Composition polyamide branché ignifugée
La présente invention concerne une composition ignifugée comprenant au moins un polyamide branché et un système d'ignifugation. Une telle composition permet d'obtenir des articles présentant une faible propagation des flammes lorsqu'ils entrent en combustion ainsi que des propriétés mécaniques satisfaisantes. Cette composition est notamment utile pour la réalisation d'articles moulés employés dans le domaine de la connectique électrique ou électronique.
Les compositions à base de résine polyamide sont utilisées pour la réalisation d'articles par différents procédés de mise en forme. Ces articles sont utilisés dans de nombreux domaines techniques.
Parmi ceux-ci, la réalisation de pièces de systèmes électriques ou électroniques est une application importante requérant des propriétés particulières. Ainsi, ces pièces doivent présenter des propriétés mécaniques élevées mais également des propriétés de résistance chimique, d'isolation électrique, ainsi qu'une bonne ignifugation lorsque ces pièces rentrent en combustion.
L'ignifugation des compositions à base de résine polyamide linéaires a été étudiée depuis très longtemps. Ainsi, les ignifugeants principaux utilisés sont le phosphore rouge, les composés halogènes tels que les polybromodiphényles, les polybromodiphénoxydes, les polystyrènes bromes, des composés organiques azotés appartenant à la classe des triazines telles que la mélamine ou ses dérivés comme le cyanurate de mélamine et plus récemment les phosphates, polyphosphates et pyrophosphates de mélamine, les acides organo- phosphoreux et leurs sels, en particulier en association avec des polymères thermoplastiques, tels que des polyamides linéaires (DE-A-2 252 258, DE-A-2 447 727 et US 6,255,371). On recherche de manière constante des compositions à base de polyamide ayant des propriétés d'ignifugation de plus en plus élevée. Par ailleurs, les ignifugeants, utilisées généralement dans des quantités importantes conduisent à des problèmes de mise en forme des pièces. De plus, certains ignifugeants contenant des halogènes ou du phosphore rouge peuvent générer des gaz ou vapeurs toxiques lors de la combustion de la composition
polyamide. En outre, les ignifugeants sont connus pour être instables à des températures élevées. Ainsi, une partie des ignifugeants se dégrade lors du procédé de fabrication du polyamide, diminuant ainsi leur efficacité ignifugeante.
Il existe ainsi un besoin de compositions à base de polyamide pour la réalisation d'articles moulés ayant des propriétés mécaniques satisfaisantes et une bonne ignifugation, tout en évitant les inconvénients mentionnés précédemment.
La présente invention concerne une composition, notamment destinée à la fabrication d'articles, comprenant au moins des polyamides branchés et un système d'ignifugation à base d'agents ignifugeants.
La demanderesse a découvert de manière tout à fait surprenante que les polyamides branchés et les agents ignifugeants agissent en synergie et permettent d'obtenir des articles présentant une faible propagation des flammes, de bonnes propriétés mécaniques et une bonne stabilité thermique par rapport aux compositions de l'art antérieur comprenant des polyamides linéaires.
La présente invention concerne une composition ignifugée comprenant au moins : a) un polyamide branché comprenant un cœur ayant au moins trois fonctions initiatrices de polymérisation, et b) un système d'ignifugation, à l'exception d'une combinaison de sel d'acide phosphinique et d'un produit de réaction entre de l'acide phosphorique et de la mélamine ou un dérivé de la mélamine.
On entend par polyamide branché un polyamide non linéaire comprenant des chaînes macromoléculaires généralement liées à des composés ou monomères multifonctionnels. Un polyamide branché comprend au moins un cœur ayant au moins trois fonctions initiatrices de polymérisation, identiques ou différentes, capables de former une liaison amide. Ce sont généralement des fonctions acides ou dérivés d'acides et des fonctions aminés ou dérivés d'aminés.
Les polyamides branchés sont décrits dans de nombreux brevets et publications et sont bien connus de l'homme du métier. Selon l'invention, les polyamides branchés peuvent être, par exemple, des polyamides à structure H, étoile (star), arbre (tree), hyperbranchée. Les polyamides branchés préférés sont ceux ayant une fluidité en fondue plus élevée, par rapport au polyamide linéaire de même poids moléculaire. Les polymères ou compositions polymères comprenant des structures étoiles ou H sont par exemple décrits dans les
documents FR743077, FR2779730, US5959069, EP0632703, EP0682057, US6160080 et EP0832149. Les polymères ou compositions polymères comprenant des structures arborescentes, ou arbre, sont par exemple décrits dans les documents FR2766197 et WO9903909. Les polymères ou compositions polymères comprenant des polyamides hyperbranchés sont par exemple décrits dans le document WO0068298.
Les polyamides étoiles peuvent être obtenues par utilisation d'un composé multifonctionnel présentant au moins trois fonctions réactives, toutes les fonctions réactives pouvant être identiques ou différentes. Ce composé multifonctionnel peut être utilisé comme comonomère en présence d'autres monomères dans un procédé de polymérisation. Les structures étoiles comportent un cœur et un certain nombre de branches polyamides, généralement au moins trois. Les branches sont liées au cœur par une liaison covalente de type polyamide. Le cœur est un composé chimique organique ou organométallique, de préférence un composé hydrocarboné comportant éventuellement des hétéroatomes et auquel sont reliées les branches. Les branches sont des chaînes polyamides. Les chaînes polyamides constituant les branches sont de préférence du type de celles obtenues par polymérisation des lactames ou aminoacides, par exemple de type polyamide 6.
