WO2012101078A1 - Resines et composites thermodurs epoxy anhydrides pouvant etre faconnes a chaud et recycles - Google Patents

Resines et composites thermodurs epoxy anhydrides pouvant etre faconnes a chaud et recycles Download PDF

Info

Publication number
WO2012101078A1
WO2012101078A1 PCT/EP2012/050939 EP2012050939W WO2012101078A1 WO 2012101078 A1 WO2012101078 A1 WO 2012101078A1 EP 2012050939 W EP2012050939 W EP 2012050939W WO 2012101078 A1 WO2012101078 A1 WO 2012101078A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
composition
thermosetting resin
precursor
epoxy
thermosetting
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/050939
Other languages
English (en)
Inventor
Ludwik Leibler
François Tournilhac
Damien Montarnal
Mathieu Capelot
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Arkema France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs), Arkema France filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Priority to ES12700507.2T priority Critical patent/ES2636919T3/es
Priority to KR1020137021715A priority patent/KR101529808B1/ko
Priority to BR112013013257A priority patent/BR112013013257A2/pt
Priority to EP12700507.2A priority patent/EP2668223B1/fr
Priority to CN201280006170.XA priority patent/CN103314030B/zh
Priority to US13/981,401 priority patent/US9562132B2/en
Priority to MX2013007850A priority patent/MX352784B/es
Priority to JP2013550843A priority patent/JP5749354B2/ja
Publication of WO2012101078A1 publication Critical patent/WO2012101078A1/fr

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G59/00—Polycondensates containing more than one epoxy group per molecule; Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups
    • C08G59/18—Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing
    • C08G59/68—Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing characterised by the catalysts used
    • C08G59/681—Metal alcoholates, phenolates or carboxylates
    • C08G59/685—Carboxylates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B17/00—Recovery of plastics or other constituents of waste material containing plastics
    • B29B17/0026—Recovery of plastics or other constituents of waste material containing plastics by agglomeration or compacting
    • B29B17/0042—Recovery of plastics or other constituents of waste material containing plastics by agglomeration or compacting for shaping parts, e.g. multilayered parts with at least one layer containing regenerated plastic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G59/00—Polycondensates containing more than one epoxy group per molecule; Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups
    • C08G59/18—Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing
    • C08G59/40—Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing characterised by the curing agents used
    • C08G59/42—Polycarboxylic acids; Anhydrides, halides or low molecular weight esters thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B17/00—Recovery of plastics or other constituents of waste material containing plastics
    • B29B17/04—Disintegrating plastics, e.g. by milling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B17/00—Recovery of plastics or other constituents of waste material containing plastics
    • B29B17/04—Disintegrating plastics, e.g. by milling
    • B29B17/0404—Disintegrating plastics, e.g. by milling to powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • C08L63/04—Epoxynovolacs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/10—Thermosetting resins
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/62—Plastics recycling; Rubber recycling

