FR3117116A1 - Copolymère viscoélastique et suspensif - Google Patents

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Abstract

L’invention fournit un copolymère acrylique P, sulfoné, réticulé et préparé à partir d’au moins 4 monomères et en l’absence d’acide méthacrylique. L’invention comprend également la préparation d’une composition aqueuse C, viscoélastique et suspensive comprenant ce copolymère P.

Description

COPOLYMÈRE VISCOÉLASTIQUE ET SUSPENSIF
L’invention fournit un copolymère acrylique P, sulfoné, réticulé et préparé à partir d’au moins quatre monomères et en l’absence d’acide méthacrylique. L’invention comprend également la préparation d’une composition aqueuse, viscoélastique et suspensive comprenant ce copolymère P.
De nombreux domaines techniques requièrent l’utilisation d’agents associant plusieurs propriétés. En particulier, certains domaines techniques nécessitent de contrôler la rhéologie ainsi que la texture d’une composition. Les agents utilisés dans ce but doivent également permettre de stabiliser ces compositions.
Dans le domaine des compositions de revêtement, en particulier pour des compositions de lasure, les agents utilisés doivent permettre de contrôler la rhéologie mais également de conférer un effet suspensif à ces compositions qui comprennent des particules. Les compositions de lasure combinent habituellement un solvant, notamment de l’eau, avec un liant, par exemple un liant acrylique, un liant alkyde ou un liant alkyde-uréthane, et des particules de pigment. Ces compositions permettent de protéger le substrat sur lequel elles sont appliquées, en particulier un substrat en bois ou en béton. La compatibilité des différents constituants d’une composition est donc également essentielle.
En particulier, les agents de contrôle de la rhéologie et de la texture d’une composition doivent posséder une température de transition vitreuse qui permette de les combiner efficacement avec d’autres substances présentes dans ces compositions, notamment avec un liant, généralement sous forme de particules.
L’effet suspensif recherché pour une composition est l’aptitude à maintenir en suspension des particules dans une phase continue, de manière stable dans le temps, par exemple lors du stockage de la composition. Les particules sont généralement des corps solides, pleins ou creux. Elles peuvent également être des entités liquides non miscibles avec la phase continue ou être encapsulées ou sous forme gazeuse. Leur forme, leur texture, leur structure peuvent varier largement, notamment en fonction des propriétés finales attendues.
Les performances suspensives peuvent être évaluées en déterminant la valeur du module d’élasticité G’, la valeur du facteur d’amortissement (Tan δ) et la valeur de la résistance élastique.
Par ailleurs, il est nécessaire de contrôler la viscosité de ces compositions, tant pour de faibles ou moyens gradients de cisaillement que pour des gradients de cisaillement élevés. En effet, au cours de sa préparation, de son stockage, de son application ou de son séchage, une composition peut subir de nombreuses contraintes nécessitant des propriétés rhéologiques particulièrement complexes, notamment des propriétés de viscoélasticité.
En rhéologie, le comportement d'un matériau viscoélastique linéaire est intermédiaire entre celui d'un solide élastique idéal symbolisé par un ressort de module E (ou G) et celui d'un liquide visqueux newtonien symbolisé par un facteur d’amortissement de viscosité. L'élasticité d'un matériau traduit sa capacité à conserver et restituer de l'énergie après déformation. La viscosité d'un matériau traduit sa capacité à dissiper de l'énergie.
La viscoélasticité d’une composition doit donc également être améliorée afin que cette composition présente des caractéristiques à la fois visqueuses et élastiques lorsqu'elle subit une déformation. La composante visqueuse permet à cette composition de résister à un écoulement en cisaillement et de présenter une déformation qui augmente linéairement avec le temps lorsqu'une contrainte est appliquée. La composante élastique permet une déformation lorsqu’une contrainte est appliquée, puis le retour à l’état d'origine une fois que la contrainte est interrompue.
Il existe donc un besoin de disposer d’agents qui permettent d’apporter des propriétés de viscoélasticité et d’effet suspensif à des compositions.
Par ailleurs, et notamment pour des raisons environnementales, il existe également un fort besoin de pouvoir disposer de compositions ne comprenant pas d’acide méthacrylique, tout en offrant des performances maintenues ou améliorées par rapport aux compositions de l’état de la technique. En effet, l’utilisation d’acide méthacrylique, notamment d’acide méthacrylique préparé à partir de cyanhydrine d’acétone qui est un composé hautement toxique, devrait être limitée autant que possible.
Il existe donc un besoin de disposer d’un copolymère aux propriétés améliorées et qui permette d’apporter une solution à tout ou partie des problèmes des polymères de l’état de la technique.
Ainsi, l’invention fournit un copolymère P préparé en l’absence d’acide méthacrylique, par au moins une réaction de polymérisation :
a. d'au moins un monomère (a) anionique choisi parmi l’acide acrylique, un sel d’acide acrylique, les oligomères de l’acide acrylique, les sels d’oligomères de l’acide acrylique et leurs combinaisons ;
b. d’au moins un monomère (b) non-ionique choisi parmi le styrène, les esters en C1-C8d’un acide choisi parmi acide acrylique, acide méthacrylique et leurs combinaisons ;
c. d’au moins un composé (c) choisi parmi acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique, méthacrylate de 2-sulfoéthyl, méthallyl sulfonate de sodium, styrène sulfonate, leurs sels et leurs combinaisons ;
d. d’au moins un composé (d) réticulant ou comprenant au moins deux insaturations oléfiniques polymérisables.
De manière préférée selon l’invention, le copolymère P peut être préparé à partir des seuls composés a, b, c et d.
Également de manière préférée selon l’invention, le monomère (a) est l’acide acrylique ou un mélange d’oligomères de l’acide acrylique de formule (I) :
[Chem.1]