Le polyamide étoile préféré selon l'invention est un polyamide comprenant au moins des chaînes macromoléculaires de formule (I) : R,-[-A-X-(-Y-R2-Z-)n-R3]m (I) et éventuellement des chaînes macromoléculaires de formule (II) :
R4-[-Y-R2-Z-]p-R3 (II) dans lesquelles :
— , — -C—
- Y est le radical : R 5 quand X et Z représentent le radical : r °! ;
-C— — —
"I i - Y est le radical : ° quand X et Z représentent le radical : 5 ;
- A est une liaison covalente ou un radical hydrocarboné aliphatique pouvant comprendre des hétéroatomes et comprenant de 1 à 20 atomes de carbone, préférentiellement de 1 à 10 atomes de carbone ;
- Ri est un radical hydrocarboné comprenant au moins 2 atomes de carbone, linéaire ou cyclique, aromatique ou aliphatique, préférentiellement de 2 à 6 atomes de carbone, et pouvant comprendre des hétéroatomes ;
- R2 est un radical hydrocarboné aliphatique ou aromatique ramifié ou non comprenant de 2 à 20 atomes de carbone, préférentiellement de 6 à 12 atomes de carbone ;
- R3 et Rt représentent indépendamment l'un de l'autre l'hydrogène, un radical -OH, et/ou un radical hydrocarboné comprenant au moins un groupement :
-C— — N— Il I ° ou Rs ;
- R5 représente l'hydrogène ou un radical hydrocarboné comprenant notamment de 1 à 6 atomes de carbone ;
- m représente un nombre entier compris entre 3 et 8 (bornes incluses), préférentiellement entre 3 et 4 ; - n représente un nombre entier compris entre 50 et 200 (bornes incluses), préférentiellement entre 100 et 200, particulièrement entre 150 et 200 ; et
- p représente un nombre entier compris entre 50 et 200 (bornes incluses), préférentiellement entre 100 et 200, particulièrement entre 150 et 200.
Le polyamide étoile selon l'invention est notamment décrit dans le brevet US6160080, cité ici à titre de référence.
Préférentiellement, la composition selon l'invention comprend de 30 à 99 % en poids de polyamide étoile, préférentiellement de 30 à 77 %, par rapport au poids total de la composition.
Le radical Ri peut être un radical choisi parmi le groupe cycloaliphatique, arylaliphatique, et aliphatique linéaire. Préférentiellement, dans ce cas là, le rapport massique entre le poids de chaînes polymériques de formule (I) et le poids total de chaînes polymériques de formules (I) et (II) est compris entre 0,10 et 1. Le radical Ri peut être un radical aromatique. Préférentiellement, dans ce cas là, le rapport massique entre le poids de chaînes polymériques de formule (I) et le poids total de chaînes polymériques de formules (I) et (II) est inférieur à 1, de préférence inférieur à 0,9. Ri peut représenter un radical choisi parmi le radical cyclohexanontétrayle, le radical 1,1,1-triyle propane, le radical
^N-CH2-H2C-N^ 1 ,2,3-triyle propane et le radical : ^ .
Comme autres radicaux Rj convenables pour l'invention, on peut citer, à titre d'exemple, les radicaux trivalents de phényle et cyclohexanyle substitués ou non, les radicaux tétravalents de diaminopolyméthylène avec un nombre de groupes méthylène compris avantageusement entre 2 et 12 tels que le radical provenant de l'EDTA (acide éthylène diamino tétracétique), les radicaux octovalents de cyclohexanonyle ou cyclohexadinonyle,
et les radicaux provenant de composés issus de la réaction des polyols tels que glycol, pentaérythritol, sorbitol ou mannitol avec l'acrylonitrile.
Généralement, les radicaux R2 sont des restes d'aminoacides ou de lactames. R peut être un radical pentaméthylénique. Dans ce mode de réalisation le polyamide a une structure type polycaproamide ou PA 6. D'autres radicaux R2 peuvent être utilisés tels que les radicaux undécaméthylénique qui conduisent à un polyamide à structure type PA 12. Il est également possible d'obtenir des polyamides présentant des radicaux R2 comprenant 8 ou
10 atomes de carbone correspondant respectivement à des polyamides de structure type PA9 et PAl l. Le radical A, de préférence, est un radical méthylénique ou polyméthylénique tel que les radicaux éthyle, propyle ou butyle, ou un radical polyoxyalkylènique tel que le radical polyoxyethylènique. Comme mentionné précédemment, R et R4 peuvent représenter un atome d'hydrogène et/ou un radical -OH. Il est entendu que R3 peut représenter un radical -OH, lorsque Z
— C —
II représente un radical ° ; et R4 peut représenter un radical -OH, lorsque Y
— C —
II représente un radical O . De même, R3 peut représenter un atome d'hydrogène,
— N —
I R lorsque Z représente un radical 5 ; et R peut représenter un atome d'hydrogène,
— N —
I o lorsque Y représente un radical 5
R3 et ^ peuvent également représenter un radical hydrocarboné, ayant préférentiellement de 1 à 10 atomes de carbone, comprenant au moins un groupement :
De manière préférentielle, R
3 et R4 représentent un radical hydrocarboné comprenant au moins un groupement :
-OH
O ou
— N-H I R5
Ainsi, les chaînes polymériques de formule (I) définissent un polyamide étoile comprenant des branches polyamides de type PA 6 dans un des modes de réalisation préférés de l'invention, et un noyau central constitué par un noyau cycloaliphatique. Ces chaînes polymériques de formule (I) sont, dans un des modes préférés de l'invention, en mélange avec des chaînes polyamides linéaires de formule (II). La longueur ou le poids moléculaire des chaînes linéaires de formule (II) ou des branches du polyamide étoile peut être élevé. Ainsi, le polymère linéaire comme la chaîne de chaque branche du polymère étoile présente un Mn avantageusement supérieur à 5 000.