Definitions

  • the subject of the invention is resins and thermoset composites comprising them, these materials being able to be shaped hot. It also relates to a process for manufacturing these materials, a process for converting and a process for recycling these materials. It also relates to new solid forms of thermoset resins and composites that can be used in the implementation of these methods.
  • thermosetting resin is a resin that hardens under the action of energy, especially under the action of heat.
  • Thermosets which are polymeric materials made from thermosetting resins, have the advantage of having high mechanical, thermal and chemical resistance and for this reason can replace metals in some applications. They have the advantage of being lighter than metals. They can also be used as matrices in composite materials, as adhesives and as coatings.
  • thermoset polymers there may be mentioned unsaturated polyesters, phenoplasts, polyepoxides, polyurethanes, aminoplasts.
  • thermosetting resins are molded and cross-linked under heat or at room temperature.
  • the implementation is carried out by liquid from the monomers. They therefore have the disadvantage of requiring manipulations and dosages of precise liquids for their implementation.
  • the transport of the precursor compounds, in liquid form, is also unsatisfactory in terms of safety.
  • thermosetting resins must be used, in particular they must be molded so as to obtain from the outset the form suitable for the end use. Indeed, no transformation is no longer possible once the resin is polymerized, except machining that often remains delicate. Flexible or hard parts and composites based on thermosetting resins are not transformable, can not be shaped, they can not be recycled.
  • thermoplastics In addition to thermosetting resins, a class of polymer materials, thermoplastics, has been developed. Thermoplastics can be shaped to high temperature by molding or injection but have mechanical properties and thermal and chemical resistance less interesting than those of thermosets.
  • thermoplastics when heated become liquids whose fluidity varies abruptly in the vicinity of melting and glass transition temperatures which does not allow them to apply a variety of transformation methods that exist for glass and for metals for example.
  • thermosetting resins which are heat-transformable after hardening.
  • the materials of the invention have the property of being able to be heated to temperatures such that they become workable without undergoing destruction or degradation of their structure.
  • the viscosity of these materials varies slowly over a wide temperature range with a behavior similar to the Arrhenius law. This property allows them to undergo transformations by a variety of processes that are not possible for thermoplastics.
  • thermosetting resins by facilitating their shaping and recycling.
  • thermosetting resins including epoxy resins that were absolutely not possible until now.
  • the invention overcomes the problems of dosing and handling of liquids that were inherent in the use of thermosets until now.
  • Another known method of the WO02064653 application for repairing a polymer-based object is to disperse microcapsules filled with a polymersible agent into the polymer. Damage to the object causes breakage of the microcapsules and release of the polymenable agent into the fracture. The polymerization of this agent makes it possible to repair the fracture.
  • thermosetting resin-based object into a different shaped object.
  • US-3,932,343 discloses an adhesive epoxy resin composition comprising an epoxy resin, an acid anhydride and a metal acetylacetone complex catalyst. It is found that the molar amounts of catalyst are less than 1.5% relative to the number of moles of epoxy functions of the resin.
  • thermosetting resins are provided with a chemical reversibility, which, associated with mechanical stress, can be used to give a new shape to an object.
  • the resin compositions of the invention are also distinguished from those of the prior art in that they are not special resins but are composed of a thermosetting resin, in particular an ordinary epoxy resin, an acid anhydride hardener capable of reacting with the epoxide functions by generating hydroxyl and ester functions, a conventional esterification catalyst and an identical or different transesterification catalyst. They are distinguished from conventional epoxy resins by the presence of amounts of transesterification catalyst higher than those usually employed, transesterification is usually not sought or envisaged.
  • thermosetting resins in particular epoxy resins, but have the advantageous properties which have been mentioned above and are illustrated in detail in the description and the examples of realization.
  • thermosetting resin composition This composition resulting from the reaction of at least one thermosetting resin precursor having hydroxyl functional groups and / or epoxy groups, with at least one hardener selected from acid anhydrides. in the presence of at least one transesterification catalyst, the amount of acid anhydride being chosen so that the resin is in the form of a network maintained by ester functions and that there remain free hydroxyl functions after reaction of the precursor with the hardener.
  • It also relates to composite materials comprising such a resin composition, a method of manufacturing an object or a material based on this resin, a method of transforming a resin-based object, a method of manufacturing a controlled transformation object, a process for transforming an object with a controlled transformation, a method for assembling and bonding materials and composites based on this resin, an object repair method based on this resin , a method of recycling a resin-based object. It also relates to objects made of thermosetting material that can be obtained by the method of the invention.
  • the invention is based on the transesterification reactions that can occur when a polymer contains both ester and hydroxyl functions.
  • epoxy resins are polymerized using acid anhydrides as hardeners.
  • the invention utilizes a catalyst.
  • thermoplastic resins which are also capable of being transformed under heat
  • the material according to the invention can be worked without flowing under its own weight over a much wider temperature range, which makes it possible to apply various processing methods, in particular without necessarily resorting to a molding. These methods are of the same nature as those used in the fields of metals and glass.
  • the resins and the materials of the invention also make it possible, by applying a sufficient temperature and an appropriate mechanical stress, to mold objects made of thermosetting material from the thermoset material.
  • the resins and materials of the invention also allow the application of a sufficient temperature and with the help of a good contact parts, the assembly of parts by welding to form a more complex object.
  • the resins and materials of the invention also make it possible, by applying a sufficient temperature and mechanical stress, to repair a crack or damage caused to a part made of the material or to a coating based on the material.
  • Another advantage of these resins and these materials is to allow the recycling of the material after use, the parts can be reconditioned as unit or elementary parts and then again shaped according to the invention.
  • thermosetting resin composition This composition resulting from the bringing into contact:
  • thermosetting resin precursor At least one thermosetting resin precursor, this thermosetting resin precursor comprising hydroxyl functional groups and / or epoxy groups, and optionally ester functional groups,
  • At least one hardener selected from acid anhydrides,
  • thermosetting resin precursor In the presence of at least one transesterification catalyst, and in which the total amount by mole is between 5 and 25% of the total molar amount of hydroxyl and epoxy contained in the thermosetting resin precursor,
  • the amount of hardener being chosen so that the resin is in the form of a network and:
  • N x denoting the number of moles of epoxy group in the precursor
  • NA denotes the number of moles of anhydride functions of the hardener capable of forming a bond with a hydroxyl function or with an epoxy group of the thermosetting polymer precursor:
  • the quantities of reactants are preferably chosen such that, after crosslinking, no unreacted epoxy functions remain.
  • thermosetting resin precursor in the sense of the present invention an oligomer, a pre-polymer, a polymer or any macromolecule which, when it is reacted with a hardener, also called crosslinking, in the presence of a source of energy, especially heat, and possibly a small amount of catalyst, gives a polymer network with a solid structure, hard at low temperature.
  • a hardener also called crosslinking
  • the thermosetting resins known from the prior art can not, after crosslinking, be transformed under the action of temperature, the reactions having led to the formation of a three-dimensional network being irreversible.
  • the invention relates more particularly to materials obtained by the reaction of precursors of thermosetting resins with one or more hardeners, and which comprise a) ester functions as well as b) hydroxyl functions.
  • These materials comprise ester functions and result from the polymerization reaction between at least one acid anhydride and a thermosetting resin precursor comprising at least one epoxy function or a hydroxyl function.
  • a thermosetting resin precursor comprising at least one epoxy function or a hydroxyl function.
  • Other types of precursors and crosslinkers resulting in a resin having ester functions and free hydroxyl groups such as a polycarboxylic acid crosslinker with a resin precursor comprising epoxy or a polycarboxylic acid crosslinker with a precursor of resin comprising hydroxyls.
  • precursors are chosen which comprise epoxy groups and / or free hydroxyl functions. These epoxy groups and these free hydroxyl functions are capable of reacting with the reactive functions of the hardener to form a three-dimensional network maintained by ester functions.
  • the thermosetting resin precursor is itself in the form of a polyether or polyester chain which comprises hydroxyl functions and / or epoxy groups capable of participating in a crosslinking reaction in the presence of a hardener. It is also possible for the thermosetting resin precursor to be in the form of an acrylic or methacrylic resin comprising epoxy groups.
  • the invention relates to thermosetting resins of the epoxy resin type.
  • the thermosetting resin precursor is an epoxy resin precursor.
  • the epoxy resin precursor represents at least 10% by weight of the mass of thermosetting precursor composition, advantageously at least 20%, preferably at least 40% and more preferably at least 60%.
  • An epoxy resin thermosetting resin precursor is defined as a molecule containing at least one epoxide group.
  • the epoxide group also known as oxirane or ethoxyline, is shown below:
  • epoxy resins There are two major categories of epoxy resins: glycidyl epoxy resins, and non-glycidyl epoxy resins.
  • the glycidyl epoxy resins are themselves classified as glycidyl ether, glycidyl ester and glycidyl amine.
  • the non-glycidyl epoxy resins are of the aliphatic or cycloaliphatic type.
  • the glycidyl epoxy resins are prepared by a condensation reaction of the appropriate dihydroxy compound with a diacid or a diamine and with epichlorohydrin.
  • the non-glycidyl epoxy resin is formed by peroxidation of the olefinic double bonds of a polymer.
  • DGEBA bisphenol A diglycidyl ether
  • DGEBA-based resins have excellent electrical properties, low shrinkage, good adhesion to many metals and good resistance to moisture, good thermal resistance and mechanical shock.
  • n is the degree of polymerization, which itself depends on the stoichiometry of the synthesis reaction. As a general rule, n varies from 0 to 25.
  • Novolac epoxy resins are glycidyl ethers of phenolic novolac resins. They are obtained by reacting phenol with formaldehyde in the presence of an acid catalyst to produce a novolac phenolic resin, followed by reaction with epichlorohydrin in the presence of sodium hydroxide as a catalyst.
  • Novolac epoxy resins generally contain several epoxy groups. The multiple epoxide groups make it possible to produce resins of high density of crosslinking. Novolac epoxy resins are widely used to formulate molded compounds for microelectronics because of their superior resistance to elevated temperature, excellent moldability, and superior mechanical, electrical, heat-resistance and thermal properties. 'humidity.
  • the epoxy resins to which the invention applies may be any from the moment when their precursors comprise, before reaction with the anhydride, an average number of precursor epoxide and hydroxyl functional groups, such as:
  • ⁇ n x > is the number average of the number of epoxy functions per precursor
  • ⁇ no> being the number average of the number of hydroxyl functions per precursor.
  • the number average is defined by:
  • ⁇ n> Sum (P (i) * i) / Sum (P (i)), where P (i) is the number of molecules with functions.
  • a hardener is required to form a three-dimensional crosslinked network from an epoxy resin.
  • the agents commonly used to crosslink epoxides are amines, polyamides, phenolic resins, anhydrides, isocyanates and polymercaptans.
  • the reaction kinetics and the glass transition temperature, Tg, of the cross-linked resin depend on the nature of the hardener.
  • the choice of resin and hardener depends essentially on the application and the desired properties.
  • the stoichiometry of the epoxy-hardener system also affects the properties of the cured material.
  • the resin according to the present invention is manufactured with at least one hardener selected from acid anhydrides.
  • Hardeners of the acid anhydride class are, with the diamines, typically used to obtain hard materials (crosslinked networks with a Tg higher than ambient).
  • the cyclic anhydrides can be used as hardeners. Some common cyclic anhydrides are shown in Table 1 below. Anhydride anhydride anhydride anhydride phthalic anhydride Methylhexahydro dodecenyl glutaric nadic phthalic succinic
  • Tg 150 ° C.
  • Tg 144 ° C.
  • Tg 132 ° C.
  • Tg 75 ° C.
  • Tg 75 ° C.
  • Tg corresponds to resins cross-linked with DGEBA as a precursor ["Epoxy Resins, Chemistry and Technology", second Ed., Edited by C. A. May, Marcel Dekker, New York, 1988].
  • succinic anhydride maleic anhydride, chlorendic anhydride, nadic anhydride, tetrachlorophthalic anhydride, pyromellitic dianhydride, 1,2,3,4 cyclopentanetetracarboxylic acid dianhydride, polyanhydrides of aliphatic acids such as polyazelaic polyanhydride, polysébaci polyanhydride.
  • this hardener is selected from: glutaric anhydride, phthalic anhydride, and hexahydrophthalic anhydride. And even more preferably, glutaric anhydride is chosen which has the property of facilitating the solubilization of the catalysts preferentially employed.
  • the anhydride type hardener (s) may be used alone or in admixture with other types of hardeners, such as amine hardeners or acid hardeners.
  • An amine hardener may be selected from primary or secondary amines having at least one NH 2 function or two NH functions and from 2 to 40 carbon atoms.
  • This amine may, for example, be chosen from aliphatic amines such as diethylene triamine, triethylene tetramine, tetraethylene pentamine, dihexylene triamine, cadaverine, putrescine, hexanediamine, spermine, isophorone diamine, and the like.
  • aromatic amines such as phenylenediamine, diamino diphenylmethane, diamino diphenylsulfone, methylenebischlorodiethylaniline.
  • the amine / epoxy ratio is limited so that in the absence of ester bonds, the tertiary amine bonds thus created are not sufficient to pass the gel point.
  • those skilled in the art can rely on the extensive existing literature on epoxy-amine systems to select the proper composition. The test described below which concerns the formation of a network can be used to check that the gel point is not exceeded:
  • the gel point is not reached as long as a cylindrical stud made of this material, with an initial height of approximately 1 cm at room temperature and a diameter of 1 cm, after being left 10 h at a temperature of 50 ° C above the Tg (measured by DSC) and then equilibrated for 30 min at room temperature, has a final height different from more than 20% of the initial height.
  • linear diacids glutaric, adipic, pimelic, suberic, azelaic, sebacic, dodecanedioic and their higher-mass homologues
  • trimers oligomers of 3 identical or different monomers
  • dimers and trimers of fatty acids in particular of plant origin.
  • These compounds result from the oligomerization of unsaturated fatty acids such as: undecylenic acid, myristoleic acid, palmitoleic acid, oleic acid, linoleic acid, linolenic acid, ricinoleic acid, eicosenoic acid, docosenoic acid, which is usually found in pine oils, rapeseed, corn, sunflower, soy, grape seed, flax, jojoba, as well as the eicosapentaenoic and docosahexaenoic acids found in fish oils.
  • unsaturated fatty acids such as: undecylenic acid, myristoleic acid, palmitoleic acid, oleic acid, linoleic acid, linolenic acid, ricinoleic acid, eicosenoic acid, docosenoic acid, which is usually found in pine oils, rapeseed, corn, sunflower, soy, grape seed, fla
  • acids which can be used in the invention mention may also be made of aromatic carboxylic acids comprising 2 to 40 carbon atoms, such as aromatic diacids such as phthalic acid, trimellitic acid, terephthalic acid or naphthalenediocarbonic acid. oxy li that.
  • the anhydride when one or more hardeners other than the anhydrides is used in admixture with the anhydride type hardener (s), the anhydride represents at least 10%, and preferably at least 20%, advantageously at least 40%, even better at least 60 mol% relative to all hardeners.
  • a network is formed from the moment when there is a continuous path consisting of a succession of monomers united to each other by ester bridges, this path traversing end to end the sample.
  • monomers can come from thermosetting precursors and / or hardeners.
  • the person skilled in the art knows theoretical and / or empirical guides for determining the compositions making it possible to obtain a network from the resins and hardeners envisaged (see, for example, PJ Flory Principles of Polymer Chemistry Georgia University Press, Ithaca-NY, 1953). .
  • the hardener is used in sufficient quantity to form a network.
  • a cylindrical pad made of this material with an initial height of approximately 1 cm at room temperature and a diameter of 1 cm, after having been left at a temperature of temperature of 50 ° C above the Tg (measured by DSC) and then equilibrated 30 min at room temperature, has a final height different from less than 20% of the initial height.
  • At least one of the catalysts must be selected from transesterification catalysts.
  • Some transesterification catalysts catalyze the reaction of the epoxides with the hardener.
  • transesterification catalysts are employed in the invention in an amount ranging from 5 to 25 mol% relative to the total molar amount of hydroxyl and epoxy contained in the thermosetting resin precursor. This proportion of catalyst is significantly greater than the quantities used in the prior art.
  • transesterification catalyst means a compound satisfying the following test: Catalyst test:
  • the mixture is heated under a stream of nitrogen ( ⁇ 40 mL / min) at 120 ° C.
  • the progress of the reaction is measured by IR spectroscopy by following the intensity of the bands ⁇ ⁇ of the ester at 1735 cm -1 and the acid at 1705 cm -1 as well as ⁇ -oc (ring vibration). the epoxy at 915 cm -1 .
  • the product obtained at the end of this reaction is the ester E1, product of the esterification between octanoic acid and benzyl glycidyl ether, which is confirmed by 1 H and 13 C NMR analysis.
  • the protocol is identical to the previous one.
  • the decanoic acid and the catalyst Cl are in solid form: the mixture is thus homogenized with gentle stirring at 120.degree.
  • the reaction is carried out at 120 ° C. under a nitrogen flow of 40 ml / min.
  • the progress of the reaction is followed in the same way as before: the conversion is completed after one hour. This is verified by 13 C NMR.
  • the product obtained is the E2 ester.
  • GCMS gas chromatography-mass spectrometry
  • Shimadzu GCMS-QP 2010S Shimadzu GCMS-QP 2010S.
  • the chromatographic analysis is carried out by a GC-2010 Shimadzu equipped with a Supelco capillary column (model 28041-U) of length 12 m, inner diameter 0.2 mm packed with a film of 0.33 ⁇ of stationary phase poly (dimethylsiloxane), non-polar (Equity TM -1 phase).
  • the carrier gas is helium, with an inlet pressure of 34.6 kPa, a total flow rate of 44.4 mL / min, a flow rate in the column of 0.68 mL / min, a linear velocity of 48 cm / s and a purge rate of 3 mL / min.
  • the injection of ⁇ ⁇ , of solution in methanol of the product to be analyzed at a concentration of between 1 mg / g and 5 mg / g is carried out at an injection temperature of 250 ° C. in split mode, with a split ratio of 60%.
  • the temperature cycle of the column after injection breaks down into a plateau at 80 ° C for 30s followed by a slope ramp of 24 ° C / min up to 280 ° C. This temperature is then kept constant for 7 min for a total analysis time of 16 min.
  • GC chromatography is coupled with an electronic impact mass spectrometer (SMIE) Shimadzu at 70 eV.
  • SMIE electronic impact mass spectrometer
  • the temperature of the ion source as well as that of the interface are respectively 200 and 300 ° C.
  • the monoesters are identified thanks to the fragmentation obtained by mass spectrometry.
  • the retention times corresponding to monoesters E1, E2, E3 and E4 are respectively 7.9, 8.4, 7.6 and 8.6 min.
  • the kinetics is obtained by plotting the area ratio (A3 + A4) / (A1 + A2) as a function of the sampling time and illustrated in FIG.
  • a product is considered to be a catalyst within the meaning of the present invention if the time for which the ratio reaches 0.9 is less than 5 hours.
  • the catalyst is selected from metal salts of zinc, tin, magnesium, cobalt, calcium, titanium, and zirconium.
  • the catalyst is chosen from those having a transesterification kinetics comparable to that of metal salts of zinc, tin, magnesium, cobalt, calcium, titanium, and zirconium.
  • the catalyst may also be chosen from organic catalysts such as: benzyldimethylamide, benzyltrimethylammonium chloride.
  • These catalysts are generally in solid form and in this case, advantageously in the form of a finely divided powder.
  • a heterogeneous catalyst i.e. a catalyst which is not in the same phase as the reactants, may be employed, but a homogeneous catalyst, present in the same phase as the reactants, is advantageously employed.
  • the catalyst is solubilized in the thermosetting resin precursor or in the hardener.
  • the solid or liquid catalyst is preferably soluble in the thermosetting resin precursor.
  • the solid or liquid catalyst is soluble in the thermosetting resin precursor under the conditions of implementation of the method of the invention.
  • the catalyst is chosen from: zinc acetylacetonate (Zn (Acac)), benzyldimethylamide.
  • epoxide-opening catalysts that can be used in addition to the transesterification catalyst, mention may be made of: tin tetrachloride, organoboron salts, trialkylamines, hexamethylenetetramine, divalent tin salts, condensates aniline-formaldehyde, tertiary amines, ⁇ , ⁇ -alkanolamines, metal chelates comprising epoxy groups, polyacid amine salts, uranium salts, trialkanolamine borates, organosubstituted phosphines, fluoroborates, quaternary ammonium salts, quaternary monoimidazoline salts, dicyandiamides, imidazolines.
  • an epoxide opening catalyst When an epoxide opening catalyst is used, it is advantageously present in amounts ranging from 0.1% to 5% by mole relative to the number of moles of epoxide groups.
  • the subject of the invention is also a kit for the preparation of a thermosetting resin or for the preparation of a composite material comprising a thermosetting resin as described above comprising at least a first composition comprising a thermosetting resin precursor, which thermosetting resin precursor comprising hydroxyl functions and / or epoxy groups, and optionally ester functions, at least one second composition comprising a hardener selected from acid anhydrides and at least one transesterification catalyst, the first and second compositions being in a package adapted to prevent the crosslinking reaction between the precursor and the hardener from occurring without the intervention of an operator.
