EP3107960A1 - Utilisation de copolymeres de styrene et d'anhydride maleique pour preparer des particules de matiere minerale - Google Patents

Utilisation de copolymeres de styrene et d'anhydride maleique pour preparer des particules de matiere minerale

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EP3107960A1
EP3107960A1 EP15709250.3A EP15709250A EP3107960A1 EP 3107960 A1 EP3107960 A1 EP 3107960A1 EP 15709250 A EP15709250 A EP 15709250A EP 3107960 A1 EP3107960 A1 EP 3107960A1
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EP
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copolymer
particles
chain
units
use according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15709250.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jacques Mongoin
Christian Jacquemet
Jean-Marc Suau
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Coatex SAS
Original Assignee
Coatex SAS
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to the use of copolymers obtained by polymerization of maleic anhydride and styrene, functionalized or not, to prepare mineral matter particles having a temperature of onset of loss of weight as high as possible, as measured by thermogravimetric analysis (ATG).
  • ATG thermogravimetric analysis
  • Such particles are of particular interest as inorganic fillers in a variety of applications and especially in thermoplastic compositions (eg thermoplastic films) whose methods of preparation employ high temperatures.
  • Minerals are used in many applications. For example, calcium carbonate is one of the most abundant and least expensive mineral materials. It is thus a filler or pigment of choice commonly used in the plastics, paints or paper industries.
  • Minerals must be processed before they can be used. For example, they must be ground into finer and / or more homogeneous particles.
  • grinding processes There are two main categories of grinding processes, namely dry milling and wet milling. Grinding processes of mineral materials such as calcium carbonate are known to be very energy intensive. Solutions to increase milling yields are continually sought. In this perspective, it is generally useful to use grinding additives, called "grinding aid agents". These additives, introduced during the milling step of these minerals, are used to facilitate the milling process, to assist the particle size reduction process and to increase the capacity and efficiency of the milling process. The literature describes the use of many additives as grinding aid agents.
  • the choice of the additive varies in particular according to the type of grinding performed, the desired grinding efficiency, as well as the final application of the particles of mineral matter thus obtained.
  • the effectiveness of a grinding additive depends on its chemical nature and physical properties. Nevertheless, no clear logic linking the mineral material to be ground, the grinding process and the grinding additive has been established to date.
  • the present invention is in the context of the use of a particular copolymer for treating mineral materials, in particular to assist the grinding thereof, for example calcium carbonate.
  • the copolymer in question results from the polymerization of monomers of maleic anhydride and at least one other monomer comprising a polymerizable vinyl function, more specifically styrene. Mention may be made, by way of illustration, of low molecular weight copolymers of maleic anhydride and styrene and their derivatives. Such copolymers and derivatives are commercially available, for example in the range SMA® (Cray Valley) and are described in particular in documents EP 1 122 263 A1, US 3,941,808 and EP 1,515,994 A1.
  • EP 0 467 287 A2 discloses the use of copolymers of maleic anhydride and hydrolyzed products of these copolymers for the inhibition of scale, the dispersion of calcium carbonate and as additives of cement and concrete.
  • US 4,136,830 discloses the use of copolymers of styrene and maleic anhydride, or a salt thereof, as wet milling aid agents for coal.
  • EP 0 779 342 A1 describes the use of copolymers of styrene and of maleic anhydride as dispersing agents and / or mineral fillers and measures the melt flow index (or Melt Flow Index) of the granules. thermoplastic compositions containing them.
  • ThermoGravimetric Analysis is a method for the thermal characterization of materials, in this case particles of mineral matter treated.
  • ATG analysis is particularly useful when it comes to analyzing the behavior of certain materials at high temperatures, in this case between 150 ° C and 600 ° C. Indeed, such temperatures are, for example, implemented in the processes for preparing the thermoplastic compositions. However, at such temperatures, volatile compounds associated with the particles of mineral matter (for example grinding additives or a portion thereof) are likely to vaporize, which may have a number of disadvantages.
  • ATG analysis makes it possible to precisely determine the temperature at which this vaporization starts by measuring the weight loss with respect to the weight of the starting sample. It makes it possible to characterize the resistance of the particles of mineral matter to thermal degradation.
  • ATG analysis is, in fact, a technique for monitoring the weight loss of a product sample subjected to a range of increasing / incremental temperatures, in this case between 150 ° C and 600 ° C.
  • the term "start of weight loss temperature” is the decomposition primer temperature of the volatile compounds associated with the particles of mineral matter. This temperature is between 150 ° C and 600 ° C. In fact, below 150 ° C., the possible loss of water (boiling temperature of the water) associated with the particles of mineral matter is measured. Above 600 ° C., the loss of mineral material as such (for example the CO 2 of calcium carbonate) is measured.
  • the inventors have realized that the use of particular copolymers made it possible to prepare mineral material particles having a high mass loss onset temperature, that is to say a better resistance to thermal degradation.
  • EP 2 159 258 A1, EP 2 390 208 A1, EP 2 390 285 A1 describe the interest of treating mineral material charges with aliphatic carboxylic acid type compounds (stearic acid, palmitic acid) or a combination of these which allow in particular to increase this volatilization initiation temperature ("volatil onset temperature" in English).
  • the present invention relates to the use of a copolymer of formula (I) below
  • the units x, y and z are arranged in blocks, alternating or statistics,
  • x is non-zero and at least one of y or z is also non-zero, the sum of x + y + z being less than or equal to 150,
  • R 1 represents H or a sulphonated group
  • R 2 represents a heteroatom, optionally substituted by an alkyl chain, a heteroalkyl chain and / or a polyalkoxylated chain,
  • R 3 and R 4 independently of each other, represent OH, (O " , M + ), an O-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms, an N-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms and / or a polyalkoxylated chain and M + represents a monovalent, divalent or trivalent cation,
  • the present invention relates in particular to the use of this copolymer for the dry grinding of mineral matter so as to obtain particles of mineral material having a start temperature of loss of weight greater than or equal to 220 ° C, as measured by ThermoGravimetric Analysis (ATG) between 150 ° C and 600 ° C.
  • ATG ThermoGravimetric Analysis
  • the present invention relates to the use of this copolymer for the dry grinding of coarse calcium carbonate so as to obtain finer and / or more uniform calcium carbonate particles having a start temperature of weight loss. greater than or equal to 220 ° C, as measured by ThermoGravimetric Analysis (ATG) between 150 ° C and 600 ° C.
  • ATG ThermoGravimetric Analysis
  • FIG. 1 represents a thermogram obtained by TAG analysis of the particles treated according to test 1-7 (invention).
  • FIG. 2 represents a thermogram obtained by TAG analysis of the particles treated according to test 1-2 (prior art).
  • the abscissa axis represents the temperature in ° C and the ordinate axis represents the weight (in%).
  • copolymers are called styrene-maleic anhydride copolymers and derivatives, are used during the process for the preparation of particles of mineral matter, for example during the grinding of mineral matter. in particles of uniform size and make it possible to obtain particles of mineral material which have improved thermal stability. More specifically, these particles, prepared using the copolymer of formula (I), have a weight loss onset temperature greater than or equal to 220 ° C, as measured by ATG analysis between 150 ° C and 600 ° C.
  • the copolymer which is the subject of the present invention, results from the polymerization of monomers of maleic anhydride and styrene monomers. Mention may be made, by way of illustration, of low molecular weight copolymers of maleic anhydride and styrene and their derivatives.
  • copolymer derivatives of maleic anhydride and styrene having:
  • such copolymers have the following formula (I):
  • the units x, y and z are arranged in blocks, alternating or statistics,
  • x is non-zero and at least one of y or z is also non-zero, the sum of x + y + z being less than or equal to 150,
  • R 1 represents H or a sulphonated group
  • R 2 represents a heteroatom, optionally substituted by an alkyl chain, a heteroalkyl chain and / or a polyalkoxylated chain,
  • R 3 and R 4 independently of each other, represent OH, (O ⁇ , M + ), an O-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms, an N-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms and / or a polyalkoxylated chain and M + represents a monovalent, divalent or trivalent cation.