(I)
dans laquelle m est un nombre entier ou décimal allant de 1 à 10, de préférence allant de 2 à 4. De manière plus préférée selon l’invention, le monomère (a) est l’acide acrylique.
Également de manière préférée selon l’invention, le monomère (b) est choisi parmi :
- acrylate d’alkyle, en particulier acrylate de C1-C8-alkyl, préférentiellement acrylate de C1-C4-alkyl, plus préférentiellement acrylate de méthyle, acrylate d’éthyle, acrylate de propyle, acrylate d’isobutyle, acrylate de n-butyle,
- méthacrylate d’alkyle, en particulier méthacrylate de C1-C8-alkyl, préférentiellement méthacrylate de C1-C4-alkyl, plus préférentiellement méthacrylate de méthyle, méthacrylate d’éthyle, méthacrylate de propyle, méthacrylate d’isobutyle, méthacrylate de n-butyle,
- acrylate d’aryle, de préférence phénylacrylate, benzylacrylate, phénoxyéthylacrylate,
- méthacrylate d’aryle, de préférence phénylméthacrylate, benzylméthacrylate, phénoxyéthylméthacrylate et
- leurs combinaisons.
De manière plus préférée selon l’invention, le monomère (b) est choisi parmi acrylate d’éthyle et acrylate de butyle, plus préférentiellement acrylate d’éthyle.
Selon l’invention, le monomère (c) préféré est choisi parmi l’acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS) et ses sels de sodium ou d’ammonium.
Selon l’invention, le composé (d) préféré est choisi parmi les monomères aromatiques polyinsaturés comme divinylbenzene, divinyl naphthalène et trivinylbenzene, les monomères alicycliques polyinsaturés par exemple 1,2,4-trivinylcyclohexane, esters d’acide phthalique difonctionnels comme diallyl phthalate, éthers polyalkenyl tels que triallyl pentaerythritol, diallyl pentaerythritol, diallyl sucrose, octaallyl sucrose et triméthylolpropane diallyl éther, esters polyinsaturés de polyalcohols ou de polyacides comme 1,6-hexanediol di(méth)acrylate, tétraméthylène tri(méth)acrylate, allyl acrylate, diallyl itaconate, diallyl fumarate, diallyl maléate, triméthylolpropane tri(méth)acrylate, triméthylolpropane di(méth)acrylate, poly(alkylèneoxy) glycol di(méth)acrylate et polyéthylène glycol di(méth)acrylate, alkylène bisacrylamides comme méthylènebisacrylamide et propylène bisacrylamide, derivés hydroxy ou carboxy de méthylène bis-acrylamide comme Ν,Ν'-bisméthylol méthylène bisacrylamide, polyalkylèneglycol di(méth)acrylates comme éthylèneglycol di(méth)acrylate, diéthylèneglycol di(méth)acrylate, triéthylèneglycol di(méth)acrylate, allyl méthacrylate, éthylène glycol diméthacrylate, butylène glycol diméthacrylate, pentaerythritol di-, tri- et tetra-acrylates, poly(alkylèneoxy)glycol di(méth)acrylates tels que polyéthylène glycol diacrylate, bisphenol A diacrylate, butanediol diméthacrylate, 2,2-diméthylpropanediol diméthacrylate, phénylène diacrylate, un composé réticulant dissymétrique et leurs combinaisons.
Le composé réticulant dissymétrique (d) préféré selon l’invention est choisi parmi :
* un composé de formule (II) :
[Chem.2]

(II)
dans laquelle :
- L1représente CH2, CH2monoalkoxylé ou CH2polyalkoxylé,
- R1représente -C(H)=CH2, -C(CH3)=CH2, -C(H)=C(H)C(O)OH, -C(H)=C(H)CH3, -C(=CH2)CH2C(O)OH, -CH2C(=CH2)C(O)OH, Q1OQ2OC(O)C(CH3)=CH2ou Q1OQ2OC(O)C(H)=CH2,
- Q1représente un résidu divalent d’un composé diisocyanate dissymétrique, de préférence choisi parmi tolyl-1,3-diisocyanate (TDI) et isophorone-diisocyanate (IPDI),
- Q2représente CH2, CH2-CH2, CH2monoalkoxylé, CH2-CH2monoalkoxylé, CH2polyalkoxylé ou CH2-CH2polyalkoxylé ; de préférence un composé de formule (II) dans laquelle :
- L1représente CH2et
- R1représente -C(H)=CH2, -C(CH3)=CH2, -C(H)=C(H)C(O)OH, -C(H)=C(H)CH3, -C(=CH2)CH2C(O)OH, -CH2C(=CH2)C(O)OH ou un composé de formule (II) dans laquelle :
- L1représente CH2monoalkoxylé ou CH2polyalkoxylé,
- R1représente Q1OQ2OC(O)C(CH3)=CH2ou Q1OQ2OC(O)C(H)=CH2,
- Q1représente un résidu divalent d’un composé diisocyanate dissymétrique, de préférence choisi parmi tolyl-1,3-diisocyanate (TDI) et isophorone-diisocyanate (IPDI),
- Q2représente CH2, CH2-CH2, CH2monoalkoxylé, CH2-CH2monoalkoxylé, CH2polyalkoxylé ou CH2-CH2polyalkoxylé ;
* un composé de formule (III) :
[Chem.3]

(III)
dans laquelle :
- L2représente CH2, CH2monoalkoxylé ou CH2polyalkoxylé,
- R2représente -C(H)=CH2, -C(CH3)=CH2, -C(H)=C(H)C(O)OH, -C(H)=C(H)CH3, -C(=CH2)CH2C(O)OH, -CH2C(=CH2)C(O)OH, Q3OQ4OC(O)C(CH3)=CH2ou Q3OQ4OC(O)C(H)=CH2,
- Q3représente un résidu divalent d’un composé diisocyanate dissymétrique, de préférence choisi parmi tolyl-1,3-diisocyanate (TDI) et isophorone-diisocyanate (IPDI),
- Q4représente CH2, CH2-CH2, CH2monoalkoxylé, CH2-CH2monoalkoxylé, CH2polyalkoxylé ou CH2-CH2polyalkoxylé ; de préférence un composé de formule (III) dans laquelle :
- L2représente CH2,
- R2représente -C(H)=CH2, -C(CH3)=CH2, -C(H)=C(H)C(O)OH, -C(H)=C(H)CH3, -C(=CH2)CH2C(O)OH, -CH2C(=CH2)C(O)OH, ou un composé de formule (III) dans laquelle :
- L2représente CH2monoalkoxylé ou CH2polyalkoxylé,
- R2représente Q3OQ4OC(O)C(CH3)=CH2ou Q3OQ4OC(O)C(H)=CH2,
- Q3représente un résidu divalent d’un composé diisocyanate dissymétrique, de préférence choisi parmi tolyl-1,3-diisocyanate (TDI) et isophorone-diisocyanate (IPDI),
- Q4représente CH2, CH2-CH2, CH2monoalkoxylé, CH2-CH2monoalkoxylé, CH2polyalkoxylé ou CH2-CH2polyalkoxylé ;
* un composé de formule (IV) :
[Chem.4]