  • thermosetting resin such as thermosetting resin, the first and second compositions being mixed just before use.
  • Such packaging may consist of a container having two or three internal compartments for the separate storage of each of the components, it being understood that the catalyst may optionally be stored in the same compartment as the precursor or the hardener. Preferably, the catalyst is stored in the same compartment as the thermosetting resin precursor. There may be provided means for contacting the contents of the different compartments so as to initiate crosslinking in the container.
  • the kit for the preparation of a thermosetting resin may consist of a single container, comprising mixing in appropriate quantities of the three components: precursor, anhydride and catalyst.
  • precursor anhydride
  • catalyst a component that promotes the oxidation of the three components.
  • epoxy precursor + anhydride mixtures have a stability of about two months at room temperature, even in the presence of catalyst. The intervention of the operator is then limited to heating.
  • thermosetting composite material comprising at least one thermosetting resin whose composition has been described above.
  • a material may comprise, in addition to the thermosetting resin or resins according to the invention: one or more polymers, pigments, dyes, fillers, plasticizers, fibers, flame retardants, antioxidants, lubricants, wood, glass, metals.
  • thermosetting resin composition of the invention there may be mentioned: elastomers, thermoplastics, thermoplastic elastomers, impact additives.
  • pigments colored particles insoluble in the epoxy resin.
  • pigments that may be used in the invention mention may be made of titanium oxide, carbon black, carbon nanotubes, metal particles, silica, metal oxides and sulphides. metals or any other mineral pigment, mention may also be made of phthalocyanines, anthraquinones, quinacridones, dioxazines, azo pigments or any other organic pigment, natural pigments (madder, indigo, purple, cochineal, etc.) and mixtures thereof. pigments.
  • the pigments can represent from 0.05% to 15% of the weight relative to the weight of the material.
  • dyes molecules soluble in the epoxy resin and having the ability to absorb some of the visible radiation.
  • fillers that can be used in the thermosetting resin composition of the invention, there may be mentioned: silica, clays, calcium carbonate, carbon black, kaolin, whiskers.
  • thermosetting resin compositions of the invention Provision can also be made for the presence in the thermosetting resin compositions of the invention of fibers such as glass fibers, carbon fibers, polyester fibers, polyamide fibers, aramid fibers, cellulosic and nanocellulosic fibers or even vegetable fibers (flax, hemp, sisal, bamboo ).
  • fibers such as glass fibers, carbon fibers, polyester fibers, polyamide fibers, aramid fibers, cellulosic and nanocellulosic fibers or even vegetable fibers (flax, hemp, sisal, bamboo ).
  • thermosetting resin compositions of the invention are used to make sandwich materials by alternately superimposing resin layers with layers of wood, metal, or glass.
  • thermosetting resin composition of pigments, dyes or fibers capable of absorbing radiation may be used to heat an object based on such a resin by means of a radiation source such that a laser.
  • the presence in the thermosetting resin composition of pigments, fibers or electrically conductive fillers such as carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers, metal powders or magnetic particles can be used to provide heating of an object based on such a resin by Joule effect, by induction or by microwaves. Such heating may allow the implementation of a method of manufacturing, processing or recycling an object thermosetting resin according to a method which is described below.
  • the subject of the invention is also a method for manufacturing an object based on a thermosetting resin composition as described above, this process comprising: a) bringing into contact a first composition comprising at least one thermosetting resin precursor, with a second composition comprising at least a hardener selected from acid anhydrides, in the presence of at least one transesterification catalyst,
  • the contacting of the components can be done in a mixer of any type known to those skilled in the art.
  • the application of an energy enabling the curing of the resin in step c) of the process can consist in known manner of heating at a temperature ranging from 50 to 250 ° C. Cooling of the cured resin is usually accomplished by allowing the material to return to ambient temperature with or without the use of a cooling means.
  • the process is advantageously carried out so as to reach or exceed the gel point of the resin at the end of step d).
  • the process of the invention advantageously comprises the application of sufficient energy in step c) for the gel point of the resin to be reached or exceeded.
  • thermoset part based on a material comprising a thermosetting resin, in particular an epoxy resin, as described above. It may also be a composite material object, a coating, a stud, a cord or a thermosetting resin adhesive film.
  • additional components which may be chosen in particular from polymers, pigments, dyes, fillers, plasticizers, fibers, flame, antioxidants, lubricants, wood, glass, metals.
  • the resin has reached or exceeded the gel point.
  • the objects according to the invention may also consist of coatings which are deposited on a support, such as a protective layer or a paint for example. They can also consist of an adhesive material.
  • the catalyst is first solubilized in the composition comprising the thermosetting resin precursor or in the composition comprising the hardener, and then the two compositions are mixed.
  • An object resulting from the shaping and curing of the resin composition described above is also part of the invention.
  • thermosetting resin-based object obtainable by the method described above.
  • thermoset material based on thermosetting resin
  • this resin having reached or exceeded the freezing point.
  • an energy allowing the hardening of the resin is generally meant a rise in temperature.
  • thermosetting resin-based object is made by mixing the components: precursor, hardener, catalyst and additives, introduction into a mold and raising the temperature.
  • precursor precursor, hardener, catalyst and additives
  • introduction into a mold and raising the temperature.
  • the means of manufacturing such an object are well known to those skilled in the art.
  • the resin compositions of the invention to provide other methods of shaping the object than molding, such as filament winding, continuous or interlayer molding, infusion, pultrusion, RTM (resin transfer molding), RIM (reaction-injection-molding) or any other methods known to those skilled in the art, as described in the books "Epoxy Polymer”, edited by JP Pascault and RJJ Williams, Wiley- VCH, Weinheim 2010 or “Industrial Chemistry", by R. Perrin and JP Scharff, Dunod, Paris 1999.
  • thermosetting resin compositions of the prior art With the application of such a process to the thermosetting resin compositions of the prior art, once the resin cured, the object is no longer transformable or repairable or recyclable. Indeed, once the gel point of the resin is reached or exceeded, a thermosetting resin object of the prior art is no longer transformable or repairable or recyclable.
  • thermosetting resin-based materials of the invention because of their particular composition, can be processed, repaired and recycled by raising the temperature of the object.
  • the polymer is glassy and exhibits the behavior of a rigid solid body.
  • thermosetting resin The materials resulting from the hardening of the thermosetting resin described above constitute another object of the invention.
  • thermoset material of the invention exhibits a viscoelastic behavior over a wide temperature range, with a storage modulus of between 5 ⁇ 10 5 and 5 ⁇ 10 7 Pa depending on the temperature. composition.
  • This conservation module can be determined using a mechanical dynamic measurement at 1Hz known to those skilled in the art. In a creep experiment, deformation is observed of elastic nature at very short times, after which, unlike conventional thermoset materials, there is a non-recoverable deformation that varies almost linearly with time.
  • the viscosity determined using a stress of 1 MPa for creep varies between 10 5 Pa.s and 10 10 Pa.s at a temperature of Tg + 150 ° C for the materials according to the invention.
  • the non-recoverable strain thus measured is therefore greater than 10% after a creep time of 20 min.
  • the invention therefore also relates to a thermoset material, based on thermosetting resin whose viscosity is between 10 5 and 10 10 Pa.s at temperatures between 150 ° C and 300 ° C.
  • the value of the activation parameter is typically between 7000 and 12000 K " 1 .
  • thermoset material in a wide temperature range, an object, or thermoset material, can be shaped by applying stresses of the order of 1 to 10 MPa without sinking under its own weight.
  • transesterification exchanges are at the origin of the creep and the variation of viscosity at high temperatures.
  • these materials can be processed at high temperatures, where low viscosity allows injection or press-molding.
  • no depolymerization is observed at high temperatures and the material retains its crosslinked structure. This property allows the repair of two parts of an object. No mold is needed to maintain the shape of the parts during the repair process at high temperatures.
  • large rooms which are more likely to sag, can be maintained by a frame as in the work of glass. Bonding and repairing objects is a particular case of transformations of objects according to the invention.
  • Another object of the invention is therefore a method of transforming at least one object made from a material as described above, this method comprising: the application to the object of a mechanical stress to a temperature (T) greater than the ambient temperature.
  • the method comprises the application to the object of a mechanical stress at a temperature (T) greater than the glass transition temperature Tg of the component material the object.
  • such a method is followed by a step of cooling to room temperature, optionally with application of at least one mechanical stress.
  • mechanical stress is meant in the sense of the present invention, the application of a mechanical force, locally or on all or part of the object, the mechanical force tending to a shaping or deformation of the object.
  • This may be a pressure applied by means of a plate or a mold on one or more faces of an object of the invention, the stamping of a pattern in a plate or a sheet of material of the invention. It may also be a pressure exerted in parallel on two objects of materials of the invention in contact with each other so as to cause a bonding of these objects.
  • the mechanical stress may consist of kneading, for example in a mixer or around the screw of an extruder. It can also consist of an injection or an extrusion.
  • the mechanical stress can also consist of blowing, which can by example be applied to a sheet of material of the invention.
  • the mechanical stress may also consist of a multiplicity of distinct constraints, of the same nature or not, applied simultaneously or sequentially to all or part of the object or in a very localized manner.
  • This transformation may include mixing or agglomeration with one or more additional components selected from: one or more polymers, pigments, dyes, fillers, plasticizers, fibers, flame retardants, antioxidants, lubricants .
  • This rise in the temperature of the object can be achieved by any means known as heating by conduction, convection, induction, point, infrared, microwave or radiant.
  • the means for causing a temperature rise of the object for the implementation of the methods of the invention comprise: an oven, a microwave oven, a heating resistor, a flame, an exothermic chemical reaction, a beam laser, an iron, a heat gun, an ultrasonic tank, a heating punch ...
  • the temperature rise can be done by trays or not and its duration is adapted to the expected result according to the indications that will be given and the examples detailed below.
  • the process of the invention is based on the transesterification reactions which are favored by the presence of the catalyst and by the free OH functions within the polymer network in the materials of the invention according to a dynamic illustrated in FIG. .
  • the new form can be free from any residual stress.
  • the material is thus not weakened or fractured by the application of mechanical stress. And if the room is reheated later, it will not return to its original form.
  • the transesterification reactions that occur at high temperatures favor a reorganization of the crosslinking points of the polymer network so as to cancel the mechanical stresses.
  • Sufficient heating time makes it possible to cancel completely those mechanical stresses internal to the material that have been caused by the application of external mechanical stress. This method therefore makes it possible to obtain complex shapes that are stable, difficult or even impossible to obtain by molding, from simpler elementary shapes. In particular, it is very difficult to obtain by molding forms resulting from a twist.
  • the subject of the invention is therefore a method of manufacturing an object with a programmed posterior transformation, this method comprising the application to a first object of a mechanical stress at a temperature (T) greater than ambient temperature, preferably greater than at the glass transition temperature Tg of the material constituting the first object, then its cooling, the temperature T and its duration of application being controlled so that an internal mechanical stress allowing the subsequent transformation is kept in the object after cooling.
  • T temperature
  • Tg glass transition temperature
  • the first object to which this process is applied is based on a thermoset resin having reached or exceeded the gel point.
  • a plate of material of the invention which is bent at a temperature greater than the Tg of the material of which it is composed, and then cooled rapidly before relaxation of the internal stresses. Subsequent heating of the folding zone without application of external mechanical stress allows the object to be unfolded at a selected angle corresponding to the release of the residual stress.
  • the subject of the invention is also a method of transforming a programmed posterior transformation object, this method comprising applying to an object with a posterior transformation programmed as described above a temperature (T) greater than the temperature ambient, preferably greater than the glass transition temperature Tg of the material constituting the object, the temperature, its duration of application and its location being chosen so as to release all or part of the internal mechanical stresses of the object. This controlled temperature rise is followed by cooling.
  • T temperature
  • Tg glass transition temperature
  • the programmed posterior transformation object to which this method is applied is based on a thermoset resin having reached or exceeded the gel point.
  • a material object of the invention may also be recycled: Either by direct treatment of the object: for example the broken or damaged object is repaired by a transformation method as described above and can thus recover its previous use function or another function.
  • Either the object is reduced to particles by application of a mechanical grinding, and the particles thus obtained can then be implemented in a method of manufacturing an object.
  • particles of material of the invention are simultaneously subjected to a rise in temperature and a mechanical stress allowing their transformation into an object.
  • the mechanical stress allowing the transformation of particles into an object may for example comprise a compression in a mold, a kneading, an extrusion.
  • thermoset resin material having reached or exceeded the gel point.
  • thermosetting resin materials from liquid raw materials, in the form of thermoset resin-based parts or units having reached or exceeded the gel point: particles, granules, balls, rods, plates, sheets, films, ribbons, rods, tubes, etc. by any method known to those skilled in the art.
  • These elementary parts are then convertible under the combined action of heat and mechanical stress into objects of the desired shape: for example, ribbons can by stamping be cut into smaller pieces of selected shape, sheets can be superimposed and assembled by compression.
  • These elementary parts based on thermosetting material, in particular based on epoxy resin are more easily storable, transportable and manipulable than the liquid formulations from which they are derived.
  • the transformation step of the parts according to the invention can be carried out by the end user without chemistry equipment (no toxicity, no expiry date, no VOC, no weighing of reagents).
  • thermosetting resin-based object which is a particular case of the transformation method already described, this process comprising:
  • the material or object of the invention is advantageously based on thermoset resin having reached or exceeded the gel point.
  • Another advantage of this method is to allow the recycling of the material after use, objects that can be reconditioned in the form of units or elementary parts and then reshaped according to the invention.
  • the subject of the invention is therefore a method for recycling an article of material of the invention, this process comprising:
  • the material or object of the invention is advantageously based on thermoset resin having reached or exceeded the gel point.
  • elementary units means parts which have a shape and / or a standardized appearance which are suitable for their subsequent transformation into an object, for example: particles, granules, balls, rods, plates, sheets, films, ribbons, rods,
  • Each set of elementary units is understood to mean at least two elementary units, better still at least three, still more preferably at least 5, preferentially at least 10, even more preferably at least 100, advantageously at least 10 3 , still more preferably at least 10 4 , preferably at least 10 5 .
  • the materials and methods of the invention make it possible to overcome the drawbacks of the materials of the prior art, which are the non-transformability and the non-recyclability of epoxy resin-based articles. They allow in particular to transform and recycle as many times as desired the epoxy resin-based object.
  • the method also makes it possible to manufacture epoxy resins in a solid form, easy to store, transport and handle, these new forms of epoxy resin, called elementary units, being used directly for the manufacture of objects by applying a step of transformation conventionally used for thermoplastics. Finally, these resins and these materials allow new applications of thermosetting resins by the application of transformation methods. news for these resins and the possibility of programming controlled transformations of these materials.
  • thermosetting resins materials and composites for the automobile, for the aeronautical construction, the electronics, the sport, the building, the printing, the packing.
  • FIG. 1 Schematic representation of transesterification reactions within the polymer network
  • FIG. 2 Chromatogram of the products contained in the reaction medium resulting from the transesterification test
  • Figure 3 Graphical representation of the transesterification kinetics in the transesterification test
  • Example 4 Flow curves of the material of Example 1 produced at different temperatures (squares: 160 ° C., round: 180 ° C., triangles: 200 ° C., diamonds: 220 ° C.) under a stress of 1 MPa.
  • FIGS. 6a and 6b Photographs of a material ribbon of the invention observed in polarized light to which a torsion-type mechanical stress is applied according to Example 3
  • Figures 7a to 7c graphical representation from photographs of the parts formed in example 4.
  • Figure 9 Results of the tensile tests performed on the samples of Example 6 (the samples are named after the anhydride / epoxy ratio) after repair.
  • the maximum force before failure (in N) is representative of the effectiveness of the repair. It is an average of five measurements, the error bar corresponds to the standard deviation of the measurements.
  • the plate prepared in Example 1 is softened by heating with a hot air gun (T ⁇ 140 ° C) being careful to avoid overheating locally and then cut into ribbons using a trimmer.
  • a ribbon measuring 100 mm x 8 mm x 1.4 mm is seized at both ends by two teflon clamps.
  • the assembly is placed on a frame constructed so that 1 °) one of the clamps is secured to the frame, 2 °) the second clamp, facing the first is placed at the end of a movable axis that allows move it in translation and in rotation and 3 °) the frame can be placed in a tubular furnace type Buchi TO-50 equipped with a nitrogen inlet and a thermocouple chromel / alumel which allows to know the effective temperature near the sample.
  • the oven is placed between two crossed Polaroid cameras and lit from behind by a negatoscope, the images are recorded using a camera digital photography.
  • the set temperature is set to 200 ° C.
  • the position of the movable clamp is adjusted so that the ribbon remains taut despite expansion. It is found that, after equilibration, the temperature that actually prevails near the sample is between 160 and 180 ° C.
  • the clamp is then manipulated from the outside by the operator to deform the sample
  • the mobile clamp After waiting for 40 minutes after applying the greatest deformation (2 turns), although the birefringence has not completely disappeared, the mobile clamp is released. It is noted that the sample does not return to its initial shape of flat tape but retains a helical deformation with a residual twist of about 1.5 turns.
  • a comparative sample is prepared using the same protocol as in Example 1 but using a lesser catalyst mass: 0.016 g of zinc acetylacetonate is 0.001 gram atom of zinc per epoxy function.
  • 0.016 g of zinc acetylacetonate is 0.001 gram atom of zinc per epoxy function.
  • Example 1 The procedure is as in Example 1 but with a double amount of catalyst.
  • a sample of dimensions 100 mm ⁇ 8 mm ⁇ 1.4 mm is manipulated as in Example 2. It is found in this case that the birefringence colors induced by a helical deformation (FIG. 6a) disappear within 15 minutes, leaving place a birefringence figure in shades of gray ( Figure 6b).
  • FIG. 6a By proceeding in stages and allowing at least 10 minutes to relax between each stage and 40 minutes after the final stage, successively twists of 1 turn, 1.5 turns, 2 turns, 2.25 turns, 2.5 turns, are applied successively. 2.75 laps then 3 laps. After cooling the sample has a deformation of 3 turns, After immersion in boiling water for 2 minutes the twist remains greater than 2.95 turns.
  • Example 5 Recycling the material according to the invention by grinding.
  • Example 6 Repair of an Object Based on Epoxy Resin According to the Invention
  • Table 2 From each material is cut a rectangular ribbon of dimensions 50 mm x 5 mm x 1.4 mm. The ribbon is broken by the medium and the two fragments are placed one over the other, overlapping for 15 mm in length and then compressed in a Mohr forceps in a geometry similar to ASTM D3983. In order to control the pressure applied, the central screw with a diameter of 6 mm and a pitch of 1 mm is replaced by a hexagonal screw of the same size to which a torque of 70 ( ⁇ 10) N / cm is applied using a torque screwdriver. The assembly is put in an oven at 150 ° C for 2 hours.
  • This example shows the possibility of repairing a thermoset resin part according to the invention or of assembling two pieces of material according to the invention. This example also shows the improvement of the properties when the number of hydroxyl functions generated by the epoxy + anhydride reaction is increased, this number being all the higher as the anhydride / epoxy ratio is low.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Epoxy Resins (AREA)
  • Separation, Recovery Or Treatment Of Waste Materials Containing Plastics (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

