ADDUIT D'EPOXY A BASE DE POLYDIENE AMINO TELECHELIQUE ET SON EPOXY ADDUIT BASED ON AMINO TELECHELIC POLYDIENE AND ITS SOUND
APPLICATION DANS LE RENFORCEMENT AUX CHOCS DE RESEAUX EPOXYAPPLICATION IN STRENGTHENING TO SHOCK OF EPOXY NETWORKS
L'invention se rapporte au domaine des matériaux époxy et plus particulièrement aux additifs ayant un caractère caoutchoutique utilisés comme renforçateur aux chocs des réseaux époxy.The invention relates to the field of epoxy materials and more particularly to additives having a rubbery character used as impact enhancer for epoxy networks.
Selon l'invention par matériaux époxy on entend tout produit de la réaction d'un oligomère porteur de fonctions oxirane ou époxyde (dit « résines époxy ») et d'un durcisseur. De par les réactions mises en jeu lors de la réticulation de ces résines époxy, on aboutit en fin de réaction à un matériau réticulé correspondant à un réseau tridimensionnel plus ou moins dense selon les caractéristiques de base des résines et durcisseurs employées. A ce titre, les notions de poids équivalent époxy (ou EEW) et de fonctionnalité de la résine époxy sont critiques afin de régler la densité du réseau obtenu. Ces matériaux époxy sont utilisés dans diverses industries. A titre indicatif on peut citer l'industrie aéronautique (voilure d'avions, pale d'hélicoptère), l'industrie pétrolière (tube d'exploitation, citerne, cuve), l'industrie des équipements sportifs (raquettes de tennis, clubs de golf).According to the invention, by epoxy materials is meant any product of the reaction of an oligomer carrying oxirane or epoxide functions (known as “epoxy resins”) and a hardener. Due to the reactions involved in the crosslinking of these epoxy resins, the end of the reaction results in a crosslinked material corresponding to a more or less dense three-dimensional network depending on the basic characteristics of the resins and hardeners used. As such, the notions of epoxy equivalent weight (or EEW) and functionality of the epoxy resin are critical in order to adjust the density of the network obtained. These epoxy materials are used in various industries. As an indication we can cite the aeronautical industry (airfoil, helicopter blade), the petroleum industry (operating tube, tank, tank), the sports equipment industry (tennis rackets, golf).
Les matériaux époxy sont intrinsèquement fragiles de par leur densité de réseau élevée garante de haute température de transition vitreuse (Tg) et par conséquent de performances thermomécaniques élevées. Cette fragilité est rhédibitoire dans de nombreuses applications aussi bien pour des applications adhésifs (valeurs de force de pelage réduites) que matériaux (tenue aux chocs médiocre) et il est indispensable de trouver des moyens pour améliorer la résistance au choc de ces matériaux sans en réduire les performances thermomécaniques (valeurs de Tg et de module élevées). La voie actuelle la plus usitée consiste à disperser au sein de la matrice époxy fragile une phase caoutchoutique. L'invention entend apporter une voie originale de renforcement choc des matériaux époxy par dispersion d'une nouvelle phase caoutchoutique.
De nombreux documents décrivent le renforcement aux chocs de réseaux époxy par des oligomères à base de butadiène et d'acrylonitrile terminés soit par des fonctions de type acide carboxylique désignés par CTBN, comme décrit dansEpoxy materials are inherently fragile due to their high network density which guarantees high glass transition temperature (Tg) and therefore high thermomechanical performance. This fragility is essential in many applications both for adhesive applications (reduced peel strength values) and materials (poor impact resistance) and it is essential to find means to improve the impact resistance of these materials without reducing them. thermomechanical performance (high Tg and modulus values). The most commonly used current route consists in dispersing a rubber phase within the fragile epoxy matrix. The invention intends to provide an original way of impact strengthening of epoxy materials by dispersing a new rubber phase. Numerous documents describe the impact reinforcement of epoxy networks by oligomers based on butadiene and acrylonitrile terminated either by carboxylic acid type functions designated by CTBN, as described in
EP 353190 soit par des fonctions aminé désignés par ATBN, comme décrit dans DE 3639570.EP 353190 or by amino functions designated by ATBN, as described in DE 3639570.