(IV)
dans laquelle :
- R3représente indépendamment H ou CH3,
- L3représente indépendamment un groupement C1-C20-alkylène linéaire ou ramifié et
- n représente indépendamment 0 ou un nombre entier allant de 1 à 30, par exemple de 1 à 20, en particulier de 1 à 15, notamment de 1 à 10 ;
* un composé choisi parmi les di(méth)acrylates comme le di(méth)acrylate de polyalkylène glycol, notamment le di(méth)acrylate de polypropylène glycol, le di(méth)acrylate d’éthylène glycol, le di(méth)acrylate de polyéthylène glycol, le di(méth)acrylate de triéthylène glycol, le di(méth)acrylate de 1,3-butylène glycol, le di(méth)acrylate de 1,6-butylène glycol, le di(méth)acrylate de 1,6-hexanediol, le di(méth)acrylate de néopentyl glycol, le di(méth)acrylate de 1,9-nonanediol, mais aussi le 2,2'-bis(4-(acryloxypropyloxy)-phényl)propane, le 2,2'-bis(4-(acryloxydiéthoxy)-phényl)propane ; les composés tri(méth)acrylates tels que le tri(méth)acrylate de triméthylolpropane et le tri(méth)acrylate de triméthylolpropane éthoxylé, le tri(méth)acrylate triméthyloléthane, le tri(méth)acrylate pentaérythritol et le tri(méth)acrylate de tétraméthylolméthane ; les composés tétra(méth)acrylates tels que le tétra(méth)acrylate de ditriméthylolpropane, le tétra(méth)acrylate de tétraméthylolméthane et le tétra(méth)acrylate de pentaérythritol ; les composés hexa(méth)acrylates tels que l’hexa(méth)acrylate de dipentaérythritol ; les composés penta(méth)acrylates tels que le penta(méth)acrylate de dipentaérythritol ; les composés allyls tels que l’allyl (méth)acrylate, le diallylphthalate, l’itaconate de diallyl, le fumarate de diallyl, le maléate de diallyl ; les éthers polyallyls du sucrose ayant de 2 à 8 groupes par molécule, les éthers polyallyls du pentaérythritol tels que le pentaérythritol diallyl éther, le pentaérythritol triallyl éther et le pentaérythritol tetraallyl éther ; les éthers polyallyls du triméthylolpropane tels que l’éther diallyl triméthylolpropane et l’éther triallyl triméthylolpropane ;
* un composé choisi parmi les composés polyinsaturés notamment divinyl glycol, divinyl benzène, divinylcyclohexyl et méthylènebisacrylamide ;
* un composé choisi parmi les réticulants trifonctionnels, notamment tri(méth)acrylate de triméthylolpropane (TMPTA), du tri(méth)acrylate de triméthylolpropane éthoxylé tel que par exemple le TMPTA 3OE ;
* un composé choisi parmi di(méth)acrylate d’éthylène glycol, méthylènebisacrylamide, diallylphthalate, diallylmaléate ;
* un mélange de deux monomères distincts, par exemple EGDCPEA (éthylène glycol dicyclopentényl éther acrylate) et TMPTA ou encore EGDCPEA et TMPTA 3OE ;
* un composé de formule (V) :
[Chem.5]