  • sulfonated group means a group -SO3H or - (SO3 " , M + ) '-" heteroatom "means an oxygen, sulfur, nitrogen, silicon or phosphorus atom,
  • alkyl means a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated, optionally substituted carbon radical comprising 1 to 20 carbon atoms;
  • heteroalkyl means an alkyl radical as defined above, said alkyl system comprising at least one heteroatom, in particular chosen from the group comprising sulfur, oxygen, nitrogen, phosphorus and silicon, and
  • Polyalkoxylated chain means a chain of type [(EO) n (PO) n '(BO) n "] -Z, consisting of alkoxylated units, divided into blocks, alternating or random, chosen from ethoxylated units.
  • EO the propoxylated units PO and the butoxylated units BO, n, n ', n "representing, independently of each other, 0 or an integer ranging from 1 to 150, the sum of n, n' and n" n ' being not zero and Z represents an alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms, for example 1 or 2 carbon atoms.
  • the copolymers according to the invention are obtained by polymerization of at least two different monomers, according to methods known and described.
  • the units x in formula (I) are derived from polymerizable monomers of the styrene type, optionally modified before or after polymerization.
  • the units may in particular be subjected to total or partial sulfonation, after polymerization.
  • the copolymer according to the invention may comprise styrene units as such and / or styrene units substituted with a sulphonated group.
  • the units y and z are derived from maleic anhydride monomers, optionally modified before or after polymerization.
  • the copolymer consists of units x and units y.
  • the copolymer consists of units x and units z.
  • the copolymer consists of units x, units y and units z.
  • the copolymer consists of styrene type x units, as well as sulfonated styrene type x units and y and z units.
  • the molar ratio between the units x, on the one hand, and the units y and / or z, on the other hand, within the copolymer can vary between 10: 1 and 1: 2.
  • the molar ratio between the units x on the one hand, and the units y and / or z on the other hand, within the copolymer is 1: 1, 2: 1 or 3: 1.
  • Said copolymers or derivatives used in the context of the present invention are in acid form or in neutralized form.
  • the copolymers according to the invention are wholly or partially.
  • M + is, for example, selected from calcium (Ca 2+ ), magnesium (Mg 2+ ), lithium (Li + ), sodium (Na + ), potassium (K + ) and ammonium (NH 4 + ). M + may also be ammonium. In this case, the neutralization is preferably partial.
  • the start temperature of weight loss is greater than or equal to 220 ° C, as measured by ThermoGravimetric Analysis (ATG) between 150 ° C and 600 ° C.
  • the particles have a better thermal stability, which makes it possible to limit the vaporization of the volatile compounds during the temperature rise of the constituents of the thermoplastic compositions, with a view to their shaping.
  • said weight loss start temperature of said particles of mineral material is greater than or equal to 250 ° C.
  • a copolymer of formula (II) is used:
  • the units x and y are arranged in blocks, alternating or statistics,
  • x and y are non-zero, the sum of x + y being less than or equal to 150,
  • Ri represents H or a sulphonated group
  • R 2 represents a heteroatom, optionally substituted by an alkyl chain, a heteroalkyl chain and / or a polyalkoxylated chain.
  • the units x and z are arranged in blocks, alternating or statistics,
  • x and z are non-zero, the sum of x + z being less than or equal to 150,
  • R 1 represents H or a sulphonated group
  • R 3 represents OH, (O " , M + ), an O-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms, an N-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms and / or a polyalkoxylated chain and
  • M + represents a monovalent, divalent or trivalent cation.
  • to prepare mineral matter particles having a weight loss onset temperature greater than or equal to 220 ° C, as measured by ThermoGravimetric Analysis (ATG) between 150 ° C and 600 ° C uses a copolymer of formula (I) in which x, y and z are non-zero and less than 150, the units x, y and z being arranged in alternating or random blocks.
  • the group R 2 represents a heteroatom, optionally substituted by an alkyl chain, a heteroalkyl chain and / or a polyalkoxylated chain.
  • the group R 2 represents an atom of O.
  • the group R 2 represents an N atom substituted by an alkyl chain, a heteroalkyl chain and / or a polyalkoxylated chain.
  • the N atom can in particular be substituted with an alkyl chain bearing a primary, secondary or tertiary ammonium function.
  • the group R 2 represents N-CH 2 -CH 2 -N (CH 3) 2 .
  • the groups R 3 and R 4 independently of each other, represent OH, (O " , M + ), an O-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms, an N-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms and / or a polyalkoxylated chain.
  • the groups R 3 and R 4 represent (O " , M + ), for example (O " , NH 4 + ).
  • the groups R 3 and R 4 represent for an OH and for the other an O-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms.
  • the groups R 3 and R 4 represent (O ⁇ , M + ), for example (O ⁇ , NH 4 + ), and for the other, an O-alkyl chain comprising between 1 and 20 carbon atoms.
  • the copolymer is such that it comprises two different types of z units.
  • a part of the units z of the copolymer according to the invention is such that the groups R 3 and R 4 represent (O " , M + ), for example (O " , NH 4 + ).
  • Another part of the units z of the copolymer is such that the groups R 3 and R 4 represent for one (O " , M + ), for example (O " , NH 4 + ) and for the other a chain O- alkyl comprising between 1 and 20 carbon atoms.
  • the groups R 3 and R 4 represent for one (O " , M + ), for example (O " , NH 4 + ) and for the other a polyalkoxylated chain, for example - C 4 H 8 -O-CH 2 -CH 3 .
  • the copolymer according to the invention is in the form of a solution, in the form of a powder, in the form of a resin or in the form of flakes ("flakes" in English).
  • said copolymer is used to prepare the particles of mineral matter.
  • the term "prepare” should be understood here in its broadest definition.
  • the preparation of mineral material particles may comprise contacting and / or grinding and / or dispersion and / or classification and / or drying and / or concentration steps.
  • the copolymer according to the invention may, for example, be used during one of these steps.
  • the preparation step that is to say of contacting and / or grinding and / or dispersion and / or classification and / or drying and / or concentration, can take place at room temperature, in presence of a cooling system, or at a temperature between room temperature and 200 ° C.
  • the copolymers according to the invention can be used as co-grinding additives for the grinding of mineral particles in aqueous suspension. Such grinding requires the use of a significant water content relative to the dry weight of the material to be ground. In contrast to these grinding aid agents that can be used in a humid environment, the copolymers according to the invention can also be used for grinding such mineral matter in a dry medium. According to one embodiment, said particles of mineral material are obtained by dry grinding in the presence of said copolymer.
  • Dry grinding is generally carried out in a grinding mill and results from an autogenous grinding operation, where the particles to be ground undergo impacts against each other, or result from additional impacts with one or more other material (s) ( x), such as grinding balls.
  • s material
  • Such grinding can take place, for example, in a ball mill, vibration or wheel. Depending on the type of grinding, said grinding can take place in a stationary or rotating grinding chamber.
  • the dry grinding agents may be added to the feed and / or the grinding chamber and / or during the milling process.
  • said particles of mineral material are obtained by wet grinding in the presence of said copolymer.
  • said particles of mineral material are obtained by contacting the particles of mineral material with said copolymer.
  • the contacting of the particles of mineral material with said copolymer is, for example, carried out by mixing the particles with said copolymer.
  • mixing is meant any conventional mixing methods known to those skilled in the art.
  • the mixture is preferably carried out with continuous stirring so that all the particles of mineral material, in an equal manner, is brought into contact with said copolymer.
  • the particles and said copolymer can be brought into contact at room temperature or at a temperature above room temperature.
  • the contacting can take place at a temperature adjusted so that said copolymer is in the liquid or molten state.
  • the temperature of contacting the particles with said copolymer according to the invention may result from the shearing of the mixing device used or, alternatively, from an external source or a combination of the two.
  • the copolymer is present in an amount of from 0.01% to 10% by weight, based on the total weight of the mineral matter, for example 0.05 % to 5% by weight, 0.08% to 3.0% by weight, 0.09% to 2.0% by weight or 0.1% to 1.5% by weight.
  • ATG analysis is a technique for tracking the weight loss of a sample of products subjected to a range of increasing / incremental temperatures, in this case between 150 ° C and 600 ° C.
  • the technique is described in particular in Principles of Instrumental analysis, 5 th edition, Skoog, Holler, Nieman, 1998 (the st Edition 1992), Chapter 31, pages 798-800.
  • start of weight loss temperature is the decomposition primer temperature of the volatile compounds associated with the particles of mineral matter. This temperature is between 150 ° C and 600 ° C. In fact, below 150 ° C., the possible loss of water (boiling temperature of the water) associated with the particles of mineral matter is measured. Above 600 ° C., the loss of mineral material as such (for example calcium carbonate) is measured.
