FR3015979A1 - PROCESS FOR THE CONTINUOUS SYNTHESIS OF A FUNCTIONALIZED POLYISOPRENE - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de synthèse en continu de polyisoprène fonctionnalisé à fort taux de cis, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes simultanées: • de polymérisation en continu en milieu très concentré d'isoprène en présence d'un système catalytique de coordination, jusqu'à atteindre au moins 60% de conversion dans un réacteur de polymérisation dimensionné pour que l'écart type de la fonction de distribution de temps de séjour dans ledit réacteur soit supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2√3; • de fonctionnaliser en continu du polyisoprène pseudo-vivant obtenu à l'issue de la polymérisation, par réaction avec un agent de fonctionnalisation dans un malaxeur de type autonettoyant. Ce procédé de synthèse, applicable en milieu très concentré, présente une productivité accrue, notamment en permettant d'atteindre un taux de conversion élevé pouvant aller jusqu'à 100% et des taux de fonctionnalisation d'au moins 70%, et permet une flexibilité dans sa conduite.The present invention relates to a process for the continuous synthesis of functionalized polyisoprene with a high cis content, characterized in that it comprises the simultaneous stages of: • continuous polymerization in a highly concentrated medium of isoprene in the presence of a catalytic system of coordination, until at least 60% conversion is achieved in a sized polymerization reactor so that the standard deviation of the residence time distribution function in said reactor is greater than the average residence time divided by 2√3; To continuously functionalize the pseudo-living polyisoprene obtained at the end of the polymerization, by reaction with a functionalizing agent in a self-cleaning type mixer. This synthetic process, applicable in a highly concentrated medium, has increased productivity, in particular by enabling a high conversion rate of up to 100% and functionalization ratios of at least 70% to be achieved, and allows flexibility in his conduct.
Description
PROCEDE DE SYNTHESE EN CONTINU D'UN POLYISOPRENE FONCTIONNALISE. La présente invention concerne un procédé de synthèse en milieu concentré de polyisoprène modifié avec un taux de fonctionnalisation élevé. L'invention s'applique notamment à l'obtention en continu de polyisoprène modifié. Depuis que les économies de carburant et la nécessité de préserver l'environnement sont devenues une priorité, il est souhaitable de produire des mélanges possédant de bonnes propriétés mécaniques et une hystérèse aussi faible que possible afin de pouvoir les mettre en oeuvre sous forme de compositions de caoutchouc utilisables pour la fabrication de divers produits semi-finis entrant dans la composition de pneumatiquesPour atteindre l'objectif de baisse d'hystérèse on a notamment chercher à modifier la structure des polymères et des copolymères diéniques au moyen d'agents de fonctionnalisation dans le but d'obtenir une bonne interaction entre le polymère ainsi modifié et la charge, qu'il s'agisse du noir de carbone ou d'une autre charge renforçante. Il existe une vaste littérature concernant la fonctionnalisation de polymères obtenu par polymérisation anionique. La fonctionnalisation peut s'opérer soit lors de l'initiation de polymérisation au moyen d'un initiateur portant la fonction à incorporer à la chaîne élastomère, soit lors d'une réaction post-polymérisation au moyen d'un agent de fonctionnalisation. Des agents permettant d'introduire toutes sortes de fonctions au sein du polymère sont connus de l'homme du métier et largement décrits. Dans certains domaines du pneumatique, par exemple pour la fabrication des pneumatiques adaptés pour porter de lourdes charges, on utilise de manière connue du caoutchouc naturel en raison des pertes hystérétiques réduites que cet élastomère présente. Afin de se rapprocher le plus possible des performances du caoutchouc naturel, il est indispensable de pouvoir disposer de polyisoprène synthétique à fort taux de cis. Ce type de polyisoprène ne peut être obtenu par polymérisation anionique. Les polyisoprènes à fort taux de cis sont essentiellement préparés par polymérisation par catalyse de coordination. Il existe également une littérature très fournie traitant de ce type de catalyse. La fonctionnalisation de ces polyisoprènes à fort taux de cis est moins répandue du fait de la nature même des systèmes catalytiques utilisés. Certains auteurs ont décrit la fonctionnalisation de polymères obtenus par catalyse de coordination. On peut notamment citer les documents WO 0134658 Al, US6624256 B2, JP2009120758, JP2009120756, JP2009120757, EP 1,939,221 Al et EP 1,873,168 Al. Certains mentionnent des taux de fonctionnalisation élevés, supérieur à 75%, pour des polymères obtenus par polymérisation en masse ou semi-masse tels que EP 1,939,221 Al. D'autres décrivent notamment des polyisoprènes synthétiques fonctionnalisés tels que les demandes de brevet JP2009120758 qui traite de fonctionnalisation en vue d'interagir avec la silice et JP2009120756 et JP2009120757 qui traitent de fonctionnalisation en vue d'interagir avec le noir de carbone. Néanmoins tous ces documents traitent de polymérisation en discontinu (ou batch en anglais). Or un procédé discontinu n'est pas toujours productif et suffisamment compétitif et économique pour une production industrielle. S'il est rapidement évoqué dans EP 1,939,221 Al par référence à W02005087824, la possibilité de réaliser le procédé décrit en continu, les faibles taux de conversion ou l'utilisation de plusieurs réacteurs de polymérisation pour augmenter la conversion à un taux acceptable, rendent le procédé peu attractif. Par ailleurs, afin de diminuer les coûts de fabrication et renforcer l'intérêt d'ordre économique de la polymérisation de l'isoprène, il apparaît avantageux de réaliser la polymérisation semi-masse en présence de solvant hydrocarboné aliphatique volatil (dont la température d'ébullition est inférieure à 40°C à pression atmosphérique), ou encore en l'absence solvant. Les avantages de telles polymérisations sont diverses et connues de l'homme du métier. Toutefois, il est un inconvénient majeur de la polymérisation en masse ou semi-masse (encore appelé par la suite polymérisation en milieu très concentré). Celui-ci se traduit par l'apparition d'un phénomène physique qui pourrait dégrader la nature du polyisoprène obtenu et engendrer des situations non contrôlables dans une production industrielle. En effet, la vaporisation d'une partie de l'isoprène liquide et du solvant volatil, sous l'effet de l'énergie de la réaction de polymérisation, conduit, à partir d'une certaine concentration de polyisoprène dans le milieu réactionnel, à une expansion excessive du milieu réactionnel. Dans de telles conditions opératoires, il n'est plus possible de contrôler la thermique de la réaction et le polyisoprène peut s'en trouver dénaturé. C'est la raison pour laquelle certains auteurs préfèrent des taux de conversion de monomères peu élevés pour éviter ce phénomène, par exemple dans US 3,770,710 ou encore dans W02005087824.PROCESS FOR THE CONTINUOUS SYNTHESIS OF A FUNCTIONALIZED POLYISOPRENE The present invention relates to a method of synthesis in a concentrated medium of modified polyisoprene with a high degree of functionalization. The invention is particularly applicable to the continuous production of modified polyisoprene. Since fuel savings and the need to preserve the environment have become a priority, it is desirable to produce mixtures with good mechanical properties and as low a hysteresis as possible so that they can be used in the form of for use in the manufacture of various semi-finished products used in the composition of tires In order to achieve the objective of reducing hysteresis, the structure of the diene polymers and copolymers must in particular be modified by means of functionalisers for the purpose to obtain a good interaction between the polymer thus modified and the load, whether carbon black or another reinforcing filler. There is a vast literature concerning the functionalization of polymers obtained by anionic polymerization. Functionalization can take place either during the initiation of polymerization by means of an initiator bearing the function to be incorporated in the elastomeric chain, or during a post-polymerization reaction by means of a functionalization agent. Agents for introducing all kinds of functions within the polymer are known to those skilled in the art and widely described. In certain areas of the tire, for example for the manufacture of tires suitable for carrying heavy loads, it is known to use natural rubber because of the reduced hysteretic losses that this elastomer has. In order to get as close as possible to the performance of natural rubber, it is essential to have synthetic polyisoprene with a high cis content. This type of polyisoprene can not be obtained by anionic polymerization. The high cis polyisoprenes are essentially prepared by coordination catalysis polymerization. There is also a very extensive literature dealing with this type of catalysis. The functionalization of these high-cis polyisoprenes is less widespread because of the very nature of the catalytic systems used. Some authors have described the functionalization of polymers obtained by coordination catalysis. Mention may in particular be made of the documents WO 0134658 A1, US6624256 B2, JP2009120758, JP2009120756, JP2009120757, EP 1,939,221 A1 and EP 1,873,168 A1. Some mention high functionalization levels, greater than 75%, for polymers obtained by mass or semi-polymerization. such as EP 1,939,221 A1. Others disclose functionalized synthetic polyisoprenes such as JP2009120758 which discusses functionalization to interact with silica and JP2009120756 and JP2009120757 which discuss functionalization to interact with silica. carbon black. Nevertheless all these documents deal with discontinuous polymerization (or batch in English). But a discontinuous process is not always productive and sufficiently competitive and economical for industrial production. If it is quickly mentioned in EP 1,939,221 A1 with reference to WO2005087824, the possibility of carrying out the process described continuously, the low conversion rates or the use of several polymerization reactors to increase the conversion to an acceptable level, make the unattractive process. Moreover, in order to reduce the manufacturing costs and to reinforce the economic interest of the polymerization of isoprene, it appears advantageous to carry out the semi-mass polymerization in the presence of volatile aliphatic hydrocarbon solvent (whose temperature of boiling is below 40 ° C at atmospheric pressure), or in the absence of solvent. The advantages of such polymerizations are diverse and known to those skilled in the art. However, it is a major disadvantage of mass or semi-mass polymerization (hereinafter also referred to as polymerization in a highly concentrated medium). This results in the appearance of a physical phenomenon that could degrade the nature of the polyisoprene obtained and lead to uncontrollable situations in an industrial production. Indeed, the vaporization of a portion of the liquid isoprene and the volatile solvent, under the effect of the energy of the polymerization reaction, leads, from a certain concentration of polyisoprene in the reaction medium, to excessive expansion of the reaction medium. Under such operating conditions, it is no longer possible to control the thermal reaction and the polyisoprene may be denatured. This is the reason why some authors prefer low monomer conversion rates to avoid this phenomenon, for example in US 3,770,710 or in WO2005087824.
Le problème technique que se propose de résoudre l'invention est de disposer d'un procédé de synthèse compétitif, économique et flexible, adaptable à une production industrielle, permettant de produire un polyisoprène à fort taux de cis fonctionnalisé. Un objectif de l'invention est également de disposer d'un procédé permettant de produire un polyisoprène à fort taux de cis fonctionnalisé présentant un taux de fonctionnalisation élevé. L'invention a encore pour objectif de pouvoir disposer d'un procédé de synthèse, en milieu très concentré, de polyisoprène à fort taux de cis fonctionnalisé présentant une productivité accrue en évitant le phénomène d'expansion du milieu réactionnel et permettant ainsi une flexibilité dans la conduite du procédé notamment dans une large gamme de températures. La présente invention résout le problème technique et atteint ces objectifs en ce sens qu'elle propose un procédé continu, particulièrement adapté à une production industrielle économiquement intéressante avec une compétitivité accrue. L'invention propose en effet, un procédé continu de synthèse d'un polyisoprène fonctionnalisé comprenant une étape de polymérisation d'isoprène en continu en milieu très concentré par catalyse de coordination et une étape de fonctionnalisation en continu du polyisoprène pseudo-vivant obtenu à l'étape de polymérisation. L'invention permet d'améliorer les conditions de polymérisation d'isoprène en milieu très concentré afin de pouvoir atteindre des taux de conversion élevés, sans apparition de phénomène d'expansion du milieu réactionnel. L'invention permet également d'atteindre des taux de fonctionnalisation élevés supérieurs ou égal à 70%. L'invention procure également les avantages énergétiques et environnementaux liés à la polymérisation en milieu très concentré et à l'utilisation d'un solvant volatil, ainsi qu'a la possibilité de mettre en oeuvre le procédé dans un large domaine de températures de réaction, incluant les basses températures. Ainsi, l'invention a pour objet un procédé de synthèse en continu d'un polyisoprène modifié comprenant une étape de polymérisation en masse ou semi-masse lors de laquelle le polyisoprène pseudo-vivant à fort taux de cis est synthétisé et une étape de fonctionnalisation ou de modification lors de laquelle le polyisoprène pseudo-vivant réagit avec un agent de fonctionnalisation spécifique. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé.The technical problem to be solved by the invention is to have a competitive, economical and flexible synthesis process, adaptable to industrial production, to produce a polyisoprene high cis functionalised. An object of the invention is also to provide a method for producing a polyisoprene high cis functionalised having a high degree of functionalization. Another objective of the invention is to provide a method for synthesizing, in a highly concentrated medium, high functionalized cis-functionalized polyisoprene exhibiting increased productivity by avoiding the phenomenon of expansion of the reaction medium and thus allowing flexibility in the conduct of the process in particular in a wide range of temperatures. The present invention solves the technical problem and achieves these objectives in that it proposes a continuous process, particularly suitable for economically interesting industrial production with increased competitiveness. The invention indeed proposes a continuous process for synthesizing a functionalized polyisoprene comprising a continuous isoprene polymerization step in a highly concentrated medium by coordination catalysis and a step of continuous functionalization of the pseudo-living polyisoprene obtained at the same time. polymerization step. The invention makes it possible to improve the isoprene polymerization conditions in a highly concentrated medium in order to be able to reach high conversion rates without the appearance of an expansion phenomenon of the reaction medium. The invention also makes it possible to achieve high functionalization rates greater than or equal to 70%. The invention also provides the energy and environmental advantages of polymerization in a highly concentrated medium and the use of a volatile solvent, as well as the possibility of carrying out the process over a wide range of reaction temperatures. including low temperatures. Thus, the subject of the invention is a process for the continuous synthesis of a modified polyisoprene comprising a mass or semi-mass polymerization step in which the pseudo-living polyisoprene with high cis content is synthesized and a functionalization step or modification in which the pseudo-living polyisoprene reacts with a specific functionalizing agent. The invention also relates to an installation for the implementation of such a method.
Le premier objet de l'invention est un procédé de synthèse en continu d'un polyisoprène fonctionnalisé comprenant les étapes simultanées suivantes, - liées à la polymérisation : a) introduire en continu dans un réacteur de polymérisation doté d'une phase gaz et équipé d'au moins un mobile d'agitation et d'un dispositif de décharge, au moins i. un système catalytique de coordination à base de - d'isoprène, à titre de monomère de préformation, - d'un sel métallique de terre rare d'un acide phosphorique organique, ou d'un sel métallique de terre rare d'un acide carboxylique ; - d'un solvant hydrocarboné inerte saturé ou insaturé dont la température d'ébullition est inférieure à 40°C à pression atmosphérique; - d'un agent d'alkylation constitué d'un trialkylaluminium de formule A1R3, dans laquelle R représente un radical alkyle ayant préférentiellement de 1 à 10 atomes de carbone, de préférence le trioctylaluminium ; et - d'un donneur d'halogène constitué d'un halogénure d'alkylaluminium, le radical alkyle ayant préférentiellement de 1 à 8 atomes ;, ii. de l'isoprène à titre de monomère diène conjugué à polymériser, et, iii. de 0 % à 70% en masse d'un solvant organique volatil, calculé par rapport à la masse totale d'isoprène et de solvant; b) polymériser en continu l'isoprène, en mettant en oeuvre les moyens nécessaires pour atteindre un taux de conversion d'au moins 60% en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation; c) agiter le milieu de polymérisation par le mouvement continu d'au moins un mobile d'agitation autour d'un axe rotatif; d) décharger en continu la pâte de polyisoprène pseudo-vivant issue de la polymérisation; l'écart type de la fonction de distribution de temps de séjour dans le réacteur de polymérisation étant supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3; - liées à la fonctionnalisation: e) acheminer en continu cette pâte vers un malaxeur disposant d'une phase gaz, d'un dispositif d'agitation à au moins un mobile d'agitation et d'un dispositif de décharge; f) introduire en continu dans le malaxeur un agent de fonctionnalisation répondant à la formule A-R1-B avec A désignant un groupement susceptible de réagir sur l'extrémité réactive de l'élastomère pseudovivant, R1 désignant un atome ou un groupe d'atomes formant une liaison entre A et B, et B désignant une fonction susceptible de réagir avec une charge renforçante; g) fonctionnaliser en continu le polyisoprène pseudo-vivant par réaction avec l'agent de fonctionnalisation dans ledit malaxeur; h) décharger en continu la pâte de polyisoprène fonctionnalisé issue de l'étape précédente; i) récupérer le polyisoprène fonctionnalisé.The first object of the invention is a process for continuously synthesizing a functionalized polyisoprene comprising the following simultaneous steps, related to the polymerization: a) continuously introducing into a polymerization reactor equipped with a gas phase and equipped with at least one shaker and a discharge device, at least i. a catalytic coordination system based on - isoprene, as pre-forming monomer, - a rare earth metal salt of an organic phosphoric acid, or a rare earth metal salt of a carboxylic acid ; a saturated or unsaturated inert hydrocarbon solvent whose boiling point is less than 40 ° C. at atmospheric pressure; an alkylating agent consisting of a trialkylaluminium of formula A1R3, in which R represents an alkyl radical preferably having from 1 to 10 carbon atoms, preferably trioctylaluminium; and - a halogen donor consisting of an alkylaluminum halide, the alkyl radical preferably having from 1 to 8 atoms; ii. isoprene as the conjugated diene monomer to be polymerized, and, iii. from 0% to 70% by weight of a volatile organic solvent, calculated with respect to the total mass of isoprene and solvent; b) continuously polymerize the isoprene, using the means necessary to achieve a conversion of at least 60% at the limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor; c) stirring the polymerization medium by the continuous movement of at least one stirring member around a rotary axis; d) continuously discharging the pseudo-living polyisoprene paste resulting from the polymerization; the standard deviation of the residence time distribution function in the polymerization reactor being greater than the average residence time divided by 2-V3; - Related to the functionalization: e) continuously convey this paste to a mixer with a gas phase, a stirring device to at least one mobile stirrer and a discharge device; f) continuously introducing into the kneader a functionalizing agent having the formula A-R1-B with A denoting a group capable of reacting on the reactive end of the pseudovivant elastomer, R1 denoting an atom or a group of atoms forming a bond between A and B, and B denoting a function capable of reacting with a reinforcing filler; g) continuously functionalizing the pseudo-living polyisoprene by reaction with the functionalizing agent in said kneader; h) continuously discharging the functionalized polyisoprene paste from the previous step; i) recovering the functionalized polyisoprene.
Dans la mesure où le procédé selon l'invention se déroule en continu, il faut comprendre que les étapes (a) à (i) se déroulent simultanément une fois le réacteur polymérisation alimenté. Dans la présente description, les expressions "milieu très concentré" et "masse ou semi- masse" sont utilisées indifféremment pour avoir la même signification. Dans la présente description, les expressions "solvant" et "diluant" sont utilisées indifféremment pour avoir la même signification. Dans cette description, tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "entre a et b" représente le domaine de valeurs allant de plus de a à moins de b (c'est-à-dire bornes a et b exclues) tandis que tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "de a à b" signifie le domaine de valeurs allant de a jusqu'à b (c'est-à-dire incluant les bornes strictes a et b).Inasmuch as the process according to the invention proceeds continuously, it should be understood that steps (a) to (i) take place simultaneously once the polymerization reactor has been supplied. In the present description, the terms "highly concentrated medium" and "mass or semi-mass" are used interchangeably to have the same meaning. In the present description, the terms "solvent" and "diluent" are used interchangeably to have the same meaning. In this description, any range of values designated by the expression "between a and b" represents the range of values from more than a to less than b (i.e., terminals a and b excluded) while any Range of values referred to as "from a to b" means the range of values from a to b (i.e. including the strict limits a and b).
Dans la présente description, l'expression "fort taux de cis" ou " taux de cis élevé" en rapport avec l'élastomère, signifie un taux molaire d'enchaînement d'unités 1,4- cis d'au moins 95% par rapport à l'élastomère. Dans la présente description, l'expression "pseudo-vivant" en rapport avec l'élastomère, signifie que l'élastomère possède tout ou partie de ces extrémités de chaine réactives, notamment vis-à-vis d'agents de fonctionnalisation. Dans la présente description, le taux de fonctionnalisation, qui est un taux de fonctionnalisation moyen, doit être compris comme le pourcentage moyen de chaînes élastomères fonctionnalisées.In the present description, the term "high cis content" or "high cis ratio" in relation to the elastomer means a molar ratio of 1,4-cis units of at least 95% by relative to the elastomer. In the present description, the term "pseudo-living" in relation to the elastomer means that the elastomer has all or part of these chain ends reactive, especially vis-à-vis functionalising agents. In the present description, the rate of functionalization, which is an average degree of functionalization, must be understood as the average percentage of functionalized elastomer chains.