(V)
dans laquelle :
- R4représente indépendamment H ou CH3,
- R5représente indépendamment -C(H)=CH2, -C(CH3)=CH2, -C(H)=C(H)C(O)OH, -C(H)=C(H)CH3, -C(=CH2)CH2C(O)OH, -CH2C(=CH2)C(O)OH,
- L4représente indépendamment un groupement éthylène, propylène ou butylène et
- p représente indépendamment 0 ou un nombre entier ou décimal allant de 1 à 30, de préférence p représente un nombre entier ou décimal allant de 1 à 18, de 1 à 15 ou de 2 à 16 ou encore de 2 à 12 ; plus préférentiellement un composé choisi parmi un composé (d1) de formule (V) dans laquelle R4représente H, R5représente -C(H)=CH2, L4représente CH2-CH2et p représente 10 (numéro CAS 99742-80-0) ; de manière également particulièrement préférée un composé (d2) de formule (V) dans laquelle R4représente H, R5représente -C(CH3)=CH2, L4représente CH2-CH2et p représente 3,5 (numéro CAS 121826-50-4) ; de manière également particulièrement préférée un composé (d3) de formule (V) dans laquelle R4représente H, L4représente CH2-CH2, R5représente -C(CH3)=CH2et p représente 10 (numéro CAS 121826-50-4).
Lors de la préparation du copolymère P, les quantités des composés utilisés peuvent varier. De manière préférée selon l’invention, le copolymère P comprend :
- de 25 à 60 % en poids de monomère (a),
- de 39,89 à 59 % en poids de monomère (b),
- de 0,1 à 8 % en poids de monomère (c) et
- de 0,01 à 8 % en poids de monomère (d).
De manière également préférée selon l’invention, le copolymère P comprend :
- de 25 à 60 % en poids de monomère (a),
- de 44,89 à 59 % en poids de monomère (b),
- de 0,1 à 8 % en poids de monomère (c) et
- de 0,01 à 3 % en poids de monomère (d).
De manière également préférée selon l’invention, le copolymère P comprend :
- de 30 à 50 % en poids de monomère (a),
- de 49,89 à 54 % en poids de monomère (b),
- de 0,1 à 8 % en poids de monomère (c) et
- de 0,01 à 8 % en poids de monomère (d).
De manière également préférée selon l’invention, le copolymère P comprend :
- de 25 à 45 % en poids de monomère (a),
- de 54,89 à 59 % en poids de monomère (b),
- de 0,1 à 8 % en poids de monomère (c) et
- de 0,01 à 8 % en poids de monomère (d).
Le copolymère P selon l’invention possède de nombreuses propriétés particulièrement avantageuses. Notamment, le copolymère P possède une température de transition vitreuse (Tg) particulière. De manière préférée, le copolymère P selon l’invention possède une température de transition vitreuse (Tg), calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox, inférieure à 60°C, de préférence inférieure à 30°C. L’équation de Flory-Fox permet de calculer la température de transition vitreuse du copolymère à partir des paramètres des monomères utilisés pour sa préparation, à l’exception des éventuels monomères (e) mis en œuvre.
De manière également préférée, le copolymère P selon l’invention est totalement ou partiellement neutralisé, de préférence au moyen d’un composé choisi parmi NaOH, KOH, LiOH, les dérivés ammonium, l’ammoniaque, les bases aminées, par exemples triéthanolamine, aminométhylpropanol ou 2-amino-2-méthyl-propanol (AMP) et leurs combinaisons.
Outre les composés a, b, c et d, le copolymère P selon l’invention peut être préparé par une réaction de polymérisation qui met également en œuvre au moins un monomère (e) hydrophobe, notamment un monomère (e) hydrophobe associatif. De manière préférée selon l’invention, le monomère (e) comprend une insaturation oléfinique polymérisable, des groupements polyalkylèneglycols et un groupement terminal hydrophobe. De préférence selon l’invention, le groupement terminal hydrophobe est un groupement hydrocarboné linéaire, ramifié ou cyclique, saturé, insaturé ou aromatique, comprenant de 6 à 40 atomes de carbone. De manière préférée selon l’invention, le monomère (e) est un composé de formule (VI) :
[Chem.6]
R6-(OE)q-(OP)r-R7
(VI)
dans laquelle :
- q et r, identiques ou différents, représentent indépendamment 0 ou un nombre entier ou décimal, inférieur à 150, la somme q+r allant de 5 à 150, de préférence la somme q+r varie de 10 à 150, avantageusement de 10 à 100, plus avantageusement de 10 à 60,
- OE représente un groupement CH2CH2O,
- OP représente indépendamment un groupement choisi parmi CH(CH3)CH2O et CH2CH(CH3)O,
- R6représente un groupement comprenant au moins une insaturation oléfinique polymérisable, de préférence un groupement choisi parmi acrylate, méthacrylate, acryluréthane, méthacryluréthane, vinyl, allyl, méthallyl, isoprényl, un groupement uréthane insaturé, notamment acryluréthane, méthacryluréthane, α-α'-diméthyl-isopropenyl-benzyluréthane, allyluréthane, plus préférentiellement un groupement choisi parmi acrylate, méthacrylate, acryluréthane, méthacryluréthane, vinyl, allyl, méthallyl et isoprényl, encore plus préférentiellement un groupement méthacrylate,
- R7représente indépendamment un groupement hydrocarboné linéaire, ramifié ou cyclique, saturé, insaturé ou aromatique comprenant de 6 à 40 atomes de carbone, de préférence un groupement hydrocarboné comprenant de 6 à 32 atomes de carbone, plus préférentiellement de 8 à 30 atomes de carbone.
Préférentiellement, R7représente un groupement alkyle issu d’un alcool de Guerbet de formule (VII) :
[Chem 7]

(VII)
dans laquelle R8et R9représentent indépendamment un groupement C6-C40-alkyl, de préférence un groupement C6-C32-alkyl.
De manière également préférée selon l’invention, R7représente un groupement alkyle ou alcényle, linéaire, comprenant de 6 à 40 atomes de carbone, notamment un groupement cyclohexyle. Selon l’invention, R7peut également représenter un groupement alkyle issu d’un alcool obtenu par une réaction oxo.
Selon l’invention, R7peut représenter un groupement aromatique comprenant de 6 à 40 atomes de carbone, préférentiellement de 6 à 32 atomes de carbone, plus préférentiellement de 6 à 30 atomes de carbone.
Selon l’invention, R7peut représenter un groupement de formule (VIII) :
[Chem.8]

(VIII)
dans laquelle R10représente un groupement hydrocarboné de formule C15H31-sdans laquelle s représente 0, 2, 4 ou 6 ; R10pouvant ainsi comprendre 0, 1, 2 ou 3 insaturations éthyléniques (double liaison). Un tel groupement de formule (VIII) est avantageusement dérivé du cardanol, et ainsi d’origine bio-ressourcée.
Selon l’invention, R7peut représenter un groupement comprenant de 2 à 5 groupements phényles, tels qu’un groupement tristyrylphényle (TSP) de formule (IX) :
[Chem.9]

(IX)
ou un groupement distyrylphényle (DSP) de formule (X) ou de formule (XI):
[Chem 10]

(X)
[Chem 11]