  • the ATG thermograms make it possible to precisely determine this start temperature of mass loss.
  • Those skilled in the art can determine the start temperature of weight loss from the thermograms and a suitable software. This temperature corresponds to the peak second derivative of the curve which corresponds to the inflection point 1, measured between 150 and 600 ° C.
  • Thermogravimetric measurement can be performed with a Q500 instrument from TA INSTRUMENTS. It can also be applied, for example, to a Mettler Toledo TGA 851 type apparatus.
  • mineral material is meant a mineral material selected from the group consisting of natural calcium carbonate, synthetic calcium carbonate, dolomites, kaolin, talc, gypsum, lime, magnesia, titanium dioxide, satin white, aluminum trioxide, aluminum trihydroxide, silica, mica and the mixture of these fillers between they.
  • said copolymer is obtained by polymerization of maleic anhydride and styrene, followed by neutralization.
  • said copolymer is in a form partially or totally neutralized with sodium and / or ammonium.
  • said copolymer is such that in formula (I): - Ri represents - (S0 3 + , Na + ),
  • R 3 and R 4 represent (0 ⁇ , Na + ).
  • such a copolymer consists exclusively of units x and z, that is to say of sulfonated styrene and maleic anhydride.
  • the molar ratio between x units and z units within the copolymer may vary between 10: 1 and 1: 2.
  • the molar ratio between units x and z units within the copolymer is 1: 1, 2: 1 or 3: 1.
  • said copolymer is such that in formula (I):
  • Such a copolymer consists exclusively of units x and z, that is to say styrene and maleic anhydride.
  • the molar ratio between x units and z units within the copolymer may vary between 10: 1 and 1: 2.
  • the molar ratio between units x and z units within the copolymer is 1: 1, 2: 1 or 3: 1.
  • the copolymers have a molecular weight of less than 20,000 g / mol, for example less than 15,000 g / mol or 12,000 g / mol. According to one embodiment of the present invention, the copolymers have a molecular mass greater than 500 g / mol, for example greater than 1000 g / mol.
  • the molecular weight of the copolymers according to the invention is determined by Steric Exclusion Chromatography (CES) or in English “Gel Permeation Chromatography” (GPC).
  • Such a technique implements a WATERS TM brand liquid chromatography apparatus equipped with a detector.
  • This detector is a WATERS TM refractometric concentration detector.
  • This liquid chromatography apparatus is provided with a steric exclusion column appropriately chosen by those skilled in the art in order to separate the different molecular weights of the polymers studied.
  • the liquid elution phase is an aqueous phase adjusted to pH 9.00 with 1N sodium hydroxide containing 0.05M NaHCO 3, 0.1M NaNO 3, 0.02M trietanolamine and 0.03% NaN 3 .
  • the copolymer is diluted to 0.9% dry in the solvent for solubilization of the CES, which corresponds to the liquid phase of elution of the CES to which 0.04% of dimethylformamide is added. which acts as a flow marker or internal standard. Then, it is filtered at 0.2 ⁇ . 100 ⁇ ⁇ are then injected into the chromatograph (eluent: an aqueous phase adjusted to pH 9.00 with sodium hydroxide IN containing 0.05 M NaHC0 3, 0.1 M of NaN0 3, 0.02 M trietanolamine and 0.03% NaN 3 ).
  • the liquid chromato graphy apparatus contains an isocratic pump (WATERS 515) with a flow rate of 0.8 ml / min.
  • the chromatography apparatus also comprises an oven which itself comprises in series the following column system: a precolumn GUARD COLUMN type ULTRAHYDROGEL WATERS TM 6 cm long and 40 mm internal diameter and a linear column type ULTRAHYDROGEL WATERS TM 30 cm long and 7.8 mm inside diameter.
  • the detection system consists of a RI WATERS TM 410 type refractometric detector. The oven is heated to a temperature of 60 ° C and the refractometer is heated to a temperature of 45 ° C.
  • the chromatography apparatus is calibrated with powdered polyacrylate standards of various molecular weights certified for the supplier: POLYMER STANDARD SERVICE or AMERICAN POLYMER STANDARDS CORPORATION.
  • the particles of mineral material prepared using a copolymer according to the invention are likely to have a susceptibility to moisture absorption of less than or equal to 1.5 mg / g, for example less than or equal to 1.4 mg / boy Wut.
  • This value corresponds to the amount of moisture absorbed on the surface of the particles of mineral matter. It is evaluated in mg of moisture per g of particles of mineral matter treated, after exposure to an atmosphere of 10% relative humidity and then 85% relative humidity for 2.5 hours at a temperature of 23 ° C ( ⁇ 2 ° C). It is sought to minimize this moisture absorption susceptibility value as much as possible, particularly when the particles are to be used as fillers in thermoplastic formulations.
  • Particles of mineral matter are likely to absorb moisture during storage, transport and or "processing". This moisture absorbed on the particles can then lead to vacuum zones in the thermoplastic formulations produced by high temperature processes.
  • the present invention also relates to the use of a styrene-maleic anhydride copolymer, or a derivative thereof, for decreasing the susceptibility of mineral matter to moisture absorption, said mineral matter being ground to dryness in the presence of said copolymer or derivative.
  • the present invention also relates to the use of a copolymer of styrene and maleic anhydride, or a derivative thereof, for increasing the decomposition primer temperature of volatiles, as measured by ThermoGravimetric Analysis (ATG), of mineral matter ground in the presence of said copolymer or derivative.
  • ATG ThermoGravimetric Analysis
  • the particles of mineral matter are first dried if they are in suspension. They are reduced to powder using a spatula and then a mortar.
  • thermogravimetric measurement is carried out with a Q500 instrument of TA INSTRUMENTS.
  • Mass loss is determined using the high dynamic resolution technique. The following parameters are set: ramp temperature rise of 20 ° C / min from 150 ° C to 600 ° C. The sample weights used are 30 mg +/- 10 mg.
  • thermogram is obtained according to FIG. 1 for example. Susceptibility to moisture absorption:
  • This example illustrates the use of various additives to prepare calcium carbonate particles by dry milling.
  • the additive to be tested is added at a rate of 1000 ppm (ie 0.1% by weight) on a coarse calcium carbonate from Italy having an average diameter of about 1 mm.
  • the calcium carbonate thus treated is introduced into a 4-liter ball mill containing 5,840 g of Cylpebs steel grinding balls of 15 mm by 15 mm.
  • the amount of calcium carbonate is 1200 g.
  • the grinding time is 150 minutes.
  • Test 1-1 the additive used is mono-propylene glycol (MPG).
  • Test 1-2 the additive used is a mixture 75% by weight of glycerol, 25% by weight of TIPA (Glycerol / TIPA).
  • the carbonate particles thus obtained are characterized by ATG analysis and susceptibility measurement to moisture absorption, according to the aforementioned protocols.
  • the overall results are shown in Table 1 below:
  • the set of styrene-maleic anhydride type additives or derivatives makes it possible to obtain particles of calcium carbonate with a temperature of onset of loss of weight much greater than that obtained with particles.
  • carbonate of crushed calcium in the presence of mono-propylene glycol (MPG) or a mixture of 75% glycerol and 25% TIPA (Glycerol / TIPA).
  • the styrene-maleic anhydride type additives or derivatives used as dry grinding additives (tests 3 to 8) of the calcium carbonate make it possible to reduce the susceptibility to the wet absorption of said particles to a lower value. to 1.5 mg of water per g of mineral matter.
  • the tests carried out concern the use of various additives for preparing calcium carbonate particles by wet milling.
  • aqueous suspensions of crushed calcium carbonate (GCC, marble of Italian origin), each having a solids content of 50 ⁇ 1, are prepared by grinding in the presence of 0.2% by dry weight of an additive to be tested. calculated with respect to dry calcium carbonate.
  • the suspensions of coarse calcium carbonate are introduced into a DYNO MILL type 1.4L KDL pilot mill containing 2100 g of verac balls (0 1 to 1.6 mm).
  • the grinding is continued until a suspension is obtained in which approximately 45% by weight of the particles have an equivalent spherical diameter of less than 2 ⁇ m.
  • the carbonate particles thus obtained are characterized by ATG analysis and susceptibility measurement to moisture absorption according to the aforementioned protocols.
  • the overall results are shown in Table 2 below:
  • the set of styrene-maleic anhydride additives or derivatives makes it possible to obtain calcium carbonate particles with a start temperature of weight loss that is much greater than that obtained with particles.