Préférentiellement, le polyamide étoile selon l'invention est obtenu au moins à partir des monomères de formule :
et/ou un lactame de formule :
,CO
/
R, (IV)
-NH
en présence d'un composé polyfonctionnel de formule (N) :
R,-[-A-X-H]m dans lesquelles A, X, Ri, R , R5 et m sont ceux définis précédemment, éventuellement en présence d'un composé initiateur de polycondensation.
La fonction réactive du composé polyfonctionnel de formule (N) représentée par le symbole X-H est une fonction capable de former une fonction amide, c'est à dire par exemple une fonction acide ou aminé. Les composé des formules (N) préférés sont les suivants :
L'initiateur de polycondensation peut être de l'eau, un acide minéral ou carboxylique et/ou une aminé primaire. Ce composé est ajouté avantageusement pour obtenir une concentration pondérale comprise entre 0,5 et 5 % en poids par rapport au mélange total. A titre d'exemple, le composé polyfonctionnel de formule (N) peut être choisi dans le groupe comprenant le composé 2,2,6,6-tétra-(β-carboxyéthyl) cyclohexanone, le composé diaminopropane - Ν,Ν,Ν',Ν' acide tétraacétique, les triamines commercialisées sous le nom JEFF AMINES T®, et obtenues par réaction de l'oxyde de propylène sur le triméthylol propane ou le glycérol et amination des extrémités hydroxydes.
Ces triamines sont commercialisés sous le nom commercial JEFF AMINES T® par la société HUNTSMAN, et ont comme formule générale :
D-NH2 P-D-NH2 ND-NH2
Dans laquelle :
- P représente un radical 1,1,1-triyle propane, ou 1,2,3-triyle propane, et
- D représente un radical polyoxyéthylénique.
On peut utiliser 0,1 à 2 % en moles de composé polyfonctionnel de formule (V), préférentiellement 0,3 à 1 % en moles, par rapport au nombre de moles total du polyamide obtenu.
La polycondensation peut être réalisée selon les conditions opératoires classiques de polycondensation des aminoacides ou lactames de formule (III) ou (IN), quand celle-ci est réalisée en absence du composé multifonctionnel de formule (N). Ainsi, le procédé de polycondensation peut comprendre brièvement : un chauffage sous agitation et sous pression du mélange des monomères : composés de formule (III) et/ou (IN) et du composé de formule (N) avec l'initiateur (généralement de l'eau), un maintien du mélange à cette température pendant une durée déterminée, puis décompression et maintien sous un courant de gaz inerte (par exemple de l'azote) pendant une durée déterminée à une température supérieure au point de fusion du mélange pour _ ainsi continuer la polycondensation par élimination de l'eau formée.
Selon le procédé de l'invention, la durée du maintien sous gaz inerte, ou en d'autres termes de finissage de la polycondensation permet de déterminer et contrôler la concentration en chaînes polymériques de formule (I) dans le mélange polyamide. Ainsi, plus le temps de
maintien sera long plus la concentration en chaînes polymériques de formule (I) sera élevée.
Il est également évident que la concentration en chaînes polymériques de formule (I) ou polyamide étoile est fonction de la quantité de composé multifonctionnel de formule (N) ajoutée dans le mélange.
Il est également possible, sans pour cela sortir du cadre de l'invention, d'ajouter au mélange de polycondensation d'autres monomères comprenant des fonctions susceptibles de former des fonctions amides pour ainsi obtenir des copolyamides ou polyamides modifiés. Des monomères diacides ou diamines pourront être ajoutés à une concentration pondérale inférieure à 20 % par rapport au mélange total.
En sortie de polycondensation, le polymère est refroidi avantageusement par de l'eau, et extrudé sous forme de jonc. Ces joncs sont coupés pour produire des granulés. Pour éliminer les monomères non polycondensés, notamment dans le cas où un des monomères est du caprolactame, les granulés peuvent être lavés à l'eau puis séchés sous vide. Le polyamide branché arbre préféré selon l'invention est un polyamide susceptible d'être obtenu au moins par réaction des monomères répondants aux formules suivantes :
(A-R6)-R8-(R7-B)n (III) et au moins un des monomères di-fonctionnels de formule suivante :
A,-R9-A, (Nil) B,-Ri0-Bι (VIII) ; et/ou
At-Rπ-B, (IX) dans lesquelles : n est un nombre entier supérieur ou égal à 2, préférablement compris entre 2 et 10 (bornes comprises) ; - R6 et R peuvent être identiques ou différents et représenter une liaison covalente ou un radical hydrocarboné aliphatique, arylaliphatique, aromatique ou alkylaromatique ;
R8 est choisi parmi un radical aliphatique linéaire ou branché, un radical cycloaliphatique substitué ou non substitué, un radical aromatique substitué ou non substitué pouvant éventuellement comprendre un ou plusieurs anneaux aromatiques et/ou hétéroatomes, et une chaîne polymérique pouvant comprendre un ou plusieurs hétéroatomes ;
B représente un groupe fonctionnel aminé ou sel d'aminé lorsque A représente un groupe fonctionnel acide, ester, halogène d'acide ou amide ; ou un groupe fonctionnel
acide, ester, halogène d'acide ou amide lorsque A représente un groupe fonctionnel aminé ou sel d'aminé ;
Ai représente un groupe fonctionnel choisi dans le groupe comprenant : l'acide, l'ester et le chlorure d'acide ; - Bi représente un groupe fonctionnel choisi dans le groupe comprenant : l'aminé et le sel d'aminé ; et
R9, Rio et Ru peuvent être identiques ou différents et représenter un radical hydrocarboné alkyl, arylalkyl, alkylaryl, cycloaliphatique ou aromatique, branché ou linéaire, substitué ou non substitué et/ou saturé ou insaturé. D'une manière préférentielle, indépendamment les uns des autres, R8 est un radical aromatique, R6 et R7 représentent une liaison covalente, B est un groupe fonctionnel acide, A est un groupe fonctionnel aminé et n est égal à 2.
