WO2013068686A1 - Procede de broyage de polyaryl ether cetones - Google Patents

Procede de broyage de polyaryl ether cetones Download PDF

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WO2013068686A1
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poly
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Cyrille Mathieu
Karine Huraux
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Arkema France
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    • 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
    • B29B13/00—Conditioning or physical treatment of the material to be shaped
    • B29B13/10—Conditioning or physical treatment of the material to be shaped by grinding, e.g. by triturating; by sieving; by filtering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C19/00—Other disintegrating devices or methods
    • B02C19/06—Jet mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/12—Powdering or granulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
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    • 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
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    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2982—Particulate matter [e.g., sphere, flake, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to an improved grinding process for polyarylene-ether ketones, allowing very good yields and obtaining poly-arylene-ether-ketone powders with a mean diameter of less than 100 ⁇ m having a narrow size distribution. .
  • Polyarylene ether ketones are very efficient materials, especially in terms of heat resistance and their application in coating of technical parts is desired in many applications. Coating processes with this type of polymer generally use the polymer in powder form.
  • the techniques for manufacturing parts of the laser sintering type also use powders.
  • the processes for grinding the polymers are very numerous.
  • materials used can be mentioned, such as ball mills, impact mills using different types of impactors (hammers, needles, disks), air jet mills, and operating conditions, typically cryogenic. or atmospheric.
  • These processes lead to variable yields and particle sizes sometimes requiring selection, for example by sieving, of the powder obtained even if a selector is often integrated in the mill, allowing only the passage of sufficiently crushed particles.
  • these processes lead to powders containing a large amount of fine particles detrimental to certain applications such as laser sintering.
  • No. 5,274,052 discloses a method of grinding poly-arylene ether ketones with a jet of air that is opposed to a fluidized bed.
  • US20050207931 describes several processes for obtaining powder, including grinding. Here again, the grinding is carried out at low temperature.
  • US20090280263 describes a process for obtaining polyarylene ether ketone powder by grinding using polyarylene ether ketones having an apparent specific surface area measured by BET greater than 1 m 2 / g.
  • the cooling of the polyarylene ether ketones to be milled is also preferred.
  • the cooling is operated using liquid nitrogen, that is to say, conditions penalizing the manufacturing costs.
  • it is necessary to sieve the powder after grinding, which is not the case in the present invention.
  • the present invention relates to a process for grinding polyarylene ether ketones having a bulk density of less than 0.9 operated in a temperature range between 0 ° C. and the glass transition temperature of the polymer measured by DSC. Detailed description.
  • poly-arylene ether ketones also called PAEK (PolyArylEtherKetone in English language) used in the invention comprise the following units of formulas:
  • Ar and Ar i each denote a divalent aromatic radical
  • Ar and Ar i may be selected, preferably, from 1,3-phenylene, 1,4-phenylene, 4,4'-biphenylene, 1,4-naphthylene, 1,5-naphthylene and the like.
  • X denotes an electron-withdrawing group; it can be chosen, preferably, from the carbonyl group and the sulphonyl group,
  • Y denotes a group selected from an oxygen atom, a sulfur atom, an alkylene group, such as -CH 2 - and is opylene oxide.
  • At least 50%, preferably at least 70% and more particularly at least 80% of the X groups are a carbonyl group, and at least 50%, preferably at least 70% and more particularly at least 80% Y groups represent an oxygen atom.
  • 100% of the X groups denote a carbonyl group and 100% of the Y groups represent an oxygen atom.
  • the polyethylene glycol (PAEK) may be selected from:
  • PEEK comprising units of formula I:
  • PEK containing units of formula II a poly-ether-ketone also called PEK containing units of formula II:
  • Formula II a poly-ether-ketone-ketone also called PEKK, comprising units of formulas IIIA, of formula IIIB and their mixture:
  • the polyarylene ether ketone which can be used according to the invention can be crystalline, optionally crystalline or amorphous.
  • the po-yl-substituted phenols are used as PEKK, comprising units of formulas IIIA, of the formula IIIB and their mixture.
  • the polymers used in the process of the invention may be in the form of porous or non-porous granules, or medium-sized flakes of between 0.5 and 5 mm in porous form. no, coarse powders, porous or not.
  • the polymers used in the process are in the form of coarse scales or powders and have a porosity greater than 2 m 2 / g measured with a
  • Coulter SA3100 from Beckman Coulter (measurement by nitrogen adsorption at 105 ° C. according to the BET method) and a bulk density of less than 0.9 kg / l, preferably less than 0.4 kg / l, and even more preferably less than 0.25 kg / l (density of packed scales measured on a STAV 2003 settlement volumetric equipped with a 250ml test piece after 2500 pulses.