Résines et des composites thermodurs les comprenant, ces matériaux pouvant être façonnés à chaud. Ces compositions résultant de la mise en contact d'au moins un précurseur de résine thermodurcissable, ce précurseur de résine thermodurcissable comportant des fonctions hydroxyle et/ou des groupements époxy, et éventuellement des fonctions ester, avec au moins un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide, en présence d'au moins un catalyseur de transestérification dont la quantité totale en mole est entre 5 et 25% de la quantité molaire totale d'hydroxyle et d'époxy contenus dans le précurseur de résine thermodurcissable. Procédé de fabrication de ces matériaux, procédé de transformation et procédé de recyclage de ces matériaux. Nouvelles formes solides de résines et de composites thermodurcis qui peuvent être utilisées dans la mise en œuvre de ces procédés.

Description

RÉSINES ET COMPOSITES THERMODURS ÉPOXY ANHYDRIDES POUVANT ÊTRE FAÇONNÉS À CHAUD ET RECYCLÉS Domaine de l'invention
L'invention a pour objet des résines et des composites thermodurs les comprenant, ces matériaux pouvant être façonnés à chaud. Elle a également pour objet un procédé de fabrication de ces matériaux, un procédé de transformation et un procédé de recyclage de ces matériaux. Elle concerne également de nouvelles formes solides de résines et de composites thermodurcis qui peuvent être utilisées dans la mise en œuvre de ces procédés.
Par définition, une résine thermodurcissable est une résine qui durcit sous l'action d'une énergie, en particulier sous l'action de la chaleur. Les thermodurs qui sont les matériaux polymères fabriqués à partir de résines thermodurcissables ont l'avantage de présenter une résistance mécanique, thermique et chimique élevée et pour cette raison peuvent remplacer les métaux dans certaines applications. Ils ont l'avantage d'être plus légers que les métaux. Ils peuvent aussi être employés comme matrices dans des matériaux composites, comme adhésifs et comme revêtements.
Parmi les polymères thermodurs, on peut citer les polyesters insaturés, les phénoplastes, les polyépoxydes, les polyuréthannes, les aminoplastes.
Les résines thermodurcissables sont moulées et réticulées à chaud ou à température ambiante. La mise en oeuvre s'effectue par voie liquide à partir des monomères. Elles présentent donc l'inconvénient de nécessiter des manipulations et dosages de liquides précis pour leur mise en œuvre. Le transport des composés précurseurs, sous forme liquide, n'est pas non plus satisfaisant en termes de sécurité.
En outre, les résines thermodurcissables classiques doivent être mises en oeuvre, en particulier elles doivent être moulées de façon à obtenir d'emblée la forme adéquate pour l'utilisation finale. En effet, aucune transformation n'est plus possible une fois que la résine est polymérisée, hormis l'usinage qui reste souvent délicat. Les pièces souples ou dures et les composites à base de résines thermodurcissables ne sont ni transformables, ni façonnables, elles ne peuvent pas être recyclées.
Parallèlement aux résines thermodurcissables, une classe de matériaux polymères, les thermoplastiques, a été mise au point. Les thermoplastiques peuvent être mis en forme à haute température par moulage ou par injection mais ont des propriétés mécaniques et de résistance thermique et chimique moins intéressantes que celles des thermodurs.
En outre, la mise en forme des thermoplastiques ne peut être réalisée que dans des gammes de température très étroites. En effet, les thermoplastiques lorsqu'ils sont chauffés deviennent des liquides dont la fluidité varie abruptement au voisinage des températures de fusion et de transition vitreuse ce qui ne permet pas de leur appliquer toute une variété de méthodes de transformation qui existent pour le verre et pour les métaux par exemple.
Un des objectifs de l'invention a été la mise au point de résines thermodurcissables qui soient transformables à chaud après durcissement. En particulier, les matériaux de l'invention ont la propriété de pouvoir être chauffés à des températures telles qu'ils deviennent façonnables sans subir de destruction ou de dégradation de leur structure. La viscosité de ces matériaux varie lentement sur une large plage de température avec un comportement qui se rapproche de la loi d' Arrhénius. Cette propriété permet de leur faire subir des transformations par des procédés très variés qui ne sont pas envisageables pour les thermoplastiques. Elle permet notamment d'obtenir des formes d'objets qui sont difficiles ou impossibles à obtenir par moulage ou pour lesquels la réalisation d'un moule s'avère trop coûteuse pour la fabrication envisagée. De plus, la présence de la transition vitreuse, détectable par DSC (analyse enthalpique différentielle) dans les matériaux de l'invention rend possible le piégeage et la relaxation contrôlés de contraintes locales. Cette situation permet d'envisager la conception et la fabrication d'objets de forme prédéfinie et dont la forme finale peut être obtenue par simple application de chaleur. L'invention permet de développer de nouvelles applications pour les résines thermodurcissables en facilitant leur mise en forme et leur recyclage. Ainsi elle peut ouvrir des domaines d'application et des modes de mise en œuvre pour les résines thermodurcissables, notamment les résines époxy qui n'étaient absolument pas envisageables jusqu'à présent. L'invention permet enfin de remédier aux problèmes de dosage et de manipulation de liquides qui étaient inhérents à l'emploi de thermodurcissables jusqu'à présent.
Etat de la technique
Il est connu de l'art antérieur (Aflal et al, Appl. Polym. Sci. 2009, 113, 2191) de réparer un objet à base de résine époxy. La solution proposée a consisté à ne faire réagir que partiellement les groupes fonctionnels époxy lors de la fabrication de l'objet. Cela a pu être réalisé en utilisant une quantité sous-stœchiométrique de durcisseur. Pour réparer un objet endommagé on applique alors une température élevée à la partie de l'objet concernée de telle sorte que les fonctions époxy restées libres réagissent entre elles et forment des liaisons covalentes.
Une autre méthode connue de la demande WO02064653 pour réparer un objet à base de polymère consiste à disperser dans le polymère des microcapsules remplies d'un agent polyménsable. L'endommagement de l'objet provoque une rupture des microcapsules et la libération de l'agent polyménsable dans la fracture. La polymérisation de cet agent permet de réparer la fracture.
Ces méthodes sont toutefois limitées à la réparation d'objets et ne permettent pas d'envisager le recyclage de résines thermodurcissables ni leur transformation, une fois durcies, en un objet ayant une autre forme. En outre, ces méthodes de réparation ne permettent de réparer l'objet qu'une ou deux fois au maximum. En effet, lorsque toutes les fonctions époxy ont réagi - ou que les agents polymérisables ont polymérisé -, il n'est plus possible de réparer la pièce ou le matériau. Enfin, les matériaux comportant des capsules présentent le plus souvent des propriétés mécaniques inférieures à celles des résines dont ils sont composés.
Des systèmes polymères utilisant des liaisons covalentes réversibles ont déjà été décrits. Ainsi, on connaît par Lehn, J.M., Progress Polym. Sci., 2005, 30, 814-831, et Skene W.G., Lehn, J.M., P.N.A.S. 2004, 22, 8270-8275, des résines polymères capables de se dépolymériser et de se repolymériser sous l'action de la chaleur. L'équipe du Professeur Wudl (Chen X. et al, Science 2002, 295, 1698-1702) a décrit des matériaux autoréparants basés sur la réversibilité de la réaction de Diels- Aider.
Cependant, ces travaux ne concernent que la réparation et l'assemblage de pièces et n'envisagent pas la transformation d'un objet à base de résine thermodurcissable en un objet de forme différente.
Le document J.O.Outwater, D.G. Gerry, J.Adhesion, vol. l, 1969, 290-298 mentionne la possibilité de réparer par chauffage une fracture dans une résine époxy. Il est enseigné dans ce document que la restitution d'énergie associée à la disparition des surfaces de fracture est responsable de ce phénomène. Toutefois, ces observations n'ont pas été renouvelées depuis plus de 40 ans et n'ont conduit à aucun développement. Et la composition de résine qui a été utilisée dans ce document ne répond pas à la définition des compositions de l'invention et ne permet pas de transformer un objet ni d'être soumise à un recyclage. Le document US-3, 624,032 décrit une composition de résine époxy comprenant une résine époxy, un durcisseur de type anhydride d'acide et un catalyseur de type complexe métallique d'acétyl acétone. On constate dans les exemples que les composants sont mis en œuvre sous forme solide et les conditions de mise en œuvre décrites ne permettent pas de solubiliser le catalyseur en quantité élevée dans le précurseur de résine thermodurcissable.
Le document US-3, 932,343 décrit une composition de résine époxy adhésive comprenant une résine époxy, un anhydride d'acide et un catalyseur de type complexe métallique d'acétylacétone. On constate que les quantités molaires de catalyseur sont inférieures à 1,5% par rapport au nombre de moles de fonctions époxy de la résine.
Selon la présente invention, les résines thermodurcissables sont dotées d'une réversibilité chimique, qui, associée à une contrainte mécanique, peut être utilisée pour donner une nouvelle forme à un objet.
De plus les compositions de résines de l'invention se distinguent aussi de celles de l'art antérieur par le fait qu'il ne s'agit pas de résines spéciales mais qu'elles sont composées d'une résine thermodurcissable, en particulier d'une résine époxy, ordinaire, d'un durcisseur anhydride d'acide capable de réagir avec les fonctions époxydes en générant des fonctions hydroxyle et ester, d'un catalyseur d'estérification classique et d'un catalyseur de transestérification identique ou non. Elles se distinguent des résines époxy classiques par la présence de quantités de catalyseur de transestérification supérieures à celles habituellement employées, la transestérification n'étant habituellement pas recherchée ou envisagée.
Ces compositions et les procédés de l'invention sont donc utilisables dans toutes les applications habituelles des résines thermodurcissables, en particulier des résines époxy, mais présentent les propriétés avantageuses qui ont été mentionnées ci-dessus et sont illustrées de façon détaillée dans la description et les exemples de réalisation.
Résumé de l'invention
L'invention a pour objet une composition de résine thermodurcissable, cette composition résultant de la réaction d'au moins un précurseur de résine thermodurcissable présentant des fonctions hydroxyle et/ou des groupements époxy, avec au moins un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide, en présence d'au moins un catalyseur de transestérification, la quantité d'anhydride d'acide étant choisie de telle sorte que la résine soit sous la forme d'un réseau maintenu par des fonctions ester et qu'il reste des fonctions hydroxyle libres après réaction du précurseur avec le durcisseur.
Elle a également pour objet les matériaux composites comprenant une telle composition de résine, un procédé de fabrication d'un objet ou d'un matériau à base de cette résine, un procédé de transformation d'un objet à base de résine, un procédé de fabrication d'un objet à transformation contrôlée, un procédé de transformation d'un objet à transformation contrôlée, un procédé d'assemblage et collage de matériaux et composites à base de cette résine, un procédé de réparation d'objet à base de cette résine, un procédé de recyclage d'un objet à base de résine. Elle concerne encore les objets en matériau thermodurcissable susceptibles d'être obtenus par le procédé de l'invention.
L'invention se fonde sur les réactions de trans-estérification pouvant survenir quand un polymère contient à la fois des fonctions ester et des fonctions hydroxyle.
Pour permettre ces transestérifications et obtenir des matériaux avec une Tg élevée et une rigidité élevée, on fait polymériser des résines époxy en utilisant comme durcisseurs des anhydrides d'acide.
Pour que la réaction de transestérification soit exploitable dans une gamme de températures qui n'entraîne pas la destruction du matériau et à des échelles de temps contrôlables, l'invention fait appel à un catalyseur.
Par rapport aux résines thermoplastiques, qui sont elles aussi susceptibles d'être transformées à chaud, le matériau selon l'invention peut être travaillé sans s'écouler sous son propre poids dans une gamme de températures beaucoup plus large ce qui permet d'appliquer des méthodes de transformation variées, notamment sans avoir recours de façon impérative à un moulage. Ces méthodes sont de même nature que celles employées dans les domaines des métaux et du verre.
Les résines et les matériaux de l'invention permettent aussi par l'application d'une température suffisante et d'une contrainte mécanique appropriée de mouler des objets en matériau thermodurcissable à partir du matériau thermodurci. Les résines et les matériaux de l'invention permettent aussi par l'application d'une température suffisante et à l'aide d'un bon contact des pièces, l'assemblage de pièces par le soudage de manière à former un objet plus complexe. Les résines et les matériaux de l'invention permettent aussi par l'application d'une température suffisante et d'une contrainte mécanique de réparer une fissure ou un endommagement causé à une pièce constituée du matériau ou à un revêtement à base du matériau. Un autre avantage de ces résines et de ces matériaux est de permettre le recyclage du matériau après utilisation, les pièces pouvant être reconditionnées sous forme d'unités ou pièces élémentaires puis à nouveau remises en forme suivant l'invention.
Description détaillée de l'invention
L'invention a pour objet une composition de résine thermodurcissable, cette composition résultant de la mise en contact :
D'au moins un précurseur de résine thermodurcissable, ce précurseur de résine thermodurcissable comportant des fonctions hydroxyle et/ou des groupements époxy, et éventuellement des fonctions ester,
Avec au moins un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide,
En présence d'au moins un catalyseur de transestérification, et dont la quantité totale en mole est entre 5 et 25% de la quantité molaire totale d'hydroxyle et d'époxy contenus dans le précurseur de résine thermodurcissable,
La quantité de durcisseur étant choisie de telle sorte que la résine soit sous forme d'un réseau et :
No désignant le nombre de moles de fonctions hydroxyle dans le précurseur,
Nx désignant le nombre de moles de groupement époxy dans le précurseur,
NA désignant le nombre de moles de fonctions anhydride du durcisseur capables de former une liaison avec une fonction hydroxyle ou avec un groupement époxy du précurseur de polymère thermodurcissable :
2NA< NO + 2NX
De préférence, on choisit les quantités de réactifs de telle sorte qu'après réticulation il ne reste pas de fonctions époxy n'ayant pas réagi.
Cela se traduit par la relation 2NA>NX
Par précurseur de résine thermodurcissable on entend au sens de la présente invention un oligomère, un pré-polymère, un polymère ou toute macromolécule qui, lorsqu'il est mis à réagir avec un durcisseur, aussi appelé réticulant, en présence d'une source d'énergie, notamment de chaleur, et éventuellement d'une petite quantité de catalyseur, donne un réseau de polymère doté d'une structure solide, dure à basse température. Les résines thermodurcissables connues de l'art antérieur ne peuvent pas après réticulation être transformées sous l'action de la température, les réactions ayant conduit à la formation d'un réseau tridimensionnel étant irréversibles. L'invention concerne plus particulièrement des matériaux obtenus par la réaction de précurseurs de résines thermodurcissables avec un ou plusieurs durcisseurs, et qui comportent a) des fonctions ester ainsi que b) des fonctions hydroxyle.
Ces matériaux comportent des fonctions ester et résultent de la réaction de polymérisation entre au moins un anhydride d'acide et un précurseur de résine thermodurcissable comprenant au moins une fonction époxy ou une fonction hydroxyle. On peut prévoir d'autres types de précurseurs et de réticulants résultant en une résine dotée de fonctions ester et de groupements hydroxyle libres, tels qu'un réticulant acide polycarboxylique avec un précurseur de résine comprenant des époxy ou un réticulant acide polycarboxylique avec un précurseur de résine comprenant des hydroxyles.
Selon l'invention on choisit des précurseurs qui comportent des groupements époxy et/ou des fonctions hydroxyle libres. Ces groupements époxy et ces fonctions hydroxyle libres sont susceptibles de réagir avec les fonctions réactives du durcisseur pour former un réseau tridimensionnel maintenu par des fonctions ester. On peut prévoir que le précurseur de résine thermodurcissable soit lui-même sous forme d'une chaîne polyéther ou polyester qui comporte des fonctions hydroxyle et/ou des groupements époxy susceptibles de participer à une réaction de réticulation en présence d'un durcisseur. On peut aussi prévoir que le précurseur de résine thermodurcissable soit sous forme de résine acrylique ou méthacrylique comportant des groupes époxy.
De façon préférentielle, l'invention concerne des résines thermodurcissables de type résine époxy. Ainsi, de façon avantageuse, le précurseur de résine thermodurcissable est un précurseur de résine époxy. Avantageusement, le précurseur de résine époxy représente au moins 10% en masse de la masse de composition de précurseur thermodurcissable, avantageusement au moins 20%, de préférence au moins 40% et encore mieux au moins 60%.
Un précurseur de résine thermodurcissable de type résine époxy est défini comme une molécule contenant au moins un groupe époxyde. Le groupe époxyde également nommé oxirane ou éthoxyline, est représenté ci-dessous :
O
/ \
R-C C-Q
H H
Dans lequel Q=H ou Q=R', R et R' étant des groupements hydrocarbonés. Il existe deux grandes catégories de résines époxy : les résines époxy de type glycidyle, et les résines époxy de type non glycidyle. Les résines époxy de type glycidyle sont elles- mêmes classées en glycidyle éther, glycidyle ester et glycidyle aminé. Les résines époxy non glycidyle sont de type aliphatique ou cycloaliphatique.
Les résines époxy glycidyle sont préparées par une réaction de condensation du composé dihydroxy approprié avec un diacide ou une diamine et avec de l'épichlorhydrine. Les résine époxy non glycidyle sont formées par peroxydation des doubles liaisons oléfiniques d'un polymère.
Parmi les éthers époxy glycidyle, le diglycidyl éther de bisphénol A (DGEBA) représenté ci-dessous est le plus couramment utilisé.
Figure imgf000009_0001
Les résines à base de DGEBA ont d'excellentes propriétés électriques, un faible retrait, une bonne adhérence sur de nombreux métaux et une bonne résistance à l'humidité, une bonne résistance thermique et aux chocs mécaniques.
Les propriétés des résines DGEBA dépendent de la valeur de n, qui est le degré de polymérisation, qui lui-même dépend de la stoechiométrie de la réaction de synthèse. En règle générale, n varie de 0 à 25.
Les résines époxy Novolac (dont la formule est représentée ci-dessous) sont des glycidyléthers de résines phénoliques novolaques. Elles sont obtenues par réaction du phénol avec le formaldéhyde en présence d'un catalyseur acide pour produire une résine phénolique novolaque, suivie d'une réaction avec l'épichlorhydrine en présence d'hydroxyde de sodium comme catalyseur.
Figure imgf000009_0002
Les résines époxy Novolac contiennent généralement plusieurs groupes époxyde. Les multiples groupes époxyde permettent de réaliser des résines de haute densité de réticulation. Les résines époxy Novolac sont largement utilisées pour formuler des composés moulés pour la microélectronique en raison de leur résistance supérieure à une température élevée, de leur excellente aptitude au moulage, et de leurs propriétés supérieures mécaniques, électriques, de résistance à la chaleur et à l'humidité.
Les résines époxy auxquelles s'applique l'invention peuvent être quelconques à partir du moment où leurs précurseurs comprennent, avant réaction avec l'anhydride, un nombre moyen de fonctions époxyde et hydroxyle par précurseur tel que :
2< 2<nx>+<n0> .
Cette inégalité est à considérer dans le sens strict.
<nx> étant la moyenne en nombre du nombre de fonctions époxy par précurseur <no> étant la moyenne en nombre du nombre de fonctions hydroxyle par précurseur. La moyenne en nombre étant définie par :
<n>=Somme(P(i)*i)/Somme(P(i)), où P(i) est le nombre de molécules ayant i fonctions.
De préférence 3 < 2<ηχ>+<ηο>
Et encore plus avantageusement 4 < 2<nx>+<no>