Il convient de noter que la combinaison des caractéristiques d'écoulement et de la conversion constitue un des éléments essentiels de l'invention qui permet au procédé de polymérisation en continu de contribuer à résoudre le problème technique posé pour la polymérisation en milieu très concentré, adaptable à une production industrielle économiquement avantageuse avec une productivité satisfaisante, plus particulièrement en évitant le phénomène d'expansion du milieu réactionnel. Selon une mise en oeuvre particulière du procédé de synthèse de l'invention, la polymérisation s'effectue en continu avec une quantité de solvant n'excédant pas 70% en masse de la masse totale de isoprène et de solvant, la quantité de solvant pouvant être par exemple d'au moins 10% en masse, voire d'au moins 30% en masse, et d'au plus 60% en masse, voire d'au plus 55% en masse de la masse totale de isoprène et de solvant. Selon une autre mise en oeuvre de l'invention, la polymérisation s'effectue sans adjonction de solvant de polymérisation. Le choix du réacteur de polymérisation constitue, du fait de ces possibilités de mise en oeuvre, un aspect particulièrement important du procédé selon l'invention. En effet, on souhaite polymériser de l'isoprène dans des milieux très concentrés. Selon l'invention, par milieux très concentrés, il faut entendre une concentration en isoprène dans le mélange solvant+isoprène d'au moins 30% en masse, cette concentration pouvant atteindre 100 % en masse en absence de solvant. En outre, on souhaite polymériser jusqu'à l'obtention de taux de conversion élevés en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation d'au moins 60% et pouvant atteindre 100%. La viscosité du milieu de polymérisation constitué pour l'essentiel du polyisoprène, de l'isoprène et le cas échéant du solvant, peut atteindre des valeurs élevées. La viscosité inhérente de l'élastomère diénique dépend de sa nature. Elle a une valeur minimale d'au moins 1,5 dl/g, voire d'au moins 4 dl/g, notamment pour les polyisoprènes obtenus par catalyse de coordination. Toutefois, la viscosité inhérente n'excède pas de préférence 10 dl/g, voire 7 dl/g. La viscosité inhérente est déterminée selon la méthode décrite en annexe 1.It should be noted that the combination of the flow characteristics and the conversion is one of the essential elements of the invention which allows the continuous polymerization process to contribute to solving the technical problem posed for the polymerization in a highly concentrated, adaptable medium. economically advantageous industrial production with satisfactory productivity, more particularly by avoiding the phenomenon of expansion of the reaction medium. According to one particular embodiment of the synthesis process of the invention, the polymerization is carried out continuously with a quantity of solvent not exceeding 70% by weight of the total mass of isoprene and solvent, the amount of solvent being be for example at least 10% by weight, or even at least 30% by weight, and at most 60% by weight, or even at most 55% by weight of the total mass of isoprene and solvent . According to another embodiment of the invention, the polymerization is carried out without addition of polymerization solvent. The choice of the polymerization reactor is, because of these possibilities of implementation, a particularly important aspect of the process according to the invention. Indeed, it is desired to polymerize isoprene in highly concentrated media. According to the invention, by highly concentrated media, is meant an isoprene concentration in the solvent + isoprene mixture of at least 30% by weight, this concentration can reach 100% by weight in the absence of solvent. In addition, it is desired to polymerize until obtaining high conversion rates in the limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor of at least 60% and up to 100%. The viscosity of the polymerization medium consisting essentially of polyisoprene, isoprene and optionally solvent can reach high values. The inherent viscosity of the diene elastomer depends on its nature. It has a minimum value of at least 1.5 dl / g, or even at least 4 dl / g, especially for polyisoprenes obtained by coordination catalysis. However, the inherent viscosity preferably does not exceed 10 dl / g or 7 dl / g. The inherent viscosity is determined according to the method described in Appendix 1.
L'agitation au sein du réacteur de polymérisation doit assurer le malaxage de ce milieu très visqueux pour permettre la synthèse d'un polyisoprène de qualité constante et homogène. Outre la compatibilité avec de hautes viscosités, le réacteur doit convenir à une utilisation pour polymériser l'isoprène selon un mode continu et permettre un écoulement en milieu très concentré, voire en masse, tel que l'écart type de la fonction de distribution de temps de séjour dans le réacteur de polymérisation soit supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3. Le mobile d'agitation permet une agitation continue du milieu réactionnel. Il peut être de forme variée et est adapté à la technologie du réacteur. De nombreux types de mobiles d'agitation peuvent être trouvés dans le commerce. A titre d'exemple, le mobile d'agitation peut être une pâle de type sigma (ou en "Z") ou un autre type de pâles tel que décrit dans le livre David B. Todd, Mixing of Highly Viscous Fluids, Polymers, and Pastes, in Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice, E.L. Paul, V.A. Atiemo-Obeng, and S.M. Kresta, Editors. 2004, John Wiley and Sons. Page 998, Page 1021.The stirring within the polymerization reactor must ensure mixing of this highly viscous medium to allow the synthesis of a polyisoprene of constant and homogeneous quality. In addition to compatibility with high viscosities, the reactor must be suitable for use in continuously polymerizing isoprene and allow for highly concentrated or even mass flow, such as the standard deviation of the time distribution function. in the polymerization reactor is greater than the average residence time divided by 2-V3. The stirring mobile allows continuous stirring of the reaction medium. It can be of varied form and is adapted to the reactor technology. Many types of agitation mobiles can be found commercially. By way of example, the stirring device may be a sigma (or "Z") type of blade or another type of blade as described in the David B. Todd book, Mixing of Highly Viscous Fluids, Polymers, and Pastes, Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice, Paul EL, Atiemo-Obeng VA, and SM Kresta, Editors. 2004, John Wiley and Sons. Page 998, Page 1021.
Lorsque le réacteur est équipé d'au moins deux mobiles d'agitation, ceux-ci peuvent être contre-rotatifs ou co-rotatifs. Ils peuvent en outre être de type tangentiel ou imbriqué. Selon certaines configurations, le réacteur de polymérisation est équipé d'un mobile d'agitation. Ainsi, ce type de réacteur peut être formé d'une cuve, d'un mobile d'agitation et d'un dispositif de décharge. Par exemple, on peut citer le réacteur commercialisé par la société LIST AG sous la dénomination malaxeur-réacteur à un bras ou en anglais « single shaft kneader », à titre de réacteur convenant à l'invention. Selon d'autres configurations, le réacteur de polymérisation est équipé de deux mobiles d'agitation. Selon les configurations décrites ci-dessus, le réacteur de polymérisation peut être formé d'une cuve, de son système d'agitation et d'un dispositif de décharge. Selon des configurations préférées, le réacteur de polymérisation est plus particulièrement de technologie malaxeur à bras en Z. Par technologie malaxeur à bras en Z, on entend plus particulièrement un mélangeur ou malaxeur formé d'une cuve équipée de deux bras en Z, mus chacun indépendamment autour d'un axe rotatif, de préférence horizontal. Les deux bras en Z sont alors préférentiellement mus en rotation contre-rotative de manière à gaver le dispositif de vidange en fond de cuve. A titre d'exemple, ce réacteur conforme à l'invention est commercialisé sous divers dénominations telles que : - les malaxeurs à pâles sigma - vis de décharge, ou en anglais « sigma blades mixerdischarge screw type », commercialisés par la société Battaggion SPA, - les malaxeurs-extrudeurs ou en anglais « extrusion-kneader », commercialisés par la société Aachener Misch- und Knetmaschinenfabrik Peter Küpper GmbH & Co. KG, - les malaxeurs doubles Z avec vis d'extrusion ou en anglais « double-z-kneader with extrusion screw », commercialisés par la société Hermann Linden Maschinenfabrik GmbH & Co. KG., - les malaxeurs extrudeurs ou en anglais « mixer extruders », commercialisés par la société Aaron Process Equipment Company.When the reactor is equipped with at least two agitating mobiles, these can be counter-rotating or co-rotating. In addition, they can be tangential or nested. According to certain configurations, the polymerization reactor is equipped with a stirrer. Thus, this type of reactor may be formed of a vessel, a stirring device and a discharge device. For example, mention may be made of the reactor marketed by the company LIST AG under the name single-arm kneader or single-shaft kneader, as reactor suitable for the invention. According to other configurations, the polymerization reactor is equipped with two stirring rods. According to the configurations described above, the polymerization reactor may be formed of a tank, its stirring system and a discharge device. According to preferred configurations, the polymerization reactor is more particularly Z-arm kneader technology. By Z-arm kneading technology, more particularly is meant a mixer or kneader formed of a tank equipped with two Z-shaped arms, each driven by independently about a rotary axis, preferably horizontal. The two Z-arms are then preferably moved in counter-rotating rotation so as to fill the emptying device at the bottom of the tank. By way of example, this reactor according to the invention is marketed under various names such as: - mixers with sigma blades - screw discharge, or in English "sigma blades mixerdischarge screw type", marketed by the company Battaggion SPA, extruder-kneaders, marketed by Aachener Misch-und Knetmaschinenfabrik Peter Küpper GmbH & Co. KG, double Z mixers with extrusion screws or in English "double-z-kneader" with extrusion screw ", sold by Hermann Linden Maschinenfabrik GmbH & Co. KG., - extruder mixers, sold by Aaron Process Equipment Company.
Le réacteur de polymérisation est doté d'une phase gaz permettant l'évacuation de la chaleur de polymérisation par vaporisation d'une partie du milieu réactionnel. Le rapport volumique de la phase gaz au milieu réactionnel dépend du type de réacteur utilisé et sa détermination est à la portée de l'homme de l'art. Selon une mise en oeuvre de l'invention, la polymérisation s'effectue en masse. Dans ce cas il n'y a pas d'adjonction de solvant de polymérisation. Selon d'autres mises en oeuvre de l'invention, la polymérisation s'effectue en semi-masse. Le milieu comprend alors un solvant de polymérisation hydrocarboné inerte, généralement aliphatique ou alicyclique de faible masse moléculaire, notamment pour des raisons environnementales. En vue de baisser le coût énergétique du procédé industriel de préparation de polyisoprène lorsque la polymérisation s'effectue en solution, la polymérisation est de préférence effectuée en présence d'un solvant hydrocarboné inerte volatil, c'est-à-dire ayant un point d'ébullition inférieur à 40°C, qui peut être par exemple un hydrocarbure aliphatique ou alicyclique ayant au plus 5 atomes de carbone. En effet, l'étape de récupération du polyisoprène synthétisé est facilitée par son bas point d'ébullition. A ce titre, on peut citer les alcanes légers en C5 tels que le n-pentane, le 2- méthylbutane, le 2,2-dimethylpropane ou un mélange de ces solvants. On peut également citer d'autres solvants hydrocarbonés inertes en C5, insaturés, de type aliphatique, tel que le 1-pentène, le 2-pentène, le 2-méthyl-but-1-ène, le 3-méthyl-but-1-ène, 2-méthyl-but-2- ène, ou un mélange de ces solvants. A titre de solvant de polymérisation on préfère utiliser un alcane, plus préférentiellement le n-pentane. Le solvant peut être introduit directement dans le réacteur. Il peut également être mélangé préalablement à au moins un autre des composants introduits dans le réacteur de polymérisation, notamment à l'isoprène à polymériser. Cette dernière option constitue une mise en oeuvre préférentielle selon l'invention. Selon une mise en oeuvre du procédé de l'invention combinable à la précédente, l'isoprène peut être introduit sous la forme d'une coupe pétrolière le comprenant. Selon l'invention, dans le cadre de la polymérisation par catalyse de coordination de l'isoprène, on utilise un système catalytique multi-composant à base au moins. - d'isoprène, à titre de monomère de préformation, - d'un sel métallique de terre rare d'un acide phosphorique organique, ou d'un sel métallique de terre rare d'un acide carboxylique ; - d'un solvant hydrocarboné inerte saturé ou insaturé dont la température d'ébullition est inférieure à 40°C à pression atmosphérique ; - d'un agent d'alkylation constitué d'un trialkylaluminium de formule A1R3, dans laquelle R représente un radical alkyle ayant préférentiellement de 1 à 10 atomes de carbone, et - d'un donneur d'halogène constitué d'un halogénure d'alkylaluminium, le radical alkyle ayant préférentiellement de 1 à 8 atomes ; ce système catalytique comprenant le métal de terre rare selon une concentration égale ou supérieure à 0,005 mol/l. Par l'expression « à base de » utilisée pour définir les constituants du système catalytique, on entend le produit ou les produits de réaction de ces constituants après prémélangeage de tout ou partie des constituants, ou, le cas échéant, après préformation et/ou vieillissement du système catalytique. Le système catalytique peut être préparé en discontinu ou en continu selon le procédé décrit dans le document de brevet WO-A-2007/045417. Selon une mise en oeuvre du procédé de l'invention, en amont du réacteur de polymérisation, une installation de synthèse en continu du système catalytique alimente en continu le réacteur de polymérisation. Le système catalytique peut être préformé antérieurement à la réaction de polymérisation, c'est-à-dire par mise en contact de l'intégralité des différents constituants du système catalytique entre eux, dont l'isoprène de préformation, en une seule ou plusieurs étapes, pendant un temps donné, généralement comprise entre 0 et 120 minutes à une température allant de 10°C à 80°C. Ensuite, le système catalytique résultant est mis en contact avec l'isoprène à polymériser dans le solvant volatil. Le système catalytique peut également être introduit directement dans le réacteur ou être mélangé préalablement à l'un au moins des autres composants qui alimentent le réacteur de polymérisation. Un tel système catalytique fait l'objet de la demande PCT/EP2013/075437. Un premier élément constitutif du système catalytique multi-composants selon l'invention est l'isoprène, à titre de monomère de préformation.The polymerization reactor is provided with a gas phase allowing the evacuation of the polymerization heat by vaporization of a part of the reaction medium. The volume ratio of the gas phase to the reaction medium depends on the type of reactor used and its determination is within the reach of those skilled in the art. According to one embodiment of the invention, the polymerization is carried out in bulk. In this case, there is no addition of polymerization solvent. According to other embodiments of the invention, the polymerization is carried out in semi-mass. The medium then comprises an inert hydrocarbon polymerization solvent, generally aliphatic or alicyclic low molecular weight, especially for environmental reasons. In order to lower the energy cost of the industrial polyisoprene preparation process when the polymerization is carried out in solution, the polymerization is preferably carried out in the presence of a volatile inert hydrocarbon solvent, that is to say having a point d boiling below 40 ° C, which may be for example an aliphatic or alicyclic hydrocarbon having at most 5 carbon atoms. Indeed, the recovery step of the synthesized polyisoprene is facilitated by its low boiling point. As such, mention may be made of C5 light alkanes such as n-pentane, 2-methylbutane, 2,2-dimethylpropane or a mixture of these solvents. Other inert C 5 aliphatic hydrocarbon solvents, such as 1-pentene, 2-pentene, 2-methyl-but-1-ene and 3-methyl-but-1, may also be mentioned. -ene, 2-methyl-but-2-ene, or a mixture of these solvents. As the polymerization solvent, it is preferred to use an alkane, more preferably n-pentane. The solvent can be introduced directly into the reactor. It may also be mixed beforehand with at least one of the other components introduced into the polymerization reactor, in particular the isoprene to be polymerized. This last option constitutes a preferential implementation according to the invention. According to one implementation of the method of the invention combinable with the previous one, the isoprene can be introduced in the form of a petroleum fraction comprising it. According to the invention, in the context of the coordination catalysis polymerization of isoprene, a multi-component catalyst system based on at least one is used. isoprene, as a pre-forming monomer, a rare earth metal salt of an organic phosphoric acid, or a rare earth metal salt of a carboxylic acid; a saturated or unsaturated inert hydrocarbon solvent whose boiling point is less than 40 ° C. at atmospheric pressure; an alkylating agent consisting of a trialkylaluminium of formula A1R3, in which R represents an alkyl radical preferably having from 1 to 10 carbon atoms, and a halogen donor consisting of a halogenide of alkylaluminium, the alkyl radical having preferably from 1 to 8 atoms; this catalytic system comprising the rare earth metal in a concentration equal to or greater than 0.005 mol / l. By the expression "based on" used to define the constituents of the catalytic system is meant the product or the reaction products of these constituents after premixing of all or part of the constituents, or, where appropriate, after pre-forming and / or aging of the catalytic system. The catalyst system may be prepared batchwise or continuously according to the process described in WO-A-2007/045417. According to one implementation of the process of the invention, upstream of the polymerization reactor, a continuous synthesis plant of the catalytic system continuously feeds the polymerization reactor. The catalytic system may be preformed before the polymerization reaction, that is to say by contacting all the various components of the catalyst system with each other, including preforming isoprene, in one or more steps for a given time, generally between 0 and 120 minutes at a temperature ranging from 10 ° C to 80 ° C. Then, the resulting catalyst system is contacted with the isoprene to be polymerized in the volatile solvent. The catalytic system can also be introduced directly into the reactor or be premixed with at least one of the other components that supply the polymerization reactor. Such a catalytic system is the subject of application PCT / EP2013 / 075437. A first constituent element of the multi-component catalytic system according to the invention is isoprene, as pre-forming monomer.
Selon des variantes de l'invention, le rapport molaire (isoprène de préformation / sel de terre rare) présente une valeur allant de 5 à 100, de préférence de 10 à 90 et encore plus préférentiellement de 15 à 70, voire de 25 à 50. Un deuxième élément constitutif du système catalytique multi-composants selon l'invention est le sel métallique de terre(s) rare(s). On entend par métal de terre rare, tout élément de la famille des lanthanides, ou l'yttrium, ou encore le scandium. A titre préférentiel, l'élément de terre rare est un élément de la famille des lanthanides, plus préférentiellement le néodyme. A titre de sel métallique de terre rare utilisable dans ce système catalytique, on peut avantageusement utiliser : - selon une première variante de l'invention : un sel de terre rare d'un acide phosphorique organique, ou bien, - selon une deuxième variante de l'invention : un sel de terre rare d'un acide carboxylique. Lorsque le sel métallique de terre rare est un sel de terre rare d'un acide phosphorique organique, ou organophosphate de terre rare, celui-ci peut être un diesters d'acide phosphorique de formule générale (R'0)(R"O)P0(OH), dans laquelle R' et R", identiques ou différents, représentent un radical alkyle en C1-C10, saturé ou insaturé, aryle en C6-C12 ou alkylaryle C7-C22. Parmi ces diesters d'acide phosphorique, R' et R", identiques ou différents, sont de préférence un radical n-butyle, isobutyle, n-pentyle, isopentyle, 2,2-diméthylhexyle, 1-éthylhexyle, 2-éthylhexyle, tolyle, oléyle ou linoléyle. Parmi ces organophosphates, le bis(2-éthylhexyl)phosphate est préféré. On peut également utiliser, à titre de sel, un mélange de plusieurs sels métalliques de terre(s) rare(s) d'acide phosphorique organique.According to variants of the invention, the molar ratio (preforming isoprene / rare earth salt) has a value ranging from 5 to 100, preferably from 10 to 90 and even more preferably from 15 to 70, or even 25 to 50 A second constituent element of the multi-component catalytic system according to the invention is the metal salt of rare earth (s). By rare earth metal is meant any element of the family of lanthanides, or yttrium, or else scandium. As a preference, the rare earth element is an element of the family of lanthanides, more preferably neodymium. As the rare earth metal salt that can be used in this catalytic system, it is advantageous to use: according to a first variant of the invention: a rare earth salt of an organic phosphoric acid, or, according to a second variant of the invention: a rare earth salt of a carboxylic acid. When the rare earth metal salt is a rare earth salt of an organic phosphoric acid, or rare earth organophosphate, it may be a phosphoric acid diester of general formula (R'0) (R "O) P0 (OH), in which R 'and R ", which may be identical or different, represent a saturated or unsaturated C 1 -C 10 alkyl, C 6 -C 12 aryl or C 7 -C 22 alkylaryl radical. Among these phosphoric acid diesters, R 'and R ", identical or different, are preferably an n-butyl, isobutyl, n-pentyl, isopentyl, 2,2-dimethylhexyl, 1-ethylhexyl, 2-ethylhexyl or tolyl radical. Of these organophosphates, bis (2-ethylhexyl) phosphate is preferred, or a mixture of several rare earth metal salts of organic phosphoric acid may be used as the salt. .