Le composé de formule (VI) est préférentiellement choisi parmi l'acide 5-amino- isophatalique et/ou l'acide 6-amino-undécandioïque. Les monomères difonctionnels de formules NII à IX sont les monomères utilisés pour la fabrication de polyamide thermoplastique linéaires. Ainsi, on peut citer les composés ω- aminoalcanoïque comportant une chaîne hydrocarbonée ayant de 4 à 12 atomes de carbone, ou les lactames dérivés de ces acides aminoacides comme rε-caprolactame, les diacides carboxyliques aliphatiques saturés ayant de 6 à 12 atomes de carbone tels que, par exemple l'acide adipique, acide azélaïque, acide sébacique, acide dodécanoïque, les diamines biprimaires de préférence aliphatiques saturées linéaires ou ramifiées ayant de 6 à 12 atomes de carbone telles que, par exemple, l'hexaméthylène diamine, la triméthylhexaméthylène diamine, la tétraméthylène diamine, la m-xylène diamine. Bien entendu, des mélanges de ces monomères peuvent être utilisés. Les monomères bifonctionnels préférés de l'invention sont l'ε-caprolactame, ou l'hexaméthylène diamine et l'acide adipique ou un mélange de ceux-ci.
Le rapport molaire entre les monomères multifonctionnels de formule VI et la somme des monomères bifonctionnels de formules VII à IX, et éventuellement d'autres monomères du polyamide arbre, est compris entre 0,01 % et 5 %, de préférence entre 0,05 % et 1 %. ' Le polyamide arbre de l'invention peut être obtenu de différentes manières. Dans un premier mode de réalisation de ce procédé de fabrication, un mélange de monomères est réalisé avec des proportions déterminées de chaque composant. Ledit mélange est polymérisé dans des conditions et selon un mode opératoire équivalent à ceux utilisés pour
la fabrication du polyamide linéaire correspondant aux monomères bifonctionnels mis en oeuvre. Ainsi, quand de l'ε-caprolactame est mis en oeuvre, de l'eau est ajoutée au mélange de monomères pour amorcer l'ouverture hydrolytique du caprolactame. Selon un second mode de réalisation, un prépolymère de polyamide linéaire est fabriqué par polycondensation des monomères bifonctionnels pour obtenir un prépolymère de poids moléculaire en nombre M n de l'ordre de 2000 à 3000 environ. Le monomère polyfonctionnel est ajouté au prépolymère linéaire et la polymérisation est poursuivie soit en milieu fondu soit en phase solide. Ce mode de réalisation permet notamment d'obtenir des copolyamides hyperbranchés en utilisant des monomères polyfonctionnels présentant une stabilité thermique à des températures relativement faibles par exemple inférieur à 200°C, car la température de postcondensation en phase solide est réalisée à des températures plus basses que celles de la polymérisation en milieu fondu. L'addition du monomère polyfonctionnel peut être réalisée en extrudeuse ou dans un réacteur, la postcondensation en phase solide étant mise en œuvre selon les conditions classiques et habituelles utilisées pour celle des polyamides linéaires.
Selon une autre variante de ce mode de réalisation du procédé de fabrication d'un copolyamide conforme à l'invention, le monomère polyfonctionnel est ajouté avec un catalyseur permettant ainsi de réaliser la réaction directement dans l'extrudeuse. Les catalyseurs convenables sont les catalyseurs classiquement utilisés pour les réactions d'amidification ou de polycondensation des fonctions amides tels que les composés phosphores par exemple.
Le polyamide hyperbranché préféré selon l'invention est un copolyamide hyperbranché du type de ceux obtenus par réaction entre au moins : un monomère de formule (X) suivante : A-R-Bf (X) et un monomère de formule (XI) suivante :
A'-R'-B' (XI) ou les lactames correspondants, dans lesquelles :
A et A' correspondent à une fonction aminé, si B et B' représentent une fonction - carboxylique ; et A et A' correspondent à une fonction carboxylique, si B, B' représentent une fonction aminé ;
R et R' représentent, indépendamment l'une de l'autre, une entité hydrocarbonée, comprenant préférentiellement de 2 à 20 atomes de carbone, comprenant éventuellement des hétéroatomes, et f est un nombre entier supérieur ou égal à 2, de préférence compris entre 2 et 10 ; f étant le nombre total de fonctions réactives B par monomère ;
Préférentiellement, le rapport molaire X/XI se définit comme suit : 0,05 < X/XI ; plus préférentiellement 0,125 < X/XI < 2.
De préférence au moins l'une des entités R ou R' d'au moins l'un des monomères (X) ou
(XI) est aliphatique, cycloaliphatique ou arylaliphatique. Les entités hydrocarbonées R, R' des monomères (X) et (XI) respectivement, peuvent comprendre chacune :
(i) au moins un radical aliphatique linéaire ou ramifié ;
(ii) et/ou au moins un radical cycloaliphatique ;
(iii) et/ou au moins un radical aromatique comportant un ou plusieurs noyaux aromatiques ; ces radicaux (i), (ii), (iii) pouvant éventuellement être substitués et/ou comporter des hétéroatomes.
Par fonction carboxylique, on entend au sens de l'invention, toute fonction acide COOH, ester, halogénure d'acide ou anhydride. Par fonction aminé, on entend au sens de l'invention,, toute fonction de type aminé ou sel d'aminé.