Pour ce genre d'additif, le butadiène apporte le caractère caoutchoutique alors que l'acrylonitrile apporte la miscibilité initiale avec la résine époxy avant sa réticulation.For this type of additive, butadiene provides the rubbery character while acrylonitrile provides initial miscibility with the epoxy resin before crosslinking.
Cependant les copolymères fonctionnels de butadiène et d' acrylonitrile (amino- ou carboxy-téléchéliques) présentent l'inconvénient de posséder des viscosités élevées et des températures de transition vitreuse d'autant plus élevées que leur taux d'acrylonitrile est plus fort. Ces deux caractéristiques sont respectivement gênantes à la fois pour la mise en œuvre de ces systèmes par coulée à température ambiante mais aussi pour le comportement à basse température. Néanmoins, la suppression du comonomère acrylique a peu été envisagée du fait que c'est l'acrylonitrile qui apporte la miscibilité initiale avec les résines époxy.However, the functional copolymers of butadiene and acrylonitrile (amino- or carboxy-telechelic) have the drawback of having high viscosities and glass transition temperatures the higher the higher their acrylonitrile content. These two characteristics are respectively troublesome both for the implementation of these systems by casting at room temperature but also for the behavior at low temperatures. However, the deletion of the acrylic comonomer has been little considered since it is acrylonitrile which provides the initial miscibility with the epoxy resins.
Nous avons trouvé maintenant une solution qui permet d'utiliser un oligomère amino téléchélique de diène conjugué exempt d'acrylonitrile ayant une basse viscosité et une basse température de transition vitreuse. Cet oligomère améliore la résistance au choc des matériaux époxy tout en assurant une compatibilité initiale satisfaisante avec la résine époxy.We have now found a solution which allows the use of an acrylonitrile-free conjugated diene amino telechelic oligomer having a low viscosity and a low glass transition temperature. This oligomer improves the impact resistance of epoxy materials while ensuring satisfactory initial compatibility with the epoxy resin.
La solution trouvée par la Demanderesse est basée sur l'utilisation comme renforçateur aux chocs d'un adduit époxy constituant lui-même un objet de l'invention.The solution found by the Applicant is based on the use as an impact enhancer of an epoxy adduct itself constituting an object of the invention.
L'adduit époxy de l'invention est le produit de la réaction d'un oligomère amino téléchélique de diène conjugué et d'une résine époxy.The epoxy adduct of the invention is the product of the reaction of a telechelic amino oligomer of conjugated diene and an epoxy resin.
On utilisera de préférence un rapport molaire entre les fonctions oxirane et les fonctions aminé qui permette d'éviter la gélification de l'adduit. Cette
synthèse peut se faire en phase solvant par exemple avantageusement dans le toluène mais on la réalisera de façon préférentielle en masse.It is preferable to use a molar ratio between the oxirane functions and the amine functions which makes it possible to avoid gelling of the adduct. This synthesis can be carried out in the solvent phase, for example advantageously in toluene, but it will preferably be carried out in bulk.
L'oligomère amino téléchélique de diène conjugué répond à la formule générale suivante (réactif 1) :The telechelic amino oligomer of conjugated diene corresponds to the following general formula (reagent 1):
dans laquelle :in which :
- R1 , R2, R3 et R4 identiques ou différents sont sélectionnés indépendamment dans le groupe contenant :- R1, R2, R3 and R4, identical or different, are independently selected from the group containing:
-les radicaux alkyles linéaires ou ramifiés ayant un nombre d'atomes de carbone compris entre 1 et 20, de préférence entre 1 et 4, éventuellement substitués par un ou plusieurs substituants sélectionnés parmi les substituants hydroxy, alkoxy en C1à C 6 et halogène,linear or branched alkyl radicals having a number of carbon atoms between 1 and 20, preferably between 1 and 4, optionally substituted by one or more substituents selected from the hydroxy, C1 to C6 alkoxy and halogen substituents,
-les radicaux cycloalkyles ayant 3 à 12 atomes de carbone, éventuellement substitués par un ou plusieurs substituants sélectionnés parmi les groupes alkyles en C1 à C6, alkoxy en C1 à C6 , hydroxy et halogène, -les radicaux aralkyles éventuellement substitués par un ou plusieurs substituants sélectionnés parmi les groupes alkyles en C1 à C6, alkoxy en C1 à C6 , hydroxy et halogène,-cycloalkyl radicals having 3 to 12 carbon atoms, optionally substituted by one or more substituents selected from C1 to C6 alkyl, C1 to C6 alkoxy, hydroxy and halogen groups, -alkyl radicals optionally substituted by one or more substituents selected from C1 to C6 alkyl, C1 to C6 alkoxy, hydroxy and halogen groups,
-les radicaux aryles éventuellement substitués par un ou plusieurs substituants sélectionnés parmi les groupes alkyles en Cl à C6, alkoxy en C1 à C6 , hydroxy et halogène, avec au moins une des combinaisons R1-R2 et R3-R4 pouvant éventuellement former un cycle aliphatique
-A est au moins un monomère choisi dans le groupe contenant : le butadiène, l'isoprène, le chloroprène.the aryl radicals optionally substituted with one or more substituents selected from C1 to C6 alkyl, C1 to C6 alkoxy, hydroxy and halogen groups, with at least one of the combinations R1-R2 and R3-R4 which may optionally form an aliphatic ring -A is at least one monomer chosen from the group containing: butadiene, isoprene, chloroprene.