  • the grinders used in the process of the invention may be of any type, but preferably they are impact crushers, the impactors of which may be hammers, needles, discs.
  • the grinders used are of the air jet type.
  • a combination of different type of mill can be used, for example, it is first milled with an impact mill, then the product is taken up in an air jet mill.
  • the grinding temperature is between 0 ° C and the glass transition temperature of the polymer measured by DSC, preferably between 0 and 50 ° C, even more preferably between 11 and 10. and 30 ° C.
  • powders having particle size distribution suitable for implementation by laser sintering or coating of articles ( dl0> 15m, 50 ⁇ d50 ⁇ 80m, 120 ⁇ d90 ⁇ 18m), with a yield approaching 100%.
  • the powders obtained are advantageously used in article coating processes or laser sintering processes.
  • the powders may be supplemented with fillers such as alumina AL203 or silica such as Aerosil to facilitate the flow thereof.
  • fillers such as alumina AL203 or silica such as Aerosil to facilitate the flow thereof.
  • Polymer in the form of peels of PEKK (OXPEKK SP), with a viscosity of 0.95 dl / g (solution viscosity at 25 ° C. in 96% sulfuric acid according to ISO 307), is micronized in a grinding mill-selector. Impact Neuman ICM 7.6 at a temperature of 25 ° C, the speed of the mill is 12000rpm, the speed of the selector 4500rpm. Three successive grindings make it possible to obtain the following granulometry measured on Malvern Insitec T granulometer equipped with a focal length of 300 mm (measurement by laser diffraction on dry powder, diameters expressed in volume Dv):
  • Dv10 27mu
  • Dv50 76mym
  • Dv90 180m.
  • the yield is 99%.
  • the yield is 98%.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de broyage amélioré des poly-arylène-éther-cétones, autorisant de très bons rendements et l'obtention de poudres de poly-arylène- éther-cétones de diamètre moyen inférieur à 100 µm présentant une distribution de taille resserrée avec peu de fines particules (Dv10>15µm).

Description

PROCEDE DE BROYAGE DE POLYARYL ETHER CETONES
La présente invention concerne un procédé de broyage amélioré des poly-arylène-éther-cétones , autorisant de très bons rendements et l'obtention de poudres de poly-arylène- éther-cétones de diamètre moyen inférieur à 100 ym présentant une distribution de taille resserrée.
Les poly-arylène-éther-cétones sont des matériaux très performants, notamment en termes de tenue thermique et leur application en revêtement de pièces techniques est souhaitée dans de nombreuses applications. Les procédés de revêtement avec ce type de polymère utilisent généralement le polymère sous forme de poudre.
Par ailleurs, les techniques de fabrication de pièces du type frittage laser utilisent également des poudres.
Il est donc recherché des procédés permettant l'obtention de poudres notamment dans des conditions économiquement viables .
Les procédés de broyages des polymères sont très nombreux. On peut en particulier citer les matériels utilisés, tels que les broyeurs à boulet, les broyeurs à impact utilisant différents types d' impacteur (marteaux, aiguilles, disques), les broyeurs à jet d'air, et les conditions de fonctionnement, typiquement cryogénique ou atmosphérique. Ces procédés conduisent à des rendements variables et des tailles de particules nécessitant parfois une sélection, par exemple par tamisage, de la poudre obtenue même si un sélecteur est souvent intégré au broyeur, permettant uniquement le passage des particules suffisamment broyées. Par ailleurs, ces procédés conduisent à des poudres contenant un grande quantité de fines particules préjudiciables à certaines applications telles que le frittage laser.
Art antérieur :
Le broyage des poudres de poly-arylène-éther-cétones est largement décrit dans la littérature.
US 5247052 décrit un procédé de broyage de poly-arylène- éther-cétones à jet d'air opposé à lit fluidisé.
Ce procédé est opéré à des températures très froides et nécessite donc l'apport de frigories, ce qui présente un coût non négligeable.
US20050207931, décrit plusieurs procédés d'obtention de poudre parmi lesquels le broyage. Ici encore, le broyage s'effectue à basse température.
US20090280263 décrit un procédé d'obtention de poudre de poly-arylène-éther-cétones par broyage utilisant des poly- arylène-éther-cétones présentant une surface spécifique apparente mesurée par BET supérieure à 1 m2 /g.
Dans ce procédé le refoidissement du poly-arylène-éther- cétones à broyer est également préféré. Dans les exemples le refroidissement est opéré à l'aide d'azote liquide, c'est-à-dire des conditions pénalisant les coûts de fabrication. Par ailleurs dans cette invention, il y a nécessité de tamiser la poudre après broyage, ce qui n'est pas le cas dans la présente invention.