A titre de sel métallique de terre(s) rare(s) d'un acide phosphorique organique utilisable selon l'invention, on peut citer à titre préférentiel le tris[bis(2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme. Le sel de terre(s) rare(s) d'un acide organique phosphorique peut, selon une variante, être utilisé sous forme d'une solution dans un solvant aliphatique ou cycloaliphatique hydrocarboné, de préférence identique au solvant du système catalytique. A titre de sel de terre(s) rare(s) d'un acide phosphorique, on peut par exemple utiliser un organophosphate de terre rare disponible dans le commerce ou encore synthétisé selon l'invention décrite dans W02009083480 Al. Selon une mise en oeuvre avantageuse de cette variante de l'invention, la solution du sel de terre(s) rare(s) d'un acide phosphorique comprend, outre l'acide organophosphorique résiduel à la préparation du sel, un acide organique ou minéral de pKa à 25°C inférieur à 2,5 tel que décrit dans la demande de brevet des Demanderesses WO 10/133608. Lorsque le sel métallique de terre rare est un carboxylate, celui-ci peut être un carboxylate d'acide carboxylique aliphatique, linéaires ou ramifiés, ayant 6 à 20 atomes de carbone dans la chaîne linéaire, ou d'acides carboxyliques aromatiques possédant un ou plusieurs noyaux aromatiques, substitués ou non. A titre d'exemple on peut citer le néodécanoate (versatate), le 2-éthylhexanoate, l'octoate, l'hexanoate, linéaires ou ramifiés, ou encore les naphthénates, substitués ou non. Parmi les carboxylates, le 2-éthylhexanoate et le néodécanoate sont préférés. On peut également utiliser, à titre de sel, un mélange de plusieurs sels métalliques de terre(s) rare(s) d'acide carboxylique. A titre de sels métalliques de terre rare d'un acide carboxylique utilisables dans le système catalytique conforme à l'invention, on peut citer à titre préférentiel des organocarboxylates du néodyme, et préférentiellement le tris [2-éthylhexanoate] de néodyme ou le tris [versatate] de néodyme. Le sel de terre(s) rare(s) peut être préparé de manière connue en soi. Le système catalytique conforme à l'invention comprend le métal de terre rare selon une concentration égale ou supérieure à 0,005 mol/l. De préférence la concentration en métal de terre rare dans le système catalytique à une valeur allant de 0,010 mol/1 à 0,1 mol/1 et encore plus préférentiellement allant de 0,02 à 0,08 mol/l. Un autre élément constitutif du système catalytique selon l'invention est un solvant hydrocarboné inerte, saturé ou insaturé, dont la température d'ébullition est inférieure à 40°C à pression atmosphérique. A ce titre, on peut citer les alcanes légers en C5 tels que le n-pentane, le 2-méthylbutane, le 2,2-dimethylpropane ou un mélange de ces solvants. On peut également citer d'autres solvants hydrocarbonés en C5, inertes, insaturés, de type aliphatique, tel que le 1-pentène, le 2-pentène, le 2-méthyl-1-butène, le 3-méthy1-1 -butène, 2-méthyl 2-butène, ou un mélange de ces solvants. A titre préférentiel, le solvant hydrocarboné inerte dont la température d'ébullition est inférieure à 40°C à pression atmosphérique est un alcane, plus préférentiellement le npentane. En effet, les alcanes sont aisément disponibles commercialement garantissant ainsi une constance dans la qualité et la composition du solvant, ainsi qu'une baisse du coût de production. Selon une mise en oeuvre particulièrement avantageuse de l'invention, le solvant du système catalytique est identique au solvant volatil de polymérisation. En effet, cette mise en oeuvre permet de diminuer le coût de production car elle ne nécessite pas d'étape supplémentaire coûteuse de séparation des solvants et réduit le nombre de dispositifs de stockage. Selon cette variante, le solvant présentant une température d'ébullition inférieure à 40°C permet un procédé industriel moins coûteux en énergie car l'élimination du solvant volatil, une fois le polyisoprène synthétisé, est facilitée par son bas point d'ébullition. Un autre élément constitutif du système catalytique multi-composants selon l'invention est un agent d'alkylation. Cet agent d'alkylation est constitué d'un trialkylaluminium, le radical alkyle étant en C1-C10. On peut citer à titre d'exemples de trialkylaluminiums, le triméthylaluminium, le triéthylaluminium, le tri-n-propylaluminium, le triisopropylaluminium, le tri-n-butylaluminium, le tri-t-butylaluminium, le tri-n- pentylaluminium, le tri-n-hexylaluminium, le tri-n-octylaluminium, le tricyclohexylaluminium.As the metal salt (s) rare earth (s) of an organic phosphoric acid used according to the invention, mention may be made preferably tris [bis (2-ethylhexyl) phosphate] neodymium. The rare earth salt (s) of an organic phosphoric acid may alternatively be used in the form of a solution in a hydrocarbon aliphatic or cycloaliphatic solvent, preferably identical to the solvent of the catalytic system. As a rare earth salt (s) of a phosphoric acid, it is possible for example to use a commercially available rare earth organophosphate or also synthesized according to the invention described in WO2009083480 A1. Advantageously of this variant of the invention, the solution of the rare earth salt (s) of a phosphoric acid comprises, besides the residual organophosphoric acid in the preparation of the salt, an organic or inorganic acid of 25 kPa. ° C less than 2.5 as described in the patent application of the Applicants WO 10/133608. When the rare earth metal salt is a carboxylate, it may be a linear or branched aliphatic carboxylic acid carboxylate having 6 to 20 carbon atoms in the linear chain, or aromatic carboxylic acids having one or more aromatic nuclei, substituted or unsubstituted. By way of example, mention may be made of neodecanoate (versatate), 2-ethylhexanoate, octoate, hexanoate, linear or branched, or even naphthenates, which may or may not be substituted. Of the carboxylates, 2-ethylhexanoate and neodecanoate are preferred. It is also possible to use, as a salt, a mixture of several metal salts of rare earth (s) of carboxylic acid. As rare earth metal salts of a carboxylic acid that may be used in the catalytic system according to the invention, mention may preferably be made of neodymium organocarboxylates, and preferentially neodymium tris [2-ethylhexanoate] or tris [ versatate] of neodymium. The rare earth salt (s) can be prepared in a manner known per se. The catalytic system according to the invention comprises the rare earth metal in a concentration equal to or greater than 0.005 mol / l. Preferably, the concentration of rare earth metal in the catalytic system is from 0.010 mol / l to 0.1 mol / l and even more preferably from 0.02 to 0.08 mol / l. Another constituent element of the catalytic system according to the invention is an inert hydrocarbon solvent, saturated or unsaturated, whose boiling temperature is below 40 ° C at atmospheric pressure. As such, there may be mentioned C5 light alkanes such as n-pentane, 2-methylbutane, 2,2-dimethylpropane or a mixture of these solvents. There may also be mentioned other C5 hydrocarbon solvents, inert, unsaturated, of the aliphatic type, such as 1-pentene, 2-pentene, 2-methyl-1-butene, 3-methyl-1-butene, 2-methyl-2-butene, or a mixture of these solvents. Preferably, the inert hydrocarbon solvent whose boiling temperature is below 40 ° C at atmospheric pressure is an alkane, more preferably npentane. Indeed, the alkanes are readily available commercially thus ensuring a consistency in the quality and composition of the solvent, as well as a lower cost of production. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the solvent of the catalytic system is identical to the volatile polymerization solvent. Indeed, this implementation reduces the cost of production because it does not require an expensive additional step of separating solvents and reduces the number of storage devices. According to this variant, the solvent having a boiling point below 40 ° C allows a less energy-intensive industrial process because the removal of the volatile solvent, once the synthesized polyisoprene, is facilitated by its low boiling point. Another constituent element of the multi-component catalytic system according to the invention is an alkylating agent. This alkylating agent consists of a trialkylaluminium, the alkyl radical being C1-C10. As examples of trialkylaluminiums, trimethylaluminium, triethylaluminium, tri-n-propylaluminium, triisopropylaluminium, tri-n-butylaluminium, tri-t-butylaluminium, tri-n-pentylaluminium, triethylaluminum may be mentioned. n-hexylaluminum, tri-n-octylaluminum, tricyclohexylaluminum.
Selon l'invention, le choix de ces agents alkylant permet de disposer d'un système catalytique sous forme d'une solution homogène et limpide. L'absence de particules insolubles participe fortement à la réduction des coûts en minimisant, voire en supprimant, la contribution du système catalytique aux dépôts dans l'installation et à son encrassement. En effet, l'utilisation dans un procédé en continu d'une solution de catalyseur trouble, conduit à force à un encrassement de la tuyauterie d'injection du système catalytique et de l'unité de fabrication, et à terme au bouchage de certaines canalisation ou dysfonctionnement de certains dispositifs tels que des dispositifs de contrôle de débit, des filtres, clapets, vannes et autres pompes. Le passage répété d'une substance non homogène peut conduire à un encrassement de ces dispositifs et au bouchage de certaines tuyauteries et à terme à des arrêts de la ligne de production qui représentent de manière générale un surcoût pour la mise en oeuvre du procédé continu. Il a été mis en évidence que le triisobutylaluminium ne contribue pas à atteindre les objectifs de réduction de coût de l'invention, et qu'il est donc exclu des agents alkylation. Selon une mise en oeuvre préférentielle l'agent d'alkylation est constitué du trioctylaluminium. Selon des variantes de l'invention, on notera que le rapport molaire (agent d'alkylation / sel de terre(s) rare(s)) dans ledit système catalytique présente avantageusement une valeur d'au moins 1 et d'au plus 50. Selon certaines variantes du procédé de l'invention, ce rapport est d'au plus 30, voire d'au plus 15. Selon d'autres variantes du procédé de l'invention, ce rapport est d'au moins 4. Le dernier élément constitutif du système catalytique multi-composants selon l'invention est un agent donneur d'halogène. Parmi ces agents, on peut citer les halogénures d'alkylaluminium. On peut citer à ce titre les monohalogénures et dihalogénures d'alkylaluminium et leurs mélanges, notamment le chlorure de diéthyaluminium, le bromure de diéthylaluminium et le dichlorure d' éthylaluminium. On préfère plus particulièrement le chlorure de diéthylaluminium. Selon des variantes de l'invention, le rapport molaire (donneur d'halogène / sel de terre rare) présente une valeur allant de 0,5 à 5, préférentiellement de 2 à 3,6 et encore plus préférentiellement de 2,5 à 3,2. Des modes de réalisation de l'invention consistent en des combinaisons des différents aspects décrits plus haut en rapport avec la composition du système catalytique et notamment les combinaisons des variantes et/ou aspects préférentiels de celle-ci qu'il s'agisse de la nature des composants ou de leur proportion. Ainsi, un mode de réalisation avantageux de l'invention est un système catalytique multi-composants, tel que défini plus haut, qui remplit au moins l'une des quatre conditions suivantes et de préférence les quatre - le sel de terre(s) rare(s) est un organophosphate de néodyme, préférentiellement le tris[bis(2-éthylhexyl)phosphate] de néodyme ; - le solvant hydrocarboné inerte est un alcane, préférentiellement le n-pentane; - l'agent d'alkylation est le trioctylaluminium ; et, - le donneur d'halogène est un halogénure d' alkylaluminium, préférentiellement le chlorure de diéthylaluminium. De tels systèmes catalytiques permettent notamment d'obtenir des homopolymères de l'isoprène présentant un taux d'enchaînements 1,4-cis (mesuré par la technique « NIR » de dosage par proche infrarouge, expliquée plus bas) qui est supérieur à 95%, voire d'au moins 97%, ce qui peut être qualifié de taux élevé (fort taux) en motifs 1,4-cis. Selon des variantes d'exécution du procédé de synthèse conforme à l'invention, on peut introduire dans le réacteur de polymérisation, par un flux indépendant de l'introduction du système catalytique utilisé pour la réaction de polymérisation, une quantité supplémentaire prédéterminée d'au moins un composé alkylaluminium de formules A1R3 ou HA1R2 ou R".A1R'3,, dans lesquelles R et R' représentent un groupe alkyle de 1 à 20 atomes de carbone, saturé ou non, préférentiellement de 1 à 12 atomes de carbone, R" représente un groupe allylique, n un entier inclusivement de 1 à 3. De telles variantes sont décrites notamment dans les documents W02006133757, EP 1845118, WO 10/069511, W010/069805. Selon une mise en oeuvre avantageuse de cette variante de procédé de polymérisation, le composé alkylaluminium est différent du composé trialkyaluminium utilisé pour préparer le système catalytique Selon autre mise en oeuvre, de cette variante de procédé de polymérisation, le composé alkylaluminium est identique au composé trialkyaluminium utilisé pour préparer le système catalytique A titre de composé alkylaluminium, on peut citer des alkylaluminiums tels que: - des trialkylaluminiums tels que par exemple le triméthylaluminium, le triéthylaluminium, le tri-n-propylaluminium, le triisopropylaluminium, le tri-n- butylaluminium, le tri-t-butylaluminium, le triisobutylaluminium, le tri-n- pentylaluminium, le tri-n-hexylaluminium, le tricyclohexylaluminium, de préférence le triisobutylaluminium ou - des hydrures de dialkylaluminium tels que par exemple l'hydrure de diéthylaluminium, l'hydrure de diisopropylaluminium, l'hydrure de di-n- propylaluminium, l'hydrure de diisobutylaluminium, l'hydrure de di-n- octylaluminium, l'hydrure de di-n-butylaluminium, de préférence l'hydrure de diisobutylaluminium.According to the invention, the choice of these alkylating agents makes it possible to have a catalytic system in the form of a homogeneous and clear solution. The absence of insoluble particles plays a major role in reducing costs by minimizing or even eliminating the contribution of the catalytic system to deposits in the plant and its fouling. Indeed, the use in a continuous process of a cloudy catalyst solution, leads to a fouling of the injection pipe of the catalytic system and the manufacturing unit, and eventually capping some pipes or malfunction of certain devices such as flow control devices, filters, valves, valves and other pumps. The repeated passage of a non-homogeneous substance can lead to fouling of these devices and clogging of certain pipes and eventually to stops of the production line which generally represent an additional cost for the implementation of the continuous process. It has been demonstrated that triisobutylaluminium does not contribute to achieving the cost reduction objectives of the invention, and that alkylation agents are therefore excluded. According to a preferred embodiment, the alkylating agent consists of trioctylaluminium. According to variants of the invention, it will be noted that the molar ratio (alkylating agent / rare earth salt (s)) in said catalytic system advantageously has a value of at least 1 and at most 50 According to certain variants of the process of the invention, this ratio is at most 30 or even at most 15. According to other variants of the process of the invention, this ratio is at least 4. The last constituent element of the multi-component catalytic system according to the invention is a halogen-donating agent. Among these agents, mention may be made of alkylaluminium halides. Mention may be made, for example, of alkylaluminum monohalides and dihalides and mixtures thereof, especially diethylaluminum chloride, diethylaluminium bromide and ethylaluminum dichloride. Diethylaluminum chloride is more particularly preferred. According to variants of the invention, the molar ratio (halogen donor / rare earth salt) has a value ranging from 0.5 to 5, preferably from 2 to 3.6 and even more preferably from 2.5 to 3. 2. Embodiments of the invention consist of combinations of the various aspects described above with respect to the composition of the catalytic system and in particular the combinations of the variants and / or preferential aspects thereof, be it the nature of the components or their proportion. Thus, an advantageous embodiment of the invention is a multi-component catalytic system, as defined above, which fulfills at least one of the following four conditions and preferably the four - the rare earth salt (s). (s) is a neodymium organophosphate, preferentially neodymium tris [bis (2-ethylhexyl) phosphate]; the inert hydrocarbon solvent is an alkane, preferentially n-pentane; the alkylating agent is trioctylaluminum; and the halogen donor is an alkylaluminium halide, preferably diethylaluminum chloride. Such catalytic systems make it possible in particular to obtain homopolymers of isoprene exhibiting a rate of 1,4-cis linkages (measured by the "NIR" technique of the near-infrared assay, explained below) which is greater than 95%. or at least 97%, which can be described as a high rate (high rate) in 1,4-cis units. According to alternative embodiments of the synthesis method according to the invention, it is possible to introduce into the polymerization reactor, by a flow independent of the introduction of the catalytic system used for the polymerization reaction, a predetermined additional amount of from at least one alkylaluminium compound of formulas A1R3 or HA1R2 or R ".A1R'3, in which R and R 'represent an alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, saturated or unsaturated, preferably from 1 to 12 carbon atoms, R "represents an allyl group, n an integer inclusive of 1 to 3. Such variants are described in particular in the documents WO2006133757, EP 1845118, WO 10/069511, WO10 / 069805. According to an advantageous implementation of this variant of polymerization process, the alkylaluminium compound is different from the trialkyaluminium compound used to prepare the catalytic system. According to another implementation, this variant of the polymerization process, the alkylaluminium compound is identical to the trialkyaluminium compound. used to prepare the catalytic system As an alkylaluminium compound, mention may be made of alkylaluminiums such as: trialkylaluminiums such as, for example, trimethylaluminium, triethylaluminium, tri-n-propylaluminium, triisopropylaluminium, tri-n-butylaluminium, tri-t-butylaluminum, triisobutylaluminum, tri-n-pentylaluminium, tri-n-hexylaluminium, tricyclohexylaluminium, preferably triisobutylaluminium or dialkylaluminium hydrides such as, for example, diethylaluminum hydride, hydride of diisopropylaluminum, di-n-propylaluminum hydride, hydride of d iisobutylaluminum, di-n-octylaluminum hydride, di-n-butylaluminum hydride, preferably diisobutylaluminum hydride.
Avantageusement, le rapport molaire (composé alkylaluminium ajouté en décalé / trialkylaluminium dans le système catalytique) varie de 1/20 à 50/1, préférentiellement varie de 1/15 à 30/1 et encore plus préférentiellement de 1/10 à 20/1. On notera que l'ajout du composé alkylaluminium avant polymérisation permet de s'affranchir des fluctuations dans le temps des impuretés dues aux solvants et aux monomères injectés en entrée de ligne et de ne pas pénaliser, du fait de ces fluctuations, l'activité du système catalytique. Cette variante d'exécution de l'invention permet ainsi de minimiser la dispersion des caractéristiques de l'élastomère obtenu. Cette variante est combinable avec l'ensemble des variantes et mises en oeuvre de l'invention, préférentielles ou non, décrites plus haut ou ci-après. Selon une mise en oeuvre du procédé de polymérisation de l'invention, tous les composants du milieu réactionnel initial, c'est-à-dire l'isoprène à polymériser, le solvant éventuel, le système catalytique et, le cas échéant, l'alkylaluminium supplémentaire, peuvent être introduits individuellement directement dans le réacteur de polymérisation.Advantageously, the molar ratio (alkylaluminium compound added in shifted / trialkylaluminium in the catalytic system) varies from 1/20 to 50/1, preferably varies from 1/15 to 30/1 and even more preferably from 1/10 to 20/1. . It will be noted that the addition of the alkylaluminium compound before polymerization makes it possible to overcome the fluctuations in time of the impurities due to the solvents and monomers injected at the line inlet and not to penalize, because of these fluctuations, the activity of the catalytic system. This variant embodiment of the invention thus makes it possible to minimize the dispersion of the characteristics of the elastomer obtained. This variant is combinable with all the variants and implementations of the invention, preferred or not, described above or below. According to one implementation of the polymerization process of the invention, all the components of the initial reaction medium, that is to say the isoprene to be polymerized, the optional solvent, the catalytic system and, if appropriate, the additional alkylaluminium can be introduced individually directly into the polymerization reactor.