L'oligomère amino téléchélique de diène conjugué préféré de l'invention est un oligomère de butadiène amino téléchélique partiellement hydrogéné tel que celui pouvant être obtenu selon US 5 760 157 au nom de la Demanderesse, désigné ci-après par PBAT. Le PBAT est obtenu par exemple dans un procédé en deux étapes où on prépare tout d'abord, dans un solvant, un oligomère cyanotéléchélique par amorçage du butadiène par l'azobisisobutyronitrile (AIBN) dont on hydrogène ensuite les bouts de chaînes en présence d'un catalyseur à base de cobalt de Raney.The preferred telechelic amino conjugated diene oligomer of the invention is a partially hydrogenated telechelic amino butadiene oligomer such as that obtainable according to US 5,760,157 in the name of the Applicant, hereinafter referred to as PBAT. The PBAT is obtained for example in a two-step process in which a cyanotelechelic oligomer is first prepared in a solvent by priming butadiene with azobisisobutyronitrile (AIBN), the chain ends of which are then hydrogenated in the presence of a Raney cobalt catalyst.
L'oligomère aminotéléchélique de diène conjugué selon l'invention peut également être préparé à partir de ses homologues carboxy téléchéiiques ou hydroxytéléchéliques selon des réactions de chimie organique connues de l'homme du métier. La nature des groupement entre le squelette polydiène et les fonctions amino téléchéiiques n'est pas critique pour réaliser l'invention.The aminotelechelic oligomer of conjugated diene according to the invention can also be prepared from its teleoxy or hydroxytelechelic carboxy counterparts according to organic chemistry reactions known to those skilled in the art. The nature of the groups between the polydiene skeleton and the amino telecholic functions is not critical for carrying out the invention.
Par résine époxy désigné ci-après par E on entend tout composé organique possédant au moins deux fonctions de type oxirane, polymérisable par ouverture de cycle. Les résines époxy revendiquées couvrent toutes les résines époxy usuelles liquides à température ambiante ou à température plus élevée. Ces résines époxy peuvent être monomériques ou polymériques d'une part, aliphatiques, cycloaliphatiques, hétérocycliques ou aromatiques d'autre part. Ces résines peuvent être obtenues par réaction d'éthers aromatiques glycidiques avec un excès molaire d'épichlorhydrine. Ces résines sont décrites dans « Handbook of Epoxy resins » par Lee et Nevill, Me Graw-Hill Book Co, New York (1967) . A titre d'exemples de telles résines époxy, on peut citer le diglycidyl éther de résorcinol, le diglycidyl éther de bisphénol A, le triglycidyl p-amino phénol, le diglycidyl éther de bromo-bisphénol F, le triglycidyl éther de m-amino phénol, le tétraglycidyl méthylène dianiline, le triglycidyl éther de (trihydroxyphényl) méthane, les polyglycidyl éthers de phénol-formaldéhyde novolac, les
polyglycidyl éthers d'orthocrésol novolac et les tétraglycidyl éthers de tétraphényl éthane. Des mélanges d'au moins de deux de ces résines peuvent aussi être utilisées.By epoxy resin designated below by E is meant any organic compound having at least two functions of the oxirane type, polymerizable by ring opening. The epoxy resins claimed cover all the usual epoxy resins which are liquid at room temperature or at a higher temperature. These epoxy resins can be monomeric or polymeric on the one hand, aliphatic, cycloaliphatic, heterocyclic or aromatic on the other hand. These resins can be obtained by reacting aromatic glycidic ethers with a molar excess of epichlorohydrin. These resins are described in "Handbook of Epoxy resins" by Lee and Nevill, Me Graw-Hill Book Co, New York (1967). Examples of such epoxy resins include the diglycidyl ether of resorcinol, the diglycidyl ether of bisphenol A, the triglycidyl p-amino phenol, the diglycidyl ether of bromo-bisphenol F, the triglycidyl ether of m-amino phenol , tetraglycidyl methylene dianiline, triglycidyl ether of (trihydroxyphenyl) methane, polyglycidyl ethers of phenol-formaldehyde novolac, novolac orthocresol polyglycidyl ethers and tetra glycidyl ethers of tetraphenyl ethane. Mixtures of at least two of these resins can also be used.