Par ailleurs ces procédés conduisent à des quantités de fines importantes ce qui pose problème, notamment dans les applications de frittage laser. La demanderesse a constaté, contre toute attente que les procédés de broyage de poly-arylène-éther-cétones pouvaient être opérés à température ambiante, typiquement supérieure à 0 °C avec des rendements proches de 100 % afin d'obtenir des poudres présentant une répartition de taille de particule (diamètres en volume) de dl0>15ym, 50<d50<70ym, 120<d90<l 8 Oym, sans tamisage supplémentaire. Un dl0>15ym est considéré comme nécessaire sur le plan des fines particules dans les applications telles que le frittage laser.
Résumé de l'invention.
La présente invention concerne un procédé de broyage de poly-arylène-éther-cétones de masse volumique apparente inférieure à 0.9 opéré dans une gamme de température se situant entre 0°C et la température de transition vitreuse du polymère mesurée par DSC. Description détaillée.
Les poly-arylène-éther-cétones, également nommés PAEK (PolyArylEtherKétone en langue anglaise) utilisé dans l'invention comportent les motifs de formules suivantes:
( - Ar - X - ) et (-Ar^Y-)
dans lesquelles :
Ar et Ar i désignent chacun un radical aromatique divalent ;
Ar et Ar i peuvent être choisis, de préférence, parmi le 1 , 3 -phény1 ène , 1 , 4 -phény1 ène , le 4,4'- biphénylène, le 1,4- naphthylène, le 1,5- naphthylène et le 2,6-naphthylène ; X désigne un groupe électro-attracteur ; il peut être choisi, de préférence, parmi le groupe carbonyle et le groupe sulfonyle,
Y désigne un groupe choisi parmi un atome d'oxygène, un atome de soufre, un groupe alkylène, tel que -CH2- et i s op r opy1 i dène .
Dans ces motifs, au moins 50%, de préférence au moins 70% et plus particulièrement, au moins 80% des groupes X sont un groupe carbonyle, et au moins 50%, de préférence au moins 70% et plus particulièrement au moins 80% des groupes Y représentent un atome d'oxygène.
Selon un mode de réalisation préféré, 100% des groupes X désignent un groupe carbonyle et 100% des groupes Y représentent un atome d'oxygène.
Plus pré fé ren t i e 11 eme n t , le po 1 y- ar y1 ène - é the r - cétone (PAEK) peut être choisi parmi :
- un poly-éther-éther-cétone également nommé
PEEK comprenant des motifs de formule I :
Figure imgf000005_0001
Formule I
- un poly-éther-cétone également nommé PEK mprenant des motifs de formule II :
Figure imgf000005_0002
Formule II - un poly-éther-cét one-cé tone également nommé PEKK, comprenant des motifs de formules IIIA, de formule IIIB et leur mélange :
Figure imgf000006_0001
Formule IIIA
Figure imgf000006_0002
Fo rmu le IIIB
- et un poly-éther-éther-cé tone-cétone également nommé PEEKK, comprenant des motifs de formules IV :
Figure imgf000006_0003
Formule IV mais d'autres arrangements du groupe carbonyle et de l'atome d'oxygène sont également possibles.
Le poly-arylène-éther-cétone utilisable selon l'invention peut être cristallin, s emi - cr i s t a 11 i n ou amo rphe . De préférence, les p o 1 y- ar y1 ène - é the r - cé t o ne utilisés sont des p o 1 y- é the r - cé t one - cé t o ne également nommé PEKK, comprenant des motifs de formules IIIA, de formule IIIB et leur mélange.
Les po 1 y- ar y1 ène - é the r - cé t one utilisés dans le procédé de l'invention peut se présenter sous la forme de granulés poreux ou non , d'écaillés de taille moyenne comprise entre 0.5 et 5 mm poreuses ou non, de poudres grossières, poreuses ou non.
De préférence, les p o 1 y- ar y1 ène - é the r - cé t o ne utilisés dans le procédé se présentent sous forme d'écaillés ou poudres grossières et présentent une porosité supérieure à 2m2/g mesurée avec un
Coulter SA3100 de la société Beckman Coulter (mesure par adsorption d'azote à 105°C selon la méthode BET) et une masse volumique apparente inférieure à 0.9kg/l, de préférence inférieure à 0.4kg/l, et encore plus pré f e ren t i è 11 eme n t inférieure à 0.25kg/l (masse volumique des écailles tassées mesuré sur un voluménomèt re de tassement STAV 2003 équipé d'une éprouvette de 250ml après 2500 impulsions.
Les broyeurs utilisés dans le procédé de l'invention peuvent être de tous types, mais de préférence, ce sont des broyeurs à impact, dont les impacteurs peuvent être des marteaux, des aiguilles, des disques. Selon une deuxième forme de l'invention les broyeurs utilisés sont du type jet d ' air. Dans un souci d'optimisation du procédé de broyage, une combinaison de différent type de broyeur peut être utilisée, par exemple, on broyé d'abord avec un broyeur à impact, puis le produit est repris dans un broyeur jet d'air.