Le précurseur de résine thermodurcissable utilisable dans la présente invention peut notamment être choisi parmi : Les résines époxy Novolac, le bisphénol A diglycidyl éther (DGEBA), le bisphénol F diglycidyl éther, le tétraglycidyl méthylène dianiline, le pentaérythritol tétraglycidyl éther, le tétrabromo bisphénol A diglycidyl éther, ou les hydroquinone diglycidyl éther, l'éthylène glycol diglycidyl éther, le propylène glycol diglycidyl éther, le butylène glycol diglycidyl éther, le néopentyl glycol diglycidyl éther, le 1,4-butanediol diglycidyl éther, le 1,6-hexanediol diglycidyl éther, le cyclohexanediméthanol diglycidyl éther, le polyéthylène glycol diglycidyl éther, le polypropylène glycol diglycidyl éther, le polytétraméthylène glycol diglycidyl éther, le résorcinol diglycidyl éther, le néopentylglycol diglycidyl éther, le bisphénol A polyéthylène glycol diglycidyl éther, le bisphénol A polypropylèneglycol diglycidyl éther, le diglycidyl ester d'acide téréphtalique, le poly(glycidyle-acrylate), le poly(glycidyle-méthacrylate), les acides gras polyinsaturés époxydés, les huiles végétales époxydées, les huiles de poissons époxydées, et le limonène époxydé; et leurs mélanges. Avantageusement, il est choisi parmi : le DGEBA, l'huile de soja époxydée et les résines Novolac.
Un durcisseur est nécessaire pour former un réseau tridimensionnel réticulé à partir d'une résine époxy.
II existe une grande variété de durcisseurs pour résines époxy. Les agents couramment utilisés pour réticuler les époxydes sont les aminés, les polyamides, les résines phénoliques, les anhydrides, les isocyanates et les polymercaptans. La cinétique de réaction et la température de transition vitreuse, Tg, de la résine réticulée dépendent de la nature du durcisseur. Le choix de la résine et du durcisseur dépend essentiellement de l'application et des propriétés souhaitées. La stoechiométrie du système époxy-durcisseur affecte également les propriétés du matériau durci.
La résine selon la présente invention est fabriquée avec au moins un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acides.
Les durcisseurs de la classe des anhydrides d'acides sont, avec les diamines, typiquement utilisés pour obtenir des matériaux durs (réseaux réticulés avec une Tg supérieure à l'ambiante).
En présence de catalyseurs acides ou basiques, les anhydrides d'acides réagissent avec les groupements époxyde en formant des esters. Jusqu'à présent, les catalyseurs utilisés par l'homme de l'art ont été optimisés pour cette réaction d'estérification et sont ajoutés en quantités entre 1 et 3% molaires par rapport aux groupes époxy. [« Epoxy Resins, Chemistry and Technology », seconde Ed., édité par C.A. May, Marcel Dekker, New Yorkl988]. Lorsqu'ils sont utilisés en quantité supérieure, on constate généralement qu'ils ne sont pas solubilisés dans le précurseur de résine thermodurcissable, dans les conditions de mise en œuvre de l'art antérieur.
De façon préférentielle, les anhydrides cycliques peuvent être utilisés comme durcisseurs. Certains anhydrides cycliques communs sont représentés dans le tableau 1 ci- dessous. Anhydride anhydride anhydride anhydride anhydride phthalique Méthyl- hexahydro dodécenyl glutarique nadique phthalique succinique
Figure imgf000012_0001
Tg=150°C Tg=144°C Tg=132°C Tg=75°C Tg=75°C
Tableau 1 - Description des principaux anhydrides employés comme agents réticulants avec des époxydes. La Tg indiquée correspond à des résines réticulées avec du DGEBA comme précurseur [« Epoxy Resins, Chemistry and Technology », seconde Ed., édité par C.A. May, Marcel Dekker, New Yorkl988].
On peut également citer l'anhydride succinique, l'anhydride maléique, l'anhydride chlorendique, l'anhydride nadique, l'anhydride tetrachlorophtalique, le dianhydride pyromellitique, le dianhydride d'acide 1,2,3,4 cyclopentanetétracarboxylique, les polyanhydrides d'acides aliphatiques tels que le polyanhydride polyazélaique, le polyanhydride polysébaci que.
De préférence ce durcisseur est choisi parmi : l'anhydride glutarique, l'anhydride phtalique, et l'anhydride hexahydrophtalique. Et encore plus préférentiellement on choisit l'anhydride glutarique qui a la propriété de faciliter la solubilisation des catalyseurs préférentiellement employés.
Le ou les durcisseurs de type anhydride peuvent être employés seuls ou en mélange avec d'autres types de durcisseurs notamment des durcisseurs de type amine ou des durcisseurs de type acide.
Un durcisseur de type amine peut être choisi parmi les aminés primaires ou secondaires ayant au moins une fonction NH2 ou deux fonctions NH et de 2 à 40 atomes de carbone. Cette amine peut par exemple être choisie parmi les aminés aliphatiques telles que la diéthylène triamine, la triéthylène tétramine, la tétraéthylène pentamine, la dihexylène triamine, la cadavérine, la putrescine, l'hexanediamine, la spermine, l'isophorone diamine, ainsi que les aminés aromatiques telles que la phénylène diamine, la diamino diphénylméthane, la diamino diphénylsulfone, la méthylène bischlorodiéthylaniline.
Avantageusement, lorsqu'un durcisseur amine est employé dans le mélange, le rapport amine/époxy est limité de manière à ce que en absence de liaisons esters, les liaisons amine tertiaire ainsi créées ne suffisent pas pour passer le point de gel. En pratique l'homme de l'art peut se fonder sur la vaste littérature existant sur les systèmes époxy-amine pour choisir la composition adéquate. Le test décrit ci-dessous qui concerne la formation d'un réseau peut être employé pour vérifier le non dépassement du point de gel :
Dans un matériau, nous considérons que le point de gel n'est pas atteint tant qu'un plot cylindrique fait de ce matériau, avec une hauteur initiale d' approximativement 1 cm à température ambiante et un diamètre de 1 cm, après avoir été laissé lOh à une température de 50°C au dessus de la Tg (mesurée par DSC) puis équilibré 30 min à température ambiante, présente une hauteur finale différente de plus de 20% de la hauteur initiale. Comme acides utilisables dans l'invention, on peut citer les acides carboxyliques comprenant 2 à 40 atomes de carbone, comme les diacides linéaires (glutarique, adipique, pimélique, subérique, azélaïque, sébacique, dodécanedioïque et leurs homologues de masses supérieures) ainsi que leurs mélanges, ou les dérivés d'acides gras, les trimères (oligomères de 3 monomères identiques ou différents) et mélanges de dimères et trimères d'acides gras, en particulier d'origine végétale. Ces composés résultent de l'oligomérisation d'acides gras insaturés tels que : l'acide undécylénique, myristoléique, palmitoléique, oléique, linoléique, linolénique, ricinoléique, eicosénoïque, docosénoïque, que l'on trouve habituellement dans les huiles de pin, colza, maïs, tournesol, soja, pépins de raisin, lin, jojoba, ainsi que les acides eicosapentaénoïque et docosahexaénoïque que l'on trouve dans les huiles de poissons.
Comme acides utilisables dans l'invention, on peut encore citer les acides carboxyliques aromatiques comprenant 2 à 40 atomes de carbone, comme les diacides aromatiques tels que l'acide phtalique, l'acide trimellitique, l'acide téréphtalique ou l'acide naphtalènedi carb oxy li que .
Avantageusement, lorsqu'un ou plusieurs durcisseurs autre que les anhydrides est employé en mélange avec le ou les durcisseurs de type anhydride, l'anhydride représente au moins 10%, et de préférence au moins 20%, avantageusement au moins 40%, encore mieux au moins 60% en mole par rapport à l'ensemble des durcisseurs.
Suivant l'art antérieur, dans des rapports équimolaires de groupes anhydrides et époxy, des réseaux de polyester hautement réticulés sont obtenus, dans lesquels les diépoxydes et les anhydrides cycliques mènent à des unités ayant respectivement une fonctionnalité de 4 et de
2.
Dans des rapports équimolaires de groupes anhydrides et époxy, ces réseaux n'ont pas les groupes hydroxyle libres nécessaires pour une réaction de transestérification. Selon l'invention, un compromis doit être choisi entre la présence d'hydroxyles libres permettant de faire des réactions de transestérification et une haute densité de réticulation donnant un matériau solide et résistant mécaniquement.
Dans le sens de cette invention, un réseau est formé à partir du moment où il existe un chemin continu constitué d'une succession de monomères unis les uns aux autres par des ponts ester, ce chemin traversant de bout en bout l'échantillon. Ces monomères peuvent provenir des précurseurs thermodurcissables et/ou des durcisseurs. L'homme de l'art connaît des guides théoriques et/ou empiriques pour déterminer les compositions permettant d'obtenir un réseau à partir des résines et durcisseurs envisagés (cf par exemple P. J. Flory Principles of Polymer Chemistry Cornell University Press Ithaca-NY 1953).
Selon l'invention on utilise le durcisseur en quantité suffisante pour former un réseau. Dans la pratique, on en est assuré si, après formation des ponts esters, un plot cylindrique fait de ce matériau, avec une hauteur initiale d' approximativement 1 cm à température ambiante et un diamètre de 1 cm, après avoir été laissé lOh à une température de 50°C au dessus de la Tg (mesurée par DSC) puis équilibré 30 min à température ambiante, présente une hauteur finale différente de moins de 20% de la hauteur initiale.
Lorsque l'on utilise un précurseur comportant au moins deux fonctions époxy par molécule, et un anhydride cyclique, les conditions déjà énoncées sont suffisantes pour obtenir un réseau:
2NA< NO + 2NX
2NA>NX
Un des catalyseurs au moins doit être choisi parmi les catalyseurs de transestérification. Certains catalyseurs de transestérification permettent de catalyser la réaction des époxy des avec le durcisseur. Mais on peut aussi prévoir d'employer un catalyseur spécifique de l'ouverture des époxydes en plus du catalyseur de transestérification.
Les catalyseurs de transestérification sont employés dans l'invention en quantité allant de 5 à 25% molaire par rapport à la quantité molaire totale d'hydroxyle et d' époxy contenus dans le précurseur de résine thermodurcissable. Cette proportion de catalyseur est significativement supérieure aux quantités employées dans l'art antérieur.
Selon l'invention, on entend par catalyseur de transestérification, un composé satisfaisant au test suivant : Test catalyseur :
Préparation de l 'ester El :
Dans un tube à essai, on place 6, 1 mmol d'acide octanoïque (Mw = 144,2 g/mol, m = 0,88 g) et 0,37 mmol (6 %mol) de catalyseur Cl, la 2-méthylimidazole (2-MI, Mw = 82,1 g/mol, m~30 mg). A température ambiante, l'acide octanoïque est sous forme liquide alors que la 2-MI est un solide qui sédimente au fond du tube. A 120°C et sous une légère agitation manuelle, le catalyseur est solubilisé rapidement. On ajoute 6, 1 mmol de Benzyl Glycidyl Ether (Mw = 164,2 g/mol, m = lg) et on agite afin d'homogénéiser le mélange réactionnel.
Le mélange est chauffé sous un flux d'azote (~ 40 mL/min) à 120°C.
L'avancement de la réaction est mesuré par spectroscopie IR en suivant l'intensité des bandes υ<>ο de l'ester à 1735 cm"1 et de l'acide à 1705 cm_1ainsi que ôc-o-c (ring vibration) de l'époxy à 915 cm"1.
Au bout d'une heure, on constate par ce moyen que la conversion n'évolue plus. L'analyse par RMN 13C (CDC13/TMS) confirme la disparition du signal [COOH] à 181 ppm et l'apparition du signal [COOR] à 174 ppm.
Le produit obtenu en fin de cette réaction est l'ester El, produit de l'estérification entre l'acide octanoïque et le benzyl glycidyl ether, ce qui est confirmé par l'analyse RMN 1H et 13C.
Préparation de l 'ester E2 :
Le protocole est identique au précédent. Le mélange réactionnel est alors constitué de 6,7 mmol de Phényl Glycidyl Ether (Mw = 150,2 g/mol, m = lg), de 6,7 mmol d'acide décanoïque (Mw = 172,3 g/mol, m = 1, 15 g) et de 0,4 mmol de 2-MI (6%mol, m ~ 33 mg). L'acide décanoïque et le catalyseur Cl sont sous forme solide : le mélange est donc homogénéisé sous une légère agitation à 120°C. La réaction est effectuée à 120°C sous un flux d'azote de 40 mL/min. L'avancement de la réaction est suivi de la même manière que précédemment : la conversion est terminée au bout d'une heure. Cela est vérifié par la RMN 13C. Le produit obtenu est l'ester E2.
Essais de transestérification :
Dans un tube à essai, on place 0,65 mmol de El, 0,65 mmol de E2 et 0.032 mmol (5 %mol) de catalyseur C2, qui est le produit à tester. Le mélange est homogénéisé en chauffant à 150°C et en agitant légèrement. Le mélange réactionnel est chauffé à 150°C à l'aide d'un bain d'huile sous un flux d'azote de 40mL/min.
Des prélèvements sont effectués régulièrement afin de suivre la cinétique de transestérification. Chaque prélèvement est analysé par chromatographie en phase gazeuse couplé à la spectrométrie de masse (GCMS) à l'aide d'un appareil Shimadzu GCMS-QP 2010S. L'analyse chromatographique est effectuée par un Shimadzu GC-2010 équipé d'une colonne capillaire Supelco (modèle 28041-U) de longueur 12 m, de diamètre intérieur 0,2 mm garnie d'un film de 0,33 μπι de phase stationnaire poly(dimethylsiloxane), non polaire (phase Equity™-1). Le gaz vecteur est l'hélium, avec une pression d'entrée de 34,6 kPa, un débit total de 44,4 mL/min, un débit dans la colonne de 0,68 mL/min, une vitesse linéaire de 48 cm/s et un débit de purge de 3 mL/min.
L'injection de Ι μΙ, de solution dans le méthanol du produit à analyser à une concentration comprise entre lmg/g à 5mg/g est effectuée à une température d'injection de 250°C en mode Split, avec un ratio de split de 60%. Le cycle de température de la colonne après l'injection se décompose en un plateau à 80°C pendant 30s suivi d'une rampe de pente 24°C/min jusqu'à 280°C. Cette température est ensuite maintenue constante pendant 7 min pour une durée totale d'analyse de 16 min.
La chromatographie GC est couplée à un spectromètre de masse par impact électronique (SMIE) Shimadzu à 70 eV. La température de la source d'ions ainsi que celle de l'interface sont respectivement 200 et 300°C.
L'aire des signaux présents sur le chromatogramme de la figure 2 correspondant aux monoesters El, E2, E3 et E4, produits d'échange, est mesurée (ces aires sont notées respectivement Al, A2, A3 et A4). Les monoesters sont identifiés grâce à la fragmentation obtenue par spectrométrie de masse. Les temps de rétention correspondant aux monoesters El, E2, E3 et E4 sont respectivement 7,9, 8,4, 7,6 et 8,6 min. La cinétique est obtenue en traçant le rapport des aires (A3+A4)/(A1+A2) en fonction du temps de prélèvement et illustrée sur la figure 3.
Avantageusement, un produit est considéré comme un catalyseur au sens de la présente invention si le temps pour lequel le rapport atteint 0,9 est inférieur à 5h.
De préférence, le catalyseur est choisi parmi les sels métalliques de zinc, d'étain, de magnésium, de cobalt, de calcium, de titane, et de zirconium. Avantageusement, le catalyseur est choisi parmi ceux ayant une cinétique de transestérification comparable à celle des sels métalliques de zinc, d'étain, de magnésium, de cobalt, de calcium, de titane, et de zirconium. Le catalyseur peut également être choisi parmi les catalyseurs de nature organique comme : le benzyldiméthylamide, le chlorure de benzyl triméthylammonium.
Ces catalyseurs sont généralement sous forme solide et dans ce cas, avantageusement sous forme d'une poudre finement divisée.
On peut employer un catalyseur hétérogène, c'est-à-dire un catalyseur qui n'est pas dans la même phase que les réactifs, mais on emploie avantageusement un catalyseur homogène, présent dans la même phase que les réactifs.
Comme cela est expliqué ci-dessous dans la description du procédé, le catalyseur est solubilisé dans le précurseur de résine thermodurcissable ou dans le durcisseur.
Le catalyseur, solide ou liquide, est de préférence soluble dans le précurseur de résine thermodurcissable. Avantageusement le catalyseur, solide ou liquide, est soluble dans le précurseur de résine thermodurcissable dans les conditions de mise en œuvre du procédé de l'invention.
De préférence, le catalyseur est choisi parmi : l'acétylacétonate de zinc (Zn(Acac)), le benzyldiméthylamide.
Parmi les catalyseurs d'ouverture d'époxyde qui peuvent être employés en plus du catalyseur de transestérification, on peut citer : le tétrachlorure d'étain, les sels organoborés, les trialkylamines, l'hexaméthylènetétramine, les sels d'étain divalents, les condensais aniline-formaldéhyde, les aminés tertiaires, les Ν,Ν-alcanolamines, les chélates de métaux comprenant des groupes époxy, les sels d'amine de polyacides, les sels d'uranium, les trialcanolamine borates, les phosphines organosubstituées, les fluoroborates, les sels d'ammonium quaternaires, les sels de monoimidazoline quaternaires, les dicyanodiamides, les imidazolines.
Lorsque l'on utilise un catalyseur d'ouverture d'époxyde, celui-ci est avantageusement présent en quantités allant de 0, 1% à 5% molaire par rapport au nombre de moles de groupements ép oxyde s.
L'invention a encore pour objet un kit pour la préparation d'une résine thermodurcissable ou pour la préparation d'un matériau composite comprenant une résine thermodurcissable telle que décrite ci-dessus comprenant au moins une première composition comprenant un précurseur de résine thermodurcissable, ce précurseur de résine thermodurcissable comportant des fonctions hydroxyle et/ou des groupements époxy, et éventuellement des fonctions ester, au moins une seconde composition comprenant un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide et au moins un catalyseur de transestérification, la première et la seconde composition étant dans un conditionnement adapté pour empêcher la réaction de réticulation entre le précurseur et le durcisseur de se produire sans intervention d'un opérateur.
Un tel kit permet de préparer une résine thermodurcissable, la première et la seconde compositions étant mélangées juste avant emploi.
Un tel conditionnement peut consister en un récipient comportant deux ou trois compartiments internes permettant le stockage séparé de chacun des composants, étant entendu que le catalyseur peut éventuellement être stocké dans le même compartiment que le précurseur ou que le durcisseur. Préférentiellement le catalyseur est stocké dans le même compartiment que le précurseur de résine thermodurcissable. Il peut être prévu un moyen permettant la mise en contact des contenus des différents compartiments de façon à initier la réticulation dans le récipient. On peut aussi prévoir un kit consistant en deux ou trois flacons distincts associés dans un même emballage et comportant chacun les quantités adaptées de chaque produit pour la préparation de la résine thermodurcissable, de façon à éviter à l'utilisateur des opérations de pesée et/ou de dosage.
Selon une variante, le kit pour la préparation d'une résine thermodurcissable peut consister en un seul et unique récipient, comprenant le mélange en quantité appropriées des trois composants : précurseur, anhydride et catalyseur. En effet, en l'absence de chauffage et à la différence des mélanges époxy-amine, les mélanges précurseur époxy + anhydride ont une stabilité d'environ deux mois à température ambiante, même en présence de catalyseur. L'intervention de l'opérateur se limite alors à un chauffage.
L'invention a encore pour objet des compositions de matériau composite thermodurcissable comprenant au moins une résine thermodurcissable dont la composition a été décrite ci-dessus. Un tel matériau peut comprendre, outre la ou les résines thermodurcissables selon l'invention : un ou plusieurs polymères, des pigments, des colorants, des charges, des plastifiants, des fibres, des agents retardateurs de flamme, des agents antioxydants, des lubrifiants, du bois, du verre, des métaux.
Parmi les polymères qui peuvent être employés en mélange avec la composition de résine thermodurcissable de l'invention, on peut mentionner : des élastomères, des thermoplastiques, des élastomères thermoplastiques, des additifs chocs.
Par pigments, on entend des particules colorées insolubles dans la résine époxy. Comme pigments utilisables dans l'invention, on peut citer l'oxyde de titane, le noir de carbone, les nanotubes de carbone, les particules métalliques, la silice, les oxydes métalliques, les sulfures métalliques ou tout autre pigment minéral, on peut également citer les phtalocyanines, les anthraquinones, les quinacridones, les dioxazines, les pigments azoïques ou tout autre pigment organique, les pigments naturels (garance, indigo, pourpre, cochenille, etc) et les mélanges de pigments. Les pigments peuvent représenter de 0,05 % à 15% du poids par rapport au poids du matériau.
Par colorants, on entend des molécules solubles dans la résine époxy et ayant la capacité d'absorber une partie du rayonnement visible.
Parmi les charges qui peuvent être employées dans la composition de résine thermodurcissable de l'invention, on peut mentionner : la silice, les argiles, le carbonate de calcium, le noir de carbone, le kaolin, les whiskers.
On peut également prévoir la présence dans les compositions de résine thermodurcissable de l'invention des fibres telles que des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres polyester, des fibres polyamides, des fibres aramides, des fibres cellulosiques et nanocellulosiques ou encore des fibres végétales (lin, chanvre, sisal, bambou...).