(XI)
ou un groupement pentastyrylcumylphényl.
En particulier, R7représente indépendamment un groupement hydrocarboné linéaire, ramifié ou cyclique, saturé, insaturé ou aromatique comprenant de 6 à 40 atomes de carbone, de préférence un groupement C6-C40-alkyl, linéaire ou ramifié, de préférence un groupement C8-C30-alkyl, linéaire ou ramifié, un groupement C6-C40-aryl, de préférence un groupement C8-C30-aryl, préférentiellement comprenant de 2 à 5 groupements phényles, par exemple un groupement tristyrylphényle.
De manière préférée selon l’invention, q représente un nombre entier ou décimal, avantageusement un nombre entier, supérieur ou égal à 10.
De manière préférée selon l’invention, la valeur de q est strictement supérieure à la valeur de r. De manière plus préférée selon l’invention, les quantités respectives en poids q et r vont de (q = 100 et r = 0) à (q= 70 et r = 30).
Selon une variante, r est nul et q représente un nombre entier ou décimal, avantageusement un nombre allant de 10 à 100, avantageusement allant de 10 à 60, plus avantageusement allant de 20 à 60, encore plus avantageusement allant de 20 à 40.
Selon une autre variante, chacun de r et de q est différent de 0. En particulier q et r, identiques ou différents, représentent indépendamment un nombre entier ou décimal, avantageusement un nombre allant de 5 à 100, la somme q+r variant de 10 à 150, avantageusement de 10 à 100, plus avantageusement de 10 à 60. De manière préférée selon l’invention, la valeur de q est strictement supérieure à la valeur de r. Dans ce cas et de manière préférée selon l’invention, les quantités respectives en poids q et r vont de (q = 90 et r = 10) à (q= 70 et r = 30).
De manière plus préférée selon l’invention, r représente 0.
De manière avantageuse selon l’invention, le copolymère P peut comprendre de 0,4 à 30 % en poids de monomère (e) par rapport à la quantité totale de monomères.
Le copolymère P selon l’invention peut être préparé selon des méthodes connues en tant que telles. De manière spécifique, le copolymère P selon l’invention est préparé par une réaction de polymérisation mettant en œuvre les différents composés a, b, c et d, éventuellement le composé e, par une réaction de polymérisation radicalaire, par exemple une réaction de polymérisation en émulsion, en dispersion ou en solution. De manière avantageuse, le copolymère P est préparé dans l’eau, de préférence en présence d’au moins un composé tensio-actif, par exemple sodium dodecyl sulfate ou sodium dodecyl laurate.
La préparation du copolymère P selon l’invention peut également mettre en œuvre un ou plusieurs composés, notamment au moins un composé initiateur, seul ou en combinaison avec au moins un agent de transfert de chaîne. Comme exemples de composés initiateurs, on peut utiliser un composé choisi parmi les composés initiateurs azoïques (par exemple azo-bis-isobutyronitrile), un composé peroxyde, de préférence peroxyde d’hydrogène, peroxyde de benzoyle, hydroperoxyde de benzoyle et leurs mélanges. On peut également citer les persulfates de métaux alcalins, en particulier le persulfate de sodium et le persulfate de potassium, le persulfate d’ammonium, les peroxydes partiellement hydrosolubles, en particulier le peracide succinique, l’hydroperoxyde de t-butyle, l’hydroperoxyde de cumyle, les persulfates associés à un ion cuivreux, à un ion ferreux, à un ion sulfite ou à un ion bisulfite et leurs mélanges. Comme exemples d’agents de transfert de chaîne, on peut utiliser les composés mercaptans, en particulier les composés mercaptans comprenant au moins 4 atomes de carbone tels que le butylmercaptan, le n-octylmercaptan, le n-dodécylmercaptan, le tert-dodécylmercaptan, l’isooctyl 3-mercaptopropionate.
Selon l’invention, le composé initiateur ou générateur de radicaux peut donc être associé à au moins un agent de transfert de polymérisation radicalaire contrôlée, notamment un agent de transfert de type RAFT (reversible addition-fragmentation chain transfer ou polymérisation radicalaire contrôlée par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation). De préférence, la réaction est une réaction de polymérisation radicalaire en émulsion.
Ainsi, de manière préférée selon l’invention, la préparation dans l’eau du copolymère P permet d’obtenir une composition aqueuse polymérique sous la forme d’une émulsion.
Les propriétés particulièrement avantageuses du copolymère P selon l’invention permettent de l’utiliser dans de nombreux domaines techniques. En particulier, le copolymère P selon l’invention peut être utilisé pour améliorer les propriétés viscoélastiques et les propriétés suspensives d’une composition, notamment d’une composition aqueuse, de préférence d’une composition aqueuse comprenant des particules. Ainsi, outre le copolymère P, l’invention fournit une composition aqueuse C comprenant au moins un copolymère P selon l’invention. De manière préférée, la composition aqueuse C selon l’invention comprend au moins un copolymère P selon l’invention et des particules solides, liquides ou gazeuses, et éventuellement un composé liant.
De manière préférée, la composition C selon l’invention comprend de 0,1 à 5 % en poids de copolymère P. De manière plus préférée, la composition C selon l’invention comprend de 0,5 à 3 % en poids de copolymère P.
De manière préférée pour la composition C selon l’invention, les particules sont des particules d’un produit choisi parmi un produit cosmétique, un produit phytosanitaire, un engrais, un produit de recouvrement. De manière plus préférée pour la composition C selon l’invention, la composition aqueuse C est une composition de vernis comprenant un copolymère P, des particules d’un pigment et un composé liant sous forme de latex, éventuellement un composé dispersant de pigment. De préférence selon l’invention, le composé liant possède une température de transition vitreuse, calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox, qui est la même +/-10°C que la température de transition vitreuse du copolymère P. De manière également préférée selon l’invention, le composé liant possède une température de transition vitreuse, calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox, qui est la même +/-5°C que la température de transition vitreuse du copolymère P. Selon l’invention, le composé liant préféré est un composé acrylique, un composé alkyde ou un composé alkyde-uréthane ou encore un composé styrène-acrylique ou un composé styrène-butadiène.
Les propriétés du copolymère P selon l’invention permettent de l’utiliser dans des conditions qui peuvent varier de manière importante. En particulier, les propriétés du copolymère P peuvent être mises en œuvre à des valeurs de pH variables. De manière préférée, la composition aqueuse C selon l’invention a un pH allant de 3 à 13, de préférence un pH allant de 5 à 13. De manière également préférée, le pH de la composition aqueuse C va de 4 à 8 ou de 5 à 7.
L’invention concerne également une méthode de préparation d’une composition aqueuse C, viscoélastique et suspensive comprenant l’introduction d’au moins un copolymère P selon l’invention et l’agitation de la composition C. Le copolymère P permet d’améliorer les propriétés de la composition C selon l’invention. En particulier, le copolymère P permet d’améliorer la stabilité de cette composition, notamment pour une composition C de vernis. Ainsi, l’invention concerne également une méthode de stabilisation d’une composition C de vernis comprenant l’introduction dans une composition aqueuse C de base de vernis d’au moins un copolymère P selon l’invention. De manière préférée, la composition C de base de vernis comprend un composé liant sous la forme d’un latex dont la température de transition vitreuse est la même +/-10°C que la température de transition vitreuse du copolymère P, calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox. De manière également préférée pour cette méthode, le composé liant possède une température de transition vitreuse, calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox, qui est la même +/-5°C que la température de transition vitreuse du copolymère P.