Suivant une variante avantageuse de l'invention, le polymère hyperbranché peut être constitué d'un mélange de plusieurs monomères (X) différents et de plusieurs monomères
(XI) différents, pour autant que l'un au moins de ces monomères soit aliphatique, cycloaliphatique ou arylaliphatique. Outre les monomères (X) plurifonctionnels et les monomères (XI) bifonctionnels, le copolyamide hyperbranché peut comprendre également, à titre d'éléments constitutifs, des monomères mono ou pluri-fonctionnels (XII) de type "cœur" (ou "noyau") et/ou des monomères monofonctionnels (XIII) de type "limiteur de chaîne".
Les monomères de type "cœur" éventuellement compris dans le copolyamide - hyperbranché selon l'invention, peuvent être ceux de formule (XII) suivante :
R'(B")n (XII) dans laquelle :
R1 est un radical hydrocarboné substitué ou non, du genre silicone, alkyle linéaire ou ramifié, aromatique, alkylaryle, arylalkyle ou cycloaliphatique pouvant comprendre des insaturations et/ou des hétéroatomes ;
B" est une fonction réactive de même nature que B ou B' ; et - n > 1, de préférence 1 < n < 100.
Les monomères de type "limiteur de chaîne" éventuellement compris dans le copolyamide hyperbranché selon l'invention peuvent être ceux de formule (XIII) :
R2-A" (XIII) dans laquelle : - R2 est un radical hydrocarboné substitué ou non, du genre silicone, alkyle linéaire ou ramifié, aromatique, arylalkyle, alkylaryle ou cycloaliphatique pouvant comprendre une ou plusieurs insaturations et/ou un ou plusieurs hétéroatomes ; et
A" est une fonction réactive de même nature que A ou A'. Selon une modalité avantageuse de l'invention, au moins une partie des monomères bifonctionnels (XI) se trouvent sous forme de prépolymère.
Il peut en être de même en ce qui concerne les monomères (XII) de type "cœur", voir les monomères (XIII) de type "limiteur de chaîne".
I
Les radicaux R et R peuvent comprendre avantageusement des fonctionnalités conférant des propriétés particulières au polymère hyperbranché. Ces fonctionnalités ne réagissent pas avec les fonctions A, B, A', B' au cours de la polymérisation du polyamide hyperbranché.
Suivant un mode préféré de réalisation, f correspond à 2 de sorte que le monomère (X) est trifonctionnel : ARB2, A est une fonction aminé, B est une fonction carboxylique et R est un radical aromatique. Avantageusement, le monomère (X) est par exemple choisi dans le groupe comprenant : l'acide 5-amino-isophtalique, l'acide 6-amino-undécandioïque, le diacide 3- aminopimélique, l'acide aspartique, l'acide 3,5-diaminobenzoïque, l'acide 3,4- diaminobenzoïque, la lysine, et/ou leurs mélanges.
Avantageusement et par exemple, le monomère bifonctionnel de formule (XI) est choisi - dans le groupe comprenant : l'ε-caprolactame et/ou l'aminoacide correspondant : l'acide aminocaproïque ; l'acide para ou métaaminobenzoïque ; l'acide amino-11-undécanoïque ; le lauryllactame et/ou l'aminoacide correspondant : l'acide amino-12-dodécanoïque, et/ou leurs mélanges.
Plus généralement, les monomères bifonctionnels de formule (XI) peuvent être les monomères utilisés pour la fabrication de polyamides thermoplastiques linéaires. Ainsi, on peut citer les composés ω-aminoalcanoïques comportant une chaîne hydrocarbonée ayant de 4 à 12 atomes de carbone, ou les lactames dérivés de ces acides aminés comme l'ε- caprolactame.
Le monomère bifonctionnel (XI) préféré de l'invention est l'ε-caprolactame. A titre d'exemples, les monomères (XII) peuvent être est choisis dans le groupe comprenant : des diacides carboxyliques aliphatiques saturés ayant de 6 à 36 atomes de carbone tels que, par exemple, l'acide adipique, l'acide azélaïque, l'acide sébacique, l'acide dodécanoïque ; des diamines biprimaires, de préférence aliphatique saturés linéaires ou ramifiés ayant de 6 à 36 atomes de carbone tels que, par exemple, l'hexaméthylènediamine, la triméthylhexaméthylène-diamine, la tétraméthylèndiamine, la n-xylènediamine ; des composés polymères tels que les polyoxyalkylènes aminés commercialisés sous la marque JEFF AMINE® ;ou bien encore chaîne silicone aminée, e.g. polydiméthylsiloxane mono ou diamine ; des monoamines aromatiques ou aliphatiques ; des monoacides aromatiques ou aliphatiques ; des triamines ou triacides aromatiques ou aliphatiques ; et/ou leurs mélanges.
Les monomères (XII), "coeur" préférés sont : l'hexaméthylène-diamine et l'acide adipique, la JEFF AMINE® T403 ou l'acide 1,3,5-benzène tricarboxylique. Le rapport molaire des monomères (XIII) sur les monomères bifonctionnels (X) peut être inférieur ou égal à 10, préférentiellement inférieur ou égal à 5, et plus préférentiellement encore compris entre 0 et 2 (bornes incluses).
Le rapport molaire des monomères (XII) par rapport aux monomères plurifonctionnels (X) peut être inférieur ou égal à 1, préférentiellement inférieur ou égal à 0,5, et plus préférentiellement encore compris entre 0 et 0,3 (bornes incluses).