Selon d'autres mises en oeuvre du procédé de l'invention, au moins deux composants du milieu réactionnel initial ne sont pas introduits individuellement directement dans le réacteur de polymérisation. Le mélange des dits composants peut-être assuré par divers moyens connus de l'homme de l'art avec des mélangeurs statiques, dynamiques ou à ultrasons. Le mélange peut être conditionné en température avant d'entrer dans le réacteur de polymérisation. Une deuxième étape du procédé selon l'invention concerne la polymérisation de l'isoprène jusqu'à atteindre (1) un taux de conversion élevé d'au moins 60% , en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation avec (2) un écart type de la fonction de distribution de temps de séjour dans le réacteur de polymérisation supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3. Selon le procédé de l'invention, le taux de conversion de l'isoprène en polyisoprène est d'au moins 60%, en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation. On entend par volume du réacteur de polymérisation, le volume existant dans le réacteur entre le point d'entrée des réactifs et la sortie du réacteur, hors dispositif de décharge. Ce taux de conversion limite de 60%, associé à la caractéristique spécifique relative à la fonction de distribution de temps de séjour de l'invention, est indispensable pour palier la formation de mousse et écarter le phénomène d'expansion du milieu réactionnel. En effet, en dessous de 60% et sans satisfaire la condition relative à la fonction de distribution de temps de séjour de l'invention, on observe la formation de bulles qui rapidement conduit à une expansion incontrôlable du milieu réactionnel. Pour atteindre ce taux de conversion nécessaire d'au moins 60%, l'homme du métier dispose de nombreux leviers ou moyens techniques qu'il peut faire varier en de multiples combinaisons. Parmi ces différents leviers techniques on peut citer la température de réaction, la concentration en monomère dans le milieu réactionnel, la concentration en catalyseur de polymérisation dans le milieu réactionnel, le temps de séjour moyen... . Les moyens à mettre en oeuvre pour atteindre au moins 60% de conversion en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation sont à la portée de l'homme du métier. La simple consigne d'atteindre une limite minimale de conversion, en l'occurrence au moins 60% en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation, constitue pour lui une identification des combinaisons de moyens à mettre en oeuvre pour exécuter cette consigne. Le taux de conversion peut être déterminé de différentes façons, connues de l'homme de l'art. Par exemple, le taux de conversion peut être déterminé à partir d'une mesure réalisée sur un échantillon prélevé en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation par exemple par chromatographie en phase gazeuse (CPG). On mesure la concentration d'isoprène résiduel (non converti dans l'échantillon). Par différence entre la concentration d'isoprène introduit dans le réacteur de polymérisation (G) et la concentration d'isoprène résiduel mesurée dans l'échantillon prélevé (Cr), on détermine le taux de conversion en pourcentage massique comme étant : X % mass =100 * [(C, - Cr )1 avec : X% mass : taux de conversion en pourcentage massique ; C, : concentration en isoprène introduite dans le réacteur de polymérisation; Cr : concentration en isoprène résiduel mesurée dans l'échantillon prélevé ; Préférentiellement ce taux de conversion est d'au moins 80 % et plus préférentiellement encore de 85 % à 100%, pour une productivité croissante.According to other implementations of the process of the invention, at least two components of the initial reaction medium are not introduced individually directly into the polymerization reactor. The mixture of said components may be provided by various means known to those skilled in the art with static, dynamic or ultrasonic mixers. The mixture can be temperature-conditioned before entering the polymerization reactor. A second step of the process according to the invention concerns the polymerization of isoprene until reaching (1) a high degree of conversion of at least 60%, in limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor with (2 ) a standard deviation of the residence time distribution function in the polymerization reactor greater than the average residence time divided by 2-V3. According to the process of the invention, the degree of conversion of isoprene to polyisoprene is at least 60%, in limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor. The volume of the polymerization reactor is understood to mean the volume existing in the reactor between the point of entry of the reactants and the outlet of the reactor, excluding the discharge device. This 60% conversion rate, associated with the specific characteristic relating to the residence time distribution function of the invention, is essential to overcome the formation of foam and eliminate the phenomenon of expansion of the reaction medium. Indeed, below 60% and without satisfying the condition relating to the residence time distribution function of the invention, the formation of bubbles is observed which rapidly leads to an uncontrollable expansion of the reaction medium. To achieve this necessary conversion rate of at least 60%, the skilled person has many levers or technical means that can vary in multiple combinations. Among these various technical levers include the reaction temperature, the concentration of monomer in the reaction medium, the concentration of polymerization catalyst in the reaction medium, the average residence time .... The means to implement to achieve at least 60% conversion to the limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor are within the reach of those skilled in the art. The simple instruction to reach a minimum conversion limit, in this case at least 60% in limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor, constitutes for him an identification of the combinations of means to be implemented to carry out this instruction. . The conversion rate can be determined in various ways known to those skilled in the art. For example, the conversion rate can be determined from a measurement made on a sample taken at the limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor, for example by gas chromatography (GC). The residual isoprene concentration (not converted in the sample) is measured. By difference between the concentration of isoprene introduced into the polymerization reactor (G) and the residual isoprene concentration measured in the sample taken (Cr), the mass conversion rate is determined as being: X% mass = 100 * [(C, - Cr) 1 with: X% mass: mass conversion rate; C, isoprene concentration introduced into the polymerization reactor; Cr: residual isoprene concentration measured in the sample taken; Preferably, this conversion rate is at least 80% and more preferably still 85% to 100%, for increasing productivity.
Le procédé de l'invention est également caractérisé par les conditions d'écoulement dans le réacteur pendant la réaction de polymérisation. La caractérisation de ces écoulements par une fonction de distribution de temps de séjour est telle que l'écart type de la fonction de Ci distribution de temps de séjour est supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3. Plus particulièrement, l'écart type de la fonction de distribution de temps de séjour est supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2. La fonction de distribution de temps de séjour dans le réacteur de polymérisation peut être déterminée de manière connue en soi par un homme du métier. Par exemple, elle peut être déterminée par la modélisation des points expérimentaux obtenus en mesurant par Chromatographie Phase Gaz les évolutions de concentration d'un traceur en sortie du réacteur, suite à une injection très rapide, de ce traceur, selon un mode d'introduction par impulsion d'un produit chimiquement inerte selon le principe décrit dans le livre Jacques Villermaux, Génie de la réaction chimique : conception et fonctionnement des réacteurs. Editors. 1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170 à 172. La combinaison de ces deux caractéristiques de taux de conversion et d'écoulement constitue un des éléments essentiels de l'invention. On dispose ainsi selon l'invention, d'un procédé de synthèse, en milieu très concentré et en continu, de polyisoprène présentant une productivité accrue, et une flexibilité remarquable du fait de l'absence d'expansion. La thermique de la réaction de polymérisation est principalement régulée par la vaporisation au moins partielle des constituants de la phase non polymérique du milieu réactionnel. La régulation de la thermique de la réaction de polymérisation par la vaporisation d'une partie des constituants de la phase non polymérique du milieu réactionnel implique un espace libre (permanent ou temporaire) au-dessus dudit milieu susceptible d'accueillir la phase gaz comme cela a été défini précédemment. Pour contrôler la température du réacteur et donc maîtriser l'évacuation de la chaleur dégagée par la réaction de polymérisation, plusieurs configurations sont envisageables. Ainsi selon une variante, un condenseur interne peut être installé dans la phase gaz du 25 réacteur. Selon une autre variante, une boucle de condensation externe est utilisée. Selon cette variante, une partie de la phase gaz générée par la vaporisation du milieu réactionnel pendant la polymérisation, est entraînée par une sortie du réacteur vers un condenseur. Le condensat peut ensuite avantageusement être réinjecté en tout ou partie dans le réacteur en 30 se substituant pour partie au solvant et/ou à l'isoprène dans le mélange d'isoprène et de solvant, ou être stocké pour une utilisation ultérieure. Dans ce dernier cas de figure, il convient alors de réajuster les débits entrant ou sortant du réacteur de polymérisation de manière à maintenir constant le volume réactionnel ou le temps de séjour dans le réacteur.The process of the invention is also characterized by the flow conditions in the reactor during the polymerization reaction. The characterization of these flows by a residence time distribution function is such that the standard deviation of the residence time distribution function Ci is greater than the average residence time divided by 2-V3. More particularly, the standard deviation of the residence time distribution function is greater than the average residence time divided by 2. The residence time distribution function in the polymerization reactor can be determined in a manner known per se by a skilled person. For example, it can be determined by modeling the experimental points obtained by measuring, by Gas Chromatography, the evolutions of the concentration of a tracer at the outlet of the reactor, following a very rapid injection, of this tracer, according to a mode of introduction. by impulse of a chemically inert product according to the principle described in the book Jacques Villermaux, Engineering of the chemical reaction: design and operation of the reactors. Editors. 1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170-172. The combination of these two characteristics of conversion rate and flow is one of the essential elements of the invention. Thus, according to the invention, a synthetic process is used in a very concentrated and continuous medium, polyisoprene having increased productivity, and remarkable flexibility due to the lack of expansion. The thermal of the polymerization reaction is mainly regulated by the at least partial vaporization of the constituents of the non-polymeric phase of the reaction medium. The regulation of the thermal of the polymerization reaction by the vaporization of a part of the constituents of the non-polymeric phase of the reaction medium implies a free space (permanent or temporary) above said medium capable of accommodating the gas phase as has been defined previously. To control the temperature of the reactor and thus control the evacuation of the heat generated by the polymerization reaction, several configurations are possible. Thus, according to one variant, an internal condenser may be installed in the gas phase of the reactor. According to another variant, an external condensation loop is used. According to this variant, part of the gas phase generated by the vaporization of the reaction medium during the polymerization, is driven by an outlet of the reactor to a condenser. The condensate may then advantageously be re-injected in whole or in part into the reactor, partially replacing the solvent and / or isoprene in the isoprene / solvent mixture, or stored for later use. In the latter case, it is then necessary to readjust the flow into or out of the polymerization reactor so as to maintain constant reaction volume or residence time in the reactor.
Un dispositif peut-être installé pour enlever les incondensables soit du réacteur, soit de la boucle de condensation en fonction des variantes utilisées pour contrôler la thermique de la réaction. Selon une autre variante encore, la thermique de la réaction de polymérisation peut également être partiellement contrôlée par le refroidissement apporté par les composants initiaux injectés dans le réacteur de polymérisation quand la température des dits composants est à plus basse température que le milieu réactionnel. Les composants initiaux injectés dans le réacteur de polymérisation peuvent ainsi être régulés à la température souhaitée entre -5°C et la température ambiante.A device may be installed to remove the non-condensables either from the reactor or from the condensation loop depending on the variants used to control the thermal of the reaction. According to another variant, the thermal of the polymerization reaction can also be partially controlled by the cooling provided by the initial components injected into the polymerization reactor when the temperature of said components is at a lower temperature than the reaction medium. The initial components injected into the polymerization reactor can thus be regulated at the desired temperature between -5 ° C. and room temperature.
Selon d'autres variantes, la thermique de la réaction de polymérisation peut aussi être partiellement contrôlée par le refroidissement via les double-enveloppes ou les arbres d'agitation des réacteurs. Ces différentes variantes sont combinables entre elles, tout en sachant que le procédé se déroulant en continu, les variantes combinées se déroulent simultanément. On préfèrera au moins la variante de la boucle de condensation externe car la surface d'échange n'est pas limitée par la place disponible à l'intérieur du réacteur. La polymérisation est réalisée dans le réacteur dans des conditions d'équilibre thermodynamique entre le milieu de polymérisation et la phase gaz. Ainsi, selon une mise en oeuvre particulière du procédé de l'invention, une régulation de la pression de la phase gaz dans le réacteur, plus réactive qu'une régulation de température peut avantageusement être mise en place et permettre de maintenir le milieu réactionnel à une pression et donc, du fait de l'équilibre thermodynamique, à une température choisie. Selon une mise en oeuvre du procédé de l'invention, la réaction de polymérisation peut également être conduite sous vide, auquel cas une connexion à un circuit de vide peut être prévue de préférence sur la boucle de condensation externe. Les très faibles valeurs de pression absolue permettent une polymérisation à très basse température, conditions opératoires favorables notamment à la synthèse de polyisoprène à fort taux de cis. De manière classique, la polymérisation se déroule à une température comprise dans un domaine allant de -30°C à 100°C. La flexibilité du procédé permet avantageusement de travailler des températures entre 20°C et 60°C, qui ne nécessitent pas de gros apports énergétiques, sans pour autant pénaliser la productivité du procédé.According to other variants, the thermal of the polymerization reaction can also be partially controlled by the cooling via the double-envelopes or the stirring shafts of the reactors. These different variants are combinable with each other, while knowing that the process is continuous, the combined variants take place simultaneously. At least the variant of the external condensation loop will be preferred because the exchange surface is not limited by the space available inside the reactor. The polymerization is carried out in the reactor under conditions of thermodynamic equilibrium between the polymerization medium and the gas phase. Thus, according to a particular implementation of the process of the invention, a regulation of the pressure of the gas phase in the reactor, which is more reactive than a temperature regulation, can advantageously be put in place and make it possible to maintain the reaction medium at a pressure and therefore, due to the thermodynamic equilibrium, at a chosen temperature. According to an implementation of the method of the invention, the polymerization reaction can also be carried out under vacuum, in which case a connection to a vacuum circuit can preferably be provided on the external condensation loop. The very low values of absolute pressure allow polymerization at very low temperature, favorable operating conditions especially to the synthesis of high cis polyisoprene. Typically, the polymerization proceeds at a temperature in the range of -30 ° C to 100 ° C. The flexibility of the process advantageously makes it possible to work temperatures between 20 ° C and 60 ° C, which do not require large energetic contributions, without penalizing the productivity of the process.
Pendant l'étape de polymérisation de l'isoprène, le milieu réactionnel, qui peut atteindre une viscosité élevée, est maintenu sous agitation par le mouvement autour d'un axe rotatif, de préférence horizontal, du ou des mobiles d'agitation du réacteur de polymérisation. Une autre étape de l'invention consiste à décharger en continu une partie du milieu réactionnel sous forme d'une pâte d'élastomère comprenant le polyisoprène pseudo-vivant synthétisé. Cette décharge en continu s'effectue par un dispositif de décharge totalement ou partiellement intégré réacteur de polymérisation, tel qu'un dispositif de soutirage à engrenages ou à vis, disposé en fond ou sur le côté du réacteur. Pour maîtriser le débit de sortie du réacteur, les dispositifs complémentaires peuvent-être installés en sortie du réacteur. Ainsi, selon une variante particulière de l'invention, la pâte d'élastomère est déchargée par l'action combinée d'au moins une vis de vidange et d'une pompe à engrenages, qui constituent tous deux le système de décharge, par gavage des engrenages avec la pâte d'élastomère déchargée par le dispositif à vis. On peut ainsi avantageusement maintenir un débit sortant du réacteur équivalent à un débit entrant dans le réacteur afin d'assurer le fonctionnement en continu à temps de séjour constant. Lorsque le dispositif de décharge comprend une vis, elle peut être simple ou double. Selon une autre étape du procédé de l'invention la solution d'élastomère pseudo-vivant déchargée à l'étape d), est acheminé en continu (étape e)) vers un malaxeur disposant d'une phase gaz, d'au moins un mobile d'agitation et d'un dispositif de décharge, pour y être fonctionnalisé (étape g)) par un agent de fonctionnalisation introduit en continu dans ledit malaxeur (étape f)). Ce malaxeur est avantageusement autonettoyant. On entend par "autonettoyant" selon l'invention, le fait que son système d'agitation balaie au moins 90% du volume du malaxeur, préférentiellement 95% du volume. Parmi les malaxeurs envisageables, on peut citer les réacteurs de technologie malaxeur continu muni d'un dispositif de décharge à au moins une vis et notamment les malaxeurs continus agités avec bi-vis de décharge. De tels malaxeurs sont commercialisés par exemple par la Société LIST AG sous la dénomination malaxeurs-réacteurs à double bras ou en anglais « Twin Shaft Kneader Reactor » ou encore par la société Buss-SMS-Canzler sous la dénomination de malaxeurs réacteurs à double bras ou en anglais « large volume processors, twin shaft horizontal» Selon l'invention, à l'étape (f), on introduit en continu dans le malaxeur un agent de fonctionnalisation susceptible de réagir avec un élastomère pseudo-vivant obtenu à l'issue de la polymérisation par catalyse de coordination.During the polymerization stage of isoprene, the reaction medium, which can reach a high viscosity, is kept under stirring by the movement around a rotary axis, preferably a horizontal axis, of the agitator agitator (s) of the reactor. polymerization. Another step of the invention consists in continuously discharging a part of the reaction medium in the form of an elastomer paste comprising the synthesized pseudo-living polyisoprene. This continuous discharge is effected by a discharge device totally or partially integrated polymerization reactor, such as a gear or screw extraction device, disposed at the bottom or on the side of the reactor. To control the output flow of the reactor, the additional devices can be installed at the outlet of the reactor. Thus, according to a particular variant of the invention, the elastomer paste is discharged by the combined action of at least one drain screw and a gear pump, which are both the discharge system, by gavage gears with the elastomer paste discharged by the screw device. It is thus advantageously possible to maintain a flow rate leaving the reactor that is equivalent to a flow rate entering the reactor in order to ensure continuous operation with a constant residence time. When the discharge device comprises a screw, it can be single or double. According to another step of the process of the invention the solution of pseudo-living elastomer discharged in step d), is conveyed continuously (step e) to a mixer having a gas phase, at least one movable stirrer and a discharge device, to be functionalized (step g)) by a functionalization agent continuously introduced into said mixer (step f)). This mixer is advantageously self-cleaning. The term "self-cleaning" according to the invention, the fact that its stirring system sweeps at least 90% of the volume of the kneader, preferably 95% of the volume. Among the kneaders that can be envisaged, mention may be made of reactors of continuous kneading technology equipped with a device for discharging at least one screw, and in particular continuous mixers agitated with twin-screw discharge. Such kneaders are marketed, for example, by the company LIST AG under the name dual-arm kneader or "Twin Shaft Kneader Reactor" or by the company Buss-SMS-Canzler under the name of double-arm reactors or in english "large volume processors, twin horizontal shaft" According to the invention, in step (f), is continuously introduced into the kneader a functionalizing agent capable of reacting with a pseudo-living elastomer obtained at the end of polymerization by coordination catalysis.
