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La Société dite : MITSUBISHI MONSANTO CHEMICAL
COMPANY à Tokyo (Japon)
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- : - : - : - : - : - : - : - : - : - : - : - : - : - : - : - : - "Composition de résine résistant à la chaleur obtenue à partir d'un monomère vinylique aroma- tique et d'un dérivé d'acide maléique"
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La présente invention concerne une composition de résine résistant à la chaleur et possédant une température élevée de déformation thermique et une température élevée de décomposition thermique-
Un copolymère (SMA) d'un monomère vinylique aromatique avec l'anhydride maléique possède une température élevée de déformation thermique et une bonne compatibilité avec d'autres résines thermoplastiques, telles qu'un copolymère styrène/acrylonitrile (résine AS)
et il est utile pour la préparation d'une composition de résine résistant à la chaleur.
Toutefois le SMA est peu intéressant en ce qui concerne sa stabilité à température élevée et il présente des inconvénients tels que lorsqu'on le
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chauffe à une température égale ou supérieure à 230 C, il a tendance à mousser ou, subir une réduction du poids et il est susceptible de subir une réticulation, qui détériore considérablement l'aptitude au traitement de moulage de la composition résineuse contenant du SMA. On a tenté d'améliorer la stabilité à température élevée du SMA en incorporant divers additifs tels que des antioxydants, mais on n'a obtenu aucun résultat satisfaisant.
La Demanderesse a poursuivi des recherches poussées pour tenter de surmonter les inconvénients indiqués et fournir une composition résineuse résistant à-la chaleur et contenant un copolymère obtenu à partir d'un monomère vinylique aromatique et d'un dérivé d'acide maléique et possédant une stabilité aux températures élevées et une température élevée de déformation thermique. C'est ainsi que la présente invention é été réalisée.
Plus précisément, on a atteint l'objectif susmentionné conformément à l'invention en réalisant une composition de résine résistant à la chaleur et comprenant, en poids, de 10 à 90 % d'un copolymère A et de 90 à 10 % d'un copolymère B, dans laquelle le copolymère A est composé d'un reste de monomère maléimide N-aromatique, d'un reste de monomère maléimide, d ! Ïn'1peste de monomère vinylique aromatique et, facultativement, d'un reste d'un autre monomère vinylique, la teneur totale en reste de monomère maléimide N-aromatique et en reste de monomère maléimide étant de 10 à 45 %, la teneur en reste de monomère maléimide N-aromatique étant plus élevée que la teneur en reste da monomère maléimide,
la teneur en reste de monomère vinylique aromatique étant de 90 à 55 % et la teneur en reste dudit autre monomère vinylique étant de 0 à 20 % et le copolymère B est composé d'un reste de monomère cyanure et vinyle, d'un reste de monomère vinylique aromatique et, facultativement, d'un reste d'un autre monomère vinylique, la teneur en reste du monomère cyanure de vinyle
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étant de 20 à 55 %, la teneur en reste de monomère vinylique aromatique étant de 80 à 45 % et la teneur en reste dudit autre monomère vinylique étant de 0 à 20 %.
Dans la présente invention la teneur en reste de chaque monomère est représentée par le pourcentage du nombre de motifs du reste de monomère par rapport au nombre total de motifs des divers restes de monomères contenus dans le copolymère en question.
On va maintenant décrire l'invention en détail avec référence aux modes de réalisation préférés.
En ce qui concerne le composé vinylique aromatique à utiliser, le styrène est le plus courant mais on peut employer d'autres composés tels que 1-méthylstyrène, le p-méthylstyrène, le t-butylstyrène, un halogénure de styrène ou un mélange de ceux-ci. Pour ce qui est du composé cyanure de vinyle, on emploie habituellement l'acrylonitrile, le méthacrylonitrile ou un mélange de ceux-ci.
On peut obtenir le maléimide N-aromatique en condensant une amine aromatique primaire avec l'acide fumarique, l'acide maléique, l'anhydride de l'acide maléique ou un autre dérivé d'acide maléique. Pour ce qui est de l'amine aromatique primaire, on peut utiliser l'aniline ou un dérivé d'aniline dont le noyau benzénique porte comme substituant un radical alkyle, un atome d'halogène ou un groupe nitro, comme par exemple la toluidine ou la nitroaniline.