On peut également prévoir que les compositions de résine thermodurcissables de l'invention soient utilisées pour fabriquer des matériaux sandwich par superposition en alternance de couches de résine avec des couches de bois, de métal, ou de verre.
La présence dans la composition de résine thermodurcissable de pigments, de colorants ou de fibres capables d'absorber le rayonnement peut être utilisée pour assurer le chauffage d'un objet à base d'une telle résine au moyen d'une source de rayonnement telle qu'un laser. La présence dans la composition de résine thermodurcissable de pigments, de fibres ou de charges conductrices de l'électricité tels que noir de carbone, nanotubes de carbone, fibres de carbone, poudres métalliques ou de particules magnétiques peut être utilisée pour assurer le chauffage d'un objet à base d'une telle résine par effet Joule, par induction ou par microondes. Un tel chauffage peut permettre la mise en œuvre d'un procédé de fabrication, de transformation ou de recyclage d'un objet en résine thermodurcissable suivant un procédé qui est décrit ci-dessous.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un objet à base d'une composition de résine thermodurcissable telle que décrite ci-dessus, ce procédé comprenant : a) la mise en contact d'une première composition comprenant au moins un précurseur de résine thermodurcissable, avec une seconde composition comprenant au moins un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide, en présence d'au moins un catalyseur de transestérification,
b) la mise en forme de la composition issue de l'étape a)
c) l'application d'une énergie permettant le durcissement de la résine
d) le refroidissement de la résine durcie.
La mise en contact des composants peut se faire dans un mélangeur de tout type connu de l'homme du métier. L'application d'une énergie permettant le durcissement de la résine à l'étape c) du procédé peut consister de façon connue en un chauffage à une température allant de 50 à 250°C. Le refroidissement de la résine durcie est habituellement opéré en laissant le matériau revenir à la température ambiante, avec ou sans utilisation d'un moyen de refroidissement.
Le procédé est avantageusement mis en œuvre de façon à atteindre ou dépasser le point de gel de la résine à l'issue de l'étape d). Notamment, le procédé de l'invention comporte avantageusement l'application d'une énergie suffisante à l'étape c) pour que le point de gel de la résine soit atteint ou dépassé.
Par objet, on entend au sens de la présente invention, une pièce thermodurcie à base d'un matériau comprenant une résine thermodurcissable, en particulier une résine époxy, telle que décrite ci-dessus. Il peut aussi s'agir d'un objet en matériau composite, d'un revêtement, d'un plot, d'un cordon ou d'un film d'adhésif à base de résine thermodurcissable. Notamment on peut prévoir d'introduire avant, pendant ou après l'étape a) un ou plusieurs composants additionnels qui peuvent notamment être choisis parmi des polymères, des pigments, des colorants, des charges, des plastifiants, des fibres, des agents retardateurs de flamme, des agents antioxydants, des lubrifiants, du bois, du verre, des métaux. Avantageusement, dans les objets selon l'invention, la résine a atteint ou dépassé le point de gel.
Les objets selon l'invention peuvent également consister en des revêtements qui sont déposés sur un support, comme une couche de protection ou une peinture par exemple. Ils peuvent également consister en un matériau adhésif.
En pratique le catalyseur est d'abord solubilisé dans la composition comprenant le précurseur de résine thermodurcissable ou dans la composition comprenant le durcisseur, puis les deux compositions sont mélangées. Un objet résultant de la mise en forme et du durcissement de la composition de résine décrite ci-dessus fait également partie de l'invention.
En particulier l'invention concerne un objet à base de résine thermodurcissable susceptible d'être obtenu par le procédé décrit ci-dessus.
Notamment, elle concerne un objet, ou matériau thermodurci, à base de résine thermodurcissable, cette résine ayant atteint ou dépassé le point de gel. Par application d'une énergie permettant le durcissement de la résine on entend généralement une élévation de température.
De façon habituelle, un objet à base de résine thermodurcissable est fabriqué par mélange des composants : précurseur, durcisseur, catalyseur et additifs, introduction dans un moule et élévation de la température. Les moyens de fabrication d'un tel objet sont bien connus de l'homme du métier.
Mais on peut prévoir grâce aux compositions de résine de l'invention d'autres modes de mise en forme de l'objet que le moulage telles que l'enroulement filamentaire, le moulage en continu ou entre pellicules, l'infusion, la pultrusion, RTM (resin transfer molding), RIM (réaction-injection- moulage) ou toutes autres méthodes connues de l'homme de l'art, telles que décrites dans les ouvrages « Epoxy Polymer », édité par J.P. Pascault et R. J. J. Williams, Wiley-VCH, Weinheim 2010 ou «Chimie industrielle », par R. Perrin et J.P. Scharff, Dunod, Paris 1999.
Avec l'application d'un tel procédé aux compositions de résine thermodurcissable de l'art antérieur, une fois la résine durcie, l'objet n'est plus transformable ni réparable, ni recyclable. En effet, une fois que le point de gel de la résine est atteint ou dépassé, un objet en résine thermodurcissable de l'art antérieur n'est plus ni transformable ni réparable, ni recyclable.
L'application d'une température modérée à un tel objet selon l'art antérieur ne conduit à aucune transformation observable ou mesurable, et l'application d'une température très élevée conduit à la dégradation de cet objet.
Au contraire, les matériaux à base de résine thermodurcissable de l'invention, en raison de leur composition particulière, peuvent être transformés, réparés et recyclés par une élévation de la température de l'objet.
En dessous de la température Tg, le polymère est vitreux et présente le comportement d'un corps solide rigide.
Les matériaux résultant du durcissement de la résine thermodurcissable décrite ci-dessus constituent un autre objet de l'invention.
Au dessus de la température de transition vitreuse Tg, le matériau thermodurci de l'invention, présente un comportement viscoél asti que sur une large gamme de température, avec un module de conservation compris entre 5χ 105 et 5χ 107 Pa suivant la composition. Ce module de conservation peut être déterminé à l'aide d'une mesure dynamique mécanique à 1Hz connue de l'homme de l'art. Dans une expérience de fluage, on observe une déformation de nature élastique aux temps très courts, après laquelle, contrairement aux matériaux thermodurs classiques, on observe une déformation non recouvrable variant quasi linéairement en fonction du temps. Cette évolution quasi linéaire permet de définir une viscosité selon la relation o/r|=d(8)/dt, où σ est la contrainte appliquée en Pa, ε la déformation en mm/mm, t le temps en s, et η la viscosité en Pa.s.
Suivant la composition, la viscosité déterminée en utilisant une contrainte de 1 MPa pour le fluage varie entre 105 Pa.s et 1010 Pa.s à une température de Tg+150°C pour les matériaux selon l'invention. La déformation non recouvrable ainsi mesurée est donc supérieure à 10% après un temps de fluage de 20 min.
L'invention concerne donc encore un matériau thermodurci, à base de résine thermodurcissable dont la viscosité est comprise entre 105 et 1010 Pa.s à des températures comprises entre 150°C et 300°C.
Cette variation lente de viscosité sur une large gamme de température rend le comportement du matériau comparable à celui des verres inorganiques et permet de leur appliquer des procédés de transformation supplémentaires par rapport à ceux applicables aux thermoplastiques.
Pour une même composition, la viscosité du matériau suit une dépendance du type Arrhénius en fonction de la température, et ce sur un large (typiquement 100°C à 300°C) intervalle de températures : n=Bxexp(-A/T), où A est le paramètre d'activation en K"1, T est la température absolue en K, et B une constante en Pa.s. La valeur du paramètre d'activation se trouve typiquement entre 7000 et 12000 K"1.
D'un point de vue pratique, cela implique que dans une large gamme de température, un objet, ou matériau thermodurci, peut être façonné en appliquant des contraintes de l'ordre de 1 à 10 MPa sans pour autant couler sous son propre poids.
De la même façon, on peut déformer l'objet, ou le matériau thermodurci, à une température supérieure à la température Tg, puis dans un deuxième temps éliminer les contraintes internes à une température plus élevée.
Sans pour autant être tenus à cette explication, les inventeurs pensent que les échanges de transestérification sont à l'origine du fluage et de la variation de viscosité à hautes températures. En termes d'application, ces matériaux peuvent être traités à des températures élevées, où une viscosité faible permet l'injection ou le moulage sous presse. Il faut noter que, contrairement aux réactions de Diels- Aider, aucune dépolymérisation n'est constatée à des températures élevées et le matériau conserve sa structure réticulée. Cette propriété permet la réparation de deux parties d'un objet. Aucun moule n'est nécessaire pour maintenir la forme des pièces pendant le processus de réparation à des températures élevées. De la même façon, on peut transformer des pièces par application d'une contrainte mécanique à une partie seulement d'un objet sans avoir besoin d'un moule, car le matériau ne coule pas. Toutefois, les pièces de grande taille, qui ont davantage tendance à s'affaisser, pourront être maintenues par un bâti comme dans le travail du verre. Le collage et la réparation d'objets constituent un cas particulier de transformations d'objets selon l'invention.
Un autre objet de l'invention est donc un procédé de transformation d'au moins un objet réalisé à partir d'un matériau tel que décrit ci-dessus, ce procédé comprenant : l'application à l'objet d'une contrainte mécanique à une température (T) supérieure à la température ambiante.
De préférence, pour permettre la transformation dans une durée compatible avec une application industrielle du procédé, le procédé comprend l'application à l'objet d'une contrainte mécanique à une température (T) supérieure à la température de transition vitreuse Tg du matériau composant l'objet.
Habituellement, un tel procédé est suivi d'une étape de refroidissement jusqu'à la température ambiante, éventuellement avec application d'au moins une contrainte mécanique.
Par contrainte mécanique, on entend au sens de la présente invention, l'application d'une force mécanique, localement ou sur tout ou partie de l'objet, cette force mécanique tendant à une mise en forme ou une déformation de l'objet.
Parmi les contraintes mécaniques qui peuvent être employées, on peut mentionner : la pression, le moulage, le malaxage, extrusion, le soufflage, l'injection, l'estampage, la torsion, la flexion, la traction et le cisaillement.
II peut s'agir par exemple d'une torsion appliquée à un ruban de matériau de l'invention.
Il peut s'agir d'une pression appliquée à l'aide d'une plaque ou d'un moule sur une ou plusieurs faces d'un objet de l'invention, de l'estampage d'un motif dans une plaque ou une feuille en matériau de l'invention. Il peut encore s'agir d'une pression exercée parallèlement sur deux objets en matériaux de l'invention en contact l'un avec l'autre de façon à provoquer un collage de ces objets. Dans le cas où l'objet consiste en des granulés de matériau de l'invention, la contrainte mécanique peut consister en un malaxage, par exemple au sein d'un mélangeur ou autour de la vis d'une extrudeuse. Elle peut aussi consister en une injection ou une extrusion. La contrainte mécanique peut également consister en un soufflage, qui peut par exemple être appliqué à une feuille de matériau de l'invention. La contrainte mécanique peut également consister en une multiplicité de contraintes distinctes, de même nature ou non, appliquées de façon simultanée ou successive à tout ou partie de l'objet ou de façon très localisée.
Cette transformation peut inclure un mélange ou une agglomération avec un ou plusieurs composants additionnels choisis parmi : un ou plusieurs polymères, des pigments, des colorants, des charges, des plastifiants, des fibres, des agents retardateurs de flamme, des agents antioxydants, des lubrifiants.
L'assemblage, le collage et la réparation sont des cas particuliers du procédé de transformation décrit ci-dessus.
Cette élévation de la température de l'objet peut être réalisée par tout moyen connu comme le chauffage par conduction, convection, induction, par point, infra rouge, micro-onde ou radiant. Les moyens permettant de provoquer une élévation de température de l'objet pour la mise en œuvre des procédés de l'invention comprennent : un four, un four à micro-ondes, une résistance chauffante, une flamme, une réaction chimique exothermique, un faisceau laser, un fer à repasser, un pistolet à air chaud, une cuve à ultrasons, un poinçon chauffant...
L'élévation de température peut être faite par plateaux ou non et sa durée est adaptée au résultat attendu en fonction des indications qui vont être données et des exemples détaillés ci- dessous.
Le procédé de l'invention repose sur les réactions de transestérification qui sont favorisées par la présence du catalyseur et par les fonctions OH libres au sein du réseau de polymère dans les matériaux de l'invention suivant une dynamique illustrée sur la figure 1 ci- jointe.
Bien que le matériau ne coule pas durant la transformation, grâce aux réactions de transestérification, en choisissant une température, une durée de chauffage et des conditions de refroidissement appropriées, la nouvelle forme peut être exempte de toute contrainte résiduelle. Le matériau n'est donc pas fragilisé ou fracturé par l'application de la contrainte mécanique. Et si la pièce est ultérieurement réchauffée, elle ne reviendra pas à sa forme première. En effet, les réactions de transestérification qui surviennent à haute température favorisent une réorganisation des points de réticulation du réseau polymère de manière à annuler les contraintes mécaniques. Une durée de chauffage suffisante permet d'annuler complètement ces contraintes mécaniques internes au matériau qui ont été causées par l'application de la contrainte mécanique externe. Cette méthode permet donc d'obtenir des formes complexes stables, difficiles voire impossibles à obtenir par moulage, à partir de formes élémentaires plus simples. Notamment, il est très difficile d'obtenir par moulage des formes résultant d'une torsion.
Et de façon complémentaire, le choix de conditions de température, de durée de chauffage sous contrainte et de refroidissement appropriées permet de transformer un objet tout en contrôlant la persistance de certaines contraintes mécaniques internes au sein de l'objet, puis, si la pièce est ultérieurement réchauffée, une transformation contrôlée de la pièce par libération contrôlée des contraintes peut être opérée.
L'invention a donc encore pour objet un procédé de fabrication d'un objet à transformation postérieure programmée, ce procédé comprenant l'application à un premier objet d'une contrainte mécanique à une température (T) supérieure à la température ambiante, préférentiellement supérieure à la température de transition vitreuse Tg du matériau composant le premier l'objet, puis son refroidissement, la température T et sa durée d'application étant contrôlées de telle sorte qu'une contrainte mécanique interne permettant la transformation ultérieure soit conservée dans l'objet après refroidissement.
Avantageusement, le premier objet auquel est appliqué ce procédé est à base d'une résine thermodurcie ayant atteint ou dépassé le point de gel.
Par exemple, on peut mentionner une plaque en matériau de l'invention qui est pliée à une température supérieure à la Tg du matériau dont elle est composée, puis refroidie rapidement avant relaxation des contraintes internes. Un chauffage ultérieur de la zone de pliage sans application d'une contrainte mécanique externe permet de déplier l'objet suivant un angle choisi correspondant à la libération de la contrainte résiduelle.
L'invention a encore pour objet un procédé de transformation d'un objet à transformation postérieure programmée, ce procédé comprenant l'application à un objet à transformation postérieure programmée tel que décrit ci-dessus d'une température (T) supérieure à la température ambiante, préférentiellement supérieure à la température de transition vitreuse Tg du matériau composant l'objet, la température, sa durée d'application et sa localisation étant choisies de façon à libérer tout ou partie des contraintes mécaniques internes de l'objet. Cette élévation de température contrôlée est suivie d'un refroidissement.
Avantageusement, l'objet à transformation postérieure programmée auquel est appliqué ce procédé est à base d'une résine thermodurcie ayant atteint ou dépassé le point de gel.
Un objet en matériau de l'invention peut également être recyclé : Soit par traitement direct de l'objet : par exemple l'objet cassé ou endommagé est réparé par un procédé de transformation tel que décrit ci-dessus et peut ainsi retrouver sa fonction d'usage antérieure ou une autre fonction.
Soit l'objet est réduit en particules par application d'un broyage mécanique, et les particules ainsi obtenues peuvent ensuite être mises en œuvre dans un procédé de fabrication d'un objet. Notamment, selon ce procédé, des particules de matériau de l'invention sont soumises simultanément à une élévation de température et à une contrainte mécanique permettant leur transformation en objet.
La contrainte mécanique permettant la transformation de particules en objet peut par exemple comporter une compression dans un moule, un malaxage, une extrusion.
Cette méthode permet ainsi par l'application d'une température suffisante et d'une contrainte mécanique appropriée de mouler des objets à partir du matériau thermodurci. En particulier, elle permet de mouler des objets à partir du matériau à base de résine thermodurcie ayant atteint ou dépassé le point de gel.
Un autre avantage de l'invention est de permettre de fabriquer des matériaux en résines thermodurcissables, à partir des matières premières liquides, sous forme de pièces ou unités élémentaires à base de résine thermodurcie ayant atteint ou dépassé le point de gel : particules, granulés, billes, bâtonnets, plaques, feuilles, films, rubans, tiges, tubes etc .. par tout procédé connu de l'homme du métier. Ces pièces élémentaires sont ensuite transformables sous l'action conjointe de la chaleur et d'une contrainte mécanique en des objets de la forme souhaitée : par exemple, des rubans peuvent par estampage être découpés en pièces plus petites de forme choisie, des feuilles peuvent être superposées et assemblées par compression. Ces pièces élémentaires à base de matériau thermodurcissable, notamment à base de résine époxy, sont plus facilement stockables, transportables et manipulables que les formulations liquides dont elles sont issues. En effet, l'étape de transformation des pièces selon l'invention peut être réalisée par l'utilisateur final sans équipement de chimie (pas de toxicité, ni de date de péremption, ni de COV, pas de pesée de réactifs).
L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'au moins un objet à base de résine thermodurcissable, qui est un cas particulier du procédé de transformation déjà décrit, ce procédé comprenant :
a) l'utilisation comme matière première d'un matériau ou objet de l'invention sous forme d'une unité élémentaire ou d'un ensemble d'unités élémentaires, b) l'application simultanée d'une contrainte mécanique et d'une élévation de température pour mettre en forme l'objet,
c) le refroidissement de l'objet résultant de l'étape b).
En particulier à l'étape a), le matériau ou objet de l'invention est avantageusement à base de résine thermodurcie ayant atteint ou dépassé le point de gel.
Un autre avantage de ce procédé est de permettre le recyclage du matériau après utilisation, des objets pouvant être reconditionnés sous forme d'unités ou pièces élémentaires puis à nouveau remises en forme suivant l'invention.
L'invention a donc pour objet un procédé de recyclage d'un objet en matériau de l'invention, ce procédé comprenant :
a) l'utilisation de l'objet comme matière première,
b) l'application d'une contrainte mécanique et éventuellement d'une élévation de température simultanée pour transformer cet objet en un ensemble d'unités élémentaires,
c) le refroidissement de cet ensemble d'unités élémentaires.
En particulier à l'étape a), le matériau ou objet de l'invention est avantageusement à base de résine thermodurcie ayant atteint ou dépassé le point de gel.