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Abstract

La présente invention concerne l'utilisation de copolymères obtenus par polymérisation d'anhydride maléique et de styrène pour préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse Thermo Gravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C.

Description

UTILISATION DE COPOLYMERES DE STYRENE ET D'ANHYDRIDE MALEIQUE POUR PREPARER DES PARTICULES DE MATIERE
MINERALE
DOMAINE DE L'INVENTION :
La présente invention a pour objet l'utilisation de copolymères obtenus par polymérisation d'anhydride maléique et de styrène, fonctionnalisés ou non, pour préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids aussi élevée que possible, telle que mesurée par analyse thermogravimétrique (ATG). De telles particules sont particulièrement intéressantes en tant que charges inorganiques dans une variété d'applications et notamment dans des compositions thermoplastiques (par exemple les films thermoplastiques) dont les procédés de préparation emploient des températures élevées.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION :
Les matières minérales sont utilisées dans de nombreuses applications. Par exemple, le carbonate de calcium fait partie des matières minérales les plus abondantes et les moins chères. Il constitue ainsi une charge ou un pigment de choix couramment utilisé dans les industries des plastiques, des peintures ou du papier.
Les matières minérales doivent être traitées avant de pouvoir être utilisées. Par exemple, elles doivent être broyées en particules de taille plus fine et/ou plus homogène. Il existe deux grandes catégories de procédés de broyage, à savoir le broyage en voie sèche et le broyage en voie humide. Les procédés de broyage des matières minérales telles que le carbonate de calcium sont connus pour être très consommateurs en énergie. Des solutions visant à augmenter les rendements de broyage sont continuellement recherchées. Dans cette perspective, il est généralement utile d'employer des additifs de broyage, appelés « agents d'aide au broyage ». Ces additifs, introduits pendant l'étape de broyage de ces minéraux, sont utilisés pour faciliter le procédé de broyage, pour assister au processus de réduction de tailles des particules et pour augmenter la capacité et l'efficacité du procédé de broyage. La littérature décrit l'utilisation de nombreux additifs comme agents d'aide au broyage. Le choix de l'additif varie notamment en fonction du type de broyage effectué, de l'efficacité de broyage recherchée, ainsi que de l'application finale des particules de matières minérales ainsi obtenues. L'efficacité d'un additif de broyage dépend de sa nature chimique et de ses propriétés physiques. Néanmoins, aucune logique claire reliant la matière minérale à broyer, le procédé de broyage et l'additif de broyage n'a été établie jusqu'à ce jour.
On connaît l'utilisation d'homopolymères et/ou copolymères hydrosolubles de l'acide acrylique et/ou méthacrylique avec un ou plusieurs monomère(s) acrylique(s), vinylique(s) ou allylique(s) comme agents d'aide au broyage de particules minérales en suspension aqueuse, leur conférant par leur utilisation des propriétés optiques particulières (WO 02/49766 Al). On connaît également l'utilisation de molécules polaires à caractère plutôt hydrophile comme, par exemple, le glycérol seul ou en mélange avec des acides organiques ou inorganiques, des aminés ou des polyglycérols pour le procédé de broyage à sec du carbonate de calcium (EP 2 516 556 Al, EP 2 510 059 Al). On connaît également l'utilisation de polymères polyalkylènes glycols (EP 2 029 677 Al) et de copolymères peignes, se composant d'une chaîne principale, également nommée squelette, et de macromonomères peignes ramifiés (EP 2 125 234 Al, EP 2 125 235 Al et EP 2 129 468 Al) pour le broyage à sec du carbonate de calcium.
La présente invention s'inscrit dans le contexte de l'utilisation d'un copolymère particulier pour traiter les matières minérales, notamment pour assister le broyage de celles-ci, par exemple le carbonate de calcium. Le copolymère en question résulte de la polymérisation de monomères d'anhydride maléique et d'au moins un autre monomère comportant une fonction vinylique polymérisable, plus précisément le styrène. On cite, à titre illustratif, les copolymères d'anhydride maléique et de styrène de bas poids moléculaires et leurs dérivés. De tels copolymères et dérivés sont commercialement disponibles, par exemple dans la gamme SMA® (Cray Valley) et sont décrits notamment dans les documents EP 1 122 263 Al, US 3,941,808 et EP 1 515 994 Al. Le document EP 0 467 287 A2 décrit l'utilisation de copolymères d'anhydride maléique et de produits hydrolysés de ces copolymères pour l'inhibition du tartre, la dispersion du carbonate de calcium et en tant qu'additifs du ciment et du béton. Le document US 4,136,830 décrit l'utilisation de copolymères de styrène et d'anhydride maléique, ou d'un de ses sels, comme agents d'aide au broyage en voie humide du charbon.
Le document US 5,811,069, quant à lui, décrit un procédé de préparation d'une suspension d'hydroxyde de magnésium stabilisée, comprenant notamment une étape d'ajout d'un polyélectrolyte qui peut notamment être un composé poly(styrène/maléate) de magnésium.
Le document EP 0 779 342 Al décrit l'utilisation de copolymères de styrène et d'anhydride maléique comme agents dispersants et/ou de traitement de charges minérales et mesure l'indice de fluidité (ou « Melt Flow Index » en anglais) des granulés de compositions thermoplastiques les contenant.
Aucun des documents cités ci-dessus ne décrit l'utilisation d'un tel copolymère pour traiter des particules de matière minérale en vue d'augmenter la température de perte de poids desdites particules mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C. La présente invention concerne une utilisation de ces copolymères pour préparer de telles particules de matières minérales. L'Analyse ThermoGravimétrique (ATG en français ou TGA en anglais) est une méthode permettant la caractérisation thermique des matériaux, en l'espèce des particules de matière minérale traitées.
L'analyse ATG est particulièrement utile lorsqu'il s'agit d'analyser le comportement de certains matériaux à des températures élevées, en l'espèce entre 150°C et 600°C. En effet, de telles températures sont, par exemple, mises en œuvre dans les procédés de préparation des compositions thermoplastiques. Or, à de telles températures, des composés volatils associés aux particules de matière minérale (par exemple des additifs de broyage ou une partie de ceux-ci) sont susceptibles de se vaporiser, ce qui peut présenter un certain nombre d'inconvénients. L'analyse ATG permet de déterminer précisément à quelle température s'amorce cette vaporisation par mesure de la perte de poids vis-à-vis du poids de l'échantillon de départ. Elle permet de caractériser la résistance des particules de matière minérale à la dégradation thermique.
L'analyse ATG est, en effet, une technique permettant de suivre la perte de poids d'un échantillon de produit soumis à une gamme de températures croissantes/incrémentales, en l'espèce entre 150°C et 600°C.
En augmentant autant que possible la résistance à la dégradation thermique des volatils associés aux particules minérales (c'est-à-dire en augmentant la température d'amorce de décomposition), on réduit d'autant plus, pour le formulateur, les effets néfastes associés à la volatilisation des composés dans le procédé de préparation des compositions thermoplastiques. Dans le cadre de la présente invention, on appelle « température de début de perte de poids » cette température d'amorce de décomposition des composés volatils associés aux particules de matière minérale. Cette température se situe entre 150°C et 600°C. En effet, en deçà de 150°C, on mesure la perte d'eau éventuelle (température d'ébullition de l'eau) associée aux particules de matière minérale. Au-delà de 600°C, on mesure la perte de matière minérale en tant que telle (par exemple le C02 du carbonate de calcium).
Les thermogrammes ATG permettent de déterminer précisément cette température de début de perte de masse. Voir Figure 1.
Les inventeurs se sont rendu compte que l'utilisation de copolymères particuliers permettait de préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de masse élevée, c'est-à-dire une meilleure résistance à la dégradation thermique.
Les documents EP 2 159 258 Al, EP 2 390 208 Al, EP 2 390 285 Al décrivent l'intérêt de traiter des charges de matières minérales avec des composés de type acide carboxylique aliphatique (acide stéarique, acide palmitique) ou une combinaison de ceux-ci qui permettent notamment d'augmenter cette température d'amorce de volatilisation (« volatil onset température » en anglais).