On peut aussi employer la phénylènediamine ou l't-naphtylamine. On peut utiliser ces amines isolément ou en combinaison sous forme d'un mélange de deux ou plusieurs types différents. On peut obtenir le maléimide en condensant un dérivé d'acide maléique tel que l'anhydride d'acide maléique avec de l'ammoniac. On peut préparer le copolymère A en copolymérisant un maléimide Naromatique avec d'autres monomères. Cependant comme on le verra plus loin, on préfère utiliser un procédé selon lequel on fait réagir un copolymère d'anhydride d'acide maléique avec l'amine précitée et l'ammoniac au cours du stade de polymérisation ou en un stade séparé pour le convertir en un imide, puisque ce procédé est simple et que les monomères nécessaires sont facilement disponibles.
La teneur en maléimide N-aromatique dans le copolymère A doit être plus élevée que la teneur en maléimide. S'il en était autement, la compatibilité du copolymère A avec le copolymère B serait médiocre, d'où des propriétés
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physiques inférieures de la composition de résine ainsi obtenue. Dans l'intervalle mentionné ci-dessus, plus la teneur en reste maléimide est élevée, plus élevée sera la température de déformation thermique.
La teneur totale en reste maléimide N-aromatique et en reste maléimide dans le copolymère A doit être de 10 à 45 %. Si ce total dépasse 45 %, l'aptitude à l'écoulement tend à diminuer et l'opération de moulage devient difficile.
D'autre part, si le total est inférieur à 10 %, on n'obtient aucune amélioration adéquate de la température de déformation thermique.
Par ailleurs, la teneur en reste de monomère vinylique aromatique doit être de 90 à 55 %. Si cette teneur augmente, l'aptitude à l'écoulement est améliorée mais on observe une baisse de la température de déformation.
On peut remplacer une partie dureste de monomère vinylique aromatique par un autre monomère, par exemple un monomère cyanure de vinyle tel que l'acrylonitrile ou le méthacrylonotrile, un ester d'acide acrylique ou méthacrylique tel que l'acrylate de méthyle ou le méthacrylate de méthyle, ou un dérivé d'acide maléique ou d'acide fumarique tel que l'anhydride maléique, le maléate de diméthyle ou le fumarate de diméthyle, selon la cas. Quand il en est ainsi, la teneur totale de l'autre monomère de remplacement ne doit pas dépasser 20 %. En cas de dépassement de cette valeur, la compatibilité avec les autres résines du type styrène est susceptible de baisser.
On peut obtenir une compatibilité adéquate avec le copolymère A si la teneur en reste de monomère cyanure de vinyle dans le copolymère B est de 20 à 55 %, le complément étant le reste de monomère vinylique aromatique.
Une partie du reste de monomère vinylique aromatique peut avantageusement être remplacée par un autre monomère vinylique, tel qu'un ester d'acide acrylique ou méthacrylique, selon le cas. Quand il en est ainsi la teneur en reste de l'autre monomère vinylique ne doit pas dépasser normalement 20 %'de sorte qu'aucun effet fâcheux n'affecte la compatibilité avec les autres résines.
La composition selon l'invention possède des caractéristiques supérieures de résistance à la chaleur, de stabilité aux températures élevées, de résistance aux solvants et d'écoulement pendant l'opération de moulage. En, outre, la composition selon l'invention possède une bonne compatibilité avec une résine ABS, une résine MBS, une résine AES, une résine ACS ou une résine AAS, et on peut donc améliorer la résistance au choc en incorporant de telles résines. Dans un tel cas, il est facile de porter la température de déforma-
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tion thermique (point de ramollissement Vicat) à au moins 1150C. Par ailleurs, on peut incorporer une matière de renforcement ou charge telle que des fibres de verre, des fibres de carbone, du talc, du carbonate de calcium ou d'autres additifs.
On va maintenant décrire le procédé selon l'invention. On effectue d'abord la polymérisation en masse par addition continue d'anhydride d'acide maléique en présence du monomère vinylique aromatique. La proportion d'anhydride d'acide maléique (monomère) qu'on doit ajouter est, de préférence, de 10 à 45 % en moles. La température de polymérisation est, de préférence, de 90 à 1300C et aucun activant de polymérisation n'est nécessaire. La conversion au cours de ce stade est d'au moins 10 % en poids et on peut l'augmenter dans la mesure où le permet la force d'entraînement d'agitation de l'appareil de polymérisation. On détermine la durée de polymérisation selon la conversion, la température de polymérisation et la concentration de l'anhydride d'acide maléique et cette durée est normalement de 1 à 10 heures.