L'agent de fonctionnalisation répond à la formule A-R1-B avec A désignant un groupement susceptible de réagir sur l'extrémité réactive de l'élastomère pseudo-vivant, R1 désignant un atome ou un groupe d'atomes formant une liaison entre A et B et B désignant une fonction susceptible de réagir avec une charge renforçante; Le groupement R1 est de préférence radical divalent hydrocarboné, linéaire, ramifié ou cyclique, et peut contenir un ou plusieurs radicaux aromatiques, et/ou un ou plusieurs hétéroatomes. Ledit radical R1 peut éventuellement être substitué, pour autant que les substituants soient inertes vis-à-vis des extrémités réactives de l'élastomère pseudo-vivant. Selon des variantes préférées, le groupement R1 désigne un radical hydrocarboné divalent aliphatique en C1-C18, saturé ou non, cyclique ou non, pouvant contenir un ou plusieurs radicaux aromatiques Selon des variantes de l'invention, par groupement susceptible de réagir sur l'extrémité réactive de l'élastomère pseudo-vivant, on entend un groupement choisi parmi notamment les époxydes, les glycidyloxy, les carbonyles, les aldéhydes, les cétones, les esters, les carbonates, les anhydrides, les isocyanates, les imines, les alcoxysilanes, les nitriles, les aziridines, les chlorures d'acyle, les azines, les halosilanes cycliques, les oximes, les urées, les méthacrylates, les hydrazones, les lactones, les thiolactones, les ester d'acide thiocarboxylique, les nitroso, les carbamates. Selon des variantes de l'invention, par fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, on entend un groupe fonctionnel comprenant une ou plusieurs fonctions choisies parmi une amine primaire protégée ou non, secondaire protégée ou non ou tertiaire, une imine, une imide, une amide, un nitrile, un azo, un carbamate, un méthacrylate, un méthacrylamide, un hydroxyle, un carbonyle, un carboxyle, un époxy, un glycidyloxy, un thiol, un sulfure, un disulfure, un thiocarbonyle, un thioester, un sulfonyle, un silane, un silanol, un alcoxysilane, un di-alcoxysilane, un tri-alcoxysilane, un stannyle, un halogénure d'étain, un alkyle d'halogénure d'étain, un aryle d'halogénure d'étain, un polyether, un hétérocycle azoté, un hétérocycle oxygéné, un hétérocycle soufré et un groupement aromatique substitué par les groupes précédemment cités. Les différents aspects, préférentiels ou non, qui précèdent et qui concernent notamment la 30 nature du groupement A, du groupement R1 et de la fonction B, sont combinables entre eux. Ainsi, en fonction des difficultés de synthèse et des disponibilités commerciales, mais surtout en fonction du type de charge renforçante envisagée en association avec l'élastomère modifié, l'homme du métier saura quelles combinaisons, notamment les de combinaisons des groupements A et B cités plus haut, sont particulièrement avantageuses. On peut par exemple privilégier, selon certaines variantes, les groupements glycydiloxy, époxydes, aldéhydes, cétones, esters, alcoxysilane, isocyanates, aziridines, chlorures d'acyle à titre de groupement susceptible de réagir sur l'extrémité réactive de l'élastomère pseudo-vivant. On peut par exemple également privilégier, selon certaines variantes, la fonction, imine, la fonction amine primaire, protégée ou non, secondaire, protégée ou non, ou tertiaire, la fonction mono, di ou tri alcoxysilane, éventuellement substitué par un groupement comprenant une fonction amine, à titre de fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante On peut encore privilégier, selon certaines variantes, un radical alkyle en C1-C18, à titre de groupement formant une liaison entre A et B. A titre d'illustrations de ces variantes, on peut citer les agents de fonctionnalisation tel que le (3-glycidyloxypropyl) methyldiethoxysilane, le 3-glycidoxypropyltriméthoxysilane, le N-(3-Triéthoxysilylpropy1)-4,5-dihydroimidazole, le 2-(3,4- époxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, le 3-(méth)acryloyloxypropyltriméthoxysilane, le tris(3-triéthoxysilylpropyl) isocyanurate, l'isocyanatopropyltriéthoxysilane, le (dioctyltin bis(2-ethylhexyl)maleate, le 3 -aminopropyltri éthoxy silane, le 3- mercaptopropyltriéthoxysilane, le 3-diméthylaminopropyl(triéthoxy)silane, le dibutyl bisbenzyl maleate d'étain, la 4,4'-bis(diéthylamino)benzophénone, la N',Ndiméthylimidazolidinone, la dichloronapthoquinone, le diéthylaminobenzaldéhyde, le 4,4'- diphénylméthanediisocyanate, le polyméthylènepolyphénylpolyisocyanate, le 1,3- hexaméthylènediisocyanate, le 2,6-toluènediisocyanate, la 1-butylaziridine, le triméthylolpropane tris[3-(1-aziridinyl)propionate], la butyrylaziridine, 2-(4- morpholinodithio)benzothiazole, la N-oxydiethylene-2-benzothiazole sulfemamide, le diethyldithiocarbamic acid 2-benzothiazoyl ester, le N-(cyclohexylthio)phathalimide, le diméthylcarbamic chloride, le 4-morpholinecarbonylchloride. Parmi ces agents de fonctionnalisation, le (3-glycidyloxypropyl) methyldiethoxysilane est particulièrement avantageux. L'étape de fonctionnalisation se déroule par réaction d'au moins un agent de fonctionnalisation décrit plus haut avec la solution d'élastomère pseudo-vivant à une température dans un domaine allant de -30°C à 100°C. Selon certaines variantes avantageuses, la fonctionnalisation peut être mise en oeuvre à des températures entre 40°C et 70°C. Le temps de réaction est quant à lui d'au moins 10 min.The functionalization agent corresponds to the formula A-R1-B with A denoting a group capable of reacting on the reactive end of the pseudo-living elastomer, R1 denoting an atom or a group of atoms forming a bond between A and B and B denoting a function capable of reacting with a reinforcing filler; The R 1 group is preferably a linear, branched or cyclic divalent hydrocarbon radical, and may contain one or more aromatic radicals, and / or one or more heteroatoms. Said radical R1 may optionally be substituted, provided that the substituents are inert with respect to the reactive ends of the pseudo-living elastomer. According to preferred variants, the group R1 denotes a divalent aliphatic hydrocarbon radical C1-C18, saturated or unsaturated, cyclic or otherwise, which may contain one or more aromatic radicals According to variants of the invention, by group capable of reacting on the reactive end of the pseudo-living elastomer is understood to mean a group chosen from, in particular, epoxides, glycidyloxy, carbonyls, aldehydes, ketones, esters, carbonates, anhydrides, isocyanates, imines, alkoxysilanes, nitriles, aziridines, acyl chlorides, azines, cyclic halosilanes, oximes, ureas, methacrylates, hydrazones, lactones, thiolactones, thiocarboxylic acid esters, nitroso, carbamates. According to variants of the invention, by function capable of interacting with a reinforcing filler, is meant a functional group comprising one or more functions selected from a protected or non-protected primary amine, protected secondary or non-tertiary, an imine, an imide , amide, nitrile, azo, carbamate, methacrylate, methacrylamide, hydroxyl, carbonyl, carboxyl, epoxy, glycidyloxy, thiol, sulfide, disulfide, thiocarbonyl, thioester, sulfonyl, a silane, a silanol, an alkoxysilane, a di-alkoxysilane, a tri-alkoxysilane, a stannyl, a tin halide, a tin halide alkyl, a tin halide aryl, a polyether , a nitrogenous heterocycle, an oxygenated heterocycle, a sulfur heterocycle and an aromatic group substituted with the aforementioned groups. The various aspects, preferential or not, which precede and which concern in particular the nature of the group A, the group R1 and the function B, are combinable with one another. Thus, depending on the difficulties of synthesis and commercial availability, but especially as a function of the type of reinforcing filler envisaged in association with the modified elastomer, the skilled person will know which combinations, especially combinations of groups A and B cited above, are particularly advantageous. For example, it is possible, according to certain variants, to favor the groups glycydiloxy, epoxides, aldehydes, ketones, esters, alkoxysilanes, isocyanates, aziridines, acyl chlorides as a group capable of reacting on the reactive end of the pseudo-elastomer. living. For example, it is also possible to favor, according to certain variants, the function, imine, the primary amine functional group, protected or otherwise, secondary, protected or not, or tertiary, the mono, di or trialkoxysilane function, optionally substituted by a group comprising a amine function, as a function likely to interact with a reinforcing filler It is still possible to favor, according to certain variants, a C 1 -C 18 alkyl radical as a group forming a bond between A and B. As illustrations of these variants include functionalization agents such as (3-glycidyloxypropyl) methyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, N- (3-triethoxysilylpropyl) -4,5-dihydroimidazole, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3- (meth) acryloyloxypropyltrimethoxysilane, tris (3-triethoxysilylpropyl) isocyanurate, isocyanatopropyltriethoxysilane, (dioctyltin bis (2-ethylhexyl) maleate, 3-aminopropyltri thoxy silane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 3-dimethylaminopropyl (triethoxy) silane, dibutyl bisbenzyl maleate tin, 4,4'-bis (diethylamino) benzophenone, N ', Ndimethylimidazolidinone, dichloronapthoquinone, diethylaminobenzaldehyde, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, polymethylenepolyphenylpolyisocyanate, 1,3-hexamethylene diisocyanate, 2,6-toluenediisocyanate, 1-butylaziridine, trimethylolpropane tris [3- (1-aziridinyl) propionate], butyrylaziridine, 2- (4 morpholinodithio) benzothiazole, N-oxydiethylene-2-benzothiazole sulfamamide, diethyldithiocarbamic acid 2-benzothiazoyl ester, N- (cyclohexylthio) phathalimide, dimethylcarbamic chloride, 4-morpholinecarbonylchloride. Among these functionalizing agents, (3-glycidyloxypropyl) methyldiethoxysilane is particularly advantageous. The functionalization step is carried out by reaction of at least one functionalization agent described above with the pseudo-living elastomer solution at a temperature in the range of -30 ° C to 100 ° C. According to certain advantageous variants, the functionalization may be carried out at temperatures between 40 ° C. and 70 ° C. The reaction time is at least 10 minutes.
La quantité d'agent de fonctionnalisation peut varier dans un large domaine. Selon des variantes de l'invention, le rapport molaire (agent de fonctionnalisation/aluminium total) est d'au moins 1/1 et d'au plus 10/1, préférentiellement d'au plus 5/1, voire d'au plus 2/1. On appelle aluminium total, la quantité totale d'aluminium présent dans le milieu réactionnel en tenant compte de l'aluminium compris dans l'agent alkylant et, le cas échéant, de l'aluminium compris dans le composé alkylaluminium supplémentaire ajouté en décalé par rapport au système catalytique. Selon une mise en oeuvre de l'invention, le malaxeur peut concomitamment à la fonctionnalisation, être utilisé pour concentrer le milieu réactionnel en retirant le cas échéant une partie du solvant, et/ou de l'isoprène n'ayant pas réagi. Une boucle de condensation est alors utilisée. Cette boucle fonctionne de la même manière que celle du réacteur de polymérisation décrite plus haut. Le flux de condensat peut avantageusement être réintroduit en tout ou partie en amont du premier réacteur, en se substituant pour partie au solvant et/ou à l'isoprène dans le mélange d'isoprène et de solvant ou être stocké pour une utilisation ultérieure. Selon une autre mise en oeuvre, le malaxeur peut également, concomitamment à la fonctionnalisation, être utilisé pour dévolatiliser le milieu réactionnel en retirant le cas échéant le solvant, et/ou l'isoprène n'ayant pas réagi. Une boucle de condensation est alors utilisée. Cette boucle fonctionne de la même manière que celle du réacteur de polymérisation décrite plus haut. Le flux de condensat peut avantageusement être réintroduit en tout ou partie en amont du réacteur de polymérisation, en se substituant pour partie au solvant et/ou à l'isoprène dans le mélange d'au moins un monomère et de solvant ou être stocké pour une utilisation ultérieure. Selon une mise en oeuvre avantageuse de l'invention, le malaxeur est dédié à la fonctionnalisation, sans qu'il ne soit mis en oeuvre de réaction de concentration ou de dévolatilisation concomitante. Il est entendu que, dans la mesure où il s'agit d'un procédé en continu, ces différentes étapes, lorsqu'elles sont combinées, sont mises en oeuvre simultanément. La pâte de polyisoprène issue de cette étape de fonctionnalisation (étape (g)) est déchargée en continu de ce malaxeur (étape h). Cette décharge en continu s'effectue par un dispositif dont est muni le malaxeur. Des dispositifs complémentaires pour le transport des produits peuvent-être installés en sortie du dispositif de décharge du réacteur pour maîtriser le débit de sortie. Ainsi, selon une variante particulière de l'invention, cette dernière est déchargée par l'action combinée d'au moins une vis de vidange et d'une pompe à engrenages qui constituent tous deux le système de décharge, par gavage des engrenages avec la pâte de polyisprène fonctionnalisé déchargée par le dispositif à vis.The amount of functionalizing agent can vary over a wide range. According to variants of the invention, the molar ratio (functionalizing agent / total aluminum) is at least 1/1 and at most 10/1, preferably at most 5/1, or even at most 2/1. Total aluminum is the total amount of aluminum present in the reaction medium, taking into account the aluminum included in the alkylating agent and, if appropriate, the aluminum included in the additional alkylaluminium compound added in offset relative to to the catalytic system. According to one embodiment of the invention, the kneader may concomitantly with the functionalization, be used to concentrate the reaction medium by removing, if appropriate, a part of the solvent, and / or unreacted isoprene. A condensation loop is then used. This loop works in the same way as that of the polymerization reactor described above. The condensate stream may advantageously be reintroduced wholly or partly upstream of the first reactor, partly replacing the solvent and / or isoprene in the mixture of isoprene and solvent or stored for later use. According to another embodiment, the kneader may also, concomitantly with the functionalization, be used to devolatilize the reaction medium by optionally removing the solvent, and / or the unreacted isoprene. A condensation loop is then used. This loop works in the same way as that of the polymerization reactor described above. The condensate stream may advantageously be reintroduced wholly or partly upstream of the polymerization reactor, partly replacing the solvent and / or isoprene in the mixture of at least one monomer and solvent or stored for a second time. subsequent use. According to an advantageous embodiment of the invention, the kneader is dedicated to functionalization, without it being implemented concomitant concentration or devolatilization reaction. It is understood that, insofar as it is a continuous process, these different stages, when they are combined, are implemented simultaneously. The polyisoprene paste resulting from this functionalization step (step (g)) is continuously discharged from this kneader (step h). This continuous discharge is effected by a device which is provided with the mixer. Additional devices for transporting the products may be installed at the outlet of the reactor discharge device to control the output flow. Thus, according to a particular variant of the invention, the latter is discharged by the combined action of at least one drain screw and a gear pump which both constitute the discharge system, by feeding the gears with the functionalized polyisprene paste discharged by the screw device.
A ce stade et selon une variante de l'invention, le procédé de synthèse d'un polyisoprène fonctionnalisé peut être poursuivi de manière connue en soi. Ainsi, selon une mise en oeuvre, il est possible d'injecter un stoppeur et un anti-oxydant à cette étape. La pâte de polyisoprène fonctionnalisé peut ensuite être acheminée vers un dispositif destiné à la couper. Ce type de dispositif est préférentiellement un granulateur qui permet de transformer la pâte en particules de formes variables et de volumes moyens compris entre 0,07 cm3 et 12 cm3. L'étape de granulation peut être mise en oeuvre dans différentes conditions connues de l'homme de l'art et qui conviennent au procédé selon l'invention. Ainsi, par exemple, la granulation peut s'effectuer sous eau permettant d'alimenter une étape d'élimination du solvant des particules de la pâte de polyisoprène par stripping à la vapeur d'eau, ou encore dans une phase gazeuse permettant d'alimenter une étape d'élimination du solvant des particules de la pâte de polyisoprène fonctionnalisé par séchage différent du stripping à l'eau. Selon un aspect préférentiel, la granulation s'effectuera sous eau. . A titre d'exemple, ce type de granulateur sous eau est commercialisé sous diverses dénominations telles que le granulateur sous eau, ou en anglais « Underwater Pelletizers », commercialisé par la société Gala Industries, le granulateur sous eau, ou en anglais « Underwater Pelletizing », par la société Kreyenborg Industries. Le procédé se poursuit ensuite de manière connue en soi par la séparation et récupération du polyisoprène fonctionnalisé préparé. L'isoprène n'ayant pas réagi et/ou le solvant contenu dans la pâte d'élastomère, sous forme de particules, peuvent être éliminés, selon des méthodes connues de l'homme de l'art. Le polyisoprène fonctionnalisé récupéré à l'issue de ces différentes étapes peut ensuite être conditionné de manière connue en soi, sous forme de balles par exemple.At this stage and according to a variant of the invention, the method for synthesizing a functionalized polyisoprene can be continued in a manner known per se. Thus, according to one embodiment, it is possible to inject a stopper and an antioxidant at this stage. The functionalized polyisoprene paste can then be routed to a device for cutting it. This type of device is preferably a granulator which makes it possible to transform the dough into particles of variable shapes and average volumes of between 0.07 cm3 and 12 cm3. The granulation step can be carried out under various conditions known to those skilled in the art and which are suitable for the process according to the invention. Thus, for example, the granulation can be carried out under water to feed a solvent removal step of the particles of the polyisoprene paste by stripping with water vapor, or in a gas phase to feed a step of removing the solvent from the functionalized polyisoprene pulp particles by drying different from the stripping with water. In a preferred aspect, the granulation will be carried out under water. . For example, this type of underwater granulator is marketed under various names such as underwater pelletizer, or in English "Underwater Pelletizers", marketed by Gala Industries, the underwater granulator, or in English "Underwater Pelletizing By Kreyenborg Industries. The process is then continued in a manner known per se by the separation and recovery of the prepared functionalized polyisoprene. The unreacted isoprene and / or the solvent contained in the elastomer paste, in particulate form, can be removed by methods known to those skilled in the art. The functionalized polyisoprene recovered at the end of these different steps can then be packaged in a manner known per se, in the form of bales, for example.
Le procédé de l'invention permet de synthétiser en continu par catalyse de coordination un un polyisoprène caractérisé par un taux molaire de cis d'au moins 95% par rapport à l'élastomère, et par un pourcentage moyen de chaînes fonctionnalisées d'au moins 70%, pouvant atteindre 100%. Cette synthèse offre également les avantages énergétiques et environnementaux liés à la polymérisation en milieu très concentré tout en assurant une productivité accrue avec un taux de conversion de plus de 60%. L'invention a également pour objet toute installation destinée à la mise en oeuvre du procédé de synthèse en continu d'un polyisoprène fonctionnalisé et appropriée pour une application à l'échelle industrielle. À titre illustratif et non limitatif, une installation pour la synthèse en continu d'un élastomère diénique fonctionnalisé conformément un mode de réalisation du procédé de synthèse de l'invention est plus particulièrement décrite par référence à la figure 1 constituant une représentation schématique d'une installation. La Figure 1 est un schéma d'une installation selon un mode de réalisation de l'invention pour la synthèse en continu d'un polyisoprène par catalyse de coordination en solvant léger intégrant un réacteur de polymérisation, un malaxeur auto-nettoyant et un granulateur.The method of the invention makes it possible to synthesize by continuous coordination catalysis a polyisoprene characterized by a molar ratio of cis of at least 95% relative to the elastomer, and by an average percentage of functionalized chains of at least 70%, up to 100%. This synthesis also offers the energy and environmental benefits of polymerization in highly concentrated media while ensuring increased productivity with a conversion rate of over 60%. The subject of the invention is also any installation intended for implementing the process of continuous synthesis of a functionalized polyisoprene and suitable for application on an industrial scale. By way of nonlimiting illustration, an installation for the continuous synthesis of a functionalized diene elastomer according to one embodiment of the synthesis method of the invention is more particularly described with reference to FIG. 1 constituting a schematic representation of a installation. Figure 1 is a diagram of an installation according to one embodiment of the invention for the continuous synthesis of a polyisoprene by light solvent coordination catalysis integrating a polymerization reactor, a self-cleaning mixer and a granulator.
L'installation illustrée à la figure 1 comporte essentiellement un réacteur de polymérisation 1 qui est doté d'une phase gaz et équipé d'au moins un mobile d'agitation, de préférence à double bras en Z, et d'un dispositif de décharge à au moins une vis. En outre, le réacteur 1 est caractérisé par un écoulement spécifique de sorte que la fonction de distribution de temps de séjour est telle que l'écart type de cette fonction est supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3, de préférence supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2. Le réacteur de polymérisation 1 est au moins relié - à plusieurs sources d'alimentation en continu dont au moins une source d'alimentation 2 en système catalytique, une source d'alimentation 3 en isoprène au moins, le cas échéant mélangé au solvant hydrocarboné inerte, et - à une sortie adaptée pour évacuer dudit réacteur 1, en continu, la pâte de polyisoprène pseudo-vivant en un flux sortant par un dispositif de décharge.The installation illustrated in FIG. 1 essentially comprises a polymerization reactor 1 which is provided with a gas phase and equipped with at least one stirring mobile, preferably with a double Z-arm, and with a discharge device at least one screw. In addition, the reactor 1 is characterized by a specific flow so that the residence time distribution function is such that the standard deviation of this function is greater than the average residence time divided by 2-V3, preferably greater than average residence time divided by 2. The polymerization reactor 1 is at least connected to a plurality of continuous supply sources including at least one feed source 2 in a catalytic system, a supply source 3 in isoprene at least, if appropriate mixed with the inert hydrocarbon solvent, and - at an outlet adapted to evacuate from said reactor 1, continuously, the pseudo-living polyisoprene paste into a flow leaving by a discharge device.
Selon la variante de l'installation illustrée par la figure 1, le réacteur de polymérisation 1 est relié à une source d'alimentation 3 en un mélange d'isoprène et de solvant. Un mélangeur 4, situé en amont du réacteur de polymérisation 1, permet de réaliser ce mélange. Ce mélangeur 4 est alimenté par une source en isoprène 5 et par une source en solvant 6, et est relié au réacteur de polymérisation 1. Selon des variantes d'exécution du procédé de polymérisation catalytique conforme à l'invention, on peut introduire dans le réacteur de polymérisation, par un flux distinct et indépendant de l'introduction du système catalytique utilisé pour la réaction de polymérisation, une quantité supplémentaire prédéterminée d'au moins un composé alkylaluminium. Selon une variante d'installation illustrée par des pointillés sur la figure 1, le réacteur de polymérisation 1 est également relié à une source d'alimentation en agent alkylant supplémentaire 7. L'agent alkylant peut, de manière alternative, être ajouté au mélange d'isoprène et de solvant, avant l'entrée dans le réacteur 1, la source d'alimentation en agent alkylant supplémentaire 7 étant ainsi reliée à la source d'alimentation en isoprène et solvant 3, comme cela est indiqué en pointillé sur la figure 1. Ou encore selon une autre alternative également illustrée sur la figure 1 par des pointillés, l'agent alkylant peut être injecté directement dans le mélangeur 4 pour y être mélangé à l'isoprène et au solvant, la source d'alimentation en agent alkylant supplémentaire 7 étant alors reliée au mélangeur 4. Selon une variante de l'installation illustrée à la figure 1, la source d'alimentation en système catalytique 2 peut être reliée à une installation non-illustrée pour la préparation en continu du système catalytique telle que décrite dans EP 1 968 734 Al Le réacteur de polymérisation 1 est muni d'un dispositif de décharge à au moins une vis qui permet de décharger en continu la pâte d'élastomère en un flux sortant 9. Ce dispositif de décharge est constitué d'au moins une vis de vidange, intégrée au réacteur 1, et d'une pompe à engrenages 10 en aval du réacteur 1. Selon certaines mises en oeuvre du procédé de polymérisation, la thermique de la réaction de polymérisation est régulée par la vaporisation au moins partielle des constituants non polymériques du milieu réactionnel. Sur la figure 1 illustrant une variante de ce procédé, le réacteur de polymérisation 1 est équipé d'une boucle de condensation qui permet - la condensation des gaz issus du réacteur 1 via un condenseur 8 et - le retour en tout ou partie du condensat dans le réacteur 1.According to the variant of the installation illustrated in FIG. 1, the polymerization reactor 1 is connected to a supply source 3 in a mixture of isoprene and solvent. A mixer 4, situated upstream of the polymerization reactor 1, makes it possible to carry out this mixing. This mixer 4 is fed by an isoprene source 5 and a source of solvent 6, and is connected to the polymerization reactor 1. According to alternative embodiments of the catalytic polymerization process according to the invention, it is possible to introduce into the polymerization reactor, by a separate flow and independent of the introduction of the catalyst system used for the polymerization reaction, a predetermined additional amount of at least one alkylaluminium compound. According to an alternative installation illustrated by dotted lines in FIG. 1, the polymerization reactor 1 is also connected to an additional alkylating agent supply source 7. The alkylating agent may, alternatively, be added to the mixture of isoprene and solvent, before entering the reactor 1, the additional alkylating agent supply source 7 thus being connected to the isoprene and solvent supply source 3, as indicated in dotted line in FIG. 1 Alternatively, according to another alternative also illustrated in FIG. 1 by dotted lines, the alkylating agent can be injected directly into the mixer 4 to be mixed with the isoprene and the solvent, the additional alkylating agent supply source. 7 being then connected to the mixer 4. According to a variant of the installation illustrated in FIG. 1, the supply source of the catalytic system 2 can be connected to an installation non-illustrated for the continuous preparation of the catalyst system as described in EP 1 968 734 A1 The polymerization reactor 1 is provided with a discharge device with at least one screw which allows to continuously discharge the elastomer paste This discharge device consists of at least one emptying screw, integrated in the reactor 1, and a gear pump 10 downstream of the reactor 1. According to certain implementations of the polymerization process, the thermal of the polymerization reaction is regulated by the at least partial vaporization of the non-polymeric constituents of the reaction medium. In FIG. 1 illustrating a variant of this process, the polymerization reactor 1 is equipped with a condensation loop which allows the condensation of the gases coming from the reactor 1 via a condenser 8 and the return in all or part of the condensate in the reactor 1.