Aucun document de l'art antérieur ne suggérait qu'une telle caractéristique technique puisse être associée à l'utilisation des copolymères selon l'invention.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION :
La présente invention concerne l'utilisation d'un copolymère de formule (I) suivante
(I)
dans laquelle :
les unités x, y et z sont disposées en blocs, alternées ou statistiques,
x est non nul et l'un au moins de y ou z est également non nul, la somme de x + y + z étant inférieure ou égale à 150,
Ri représente H ou un groupement sulfoné,
R2 représente un hétéroatome, éventuellement substitué par une chaîne alkyle, une chaîne hétéroalkyle et/ou une chaîne polyalkoxylée,
R3 et R4, indépendamment l'un de l'autre, représentent OH, (O",M+), une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone, une chaîne N-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone et/ou une chaîne polyalkoxylée et M+ représente un cation monovalent, divalent ou trivalent,
pour préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C.
La présente invention concerne notamment l'utilisation de ce copolymère pour le broyage à sec de matière minérale de manière à obtenir des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C.
En particulier la présente invention concerne l'utilisation de ce copolymère pour le broyage à sec de carbonate de calcium grossier de manière à obtenir des particules de carbonate de calcium de taille plus fine et/ou plus homogène présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES :
La figure 1 représente un thermogramme obtenu par analyse TAG des particules traitées selon l'essai 1-7 (invention).
La figure 2 représente un thermogramme obtenu par analyse TAG des particules traitées selon l'essai 1-2 (art antérieur).
Sur ces thermogrammes, l'axe des abscisses représente la température en °C et l'axe des ordonnées représente le poids (en %).
Les figures ont volontairement été centrées sur la zone correspondant à la température de début de perte de poids. Pour la figure 1 (représentant l'invention), le logiciel de mesure note que cette température de début de perte de poids se situe à 354,7°C. Pour la figure 2 (représentant l'art antérieur), le logiciel de mesure note que cette température de début de perte de poids se situe à 184,0°C.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION :
Les copolymères, dont il est question dans la présente demande de brevet, sont appelés copolymères de styrène-anhydride maléique et dérivés, sont mis en œuvre au cours du procédé de préparation de particules de matière minérale, par exemple au cours du broyage de matières minérales en particules de taille homogène et permettent d'obtenir des particules de matière minérale qui présentent une stabilité thermique améliorée. Plus précisément, ces particules, préparées en utilisant le copolymère de formule (I), présentent une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par analyse ATG entre 150°C et 600°C.
Le copolymère, dont il est question dans le cadre de la présente invention, résulte de la polymérisation de monomères d'anhydride maléique et de monomères de styrène. On cite, à titre illustratif, les copolymères d'anhydride maléique et de styrène de bas poids moléculaires et leurs dérivés.
Il peut s'agir de dérivés de ces copolymères, par exemple de dérivés copolymères d'anhydride maléique et de styrène présentant :
des unités anhydrides maléiques partiellement ou totalement hydrolysées et/ou des unités anhydrides maléiques partiellement ou totalement estérifiées et/ou des unités anhydrides maléiques partiellement ou totalement amidifiées et/ou des unités anhydrides maléiques partiellement ou totalement imidisées et/ou - des unités styrènes partiellement ou totalement sulfonées.
Selon un mode de réalisation, de tels copolymères présentent la formule (I) suivante :
(D
dans laquelle :
les unités x, y et z sont disposées en blocs, alternées ou statistiques,
x est non nul et l'un au moins de y ou z est également non nul, la somme de x + y + z étant inférieure ou égale à 150,
Ri représente H ou un groupement sulfoné,
- R2 représente un hétéroatome, éventuellement substitué par une chaîne alkyle, une chaîne hétéroalkyle et/ou une chaîne polyalkoxylée,
R3 et R4, indépendamment l'un de l'autre, représentent OH, (0~, M+), une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone, une chaîne N-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone et/ou une chaîne polyalkoxylée et M+ représente un cation monovalent, divalent ou trivalent.
Dans le cadre de la présente invention :
par « groupement sulfoné », on entend un groupement -SO3H ou - (SO3", M+)' - par « hétéroatome », on entend un atome d'oxygène, soufre, azote, silicium ou phosphore,
par « alkyle », on entend un radical carbone linéaire, ramifié ou cyclique, saturé ou insaturé, éventuellement substitué, comprenant 1 à 20 atomes de carbone, par « hétéroalkyle », on entend un radical alkyle tel que défini précédemment, ledit système alkyle comprenant au moins un hétéroatome, notamment choisi dans le groupe comprenant le soufre, l'oxygène, l'azote, le phosphore et le silicium et
par « chaîne polyalkoxylée », on entend une chaîne de type [(EO)n(PO)n'(BO)n"]-Z, constituée d'unités alkoxylées, réparties en blocs, alternées ou statistiques, choisies parmi les unités éthoxylées EO, les unités propoxylées PO et les unités butoxylées BO, n, n', n" représentant, indépendamment les uns des autres, 0 ou un nombre entier variant de 1 à 150, la somme de n, n' et n" n'étant pas nulle et Z représente une chaîne alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone, par exemple 1 ou 2 atomes de carbone.
Les copolymères selon l'invention sont obtenus par polymérisation d'au moins deux monomères différents, selon des procédés connus et décrits. Les unités x dans la formule (I) sont issues de monomères polymérisables de type styrène, éventuellement modifiés avant ou après polymérisation. Les unités x peuvent notamment être soumises à une sulfonation, totale ou partielle, après polymérisation. Ainsi, le copolymère selon l'invention peut comprendre des unités de styrène en tant que telles et/ou des unités de styrène substituées par un groupement sulfoné.
Les unités y et z, quant à elles, sont issues de monomères d'anhydride maléique, éventuellement modifiées avant ou après polymérisation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le copolymère est constitué d'unités x et d'unités y.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le copolymère est constitué d'unités x et d'unités z.
Selon un autre mode de réalisation encore, le copolymère est constitué d'unités x, d'unités y et d'unités z.
Enfin, selon un mode de réalisation de la présente invention, le copolymère est constitué d'unités x de type styrène, ainsi que d'unités x de type styrène sulfoné et d'unités y et z. Le ratio molaire entre les unités x, d'une part, et les unités y et/ou z, d'autre part, au sein du copolymère peut varier entre 10: 1 et 1:2. Par exemple, le ratio molaire entre les unités x d'une part, et les unités y et/ou z d'autre part, au sein du copolymère est de 1: 1, 2: 1 ou 3: 1.
Lesdits copolymères ou dérivés utilisés dans le cadre de la présente invention se trouvent sous forme acide ou sous forme neutralisée.
Lorsqu'ils sont neutralisés, les copolymères selon l'invention le sont totalement ou partiellement.
Dans la formule (I) ci-dessus, ou dans la formule (III) ci-après, M+ est, par exemple, choisi parmi le calcium (Ca2+), le magnésium (Mg2+), le lithium (Li+), le sodium (Na+), le potassium (K+) et l'ammonium (NH4 +). M+ peut également être un ammonium. Dans ce cas, la neutralisation est de préférence partielle.
L'utilisation de tels copolymères permet de préparer des particules de carbonate de calcium présentant une stabilité thermique améliorée. En effet, la température de début de perte de poids est supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C.
Ceci présente de nombreux avantages. Les particules présentent une meilleure stabilité thermique, ce qui permet de limiter la vaporisation des composés volatils lors de la montée en température des constituants des compositions thermoplastiques, en vue de leur mise en forme.
Selon un mode de réalisation, ladite température de début de perte de poids desdites particules de matière minérale est supérieure ou égale à 250°C. Selon un mode de réalisation de la présente invention, pour préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C, on utilise un copolymère de formule (II) suivante :
dans laquelle :
les unités x et y sont disposées en blocs, alternées ou statistiques,
x et y sont non nuls, la somme de x + y étant inférieure ou égale à 150,
- Ri représente H ou un groupement sulfoné et
R2 représente un hétéroatome, éventuellement substitué par une chaîne alkyle, une chaîne hétéroalkyle et/ou une chaîne polyalkoxylée.
Selon un autre mode de réalisation, pour préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C, on utilise un copolymère de formule (III) suivante :
(III)
dans laquelle :
les unités x et z sont disposées en blocs, alternées ou statistiques,
x et z sont non nuls, la somme de x + z étant inférieure ou égale à 150,
Ri représente H ou un groupement sulfoné, R3 représente OH, (O", M+), une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone, une chaîne N-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone et/ou une chaîne polyalkoxylée et
M+ représente un cation monovalent, divalent ou trivalent.