Ces copolyamides hyperbranchés peuvent être obtenus par un procédé consistant essentiellement à réaliser une polycondensation entre des monomères (X) et des monomères (XI) qui réagissent entre eux et éventuellement avec des monomères (XII) et/ou (XIII) ; et ce dans des conditions de températures et de pressions appropriées. Cette " polymérisation s'opère en phase fondue, en phase solvant ou en phase solide, de préférence en phase fondue ou solvant ; le monomère (XI) jouant avantageusement le rôle de solvant. Le procédé de synthèse des polyamides hyperbranchés selon l'invention, peut mettre en œuvre au moins un catalyseur de polycondensation. La polymérisation par
polycondensation s'effectue, par exemple, dans des conditions et selon un mode opératoire équivalents à ceux utilisés pour la fabrication du polyamide linéaire correspondant aux monomères (XI).
Les fonctionnalités qui peuvent être supportées par les polyamides hyperbranchés selon l'invention, sont par exemple des radicaux fluorés, des radicaux hydrocarbonés, des chaînes grasses, des radicaux silicones, des radicaux à propriétés anti-UV, anti-oxydantes, tensioactives, adoucissantes, anti-salissures, stabilisantes, hydrophobes et/ou hydrophiles, ou des radicaux à propriétés d'encapsulation et/ou de vectorisation de principes actifs, par exemple de nature agrochimiques ou de colorants et/ou de pigments. En pratique, et à titre d'exemple, la fonctionnalisation hydrophile peut être apportée par des radicaux polyoxyalkylènes provenant de polyoxyalkylènes aminés de type JEFF AMINE®. De même la fonctionnalisation hydrophobe peut être apportée par des radicaux hydrocarbonés provenant d'un composé aliphatique mono-acide ou mono-amine, tel que la n-hexadécylamine, la n-octadécylamine et la n-dodécylamine. Ces fonctions sont avantageusement portées par les monomères (XII) ou (XIII).
La composition de la présente invention peut également comprendre outre un polyamide branché tel que défini précédemment une matrice thermoplastique composée de polymère linéaire. Dans ce cas là, la concentration du polyamide branché par rapport à la masse totale de la composition peut être comprise entre 0,001 et 70 %, de préférence entre 0,001 et 50 % et, plus préférentiellement entre 0,001 et 30 %.
Préférentiellement, la matrice thermoplastique est composée de polyamides linéaires. Tous les types polyamides peuvent être utilisés pour la réalisation de l'invention, par exemple les polyamides du type de ceux qui sont obtenus par polycondensation d'une diamine avec un diacide carboxylique, tel que le polyamide 66, ou les polyamides du type de ceux qui sont obtenus par polycondensation des aminoacides ou lactames, tel que le polyamide 6. On préfère tout particulièrement le polyamide 6, le polyamide 11, le polyamide 12, les copolyamides 6/6.6,et 6/6.36, les mélanges et copolymères à base de ces polyamides ou copolyamides. Le système d'ignifugation selon la présente invention peut comprendre tout type d'agents - ignifugeants, c'est à dire des composés permettant de diminuer la propagation de la flamme et/ou ayant des propriétés d'ignifugation, bien connus de l'homme du métier. Ces agents ignifugeants sont habituellement utilisés dans des compositions ignifugées et sont
notamment décrits, par exemple, dans les brevets US6344158, US6365071, US6211402 et US6255371, cités ici à titre de référence.
Avantageusement, le système d'ignifugation comprend au moins un agent ignifugeant choisi parmi le groupe comprenant : - les dérivés du magnésium tel que par exemple l'hydroxyde de magnésium ; les dérivés de l'aluminium tels que par exemple l'hydroxyde d'aluminium et le phosphate d'aluminium ; les dérivés du phosphore tels que par exemple le phosphore rouge ; les composés organiques azotés telles que par exemple les triazines, l'acide cyanurique et/ou isocyanurique, la mélamine ou ses dérivés comme le cyanurate de mélamine, Poxalate, le phtalate, le borate, le sulfate, le phosphate, polyphosphate et/ou pyrophosphate de mélamine, les produits condensés de la mélamine, tel que la melem, la mélam et le melon, le tris(hydroxyéthyl) l'isocyanurate, la benzoguanamine, la guanidine, l'allantoïne, et le glycoluril ; - les dérivés du brome tels que par exemple le PBDPO (polybromodiphényl oxyde), le BrPS (polystyrène bro e et polybromostyrène), le polypentabromobenzylacrylate, l'indane brome, le tétradécabromodiphenoxybenzene (Saytex 120), l'éthane-1,2- bis(pentabromophényl), le tétrabromobisphénol A et les oligomères époxy bromes ; les composé comprenant de la chloriné, tel que par exemple un composé cycloaliphatique chloriné comme le Dechlorane plus® (vendu par OxyChem, voir CAS 13560-89-9) ; les dérivés du soufre, tels que par exemple la tiouréa, le thiocyanate d'ammonium, le sulphammate d'ammonium et/ou de guanidine, les sulfamides et les sulfonates ; les composés organo-phophoreux tels que par exemple les acides phosphoniques ou diphosphoniques, comme les acides phosphoniques cycliques comme par exemple l'oxyde de 1-hydroxyphospholane, l'oxyde de 1-hydroxydihydrophosphole, ou non cycliques comme par exemple l'acide dimethylphosphinique, l'acide éthylméthylphosphinique, l'acide diéthylphosphinique, l'acide méthyl-n-propylphosphinique, l'acide méthanedi(méthylphosphinique, l'acide benzène- l,4-(dimethylphosphinique), l'acide _ méthylphenylphosphinique, l'acide diphénylphosphinique, l'acide isobutyle éthylméthyl phosphinique, l'acide n-butyl méthylpropyle phosphinique, l'acide amyl isobutylméthyl phosphinique, l'acide isopropyl hexylméthyl phosphinique, l'acide n-butyl méthyloctyl phosphinique, l'acide n-butyl méthylphenylphosphinique, l'acide n-pentyl
diphénylphosphinique, l'acide di-n-butyl hexane-l,6-di(méthylphosphinique) et l'acide di- isobutyl benzène- l,4-di(méthylphosphinique), les phosphinoxides, les phosphonates, les chlorophosphates et les phosphates organiques, tels que les triarilphosphates, le bisphénol A bisdicresylphosphate, le bisphénol A bisdiphénylphosphate (BDP Fyroflex Akzo Nobel), le résorcinol bisdiphénylphosphate (RDP Fyroflex RDP), les esters de diphosphate cyclique tel que par exemple l'antiblaze 1045 (vendu par Rhodia Consumer Specialities, voir CAS n°42595-45-9), les phosphates inorganiques tels que les phosphates et polyphosphates d'ammonium ; leurs sels et/ou leurs mélanges. Les agents ignifugeants mentionnés précédemment peuvent être utilisés seuls ou en combinaison. Les sels des composés organo-phosphoreux peuvent être par exemple des sels d'aluminium, de calcium, zinc, alcalino-terreux et/ou magnésium. D'une manière avantageuse, on utilise des agents ignifugeants présentant une variation de poids supérieure ou égale à 1 %, préférentiellement supérieure ou égale à 5 % à des températures supérieure ou égale à 270°C. Cette variation de poids peut être mesurée par une analyse thermogravimétrique (TGA).