Selon un mode de réalisation optionnel non-illustré, la boucle de condensation peut avantageusement être reliée à un dispositif permettant l'élimination des produits incondensables de manière connue en soi. L'installation comporte également un malaxeur 11 en aval du réacteur de polymérisation 1 et relié à ce dernier via la pompe à engrenages 10. Le malaxeur 11 dispose d'un dispositif d'agitation qui balaye au moins 90% du volume du malaxeur, préférentiellement 95% de son volume, assurant ainsi un auto-nettoyage. Le malaxeur 11 est au moins muni - d'une entrée reliée à une source d'alimentation en pâte de polyisoprène pseudo-vivant déchargée du réacteur de polymérisation 1 par la pompe à engrenage 10, - d'une entrée reliée à une source d'alimentation 12 en agent de fonctionnalisation - d'une sortie adaptée pour évacuer dudit malaxeur 11, en continu, la pâte de polyisoprène fonctionnalisé en un flux sortant 13 vers la pompe 16. Le malaxeur 11 est muni d'un dispositif de décharge à au moins une vis qui permet de décharger en continu la pâte de polyisoprène fonctionnalisé en un flux sortant 13. Ce dispositif de décharge est constitué d'au moins une vis de vidange, intégrée au malaxeur 11 et d'une pompe à engrenages 16 située en aval du malaxeur 11. Le flux sortant de pâte de polyisoprène fonctionnalisé 13 est acheminé vers le granulateur 17, de préférence sous eau, pour y être coupée via la pompe à engrenage 16 qui est reliée au granulateur. Selon la mise en oeuvre du procédé de polymérisation illustrée à la figure 1, le malaxeur 11 est exclusivement dédié à la fonctionnalisation. Selon des variantes d'installation d'autres mises en oeuvre du procédé, non illustrées à la figure 1, le malaxeur 11 peut être équipé d'une boucle de condensation qui permet la condensation des gaz issus du réacteur 11 via un condenseur et le retour en tout ou partie du condensat dans le réacteur de polymérisation 1. Selon un mode de réalisation de ces variantes non-illustrées, la boucle de condensation peut avantageusement être reliée à un dispositif permettant l'élimination des produits incondensables de manière connue en soi.According to an optional embodiment not illustrated, the condensation loop may advantageously be connected to a device for the elimination of incondensable products in a manner known per se. The plant also comprises a kneader 11 downstream of the polymerization reactor 1 and connected thereto via the gear pump 10. The kneader 11 has a stirring device which sweeps at least 90% of the volume of the kneader, preferably 95% of its volume, thus ensuring a self-cleaning. The kneader 11 is at least provided with an inlet connected to a supply source of pseudo-living polyisoprene paste discharged from the polymerization reactor 1 by the gear pump 10, an input connected to a source of supplying functionalization agent 12 - an outlet adapted to discharge said mixer 11, continuously, the functionalized polyisoprene pulp into a flow 13 to the pump 16. The mixer 11 is provided with a discharge device at least a screw which continuously discharges the functionalized polyisoprene paste into an outflow 13. This discharge device consists of at least one emptying screw, integrated into the mixer 11 and a gear pump 16 located downstream of the Mixer 11. The flow of functionalized polyisoprene paste 13 is conveyed to the granulator 17, preferably under water, to be cut through the gear pump 16 which is connected to the granulator. According to the implementation of the polymerization process illustrated in FIG. 1, the mixer 11 is exclusively dedicated to functionalization. According to alternative arrangements of other implementations of the process, not illustrated in FIG. 1, the mixer 11 may be equipped with a condensation loop which allows the condensation of the gases coming from the reactor 11 via a condenser and the return all or part of the condensate in the polymerization reactor 1. According to one embodiment of these non-illustrated variants, the condensation loop can advantageously be connected to a device for the elimination of incondensable products in a manner known per se.
Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, on injecte ensuite au flux de la pâte de polyisoprène fonctionnalisé 13 déchargée du malaxeur 11, un stoppeur et un antioxydant, par le biais respectivement de sources d'alimentation 14 et 15 en amont de la pompe à engrenage 16.According to the embodiment of the invention illustrated in FIG. 1, the flow of the functionalized polyisoprene paste 13 discharged from the kneader 11, a stopper and an antioxidant, is then injected respectively through feed sources 14 and 15. upstream of the gear pump 16.
L'installation illustrée à la figure 1 comprend en outre un dispositif de coupe 17, par exemple un granulateur de préférence sous eau. Le dispositif de coupe 17 est muni d'une entrée relié à la pompe à engrenage 16 par laquelle le dispositif de décharge alimente le dispositif 17 en pâte de polyisoprène à couper. Le dispositif 17 est également muni d'une sortie adaptée pour évacuer dudit dispositif 17, en continu, les particules de pâte de polyisoprène fonctionnalisé en un flux 18, vers notamment un dispositif destiné à l'élimination du solvant et de l'isoprène.10 A - METHODES DE MESURE I - Détermination de la microstructure des polyisoprènes obtenus.The installation illustrated in Figure 1 further comprises a cutting device 17, for example a granulator preferably under water. The cutting device 17 is provided with an inlet connected to the gear pump 16 through which the discharge device supplies the device 17 in polyisoprene paste to be cut. The device 17 is also provided with an outlet adapted to evacuate from said device 17, continuously, the polyisoprene paste particles functionalized in a stream 18, to include a device for the removal of solvent and isoprene. A - METHODS OF MEASUREMENT I - Determination of the microstructure of the polyisoprenes obtained.
On a utilisé la technique de dosage appelée « proche infrarouge » (NIR). Il s'agit d'une méthode indirecte faisant appel à des élastomères « témoin » dont la microstructure a été mesurée par la technique de RMN13C. On utilise la relation quantitative (loi de BeerLambert) existant entre la répartition des monomères dans un élastomère et la forme du spectre NIR de celui-ci. Cette technique est mise en oeuvre en deux étapes : 1) Etalonnage : - On procède à l'acquisition des spectres respectifs des élastomères « témoin ». - On établit un modèle mathématique associant une microstructure à un spectre donné, ceci à l'aide de la méthode de régression PLS (Partial Least Squares) reposant sur une analyse factorielle des données spectrales. Les deux documents suivants traitent d'une manière approfondie de la théorie et de la mise en oeuvre de cette méthode d'analyse de données « multi-variées » : (1) P. GELADI et B. R. KOWALSKI « Partial Least Squares regression : a tutorial », Analytica Chimica Acta, vol. 185, 1-17 (1986). (2) M. TENENHAUS «La régression PLS - Théorie et pratique » Paris, Editions Technip (1998). 2) Mesure : - On procède à un enregistrement du spectre de l'échantillon. - On réalise le calcul de la microstructure. II - Détermination de la quantité de GlVIDE greffé aux polvisoprènes obtenus. a) Principe : Cette détermination est réalisée par une analyse RMN sur des échantillons coagulés. Les spectres sont acquis sur un spectromètre Avance 500 MHz BRUKER équipé d'une sonde" large bande " BBIz-grad 5 mm.The so-called "near infrared" (NIR) assay technique was used. This is an indirect method using "control" elastomers whose microstructure has been measured by the 13C NMR technique. The quantitative relationship (BeerLambert's law) existing between the distribution of the monomers in an elastomer and the shape of the NIR spectrum thereof is used. This technique is implemented in two steps: 1) Calibration: - The respective spectra of the "control" elastomers are acquired. - A mathematical model associating a microstructure with a given spectrum is established using the Partial Least Squares (PLS) regression method based on a factorial analysis of the spectral data. The following two papers deal extensively with the theory and implementation of this "multi-varied" data analysis method: (1) P. GELADI and BR KOWALSKI "Partial Least Squares regression: a tutorial Analytica Chimica Acta, vol. 185, 1-17 (1986). (2) M. TENENHAUS "The regression PLS - Theory and practice" Paris, Editions Technip (1998). 2) Measurement: - A recording of the spectrum of the sample is carried out. - The calculation of the microstructure is carried out. II - Determination of the amount of GlVIDE grafted to the polvisoprenes obtained. a) Principle: This determination is carried out by NMR analysis on coagulated samples. The spectra are acquired on a BRUKER 500 MHz Avance spectrometer equipped with a BBIz-grad 5 mm wideband probe.
L'expérience RMN 1H quantitative, utilise une séquence simple impulsion 30° et un délai de répétition de 5 secondes entre chaque acquisition (1024 acquisitions). b) Préparation échantillon : Les échantillons, environ 25mg, sont solubilisés dans le sulfure de carbone (CS2), environ lmL. 100 !IL de cyclohexane deutéré (C6D12) sont ajoutés pour le signal de lock. c) Caractérisation : Le spectre RMN 1H permet de quantifier les motifs éthyléniques de l'IR par intégration des massifs de signaux caractéristiques des protons suivant : PI 1-4 : 1H éthylénique 8ppm 1H massif entre 5.40ppm et 4.75ppm PI3-4 : 2H éthyléniques 8ppm 1H massif entre 4.75ppm et 4.30ppm Les déplacements chimiques sont calibrés par rapport à l'impureté protonée du CS2 8ppm 1H à 7.18ppm référencé sur le TMS (ppm 1H à Oppm).The quantitative 1H NMR experiment uses a 30 ° single-pulse sequence and a 5-second repetition time between each acquisition (1024 acquisitions). b) Sample preparation: The samples, approximately 25 mg, are solubilized in carbon disulfide (CS2), approximately 1 ml. 100 μL of deuterated cyclohexane (C6D12) is added for the lock signal. c) Characterization: The 1 H NMR spectrum makes it possible to quantify the ethylenic units of the IR by integration of the signal masses characteristic of the following protons: P1 1-4: 1H ethylenic 8ppm 1H massive between 5.40ppm and 4.75ppm PI3-4: 2H ethylene 8ppm 1H solid between 4.75ppm and 4.30ppm The chemical shifts are calibrated with respect to the protonated impurity of CS2 8ppm 1H at 7.18ppm referenced on the TMS (ppm 1H at Oppm).
Le spectre RMN 1H permet de quantifier les motifs GMDE greffés par intégrations des massifs de signaux caractéristiques des protons suivant : CH2-0-Si- : 8ppm 1H massif à 3.6ppm -CH2-0- + -CH-0- : 8ppm 1H massif à 3.25ppm -CH2-0- : 8ppm 1H massif à 3.00ppm CE13-Si- : 8ppm 1H massif à -0.02ppm CH2-Si- : 8ppm 1H massif à 0.46ppm Les déplacements chimiques sont calibrés par rapport à l'impureté protonée du CS2 8ppm 1H à 7.18ppm référencé sur le TMS (ppm 1H à Oppm).The 1H NMR spectrum makes it possible to quantify the GMDE units grafted by integrations of the massifs of signals characteristic of the protons according to: CH2-0-Si-: 8ppm 1H massive at 3.6ppm -CH2-0- + -CH-O-: 8ppm 1H massive at 3.25ppm -CH2-0-: 8ppm 1H solid at 3.00ppm CE13-Si-: 8ppm 1H solid at -0.02ppm CH2-Si-: 8ppm 1H massive at 0.46ppm The chemical shifts are calibrated with respect to the protonated impurity from CS2 8ppm 1H to 7.18ppm referenced on the TMS (ppm 1H at Oppm).
Le spectre de corrélation RMN 2D 1H/13C 1J HSQC édité permet de vérifier la nature du motif greffé grâce aux déplacements chimiques des atomes de carbones et de protons.The 2D NMR correlation spectrum 1H / 13C 1J HSQC edited makes it possible to verify the nature of the grafted pattern by virtue of the chemical shifts of the carbon and proton atoms.
III - Détermination de la distribution des masses molaires des polyisoprènes obtenus par la technique de chromatographie d'exclusion stérique (SEC). a) Principe de la mesure: La chromatographie d'exclusion stérique ou SEC (size exclusion chromatography) permet de séparer les macromolécules en solution suivant leur taille à travers des colonnes remplies d'un gel poreux. Les macromolécules sont séparées suivant leur volume hydrodynamique, les plus volumineuses étant éluées en premier.III - Determination of the molecular weight distribution of polyisoprenes obtained by the steric exclusion chromatography (SEC) technique. a) Principle of the measurement Size exclusion chromatography (SEC) is used to separate the macromolecules in solution according to their size through columns filled with a porous gel. The macromolecules are separated according to their hydrodynamic volume, the larger ones being eluted first.
Sans être une méthode absolue, la SEC permet d'appréhender la distribution des masses molaires d'un polymère. A partir de produits étalons commerciaux, les différentes masses molaires moyennes en nombre (Mn) et en poids (Mw) peuvent être déterminées et l'indice de polymolécularité (Ip = Mw/Mn) calculé via un étalonnage dit de MOORE. b) Préparation du polymère: Il n'y a pas de traitement particulier de l'échantillon de polymère avant analyse. Celui-ci est simplement solubilisé dans du tétrahydrofurane à une concentration d'environ 1 g/l. c) Analyse SEC: Cas cl) L'appareillage utilisé est une chaîne chromatographique «WATERS alliance ». Le solvant d'élution est le tétrahydrofurane, le débit de 1 ml/min., la température du système de 35° C et la durée d'analyse de 30 min. On utilise un jeu de deux colonnes WATERS de dénomination commerciale « STYRAGEL HT6E ». Le volume injecté de la solution de l'échantillon de polymère est 100 pl. Le détecteur est un réfractomètre différentiel «WATERS 2140» et le logiciel d'exploitation des données chromatographiques est le système « WATERS MILLENIUM ».Without being an absolute method, the SEC allows to apprehend the distribution of the molar masses of a polymer. From commercial standard products, the various average molar masses (Mn) and weight (Mw) can be determined and the polymolecularity index (Ip = Mw / Mn) calculated via a so-called calibration of MOORE. b) Preparation of the polymer: There is no particular treatment of the polymer sample before analysis. This is simply solubilized in tetrahydrofuran at a concentration of about 1 g / l. c) SEC analysis: Case cl) The equipment used is a "WATERS alliance" chromatographic chain. The elution solvent is tetrahydrofuran, the flow rate is 1 ml / min, the temperature of the system is 35 ° C and the analysis time is 30 min. A set of two WATERS columns with the trade name "STYRAGEL HT6E" is used. The injected volume of the solution of the polymer sample is 100 μl. The detector is a differential refractometer "WATERS 2140" and the chromatographic data exploitation software is the "WATERS MILLENNIUM" system.
Cas c2) L'appareillage utilisé est un chromatographe «WATERS alliance ». Le solvant d' élution est le tétrahydrofurane, le débit de 0,7 ml/mn, la température du système de 35°C et la durée d'analyse de 90 min. On utilise un jeu de quatre colonnes WATERS en série, de dénominations commerciales « STYRAGEL EIMW7 », « STYRAGEL HMW6E » et deux « STYRAGEL HT6E ». Le volume injecté de la solution de l'échantillon de polymère est 100 pl. Le détecteur est un réfractomètre différentiel «WATERS modèle RI32X » et le logiciel d'exploitation des données chromatographiques est le système «WATERS 10 MILLENIUM ». B - ESSAIS 15 Procédés de synthèse d'un polyisoprène fonctionnalisé par catalyse de coordination en milieu très concentré selon une variante de l'invention Quelques définitions: Nd = néodyme 20 Bd = butadiène Isop = isoprène MCH = methylcyclohexane HDiBA = hydrure de diisobutylaluminium TOA = trioctylaluminium 25 CDEA = chlorure de diéthylaluminium TiBA = triisobutylaluminium GMDE = (3-glycidyloxypropyl)methyldiethoxysilane I - Synthèse des systèmes catalytiques 30 1- Nd/Bd/HDiBA/CDEA Le système catalytique Nd/Bd/HDiBA/CDEA dilué dans le MCH est synthétisé selon le mode opératoire décrit dans WO-A-02/38636 au nom des Demanderesses : En vue de l'obtention de ce catalyseur, le sel de phosphate de néodyme à l'état de poudre est introduit dans un réacteur préalablement nettoyé de ses impuretés. Ce sel est ensuite soumis à un barbotage à l'azote pendant 10 min dans le but de rendre le milieu réactionnel inerte. Les étapes successives suivantes sont ensuite réalisées : - Première étape de solvatation : Un solvant constitué de MCH préalablement distillé, purifié sur alumines et barboté à l'azote est introduit dans le réacteur. En vue de la formation d'un gel, la durée et la température de mise en contact de ce solvant et du sel de néodyme sont de 30 min à 30°C sous agitation. - Seconde étape d'addition du monomère : Le butadiène préalablement purifié sur alumines et barboté à l'azote est ensuite introduit dans le réacteur à 30°C. Ce monomère servira à préformer le catalyseur lors de l'étape de vieillissement. - Troisième étape d'alkylation : L'HDiBA en solution dans le MCH est ensuite introduit dans le réacteur à titre d'agent d'alkylation du sel de néodyme, selon une concentration d'environ 1 mol/L. La durée de l'alkylation est de 15 min. La température de la réaction d'alkylation est égale à 30° C. - Quatrième étape d'halogénation : Le CDEA en solution dans le MCH est ensuite introduit dans le réacteur à titre de donneur d'halogène, selon une concentration d'environ 0,5 mol/L. La température du milieu réactionnel est portée à 60° C. - Cinquième étape de vieillissement : Le mélange ainsi obtenu est vieilli en maintenant la température de 60° C pendant une durée de 50 min. La solution catalytique obtenue est finalement stockée sous atmosphère d'azote à une température comprise entre -15° C et -5 ° C. Le système catalytique est caractérisé par sa formule catalytique qui est donnée sous la 30 forme Nd/Monomère/Agent Alkylant/Agent halogénant en rapports molaires indexés sur le sel de néodyme. Dans les exemples, la concentration en néodyme est de 0,02 mol/L. 2- Ndilsop/T0A/CDEA Le système catalytique Nd/Isop/TOA/CDEA est dilué dans le n-pentane. En vue de l'obtention de ce catalyseur, le sel de phosphate de néodyme à l'état de poudre est introduit dans un réacteur préalablement nettoyé de ses impuretés. Ce sel est ensuite soumis à un barbotage à l'azote pendant 10 min dans le but de rendre le milieu réactionnel inerte. Les étapes successives suivantes sont ensuite réalisées : - Première étape de solvatation : Un solvant constitué de n-pentane préalablement purifié sur alumines et barboté à l'azote est introduit dans le réacteur. En vue de la formation d'un gel, la durée et la température de mise en contact de ce solvant et du sel de néodyme sont de 30 min à 30°C sous agitation. - Seconde étape d'addition du monomère : L'isoprène préalablement purifié sur alumines et barboté à l'azote est ensuite introduit dans le réacteur à 30°C. Ce monomère servira à préformer le catalyseur lors de l'étape de vieillissement. - Troisième étape d'alkylation : Le TOA en solution dans le n-pentane est ensuite introduit dans le réacteur à titre d'agent d'alkylation du sel de néodyme, selon une concentration d'environ 1 mol/L. La durée de l'alkylation est de 15 min. La température de la réaction d'alkylation est égale à 30° C. - Quatrième étape d'halogénation : Le CDEA en solution dans le n-pentane est ensuite introduit dans le réacteur à titre de donneur d'halogène, selon une concentration d'environ 0,5 mol/L. La température du milieu réactionnel est portée à 60° C. - Cinquième étape de vieillissement : Le mélange ainsi obtenu est vieilli en maintenant la température de 60° C pendant une durée de 50 min. La solution catalytique obtenue est finalement stockée sous atmosphère d'azote à une température comprise entre -15° C et -5 ° C.Case c2) The apparatus used is a "WATERS alliance" chromatograph. The elution solvent is tetrahydrofuran, the flow rate 0.7 ml / min, the system temperature 35 ° C and the analysis time 90 min. A set of four WATERS columns in series, trade names "STYRAGEL EIMW7", "STYRAGEL HMW6E" and two "STYRAGEL HT6E" are used. The injected volume of the solution of the polymer sample is 100 μl. The detector is a "WATERS model RI32X" differential refractometer and the chromatographic data exploitation software is the "WATERS 10 MILLENNIUM" system. B - TESTS 15 Synthesis processes of a polyisoprene functionalized by coordination catalysis in a highly concentrated medium according to a variant of the invention Some definitions: Nd = neodymium Bd = butadiene Isop = isoprene MCH = methylcyclohexane HDiBA = diisobutylaluminum hydride TOA = trioctylaluminum CDEA = diethylaluminum chloride TiBA = triisobutylaluminum GMDE = (3-glycidyloxypropyl) methyldiethoxysilane I - Synthesis of Catalytic Systems 1- Nd / Bd / HDiBA / CDEA The Nd / Bd / HDiBA / CDEA catalytic system diluted in MCH is synthesized according to the procedure described in WO-A-02/38636 in the name of the Applicants: In order to obtain this catalyst, the neodymium phosphate salt in powder form is introduced into a reactor previously cleaned of its impurities . This salt is then sparged with nitrogen for 10 min in order to render the reaction medium inert. The following successive steps are then carried out: First solvation step: A solvent consisting of previously distilled MCH, purified on alumina and bubbled with nitrogen is introduced into the reactor. In order to form a gel, the duration and the temperature of contacting this solvent with the neodymium salt are 30 minutes at 30 ° C. with stirring. Second stage of addition of the monomer: The butadiene previously purified on alumina and sparged with nitrogen is then introduced into the reactor at 30 ° C. This monomer will be used to preform the catalyst during the aging step. Third alkylation step: The HDiBA in solution in the MCH is then introduced into the reactor as agent for alkylation of the neodymium salt, at a concentration of about 1 mol / L. The duration of the alkylation is 15 min. The temperature of the alkylation reaction is equal to 30 ° C. - Fourth halogenation step: The CDEA in solution in the MCH is then introduced into the reactor as a halogen donor, in a concentration of approximately 0.degree. , 5 mol / L. The temperature of the reaction medium is brought to 60 ° C. - Fifth aging step: The mixture thus obtained is aged while maintaining the temperature of 60 ° C. for a period of 50 minutes. The catalytic solution obtained is finally stored under a nitrogen atmosphere at a temperature between -15 ° C. and -5 ° C. The catalytic system is characterized by its catalytic formula which is given in the form of Nd / Monomer / Alkylating Agent. Halogenating agent in molar ratios indexed on neodymium salt. In the examples, the neodymium concentration is 0.02 mol / L. 2- Ndilsop / T0A / CDEA The Nd / Isop / TOA / CDEA catalytic system is diluted in n-pentane. In order to obtain this catalyst, the powdered neodymium phosphate salt is introduced into a reactor previously cleaned of its impurities. This salt is then sparged with nitrogen for 10 min in order to render the reaction medium inert. The following successive steps are then carried out: First solvation step: A solvent consisting of n-pentane previously purified on alumina and bubbled with nitrogen is introduced into the reactor. In order to form a gel, the duration and the temperature of contacting this solvent with the neodymium salt are 30 minutes at 30 ° C. with stirring. Second Stage of Addition of the Monomer: The isoprene previously purified on alumina and sparged with nitrogen is then introduced into the reactor at 30 ° C. This monomer will be used to preform the catalyst during the aging step. Third alkylation step: The TOA in solution in n-pentane is then introduced into the reactor as agent for alkylating the neodymium salt, at a concentration of approximately 1 mol / l. The duration of the alkylation is 15 min. The temperature of the alkylation reaction is equal to 30 ° C. Fourth halogenation step: The CDEA in solution in n-pentane is then introduced into the reactor as a halogen donor, in a concentration of about 0.5 mol / L. The temperature of the reaction medium is brought to 60 ° C. - Fifth aging step: The mixture thus obtained is aged while maintaining the temperature of 60 ° C. for a period of 50 minutes. The catalytic solution obtained is finally stored under a nitrogen atmosphere at a temperature of between -15 ° C. and -5 ° C.