Par unités élémentaires, on entend des pièces qui ont une forme et/ou un aspect standardisé qui sont adaptés à leur transformation ultérieure en objet, comme par exemple : particules, granulés, billes, bâtonnets, plaques, feuilles, films, rubans, tiges, tubes etc.... Par ensemble d'unités élémentaires, on entend au moins deux unités élémentaire, mieux au moins trois, encore mieux au moins 5, préférentiellement au moins 10, encore plus préférentiellement au moins 100, avantageusement au moins 103, encore plus avantageusement au moins 104, de façon préférentielle au moins 105.
Les matériaux et les procédés de l'invention permettent de remédier aux inconvénients des matériaux de l'art antérieur, qui sont la non transformabilité et la non recyclabilité des objets à base de résine époxy. Ils permettent notamment de transformer et de recycler autant de fois que souhaité l'objet à base de résine époxy. Le procédé permet aussi de fabriquer des résines époxy sous une forme solide, facile à stocker, à transporter et à manipuler, ces nouvelles formes de résine époxy, nommées unités élémentaires, étant utilisables directement pour la fabrication d'objets par application d'une étape de transformation classiquement utilisée pour les thermoplastiques. Enfin, ces résines et ces matériaux permettent de nouvelles applications des résines thermodurcissables par l'application de méthodes de transformation nouvelles pour ces résines et par la possibilité de programmer des transformations contrôlées de ces matériaux.
Les domaines d'application de ces matériaux sont tous ceux des résines thermodurcissables : les matériaux et composites pour l'automobile, pour la construction aéronautique, l'électronique, le sport, le bâtiment, l'imprimerie, l'emballage.
Figures :
Figure 1 : représentation schématique des réactions de transéestérification au sein du réseau de polymère
Figure 2 : Chromatogramme des produits contenus dans le milieu réactionnel issu de l'essai de transestérification
Figure 3 : Représentation graphique de la cinétique de transestérification dans l'essai de transestérification
Figure 4 : Courbes de fluages du matériau de l'exemple 1 réalisées à différentes températures (carrés: 160C°, ronds: 180°C, triangles: 200°C, losanges: 220°C) sous une contrainte de 1 MPa.
Figure 5 : Courbe de viscosité du matériau de l'exemple 1 en fonction de la température. Figure 6a et 6b : photographies d'un ruban en matériau de l'invention observée en lumière polarisée auquel est appliquée une contrainte mécanique de type torsion suivant l'exemple 3
Figures 7a à 7c : représentation graphique d'après photographies des pièces formées à l'exemple 4
Figure 8 : représentation graphique d'après photographies des pièces formées à l'exemple 5
Figure 9 : Résultats des tests de traction réalisés sur les échantillons de l'exemple 6 (les échantillons sont nommés d'après le rapport anhydride/époxy) après réparation. La force maximale avant rupture (en N) est représentative de l'efficacité de la réparation, Il s'agit d'une moyenne sur cinq mesures, la barre d'erreur correspond à écart-type des mesures. Partie expérimentale :
Exemple 1 : Synthèse et étude d'un réseau époxy anhydride selon l'invention en présence de 0,5 équivalent molaire d'anhydride par rapport aux groupements époxyde et 5% de catalyseur
- Synthèse du matériau :
Dans un bêcher en téflon sont ajoutés : 10,69g de résine époxy DER 332 (DOW, Masse Epoxy Equivalente : 174 g/eq) et 0,81g d'acétylacétonate de Zinc (CAS 14024-63-6, MW=263,6 g/mol) correspondant à 0,05 atome-gramme de zinc par fonction époxy. Les réactifs sont mélangés tout en chauffant à l'aide d'un pistolet à air chaud (T~180°C) jusqu'à solubilisation complète. 3,5 g d'anhydride glutarique (CAS 108-55-4, MW=114, 1) sont ensuite ajoutés et mélangés jusqu'à solubilisation complète. Le mélange est coulé dans un moule de dimensions 100x100x1,4 mm entre deux feuilles de papier siliconé antiadhésif, puis mis à cuire sous presse à 140°C pendant 8h.
Une mesure de spectre infrarouge réalisée sur le matériau en fin de réaction met en évidence la disparition complète des signaux de l'anhydride (1810 cm-1) et de l'époxy (915 cm-1). Sur l'échantillon après polymérisation, on enregistre la bande caractéristique des fonctions ester à 1735 cm"1 et un large massif d'absorption 3200-3600 cm"1) caractéristique des groupes hydroxyles.
- Propriétés du matériau
Le matériau présente en DSC une Tg de l'ordre de 70°C (DCp = 0.4 Jg^K"1), un module de conservation de 2,4 GPa à 40°C et de 15 MPa à 100°C. Des expériences de fluage à différentes températures comme représenté sur la figure 4 permettent de déterminer la viscosité du matériau. Ces mesures de viscosité qui aboutissent aux courbes de la figure 5 permettent à l'homme de l'art de déterminer précisément les conditions de mise en œuvre du matériau à une température donnée.
Exemple 2: Transformation du matériau par façonnage à chaud:
- Montage
La plaque préparée dans l'exemple 1 est ramollie par chauffage à l'aide d'un pistolet à air chaud (T~140°C) en veillant à éviter de surchauffer localement puis coupée en rubans à l'aide d'un massicot. Un ruban de dimensions 100 mm x 8 mm x 1.4 mm est saisi à ses deux extrémités par deux pinces de téflon. L'ensemble est placé sur un bâti construit de telle façon que 1°) l'une des pinces est solidaire du bâti, 2°) la seconde pince, faisant face à la première est placée au bout d'un axe mobile qui permet de la déplacer en translation et en rotation et 3°) le bâti peut être placé dans un four tubulaire transparent de type Buchi TO-50 muni d'une arrivée d'azote et d'un thermocouple chromel/alumel qui permet de connaître la température effective à proximité de l'échantillon.
Afin d'observer la biréfringence de l'échantillon au cours de l'expérience, le four est placé entre deux polaroïds croisés et éclairé par derrière à l'aide d'un négatoscope, les images sont enregistrées à l'aide d'un appareil photographique numérique.
La température de consigne est réglée à 200°C. Durant réchauffement, la position de la pince mobile est ajustée pour que le ruban reste tendu malgré la dilatation. On constate que, après équilibration, la température qui règne effectivement près de l'échantillon est comprise 160 et 180°C. La pince est alors manoeuvrée de l'extérieur par l'opérateur pour déformer l'échantillon
Résultats
Par rotation de la pince mobile, on applique en l'espace de deux minutes une torsion de 3/4 de tour. A cette déformation, la biréfringence mécanique fait apparaître des zones très colorées à proximité de l'axe de l'échantillon et près des bords de l'échantillon et deux lignes neutres (obscures et peu colorées) à peu près à mi-chemin entre l'axe de l'échantillon et les bords. Au bout de 40 minutes, on constate, par comparaison des photos, que la ligne neutre s'élargit et que les couleurs disparaissent, laissant place à une figure de biréfringence dans les tons gris. On applique alors pas à pas une déformation plus importante: 1 tour puis 1,5 tour puis deux tours en laissant reposer chaque fois au moins 20 minutes. A chaque nouvelle déformation, on voit réapparaître les couleurs de biréfringence. Ces couleurs redisparaissent ensuite de la même manière que précédemment. Au bout de 40 minutes d'attente après application de la plus grande déformation (2 tours), bien que la biréfringence n'ait pas totalement disparu, la pince mobile est relâchée. On constate que l'échantillon ne reprend pas sa forme initiale de ruban plan mais conserve une déformation hélicoïdale avec une torsion résiduelle d'environ 1,5 tour.
Exemple comparatif 1 à 0, 1% de catalyseur:
Un échantillon comparatif est préparé en utilisant le même protocole que dans l'exemple 1 mais en utilisant une masse de catalyseur moindre: 0,016g d'acétylacétonate de Zinc soit 0,001 atome-gramme de zinc par fonction époxy. On tente de transformer cet échantillon de la même façon que dans l'exemple 2. Ainsi on commence par appliquer une déformation de 3/4 de tour. L'échantillon ainsi déformé est maintenu à 160-180°C. Au bout de 40 minutes, on constate que l'image de biréfringence est toujours vivement colorée. On tente alors d'appliquer une déformation de 1 tour, comme dans l'exemple 1 mais l'échantillon se casse aussitôt à cette déformation.
Exemple 3 : Réseau époxy-anhydride selon l'invention avec 10% de catalyseur:
On procède comme dans l'exemple 1 mais avec une quantité double de catalyseur. Un échantillon de dimensions 100 mm x 8 mm x 1.4 mm est manipulé comme dans l'exemple 2. On constate dans ce cas que les couleurs de biréfringence induites par une déformation hélicoïdale (figure 6a) disparaissent en l'espace de 15 minutes, laissant place à une figure de biréfringence dans les tons gris (Figure 6b). En procédant par étapes et en laissant relaxer au moins 10 minutes entre chaque étape et 40 minutes après l'étape finale on impose successivement des torsions de 1 tour, 1,5 tour, 2 tours, 2,25 tours, 2,5 tours, 2,75 tours puis 3 tours. Après refroidissement l'échantillon présente une déformation de 3 tours, Après immersion dans l'eau bouillante pendant 2 minutes la torsion demeure supérieure à 2,95 tours.
Exemple 4 : Réseau époxy-anhydride selon l'invention avec 10% de catalyseur
- Imposition de deux déformations successives de nature différente: torsion puis flexion. A partir du même matériau que dans l'exemple 3, on prépare un ruban de dimensions 100 mm x 4 mm x 1.4 mm. L'échantillon est d'abord soumis à une torsion de 5 tours de la même façon que dans l'exemple 3. La torsade obtenue (figure 7a) est refroidie jusqu'à la température ambiante puis fixée tangentiellement sur un cylindre de téflon de diamètre 2,5 cm. Ce cylindre est placé sur un axe perpendiculaire à l'axe du four décrit dans l'exemple 2. L'autre extrémité de la torsade est lestée par un poids de 7 grammes. L'ensemble est placé dans le four et chauffé comme dans l'exemple 2. On applique alors une déformation de flexion en faisant tourner le cylindre sur son axe. Après refroidissement, et immersion dans l'eau bouillante, l'objet obtenu est un anneau ouvert dont la section est une torsade figure 7b.
- Réalisation d'un objet de forme programmable: L'objet précédent est ramolli à l'aide d'un pistolet à air chaud, et déformé de façon à former un anneau fermé tel que présenté sur la figure 7c puis refroidi à température ambiante. L'objet obtenu, tant qu'il est maintenu à température ambiante conserve la forme de la figure 7c. Cependant, lorsqu'on le plonge dans l'eau bouillante, il retrouve la forme de la figure 7b.
Cet exemple montre qu'il est possible d'appliquer à l'objet initial (un ruban) plusieurs déformations successives, puis de redonner à cet objet une forme prévue par avance par simple élévation de température. Exemple 5 : recyclage du matériau selon invention par broyage.
Environ 3g de matériau préparé selon l'exemple 3 sont réduits en poudre de granulométrie <0,5 mm à l'aide d'une broyeuse de marque FRITSCH, modèle PULVERISETTE 14 opérant à une vitesse de 10000 tours/s. La poudre obtenue est pressée à l'aide d'une presse chauffante dans un moule circulaire de diamètre 20 mm et d'épaisseur 1,5 mm, en opérant avec une pression de 5 tonnes à une température de 250°C et pendant une durée de 30 secondes. Le moule est sorti de la presse et les échantillons sont démoulés alors qu'ils sont encore chauds. Les échantillons ainsi moulés gardent les dimensions du moule, sont transparents et ont une excellente cohésion (figure 8). Exemple 6 : Réparation d'un objet à base de résine époxy selon l'invention
On réalise la synthèse de quatre matériaux selon l'invention en suivant le protocole de l'exemple 1 mais avec un rapport variable des fonctions anhydrides par rapport aux fonctions époxy comme indiqué dans le tableau 2 suivant:
Figure imgf000032_0001
Tableau 2 De chaque matériau, on découpe un ruban rectangulaire de dimensions 50 mm x 5 mm x 1,4 mm. Le ruban est rompu par le milieu et les deux fragments sont placés l'un sur l'autre, se recouvrant sur 15 mm de longueur puis comprimés dans une pince de Mohr dans une géométrie analogue à la norme ASTM D3983. De façon à contrôler la pression appliquée, la vis centrale de diamètre 6 mm et de pas 1mm est remplacée par une vis à tête hexagonale de même dimension à laquelle on applique un couple de 70 (±10) N/cm à l'aide d'un tournevis dynamométrique. L'assemblage est mis à l'étuve à 150°C pendant 2 heures.
L'échantillon est ensuite étiré à température ambiante dans une machine de traction INSTRON avec une vitesse de 0,1 mm par minute. On mesure la force maximale soutenue par l'assemblage, ainsi que l'élongation à la rupture. Cette méthode permet de quantifier l'adhésion entre les deux échantillons et d'évaluer la réparation de l'assemblage. Les résultats sont présentés sur la figure 9. Cet exemple montre la possibilité de réparer une pièce en résine thermodurcie selon l'invention ou d'assembler deux pièces en matériau selon l'invention. Cet exemple montre aussi l'amélioration des propriétés lorsque l'on augmente le nombre de fonctions hydroxy générées par la réaction Epoxy + anhydride, ce nombre étant d'autant plus élevé que le rapport anhydride/époxy est faible.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composition de résine thermodurcissable, cette composition résultant de la mise en contact :
D'une composition comprenant au moins un précurseur de résine thermodurcissable, ce précurseur de résine thermodurcissable comportant des fonctions hydroxyle et/ou des groupements époxy, et éventuellement des fonctions ester,
Avec une composition comprenant au moins un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide,
En présence d'au moins un catalyseur de transestérification dont la quantité totale en mole est entre 5 et 25% de la quantité molaire totale d'hydroxyle et d'époxy contenus dans le précurseur de résine thermodurcissable, le catalyseur étant solubilisé dans la composition comprenant le précurseur de résine thermodurcissable ou dans la composition comprenant le durcisseur,
La quantité de durcisseur étant choisie de telle sorte que la résine soit sous forme d'un réseau et :
No désignant le nombre de moles de fonctions hydroxyle dans le précurseur,
Nx désignant le nombre de moles de groupements époxy dans le précurseur,
NA désignant le nombre de moles de fonctions anhydride du durcisseur capables de former une liaison avec une fonction hydroxyle ou avec un groupement époxy du précurseur de polymère thermodurcissable :
2NA < No + 2NX
2. Composition selon la revendication 1, dans laquelle
2NA>NX
3. Composition selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle le précurseur de résine thermodurcissable est un précurseur de résine époxy.
4. Composition selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans laquelle le précurseur de résine thermodurcissable est choisi de telle sorte que :
<nx> étant la moyenne en nombre du nombre de fonctions époxy par précurseur
<no> étant la moyenne en nombre du nombre de fonctions hydroxyle par précurseur 2< 2<nx>+<n0>
5. Composition selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le précurseur de résine époxy est un diglycidyl éther de bisphénol A ou une résine Novolac.
6. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le durcisseur est choisi parmi : l'anhydride glutarique, l'anhydride phtalique, l'anhydride hexahydrophtalique.
7. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le catalyseur est choisi parmi : l'acétylacétonate de zinc et le benzyl diméthylamide.
8. Matériau résultant du durcissement de la résine thermodurcissable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, qui se caractérise par un module de conservation compris entre 5 χ 105 et 5 χ 107 Pa au dessus de la température de transition vitreuse Tg de la résine.
9. Matériau résultant du durcissement de la résine thermodurcissable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, qui présente une viscosité comprise entre 105 et 1010 Pa.s à des températures comprises entre 150 et 300°C.
10. Composition de matériau thermodurcissable comprenant au moins une résine thermodurcissable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et au moins un composant choisi parmi : les polymères, les pigments, les colorants, les charges, les plastifiants, les fibres, les agents retardateurs de flamme, les agents anti oxydants, les lubrifiants, le bois, le verre, les métaux.
1 1. Kit pour la préparation d'une résine thermodurcissable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou d'un matériau selon la revendication 10, ce kit comprenant au moins une première composition comprenant un précurseur de résine thermodurcissable, ce précurseur de résine thermodurcissable comportant des fonctions hydroxyle et/ou des groupements époxy, et éventuellement des fonctions ester, au moins une seconde composition comprenant un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide et au moins un catalyseur de transestérification, le catalyseur pouvant éventuellement être stocké dans le même compartiment que le précurseur ou que le durcisseur, la première et la seconde composition étant dans un conditionnement adapté pour empêcher la réaction de réticulation entre le précurseur et le durcisseur de se produire sans intervention d'un opérateur.
12. Procédé de fabrication d'un obj et à base d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ce procédé comprenant :
a) la mise en contact d'une première composition comprenant au moins un précurseur de résine thermodurcissable, avec une seconde composition comprenant au moins un durcisseur choisi parmi les anhydrides d'acide, en présence d'au moins un catalyseur de transestérification,
b) la mise en forme de la composition issue de l'étape a)
c) l'application d'une énergie permettant le durcissement de la résine
d) le refroidissement de la résine durcie.
13. Objet à base de résine thermodurcissable susceptible d'être obtenu par le procédé selon la revendication 12.
14. Procédé de transformation d'au moins un objet selon la revendication 13, ce procédé comprenant : l'application à l'objet d'une contrainte mécanique à une température (T) supérieure à la température ambiante, de préférence supérieure à la température de transition vitreuse Tg du matériau composant l'objet.
15. Procédé de fabrication d'un objet à transformation postérieure programmée, ce procédé comprenant l'application à un premier objet selon la revendication 13 d'une contrainte mécanique à une température (T) supérieure à la température ambiante, de préférence supérieure à la température de transition vitreuse Tg du matériau composant le premier objet puis son refroidissement, la température T et sa durée d'application étant contrôlées de telle sorte qu'une contrainte mécanique interne permettant la transformation ultérieure soit conservée dans l'objet après refroidissement.
16. Procédé de recyclage d'un objet selon la revendication 13, ce procédé comprenant : a) une réduction de l'objet en particules par application d'un broyage mécanique, b) la mise en œuvre des particules de l'étape a) dans un procédé de transformation selon la revendication 14.
17. Procédé de recyclage d'un objet selon la revendication 13, ce procédé comprenant : a) l'utilisation de l'objet comme matière première,
b) l'application d'une contrainte mécanique et éventuellement d'une élévation de température simultanée pour transformer cet objet en un ensemble d'unités élémentaires,
c) le refroidissement de l'ensemble d'unités élémentaires.
18. Utilisation d'une composition ou d'un matériau selon l'une des revendications 1 à 10 ou d'un objet selon la revendication 13 comme matériaux et composites pour l'automobile, pour la construction aéronautique, l'électronique, le sport, le bâtiment, l'imprimerie, l'emballage.
PCT/EP2012/050939 2011-01-24 2012-01-23 Resines et composites thermodurs epoxy anhydrides pouvant etre faconnes a chaud et recycles WO2012101078A1 (fr)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES12700507.2T ES2636919T3 (es) 2011-01-24 2012-01-23 Resinas y materiales compuestos termoestables epoxi-anhídridos que se pueden moldear en caliente y reciclar
KR1020137021715A KR101529808B1 (ko) 2011-01-24 2012-01-23 고온-성형가능 및 재생가능 에폭시 무수물 열경화성 수지 및 열경화성 복합체
BR112013013257A BR112013013257A2 (pt) 2011-01-24 2012-01-23 resinas e compósitos termofixos epóxi anidridos podendo ser formados a quente e reciclados
EP12700507.2A EP2668223B1 (fr) 2011-01-24 2012-01-23 Resines et composites thermodurs epoxy anhydrides pouvant etre faconnes a chaud et recycles
CN201280006170.XA CN103314030B (zh) 2011-01-24 2012-01-23 可热成型的并可循环使用的环氧酸酐热固树脂和复合材料
US13/981,401 US9562132B2 (en) 2011-01-24 2012-01-23 Hot-formable and recyclable epoxy anhydride thermosetting resins and thermosetting composites
MX2013007850A MX352784B (es) 2011-01-24 2012-01-23 Resinas y compuestos termoendurecidos de epoxi-anhidridos que pueden ser conformados en caliente y reciclados.
JP2013550843A JP5749354B2 (ja) 2011-01-24 2012-01-23 加熱成形可能で、リサイクル可能な無水エポキシ熱硬化性樹脂および熱硬化性組成物