On peut également ajouter au système d'ignifugation des agents synergistes qui vont accroître les propriétés d'ignifugation des agents ignifugeants. Le système d'ignifugation peut comprendre au moins un agent synergiste choisi dans le groupe comprenant : - les zéolites, telles que par exemple les phillipsites, les chabazites et les natrolites ; les poudres de céramique ; les nanocomposites, tels que par exemple la momorillonite et l'alpha Zr-P ; les hydrotalcites telles que par exemple les carbonates de magnésium et les autres carbonates alcalino-terreux, par exemple le MgCO3, le 5Mg(OH)2 et le 2Al(OH)3 ; - les dérivés du zinc tels que par exemple l'oxyde de zinc, le stannate de zinc, l'hydroxystannate de zinc, le phosphate de zinc, le borate de zinc et le sulfide de zinc ; les retardateurs de flammes par intumescence, tels que par exemple l'acide silico- et/ou phospho-tungstique, les alcools polyhidriques comme le pentaeritritol, la glycérine et l'alcool polyvinylique, les novolaques, les acides siliciliques, les silanes, les polysiloxanes _ et les silicones les oxydes métalliques, tels que par exemple l'oxyde d'étain, l'oxyde de molybdène et l'oxyde de fer ;
les dérivés de l'antimoine tels que par exemple le trioxyde d'antimoine et l'antimoinate de sodium ; leurs sels et/ou leurs mélanges. Préférentiellement, le système d'ignifugation est choisi parmi le groupe comprenant : - un système à base de cyanurate de mélamine ; une combinaison de poly dibromo styrène et de trioxyde d'antimoine ; et/ou un système à base de diphosphate ester cyclique, tel que par exemple l'antiblaze 1045 (vendu par Rhodia Consumer Specialities, voir CAS n° 42595-45-9), comprenant éventuellement des fibres de verre. La composition selon l'invention peut également comprendre des charges de renfort bien connues de l'homme du métier et choisies parmi le groupe comprenant des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres minérales, des poudres et/ou fibres céramiques, des fibres organiques thermorésistantes comme les fibres en polyphthalamide et des charges minérales telles que la wollastonite, le kaolin, le talc, l'argile, la silice et le mica, et des nanocharges minérales telles que la montmorillonite et l'α-Zr phosphate ; ou leurs mélanges. Les fibres de verre sont particulièrement préférées selon l'invention. Les fibres de verre préférentiellement utilisées sont des fibres de verre pour polyamide, ayant, par exemple, un diamètre moyen compris entre 5 et 20 μm, préférentiellement entre 10 et 14 μm, telles que par exemple les fibres de verre CS123D-10C (Owens Corning Fibreglass), CS1103 (Owens Corning Fibreglass) et CS983 (Vetrotex) et CS99B (Vetrotex). On peut avantageusement utiliser des fibres de verre broyées et/ou des fibres non enzymées en surface.
Les charges de renfort peuvent représenter de 0 à 80 %, préférentiellement de 5 à 55 %, encore plus préférentiellement de 10 à 40 % en poids par rapport au poids total de la composition.
La composition selon l'invention peut également comprendre un ou plusieurs additifs habituellement utilisés par un homme du métier dans les compositions à base de polyamide utilisées pour la fabrication d'articles moulés. Ainsi, on peut citer à titre d'exemple d'additifs les stabilisants thermiques, les agents de moulage tels que le calcium - stéarate, les stéaramides et les erucamides, les stabilisants UN., les antioxydants, les lubrifiants, les réducteurs d'abrasion, les pigments, colorants, plastifiants, les promoteurs de marquage au laser ou des agents modifiant la résilience. A titre d'exemple, les antioxydants et stabilisants chaleur sont, par exemple, des halogénures d'alcalins, des
halogénures de cuivre, les composés phénoliques stériquement encombrés, les phosphates organiques et les aminés aromatiques. Les stabilisants U.N. sont généralement des benzotriazoles, des benzophénones ou des HALS en association avec des antioxydants. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une composition ignifugée selon l'invention dans lequel on mélange, par exemple à l'extrusion en voie fondue, au moins un polyamide branché et un système d'ignifugation tels que décrit précédemment.