Les systèmes catalytiques sont caractérisés par leur formule catalytique qui est donnée sous la forme Nd/Monomère/Agent Alkylant/Agent halogénant en rapports molaires indexés sur le sel de néodyme. Dans les exemples, leur concentration en néodyme est de 0,02 mol/L.The catalytic systems are characterized by their catalytic formula which is given in the form of Nd / Monomer / Alkylating Agent / Halogenating Agent in molar ratios indexed on the neodymium salt. In the examples, their neodymium concentration is 0.02 mol / L.
II - Mode opératoire suivi pour les polymérisations continues Exemple 1 La polymérisation continue est mise en oeuvre sur une ligne comprenant un réacteur avec phase gaz à double bras en Z de 150 litres total, muni d'un dispositif de décharge avec une vis de vidange et une pompe à engrenage et un malaxeur autonettoyant, lui aussi muni d'un dispositif de décharge avec une vis de vidange et une pompe à engrenage. Cette ligne en continu correspond à l'installation représentée à la figure 1. De l'isoprène et du pentane sont mélangés dans un mélangeur dynamique 4 prévu à cet effet en amont du réacteur de polymérisation 1. Le mélange obtenu est injecté sous la forme d'un flux entrant 3 directement dans le réacteur 1. L'isoprène est injecté avec un débit de 7.8 kg/h selon un flux 5 dans le mélangeur 4. Le pentane est injecté avec un débit de 12,54 kg/h selon un flux 6 dans le mélangeur 4, soit environ 37% massique de monomère dans le milieu réactionnel.II-Procedure followed for the continuous polymerizations Example 1 The continuous polymerization is carried out on a line comprising a reactor with a double Z-arm gas phase of 150 liters total, equipped with a discharge device with a drain screw and a gear pump and a self-cleaning mixer, also equipped with a discharge device with a drain screw and a gear pump. This continuous line corresponds to the installation shown in FIG. 1. Isoprene and pentane are mixed in a dynamic mixer 4 provided for this purpose upstream of the polymerization reactor 1. The mixture obtained is injected in the form of a flow entering 3 directly into the reactor 1. The isoprene is injected with a flow rate of 7.8 kg / h according to a flow 5 in the mixer 4. The pentane is injected with a flow rate of 12.54 kg / h according to a flow 6 in the mixer 4, ie about 37% by weight of monomer in the reaction medium.
Un système catalytique de coordination est également injecté directement dans le réacteur 1 selon un flux 2. Il a été préparé en suivant le mode de préparation décrit au paragraphe I précédent, partie 2. Le système catalytique présente les rapports molaires suivants par rapport au néodyme: Nd/ isoprène/ TOA/ CDEA = 1 / 30 / 8 / 2,8 La quantité de néodyme est de 150moles pour 100g d'isoprène à polymériser. La concentration molaire en néodyme dans le catalyseur est de 0.02 mol/L. Du TiBa, est également injecté directement dans le réacteur -1 selon un flux distinct et indépendant 7, à titre de composé alkylaluminium supplémentaire. La quantité de TiBa injectée est de 680 i.tmoles/100g d'isoprène. La concentration molaire de la solution TiBa est de 0.1 mol/L. La pression de la phase gaz est régulée à 0.5 barg, les vapeurs sont condensées dans un condenseur externe 8 et renvoyé dans le réacteur de polymérisation 1 à double bras en Z. 30 La température de la double enveloppe est maintenue à 60°C. Le temps de séjour moyen to de la réaction est de 80 minutes. La vis de décharge permet de transférer le produit du réacteur 1 à une pompe à engrenage 10.A catalytic coordination system is also injected directly into the reactor 1 in a flow 2. It was prepared following the method of preparation described in paragraph I above, part 2. The catalytic system has the following molar ratios with respect to neodymium: Nd / isoprene / TOA / CDEA = 1/30/8 / 2.8 The amount of neodymium is 150moles per 100g of isoprene to be polymerized. The molar concentration of neodymium in the catalyst is 0.02 mol / l. TiBa is also injected directly into the reactor 1 in a separate and independent stream 7, as an additional alkylaluminium compound. The amount of TiBa injected is 680 i.tmoles / 100g of isoprene. The molar concentration of the TiBa solution is 0.1 mol / L. The pressure of the gas phase is regulated to 0.5 barg, the vapors are condensed in an external condenser 8 and returned to the Z-twin-arm polymerization reactor 1. The temperature of the jacket is maintained at 60 ° C. The average residence time of the reaction is 80 minutes. The discharge screw makes it possible to transfer the product of the reactor 1 to a gear pump 10.
Aucun phénomène d'expansion n'est observé. La conversion mesurée sur un échantillon prélevé, en limite du premier tiers du volume du réacteur est de 91%. La mesure de conversion a été établie à partir d'une mesure par CPG de l'isoprène dans l'échantillon prélevé. L'isoprène résiduel, dans l'échantillon prélevé, a été dosé à 3.4 % massique. Les écoulements sont caractérisés par la distribution de temps de séjour donnée par la figure 2. Les points expérimentaux permettant d'établir cette distribution de temps de séjour ont été obtenus en mesurant par Chromatographie Phase Gaz les évolutions de concentration d'un traceur suite à une injection très rapide selon un mode d'introduction par impulsion d'un produit chimiquement inerte selon le principe décrit dans le livre Jacques Villermaux, Génie de la réaction chimique : conception et fonctionnement des réacteurs. Editors. 1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170 à 172. Les points expérimentaux sont issus de prélèvements effectués dans le flux 9 de la figure 1 en sortie du réacteur 1, à l'extrémité de la vis de décharge. La modélisation de ces points expérimentaux par une loi gamma a permis de déterminer la variance de la fonction E de distribution de temps de séjour.No expansion phenomenon is observed. The conversion measured on a sample taken at the limit of the first third of the reactor volume is 91%. The conversion measure was derived from a GPC measurement of isoprene in the sample taken. Residual isoprene, in the sample taken, was assayed at 3.4% by mass. The flows are characterized by the residence time distribution given in FIG. 2. The experimental points for establishing this residence time distribution were obtained by measuring, by Gas Chromatography, the evolutions in the concentration of a tracer following a very fast injection according to a mode of impulse introduction of a chemically inert product according to the principle described in the book Jacques Villermaux, Chemical reaction engineering: design and operation of reactors. Editors. 1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170 to 172. The experimental points are taken from samples taken in the stream 9 of Figure 1 at the outlet of the reactor 1, at the end of the discharge screw. The modeling of these experimental points by a gamma law made it possible to determine the variance of the residence time distribution function E.
La loi gamma pour modéliser la fonction E de distribution de temps de séjour est la suivante : E- - t tk - 1 * et0 f(k)tok Avec: T(k) : fonction gamma de k; k : 1,22 ; t0: temps de séjour moyen, soit 80 minutes ; t : temps de séjour ; La variance de cette fonction de distribution de temps de séjour est égal à k* On en déduit l'écart type de la fonction de distribution de temps de séjour qui est égal à 80 88,4, ce qui est supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3, soit 2,./ 3 2,fi 23.1.La vis de décharge permet de transférer le produit du réacteur 1 à une pompe à engrenage 10.The gamma law for modeling the residence time distribution function E is as follows: E- - t tk - 1 * and f (k) tok With: T (k): gamma function of k; k: 1.22; t0: average residence time, 80 minutes; t: residence time; The variance of this residence time distribution function is equal to k *. The standard deviation of the residence time distribution function which is equal to 80 88.4 is deduced, which is greater than the average residence time. divided by 2-V3, ie 2,. / 3 2, 23.1. The discharge screw is used to transfer the product from the reactor 1 to a gear pump 10.
La pompe à engrenage 10 transfère la pâte d'élastomère pseudo-vivant vers un malaxeur autonettoyant avec phase gaz 11. Le débit transféré par la pompe à engrenage 10 est égal à la somme des débits injectés dans le réacteur 1. Le malaxeur autonettoyant est un malaxeur-réacteur à double bras de volume total 39 litres avec un dispositif de décharge constitué d'une bi-vis de vidange et d'une pompe à engrenage 16. L'écoulement dans ce malaxeur-réacteur à double bras peut s'apparenter à un écoulement piston. La température de la double enveloppe est maintenue à 68°C. Le temps de séjour moyen tO de la réaction du fonctionnalisant avec la solution de polymère pseudo-vivant dans le malaxeur autonettoyant 11 est de 37 minutes.The gear pump 10 transfers the pseudo-living elastomer paste to a self-cleaning mixer with gas phase 11. The flow rate transferred by the gear pump 10 is equal to the sum of the flow rates injected into the reactor 1. The self-cleaning mixer is a 39-liter total volume double-arm kneader-mixer with a discharge device consisting of a twin-screw drain and a gear pump 16. The flow in this double-arm kneader-mixer can be likened to a piston flow. The temperature of the jacket is maintained at 68 ° C. The average residence time of the functionalization reaction with the pseudo-living polymer solution in the self-cleaning mixer 11 is 37 minutes.
Le GMDE est injecté avec un débit de 0.456 1/h dans le malaxeur autonettoyant au même niveau que l'arrivée de la solution dans le malaxeur. La solution de GMDE est concentrée à 0. 47 mol/L. Le stoppeur flux 14 et l'antioxydant flux 15 utilisés sont l'acétyl acétone, avec un débit de 0.224 l/h à une concentration de 120 g/L, et la N-1,3-diméthylbutyl-N'-phényl- paraphénylènediamine, selon 0,5 pcm (pcm : parties en masse pour 100 parties en masse de monomère-isoprène). Ce stoppeur et cet antioxydant sont injectés en amont de la pompe à engrenage 16; La pompe à engrenage 16 transfère la pâte d'élastomères vers le granulateur sous eau 17. Le débit transféré par la pompe à engrenage 16 est égal à la somme des débits injectés dans le réacteur 1 auquel s'ajoute les débits des flux de fonctionnalisant 12 de stoppeur 14 et d'antioxydant 15. Le taux de fonctionnalisation obtenu est de 70%.The GMDE is injected with a flow rate of 0.456 l / h in the self-cleaning mixer at the same level as the arrival of the solution in the mixer. The GMDE solution is concentrated at 0. 47 mol / L. The flux stopper 14 and the antioxidant stream used are acetyl acetone, with a flow rate of 0.224 l / h at a concentration of 120 g / l, and N-1,3-dimethylbutyl-N'-phenyl-para-phenylenediamine. at 0.5 μcm (mw: parts by weight per 100 parts by weight of monomer-isoprene). This stopper and this antioxidant are injected upstream of the gear pump 16; The gear pump 16 transfers the elastomer paste to the underwater granulator 17. The flow rate transferred by the gear pump 16 is equal to the sum of the flow rates injected into the reactor 1, to which is added the flow rates of the functionalizing streams. of stopper 14 and antioxidant 15. The degree of functionalization obtained is 70%.
Exemple 2 La polymérisation continue est mise en oeuvre sur une ligne comprenant un réacteur avec phase gaz à double bras en Z de 150 litres total, muni d'un dispositif de décharge avec une vis de vidange et une pompe à engrenage et un malaxeur autonettoyant, lui aussi muni d'un dispositif de décharge avec une vis de vidange et une pompe à engrenage. Cette ligne en continu correspond à l'installation représentée à la figure 1. De l'isoprène et du pentane sont mélangés dans un mélangeur dynamique 4 prévu à cet effet en amont du réacteur de polymérisation 1. Le mélange obtenu est injecté sous la forme d'un flux entrant 3 directement dans le réacteur 1. L'isoprène est injecté avec un débit de 7.52 kg/h selon un flux 5 dans le mélangeur 4. Le pentane est injecté avec un débit de 12,01 kg/h selon un flux 6 dans le mélangeur 4, soit environ 37% massique de monomère dans le milieu réactionnel.EXAMPLE 2 The continuous polymerization is carried out on a line comprising a reactor with a double Z-arm gas phase of 150 liters total, equipped with a discharge device with a drain screw and a gear pump and a self-cleaning mixer, also equipped with a discharge device with a drain screw and a gear pump. This continuous line corresponds to the installation shown in FIG. 1. Isoprene and pentane are mixed in a dynamic mixer 4 provided for this purpose upstream of the polymerization reactor 1. The mixture obtained is injected in the form of a flow entering 3 directly into the reactor 1. The isoprene is injected with a flow rate of 7.52 kg / h according to a flow 5 in the mixer 4. The pentane is injected with a flow rate of 12.01 kg / h according to a flow 6 in the mixer 4, ie about 37% by weight of monomer in the reaction medium.
Un système catalytique de coordination est également injecté directement dans le réacteur 1 selon un flux 2. Le système catalytique est à base de tris-[bis-(2-éthylhexyl) phosphate] de néodyme, d'isoprène comme monomère de préformation, de TOA comme agent alkylant et de CDEA comme donneur d'halogène. Il a été préparé en suivant le mode de préparation décrit au paragraphe précédent, partie 2. Le système catalytique présente les rapports molaires suivants par rapport au néodyme: Nd/ isoprène/ TOA/ CDEA = 1 / 30 / 8 / 2,8 La quantité de néodyme est de 170moles pour 100g d'isoprène à polymériser. La concentration molaire en néodyme dans le catalyseur est de 0.02 mol/L.A catalytic coordination system is also injected directly into the reactor 1 in a stream 2. The catalyst system is based on tris [bis- (2-ethylhexyl) phosphate] neodymium, isoprene as pre-forming monomer, TOA as an alkylating agent and CDEA as a halogen donor. It was prepared following the method of preparation described in the previous paragraph, part 2. The catalytic system has the following molar ratios with respect to neodymium: Nd / isoprene / TOA / CDEA = 1/30/8 / 2.8 The amount neodymium is 170moles per 100g of isoprene to be polymerized. The molar concentration of neodymium in the catalyst is 0.02 mol / l.
Du TiBa, est également injecté directement dans le réacteur -1 selon un flux distinct et indépendant 7 à titre de composé alkylaluminium supplémentaire. La quantité de TiBa injectée est de 2200 amoles/100g d'isoprène à polymériser. La concentration molaire de la solution TiBa est de 0.294 mol/L.TiBa is also injected directly into reactor 1 in a separate and independent stream 7 as an additional alkylaluminum compound. The amount of TiBa injected is 2200 amoles / 100 g of isoprene to be polymerized. The molar concentration of the TiBa solution is 0.294 mol / L.
La pression de la phase gaz est régulée à 0.16 barg, les vapeurs sont condensées dans un condenseur externe 8 et renvoyé dans le réacteur de polymérisation 1 à double bras en Z. La température de la double enveloppe est maintenue à 21°C.The pressure of the gas phase is regulated at 0.16 barg, the vapors are condensed in an external condenser 8 and returned to the polymerization reactor 1 with a double Z-arm. The temperature of the jacket is maintained at 21 ° C.
Le temps de séjour moyen to de la réaction est de 80 minutes. La vis de décharge permet de transférer le produit du réacteur 1 à une pompe à engrenage 10.The average residence time of the reaction is 80 minutes. The discharge screw makes it possible to transfer the product of the reactor 1 to a gear pump 10.
Aucun phénomène d'expansion n'est observé. La conversion mesurée sur un échantillon prélevé, en limite du premier tiers du volume du réacteur est de 92%. La mesure de conversion a été établie à partir d'une mesure par CPG de l'isoprène dans l'échantillon prélevé. L'isoprène résiduel, dans l'échantillon prélevé, a été dosé à 2.9% massique. Les écoulements sont caractérisés par la distribution de temps de séjour donnée par la figure 2.No expansion phenomenon is observed. The conversion measured on a sample taken at the limit of the first third of the reactor volume is 92%. The conversion measure was derived from a GPC measurement of isoprene in the sample taken. Residual isoprene, in the sample taken, was assayed at 2.9% by mass. The flows are characterized by the residence time distribution given in FIG.