On préférera les résines époxy possédant au moins 1.5 fonction oxirane par molécule et plus préférentiel lement encore les résines époxy contenant entre 2 et 4 fonctions oxirane par molécule. On préférera également les résines époxy possédant au moins un cycle aromatique comme les diglycidyl éthers du bisphénol A.We prefer epoxy resins having at least 1.5 oxirane function per molecule and more preferably still epoxy resins containing between 2 and 4 oxirane functions per molecule. Also preferred are epoxy resins having at least one aromatic ring such as the diglycidyl ethers of bisphenol A.
L'adduit de l'invention préparé selon le mode décrit ultérieurement peut être schématisé de la manière suivante :The adduct of the invention prepared according to the method described later can be diagrammed as follows:
obtenu en faisant réagir le composé 1 décrit plus haut avec E dans un rapport molaire oxirane / NH2 supérieur à 4 et de préférence compris entre 6 et 12. E' est un motif dérivé de E par ouverture d'une fonction oxirane et contient au moins une fonction oxirane terminale.obtained by reacting the compound 1 described above with E in an oxirane / NH 2 molar ratio greater than 4 and preferably between 6 and 12. E 'is a unit derived from E by opening an oxirane function and contains at minus a terminal oxirane function.
Il est bien connu de l'homme du métier que la préparation de tels adduits, selon les conditions de synthèse utilisées, peut engendrer, par la réction entre une fonction époxyde terminale et une nouveau oligomère, un certain degré d'allongement de chaîne dudit adduit.It is well known to those skilled in the art that the preparation of such adducts, depending on the synthesis conditions used, can cause, by the reaction between a terminal epoxide function and a new oligomer, a certain degree of chain elongation of said adduct .
Un autre objet de l'invention est l'utilisation de l'adduit époxy comme renforçateur aux chocs des réseaux époxy.Another object of the invention is the use of the epoxy adduct as an impact enhancer for epoxy networks.
Selon une forme de l'invention cette application est réalisée de la façon suivante : La résine époxy et le modifiant choc (CTBN ou adduit époxy de PBAT préparé ci-dessus) sont mélangés et dégazés sous vide pendant une heure à 50°C.According to one form of the invention, this application is carried out as follows: The epoxy resin and the impact modifier (CTBN or epoxy adduct of PBAT prepared above) are mixed and degassed under vacuum for one hour at 50 ° C.
Le durcisseur est ajouté à température ambiante en quantité stoéchiométrique par
rapport à la résine époxy et au modifiant choc. Le mélange est ensuite dégazé à température ambiante pendant 15 minutes puis il est coulé dans un moule constitué de deux plaques métalliques recouvertes de tissu téfloné séparées par un cadre en téflon. Les mélanges réactionnels sont alors réticulés pendant un temps donné à une température donnée dans une enceinte thermorégulée.The hardener is added at room temperature in stoichiometric quantity by compared to epoxy resin and impact modifier. The mixture is then degassed at room temperature for 15 minutes then it is poured into a mold consisting of two metal plates covered with teflon-coated fabric separated by a teflon frame. The reaction mixtures are then crosslinked for a given time at a given temperature in a thermoregulated enclosure.