Après l'interruption de l'addition continue d'anhydride d'acide maléique, ce dernier est rapidement consommé dans le mélange de monomères de sorte que le mélange devient une sorte de sirop composé essentiellement du copolymère et du monomère vinylique aromatique. On peut remplacer une partie du composé vinylique aromatique initialement présent par un ester d'acide-acrylique, un ester d'acide méthacrylique ou un composé de cyanure de vinyle.
A ce sirop on ajoute un monomère cyanure de vinyle et on mélange uniformément. On règle l'addition de manière à porter la teneur en reste de monomère cyanure de vinyle dans le copolymère formé par la réaction avec le composé vinylique aromatique restant à une valeur de 20 à 55 %.
On met ce sirop en suspension dans l'eau et on copolymérise le monomère vinylique aromatique et le monomère cyanure de vinyle par polymérisation en suspension. On peut utiliser un initiateur classique de polymérisation, tel quel'azobisisobutyronitrile ou le peroxyde de benzoyle. De même l'agent de mise en suspension peut être d'un type classique tel que l'alcool polyvinylique, le polyacrylamide ou le sulfate de baryum. La température de polymérisation est en général de 60 à 160 C et la durée de polymérisation est déterminée selon la température et selon le type et la quantité de l'initiateur mais elle est en général de 1 à 10 heures.
Pour maintenir la teneur en reste de monomère cyanure de vinyle dans le copolymère résultant à une valeur constante, on peut
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ajouter du monomère vinylique aromatique ou du monomère cyanure de vinyle de façon continue ou par intermittences. D'autre part, pour réduire la quantité du copolymère résultant ou pour réduire la quantité de monomères restant dans le copolymère, on peut procéder à une séparation pour récupérer lesdits monomères.
On ajoute ensuite à ce mélange en suspension, une amine aromatique et de l'ammoniac pour convertir le reste d'anhydride maléique du copolymère en son imide. Le nombre total de moles d'amine aromatique et d'ammoniac ajoutés est, de préférence, égal à 0, 8-1, 5 fois le nombre de moles d'anhydride maléique utilisé. Le nombre de moles d'aminé aromatique doit être plus grand que le nombre de moles d'ammoniac. Si le nombre de moles d'amine ajoutée dépasse 1,5 fois le nombre de moles d'anhydride maléique, une partie d'amine n'ayant pas réagi restera dans la composition obtenue et si ce nombre est inférieur à 0,8 fois le nombre de moles de l'anhydride, la conversion en imide sera non adéquate, ce qui estindésirable.
La température de réaction pour la conversion en imide est avantageusement de 120 à 1600C et la durée de la réaction est avantageusement de 0,5 à 3 heures. On peut ajouter l'ammoniac sous forme gazeuse ou d'une solution aqueuse (c'est-à-dire d'ammoniaque aqueuse).
On peut ainsi obtenir une composition de résine résistant à la chaleur sous forme de particules (perles) dans laquelle le copolymère A et le copolymère B sont mélangés de façon uniforme. Selon le procédé de l'invention, il est inutile d'employer le maléimide N-aromatique et le maléimide qui sont coûteux et qu'on ne peut pas préparer par une production de masse, et il est inutile de pétrir mécaniquement le copolymère A et le copolymère B, étant donné que le produit est obtenu sous une forme dans laquelle les copolymères sont déjà mélangés de façon uniforme. L'intérêt industriel de ce procédé est énorme.
On va maintenant décrire l'invention plus en détail en se référant aux Exemples. On mesure diverses propriétés physiques des compositions par les méthodes suivantes : - Résistance à la traction et résistance au choc Izod : JIS K-6871 ; - Résistance à la chaleur (point de ramollissement Vicat) : JIS K-6870. ; - Stabilité aux températures élevées : On conserve un échantillon dans un four à 2700C pendant 1 heure, et on mesure la présence ou l'absence du moussage et de la réduction de poids.
