FR2871805A1 - Preparation of nanocomposite materials comprises preparation of a composition (comprising polyethylene, maleic anhydride grafted polyethylene and a mineral charge) to exfoliate and dispersion of mineral charge in the composition - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne la préparation de matériaux nanocompositesThe present invention relates to the preparation of nanocomposite materials
dans 5 une matrice polyéthylène.in a polyethylene matrix.
Le but de cette invention est de disperser le plus finement possible des feuillets d'argile de taille nanométrique dans le polyéthylène. The purpose of this invention is to disperse the finest possible nanoscale clay sheets in polyethylene.
La demande de brevet WO 2004/012917 décrit un procédé d'obtention de matériaux thermoplastiques nanocomposites par dispersion de particules minérales lamellaires dans une matrice polymère. Selon ce document, pour obtenir une bonne dispersion de la charge minérale, il est nécessaire que le procédé contienne une étape de relaxation sous malaxage mécanique doux à faible taux de cisaillement après l'étape de compression et de cisaillement significatif du mélange se trouvant à l'état viscoélastique. The patent application WO 2004/012917 describes a process for obtaining nanocomposite thermoplastic materials by dispersing lamellar mineral particles in a polymer matrix. According to this document, in order to obtain good dispersion of the mineral filler, it is necessary for the process to contain a low-shear soft mechanical stirring relaxation step after the step of compressing and significantly shearing the mixture at the same time. viscoelastic condition.
Or de façon surprenante, les inventeurs de la présente demande se sont aperçus que pour la fabrication de matériaux nanocomposites ayant une matrice polyéthylène, le type de procédé utilisé n'était pas important pour obtenir une bonne dispersion et même une exfoliation. Au contraire, l'addition simple de la charge préalablement traitée dans le polyéthylène, même par un procédé de compoundage efficace, ne peut à elle seule permettre la dispersion totale de la charge minérale (nanocharge) dans la matrice. Les seules conditions nécessaires découvertes par les inventeurs concernent la nécessité de la présence d'un dispersant de type polyéthylène greffé anhydride maléique ayant un taux de greffage précis et d'un rapport R massique précis entre la quantité de charge minérale présente dans la composition et la quantité d'anhydride maléique présentes dans la composition. Surprisingly, the inventors of the present application have found that for the manufacture of nanocomposite materials having a polyethylene matrix, the type of process used was not important to achieve good dispersion and even exfoliation. On the contrary, the simple addition of the previously treated feedstock in the polyethylene, even by an efficient compounding process, alone can not allow the total dispersion of the mineral filler (nanofiller) in the matrix. The only necessary conditions discovered by the inventors concern the need for the presence of a maleic anhydride grafted polyethylene-type dispersant having a precise degree of grafting and a precise mass ratio R between the amount of mineral filler present in the composition and the amount of maleic anhydride present in the composition.
L'invention porte sur le rapport R équivalent au rapport massique de la quantité de nanocharge réelle contenue dans le mélange sur la quantité d'anhydride maléique. The invention relates to the ratio R equivalent to the mass ratio of the amount of actual nanofiller contained in the mixture over the amount of maleic anhydride.
Il est connu de l'homme de l'art que l'introduction d'un produit greffé anhydride maléique modifie les propriétés de base de la matrice hôte, notamment s'il s'agit d'un polyéthylène haute densité (PEhd) additivé d'un polyéthylène basse densité linéaire (LLDPE) greffé anhydride maléique. Le LLDPE de part ses propriétés, assouplit le PEhd et annule les effets de renforcements éventuellement obtenus par la nanocharge. L'intérêt est donc de limiter au maximum la quantité de polyéthylène (PE) greffé anhydride maléique dans le mélange, de façon à préserver les propriétés naturelles de la matrice hôte. It is known to those skilled in the art that the introduction of a maleic anhydride grafted product modifies the basic properties of the host matrix, particularly if it is a high density polyethylene (HDPE) with added d Linear low density polyethylene (LLDPE) grafted maleic anhydride. LLDPE by its properties, relaxes the HDPE and cancels the effects of reinforcements possibly obtained by nanofillers. The interest is therefore to minimize the amount of polyethylene (PE) grafted maleic anhydride in the mixture, so as to preserve the natural properties of the host matrix.
Par ailleurs, les propriétés résultantes des nanocomposites, sont liées au niveau de dispersion des nanocharges contenues dans le mélange. Par conséquent il est important de pouvoir contrôler la dispersion des lamelles. Moreover, the resulting properties of the nanocomposites are related to the level of dispersion of the nanofillers contained in the mixture. Therefore it is important to be able to control the dispersion of the slats.
Les inventeurs ont découvert de façon surprenante que le R permet de contrôler le niveau de dispersion des nanocharges. Pour un R inférieur à 14, le mélange est parfaitement exfolié, c'est à dire que l'organisation périodique de l'empilement de lamelles de la nanocharge est perdue. The inventors have surprisingly discovered that the R makes it possible to control the level of dispersion of the nanofillers. For an R less than 14, the mixture is perfectly exfoliated, that is to say that the periodic organization of the lamella stack of the nanocharge is lost.
Pour un R compris entre 14 et 40, le mélange est partiellement exfolié et il subsiste encore quelques amas de lamelles. For a R between 14 and 40, the mixture is partially exfoliated and there are still some clusters of lamellae.
Au delà de 40, la dispersion des nanocharges est dans un état intercalé, c'est à dire que le polymère est entré entre les lamelles, mais il subsiste encore un certain niveau d'arrangement entre les lamelles. Beyond 40, the dispersion of the nanofillers is in an interposed state, that is to say that the polymer has entered between the lamellae, but there still remains a certain level of arrangement between the lamellae.
Par ailleurs, afin de maintenir le niveau de polymère greffé dans le mélange à un niveau suffisamment bas pour ne pas dégrader les propriétés intrinsèques du polymère hôte (maximum 25% de la composition), tout en maintenant le rapport R inférieur à 14, il faut disposer d'un PE greffé anhydride maléique dont le taux de greffage est compris entre 1% et 2,5%. Moreover, in order to maintain the level of graft polymer in the mixture at a sufficiently low level so as not to degrade the intrinsic properties of the host polymer (maximum 25% of the composition), while maintaining the ratio R less than 14, it is necessary to have a PE grafted maleic anhydride whose grafting rate is between 1% and 2.5%.
Or, on ne trouve pas sur le marché des produits greffés à plus de 1% d'anhydride maléique. Seuls les produits dont l'anhydride maléique est polymérisé dans la chaîne moléculaire (Lotader , ATOFINA) disposent de taux élevés (jusqu'à 3,6%). Malheureusement, l'activité chimique de l'anhydride maléique lorsqu'il est intégré à la chaîne, est plus faible que lorsqu'il est greffé sur un PE. However, we do not find on the market products grafted to more than 1% of maleic anhydride. Only products whose maleic anhydride is polymerized in the molecular chain (Lotader, ATOFINA) have high levels (up to 3.6%). Unfortunately, the chemical activity of maleic anhydride when integrated into the chain is lower than when it is grafted onto a PE.
Les inventeurs ont découvert de façon surprenante qu'il faut disposer d'un PE greffé anhydride maléique dont le taux est compris entre 1% et 2, 5% pour réaliser un mélange exfolié à faible taux de PE greffé. La nature du PE greffé ayant peu d'influence sur le résultat de la dispersion, il est possible d'adapter le dispersant greffé à la fois à la nature du PE matrice (densité, rigidité, viscosité) et à la fois aux propriétés résultantes souhaitées. The inventors have surprisingly discovered that a maleic anhydride grafted PE having a content of between 1% and 2.5% is required to produce an exfoliated mixture with a low level of grafted PE. As the nature of the grafted PE has little influence on the result of the dispersion, it is possible to adapt the grafted dispersant to both the nature of the matrix PE (density, stiffness, viscosity) and both the desired resultant properties. .