Le copolymère P selon l’invention possède des propriétés particulièrement avantageuses pour contrôler différentes composantes de la rhéologie d’une composition aqueuse. En particulier, le copolymère P selon l’invention permet de contrôler le seuil d’écoulement d’une composition aqueuse.
Le seuil d’écoulement correspond à la valeur de la contrainte de cisaillement appliquée à une composition aqueuse qui entraîne un écoulement de cette composition. En l’absence de contrainte suffisante, la viscosité de cette composition aqueuse empêche son écoulement spontané à une échelle de temps acceptable.
Ainsi, l’invention fournit également une méthode de contrôle du seuil d’écoulement d’une composition aqueuse comprenant l’introduction dans la composition aqueuse d’au moins un copolymère P selon l’invention. De manière préférée, le seuil d’écoulement de cette composition aqueuse, mesuré selon la méthode décrite dans les exemples, est supérieur à 0,1 Pa, plus préférentiellement supérieur à 0,5 Pa ou bien supérieur à 2 Pa, de préférence supérieur 4 Pa.
De manière plus préférée, la composition C selon l’invention comprend de 0,1 à 5 % en poids de copolymère P et possède un seuil d’écoulement supérieur à 0,1 Pa, plus préférentiellement supérieur à 0,5 Pa, ou bien supérieur à 2 Pa, de préférence supérieur à 4 Pa. De manière également plus préférée, la composition C selon l’invention comprend de 0,5 à 3 % en poids de copolymère P et possède un seuil d’écoulement supérieur à 0,1 Pa, plus préférentiellement supérieur à 0,5 Pa, ou bien supérieur à 2 Pa, de préférence supérieur à 4 Pa.
Selon l’invention, les caractéristiques particulières, avantageuses ou préférées du copolymère P selon l’invention définissent des compositions selon l’invention et des méthodes selon l’invention qui sont des compositions et des méthodes particulières, avantageuses ou préférées selon l’invention.
Les exemples qui suivent permettent d’illustrer les différents aspects de l’invention.
EXEMPLES
Exemple 1 : préparation et caractérisation de copolymères selon l’invention
Les réactions de préparation de copolymères P selon l’invention ont été réalisées dans un réacteur cylindrique en verre d’un volume utile de 1 L équipé d’une agitation mécanique de type ancre et d’un système de chauffage par bain d’huile. Une agitation est maintenue pendant toute la durée de la préparation.
Les monomères suivants ont été mis en œuvre :
- monomère a :
* composé (a1), acide acrylique (AA),
* composé (a2), acide méthacrylique (AMA),
- monomère b : composé (b1), acrylate d’éthyle (AE),
- composé c : composé (c1), sel de sodium de l’acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS),
- composé réticulant d :
* composé (d1), ethylène glycol diméthacrylate (EDMA),
* composé (d2), diallyl phthalate (DAP),
* composé (d3), composé de formule IV dans laquelle R3représente H , L3représente un groupement CH2CH2et n représente 1,
* composé (d4), triallyl pentaerythritol (APE),
* composé (d5), triacrylate de triméthylolpropane (TMPTA),
- monomère hydrophobe e : composé (e1) de formule VI dans laquelle R6représente un groupement méthacrylate, q représente 25, OE représente un groupement CH2CH2O, r représente 0 et R7représente un groupement de formule VII dans laquelle R8représente un groupement C6-alkyl linéaire et R9représente un groupement C10-alkyl linéaire.
Préparation et caractérisation du copolymère (P1) selon l’invention
Dans le réacteur, on introduit 460 g d’eau désionisée et 6,48 g de sodium dodecyl sulfate. Dans un premier bécher en verre et selon les proportions présentées dans le tableau 1, on pèse 102,14 g de monomère (a1), 160,20 g de monomère (b1), 4,57 g de composé (d1), 20,05 g de monomère (e1), 3,38 g de sodium dodecyl sulfate et 124 g d’eau désionisée. Dans un second bécher en verre, on pèse 0,914 g de persulfate d’ammonium que l’on dissout dans 10 g d’eau désionisée. Dans un troisième bécher en verre, on pèse 0,100 g de métabisulfite de sodium que l’on dissout dans 10 g d’eau désionisée. Dans un quatrième récipient, de type seringue jetable, on pèse 5,27 g de composé (c1) à 50 % en poids dans l’eau.
On chauffe le contenu du réacteur à une température de 76°C ± 2°C.
En 2 heures et 30 minutes, les réactifs des 4 récipients sont introduits dans le réacteur de polymérisation à une température de 76°C ± 2°C. Les pompes sont rincées avec de l’eau désionisée. Ensuite, 0,3 g de persulfate d’ammonium dissout dans 20 g d’eau désionisée sont introduits dans le réacteur en 1 heure.
Puis, on cuit pendant 1 heure avant de laisser le milieu refroidir puis de le filtrer.
On obtient un copolymère (P1) à 30,6 % en poids d’extrait sec (ES, mesuré avec une balance à micro-ondes). Sa température de transition vitreuse (Tg) est calculée grâce à l’équation de Flory-Fox. La composition et les caractéristiques du copolymère (P1) sont présentées dans le tableau 1.
Préparation et caractérisation des copolymères (P2) à (P14) selon l’invention
Ces polymères sont préparés de manière analogue au copolymère (P1). Leurs compositions et leurs caractéristiques sont présentées dans le tableau 1.
Exemple 2 : Préparation et caractérisation des propriétés de compositions aqueuses C1 à C3 selon l’invention
Le copolymère P1 préparé selon l’exemple 1 est mélangé à de l’eau désionisée en une quantité en poids sec de 1 % puis on ajoute une solution aqueuse de soude (50 % en poids) afin de neutraliser totalement la composition. On obtient la composition aqueuse C1 selon l’invention. Les compositions aqueuses C2 et C3 selon l’invention sont préparées de manière analogue à partir des copolymères P2 et P3 selon l’invention.
On mesure ensuite la viscosité Brookfield à 25°C et à 100 tour/min de ces compositions au moyen d’un viscosimètre Brookfield DV1 équipé d’un mobile adapté à la plage de viscosité de la composition. On mesure également le seuil d’écoulement de ces compositions qui est la contrainte appliquée qui entraîne l’écoulement de la composition aqueuse. On met œuvre une rampe de contrainte variant de 0,01 à 1 000 Pa durant une période de 3 000 secondes avec un temps d’équilibrage de 30 secondes entre chaque mesure. La mesure de la contrainte de seuil d’écoulement a été réalisée à 25°C au moyen d’un rhéomètre à contrainte imposée Haake Mars III (ThermoFisher Scientific) équipé d’une géométrie de type cône-plan CP60-1/S (diamètre de 60 mm, angle de troncature de 1°) puis en utilisant le traitement par le logiciel RheoWin Data Manager. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 2.
On détermine également la viscoélasticité des compositions aqueuses C1, C2 et C3 selon l’invention en fonction de la fréquence à faibles déformations. La déformation imposée est sinusoïdale de forme γ = γ0 sin(ωt) avec γ0 fixé à 1 %. La fréquence ω suit une variation logarithmique des hautes fréquences aux basses fréquences (de 100 à 0,01 Hz). La réponse en contrainte mesurée est de type σ = σ0 sin(ωt+δ) avec δ le décalage de phase. Le cas échéant, le signal de la contrainte peut également être décomposé en partie en phase (réponse solide) et la part en opposition de phase (réponse liquide). Ces deux contributions sont exprimées dans la formule σ = γ0G’sin(ωt) + γ0G’’cos(ωt) dans laquelle G’ représente le module de stockage (ou module élastique) et G’’ représente le module de perte (ou module visqueux).
On détermine ainsi le caractère solide ou liquide de l’échantillon de composition aqueuse. Lorsque G’ > G’’, alors l’échantillon est solide. Lorsque G’’ > G’, alors l’échantillon est liquide. On peut définir tan δ = G’’ / G’ qui est l’angle de perte. Si tan δ = 0, le comportement est solide-élastique, si tan δ = 1, le comportement est visqueux. Lorsque 0 < tan δ < 1, la composition évaluée possède un comportement viscoélastique. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 3.
Les copolymères selon l’invention permettent donc d’épaissir des compositions aqueuses de manière importante. Les compositions aqueuses obtenues possèdent un seuil d’écoulement élevé. De plus, la valeur de tangente δ de ces compositions aqueuses selon l’invention se situe systématiquement entre 0 et 1 démontrant ainsi leur caractère viscoélastique. Ces propriétés sont obtenues en l’absence d’acide méthacrylique lors de la préparation des copolymères selon l’invention.