Selon un autre mode de réalisation, pour préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C, on utilise un copolymère de formule (I) dans laquelle x, y et z sont non nuls et inférieurs à 150, les unités x, y et z étant disposées en blocs, alternées ou statistiques.
Dans l'ensemble de la présente description, le groupement R2 représente un hétéroatome, éventuellement substitué par une chaîne alkyle, une chaîne hétéroalkyle et/ou une chaîne polyalkoxylée.
Selon un mode de réalisation, le groupement R2 représente un atome de O.
Selon un autre mode de réalisation, le groupement R2 représente un atome de N substitué par une chaîne alkyle, une chaîne hétéroalkyle et/ou une chaîne polyalkoxylée. L'atome de N peut notamment être substitué par une chaîne alkyle portant une fonction ammonium primaire, secondaire ou tertiaire.
A titre d'exemple, le groupement R2 représente N-CH2-CH2-N(CH3)2.
Dans l'ensemble de la présente description, les groupements R3 et R4, indépendamment l'un de l'autre, représentent OH, (O", M+), une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone, une chaîne N-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone et/ou une chaîne polyalkoxylée.
Selon un mode de réalisation, les groupements R3 et R4 représentent (O", M+), par exemple (O", NH4 +).
Selon un autre mode de réalisation, les groupements R3 et R4 représentent pour l'un OH et pour l'autre une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone. Selon un autre mode de réalisation encore, les groupements R3 et R4 représentent (0~, M+), par exemple (0~, NH4 +), et pour l'autre, une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone. Selon un autre mode de réalisation, le copolymère est tel qu'il comporte deux types d'unités z différents. Selon ce mode, une partie des unités z du copolymère selon l'invention est tel que les groupements R3 et R4 représentent (O", M+), par exemple (O", NH4 +). Une autre partie des unités z du copolymère est tel que les groupements R3 et R4 représentent pour l'un (O", M+), par exemple (O", NH4 +) et pour l'autre une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone.
Selon un autre mode de réalisation encore, les groupements R3 et R4 représentent pour l'un (O", M+), par exemple (O", NH4 +) et pour l'autre une chaîne polyalkoxylée, par exemple -C4H8-0-CH2-CH3.
Selon un mode de réalisation, le copolymère selon l'invention se trouve sous forme de solution, sous forme de poudre, sous forme de résine ou sous forme de paillettes (« flakes » en anglais).
Dans le cadre de la présente invention, on utilise ledit copolymère pour préparer les particules de matière minérale. Le terme « préparer » doit être ici entendu dans sa définition la plus large. La préparation de particules de matière minérale peut comprendre des étapes de mise en contact et/ou broyage et/ou de dispersion et/ou classification et/ou de séchage et/ou de concentration. Le copolymère selon l'invention peut, par exemple, être utilisé au cours d'une de ces étapes. L'étape de préparation, c'est-à-dire de mise en contact et/ou de broyage et/ou de dispersion et/ou classification et/ou de séchage et/ou de concentration, peut avoir lieu à température ambiante, en présence d'un système de refroidissement, ou à une température comprise entre la température ambiante et 200°C. Les copolymères selon l'invention peuvent être utilisés comme additifs de co-broyage, pour le broyage de particules minérales en suspension aqueuse. Un tel broyage nécessite de mettre en œuvre une teneur en eau importante par rapport au poids sec de matériau à broyer. Par opposition à ces agents d'aide au broyage utilisables dans un environnement humide, les copolymères selon l'invention sont également utilisables pour le broyage de telles matières minérales en milieu sec. Selon un mode de réalisation, lesdites particules de matière minérale sont obtenues par broyage à sec en présence dudit copolymère.
Le broyage à sec est généralement réalisé dans un broyeur et résulte d'une opération de broyage autogène, où les particules à broyer subissent des impacts les unes contre les autres, ou résultent d'impacts additionnels avec un ou plusieurs autre(s) matériau(x), tels que des billes de broyage. Un tel broyage peut avoir lieu, par exemple, dans un broyeur à boulet, à vibration ou à roue. En fonction du type de broyage, ledit broyage peut avoir lieu dans une chambre de broyage stationnaire ou rotative. Les agents de broyage à sec peuvent être ajoutés à l'alimentation et/ou dans la chambre de broyage et/ou au cours du procédé de broyage.
Selon un autre mode de réalisation, lesdites particules de matière minérale sont obtenues par broyage en voie humide en présence dudit copolymère.
Selon un mode de réalisation, lesdites particules de matière minérale sont obtenues par mise en contact des particules de matière minérale avec ledit copolymère.
La mise en contact des particules de matière minérale avec ledit copolymère selon l'invention est susceptible de rendre plus hydrophobe la surface des particules et conduit alors à des particules traitées en surface. Les particules qui en résultent peuvent alors être utilisées comme charges dans une variété d'applications, par exemple dans des compositions thermoplastiques. Un tel traitement de surface des particules est notamment susceptible de résoudre le problème de dispersabilité avec les polymères hydrophobes (PP et PE par exemple) constituant les compositions thermoplastiques.
Dans ce mode de réalisation de la présente invention, la mise en contact des particules de matière minérale avec ledit copolymère est, par exemple, réalisée par mélange des particules avec ledit copolymère. Par « mélange », on entend tous procédés classiques de mélange connus de l'homme du métier. Le mélange est de préférence effectué sous agitation continue afin que l'ensemble des particules de matière minérale, de façon égale, soit mis en contact avec ledit copolymère. La mise en contact des particules et dudit copolymère peut avoir lieu à température ambiante ou à une température supérieure à la température ambiante.
Par exemple, la mise en contact peut avoir lieu à une température ajustée, de manière à ce que ledit copolymère soit à l'état liquide ou fondu. La température de mise en contact des particules avec ledit copolymère selon l'invention peut résulter du cisaillement du dispositif de mélange utilisé ou, alternativement, d'une source externe ou encore d'une combinaison des deux.
Selon un mode de réalisation, lors de la préparation des particules de matière minérale, le copolymère est présent en une quantité de 0,01 % à 10 % en poids, sur la base du poids total des matières minérales, par exemple de 0,05 % à 5 % en poids, de 0,08 % à 3,0 % en poids, de 0,09 % à 2,0 % en poids ou de 0,1 % à 1,5 % en poids.
L'analyse ATG est une technique permettant de suivre la perte de poids d'un échantillon de produits soumis à une gamme de températures croissantes/incrémentales, en l'espèce entre 150°C et 600°C. La technique est décrite notamment dans Principles of Instrumental analysis, 5eme Edition, Skoog, Holler, Nieman, 1998 (lere Edition 1992), Chapitre 31 pages 798-800. Dans le cadre de la présente invention, on appelle « température de début de perte de poids » cette température d'amorce de décomposition des composés volatils associés aux particules de matière minérale. Cette température se situe entre 150°C et 600°C. En effet, en deçà de 150°C, on mesure la perte d'eau éventuelle (température d'ébullition de l'eau) associée aux particules de matière minérale. Au-delà de 600°C, on mesure la perte de matière minérale en tant que telle (par exemple carbonate de calcium).
Les thermogrammes ATG permettent de déterminer précisément cette température de début de perte de masse. L'homme du métier sait déterminer la température de début de perte de poids à partir des thermogrammes et d'un logiciel adapté. Cette température correspond au pic de dérivée seconde de la courbe qui correspond au 1er point d'inflexion, mesurée entre 150 et 600°C. La mesure thermogravimétrique peut être réalisée avec un appareil Q500 de TA INSTRUMENTS. Elle peut également l'être, par exemple, sur un appareil de type Mettler Toledo TGA 851. Par « matière minérale », on entend une matière minérale choisie dans le groupe consistant en le carbonate de calcium naturel, le carbonate de calcium synthétique, les dolomies, le kaolin, le talc, le gypse, la chaux, la magnésie, le dioxyde de titane, le blanc satin, le trioxyde d'aluminium, le trihydroxyde d'aluminium, la silice, le mica et le mélange de ces charges entre elles.
Selon un mode de réalisation, ledit copolymère est obtenu par polymérisation d'anhydride maléique et de styrène, puis neutralisation.
Selon un mode de réalisation, ledit copolymère se trouve sous forme partiellement ou totalement neutralisée au sodium et/ou à l'ammonium.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit copolymère est tel que dans la formule (I) : - Ri représente - (S03 +, Na+),
- y égale 0 et
- R3 et R4 représentent (0~, Na+).
