé par double enveloppe, on charge 600 kg de NORSOCRYL 104 et on porte la température dans le réacteur aux environs de 38 C (pression tête de colonne 50 mm Hg) tout en distillant une partie du MAM contenu dans le NORSOCRYL104. Lorsque la quantité de MAM distillée atteint 150 kg, on charge 150 kg d'AISOBOR dans le réacteur. On poursuit la distillation du MAM en abaissant progressivement la pression de service jusqu'à 30 mm Hg en tête de colonne afin de ne pas dépasser 50 C dans le réacteur. Lorsque la température du réacteur atteint 50 C, on introduit en une fois 100 kg d'AISOBOR. La quantité de MAM qui a été distillée durant cette étape est de 103 kg. On poursuit à nouveau la distillation du MAM en baissant progressivement la pression jusqu'à 20 mm Hg en tête de colonne. Lorsque la température du réacteur atteint 70 C, le MAM supplémentaire distillé représente 38,5 kg. On introduit alors 41,9 kg d'AISOBOR dans le réacteur. On effectue ensuite un strippage afin d'éliminer le MAM résiduel. Durant toute la durée de l'opération, la colonne est stabilisée avec une solution d'EMHQ dans l'AISOBOR et un bullage d'air appauvri à 7% d'oxygène en volume. est effectué dans le réacteur. Le mélange final contient : -MEIO : 40 % - AISOBOR : 50,0 % - MAM : 0,7 % - Autres : 9,3 % - EMHQ : 0,015 % - PTZ : 0,035 % REVENDICATIONS 1. Composition comprenant un (rnéth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) R1 O O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et A et B représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupement alkylène à chaîne droite ou ramifiée ayant de 2 à 5 atomes de carbone, en solution dans un (méth)acrylate de formule (IV) R1 OR' 0 dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et R' est un radical alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 9 à 40 atomes de carbone ou un radical aliphatique cyclique, alcényle, aryle, alkyle-aryle ou aryle alkyle ayant de 2 à 40 atomes de carbone, ces radicaux pouvant être substitués et pouvant contenir des hétéroatomes. 2. Composition selon la revendication 1 comprenant de 20 à 80 % en poids de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) et de sous-produits monomériques porteurs d'une fonction uréido, de préférence de 30 à 60 % en poids. 3. Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le composé de formule (I) est le méthacrylate d'éthyl-l- imidazolidyl-2-one. 4. Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que dans la formule (IV), le radical R' est lauryle, stéaryle, dodécyle, béhényle, isobornyle, phényle, naphtyle, naphtyloxyalkyle comprenant un groupement alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 10 atomes de carbone. 5. Composition selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le (méth)acrylate (IV) est l'acrylate d'isobornyle. B OùAùN.NH 6. Composition selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant en outre un inhibiteur de polymérisation, tel que la phénotiazine, l'hydroquinone l'éther monométhylique d'hydroquinone, le diterbutyl para-crésol, la paraphénylène diamine, le TEMPO (2,2,6,6-tétraméthyl-1-piperidinyloxy) et le di- tertiobutylcatéchol, ou les dérivés du TEMPO. 7. Composition selon la revendication 6, caractérisée en ce que la teneur en inhibiteur est comprise entre 100 et 2000 ppm par rapport au mélange final, de préférence entre 200 et 600 ppm. 8. Procédé de préparation de solutions de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) B Où AùN : NH O O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et A et B représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupement alkylène à chaîne droite ou ramifiée ayant de 2 à 5 atomes de carbone, dans un (méth)acrylate de formule (IV) R.1 OR' O dans laquelle R1 est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, et R' est un radical alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 9 à 40 atomes de carbone ou un radical aliphatique cyclique, alcényle, aryle, alkyle-aryle ou aryle alkyle ayant de 2 à 40 atomes de carbone, ces radicaux pouvant être substitués et pouvant contenir des hétéroatomes, à partir de solutions de (méth)acrylate d'alkylimidazolidone de formule (I) dans l'eau ou dans un (méth)acrylate de formule (II) O 13 dans laquelle RI est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle et R2 est un groupement alkyle à chaîne droite ou ramifiée ayant de 1 à 4 atomes de carbone. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le (méth)acrylate d'alkylimidazolidone est le méthacrylate d'éthyl-l-imidazolidyl-2-one. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le (méth)acrylate (IV) est l'acrylate d'isobornyle. 11. Utilisation d'une composition selon l'une des revendications 1 à 7, ou d'une solution obtenue par le procédé selon l'une des revendications 8 à 10, dans la préparation de polymères utilisables comme revêtements et d'adhésifs, dans le traitement du papier et des textiles, comme agents de traitement du cuir et dans la production de peintures ou vernis polymérisables par chauffage ou sous radiation UV ou visible, ou sous faisceau d'électrons. 12. Composition comprenant de 45 à 55 % en poids de méthacrylate d'éthyl-l- imidazolidyl-2-one et de sous-produits monomériques porteurs d'une fonction uréido, et de 55 à 45 % en poids de (méth)acrylate d'isobornyle.