Claims (19)

  1. Copolymère P préparé en l’absence d’acide méthacrylique, par au moins une réaction de polymérisation :
    a. d'au moins un monomère (a) anionique choisi parmi l’acide acrylique, un sel d’acide acrylique, les oligomères de l’acide acrylique, les sels d’oligomères de l’acide acrylique et leurs combinaisons ;
    b. d’au moins un monomère (b) non-ionique choisi parmi le styrène, les esters en C1-C8d’un acide choisi parmi acide acrylique, acide méthacrylique et leurs combinaisons ;
    c. d’au moins un composé (c) choisi parmi acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique, méthacrylate de 2-sulfoéthyl, méthallyl sulfonate de sodium, styrène sulfonate, leurs sels et leurs combinaisons ;
    d. d’au moins un composé (d) réticulant ou comprenant au moins deux insaturations oléfiniques polymérisables.
  2. Copolymère P selon la revendication 1 pour lequel le monomère (a) est l’acide acrylique ou un mélange d’oligomères de l’acide acrylique de formule (I) :
    [Chem.1]

    (I)
    dans laquelle m est un nombre entier ou décimal allant de 1 à 10, de préférence allant de 2 à 4.
  3. Copolymère P selon l’une des revendications 1 ou 2 pour lequel le monomère (b) est choisi parmi :
    - acrylate d’alkyle, en particulier acrylate de C1-C8-alkyl, préférentiellement acrylate de C1-C4-alkyl, plus préférentiellement acrylate de méthyle, acrylate d’éthyle, acrylate de propyle, acrylate d’isobutyle, acrylate de n-butyle,
    - méthacrylate d’alkyle, en particulier méthacrylate de C1-C8-alkyl, préférentiellement méthacrylate de C1-C4-alkyl, plus préférentiellement méthacrylate de méthyle, méthacrylate d’éthyle, méthacrylate de propyle, méthacrylate d’isobutyle, méthacrylate de n-butyle,
    - acrylate d’aryle, de préférence phénylacrylate, benzylacrylate, phénoxyéthylacrylate,
    - méthacrylate d’aryle, de préférence phénylméthacrylate, benzylméthacrylate, phénoxyéthylméthacrylate et
    - leurs combinaisons.
  4. Copolymère P selon l’une des revendications 1 à 3 pour lequel le monomère (c) est choisi parmi l’acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS) et ses sels de sodium ou d’ammonium.
  5. Copolymère P selon l’une des revendications 1 à 4 pour lequel le composé (d) est choisi parmi les monomères aromatiques polyinsaturés comme divinylbenzene, divinyl naphthalène et trivinylbenzene, les monomères alicycliques polyinsaturés par exemple 1,2,4-trivinylcyclohexane, esters d’acide phthalique difonctionnels comme diallyl phthalate, éthers polyalkenyl tels que triallyl pentaerythritol, diallyl pentaerythritol, diallyl sucrose, octaallyl sucrose et triméthylolpropane diallyl éther, esters polyinsaturés de polyalcohols ou de polyacides comme 1,6-hexanediol di(méth)acrylate, tétraméthylène tri(méth)acrylate, allyl acrylate, diallyl itaconate, diallyl fumarate, diallyl maléate, triméthylolpropane tri(méth)acrylate, triméthylolpropane di(méth)acrylate, poly(alkylèneoxy) glycol di(méth)acrylate et polyéthylène glycol di(méth)acrylate, alkylène bisacrylamides comme méthylènebisacrylamide et propylène bisacrylamide, derivés hydroxy ou carboxy de méthylène bis-acrylamide comme Ν,Ν'-bisméthylol méthylène bisacrylamide, polyalkylèneglycol di(méth)acrylates comme éthylèneglycol di(méth)acrylate, diéthylèneglycol di(méth)acrylate, triéthylèneglycol di(méth)acrylate, allyl méthacrylate, éthylène glycol diméthacrylate, butylène glycol diméthacrylate, pentaerythritol di-, tri- et tetra-acrylates, poly(alkylèneoxy)glycol di(méth)acrylates tels que polyéthylène glycol diacrylate, bisphenol A diacrylate, butanediol diméthacrylate, 2,2-diméthylpropanediol diméthacrylate, phénylène diacrylate, un composé réticulant dissymétrique et leurs combinaisons.
  6. Copolymère P selon l’une des revendications 1 à 5 comprenant :
    - de 25 à 60 % en poids de monomère (a),
    - de 39,89 à 59 % en poids de monomère (b),
    - de 0,1 à 8 % en poids de monomère (c) et
    - de 0,01 à 8 % en poids de monomère (d).
  7. Copolymère P selon l’une des revendications 1 à 6 ayant une température de transition vitreuse (Tg), calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox, inférieure à 60°C, de préférence inférieure à 30°C.
  8. Copolymère P selon l’une des revendications 1 à 7 totalement ou partiellement neutralisé, de préférence au moyen d’un composé choisi parmi NaOH, KOH, LiOH, les dérivés ammonium, l’ammoniaque, les bases aminées, par exemples triéthanolamine, aminométhylpropanol ou 2-amino-2-méthyl-propanol (AMP) et leurs combinaisons.