La présente invention concerne donc un procédé de préparation d'un matériau nanocomposite formé d'une matrice polyéthylène et de nanocharges minérales dispersées dans ladite matrice caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) préparation d'une composition comprenant: A) du polyéthylène pour former la matrice polymère (la matrice), B) un polyéthylène greffé anhydride maléique (le dispersant), C) une charge minérale constituée d'empilements minéraux lamellaires, préalablement traitée au moyen d'un agent organo-ionique pour rendre cette charge minérale lamellaire organophile (la nanocharge), b) dispersion du composé C dans la composition par chauffage et malaxage à une température au moins égale à la température de fusion des composés A et B, caractérisé en ce que la quantité du composé B est comprise entre 5 à 25 % en poids, que son taux de greffage est compris entre 1 % et 2,5 %, avantageusement entre 1,2% et 2,5%, de façon avantageuse le taux de greffage est de 1,7%, et que le rapport massique R, correspondant au rapport de la masse réelle des particules minérales par la masse d'anhydride maléique de la composition, est inférieur à 41, avantageusement inférieur à 14. The present invention thus relates to a process for preparing a nanocomposite material formed of a polyethylene matrix and of mineral nanofillers dispersed in said matrix, characterized in that it comprises the following steps: a) preparation of a composition comprising: A) polyethylene to form the polymer matrix (the matrix), B) a maleic anhydride grafted polyethylene (the dispersant), C) a mineral filler consisting of lamellar mineral stacks, previously treated with an organo-ionic agent to make this organophilic lamellar mineral filler (nanofiller), b) dispersion of compound C in the composition by heating and kneading at a temperature at least equal to the melting temperature of compounds A and B, characterized in that the amount of compound B is included between 5 and 25% by weight, that its degree of grafting is between 1% and 2.5%, advantageously between 1.2% and 2.5%, advantageously the grafting ratio is 1.7%, and the weight ratio R, corresponding to the ratio of the actual mass of the mineral particles to the maleic anhydride mass of the composition, is less than 41, advantageously less than 14.
Au sens de la présente invention, on entend par charge minérale constituée d'empilements minéraux lamellaires tout agglomérat minéral, d'origine naturel ou synthétique, formé d'une pluralité de lamelles élémentaires de taille nanométriques (nanocharges), empilées, adjacentes et liées entre elles par des liaisons faibles de type van der waals, ayant chacune une épaisseur inférieure à 100 À, et préférentiellement comprise entre 2 À et 20 À, les surfaces des lamelles élémentaires pouvant être rendues organophiles par un traitement approprié. Ces charges minérales peuvent être des argiles à base de silicates de magnésium et d'aluminium, pouvant contenir d'autres cations tels que du sodium, se présentant sous l'aspect d'une structure colamellaire, à facteur de forme élevé, à lamelles souples, liées entre elles par une force de cohésion qu'il faut rompre pour une bonne dispersion. For the purposes of the present invention, the term mineral filler consisting of lamellar mineral stacks any inorganic agglomerate, of natural or synthetic origin, formed of a plurality of elementary lamellae of nanometric size (nanofillers), stacked, adjacent and bonded between they have weak van der waals, each having a thickness less than 100 Å, and preferably between 2 Å and 20 Å, the surfaces of the elementary lamellae can be made organophilic by appropriate treatment. These mineral fillers may be clays based on magnesium and aluminum silicates, which may contain other cations such as sodium, in the form of a colamellar structure, with a high form factor, with flexible lamellae , linked together by a cohesive force that must be broken for good dispersion.
On entend au sens de la présente invention par dispersion , le résultat de l'introduction des chaînes de polymères des composés A et B entre les feuillets qui constituent les empilements des nanocharges lamellaires, provoquant l'écartement de ces feuillets, pouvant aller jusqu'à la rupture des interactions entre ces feuillets et la perte totale de l'organisation périodique des empilements (exfoliation). Avantageusement, la dispersion selon la présente invention va de l'état intercalé à l'exfoliation totale. On entend au sens de la présente invention par état intercalé l'état par lequel les feuillets qui constituent les empilements des nanocharges lamellaires sont écartés entre eux par du polymère et peuvent être partiellement exfoliés Ces charges minérales sont choisies, avantageusement, pour les matériaux d'origine naturelle, dans les groupes constitués par: - les argiles dont les surfaces de lamelles constitutives ont capacité à échanger des ions avec un composé organo-ionique auquel elles sont exposées, tel que le groupe des smectites, composé de la montmorillonite, la nontronite, la beidellite, la volkonskoite, l'hectorite, la saponite, la sanconite, la magadiite, et la kenyaite, le groupe de la vermicullite, le groupe des illites telle que la lédikite; - des argiles dont les lamelles ou feuillets ont une surface spécifique avantageusement élevée, c'est-à-dire d'au moins 200m2/g et de façon avantageuse comprise entre 300 m2/g et 800 m2/g; - des argiles ayant un facteur de forme défini par le rapport de la plus grande dimension sur la plus petite dimension des agglomérats de particules lamellaires à exfolier compris entre 1 et 1000. For the purposes of the present invention, the term "dispersion" means the result of the introduction of the polymer chains of the compounds A and B between the sheets which constitute the stacks of the lamellar nanofillers, causing the spacing of these sheets to be up to the rupture of the interactions between these layers and the total loss of the periodic organization of the stacks (exfoliation). Advantageously, the dispersion according to the present invention goes from the intercalated state to the total exfoliation. For the purposes of the present invention, the term "intercalated state" is intended to mean the state by which the lamellae constituting the stacks of the lamellar nanofillers are separated from each other by polymer and may be partially exfoliated. These mineral fillers are chosen, advantageously, for the materials of this invention. naturally occurring, in the groups consisting of: - clays whose constituent lamellae surfaces have the capacity to exchange ions with an organo-ionic compound to which they are exposed, such as the group of smectites, composed of montmorillonite, nontronite, beidellite, volkonskoite, hectorite, saponite, sanconite, magadiite, and kenyaite, the group of vermicullite, the group of illites such as lédikite; clays whose lamellae or sheets have a particularly high specific surface area, that is to say at least 200 m 2 / g and advantageously between 300 m 2 / g and 800 m 2 / g; clays having a shape factor defined by the ratio of the largest dimension to the smallest dimension of the agglomerates of lamellar particles to exfoliate between 1 and 1000.
Ces charges minérales constituées d'empilements minéraux lamellaires sont soumises à un traitement préalable à leur mise en ouvre dans le cadre de l'invention au moyen d'un agent approprié tel qu'un composé organoionique, traitement décrit dans l'état de la technique et bien connu de l'homme de l'art. These inorganic fillers consist of lamellar mineral stacks are subjected to a treatment prior to their implementation in the context of the invention by means of a suitable agent such as an organoionic compound, treatment described in the prior art and well known to those skilled in the art.
Ce traitement préalable à la dispersion des charges minérales selon la présente invention poursuit le but de rendre organophiles lesdites charges minérales pour en faciliter la dispersion et même l'exfoliation dans la matrice polyéthylène thermovisqueuse; Un des agents possible de traitement des charges minérales peut être un agent organo-ionique ayant la faculté d'échanger des cations présents sur les lamelles d'argiles dans les interstices interlamellaires, tels que, par exemple, des ions de sodium, par des ions apportés au moyen d'un agent organo-ionique ou organoonium tel qu'un composé organo-ammonium ou un composé organophosphonium, ce composé organo-onium pouvant être, par exemple, de formule générale suivants NH3+R1, NH2+R2R3 ou P+R4R5R6R7, dans lesquels les groupes R1 à R7 représentent des chaînes hydrocarbonées. Au moins l'un des groupes R1 à R7 a au moins 4 atomes de carbones. This pre-dispersion treatment of the mineral fillers according to the present invention has the aim of making said mineral fillers organophilic in order to facilitate their dispersion and even the exfoliation in the thermosetting polyethylene matrix; One of the possible agents for treating mineral fillers may be an organo-ionic agent having the ability to exchange cations present on the lamellae of clays in the interlamellar interstices, such as, for example, sodium ions, by ions. provided by means of an organo-ionic agent or organoonium such as an organo-ammonium compound or an organophosphonium compound, this organo-onium compound possibly being of, for example, the following general formula NH 3 + R 1, NH 2 + R 2 R 3 or P + R4R5R6R7, in which the groups R1 to R7 represent hydrocarbon chains. At least one of R1 to R7 has at least 4 carbon atoms.
Ces divers agents organo-onium, qui se fixent lors de l'échange d'ions, par exemple le sodium remplacé par l'ammonium, sur les surfaces des lamelles d'argile empilées, rendent les lamelles organophiles, c'est-àdire que ces divers composés facilitent la compatibilité entre les nanocharges et la matrice polyéthylène. These various organo-onium agents, which bind during the exchange of ions, for example sodium replaced by ammonium, on the surfaces of the stacked clay lamellae, make the lamellae organophilic, that is to say these various compounds facilitate the compatibility between the nanofillers and the polyethylene matrix.
Un autre agent possible de traitement des charges minérales à exfolier peut être formé par le mélange d'au moins un agent organo-ionique et d'au moins un agent 25 organo-silane tel qu'il est décrit dans le brevet US 5 747 560. Another possible agent for treating the mineral fillers to be exfoliated may be formed by mixing at least one organo-ionic agent and at least one organosilane agent as described in US Pat. No. 5,747,560. .