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1150546A FR2970712B1 (fr) 2011-01-24 2011-01-24 Resines et composites thermodurs epoxy anhydrides pouvant etre faconnes a chaud et recycles
FR1150546 2011-01-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012101078A1 true WO2012101078A1 (fr) 2012-08-02

Family

ID=44501627

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/050939 WO2012101078A1 (fr) 2011-01-24 2012-01-23 Resines et composites thermodurs epoxy anhydrides pouvant etre faconnes a chaud et recycles

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9562132B2 (fr)
EP (1) EP2668223B1 (fr)
JP (1) JP5749354B2 (fr)
KR (1) KR101529808B1 (fr)
CN (1) CN103314030B (fr)
BR (1) BR112013013257A2 (fr)
ES (1) ES2636919T3 (fr)
FR (1) FR2970712B1 (fr)
MX (1) MX352784B (fr)
WO (1) WO2012101078A1 (fr)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014096716A1 (fr) 2012-12-21 2014-06-26 Arkema France Systemes catalytiques pour resines thermodurcissables deformables a l'etat thermodurci
WO2015162361A1 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Utilisation d'une composition de resine thermodurcissable de type vitrimere pour la fabrication de pieces d'isolation electrique
WO2015162387A2 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Catalyseur a base de titane pour resines vitrimeres de type epoxy/anhyride
WO2015162352A1 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Composition pour la fabrication de resines vitrimeres de type epoxy/anhyride comprenant un catalyseur organique
WO2015162356A2 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Composition pour la fabrication de résines vitriméres de type epoxy/anhyride comprenant un polyol
WO2020002904A1 (fr) 2018-06-25 2020-01-02 The University Of Manchester Vitrimère contenant un biocatalyseur
US10584190B2 (en) 2015-08-17 2020-03-10 Ecole Superieure De Physique Et De Chimie Industrielles De La Ville De Paris Composition comprising a cross-linked polymer network, prepared by radical copolymerisation, comprising pending links and cross-links exchangeable by aldehyde-imine exchange reactions and/or by imine-imine exchange reactions, preparation process and use
FR3114810A1 (fr) 2020-10-05 2022-04-08 Saint-Gobain Glass France Assemblage et desassemblage d’une solution verriere

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101477430B1 (ko) * 2013-12-30 2014-12-29 삼성전기주식회사 적층 세라믹 전자부품, 그 제조방법 및 적층 세라믹 전자부품의 실장 기판
US20170051099A1 (en) * 2014-04-29 2017-02-23 The Brigham And Women's Hospital, Inc. Polymeric materials for bio-applications
EP2949679A1 (fr) 2014-05-26 2015-12-02 Fundación Cidetec Composites de résine époxyde pouvant être retraités de manière thermomécanique et leurs procédés de fabrication
EP3274124A1 (fr) * 2015-03-26 2018-01-31 SABIC Global Technologies B.V. Utilisation de compositions polymères réticulées dynamiques dans des applications de soudage
CN104961877B (zh) * 2015-06-08 2017-06-23 北京化工大学 一种聚氨酯模量渐变材料的一步合成法
JP6912316B2 (ja) * 2017-08-01 2021-08-04 株式会社日立製作所 樹脂金属複合体の解体方法
JP6942000B2 (ja) * 2017-08-01 2021-09-29 株式会社日立製作所 繊維強化樹脂及びその製造方法
JP7142278B2 (ja) * 2017-08-10 2022-09-27 デンカ株式会社 熱電変換材料の製造方法、熱電変換素子の製造方法及び熱電変換材料の改質方法
CN110625952B (zh) * 2019-09-17 2020-11-10 西安交通大学 一种热固性复合材料自然连接方法
EP4114898A1 (fr) 2020-03-02 2023-01-11 ARLANXEO Deutschland GmbH Caoutchoucs polymères d'éthylène-glycidylméthacrylate-acétate de vinyle modifiés par un anhydride phtalique et résines époxy les comprenant
KR20230088439A (ko) * 2020-10-16 2023-06-19 도요보 가부시키가이샤 가교 방향족 폴리에스테르 수지 조성물 및 그의 제조 방법
JP2022076623A (ja) * 2020-11-10 2022-05-20 株式会社日立製作所 樹脂組成物、樹脂硬化物及び繊維強化樹脂
CN113527983B (zh) * 2021-07-30 2022-05-31 中山大学 一种免修饰可回收的光热驱动自修复环氧防腐涂层材料的制备方法
KR20230127817A (ko) 2022-02-25 2023-09-01 부산대학교 산학협력단 광-잠재성 촉매를 이용한 열경화성 중합체의 비트리머화 방법 및 용도
WO2024008671A1 (fr) 2022-07-05 2024-01-11 Fundación Cidetec Résine époxyde réticulée recyclable
CN116041910B (zh) * 2023-02-24 2024-02-02 华中科技大学 基于环氧树脂的高刚度高阻尼自愈合复合材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3624032A (en) 1969-04-24 1971-11-30 Morton Int Inc Epoxy compositions cured with carboxylic acid anhydrides and metallic salt of acetylacetone
US3932343A (en) 1974-05-09 1976-01-13 Gulf Research & Development Company Mixed epoxy resin-mixed anhydride adhesive compositions
US4131715A (en) * 1976-01-20 1978-12-26 Rohm And Haas Company Use of chelated metal catalysts for acid/epoxy polymer systems
WO2002064653A2 (fr) 2001-02-13 2002-08-22 Board Of Trustees Of University Of Illinois Matiere composite multifonctionnelle d'auto-cicatrisation

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1943696C3 (de) * 1968-09-03 1981-09-10 General Electric Co., Schenectady, N.Y. Härtungsmittel für ein Epoxidharz mit 1,2-Epoxygruppen
GB1433864A (en) * 1972-04-28 1976-04-28 Exxon Research Engineering Co Increasing the activity of catalysts containing iridium ruthenium rhodium or osmium
JPS5032279B2 (fr) * 1972-09-22 1975-10-18
US5332783A (en) * 1993-07-12 1994-07-26 Shell Oil Company Compatible blends of epoxy resins and epoxidized polydienes
TWI262204B (en) * 2003-05-14 2006-09-21 Eternal Chemical Co Ltd Resin composition having high dielectric constant and uses thereof
JP2004346114A (ja) * 2003-05-20 2004-12-09 Kyocera Chemical Corp コイル含浸注形用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いたコイル
WO2011151584A1 (fr) * 2010-05-31 2011-12-08 Arkema France Resines et composites thermodurs epoxy acides pouvant etre faconnes a chaud et recycles
JP2014501804A (ja) 2010-11-10 2014-01-23 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 表面処理プロセス、該プロセスで用いる組成物、及び処理された物品

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3624032A (en) 1969-04-24 1971-11-30 Morton Int Inc Epoxy compositions cured with carboxylic acid anhydrides and metallic salt of acetylacetone
US3932343A (en) 1974-05-09 1976-01-13 Gulf Research & Development Company Mixed epoxy resin-mixed anhydride adhesive compositions
US4131715A (en) * 1976-01-20 1978-12-26 Rohm And Haas Company Use of chelated metal catalysts for acid/epoxy polymer systems
WO2002064653A2 (fr) 2001-02-13 2002-08-22 Board Of Trustees Of University Of Illinois Matiere composite multifonctionnelle d'auto-cicatrisation

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Epoxy Resins, Chemistry and Technology", 1988, MARCEL DEKKER
AFLAL ET AL., APPL. POLYM. SCI., vol. 113, 2009, pages 2191
CHEN X. ET AL., SCIENCE, vol. 295, 2002, pages 1698 - 1702
J.O.OUTWATER; D.G. GERRY, JADHESION, vol. 1, 1969, pages 290 - 298
J.P. PASCAULT; R.J.J. WILLIAMS: "Epoxy Polymer", 2010, WILEY-VCH
LEHN, J.M., PROGRESS POLYM. SCI., vol. 30, 2005, pages 814 - 831
P.J. FLORY: "Principles of Polymer Chemistry", 1953, CORNELL UNIVERSITY PRESS
R. PERRIN; J.P. SCHARFF; DUNOD, PARIS, CHIMIE INDUSTRIELLE, 1999
SKENE W.G.; LEHN, J.M., P.N.A.S., vol. 22, 2004, pages 8270 - 8275

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014096716A1 (fr) 2012-12-21 2014-06-26 Arkema France Systemes catalytiques pour resines thermodurcissables deformables a l'etat thermodurci
WO2015162361A1 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Utilisation d'une composition de resine thermodurcissable de type vitrimere pour la fabrication de pieces d'isolation electrique
WO2015162387A2 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Catalyseur a base de titane pour resines vitrimeres de type epoxy/anhyride
WO2015162352A1 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Composition pour la fabrication de resines vitrimeres de type epoxy/anhyride comprenant un catalyseur organique
WO2015162356A2 (fr) 2014-04-24 2015-10-29 Arkema France Composition pour la fabrication de résines vitriméres de type epoxy/anhyride comprenant un polyol
US10155842B2 (en) 2014-04-24 2018-12-18 Arkema France Titanium-based catalyst for vitrimer resins of epoxy/anhydride type
US10584190B2 (en) 2015-08-17 2020-03-10 Ecole Superieure De Physique Et De Chimie Industrielles De La Ville De Paris Composition comprising a cross-linked polymer network, prepared by radical copolymerisation, comprising pending links and cross-links exchangeable by aldehyde-imine exchange reactions and/or by imine-imine exchange reactions, preparation process and use
WO2020002904A1 (fr) 2018-06-25 2020-01-02 The University Of Manchester Vitrimère contenant un biocatalyseur
FR3114810A1 (fr) 2020-10-05 2022-04-08 Saint-Gobain Glass France Assemblage et desassemblage d’une solution verriere

Also Published As

Publication number Publication date
ES2636919T3 (es) 2017-10-10
JP5749354B2 (ja) 2015-07-15
CN103314030B (zh) 2017-02-08
MX352784B (es) 2017-12-08
US20130300020A1 (en) 2013-11-14
JP2014503670A (ja) 2014-02-13
BR112013013257A2 (pt) 2016-09-13
MX2013007850A (es) 2013-10-25
CN103314030A (zh) 2013-09-18
EP2668223A1 (fr) 2013-12-04
FR2970712A1 (fr) 2012-07-27
EP2668223B1 (fr) 2017-06-14
US9562132B2 (en) 2017-02-07
FR2970712B1 (fr) 2014-05-09
KR101529808B1 (ko) 2015-06-17
KR20130118372A (ko) 2013-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2668223B1 (fr) Resines et composites thermodurs epoxy anhydrides pouvant etre faconnes a chaud et recycles
EP2576193B1 (fr) Resines et composites thermodurs epoxy acides pouvant etre faconnes a chaud et recycles
FR2975101A1 (fr) Resines et composites hybrides thermodurs / supramoleculaires pouvant etre faconnes a chaud et recycles
Xu et al. Catalyst-free self-healing bio-based vitrimer for a recyclable, reprocessable, and self-adhered carbon fiber reinforced composite
EP3134455B1 (fr) Composition pour la fabrication de résines vitriméres de type epoxy/anhyride comprenant un polyol
EP3134457B1 (fr) Catalyseur a base de titane pour resines vitrimeres de type epoxy/anhyride
EP3134454B1 (fr) Composition pour la fabrication de resines vitrimeres de type epoxy/anhyride comprenant un catalyseur organique
EP2935349B1 (fr) Systemes catalytiques pour resines thermodurcissables deformables a l&#39;etat thermodurci
FR3020496A1 (fr) Utilisation d&#39;une composition de resine thermodurcissable de type vitrimere pour la fabrication de pieces d&#39;isolation electrique
FR2971251A1 (fr) Resines et composites thermodurs epoxy acides pouvant etre faconnes a chaud et recycles
FR2960472A1 (fr) Procede d&#39;assemblage et de reparation d&#39;objets a base de resine epoxy

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12700507

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2012700507

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012700507

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: MX/A/2013/007850

Country of ref document: MX

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013550843

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13981401

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20137021715

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112013013257

Country of ref document: BR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112013013257

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20130528