De manière générale on utilise comme durcisseurs les durcisseurs des résines époxy qui réagissent à température ambiante dans le cadre de systèmes dits « bi-composant » ou à des températures supérieures à la température ambiante dans le cadre de systèmes dits « mono-composant ». Le choix de l'agent réticulant se fait en fonction de l'application envisagée. A titre d'exemples de tels agents de réticulation, on peut citer des anhydrides d'acides comme l'anhydride succinique, l'anhydride tétrahydrophtalique, l'anhydride nadique ou des oligomères porteurs de fonctions anhydrides comme les copolymères de styrène et d'anhydride maléique produits par la Demanderesse, la dicyandiamide et ses dérivés, des dihydrazides organiques comme celui de l'acide sébacique, des polyamines aliphatiques, cycloaliphatiques ou aromatiques.Generally, hardeners are used as hardeners of epoxy resins which react at room temperature in the context of so-called “two-component” systems or at temperatures above ambient temperature in the context of so-called “single-component” systems. The choice of crosslinking agent is based on the intended application. By way of examples of such crosslinking agents, there may be mentioned acid anhydrides such as succinic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, nadic anhydride or oligomers carrying anhydride functions such as styrene and anhydride copolymers maleic produced by the Applicant, dicyandiamide and its derivatives, organic dihydrazides such as that of sebacic acid, aliphatic, cycloaliphatic or aromatic polyamines.
Quelle que soit la forme de réalisation de l'invention, le taux d'adduit utilisé peut être choisi afin d'introduire une quantité pondérale de PBAT comprise entre 1 et 50 % en poids par rapport au poids total époxy + durcisseur et de préférence entre 5 et 20 % par rapport au total époxy + durcisseur.Whatever the embodiment of the invention, the level of adduct used can be chosen in order to introduce a weight amount of PBAT of between 1 and 50% by weight relative to the total weight of epoxy + hardener and preferably between 5 and 20% compared to the total epoxy + hardener.
Divers autres adjuvants peuvent être introduits dans la formulation en fonction de l'application visée. Parmi ces adjuvants, on peut citer des plastifiants non réactifs de type phtalates, des agents rhéologiques comme la silice pyrogénée, des pigments, des charges, des fibres renforçantes, des catalyseurs. Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée :Various other adjuvants can be introduced into the formulation depending on the intended application. Among these adjuvants, mention may be made of non-reactive plasticizers of the phthalate type, rheological agents such as fumed silica, pigments, fillers, reinforcing fibers, catalysts. The following examples illustrate the invention without limiting its scope:
EXEMPLESEXAMPLES
Produits utilisés
Résine époxy : il s'agit d'un éther diglycidique du Bisphénol A (DGEBA) possédant un équivalent poids époxy (EEW) de 190 g/mol et une viscosité de 4Products used Epoxy resin: it is a diglycidic ether of Bisphenol A (DGEBA) having an epoxy weight equivalent (EEW) of 190 g / mol and a viscosity of 4
Pa.s à 33.5°C commercialisé par la société CIBA sous la référence commercialePa.s at 33.5 ° C marketed by the company CIBA under the commercial reference
Bakélite 164. Durcisseur : il s'agit de la 4,4'-diamino 3,3'-diméthyldicyclohexylméthane possédant une masse molaire de 238 g/mol (ou un équivalent poids aminé (AEW) de 1 19 g/mol) commercialisée par la société BASF sous la référence commercialeBakelite 164. Hardener: this is 4,4'-diamino 3,3'-dimethyldicyclohexylmethane having a molar mass of 238 g / mol (or an amino acid equivalent (AEW) of 1 19 g / mol) sold by BASF under the commercial reference
Laromin C260.Laromin C260.
PBAT : il s'agit d'un oligomère aminotéléchélique de butadiène synthétisé selon US 5 760 157 possédant une viscosité de 1300 mPa.s à 30°C et une masse équivalente d'aminé de 833 g/mol.PBAT: it is an aminotelechelic oligomer of butadiene synthesized according to US 5,760,157 having a viscosity of 1300 mPa.s at 30 ° C and an equivalent mass of amine of 833 g / mol.