Ces divers agents organo-onium, facilitent la dispersion des agglomérats des particules lamellaires empilées par un effet d'encombrement stérique de leur molécule car, dès lors que ces agents, en particulier les agents organo-onium, ont capacité à se fixer sur lesdites lamelles par échange d'ions, ces agents agissent, dans l'espace interstitiel, comme un agent gonflant, qui élargit l'espace interstitiel en augmentant la distance entre deux particules lamellaires contiguës et affaiblissent les forces de cohésion interlamellaires. L'élargissement de l'espace interstitiel peut passer, grâce à la présence de cet agent, de 12A (par exemple pour une Montmorillonite naturelle) à 28À (par exemple pour la nanofil 15, traitée par un diméthyldistéarylammonium). Dès lors, la dispersion des charges minérales en est facilitée et est considérée comme réalisée quand la distance entre les particules minérales lamellaires issues du procédé selon l'invention est au moins égale, et préférentiellement supérieure à 60 À. These various organo-onium agents facilitate the dispersion of the agglomerates of the stacked lamellar particles by a steric hindrance effect of their molecule because, since these agents, in particular the organo-onium agents, have the capacity to bind to said lamellae by ion exchange, these agents act in the interstitial space as a blowing agent, which widens the interstitial space by increasing the distance between two contiguous lamellar particles and weakens interlamellar cohesion forces. The widening of the interstitial space can pass, thanks to the presence of this agent, from 12A (for example for a natural Montmorillonite) to 28A (for example for the nanowire 15, treated with a dimethyldisteararylammonium). Therefore, the dispersion of the mineral fillers is facilitated and is considered as performed when the distance between the lamellar mineral particles from the process according to the invention is at least equal, and preferably greater than 60 Å.
De tels traitements sont décrits dans l'état de la technique, par exemple dans les brevets US 4 793 007, US 5 747 560, EP 0 846 723, dans la demande internationale WO 09304117, mais également dans de nombreux autres documents. Such treatments are described in the state of the art, for example in US Pat. No. 4,793,007, US Pat. No. 5,747,560, EP 0 846 723, International Application WO 09304117, but also in numerous other documents.
Au sens de la présente invention, le rapport massique R est défini comme suit: R _ masse réelle de la charge minérale masse réelle de la charge minérale masse d'anhydride maléique masse du composant B * (% MA) Le sigle MA signifie anhydride maléique et le % MA correspond au taux de greffage du composé B. Au sens de la présente invention on entend par masse réelle de la charge minérale la masse du résidu minéral dépourvu du traitement organique de type onium. Avantageusement, elle est obtenue par analyse thermogravimétrique à 600 C, opération qui consiste à éliminer tous les composés organiques dans le mélange. For the purposes of the present invention, the weight ratio R is defined as follows: R _ actual mass of the mineral filler actual mass of the inorganic filler mass of maleic anhydride mass of the component B * (% MA) The acronym MA stands for maleic anhydride and the% MA corresponds to the degree of grafting of the compound B. For the purposes of the present invention, the actual mass of the inorganic filler is understood to mean the mass of the inorganic residue free of the organic treatment of onium type. Advantageously, it is obtained by thermogravimetric analysis at 600 C, which consists of removing all the organic compounds in the mixture.
Les matériaux nanocomposites selon la présente invention sont formés d'une matrice polymère polyéthylène au sein de laquelle sont dispersées les nanocharges 25 minérales. The nanocomposite materials according to the present invention are formed of a polyethylene polymer matrix in which the mineral nanofillers are dispersed.
Avantageusement, la quantité du composé C dans l'étape (a) du procédé selon la présente invention est comprise entre 5 et 33% en poids. Advantageously, the amount of compound C in step (a) of the process according to the present invention is between 5 and 33% by weight.
Avantageusement le composé A et le polyéthylène (PE) du composé B sont choisis indépendamment l'un de l'autre dans le groupe constitué par le polyéthylène basse densité (LDPE), basse densité linéaire (LLDPE) et très basse densité (VLDPE), le polyéthylène moyenne densité (MDPE), le polyéthylène haute densité (PEhd). Avantageusement, le polyéthylène peut être visqueux ou fluide. Advantageously, the compound A and the polyethylene (PE) of the compound B are chosen independently of one another in the group consisting of low density polyethylene (LDPE), linear low density (LLDPE) and very low density (VLDPE). medium density polyethylene (MDPE), high density polyethylene (HDPE). Advantageously, the polyethylene may be viscous or fluid.
De façon avantageuse, le composé A et le polyéthylène du composé B sont choisis indépendamment l'un de l'autre dans le groupe constitué par les LLDPE ou les PEhd. Advantageously, compound A and polyethylene of compound B are chosen independently of each other from the group consisting of LLDPEs or hdPEs.
De préférence le MFI du PE greffé anhydride maléique doit demeurer supérieur à 5 g/10min à 190 C sous 21,6 kg et de préférence supérieur à 10 g/10min à 190 C sous 21,6 kg. Preferably, the MFI of the PE grafted with maleic anhydride must remain greater than 5 g / 10 min at 190 ° C. under 21.6 kg and preferably greater than 10 g / 10 min at 190 ° C. under 21.6 kg.
La viscosité d'un polymère est caractérisée par le MFI (Melt Flow Index) qui se mesure selon la norme ASTM D 1238. The viscosity of a polymer is characterized by the MFI (Melt Flow Index) which is measured according to ASTM D 1238.
Avantageusement, le composé B est un PEhd dont le Melt Flow Index (MFI) est supérieur à 5 g/10 min sous 2,16 kg à 190 C. Advantageously, compound B is a PEhd whose Melt Flow Index (MFI) is greater than 5 g / 10 min under 2.16 kg at 190 C.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé selon la présente invention comprend une étape supplémentaire c) de mise en pression et granulation du matériau nanocomposite obtenu. In a particular embodiment of the invention, the method according to the present invention comprises an additional step c) pressurizing and granulation of the obtained nanocomposite material.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le procédé selon la présente invention est réalisé dans un mélangeur-malaxeur discontinu de type mélangeur interne type Banbury, à partir d'un mélange constitué par les divers composés A, B (avantageusement sous forme de granulés) et C (avantageusement sous forme de poudre). Avantageusement, dans ce cas l'étape b) dure au moins 3 minutes et les composés A, B et C sont introduits dans le mélangeur et portés à une température suffisante pour fondre les composés A et B, et procéder au malaxage de la matière fondue. La matière peut être ensuite extraite du mélangeur pour être introduite dans une extrudeuse monovis qui assure la mise en pression de la matière et sa granulation en sortie. In one embodiment of the invention, the process according to the present invention is carried out in a batch mixer-mixer type Banbury internal mixer, from a mixture consisting of the various compounds A, B (preferably in the form of granules) and C (advantageously in powder form). Advantageously, in this case step b) lasts at least 3 minutes and the compounds A, B and C are introduced into the mixer and brought to a temperature sufficient to melt compounds A and B, and to mix the melt . The material can then be extracted from the mixer to be introduced into a single-screw extruder which ensures the pressurization of the material and its granulation at the outlet.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le procédé selon la présente invention est réalisé dans un malaxeur continu de type extrudeuse double vis ou co-malaxeur Buss, avantageusement dans un co- malaxeur Buss. In another embodiment of the invention, the process according to the present invention is carried out in a continuous mixer of the twin-screw extruder or Buss co-kneader type, advantageously in a Buss co-kneader.
Avantageusement, dans le cas de l'extrudeuse double vis, l'étape b) dure au moins 15s. De façon avantageuse, les composés A, B et C sont dosés avant leur introduction dans la trémie par des doseurs pondéraux ou volumétriques, selon la composition souhaitée; la température de la machine et le travail mécanique mis en jeu permettent d'amener les composés A et B à une température nécessaire pour obtenir la fusion et le malaxage des polymères et des charges minérales. A la sortie de la machine, la matière fondue est granulée. Advantageously, in the case of the twin-screw extruder, step b) lasts at least 15s. Advantageously, the compounds A, B and C are metered before being introduced into the hopper by weight or volumetric feeders, according to the desired composition; the temperature of the machine and the mechanical work involved make it possible to bring the compounds A and B to a temperature necessary to obtain the melting and mixing of the polymers and mineral fillers. At the exit of the machine, the molten material is granulated.
Par ailleurs, on peut par exemple introduire les composés A et B par la trémie d'alimentation, puis le composé C par une seconde trémie ou puit de gavage situé en aval de la première trémie d'alimentation. On the other hand, it is possible, for example, to introduce the compounds A and B through the feed hopper, then to the compound C via a second hopper or feed booth situated downstream of the first feed hopper.
Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape (a) du procédé selon la présente invention consiste en deux étapes successives suivantes: al) préparation d'un mélange-maître à deux composés par mélange et malaxage à la température de fusion du composé B de - 10 à 50% en poids, avantageusement 15 à 33% en poids, du composé C et - 50 à 90% en poids, avantageusement 67 à 85% en poids du composé B, le taux de greffage du composé B étant compris entre 1 et 2,5%, avantageusement entre 1,2 et 2,5% et le rapport R étant inférieur à 41, avantageusement inférieur à 14; a2) dilution du mélange-maître obtenu à l'étape (al) par ajout du composé A en une quantité telle que la quantité du composé B dans le mélange final ainsi obtenu est compris entre 5 et 25% en poids. In a particular embodiment of the invention, step (a) of the process according to the present invention consists of two successive stages: (a) preparation of a two-compound masterbatch by mixing and kneading at melting of compound B of from 10 to 50% by weight, advantageously from 15 to 33% by weight, of compound C and from 50 to 90% by weight, advantageously from 67 to 85% by weight of compound B, the degree of grafting of the compound B being between 1 and 2.5%, advantageously between 1.2 and 2.5% and the ratio R being less than 41, advantageously less than 14; a2) dilution of the masterbatch obtained in step (a1) by adding compound A in an amount such that the amount of compound B in the final mixture thus obtained is between 5 and 25% by weight.
Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, l'étape (a) du procédé 30 selon la présente invention consiste en deux étapes successives suivantes: a3) préparation d'un mélange-maître à trois composés par mélange et malaxage à la température de fusion des composés A et B de à 33% en poids, du composé C et - au plus 25% en poids du composé B, le taux de greffage du composé B étant compris entre 1 et 2,5%, avantageusement 5 entre 1,2 et 2,5% et le rapport R étant inférieur à 41, avantageusement inférieur à 14; a4) dilution du mélange-maître obtenu à l'étape (a3) par ajout du composé A en une quantité telle que la quantité du composé B dans le mélange final ainsi obtenu est compris entre 5 et 25% en poids. In another embodiment of the present invention, step (a) of the process according to the present invention consists of two successive steps: a3) preparation of a three-compound masterbatch by mixing and mixing at room temperature melting of compounds A and B of 33% by weight, of compound C and - at most 25% by weight of compound B, the degree of grafting of compound B being between 1 and 2.5%, advantageously between 1 , 2 and 2.5% and the ratio R being less than 41, advantageously less than 14; a4) dilution of the masterbatch obtained in step (a3) by adding compound A in an amount such that the amount of compound B in the final mixture thus obtained is between 5 and 25% by weight.
La présente invention concerne en outre un mélange-maître à deux composés comprenant 10 à 50% en poids, avantageusement 15 à 33% en poids, d'une charge minérale constituée d'empilements minéraux lamellaires, préalablement traitées au moyen d'un agent organo-ionique pour rendre cette charge minérale lamellaire organophile,(composé C), dispersée dans 50 à 90% en poids, avantageusement 67 à 85% en poids de polyéthylène greffé anhydride maléique (composé B) dont le taux de greffage est compris entre 1 et 2,5%, avantageusement entre 1,2 et 2,5%, le rapport R du mélange-maître étant inférieur à 41, avantageusement inférieur à 20 14. The present invention also relates to a two-compound masterbatch comprising 10 to 50% by weight, advantageously 15 to 33% by weight, of a mineral filler consisting of lamellar mineral stacks, previously treated with an organic agent. -ionic to make this inorganic lamellar inorganic filler, (compound C), dispersed in 50 to 90% by weight, advantageously 67 to 85% by weight of maleic anhydride grafted polyethylene (compound B) whose grafting rate is between 1 and 2.5%, advantageously between 1.2 and 2.5%, the ratio R of the masterbatch being less than 41, advantageously less than 14.
La présente invention concerne de plus l'utilisation du mélange-maître selon la présente invention pour la fabrication d'un matériau nanocomposite formé d'une matrice polyéthylène ou polypropylène et de nanocharges minérales dispersées dans ladite matrice et comprenant 5 à 25% en poids du composé B. On peut donc selon les deux modes de réalisations indiqués ci-dessus réaliser des mélanges prêts à l'emploi ou mélanges-maîtres riches en nanocharges, destinés à être dilués dans une seconde étape dans une matrice polyéthylène ou polypropylène. Dans ce cas le mélange-maître peut être selon les applications visées, constitué des trois composés (matrice, dispersant, nanocharges) ou simplement constitué du dispersant et de la nanocharge. The present invention furthermore relates to the use of the masterbatch according to the present invention for the manufacture of a nanocomposite material formed of a polyethylene or polypropylene matrix and of mineral nanofillers dispersed in said matrix and comprising 5 to 25% by weight of the Thus, according to the two embodiments indicated above, it is possible to produce ready-to-use mixtures or masterbatches rich in nanofillers, intended to be diluted in a second step in a polyethylene or polypropylene matrix. In this case the masterbatch may be according to the intended applications, consisting of the three compounds (matrix, dispersant, nanofillers) or simply consisting of dispersant and nanofiller.
La quantité de nanocharges est comprise pour les mélanges-maîtres à 3 composés entre 10 et 33% de nanocharge traitée C pour une quantité de dispersant maximum contenue dans le mélange égale à 25%. Pour les mélanges bicomposés (dispersant + nanocharges), la quantité de nanocharges est comprise entre 10 et 50% du mélange et de préférence comprise entre 15 et 33%. The quantity of nanofillers is included for the 3-compound masterbatches between 10 and 33% of treated nanocharge C for a maximum amount of dispersant contained in the mixture equal to 25%. For bicomponent mixtures (dispersant + nanofillers), the amount of nanofillers is between 10 and 50% of the mixture and preferably between 15 and 33%.
Le matériau nanocomposite réalisé par le procédé selon la présente invention est donc utilisé soit directement en l'état ou soit comme constituant d'une composition complexe nécessitant un second compoundage par malaxage à chaud. Dans ce cas, on utilise un mélange-maître à deux ou trois composés riche en nanocharges qui permet l'introduction aisée de nanocharges dans le matériau. Le mélange-maître devient un additif de la composition ainsi réalisée lors d'une seconde opération de malaxage. The nanocomposite material produced by the process according to the present invention is therefore used either directly in the state or as a component of a complex composition requiring a second compounding by hot mixing. In this case, a two or three nanocharged rich masterbatch is used which allows the easy introduction of nanofillers into the material. The masterbatch becomes an additive of the composition thus produced during a second kneading operation.
Dans ce cas la formulation peut être réalisée à l'aide d'un mélangeur continu de type extrudeuse double vis ou co-malaxeur Buss ou discontinu tel qu'un mélangeur interne de type Banbury. De façon avantageuse, il s'agit du comalaxeur Buss ou d'un mélangeur interne de type Banbury. In this case the formulation can be carried out using a continuous mixer of extruder type double screw or Buss co-kneader or discontinuous such as an internal mixer type Banbury. Advantageously, it is the Buss comalaxer or an internal mixer Banbury type.
Dans un autre mode de réalisation du procédé selon la présente invention, le procédé comprend une étape préalable (aa) de préparation du composé B par mélange du polyéthylène à greffer avec l'anhydride maléique et le péroxyde à la température de mise en oeuvre du polyéthylène à greffer pendant au moins 10s. In another embodiment of the process according to the present invention, the process comprises a preliminary step (aa) for preparing compound B by mixing the polyethylene to be grafted with maleic anhydride and peroxide at the polyethylene operating temperature. to be grafted for at least 10s.
La fabrication du PE greffé est connue. Elle consiste à malaxer le PE avec un mélange anhydride maléique + péroxyde dont les proportions sont par exemple de 6/1. La proportion de péroxyde nécessaire au greffage est variable et bien connue de l'homme de l'art. Le greffage se fait à chaud à une température suffisante pour assurer à la fois la fusion du PE et l'activation de l'amorceur (péroxyde), dans une machine de compoundage continu de type extrudeuse double vis ou co-malaxeur Buss, ou discontinu comme un mélangeur interne. The manufacture of grafted PE is known. It consists of kneading the PE with a mixture of maleic anhydride + peroxide whose proportions are for example 6/1. The proportion of peroxide required for grafting is variable and well known to those skilled in the art. The grafting is carried out hot at a temperature sufficient to ensure both the melting of the PE and the activation of the initiator (peroxide), in a continuous compounding machine of the twin-screw extruder or Buss co-kneader type, or discontinuous like an internal mixer.
De manière générale, l'opération de greffage sur le PE génère une augmentation 11 2871805 de viscosité liée directement au taux de greffage de l'anhydride maléique. En ce qui concerne la dispersion des nanocharges dans le mélange, la viscosité a un effet sur l'efficacité du dispersant. In general, the grafting operation on the PE generates a viscosity increase directly related to the degree of grafting of maleic anhydride. Regarding the dispersion of the nanofillers in the mixture, the viscosity has an effect on the effectiveness of the dispersant.
La viscosité est caractérisée par le MFI (Melt Flow Index) qui se mesure selon la 5 norme ASTM D 1238. Viscosity is characterized by MFI (Melt Flow Index) which is measured according to ASTM D 1238.
De préférence le MFI du PE greffé anhydride maléique doit demeurer supérieur à 5g/l0min à 190 C sous 21,6 kg et de préférence supérieur à 10g/10min à 190 C sous 21,6kg. Preferably, the MFI of the PE grafted with maleic anhydride must remain greater than 5 g / 10 min at 190 ° C. under 21.6 kg and preferably greater than 10 g / 10 min at 190 ° C. under 21.6 kg.
Avantageusement, les étapes (aa), (a) et (b) du procédé selon la présente invention sont réalisées en une passe sur une machine de type mélangeur continu comme une extrudeuse double vis ou co-malaxeur Buss. Advantageously, steps (aa), (a) and (b) of the process according to the present invention are carried out in one pass on a continuous mixer type machine such as a twin-screw extruder or Buss co-kneader.
En particulier, dans la première trémie on introduit le PE à greffer avec l'anhydride maléique et le péroxyde, le greffage se faisant très rapidement, le PE greffé (composé B) est ainsi généré avant l'addition de la nanocharge (composé C) et éventuellement du PE matrice (composé A) qui sont introduits dans une trémie ou puit de gavage situé en aval, après dégazage pour éliminer l'anhydride et le peroxyde résiduel. A la sortie de la machine on obtient un nanocomposite dispersé, un mélange maître à 3 composés ou bi composés, concentrés en nanocharges, ou prêts à l'emploi. In particular, in the first hopper, the PE to be grafted with maleic anhydride and peroxide, the graft being made very rapidly, the grafted PE (compound B) is thus generated before the addition of the nanofiller (compound C) and optionally matrix PE (compound A) which are introduced into a feed hopper or downstream booster well, after degassing to remove the anhydride and the residual peroxide. At the exit of the machine is obtained a dispersed nanocomposite, a master mixture with 3 compounds or bi compounds, concentrated in nanofillers, or ready for use.
Selon l'invention, il est également possible d'introduire dans la composition selon la présente invention d'autres agents bien connus de l'état de la technique. Ces divers agents peuvent être des stabilisants thermiques, photochimiques, des anti- oxydants, des antistatiques, des anti-cuivres, des lubrifiants, des ignifugeants, des colorants, ou autres agents connus, introduits selon des quantités bien connues dans l'état de la technique. According to the invention, it is also possible to introduce into the composition according to the present invention other agents well known in the state of the art. These various agents may be thermal stabilizers, photochemicals, antioxidants, antistats, anti-copper, lubricants, flame retardants, dyes, or other known agents, introduced in amounts well known in the state of the art. technical.
Il est aussi possible d'introduire, dans la composition selon la présente invention des charges pulvérulentes d'origine minérale ou organique, naturelles et/ou 30 synthétiques. It is also possible to introduce into the composition according to the present invention pulverulent fillers of mineral or organic origin, natural and / or synthetic.
Quand ces charges sont des matériaux minéraux pulvérulents, elles peuvent être choisies parmi des sels et/ou des oxydes minéraux ayant subi ou non un traitement de surface, tels que les carbonates de calcium, de magnésium, de zinc, la dolomie, la chaux, la magnésie, le trihydrate d'alumine l'hydroxyde de magnésium, l'alumine, le talc, le kaolin calciné ou hydraté, le mica, ou encore des matières minérales pulvérulentes synthétiques telles que les billes de verre par exemple. Quand ces charges sont des matériaux pulvérulents organiques d'origine naturelle ou synthétique, elles peuvent être choisies dans le groupe constitué par les polymères naturels biodégradables, en particulier les glucides tels que des polysaccharides et, parmi eux, l'amidon, la cellulose sous forme de sciure ou de farine de bois et/ou de fibres de cellulose, fibres naturelles comme le Lin ou le Chanvre, les colorants, les pigments, le noir de carbone, les poudres de polymères synthétiques, en particulier les poudres de polymères thermodurs et/ou thermoplastiques. When these fillers are powdery mineral materials, they may be chosen from salts and / or inorganic oxides which have or have not undergone a surface treatment, such as carbonates of calcium, magnesium, zinc, dolomite, lime, magnesia, alumina trihydrate, magnesium hydroxide, alumina, talc, calcined or hydrated kaolin, mica, or synthetic powdery mineral materials such as glass beads for example. When these fillers are organic powdery materials of natural or synthetic origin, they may be chosen from the group consisting of natural biodegradable polymers, in particular carbohydrates such as polysaccharides and, among them, starch, cellulose in form. sawdust or wood flour and / or cellulose fibers, natural fibers such as flax or hemp, dyes, pigments, carbon black, synthetic polymer powders, in particular thermoset polymer powders and / or thermoplastics.
Toutes ces matières pulvérulentes d'origine minérale ou organique peuvent être 15 mises en oeuvre seules ou en combinaison. All these pulverulent materials of mineral or organic origin can be used alone or in combination.
Les dimensions de ces matériaux minéraux ou organiques sont généralement comprises entre 0,01 et 300 gm et préférentiellement entre 0,1 et 50 m. Ces charges minérales et/ou organiques peuvent être introduites dans la composition selon l'invention à raison d'au plus 70 % en poids et préférentiellement de 0,1 % en poids à 60 % en poids de la composition à exfolier. The dimensions of these inorganic or organic materials are generally between 0.01 and 300 gm and preferably between 0.1 and 50 m. These inorganic and / or organic fillers may be introduced into the composition according to the invention in a proportion of at most 70% by weight and preferably from 0.1% by weight to 60% by weight of the composition to be exfoliated.
Dans ce cas la formulation peut être réalisée à l'aide d'un mélangeur continu de type extrudeuse double vis ou co-malaxeur Buss. Les éléments complémentaires de la formulations sont introduits dans la machine par des entrées (trémie ou puit de gavage) situés en aval de la trémie d'introduction des polymères et de la nanocharge. In this case the formulation can be carried out using a continuous mixer of twin screw extruder type or Buss co-kneader. Complementary elements of the formulations are introduced into the machine through inputs (hopper or feeding well) located downstream of the polymer introduction hopper and nanofiller.
La composition peut contenir d'autres polymères comme les polyoléfines du groupe constitué par les polyéthylène, les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA) ou les copolymères d'éthylène et d'acrylate d'alkyle (méthyle, éthyle, butyle), ou du groupe constitué par les copolymères de polypropylène. The composition may contain other polymers such as polyolefins from the group consisting of polyethylene, copolymers of ethylene and vinyl acetate (EVA) or copolymers of ethylene and alkyl acrylate (methyl, ethyl, butyl), or the group consisting of polypropylene copolymers.
La présente invention concerne en outre l'utilisation de 5 à 25 % en poids de polyéthylène greffé anhydride maléique (composé B) ayant un taux de greffage compris entre 1 et 2,5%, avantageusement entre 1,2 et 2,5%, en tant que dispersant d'une charge minérale (composé C) constituée d'empilements minéraux lamellaires, préalablement traitées au moyen d'un agent organo-ionique pour rendre cette charge minérale lamellaire organophile, dans une matrice polyéthylène (composé A), le rapport R étant inférieur à 41, avantageusement inférieur à 14. The present invention also relates to the use of 5 to 25% by weight of maleic anhydride grafted polyethylene (compound B) having a degree of grafting of between 1 and 2.5%, advantageously between 1.2 and 2.5%, as a dispersant of a mineral filler (compound C) consisting of lamellar mineral stacks, previously treated with an organo-ionic agent to make this inorganic lamellar inorganic filler, in a polyethylene matrix (compound A), the ratio R being less than 41, advantageously less than 14.
La présente invention concerne en outre un matériau nanocomposite susceptible d'être obtenu par le procédé selon la présente invention. The present invention further relates to a nanocomposite material obtainable by the process according to the present invention.
La présente invention concerne en outre l'utilisation du matériau nanocomposite selon la présente invention en tant que matériaux d'ignifugation, de renforcement ou de matériaux barrière, avantageusement vis-à-vis des huiles et de 1'02, un article comprenant un matériau nanocomposite selon la présente invention. The present invention further relates to the use of the nanocomposite material according to the present invention as flame retardant, reinforcing or barrier materials, preferably to oils and O2, an article comprising a material nanocomposite according to the present invention.
Avantageusement, il s'agit de gaines de câbles de télécommunications cuivre ou optique, d'isolants pour fils automobiles, ou de tubes pour la distribution hydraulique, avantageusement pour les chauffages par le sol, les sanitaires, la climatisation ou l'air comprimé. Advantageously, it is sheaths of copper or optical telecommunications cables, insulators for automotive wires, or tubes for hydraulic distribution, advantageously for underfloor heating, sanitary, air conditioning or compressed air.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celles-ci apparaîtront plus clairement de la description qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés présentant des exemples non limitatifs de réalisation de l'invention et sur lesquels: La figure 1 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles pour une dispersion grossière, c'est-à-dire une microdispersion, de nanocharges dans une matrice polyéthylène. (Le dispersant utilisé est le Lotader 3210 commercialisé par Atofina, dont le taux d'anhydride maléique contenu est de 3%). La figure 2 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles 14 2871805 pour une exfoliation totale, c'est-à-dire une dispersion des particules unitaires de nanocharges dans une matrice de polyéthylène. The invention will be better understood and other objects, advantages and characteristics thereof will appear more clearly from the description which follows and which is made with reference to the accompanying drawings showing non-limiting embodiments of the invention and on which Fig. 1 shows a small-angle X-ray diffraction spectrum for coarse dispersion, i.e. microdispersion, of nanofillers in a polyethylene matrix. (The dispersant used is the Lotader 3210 marketed by Atofina, whose content of maleic anhydride content is 3%). Figure 2 shows a small angle x-ray diffraction spectrum 2871805 for total exfoliation, i.e. a dispersion of the nanocharging unit particles in a polyethylene matrix.
La figure 3 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles pour l'état intercalé des particules de nanocharges dans une matrice polyéthylène, c'est-à-dire où les particules sont écartées entre elles par du polyéthylène et peuvent être partiellement exfoliées. FIG. 3 represents a small-angle X-ray diffraction spectrum for the intercalated state of the nanofillers in a polyethylene matrix, ie where the particles are separated from each other by polyethylene and can be partially exfoliated .
La figure 4 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles pour une composition selon la présente invention réalisé sur mélangeur interne avec R=14. FIG. 4 represents a small angle X-ray diffraction spectrum for a composition according to the present invention made on an internal mixer with R = 14.
La figure 5 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles de deux compositions selon la présente invention réalisée avec une extrudeuse double vis pour lesquelles R est égal à 14 et 66 et la quantité de nanocharge est respectivement égale à 5% et 20% en poids. FIG. 5 represents a small-angle X-ray diffraction spectrum of two compositions according to the present invention made with a twin-screw extruder for which R is equal to 14 and 66 and the quantity of nanofiller is equal to 5% and 20% respectively. in weight.
La figure 6 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles 15 pour une composition selon la présente invention réalisée avec une extrudeuse double vis et R= 14. FIG. 6 shows a small angle x-ray diffraction spectrum for a composition according to the present invention made with a twin screw extruder and R = 14.
La figure 7 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles pour une composition selon la présente invention réalisée avec comalaxeur Buss et R=14. FIG. 7 represents a small angle X-ray diffraction spectrum for a composition according to the present invention made with Buss co-ordinator and R = 14.
La figure 8 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petitsangles pour des compositions selon la présente invention comprenant un composé B polyéthylène haute densité greffé à 1,7% par de l'anhydride maléique fluide, c'est-à-dire R=14 et comprenant 5 % de charge minérale en fonction de différentes matrices polyéthylènes. FIG. 8 represents a smallangle X-ray diffraction spectrum for compositions according to the present invention comprising a high density polyethylene compound B grafted to 1.7% by fluid maleic anhydride, that is to say R = 14 and comprising 5% mineral filler as a function of different polyethylene matrices.
La figure 9 représente un spectre par rayons X aux petits angles pour des compositions selon la présente invention comprenant un composé B LLDPE greffé avec de l'anhydride maléique, pour R=14 et 5 % de nanocharges avec différentes matrices polyéthylènes. Figure 9 shows a small angle x-ray spectrum for compositions according to the present invention comprising maleic anhydride-grafted compound B LLDPE, for R = 14 and 5% nanofillers with different polyethylene matrices.
La figure 10 représente un spectre de diffraction par rayons X aux petits angles 30 pour des compositions selon la présente invention comprenant un composé B polyéthylène haute densité greffé par de l'anhydride maléique fluide, R=30 et comprenant 10 % de charge minérale en fonction de différentes matrices polyéthylènes. FIG. 10 shows a small angle x-ray diffraction spectrum for compositions according to the present invention comprising a high density polyethylene compound grafted with maleic anhydride, R = 30 and comprising 10% mineral filler based on different polyethylene matrices.
La figure 11 représente un spectre par rayons X aux petits angles pour des compositions selon la présente invention comprenant un composé B LLDPE greffé avec de l'anhydride maléique, pour R=30 et 10 % de nanocharges avec différentes matrices polyéthylènes. Figure 11 shows a small angle x-ray spectrum for compositions according to the present invention comprising maleic anhydride grafted compound B LLDPE, for R = 30 and 10% nanofillers with different polyethylene matrices.
Le détail de chaque composition selon la présente invention pour chaque figure est rassemblé dans le tableau 1 ci-après. The detail of each composition according to the present invention for each figure is collated in Table 1 below.
Tableau 1:Table 1:
Figures Matrice- Dispersant- (Nanofil Type de R composé A Composé B 15)malaxage composé Figures Matrix- Dispersant- (Nanofil Type R Composite A Compound B 15) Compound Mixing
CVS
1 80% PE SR572 15% Lotader 5% Extrudeuse 7 3210 double Vis 2 80% PE SR572 15% PE 5% Extrudeuse 14 GC7260 greffé double Vis MA 1,7% 3 80%PE SR572 15% LLDPE 5% Extrudeuse 233 greffé MA double Vis 0,1% 4 80% PE SR572 15% PE 5% Mélangeur 14 GC7260 greffé interne MA 1,7% 80% PE SR572 15% PE 5% Extrudeuse 14 65% PE SR572 GC7260 greffé 20% double Vis 66 MA 1,7% 15% PE GC7260 greffé MA 1,7% 6 80%PE SR572 15% PE 5% Extrudeuse 14 GC7260 greffé double vis MA 1,7% 7 80%PE SR 572 15% PE 5% Co- 14 GC7260 greffé malaxeur MA 1,7% Buss 8 80%PE SR572 15% PE 5% Extrudeuse 14 80%LLDPE GC7260 greffé double vis 80%PEGC7260 MA 1,7% 9 80%PE SR572 15% LLDPE 5% Extrudeuse 14 80%LLDPE greffé MA double vis 80%PEGC7260 1,7% 75%PE SR572 15% PE 10% Extrudeuse 30 75%LLDPE GC7260 greffé double vis 75%PEGC7260 MA 1,7% 11 75%PE SR572 15% LLDPE 10% Extrudeuse 30 75%LLDPE greffé MA double vis 75%PEGC7260 1,7% L'évaluation de la dispersion des nanocharges dans la matrice est réalisée par diffraction par rayons X aux petits angles. Cette technique permet d'établir le niveau de dispersion de la nanocharge dans le matériau. On distingue ainsi plusieurs niveaux de dispersion allant de la dispersion grossière (Figure 1: micro dispersion: paquets de nanocharges, pas de pénétration du polymère entre les feuillets) jusqu'à l'exfoliation totale (Figure 2: dispersion de particules unitaires) en passant par l'état intercalé (Figure 3) pour lequel les particules sont écartées entre elles par du polymère et peuvent être partiellement exfoliées: la hauteur des pics liée directement au nombre d'objets diffractants est plus basse que dans la figure 1. La largeur des pics, inversement proportionnelle à la taille des paquets diffractants est plus importante dans la figure 3 que dans la figure 1. La figure 3 décrit donc des paquets plus petits et moins nombreux. 1 80% PE SR572 15% Lotader 5% Extruder 7 3210 Double Screws 2 80% PE SR572 15% PE 5% Extruder 14 GC7260 Grafted Double Screw MA 1.7% 3 80% PE SR572 15% LLDPE 5% Extruder 233 grafted MA double screw 0.1% 4 80% PE SR572 15% PE 5% Mixer 14 GC7260 internal grafted MA 1.7% 80% PE SR572 15% PE 5% Extruder 14 65% PE SR572 GC7260 Grafted 20% Double Screw 66 MA 1 , 7% 15% PE GC7260 grafted MA 1.7% 6 80% PE SR572 15% PE 5% Extruder 14 GC7260 grafted double screw MA 1.7% 7 80% PE SR 572 15% PE 5% Co- 14 GC7260 grafted mixer MA 1.7% Buss 8 80% PE SR572 15% PE 5% Extruder 14 80% LLDPE GC7260 grafted double screw 80% PEGC7260 MA 1.7% 9 80% PE SR572 15% LLDPE 5% Extruder 14 80% LLDPE grafted MA double screw 80% PEGC7260 1.7% 75% PE SR572 15% PE 10% Extruder 30 75% LLDPE GC7260 grafted double screw 75% PEGC7260 MA 1.7% 11 75% PE SR572 15% LLDPE 10% Extruder 30 75% MA double screw grafted LLDPE 75% PEGC7260 1.7% The evaluation of the dispersion of the nanofillers in the matrix is carried out by diffraction by Yons X at small angles. This technique makes it possible to establish the level of dispersion of the nanocharge in the material. Several dispersion levels can be distinguished, ranging from coarse dispersion (Figure 1: micro-dispersion: nanofillers packets, no penetration of the polymer between the layers) to total exfoliation (Figure 2: dispersion of unit particles). by the intercalated state (Figure 3) for which the particles are spaced apart by polymer and can be partially exfoliated: the height of the peaks directly related to the number of diffracting objects is lower than in Figure 1. The width of the peaks, inversely proportional to the size of the diffracting packets is larger in Figure 3 than in Figure 1. Figure 3 therefore describes smaller and fewer packets.
Les exemples suivants sont donnés à titre indicatif non limitatif. The following examples are given as a non-limiting indication.
Exemple 1: greffage du polyéthylène avec l'anhydride maléique Le procédé suivant est utilisé : - Extrudeuse bivis corotative Werner Pfleiderer ZSK 25 - profil de température utilisée: 170-180-180-190-190-190-190 C 20 vitesse de l'extrudeuse: 700 tr/min - proportion: 97,55% de PE GC 7260 (commercialisé par la société Basell, MFI=8g/l 0min 190 C / 2,16kg), densité 0,960kg, 2,1% anhydride maléique, 0,35% peroxyde de dicumyle. EXAMPLE 1 Grafting of Polyethylene with Maleic Anhydride The following process is used: Werner Pfleiderer twin-screw twin extruder ZSK 25 - temperature profile used: 170-180-180-190-190-190-190 C 20 speed of the extruder: 700 rpm - proportion: 97.55% PE GC 7260 (marketed by the company Basell, MFI = 8g / l 0min 190 C / 2.16kg), density 0.960kg, 2.1% maleic anhydride, 0 , 35% dicumyl peroxide.
- débit de l'extrudeuse: 35 Kg/h - Le taux d'anhydride maléique réellement greffé est de 1,7%. La mesure du taux de greffage se fait par pHmétrie ou spectrométrie infra-rouge. - Extruder flow rate: 35 Kg / h - The maleic anhydride actually grafted is 1.7%. The grafting rate is measured by pHmetry or infra-red spectrometry.
Exemple 2: procédé selon la présente invention avec extrudeuse bivis corotative: Les formules sont toutes constituées de la façon suivante: Composé A: polyéthylène haute densité commercialisé par la société Atofina (PEhd SR 572): MFI=0,2 g / 10 min 190 C / 2,16kg), densité: 0,957 kg/dm3 Composé B: Dispersant: polyéthylène greffé anhydride maléique, dont le taux de greffage peut être variable - Composé C: Montmorillonite traitée: Nanofil 15: 70% de Montmorillonite, 30% de diméthyldistéarylammonium commercialisé par la société Süd-Chemie. EXAMPLE 2 Method According to the Present Invention with Corotative Twin-Screw Extruder The formulas are all composed as follows: Compound A: high density polyethylene sold by the company Atofina (PEhd SR 572): MFI = 0.2 g / 10 min C / 2,16kg), density: 0.957 kg / dm3 Compound B: Dispersant: maleic anhydride grafted polyethylene, whose grafting rate can be variable - Compound C: Treated montmorillonite: Nanofil 15: 70% Montmorillonite, 30% dimethyldisteararylammonium marketed by the company Süd-Chemie.
Les formules sont réalisées dans une extrudeuse bivis corotative Werner Pfleiderer ZSK 25 équipée d'un profil constitué d'une zone de fusion classique suivie d'une zone de malaxage d'intensité moyenne mais au bout de laquelle, on a placé des éléments de type pas à gauche qui augmente à la fois le travail mécanique de la zone de malaxage et le temps de séjour de la matière dans la machine. The formulas are carried out in a Werner Pfleiderer ZSK 25 twin-screw extruder equipped with a profile consisting of a conventional melting zone followed by a mixing zone of medium intensity but at the end of which, elements of the type have been placed. not on the left which increases both the mechanical work of the mixing zone and the residence time of the material in the machine.
Le profil de température utilisé est le suivant: 170-180-180-190-190-190190 C. 15 - vitesse: 360 tr/min - débit: 15 Kg/h Exemple 3: Influence du taux de fonction polaire (R) Tous les résultats présentés dans les figures 5 et 6 ont été réalisés avec le procédé de l'exemple 2, le composé B étant constitué d'un PE greffé fluide (GC 7260, commercialisé par la société Basell) (MFI avant greffage: 8g / 10 min, 190 C / 2,16kg, densité 0,960 kg/dm3). Le taux d'anhydride maléique greffé est de 1,7%, MFI obtenu après greffage: 15g/10min sous 21,6kg à 190 C.La figure 5 montre bien qu'il y a une forte influence du rapport R sur l'allure des courbes de diffraction. Pour R=66, 20% de nanocharges pour 15% de PE greffé, le diffractogramme présente un pic de diffraction net vers 2,5 . L'intensité du pic de diffraction diminue fortement quand la valeur de R diminue. Les diffractogrammes sont plats pour les matériaux ayant une valeur de R =14 (5% de nanocharge pour 15% de PE greffé) (figure 6). The temperature profile used is as follows: 170-180-180-190-190-190190 C. 15 - speed: 360 rpm - flow rate: 15 Kg / h Example 3: Influence of the polar function rate (R) All the results presented in FIGS. 5 and 6 were carried out with the method of example 2, the compound B consisting of a PE grafted fluid (GC 7260, marketed by Basell) (MFI before grafting: 8 g / 10 min, 190 C / 2.16 kg, density 0.960 kg / dm3). The level of maleic anhydride grafted is 1.7%, MFI obtained after grafting: 15 g / 10 min under 21.6 kg at 190 C. Figure 5 shows clearly that there is a strong influence of the ratio R on the pace diffraction curves. For R = 66, 20% nanofillers for 15% grafted PE, the diffractogram has a net diffraction peak at 2.5. The intensity of the diffraction peak decreases sharply as the value of R decreases. The diffractograms are flat for materials having a value of R = 14 (5% nanofiller for 15% grafted PE) (FIG. 6).
19 Exemple 4: Influence des systèmes de malaxage Afin de dissocier du procédé l'impact de la valeur R, nous avons réalisé les formulations indiquées dans les exemples 2 et 3 précédents sur des outils 5 différents de l'extrudeuse double vis corotative: - Le mélangeur interne type Haake à rotors contra rotatifs, pour lequel le cisaillement engendré est faible par rapport à une extrudeuse double vis. En revanche le caractère discontinu de cet appareil permet de modifier le temps de séjour à chaud de la matière. EXAMPLE 4 Influence of Mixing Systems In order to dissociate from the process the impact of the R value, we have made the formulations indicated in Examples 2 and 3 above on tools different from the corotative twin screw extruder: Haake type internal mixer with counter-rotating rotors, for which the shear generated is small compared to a twin-screw extruder. On the other hand, the intermittent nature of this apparatus makes it possible to modify the hot residence time of the material.