Dans tous les cas, la température de broyage se situe entre 0°C et la température de transition vitreuse du polymère mesurée par DSC, de préférence entre 0 et 50 °C, encore plus pr é f é r en t i e 11 eme n t entre 10 et 30 °C.
Avec le procédé de l'invention, il est possible d'obtenir directement, sans sélection ultérieure de la poudre sortie du broyeur des poudres présentant des distribution de taille de particules adaptée à une mise en œuvre par frittage laser ou au revêtement d'articles (dl0> 15ym, 50<d50<80ym, 120<d90<l 8 Oym) , avec un rendement approchant les 100 %. Les poudres obtenues sont avantageusement utilisés dans les procédés de revêtements d'articles ou encore les procédés de frittage laser.
Les poudres peuvent être additivées de charges telles que l'alumine AL203 ou la silice telle que l'Aérosil pour en faciliter l'écoulement.
Exemple 1
Un polymère sous forme d'écaillés de PEKK (OXPEKK SP) , de viscosité 0.95dl/g (viscosité en solution à 25°C dans l'acide sulfurique à 96% selon la norme ISO 307) est micronisé dans un broyeur-sélecteur à impact Neuman ICM 7.6 à la température de 25 °C, la vitesse du broyeur est de 12000tr/min, la vitesse du sélecteur de 4500tr/min. Trois broyages successifs permettent d'obtenir la granulométrie suivante mesurée sur granulomètre Insitec T de Malvern équipé d'une focale de 300mm (mesure par diffraction laser sur poudre sèche, diamètres exprimés en volume Dv) :
DvlO = 27ym, Dv50 = 76ym, Dv90 = 180ym.
Le rendement est de 99%.
Exemple 2 :
Un polymère sous forme d'écaillés de PEKK (OXPEKK SP) , de viscosité 0.85dl/g (viscosité en solution à 25°C dans l'acide sulfurique à 96% selon la norme ISO 307) est micronisé dans un broyeur-sélecteur à impact Neuman ICM 7.6 à la température de 25 °C, la vitesse du broyeur est de 12000tr/min, la vitesse du sélecteur de 4500tr/min. Deux broyages successifs permettent d'obtenir la granulométrie suivante mesurée sur granulomètre Insitec T de Malvern équipé d'une focale de 300mm (mesure par diffraction laser sur poudre sèche, diamètres exprimés en volume Dv) : DvlO = 29ym, Dv50 = 81ym, Dv90 = 184ym.
Le rendement est de 98%.
Exemple 3 (comparatif) :
Un polymère sous forme d'écaillés de PEKK (OXPEKK SP) , de viscosité 0.87dl/g (viscosité en solution à 25°C dans l'acide sulfurique à 96% selon la norme ISO 307) est micronisé dans un broyeur à marteaux Mikropull 2DH équipé d'une grille à trous ronds de 500ym à la température de - 40°C. Le broyage permet d'obtenir la granulométrie suivante mesurée sur granulomètre Insitec T de Malvern équipé d'une focale de 300mm (mesure par diffraction laser sur poudre sèche, diamètres exprimés en volume Dv ) : DvlO = 64ym, Dv50 = 155ym, Dv90 = 322ym.
Un tamisage à 145ym sur un tamiseur Finex 22 de la marque Russel permet d'atteindre la granulométrie suivante : DvlO = 47ym, Dv50 = 95ym, Dv90 = 148ym avec un rendement de 48%.
On constate qu'à basse température le rendement est très inférieur à celui obtenu en broyant les écailles à 25 °C.

Claims

Revendications
1) Procédé de broyage de poly-arylène-éther-cétones de masse volumique apparente inférieure à 0.9 opéré dans une gamme de température se situant entre 0°C et la température de transition vitreuse du polymère mesurée par DSC, afin d'obtenir des poudres présentant une répartition de taille de particule (diamètres en volume) de dl0>15ym, 50<d50<70ym, 120<d90<180ym.
2) Procédé selon la revendication 1 dans lequel le poly- arylène-éther-cétone est un poly éther-cétone- cétone.
Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise un broyeur à impact.
Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise un broyeur à jet d'air.
Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise une combinaison de broyeurs à impact et à jet d'air.
Utilisation des poudres obtenues selon le procédé selon l'une des revendications 1 à 5 pour le revêtement d'articles.
Utilisation des poudres obtenues selon
selon l'une des revendications 1 à
fabrication de pièces par frittage laser.
8) Poudre obtenue selon le procédé d'une des revendications 1 à 5.
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