Le mélange peut être effectué à l'état fondu par exemple dans une extrudeuse mono ou bivis, ou par mélange sans passer à l'état fondu, pair exemple dans un mélangeur mécanique. Les composés peuvent être introduits simultanément ou successivement. Tous les moyens connus de l'homme du métier concernant l'introduction des différents composés d'une composition thermoplastique peuvent être utilisés. On utilise généralement un dispositif d'extrusion dans lequel la matière est chauffée, soumise à une force de cisaillement, et véhiculée. De tels dispositifs sont parfaitement connus de l'homme du métier. La composition selon l'invention, lorsqu'elle est préparée à l'aide d'un dispositif d'extrusion peut être conditionnée sous forme de granulés ou utilisée directement pour la mise en forme d'un article.
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un article par mise en forme d'une composition selon l'invention par un procédé choisi dans le groupe comprenant un procédé d'extrusion, tel que l'extrusion de feuilles et de films, de moulage, tel que le moulage par compression, d'injection, tel que le moulage par injection, et de filage.
La présente invention convient particulièrement pour la fabrication d'articles utilisés dans le domaine de l'automobile, de la connectique électrique ou électronique tels que des éléments de disjoncteurs, interrupteurs, connecteurs ou analogues.
PARTIE EXPERIMENTALE
Les composés utilisés sont les suivants :
- PA 6 : PA 6 ayant un indice de fluidité de 140 ml/g (ISO 307, acide formique), et Mn 17600 g/mol (par GPC), vendu par Rhodia, France ;
PA B : PA 6 étoile obtenu par copolymérisation de caprolactame de formule (IV) avec 0,5 % en moles de 2,2,6,6-tétra-(β-carboxyéthyl) cyclohexanone (composé polyfonctionnel de formule (V)) par rapport au nombre total de moles du polyamide. Le polyamide possède
un indice de fluidité en fondue (MFI) de 40 g/lOminutes (selon la norme ASTM D1238, à une température de 275°C sous une charge de 325g), et un Mn de 18000 g/mol (par GPC) ;
Fibres de verre CS 123D- 1 OC (Owens Corning Fibreglass) ; - Cyanurate de Mélamine (DSM)
Melem : Delamin® 450 (Delacal) ;
Borate de zinc: Firebrake® ZB ( US Borax) ;
Stéarate de calcium ;
PDBS 80 : poly di-bromo styrène, contenant 59 % de bromine (Caldic) - Sb O : trioxyde d'antimoine ;
Irganox 1098 (Ciba-Geigy) ;
Antiblaze 1045 : CAS n°42595-45-9 (Rhodia Consumer Specialities) Les compositions sont préparées par mélange des composants dans des proportions indiquées dans les exemples, sur une extrudeuse double-vis Werner & Pfleiderer ZSK 30, ayant une vitesse de vis de 250 rpm et une sortie de 15 Kg/h. Des températures d'environ 240°C sont utilisées pour le PA6.
Les fibres de verre et les composés minéraux sont ajoutés au mélange à la gorge de l' extrudeuse.
Les granules sont séchés et moulés sur une machine de moulage par injection Arburg 320 M500-210 à une température de 240°C (PA6 et PA branchés) et ensuite moulés à 80°C.
Exemple 1 :
Les propriétés sont déterminées sur des éprouvettes, selon les méthodes suivantes : La résistance à la flamme est mesurée selon le test UL-94 ("Underwriters Laboratories"). Ce test est réalisé avec des éprouvettes d'épaisseur de 1,6 mm et 0,8 mm, après conditionnement de 48 heures à 50 % RH (humidité relative). Le résultat est codifié comme suit :
N.C.: non classé (ignifugation faible)
V-2 : le temps moyen de combustion est inférieur à 25 secondes, le temps de - combustion maximum est inférieur à 30 secondes (auto-extinction) ; goutte de polyamide enflammant le coton
V-l : temps moyen de combustion est inférieur à 25 secondes, le temps de combustion maximum est inférieur à 30 secondes (auto-extinction) ; pas d'inflammation du coton par la goutte
V-0 : temps moyen de combustion est inférieur à 5 secondes, le temps de combustion maximum est inférieur à 10 secondes (auto-extinction) ; pas d'inflammation du coton
Les temps de combustion du composé lors du test UL-94 sont mesurés en secondes. La résistance au fil incandescent (GWT) est mesurée selon la norme IEC 695-2-1 sur des éprouvettes d'épaisseur de 3,0 mm, 1,5 mm et 1,0 mm. Les résultats à différentes températures sont classifiés comme suit :
PI Pas d'inflammation ou pas d'inflammation soutenue.
Inflammation durant l'application du fil incandescent mais auto extinction dans passe les 30 secondes après enlèvement dudit fil incandescent. Pas de goutte enflammée.
Inflammation durant l'application du fil incandescent et pas d'auto extinction échec dans les 30 secondes après enlèvement dudit fil incandescent, ou formation de gouttes enflammées.
Les propriétés mécaniques sont déterminées selon les méthodes suivantes :
Résistance aux chocs CHARPY selon les normes ISO 179\1 eA et ISO 179\1 eU. Fluidité en fondue (MFI) mesurée à 275°C selon la norme ISO 1133. Le MFI du PA Branché est obtenu à 235°C. Dans les exemples suivants, la charge est de 325g pour les - exemples 1 et 2, et de 1000g pour les exemples 3 à 8. - La fluidité en fondue selon le test spiral, à une température fondue de 250°C et une température du moule de 60°C.
Les propriétés des compositions réalisées précédemment sont rassemblées dans le tableau 1 :
Tableau 1