Ainsi, un tel copolymère est constitué exclusivement d'unités x et z, c'est-à-dire de styrène sulfoné et d'anhydride maléique. Le ratio molaire entre les unités x et les unités z au sein du copolymère peut varier entre 10: 1 et 1 :2. Par exemple, le ratio molaire entre les unités x et les unités z au sein du copolymère est de 1: 1, 2: 1 ou 3: 1.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit copolymère est tel que dans la formule (I) :
- Ri représente H,
- y égale 0 et
- R et R4 représentent (O", NH4 +). Ainsi, un tel copolymère est constitué exclusivement d'unités x et z, c'est-à-dire de styrène et d'anhydride maléique. Le ratio molaire entre les unités x et les unités z au sein du copolymère peut varier entre 10: 1 et 1:2. Par exemple, le ratio molaire entre les unités x et les unités z au sein du copolymère est de 1: 1, 2: 1 ou 3: 1.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les copolymères présentent un poids moléculaire inférieur à 20 000 g/mol, par exemple inférieure à 15 000 g/mol ou à 12 000 g/mol. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les copolymères présentent une masse moléculaire supérieure à 500 g/mol, par exemple supérieure à 1 000 g/mol.
Le poids moléculaire des copolymères selon l'invention est déterminée par Chromatographie d'Exclusion Stérique (CES) ou en anglais « Gel Permeation Chromatography » (GPC).
Une telle technique met en œuvre un appareil de chromatographie liquide de marque WATERS™ doté d'un détecteur. Ce détecteur est un détecteur de concentration réfractométrique de marque WATERS™. Cet appareillage de chromatographie liquide est doté d'une colonne d'exclusion stérique convenablement choisie par l'homme du métier afin de séparer les différents poids moléculaires des polymères étudiés.
La phase liquide d'élution est une phase aqueuse ajustée à pH 9,00 par de la soude IN contenant 0,05M de NaHCOs, 0,1M de NaN0 , 0,02M de triétanolamine et 0,03 % de NaN3.
De manière détaillée, selon une première étape, on dilue à 0,9 % sec le copolymère dans le solvant de solubilisation de la CES, qui correspond à la phase liquide d'élution de la CES à laquelle est ajoutée 0,04 % de diméthylformamide qui joue le rôle de marqueur de débit ou étalon interne. Puis, on filtre à 0,2 μιη. 100 μΐ^ sont ensuite injectés dans l'appareil de chromatographie (éluant : une phase aqueuse ajustée à pH 9,00 par de la soude IN contenant 0,05 M de NaHC03, 0,1M de NaN03, 0,02 M de triétanolamine et 0,03 % de NaN3). L'appareil de chromato graphie liquide contient une pompe isocratique (WATERS 515) dont le débit est réglé à 0,8 ml/min. L'appareil de chromatographie comprend également un four qui lui-même comprend en série le système de colonnes suivant : une précolonne de type GUARD COLUMN ULTRAHYDROGEL WATERS™ de 6 cm de long et 40 mm de diamètre intérieur et une colonne linéaire de type ULTRAHYDROGEL WATERS™ de 30 cm de long et 7,8 mm de diamètre intérieur. Le système de détection quant à lui se compose d'un détecteur réfractométrique de type RI WATERS™ 410. Le four est porté à la température de 60°C et le réfractomètre est porté à la température de 45 °C.
L'appareil de chromatographie est étalonné par des étalons de polyacrylate de sodium en poudre de différentes masses moléculaires certifiées pour le fournisseur: POLYMER STANDARD SERVICE ou AMERICAN POLYMER STANDARDS CORPORATION.
Les particules de matière minérale préparées en utilisant un copolymère selon l'invention sont susceptibles de présenter une susceptibilité à l'absorption de l'humidité inférieure ou égale à 1,5 mg/g, par exemple inférieure ou égale à 1,4 mg/g. Cette valeur correspond à la quantité d'humidité absorbée à la surface des particules de matière minérale. Elle est évaluée en mg d'humidité par g de particules de matière minérale traitées, après exposition à une atmosphère de 10 % d'humidité relative puis 85 % d'humidité relative pendant 2,5 heures à une température de 23°C (± 2°C). On recherche à minimiser au maximum cette valeur de susceptibilité à l'absorption de l'humidité, en particulier lorsque les particules sont destinées à être utilisées en tant que charges dans des formulations thermoplastiques. Les particules de matière minérale sont susceptibles, en effet, d'absorber l'humidité lors de leur stockage, transport et ou « processing ». Cette humidité absorbée sur les particules peut ensuite conduire à des zones de vide dans les formulations thermoplastiques produites par des procédés impliquant une température élevée.
La présente invention concerne également l'utilisation d'un copolymère styrène-anhydride maléique, ou d'un dérivé de celui-ci, pour diminuer la susceptibilité de matières minérales à l'absorption de l'humidité, lesdites matières minérales étant broyées à sec en présence dudit copolymère ou dérivé. La présente invention concerne également l'utilisation d'un copolymère de styrène et d'anhydride maléique, ou d'un dérivé de celui-ci, pour augmenter la température d'amorce de décomposition des volatils, mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG), de matières minérales broyées en présence dudit copolymère ou dérivé.
Les exemples qui suivent permettent de mieux appréhender la présente invention, sans en limiter la portée.
EXEMPLES
Les exemples ci-dessous illustrent la préparation de particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C. Des mesures de résistance à la dégradation thermique et de susceptibilité à l'absorption de l'humidité sont réalisées sur ces particules selon les protocoles suivants.
Résistance à la dégradation thermique par ATG :
On commence par sécher les particules de matière minérale si celles-ci se trouvent en suspension. On les réduit en poudre à l'aide d'une spatule puis d'un mortier.
La mesure thermogravimétrique est réalisée avec un appareil Q500 de TA INSTRUMENTS.
On détermine la perte de masse avec la technique de haute résolution dynamique. Les paramètres suivants sont fixés : rampe de montée en température de 20°C / min de 150°C à 600°C. Les poids d'échantillons mis en œuvre sont de 30 mg +/- 10 mg.
On enregistre alors l'évolution du pourcentage de la masse restante de l'échantillon (par rapport à sa masse initiale) en fonction de la température. On obtient un thermogramme selon la figure 1 par exemple. Susceptibilité à l'absorption de l'humidité :
Il s'agit de la quantité d'humidité absorbée à la surface des particules de matière minérale. Elle est évaluée en mg d'humidité par g de particules de matière minérale traitées, après exposition à une atmosphère de 10 % d'humidité relative puis 85 % d'humidité relative pendant 2,5 heures à une température de 23°C (± 2°C). Plus précisément, les particules traitées sont d'abord exposées à une atmosphère à 10 % d'humidité relative, puis à une atmosphère de 85 % d'humidité relative, à laquelle l'échantillon est maintenu pendant 2,5 heures. L'augmentation du poids entre 10 % et 85 % d'humidité relative est utilisée pour calculer la susceptibilité à l'absorption de l'humidité en mg/g.
Exemple 1 :
Cet exemple illustre l'utilisation de divers additifs pour préparer des particules de carbonate de calcium par broyage en voie sèche. L'additif à tester est ajouté à raison de 1 000 ppm (soit 0,1 % en poids) sur un carbonate de calcium grossier en provenance d'Italie ayant un diamètre moyen de 1 mm environ. Le carbonate de calcium ainsi traité est introduit dans un broyeur à boulets de 4 litres contenant 5 840 g de billes de broyage en acier de type Cylpebs de 15 mm par 15 mm. La quantité de carbonate de calcium est de 1 200 g. Le temps de broyage est de 150 minutes.
Essai 1-1 : l'additif utilisé est le mono-propylène glycol (MPG). Essai 1-2 : l'additif utilisé est un mélange 75 % en poids de glycérol, 25 % en poids de TIPA (Glycérol/TIPA).
Essai 1-3 : l'additif utilisé est un copolymère de styrène et de l'anhydride maléique (ratio molaire S:MA = 1 : 1) de poids moléculaire 5 000 g/mol et neutralisé avec NaOH jusqu'à pH = 10 (extrait sec 30 % en poids).
Essai 1-4 : l'additif utilisé est un copolymère de styrène et de l'anhydride maléique (ratio molaire S:MA = 2: 1) de poids moléculaire 7 500 g/mol et neutralisé avec NaOH jusqu'à pH = 10 (extrait sec 28 % en poids).
Essai 1-5 : l'additif utilisé est un copolymère de styrène et de l'anhydride maléique (ratio molaire S:MA = 3: 1) de poids moléculaire 10 000 g/mol et neutralisé avec NaOH jusqu'à pH = 10,2 (extrait sec 28 % en poids). Essai 1-6 : l'additif utilisé est un copolymère de styrène et de l'anhydride maléique (ratio molaire S:MA = 1: 1) de type ester de butanol et d'éthanol (base anhydride du SMA® 1440H) de poids moléculaire 5 000 g/mol et neutralisé avec NaOH jusqu'à pH = 10,1 (extrait sec 25 % en poids). Essai 1-7 : l'additif utilisé est un copolymère de styrène et de l'anhydride maléique (ratio molaire S:MA = 2: 1) de type ester de butanol et d'hexanol (SMA® 2625H) de poids moléculaire 7 500 g/mol et neutralisé avec NH4OH jusqu'à pH = 10 (extrait sec 27 % en poids). Essai 1-8 : l'additif utilisé est un copolymère d'unités styrènes sulfonées, d'unités styrènes et d'unités anhydrides maléiques (ratio molaire S:MA = 1: 1) de poids moléculaire 5 000 g/mol et neutralisé avec NaOH jusqu'à pH = 10 (extrait sec 30 % en poids).
Les particules de carbonates ainsi obtenues sont caractérisées par analyse ATG et mesure de la susceptibilité à l'absorption de l'humidité, selon les protocoles susmentionnés. L'ensemble des résultats figure dans le tableau 1 ci-dessous :
Tableau 1
L'ensemble des additifs de type styrène-anhydride maléique ou dérivés (essais 1-3 à 1-8) permet d'obtenir des particules de carbonate de calcium avec une température de début de perte de poids très supérieure à celle obtenue avec des particules de carbonate de calcium broyées en présence de mono-propylène glycol (MPG) ou d'un mélange 75 % de glycérol et 25 % de TIPA (Glycérol/TIPA).
On note, par ailleurs, que les additifs de type styrène-anhydride maléique ou dérivés utilisés comme additifs de broyage à sec (essais 3 à 8) du carbonate de calcium permettent de réduire la susceptibilité à l'absorption humide desdites particules à une valeur inférieure à 1,5 mg d'eau par g de matière minérale.
Voir également les figures 1 et 2 présentant les thermogrammes obtenus respectivement avec les essais 1-7 et 1-2.
Exemple 2 :
Les essais réalisés concernent l'utilisation de divers additifs pour préparer des particules de carbonate de calcium par broyage en voie humide.
Diverses suspensions aqueuses de carbonate de calcium broyé (GCC, marbre d'origine italienne), ayant chacune une teneur en matière solide de 50 ± 1 , sont préparées par broyage en présence de 0,2 % en poids sec d'un additif à tester calculé par rapport au carbonate de calcium sec.
Les suspensions de carbonate de calcium grossier sont introduites dans un broyeur DYNO MILL type KDL pilote 1,4 L contenant 2100 g de billes en verac (0 1 à 1,6 mm).
Le broyage est poursuivi jusqu'à l'obtention d'une suspension où environ 45 % en poids des particules ont un diamètre sphérique équivalent inférieur à 2 μιη.
Essai 2-1 : l'additif utilisé est un acide polyacrylique neutralisé sodium/calcium (PAA~, 70 % Na+, 30 % Ca2+; Mw = 5 700 g/mol). Essai 2-2 : l'additif utilisé est un copolymère de styrène et de l'anhydride maléique (ratio molaire S:MA = 1: 1) de type ester de butanol et d'éthanol (base anhydride du SMA® 1440H) de poids moléculaire 5 000 g/mol et neutralisé avec NaOH jusqu'à pH = 10,1 (extrait sec 25 % en poids). Essai 2-3 : l'additif utilisé est un copolymère de styrène et de l'anhydride maléique (ratio molaire S:MA = 2: 1) de type ester de butanol et d'hexanol (SMA® 2625H) de poids moléculaire 7 500 g/mol et neutralisé avec NH4OH jusqu'à pH = 10 (extrait sec 27 % en poids).
Essai 2-4 : l'additif utilisé est un copolymère d'unités styrènes sulfonées, d'unités styrènes et d'unités anhydrides maléiques (ratio molaire S:MA = 1: 1) de poids moléculaire 5 000 g/mol et neutralisé avec NaOH jusqu'à pH = 10 (extrait sec 30 % en poids).
Les particules de carbonates ainsi obtenues sont caractérisées par analyse ATG et mesure de la susceptibilité à l'absorption de l'humidité selon les protocoles susmentionnés. L'ensemble des résultats figure dans le tableau 2 ci-dessous :
Tableau 2
L'ensemble des additifs de type styrène-anhydride maléique ou dérivés (essais 2-2 à 2-4) permet d'obtenir des particules de carbonate de calcium avec une température de début de perte de poids très supérieure à celle obtenue avec des particules de carbonate de calcium broyées en présence d'un acide polyacrylique neutralisé sodium (PAA", Na+/Ca2+ ; Mw = 5 700 g/mol).

Claims

REVENDICATIONS
1. Utilisation d'un copolymère de formule (I) suivante
(I)
dans laquelle :
les unités x, y et z sont disposées en blocs, alternées ou statistiques,
x est non nul et l'un au moins de y ou z est également non nul, la somme de x + y + z étant inférieure ou égale à 150,
Ri représente H ou un groupement sulfoné,
R2 représente un hétéroatome, éventuellement substitué par une chaîne alkyle, une chaîne hétéroalkyle et/ou une chaîne polyalkoxylée,
R3 et R4, indépendamment l'un de l'autre, représentent OH, (O",M+), une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone, une chaîne N-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone et/ou une chaîne polyalkoxylée et M+ représente un cation monovalent, divalent ou trivalent,
pour préparer des particules de matière minérale présentant une température de début de perte de poids supérieure ou égale à 220°C, telle que mesurée par Analyse ThermoGravimétrique (ATG) entre 150°C et 600°C.
2. Utilisation selon la revendication 1, selon laquelle lesdites particules de matière minérale sont obtenues par broyage à sec en présence dudit copolymère.
3. Utilisation selon l'une des revendications 1 ou 2, selon laquelle le copolymère répond à la formule (II) suivante :
(Π)
dans laquelle :
les unités x et y sont disposées en blocs, alternées ou statistiques,
- x et y sont non nuls, la somme de x + y étant inférieure ou égale à 150,
Ri représente H ou un groupement sulfoné et
R2 représente un hétéroatome, éventuellement substitué par une chaîne alkyle, une chaîne hétéroalkyle et/ou une chaîne polyalkoxylée.
4. Utilisation selon l'une des revendications 1 ou 2, selon laquelle le copolymère répond à la formule (III) suivante :
(ΠΙ)
dans laquelle :
les unités x et z sont disposées en blocs, alternées ou statistiques,
x et z sont non nuls, la somme de x + z étant inférieure ou égale à 150,
Ri représente H ou un groupement sulfoné,
R3 représente OH, (0",M+), une chaîne O-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone, une chaîne N-alkyle comprenant entre 1 et 20 atomes de carbone et/ou une chaîne polyalkoxylée et
M+ représente un cation monovalent, divalent ou trivalent.
5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon laquelle les matières minérales sont choisies dans le groupe consistant en le carbonate de calcium naturel, le carbonate de calcium synthétique, les dolomies, le kaolin, le talc, le gypse, la chaux, la magnésie, le dioxyde de titane, le blanc satin, le trioxyde d'aluminium, le trihydroxyde d'aluminium, la silice, le mica et le mélange de ces charges entre elles.
6. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon laquelle ledit copolymère est obtenu par polymérisation d'anhydride maléique et de styrène, puis neutralisation.
7. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon laquelle ledit copolymère se trouve sous forme partiellement ou totalement neutralisée au sodium et/ou à l'ammonium.
8. Utilisation selon la revendication 1, selon laquelle ledit copolymère est tel que dans la formule (I) :
- Ri représente -(S03 ~, Na+),
- y égale 0 et
- R3 et R4 représentent (0~, Na+).
9. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon laquelle ladite température de début de perte de poids desdites particules de matière minérale est supérieure ou égale à 250°C.
10. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon laquelle les particules de matière minérale présentent, par ailleurs, une susceptibilité à l'absorption de l'humidité inférieure ou égale à 1,5 mg/g.
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