- Le co-malaxeur Buss (mélangeur discontinu) qui engendre moins de cisaillement que l'extrudeuse corotative double vis. (le Buss est plus avantageux) Résultats obtenus sur le mélangeur interne 15 Conditions mélangeur interne: - 170 C - vitesse: 80 tr/min - t=l0min Ces résultats de diffraction X (figure 4, R=14) montrent que la dispersion des nanocharges est possible aussi avec un mélangeur interne, et qu'elle suit la même loi définie sur l'extrudeuse double vis, selon laquelle elle est régit par le rapport R. Résultats sur le co-malaxeur Buss (diamètre 140mm) 25 Conditions opératoires: - profil de températures: 170-175-180-200-200-200 C - vitesse vis principale: 140 tr/min - vitesse vis de mise en pression finale: 30 tr/min 30 - débit: 450 kg/h Sur les spectres des figures 7 et 6 on peut observer la même formulation: (85% composé A: PE SR 572, 15% composé B: PE greffé à 1,7% d'anhydride maléique, 5% composé C: nanofil 15, R=14) réalisée respectivement sur le Buss et l'extrudeuse doublevis. - The Buss co-kneader (batch mixer) which generates less shear than the double-screw corotative extruder. (Buss is more advantageous) Results obtained on the internal mixer 15 Internal mixer conditions: - 170 C - speed: 80 rpm - t = 10 min These X-ray diffraction results (FIG. 4, R = 14) show that the dispersion of nanofillers is also possible with an internal mixer, and that it follows the same law defined on the twin-screw extruder, according to which it is governed by the ratio R. Results on the co-kneader Buss (diameter 140 mm) Operating conditions: - temperature profile: 170-175-180-200-200-200 C - main screw speed: 140 rpm - speed of the final pressurization screw: 30 rpm 30 - flow rate: 450 kg / h On the spectra FIGS. 7 and 6 show the same formulation: (85% compound A: PE SR 572, 15% compound B: PE grafted with 1.7% maleic anhydride, 5% compound C: nanowire 15, R = 14 ) performed respectively on the Buss and the double-screw extruder.
On voit donc que l'outil n'a pas d'impact sur la dispersion des nanocharges. So we see that the tool has no impact on the dispersion of nanofillers.
C'est plus la formulation qui dans ce cas permet d'obtenir un mélange dispersé quasiment exfolié. It is more the formulation which in this case makes it possible to obtain a dispersed mixture that is almost exfoliated.
Exemple 5: autres systèmes polymères Un autre type de PE a été utilisé pour l'étape de greffage (aa) et comme dispersant (composé B) pour assurer la dispersion des nanocharges: - un LLDPE (MFI=lg/10min à 190 C sous 2,16kg, densité 0,919 kg/dm3, 15 Lupolex 18 KFA commercialisé par la société Basell). EXAMPLE 5 Other polymer systems Another type of PE was used for the grafting step (aa) and as dispersant (compound B) to ensure the dispersion of the nanofillers: a LLDPE (MFI = lg / 10 min at 190 ° C. 2.16 kg, density 0.919 kg / dm3, Lupolex 18 KFA marketed by Basell).
Il a été utilisé avec 3 autres PE comme matrice (composé A): un PEhd fluide (GC 7260, MFI= 8g/10min 190 C sous 2,16kg), un PEhd visqueux (SR 572, , MFI=0,2 g/l0min 190 C sous 2,16kg), un LLDPE (Lupolex 18 KFA) Le LLDPE a été greffé par l'anhydride maléique (1,7%) (MFI du PE greffé: 2,3g/10min, 190 C/ 21,6kg) pour disperser des nanocharges dans une matrice PE. Comme pour le PEhd greffé (exemple 1 à 4), on retrouve l'influence du R, qui détermine le niveau de dispersion des nanocharges dans le milieu. It was used with 3 other PEs as matrix (compound A): a fluid PEhd (GC 7260, MFI = 8 g / 10 min 190 C under 2.16 kg), a viscous PEhd (SR 572, MFI = 0.2 g / 10 min 190 C under 2.16 kg), a LLDPE (Lupolex 18 KFA) The LLDPE was grafted with maleic anhydride (1.7%) (MFI PE grafted: 2.3 g / 10 min, 190 C / 21.6 kg ) to disperse nanofillers in a PE matrix. As for the grafted HDPE (example 1 to 4), we find the influence of R, which determines the level of dispersion of nanofillers in the medium.
Les figures 8 et 10 montrent les résultats de dispersion obtenus avec le PEhd greffé à 1,7% en tant que composé B, dans différentes matrices PE (composé A), pour des mélanges A/B/C: 80/15/5 (R=14) et 75/15/10 (R=30) en utilisant le procédé selon l'exemple 2. FIGS. 8 and 10 show the dispersion results obtained with the 1.7% grafted HDPE as compound B, in various PE matrices (compound A), for A / B / C: 80/15/5 mixtures ( R = 14) and 75/15/10 (R = 30) using the method according to Example 2.
Quelle que soit la nature du PE, on a bien des mélanges exfoliés. Whatever the nature of PE, we have exfoliated mixtures.
Les figures 9 et 11 montrent les résultats de dispersion obtenus avec le LLDPE greffé à 1,7% (MFI du PE greffé: 2,3g/10 min, 190 C/ 21,6kg), en tant que composé B, dans différentes matrices PE (composé A), pour des mélanges A/B/C: 80/15/5 (R=14) et 75/15/10 (R=30). FIGS. 9 and 11 show the dispersion results obtained with the 1.7% grafted LLDPE (MFI of grafted PE: 2.3 g / 10 min, 190 C / 21.6 kg), as compound B, in different matrices PE (compound A), for A / B / C mixtures: 80/15/5 (R = 14) and 75/15/10 (R = 30).
Quelle que soit la nature du PE, on a bien des mélanges exfoliés pour R=14. Pour R=30, les résultats de dispersion sont satisfaisants, mais les mélanges ne sont pas totalement exfoliés. Whatever the nature of PE, there are indeed exfoliated mixtures for R = 14. For R = 30, the dispersion results are satisfactory, but the mixtures are not completely exfoliated.
On a ici l'influence de la forte viscosité du dispersant (LLDPE greffé) sur la dispersion, quelle que soit la nature du PE matrice. Avantageusement, le MFI (Melt Flow Index) du dispersant doit être supérieur à 5g/100 min à 190 C sous 21,6kg, et de préférence supérieur à 10g/1 Omin à 190 C sous 21,6kg. Here we have the influence of the high viscosity of the dispersant (grafted LLDPE) on the dispersion, whatever the nature of the matrix PE. Advantageously, the MFI (Melt Flow Index) of the dispersant must be greater than 5 g / 100 min at 190 ° C. under 21.6 kg, and preferably greater than 10 g / 10 min at 190 ° C. under 21.6 kg.
La règle du R s'applique donc pour tous les couples de PE + dispersant (composé A et composé B), à savoir qu'il faut un rapport de quantité de nanocharges sur quantité d'anhydride maléique contenu dans le mélange inférieur à 41. Pour obtenir ce rapport et bénéficier d'une bonne dispersion, il faut maintenir la quantité de dispersant entre 5 et 25%, pour bénéficier des propriétés de la matrice. En conséquence, et pour obtenir un R faible, le taux de greffage en anhydride maléique du dispersant doit être compris entre 1 % et 2,5%, avantageusement entre 1,2 et 2,5%. The rule of R therefore applies for all pairs of PE + dispersant (compound A and compound B), namely that a ratio of quantity of nanofillers to amount of maleic anhydride contained in the mixture of less than 41 is required. To obtain this ratio and to benefit from a good dispersion, it is necessary to maintain the quantity of dispersant between 5 and 25%, to benefit from the properties of the matrix. Consequently, and to obtain a low R, the degree of maleic anhydride grafting of the dispersant must be between 1% and 2.5%, advantageously between 1.2 and 2.5%.
Ainsi, pour obtenir une bonne dispersion maîtrisée, il faut veiller à ce que le rapport R soit inférieur à 41, voire inférieur à 14 si on cherche une exfoliation totale pour tous les couples de PE. Pour cela, on agit sur le taux de greffage de l'anhydride maléique et sur les quantités de composé B et de composé C présentes dans le mélange. Thus, to obtain a good controlled dispersion, it must be ensured that the ratio R is less than 41, or even less than 14 if a total exfoliation is sought for all the pairs of PE. For this, it acts on the grafting rate of maleic anhydride and on the amounts of compound B and compound C present in the mixture.
La bonne dispersion et même l'exfoliation des nanocharges, en particulier la Montmorillonite a été démontrée dans une matrice polyéthylène. Cette dispersion est fortement influencée par la formulation. The good dispersion and even the exfoliation of nanofillers, in particular Montmorillonite has been demonstrated in a polyethylene matrix. This dispersion is strongly influenced by the formulation.
Dans cette étude nous avons montré que pour un système dont la matrice (composé A) et la nanocharge (composé C) sont fixées, le ratio de la quantité d'anhydride maléique sur la quantité de nanocharges (valeur R) est un critère majeur qui permet d'atteindre un bon niveau de dispersion sur différents types de malaxeurs, qu'ils soient très cisaillant comme l'extrudeuse double vis corotative ou peu cisaillant comme le mélangeur interne ou intermédiaire comme le comalaxeur Buss. In this study we have shown that for a system whose matrix (compound A) and nanofiller (compound C) are fixed, the ratio of the amount of maleic anhydride to the quantity of nanofillers (R-value) is a major criterion which allows to achieve a good level of dispersion on different types of kneaders, they are very shearing like the twin screw extruder corotative or little shear like the internal mixer or intermediate like the Buss comalaxer.
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