Les points expérimentaux permettant d'établir cette distribution de temps de séjour ont été obtenus en mesurant par Chromatographie Phase Gaz les évolutions de concentration d'un traceur suite à une injection très rapide selon un mode d'introduction par impulsion d'un produit chimiquement inerte selon le principe décrit dans le livre Jacques Villermaux, Génie de la réaction chimique : conception et fonctionnement des réacteurs. Editors. 1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170 à 172. Les points expérimentaux sont issus de prélèvements effectués dans le flux 9 de la figure 1 en sortie du réacteur 1, à l'extrémité de la vis de décharge. La modélisation de ces points expérimentaux par une loi gamma a permis de déterminer la variance de la fonction E de distribution de temps de séjour. La loi gamma pour modéliser la fonction E de distribution de temps de séjour est la suivante : E- - t tk - 1 * et0 F(k)tok Avec: T(k) : fonction gamma de k; k: 1,22; t0: temps de séjour moyen, soit 80 minutes ; t : temps de séjour ; La variance de cette fonction de distribution de temps de séjour est égal à k*t On en déduit l'écart type de la fonction de distribution de temps de séjour qui est égal à 80 88,4, ce qui est supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3, soit 2,./ 3 2,fi 23.1. La vis de décharge permet de transférer le produit du réacteur 1 à une pompe à engrenage 10.The experimental points allowing to establish this distribution of residence time were obtained by measuring by Gas Chromatography the evolutions of concentration of a tracer following a very fast injection according to a mode of impulse introduction of a chemically inert product. according to the principle described in the book Jacques Villermaux, Chemical reaction engineering: design and operation of reactors. Editors. 1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170 to 172. The experimental points are taken from samples taken in the stream 9 of Figure 1 at the outlet of the reactor 1, at the end of the discharge screw. The modeling of these experimental points by a gamma law made it possible to determine the variance of the residence time distribution function E. The gamma law for modeling the residence time distribution function E is as follows: E- - t tk - 1 * et0 F (k) tok With: T (k): gamma function of k; k: 1.22; t0: average residence time, 80 minutes; t: residence time; The variance of this residence time distribution function is equal to k * t. The standard deviation of the residence time distribution function which is equal to 80 88.4 is deduced, which is greater than the residence time. average divided by 2-V3, ie 2,. / 3 2, fi 23.1. The discharge screw makes it possible to transfer the product of the reactor 1 to a gear pump 10.
La pompe à engrenage 10 transfère la pâte d'élastomère pseudo-vivant vers un malaxeur autonettoyant avec phase gaz 11. Le débit transféré par la pompe à engrenage 10 est égal à la somme des débits injectés dans le réacteur 1. Le malaxeur autonettoyant est un malaxeur-réacteur à double bras de volume total 39 litres avec un dispositif de décharge constitué d'une bi-vis de vidange et d'une pompe à engrenage 16. L'écoulement dans ce malaxeur-réacteur à double bras peut s'apparenter à un écoulement piston. La température de la double enveloppe est maintenue à 68°C. Le temps de séjour moyen tO de la réaction du fonctionnalisant avec la solution de polymère pseudo-vivant dans le malaxeur autonettoyant 11 est de 37 minutes.The gear pump 10 transfers the pseudo-living elastomer paste to a self-cleaning mixer with gas phase 11. The flow rate transferred by the gear pump 10 is equal to the sum of the flow rates injected into the reactor 1. The self-cleaning mixer is a 39-liter total volume double-arm kneader-mixer with a discharge device consisting of a twin-screw drain and a gear pump 16. The flow in this double-arm kneader-mixer can be likened to a piston flow. The temperature of the jacket is maintained at 68 ° C. The average residence time of the functionalization reaction with the pseudo-living polymer solution in the self-cleaning mixer 11 is 37 minutes.
Le GMDE est injecté avec un débit de 0824 l/h dans le malaxeur autonettoyant au même niveau que l'arrivée de la solution dans le malaxeur. La solution de GMDE est concentrée à 0. 45 mol/L. Le stoppeur flux 14 et l'antioxydant flux 15 utilisés sont l'acétyl acétone, avec un débit de 0.387 l/h à une concentration de 120 g/L, et la N-1,3-diméthylbutyl-N'-phényl- paraphénylènediamine, selon 0,5 pcm (pcm : parties en masse pour 100 parties en masse de monomère-isoprène). Ce stoppeur et cet antioxydant sont injectés en amont de la pompe à engrenage 6. La pompe à engrenage 16 transfère la pâte d'élastomères vers le granulateur sous eau 17. Le débit transféré par la pompe à engrenage 16 est égal à la somme des débits injectés dans le réacteur 1 auquel s'ajoute les débits des flux de fonctionnalisant 12 de stoppeur 14 et d'antioxydant 15. Le taux de fonctionnalisation obtenu est de 100%.30 Témoin Un polyisoprène non fonctionnel a été synthétisé selon la méthode décrite à l'exemple 1 utilisant un système catalytique présentant les rapports molaires suivants par rapport au 5 néodyme: Nd/ isoprène/ TOA/ CDEA = 1 / 30 / 8 / 2,8, à la différence près qu'aucun agent de fonctionnalisation n'a été introduit dans le malaxeur 11. La quantité de néodyme est de 100 amoles pour 100g d'isoprène à polymériser. La concentration molaire en néodyme dans le catalyseur est de 0.02 mol/L. Du TiBa, est également injecté directement dans le réacteur 1 selon un flux distinct et 10 indépendant 7, à titre de composé alkylaluminium supplémentaire. La quantité de TiBa injectée est de 900 i.tmoles/100g d'isoprène. La concentration molaire de la solution TiBa est de 0.1 mol/L . Pour toutes les polymérisations précédentes, la conversion mesurée sur un échantillon 15 prélevé dans le flux 9 en amont de la pompe à engrenage 10 est de 99% à 80 min de temps de réaction globale. La mesure de conversion a été établie à partir d'une mesure par CPG de l'isoprène dans l'échantillon prélevé. Les tableaux 1 et 2 présentent les essais de polymérisation réalisés avec les deux types de 20 système catalytique et les polyisoprènes fonctionnels associés. Tableau 1 : Témoin Formule catalytique Nd/Is op/TOA/CDEA Stoechiométrie 1/30/8/2.8 Concentration Nd (pmcm) 100 Agent transfert TiBA Concentration agent tranfert (pmcm) 900 Pression phase gaz réacteur (Barg) 0,50 Mn/Ip (g.mo1-1/-) Cis (`)/0) 428500/2.25 95.1 25 Tableau 2: Exemples 1 2 Formule catalytique Nd/lsop/T0A/CDEA Nd/l50p/T0A/CDEA Stoechiométrie 1/30/8/2.8 1/30/8/2.8 Concentration Nd (pmcm) 150 170 Agent transfert TiBA TiBA Concentration agent tranfert (pmcm) 680 2200 Pression phase gaz réacteur (Barg) 0,50 0,16 GMDE/AI total 1.2 1.2 Mn/lp (g.mor1/-) 440000/2.28 436200/2.46 CH2-Si/PI RMN 1H (méq/Kg) 1.6 2.3 °A moyen chaînes fonctionnalisées (°/0) 70 100 Cis (°/0) 95.7 97.7 Le pourcentage moyen de chaines fonctionnalisées (en %) est obtenu par la formule : (CH2-Si/PI)*Mn*1.104 avec CH2-Si/PI en méq/Kg et Mn en g.mo14.The GMDE is injected with a flow rate of 0824 l / h into the self-cleaning mixer at the same level as the arrival of the solution in the mixer. The GMDE solution is concentrated at 0. 45 mol / L. The flux stopper 14 and the antioxidant stream used are acetyl acetone, with a flow rate of 0.387 l / h at a concentration of 120 g / L, and N-1,3-dimethylbutyl-N'-phenyl-para-phenylenediamine. at 0.5 μcm (mw: parts by weight per 100 parts by weight of monomer-isoprene). This stopper and this antioxidant are injected upstream of the gear pump 6. The gear pump 16 transfers the elastomer paste to the underwater granulator 17. The flow rate transferred by the gear pump 16 is equal to the sum of the flow rates injected into the reactor 1, to which are added the flow rates of the functionalizer 12 and the antioxidant 15 and the functionalizing agent. The functionalization ratio obtained is 100%. A non-functional polyisoprene was synthesized according to the method described in FIG. Example 1 using a catalyst system having the following molar ratios with respect to neodymium: Nd / isoprene / TOA / CDEA = 1/30/8 / 2.8, with the difference that no functionalizing agent was introduced into the mixer 11. The amount of neodymium is 100 amoles per 100 g of isoprene to be polymerized. The molar concentration of neodymium in the catalyst is 0.02 mol / l. TiBa is also injected directly into the reactor 1 in a separate and independent stream 7 as an additional alkylaluminum compound. The amount of TiBa injected is 900 μmol / 100 g of isoprene. The molar concentration of the TiBa solution is 0.1 mol / L. For all previous polymerizations, the conversion measured on a sample taken from the stream 9 upstream of the gear pump 10 is 99% at 80 min of overall reaction time. The conversion measure was derived from a GPC measurement of isoprene in the sample taken. Tables 1 and 2 show the polymerization tests carried out with both types of catalyst system and the associated functional polyisoprenes. Table 1: Control Catalytic Form Nd / Is Op / TOA / CDEA Stoichiometry 1/30/8 / 2.8 Concentration Nd (pmcm) 100 Transfer Agent TiBA Concentration Transfer Agent (pmcm) 900 Pressure Reactor Gas (Barg) 0.50 Mn / Ip (g.mo1-1 / -) Cis (`) / 0) 428500 / 2.25 95.1 Table 2: Examples 1 2 Nd / lsop / T0A / CDEA catalytic formula Nd / l50p / T0A / CDEA Stoichiometry 1/30/8 /2.8 1/30/8 / 2.8 Nd concentration (pmcm) 150 170 TiBA transfer agent TiBA Tranferrate transfer agent concentration (pmcm) 680 2200 Reactor gas phase pressure (Barg) 0.50 0.16 GMDE / AI total 1.2 1.2 Mn / lp (g.mor1 / -) 440000 / 2.28 436200 / 2.46 CH2-Si / PI NMR 1H (meq / kg) 1.6 2.3 ° With medium functionalized chains (° / 0) 70 100 Cis (° / 0) 95.7 97.7 The average percentage functionalized chain (in%) is obtained by the formula: (CH2-Si / P1) * Mn * 1.104 with CH2-Si / PI in meq / kg and Mn in g.mo14.
Ce procédé de synthèse de polyisoprène selon l'invention, en milieu très concentré et en continu, permet d'atteindre un taux élevé de conversion de 99%, dont au moins 91% en limite du premier tiers du volume réactionnel du réacteur de polymérisation 1. En outre, l'écart type de la fonction de distribution de temps de séjour dans le réacteur de polymérisation est supérieur au temps de séjour moyen divisé par 2-V3. Le taux de fonctionnalisation moyen (ou pourcentage moyen de chaines fonctionnalisées) est par ailleurs élevé puisqu'il varie de 70% à 100% de chaînes fonctionnalisées. Ce procédé est parfaitement flexible et adaptable à une production industrielle économiquement intéressante du fait de la quantité réduite de solvant utilisé tout en assurant une productivité accrue avec un taux de conversion élevé.This method for synthesizing polyisoprene according to the invention, in a very concentrated and continuous medium, makes it possible to achieve a high conversion rate of 99%, of which at least 91% is at the limit of the first third of the reaction volume of the polymerization reactor 1 In addition, the standard deviation of the residence time distribution function in the polymerization reactor is greater than the average residence time divided by 2-V3. The average functionalization rate (or average percentage of functionalized chains) is also high since it varies from 70% to 100% of functionalized chains. This process is perfectly flexible and adaptable to economically attractive industrial production due to the reduced amount of solvent used while ensuring increased productivity with a high conversion rate.
Evaluation des polyisoprènes préparés en composition de caoutchouc 1-Fabrication des compositions de caoutchouc : On introduit successivement, dans un mélangeur interne usuel, tous les constituants de base nécessaires (élastomère diénique, charge renforçante et agent de couplage, plastifiant, autres additifs), à l'exception du système de réticulation. On conduit alors un travail thermomécanique (phase non-productive) en une étape, qui dure au total environ 3 à 4 min, jusqu'à atteindre une température maximale de « tombée » de 165°C. On récupère le mélange ainsi obtenu et on le refroidit. Après refroidissement du mélange ainsi obtenu, on incorpore alors dans un mélangeur externe (homo-finisseur) maintenu à basse température, le système de réticulation composé du soufre et d'un sulfénamide (CBS). L'ensemble est alors mélangé (phase productive) pendant quelques minutes (une dizaine de minutes environ).Evaluation of the Polyisoprenes Prepared in the Rubber Composition 1-Manufacture of the Rubber Compositions: All the necessary basic constituents (diene elastomer, reinforcing filler and coupling agent, plasticizer, other additives) are successively introduced into a conventional internal mixer. the exception of the crosslinking system. Thermomechanical work (non-productive phase) is then carried out in one step, which lasts a total of about 3 to 4 minutes, until a maximum temperature of "fall" of 165 ° C is reached. The mixture thus obtained is recovered and cooled. After cooling the mixture thus obtained, is then incorporated in an external mixer (homo-finisher) maintained at low temperature, the crosslinking system composed of sulfur and a sulfenamide (CBS). The whole is then mixed (productive phase) for a few minutes (about ten minutes).
La composition finale ainsi obtenue est ensuite calandrée sous la forme d'une feuille ou d'une plaque pour une caractérisation au laboratoire. La vulcanisation (ou cuisson) est conduite de manière connue à une température généralement comprise entre 130°C et 200°C, pendant un temps suffisant qui peut varier par exemple entre 5 et 90 min en fonction notamment de la température de cuisson. 2- Mesures et tests : Les compositions de caoutchouc sont caractérisées après cuisson comme indiqué ci-après. Les propriétés dynamiques sont mesurées sur un viscoanalyseur (Metravib VA4000), selon la norme ASTM D 5992-96. On enregistre la réponse d'un échantillon de composition vulcanisée (éprouvette cylindrique de 4 mm d'épaisseur et de 400 mm2 de section), soumis à une sollicitation sinusoïdale en cisaillement simple alterné, à la fréquence de 10Hz, lors d'un balayage en température, sous une contrainte fixe de 0,7 MPa, on enregistre la valeur de tan observée à - 10°C (soit tan()-10°C). On soumet également le même échantillon, à la température de 40°C ou 60°C, à un balayage en amplitude de déformation de 0,1% à 50% (cycle aller), puis de 50% à 1% (cycle retour) : pour le cycle retour, on enregistre la valeur maximale du facteur de perte, notée tan()max. La non linéarité notée AG* est la différence de module de cisaillement entre 0,1% à 50% de déformation en MPa. On rappelle que, de manière bien connue de l'homme du métier, la valeur de tan()max (selon un balayage "en déformation", à température donnée) est représentative de l'hystérèse et de la résistance au roulement (plus tan()max est faible, plus basse est l'hystérèse et donc la résistance au roulement) tandis que la valeur de tan()-10°C (selon un balayage "en température", à déformation donnée) est représentative du potentiel d'adhérence sur sol mouillé (plus tan()-10°C est élevée, meilleure est l'adhérence). 3 - Résultats Les compositions et leurs propriétés sont reportées dans les tableaux 3 et 4 ci-dessous. 10 Tableau 3 Composition A Exemple 1 100 Exemple 2 100 Témoin 100 N234 6 6 6 Silice Zeosil 1165MP Rhodia 80 80 80 Agent de couplage TESPT (5i69 Degussa) 6.4 6.4 6.4 PLASTIFIANT A 10 10 10 PLASTIFIANT B 25 25 25 Cire ozone C325T 1.5 1.5 1.5 Agent antiozone (6PPD) 1.9 1.9 1.9 Diphénylguanidine (DPG) 1.5 1.5 1.5 ZnO 2 2 2 Acide stéarique 2 2 2 Soufre 1.2 1.2 1.2 CBS 1.8 1.8 1.8 Plastifiant A Huile TDAE Plastifiant B - résine polylimonène "Dercolyte L120" de la société DRT Tableau 4 Composition A tan(6)nnax (40°C 10Hz) 0.261 0.249 0.293 DG* (40°C 10Hz) 3.44 3.04 4.17 tan(6)-10°C (0.7 MPa 10Hz) 0.71 0.7 0.72 Les propriétés à l'état vulcanisé des compositions montrent que les compositions conformes à l'invention (compositions A et B) possèdent des propriétés d'hystérèse ainsi 15 que des propriétés de renforcement et de tenue à la rupture très fortement améliorées par rapport à celles de la composition de référence mettant en oeuvre un IR non fonctionnalisé (composition C), ce qui est très favorable pour obtenir un pneumatique possédant une résistance au roulement réduite lorsque la composition conforme à l'invention est utilisée soit à titre de bande de roulement, soit en tant que sous-couche de bande de roulement ou encore en tant que gomme de flanc. Lorsque la composition conforme à l'invention est utilisée à titre de bande de roulement, la performance adhérence sur sol mouillée est en outre conservée (valeurs de tan(8)-10°C proches).The final composition thus obtained is then calendered in the form of a sheet or a plate for a characterization in the laboratory. The vulcanization (or cooking) is conducted in a known manner at a temperature generally between 130 ° C and 200 ° C, for a sufficient time which may vary for example between 5 and 90 min depending in particular on the cooking temperature. 2- Measurements and Tests: The rubber compositions are characterized after cooking as indicated below. Dynamic properties are measured on a viscoanalyzer (Metravib VA4000) according to ASTM D 5992-96. The response of a sample of vulcanized composition (cylindrical specimen 4 mm in thickness and 400 mm 2 in section), subjected to a sinusoidal stress in alternating simple shear, at the frequency of 10 Hz, is recorded during a scanning. temperature, under a fixed stress of 0.7 MPa, the observed tan value is recorded at -10 ° C (ie tan () - 10 ° C). The same sample is also subjected, at a temperature of 40 ° C. or 60 ° C., to a strain amplitude sweep from 0.1% to 50% (forward cycle), then from 50% to 1% (return cycle). : for the return cycle, the maximum value of the loss factor is recorded, denoted tan () max. The non-linearity denoted AG * is the difference in shear modulus between 0.1% to 50% deformation in MPa. It will be recalled that, in a manner well known to those skilled in the art, the value of tan () max (according to a "deformation" sweep at a given temperature) is representative of the hysteresis and the rolling resistance (plus tan). () max is low, hysteresis is the lowest and therefore the rolling resistance) while the value of tan () - 10 ° C (according to a "temperature" sweep, given deformation) is representative of the potential of adhesion to wet (more tan () - 10 ° C is high, better adhesion). 3 - Results The compositions and their properties are reported in Tables 3 and 4 below. TABLE 3 COMPOSITION A EXAMPLE 1 100 EXAMPLE 2 100 Control 100 N234 6 6 6 Zeosil Silica 1165MP Rhodia 80 80 80 Coupling Agent TESPT (5i69 Degussa) 6.4 6.4 6.4 PLASTICIZER A 10 10 PLASTICIZER B 25 25 25 Ozone wax C325T 1.5 1.5 1.5 Antiozonant (6PPD) 1.9 1.9 1.9 Diphenylguanidine (DPG) 1.5 1.5 1.5 ZnO 2 2 2 Stearic acid 2 2 2 Sulfur 1.2 1.2 1.2 CBS 1.8 1.8 1.8 Plasticizer A TDAE Oil Plasticizer B - polylimonene resin "Dercolyte L120" from DRT Table 4 Composition A tan (6) nnax (40 ° C 10Hz) 0.261 0.249 0.293 DG * (40 ° C 10Hz) 3.44 3.04 4.17 tan (6) -10 ° C (0.7 MPa 10Hz) 0.71 0.7 0.72 The properties at The vulcanized state of the compositions shows that the compositions according to the invention (compositions A and B) have hysteresis properties as well as strongly improved reinforcing and breaking properties compared to those of the reference composition. implementing a non-functionalized IR (com position C), which is very favorable to obtain a tire with a reduced rolling resistance when the composition according to the invention is used either as a tread, or as a tread underlayer or as a flank gum. When the composition according to the invention is used as a tread, wet grip performance is further retained (values of tan (8) -10 ° C near).
ANNEXE 1 La viscosité inhérente est déterminée par la mesure du temps d'écoulement (t) de la solution de polymère et du temps d'écoulement du toluène (to), dans un tube capillaire. Dans un tube Ubbelhode (diamètre du capillaire 0.46 mm, capacité 18 à 22 ml), placé dans un bain thermostaté à 25 ± 0,1 °C, le temps d'écoulement du toluène et celui de la solution polymère (C) à 0,1 g/d1 sont mesurés. La viscosité inhérente est obtenue par la relation suivante : 1 riinh = 71n avec : C : concentration de la solution toluénique de polymère en g/d1 ; t : temps d'écoulement de la solution toluénique de polymère en secondes ; to : temps d'écoulement du toluène en secondes ; thnh : viscosité inhérente exprimée en dl/g.15APPENDIX 1 The inherent viscosity is determined by measuring the flow time (t) of the polymer solution and the toluene flow time (to) in a capillary tube. In a tube Ubbelhode (diameter of the capillary 0.46 mm, capacity 18 to 22 ml), placed in a bath thermostated at 25 ± 0.1 ° C, the flow time of toluene and that of the polymer solution (C) at 0 , 1 g / d1 are measured. The inherent viscosity is obtained by the following relationship: ## EQU1 ## with: C: concentration of the toluene solution of polymer in g / dl; t: flow time of the toluene solution of polymer in seconds; to: toluene flow time in seconds; thnh: inherent viscosity expressed in dl / g.15
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