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EXEMPLE 1
Dans un autoclave de 20 litres, on introduit 5710 g de styrène et 189 g d'anhydride maléique et on élève la température à 100 C sous agitation en atmosphère d'azote. Tout en ajoutant continuellement à ce mélange de l'anhydride maléique liquide en une quantité totale de 1143 g avec maintien à une température de 700C et à un débit indiqué dans le tableau I ci-après, on effectue la polymérisation en masse à 1100C pendant 220 minutes. A l'achèvement de l'addition continue, la conversion est de 55 % en poids et la teneur en reste d'anhydride maléique dans le copolymère résultant est de. 33 %. On ajoute 1200 g d'acrylonitrile en 20 minutes tout en abaissant la température du mélange à 950C et on poursuit l'agitation pendant 10 minutes supplémentaires à cette température.
A ce stade, la concentration en anhydride maléique dans les monomères ne dépasse pas 0,1 %.
Au système obtenu, on ajoute 3 g d'un agent de mise en suspension du type alcool polyvinylique, 3 g d'un agent de mise en suspension du type ester d'acide polyacrylique et 6500 g d'eau contenant 30 g de sulfate de sodium pour amener le mélange à l'état de suspension. A cette suspension, on ajoute 4 g d'azobisisobutyronitrile et on effectue la polymérisation à 800C pendant 90 minutes. On élève la température à 1500C en 60 minutes et on effectue la séparation à cette température pendant 60 minutes. On ajoute ensuite 1140 g d'aniline et 116 g d'une solution aqueuse à 30 % d'ammoniac et on poursuit la réaction pour réaliser la conversion en imide à une température de 1550C pendant 120 minutes. On lave le polymère obtenu sous forme de perles avec de l'eau et on sèche.
On analyse les perles et on trouve qu'elles sont constituées par un mélange comprenant 58 % en poids d'un copolymère A composé de 30 % de reste de N-phénylmaléimide, de 3 % de reste de maléimide et de 67 % de reste en styrène et 42 % en poids d'un copolymère B composé de 40 % de reste d'acrylonitrile et de 60 % de reste de styrène.
On pastille les perles à l'aide d'une extrudeuse de 25 mm munie d'un évent, puis on forme des éprouvettes à, partir du produit obtenu, dans une machine de moulage par injection de 28 g. On détermine diverses propriétés physiques des éprouvettes et les résultats sont répertoriés dans le tableau II.
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TABLEAU I Débit d'admission d'anhydride maléique
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<tb> Temps <SEP> (minutes) <SEP> Débit <SEP> d'admission <SEP> (g/minute) <SEP> Quantité <SEP> totale <SEP> (g)
<tb> 0 <SEP> 7,0 <SEP> 0
<tb> 60 <SEP> 5,9 <SEP> 388
<tb> 120 <SEP> 5,0 <SEP> 715
<tb> 180 <SEP> 4,2 <SEP> 992
<tb> 220 <SEP> 3, <SEP> 8 <SEP> 1 <SEP> 143
<tb>
EXEMPLE 2
On prépare des perles de la même façon que dans l'Exemple 1 sauf qu'on utilise 885 g d'aniline et 270 g d'ammoniac aqueux à 30 %.
On trouve que les perles sont constituées par un mélange comprenant 57 % en poids d'un copolymère A composé de 23 % de reste de N-phénylmaléimide, de 10 % de reste de maléimide et de 67 % de reste de styrène, et 43 % en poids d'un copolymère B composé de 40 % de reste d'acrylonitrile et de 60 % de reste de styrène. Les propriétés physiques apparaissent dans le Tableau II.
EXEMPLE 3
On mélange 64 parties en poids des pastilles de l'Exemple 2 avec 36 parties en poids d'une résine ABS (reste de styrène : 49 %, reste d'acrylonitrile : 17 % et reste de butadiène : 34 %, en poids) préparée par polymérisation en émulsion et on forme des pastilles avec le mélange pour obtenir des éprouvettes. On détermine diverses propriétés physiques des éprouvettes : Les résultats obtenus apparaissent dans le Tableau II.
EXEMPLE COMPARATIF 1
On prépare des perles comme dans l'Exemple 1 sauf qu'on n'ajoute ni aniline ni ammoniac.
On constate que les perles sont constituées par un mélange comprenant, en poids, 53 % de SMA composé de 33 % de reste d'anhydride maléique et de 67 % de reste de styrène, et 47 % d'un copolymère B composé de 40 % de reste d'acrylonitrile et de 60 % de reste de styrène. Les propriétés physiques sont indiquées dans le Tableau II.
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EXEMPLE COMPARATIF 2
On prépare des perles de la même façon que dans l'exemple 1 sauf qu'on utilise 506 g d'aniline et 500 g d'ammoniac aqueux à 30 %.
On constate que les perles sont constituées par un mélange comprenant, en poids) 55 % d'un copolymère composé de 13 % de reste de N-phénylmaléimide, de 20 % de reste de maléimide et de 67 % de reste de styrène, ainsi que 45 % d'un copolymère B composé de 40 % de reste d'acrylonitrile et de 60 % de reste de styrène. Les propriétés physiques apparaissent dans le Tableau II. Alors que les éprouvettes des Exemples 1 et 2 sont transparentes, les éprouvettes de cet exemple comparatif sont opaques, ce qui indique que-la compatibilité entre les copolymères A et B est détruite.
EXEMPLE COMPARATIF 3
On détermine diverses propriétés d'une résine AS du commerce ("SAM-C"fabriquée par Mitsubishi Monsanto Chemical Company) et les résultats apparaissent dans le Tableau II.
EXEMPLE COMPARATIF 4
On mélange 46 parties en poids de la résine AS utilisée dans l'Exemple comparatif 3 avec 36 parties en poids de résine ABS utilisée dans l'Exemple 3 et on pastille le mélange, puis on forme des éprouvettes. On détermine diverses propriétés physiques des éprouvettes et les résultats apparaissent dans le Tableau II.
EXEMPLE COMPARATIF 5
On prépare une composition en opérant de la même facon que dans l'Exemple 1 sauf qu'on utilise 1260 g d'aniline et 0 g d'ammoniac aqueux à 30 %.
On trouve que cette composition est un mélange comprenant, en poids, 58 % d'un copolymère composé de 31 % de reste de N-phénylmaléimide, de 2 % de reste d'anhydride maléique et de 67 % de reste de styrène ; et 42 % d'un copolymère comprenant 40 % de reste d'acrylonitrile et 60 % de reste de styrène. Les propriétés physiques des éprouvettes de cet exemple comparatif apparaissent dans le Tableau II. Dans le cas où il y a absence de reste de maléimide, le pointde ramollissement Vicat diminue d'environ 100C par rapport à la valeur trouvée quand ce reste de maléimide est présent.
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EXEMPLE COMPARATIF 6
On obtient une composition comme dans l'Exemple 1 sauf qu'on supprime l'aniline et utilise 770 g de solution aqueuse à 30 % d'ammoniac.
On trouve que cette composition est un mélange comprenant 53 % en poids d'un copolymère A composé de 29 % de reste de maléimide, de 4 % de reste d'anhydride maléique et 67 % de reste de styrène, et 47 % en poids d'un copolymère B comprenant 40 % de reste d'acrylonitrile et 60 % de reste de styrène.
Les éprouvettes contenant le reste de N-phénylmaléimide sont opaques et fragiles et a compatibilité entre les copolymères A et B est donc entièrement détruite.
TABLEAU II.
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<tb>
Exemples <SEP> Exemples <SEP> comparatifs
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP>
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction
<tb> kg/cm <SEP> (soit <SEP> 10 <SEP> Pa) <SEP> 680 <SEP> 680 <SEP> 500 <SEP> 670 <SEP> 610 <SEP> 720 <SEP> 470 <SEP> 700 <SEP>
<tb> Résistance <SEP> au <SEP> choc
<tb> Izod <SEP> (kg <SEP> cm/cm) <SEP> 1,4 <SEP> 1,4 <SEP> 14, <SEP> 0 <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 1,8 <SEP> 15,0 <SEP> 1,5
<tb> Point <SEP> de <SEP> ramollissement
<tb> Vicat <SEP> (OC) <SEP> 133 <SEP> 137 <SEP> 123 <SEP> 131 <SEP> 136 <SEP> 100 <SEP> 98 <SEP> 125
<tb> Stabilité <SEP> à <SEP> haute
<tb> température
<tb> Moussage <SEP> Non <SEP> Non <SEP> Non <SEP> Oui <SEP> Non <SEP> Non <SEP> Non <SEP> Non
<tb> Réduction <SEP> de <SEP> poids <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 0,9 <SEP> 1,0 <SEP> 3,8 <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 1,0 <SEP> 1,
0
<tb> (% <SEP> en <SEP> poids)
<tb>