  9. Copolymère P selon l’une des revendications 1 à 8 préparé par une réaction de polymérisation mettant également en œuvre au moins un monomère (e) hydrophobe comprenant une insaturation oléfinique polymérisable, des groupements polyalkylèneglycols et un groupement terminal hydrophobe, de préférence un groupement hydrocarboné linéaire, ramifié ou cyclique, saturé, insaturé ou aromatique, comprenant de 6 à 40 atomes de carbone.
  10. Copolymère P selon la revendication 9 pour lequel le monomère (e) est un composé de formule (VI) :
    [Chem.6]
    R6-(OE)q-(OP)r-R7
    (VI)
    dans laquelle :
    - q et r, identiques ou différents, représentent indépendamment 0 ou un nombre entier ou décimal, inférieur à 150, la somme q+r allant de 5 à 150, de préférence la somme q+r varie de 10 à 150, avantageusement de 10 à 100, plus avantageusement de 10 à 60,
    - OE représente un groupement CH2CH2O,
    - OP représente indépendamment un groupement choisi parmi CH(CH3)CH2O et CH2CH(CH3)O,
    - R6représente un groupement comprenant au moins une insaturation oléfinique polymérisable, de préférence un groupement choisi parmi acrylate, méthacrylate, acryluréthane, méthacryluréthane, vinyl, allyl, méthallyl, isoprényl, un groupement uréthane insaturé, notamment acryluréthane, méthacryluréthane, α-α'-diméthyl-isopropenyl-benzyluréthane, allyluréthane, plus préférentiellement un groupement choisi parmi acrylate, méthacrylate, acryluréthane, méthacryluréthane, vinyl, allyl, méthallyl et isoprényl, encore plus préférentiellement un groupement méthacrylate,
    - R7représente indépendamment un groupement hydrocarboné linéaire, ramifié ou cyclique, saturé, insaturé ou aromatique comprenant de 6 à 40 atomes de carbone, de préférence un groupement hydrocarboné comprenant de 6 à 32 atomes de carbone, plus préférentiellement de 8 à 30 atomes de carbone.
  11. Copolymère P selon l’une des revendications 1 à 10 comprenant de 0,4 à 30 % en poids de monomère (e) par rapport à la quantité totale de monomères.
  12. Composition aqueuse C comprenant au moins un copolymère P selon l’une des revendications 1 à 11 et des particules solides, liquides ou gazeuses, et éventuellement un composé liant.
  13. Composition C selon la revendication 12 comprenant de 0,1 à 5 % en poids, de préférence de 0,5 à 3 % en poids, de copolymère P.
  14. Composition C selon l’une des revendications 12 ou 13 pour laquelle les particules sont des particules d’un produit choisi parmi un produit cosmétique, un produit phytosanitaire, un engrais, un produit de recouvrement.
  15. Composition C selon l’une des revendications 12 à 14 qui est une composition aqueuse C de vernis comprenant un copolymère P selon l’une des revendications 1 à 11, des particules d’un pigment et un composé liant sous forme de latex, éventuellement un composé dispersant de pigment ; de préférence un composé liant dont la température de transition vitreuse, calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox, est la même +/-10°C que la température de transition vitreuse du copolymère P.
  16. Composition C selon l’une des revendications 12 à 15 qui a un pH allant de 3 à 13, de préférence un pH allant de 5 à 13 ou un pH allant de 4 à 8 ou encore un pH allant de 5 à 7.
  17. Méthode de préparation d’une composition aqueuse C, viscoélastique et suspensive comprenant l’introduction d’au moins un copolymère P selon l’une des revendications 1 à 11 et l’agitation de la composition C.
  18. Méthode de stabilisation d’une composition C de vernis comprenant l’introduction dans une composition aqueuse C de base de vernis d’au moins un copolymère P selon l’une des revendications 1 à 11, de préférence dans une composition C de base de vernis comprenant un composé liant sous la forme d’un latex dont la température de transition vitreuse est la même +/-10°C que la température de transition vitreuse du copolymère P, calculée au moyen de l’équation de Flory-Fox.
  19. Méthode de contrôle du seuil d’écoulement d’une composition aqueuse comprenant l’introduction dans la composition aqueuse d’au moins un copolymère P selon l’une des revendications 1 à 11, de préférence le seuil d’écoulement de cette composition aqueuse, mesuré selon la méthode comprenant la mesure de la contrainte de seuil d’écoulement qui est réalisée à 25°C au moyen d’un rhéomètre à contrainte imposée Haake Mars III (ThermoFisher Scientific) équipé d’une géométrie de type cône-plan CP60-1/S (diamètre de 60 mm, angle de troncature de 1°) puis en utilisant le traitement par le logiciel RheoWin Data Manager, est supérieur à 0,1 Pa, plus préférentiellement supérieur à 0,5 Pa ou bien supérieur à 2 Pa, de préférence supérieur à 4 Pa.
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