CTBN : il s'agit d'un copolymère carboxytéléchélique de butadiène et d'acrylonitrile possédant un taux de fonction acide de 0.052 mole d'acide par 100 g de CTBN et une viscosité Brookfield de 1500 P à 27°C commercialisé par la société B.F. Goodrich sous la référence commerciale Hycar 1300*8.CTBN: it is a carboxy-telechelic copolymer of butadiene and acrylonitrile having an acid functional rate of 0.052 mole of acid per 100 g of CTBN and a Brookfield viscosity of 1500 P at 27 ° C sold by the company BF Goodrich under the commercial reference Hycar 1300 * 8.
Préparation de l'adduit :Adduct preparation:
Dans un réacteur muni d'une ancre d'agitation, d'une arrivée d'azote gazeux et d'un thermomètre, on charge 100 g de PBAT et 182.5 g de résine époxy, ce qui correspond à un rapport molaire de 8 fonctions époxy par fonction NH2. Le mélange réactionnel initialement hétérogène est porté à 100°C par immersion dans un bain d'huile thermorégulé et la réaction a lieu pendant trois heures sous atmosphère inerte d'azote. On récupère ainsi un adduit époxy de100 g of PBAT and 182.5 g of epoxy resin are loaded into a reactor equipped with a stirring anchor, a nitrogen gas inlet and a thermometer, which corresponds to a molar ratio of 8 epoxy functions by NH 2 function. The initially heterogeneous reaction mixture is brought to 100 ° C. by immersion in a thermoregulated oil bath and the reaction takes place for three hours under an inert nitrogen atmosphere. We thus recover an epoxy adduct of
PBAT (ADD1) qui se présente sous la forme d'un liquide monophasique possédant une masse équivalente époxy de 392 g/mol.PBAT (ADD1) which is in the form of a monophasic liquid having an equivalent epoxy mass of 392 g / mol.
Caractérisation des matériaux époxyCharacterization of epoxy materials
Température de transition vitreuse : elles ont été mesurées par Calorimétrie Différentielle à balayage. La valeur de Tg a été mesurée lors d'un second balayage en température avec une rampe de montée en température de 10°C/min.
Module d'Young : les modules d'Young ont été mesurés lors d'essais en traction selon la norme ISO R527.Glass transition temperature: they were measured by differential scanning calorimetry. The Tg value was measured during a second temperature sweep with a temperature rise ramp of 10 ° C / min. Young's modulus: Young's moduli were measured during tensile tests according to ISO standard R527.
Choc Charpy : les résistances au choc ont été effectuées selon la norme ISO 179/1 Ae.Charpy shock: the impact resistances were carried out in accordance with ISO standard 179/1 Ae.
Mécanique linéraire élastique de la rupture : les valeurs de ténacité à la rupture (K1c) ont été mesurées selon la norme ISO/DIS 13586.2 (1998).Elastic linear fracture mechanics: the fracture toughness values (K 1c ) were measured according to ISO / DIS 13586.2 (1998).
Dispersion des particules renforçantes dans la matrice époxy : la dispersion a été analysée par microscopie électronique à balayage.Dispersion of reinforcing particles in the epoxy matrix: the dispersion was analyzed by scanning electron microscopy.
Résultats obtenus :Results obtained:
Formulations préparées :Prepared formulations:
EPOl est une formulation selon l'invention et EP02/EP03 deux contre exemples. Les deux formulations EPOl et EP02 contiennent 10 % en poids d'oligomères fonctionnels de butadiène (respectivement CTBN et PBAT).EPOl is a formulation according to the invention and EP02 / EP03 two against examples. The two formulations EPOl and EP02 contain 10% by weight of functional butadiene oligomers (CTBN and PBAT respectively).
Conditions de cuisson :Cooking conditions:
Les coulées sont tout d'abord pré-cuites selon un premier cycle puis postcuites selon un second cycle. Les formulations ci-dessus ont été réticulées selon les conditions suivantes :
The castings are first pre-cooked in a first cycle and then post-cooked in a second cycle. The above formulations were crosslinked under the following conditions:
Diamètre moyen des particulesAverage particle diameter
Tg des matériaux époxy Tg of epoxy materials
Ténacité à la rupture :Tenacity at break:
Choc CharpyCharpy shock
Module d'Young :Young's modulus: