WO2013186455A1 - Nouveau copolymère en peigne et procédé pour sa préparation - Google Patents
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- WO2013186455A1 WO2013186455A1 PCT/FR2013/051204 FR2013051204W WO2013186455A1 WO 2013186455 A1 WO2013186455 A1 WO 2013186455A1 FR 2013051204 W FR2013051204 W FR 2013051204W WO 2013186455 A1 WO2013186455 A1 WO 2013186455A1
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Definitions
- the subject of the present patent application is a new process for the preparation of water-soluble graft copolymers.
- Thermo-thickening polymers are polymers whose viscosity varies considerably depending on the temperature. In particular, they are characterized by a so-called critical temperature, beyond which the viscosity of their aqueous solution increases very markedly, most often by a factor of several tens.
- NIPAM N-isopropyl acrylamide
- n represents an integer greater than or equal to 2 and less than or equal to 100
- Z represents a function capable of acting as a radical transfer agent
- R 1 represents a divalent radical comprising from 1 to 4 carbon atoms
- R 2 is a hydrogen atom or a methyl radical
- R 3 is a hydrogen atom or a linear or branched alkyl radical containing from 1 to 4 carbon atoms
- R 4 which is identical to or different from R 3 , represents a linear alkyl radical; or branched having from 1 to 4 carbon atoms, by reaction in water of a compound of formula (II):
- Z represents a function capable of acting as a radical transfer agent in a molar ratio (II) / (II I) less than or equal to n and greater than or equal to n / 10, in the presence of an initiator polymerization;
- step (b) isolating the telomere of formula (I) obtained in step (a);
- R 5 represents a hydrogen atom or a methyl radical and in a molar ratio (IV) / (III) less than or equal to 10 and greater than or equal to 1 while maintaining the pH of the reaction medium at a value between 6 and 13, and preferably between 7 and 8, to obtain a macromonomer of formula (V):
- step (e) the copolymerization in water of the macromonomer of formula (V) isolated in step (d) with a monomer chosen from acrylamide, acrylic acid, acryloylaminoethanol or dimethylacrylamide and, if desired,
- the subject of the invention is a process for preparing a comb copolymer whose skeleton is of the 2-acrylamido-2-methylpropanesulphonic acid (ATBS) type, on which side segments are grafted.
- ATBS 2-acrylamido-2-methylpropanesulphonic acid
- poly (N-alkyl acrylamide) or poly (N, N-dialkyl acrylamide) characterized in that it comprises the following successive steps:
- R 1 represents a divalent radical comprising from 1 to 4 carbon atoms
- Z represents a function capable of acting as a radical transfer agent, in the presence of a polymerization initiator, in a tert-butanol / mixture water, to obtain a telomer poly (N-alkyl acrylamide) or poly (N, N-dialkyl acrylamide), of formula (I):
- R 5 represents a hydrogen atom or a methyl radical and in a molar ratio (IV) / (III) less than or equal to 10 and greater than or equal to 1 while maintaining the pH of the reaction medium at a value between 8 and 10, to obtain a solution of the macromonomer of formula (V):
- tert-butanol / water mixture is meant in the process as defined above a mixture whose proportion by volume water is less than or equal to 50%.
- R 2 and R 3 each represent a hydrogen atom, and R 4 represents an isopropyl radical.
- the subject of the invention is also a comb copolymer whose skeleton is of the 2-acrylamido-2-methylpropanesulphonic acid type, on which are grafted poly (N-alkyl (meth) acrylamide) or poly (N, N-) side segments. dialkyl (meth) acrylamide) said side segments being selected from the following side segments:
- side segments are selected from the following side segments:
- N, N-diethyl acrylamide side segments N, N-diethyl acrylamide side segments.
- the following example illustrates the invention without limiting it. It shows that it is possible to prepare comb polymers without an N-alkyl acrylamide-type side-chain acrylamide skeleton, which are thermo-thickeners. Preparation of an ATBS backbone comb copolymer, onto which are grafted polv (N-isopropylacrylamide) ATBS-g-NIPAM side segments.
- NIPAM N-isopropylacrylamide
- tert-butanol / water mixture 50/50 by volume
- 2-aminoethanethiol hydrochloride AET.HCl
- AET.HCl 2-aminoethanethiol hydrochloride
- step (1) To the reaction mixture obtained in step (1) maintained at a temperature of 10 ° C., a solution of potassium hydroxide (0.16N) in tert-butanol and arcryloyl chloride is added, while maintaining the pH of the reaction mixture. 9. At the end of the reaction, the macromonomer content of NIPAM is 17.8% by mass and the water content of 10.7% by mass.
- reaction medium obtained in stage (2) 61.8 g are diluted with 170 g of tert-butanol in the reactor which is thermostatically controlled at 15 ° C .; 77 g of the ammonium salt of 2-acrylamido-2-methylpropanesulphonic acid and then 0.44 g of trimethylol propane triacrylate are added thereto.
- the polymerization is initiated with dilauroyl peroxide and the medium is stirred for four hours while maintaining the temperature at 60 ° C.
- the polymer which precipitated during the polymerization is recovered by filtration.
- the desired copolymer is obtained in powder form.
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Abstract
Copolymère en peigne dont le squelette est du type acide 2-acrylamido 2-méthyl propanesulfonique, sur lequel sont greffés des segments latéraux poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N,N-dialkyl acrylamide); procédé pour sa préparation comprenant : -Une étape (a) de réaction d'un composé de formule (II) avec un composé de formule (III), dans un mélange tertio-butanol-eau, pour obtenir un télomère poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N,N-dialkyl acrylamide), de formule (I) -Une étape (c) de réaction dans le tertio-butanol du télomère de formule (I) obtenu à l'étape (a), avec un chlorure d'acide de formule (IV) pour obtenir une solution du macromonomère de formule (V) -Une étape (e) de copolymérisation dans le tertio-butanol, du macromonomère de formule (V) issu de l'étape (c), avec le sel d'ammonium de l'acide 2-acrylamido 2-méthyl propanesulfonique et si désiré, -Une étape (f) de purification du copolymère peigne obtenu à l'étape (e).
Description
Nouveau copolymère en peigne et procédé pour sa préparation
La présente demande de brevet a pour objet un nouveau procédé de préparation copolymères greffés hydrosolubles.
Les polymères thermo-épaississants sont des polymères dont la viscosité varie considérablement en fonction de la température. Ils sont notamment caractérisés par une température dite critique, au-delà de laquelle la viscosité de leur solution aqueuse augmente très nettement, le plus souvent d'un facteur de plusieurs dizaines.
La demande internationale WO 00/40958 décrit un procédé de préparation de copolymères d'acrylamide et de poly(N-isopropyl acrylamide) incluant les étapes successives suivantes :
(a) la synthèse d'un télomère de N-isopropyl acrylamide (NIPAM) par polymérisation radicalaire ;
(b) l'isolation du télomère obtenu, (PNIPAM)X-NH2 par précipitation dans l'éther, filtration puis séchage ;
(c) la réaction dans le chlorure de méthylène, de (PNIPAM)X-NH2 avec un large excès d'acide acrylique en présence de cyclohexyl carbodiimide pour conduire au macromonomère poly-(NIPAM) porteur d'une fonction acryloyle en bout de chaîne (PNIPAM)X ;
(d) l'isolation du macro-monomère obtenu par précipitation dans l'éther, filtration puis séchage ;
(e) la copolymérisation du macro monomère obtenu avec de l'acrylamide (AM) ou du diméthylacrylamide (DMA) dans l'eau, pour obtenir les copolymères greffés à segment (PNIPAM)X, AM-g-(PNIPAM)x ou DMA-g-(PNIPAM)x ;
(f) La purification par précipitation dans l'eau pour DMA/(PNIPAM)X ou dans l'acétone pour AM/(PNIPAM)X, puis ultrafiltration.
La demande internationale publiée sous le numéro WO 2007/000535 divulgue un procédé de préparation de polymères greffés, en limitant autant que faire se peut, l'utilisation de solvants organiques et plus particulièrement un procédé de préparation d'un copolymère en peigne dont le squelette est du type acrylamide, acide acrylique, acryloylamino éthanol ou diméthylacrylamide, sur lequel sont greffés des segments latéraux poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N,N-dialkyl acrylamide), comprenant les étapes successives suivantes :
(a) La préparation d'un télomère poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N,N-dialkyl acrylamide), de formule (I) :
H2N-R1-Z-{CH2-C(R2)[C(=0)N(R3)(R4)]-}n-H (I)
dans laquelle n représente un nombre entier supérieur ou égal à 2 et inférieur ou égal à 100, Z représente une fonction susceptible de jouer le rôle d'agent de transfert de radicaux, Ri représente un radical divalent comportant de 1 à 4 atomes de carbone, R2 un atome d'hydrogène ou un radical méthyle, R3 un atome d'hydrogène ou un radical alkyle linéaire ou ramifié comportant de 1 à 4 atomes de carbone et R4, identique ou différent de R3, représente un radical alkyle linéaire ou ramifié comportant de 1 à 4 atomes de carbone, par réaction dans l'eau d'un composé de formule (II) :
CH2=C(R2)-C(=0)N(R3)(R4) (II)
dans laquelle R2, R3 et R4 sont tels que définis ci-dessus, avec un composé limiteur de chaîne de formule (III) :
dans laquelle Z représente une fonction susceptible de jouer le rôle d'agent de transfert de radicaux dans un rapport molaire (I I) / (II I) inférieur ou égal à n et supérieur ou égal à n/10, en présence d'un initiateur de polymérisation ;
(b) l'isolation du télomère de formule (I) obtenu à l'étape (a) ;
(c) la réaction dans l'eau du télomère de formule (I) obtenu à l'étape (b), avec le chlorure d'acide de formule (IV) :
CH2=C(R5)-C(=0)-CI (IV)
Dans laquelle R5 représente un atome d'hydrogène ou un radical méthyle et dans un rapport molaire (IV) / (I I I ) inférieur ou égal à 10 et supérieur ou égal à 1 tout en maintenant le pH du milieu réactionnel à une valeur comprise entre 6 et 13, et de préférence entre 7 et 8, pour obtenir un macromonomère de formule (V):
CH2=C(R5)-C(=0)NH-R1-Z-{CH2-C(R2)[C(=0)N(R3)(R4)]-}n-H (V)
(d) l'isolation du macro-monomère de formule (V) obtenu à l'étape (c) ;
(e) la copolymérisation dans l'eau, du macromonomère de formule (V) isolé à l'étape (d), avec un monomère choisi parmi l'acrylamide, l'acide acrylique, l'acryloylaminoéthanol ou le diméthylacrylamide et si désiré,
(f) La purification du copolymère peigne obtenu.
Or, si le procédé ainsi divulgué fonctionne parfaitement lorsque le squelette principal est constitué d'un enchaînement de monomères neutres, il n'en n'est pas de même lorsque l'on souhaite remplacer ces monomères neutres par des monomères ioniques co m m e l ' a c i d e a c ry l i q u e o u e n co re l 'a c i d e 2-acrylamido 2-méthyl propanesulfonique (ATBS). Il se produit en effet un phénomène dit de "salting out", qui provoq ue la polymérisation du macromonomère, destiné à former les chaînes pendantes, comme le macromonomère de poly(N-isopropyl acrylamide).
Les inventeurs ont donc cherché à mettre au point un procédé qui ne présente pas l'inconvénient exposé ci-dessus.
C'est pourquoi selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé de préparation d'un copolymère en peigne dont le squelette est du type acide 2-acrylamido 2-méthyl propanesulfonique (ATBS), sur lequel sont greffés des segments latéraux poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N , N-dialkyl acrylamide), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :
- Une étape (a) de réaction d'un composé de formule (II) :
CH2=C(R2)-C(=0)-N(R3)(R4) (II), dans laquelle R2 représente un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, R3 un atome d'hydrogène ou un radical alkyle linéaire ou ramifié comportant de 1 à 4 atomes de carbone et R4, identique ou différent de R3, représente un radical alkyle linéaire ou ramifié comportant de 1 à 4 atomes de carbone, avec un composé limiteur de chaîne de formule (III) :
dans laquelle Ri représente un radical divalent comportant de 1 à 4 atomes de carbone, et Z représente une fonction susceptible de jouer le rôle d'agent de transfert de radicaux, en présence d'un initiateur de polymérisation, dans un mélange tertio-butanol / eau, pour obtenir un télomère poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N, N-dialkyl acrylamide), de formule (I) :
H2N-R Z-{CH2-C(R2)[C(=0)N(R3)(R4)]-}n-H (I) dans laquelle n représente un nombre entier supérieur ou égal à 2 et inférieur ou égal à 100, Z représente une fonction susceptible de jouer le rôle d'agent de transfert de radicaux, optionnellement
- Une étape (b) d'isolation et/ou de séchage dudit télomère de formule (I) obtenu à l'étape (a) ;
- Une étape (c) de réaction dans le tertio-butanol du télomère de formule (I) obtenu à l'étape (a), ou optionnellement à l'étape (b), avec un chlorure d'acide de formule (IV) :
CH2=C(R5)-C(=0)-CI (IV)
dans laquelle R5 représente un atome d'hydrogène ou un radical méthyle et dans un rapport molaire (IV) / (III) inférieur ou égal à 10 et supérieur ou égal à 1 tout en maintenant le pH du milieu réactionnel à une valeur comprise entre 8 et 10, pour obtenir une solution du macromonomère de formule (V):
CH2=C(R5)-C(=0)NH-R1-Z-{CH2-C(R2)[C(=0)N(R3)(R4)]-}n-H (V) ; optionnellement
- Une étape (d) d'isolation et/ou de séchage dudit macromonomère de formule (V) obtenu à l'étape (c) ;
- Une étape (e) de copolymérisation dans le tertio-butanol, du macromonomère de formule (V) issu de l'étape (c) ou de l'étape (d), avec le sel d'ammonium de l'acide 2- acrylamido 2-méthyl propanesulfonique et si désiré,
- Une étape (f) de purification du copolymère peigne obtenu à l'étape (e).
Par mélange tertio-butanol/eau, on désigne dans le procédé tel que défini ci- dessus un mélange dont la proportion volumique en eau est inférieure ou égal à 50%.
Selon un aspect particulier du procédé tel que défini ci-dessus, dans la formule (I I), R2 et R3 représentent chacun un atome d'hydrogène, et R4 représente un radical isopropyle.
L'invention a aussi pour objet un copolymère en peigne dont le squelette est du type acide 2-acrylamido 2-méthyl propanesulfonique, sur lequel sont greffés des segments latéraux poly(N-alkyl (meth)acrylamide) ou poly(N,N-dialkyl (méth)acrylamide) lesdits segments latéraux étant choisis parmi les segments latéraux suivants :
- Segments latéraux poly(N-méthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-éthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-propyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-isopropyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly[N-(2-hydroxy éthyl) méthacrylamide],
- Segments latéraux poly(N,N-diméthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N,N-diéthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-méthyl acrylamide),
- Segments latéraux poly(N-éthyl acrylamide),
- Segments latéraux poly(N-propyl acrylamide),
- Segments latéraux poly(N-isopropyl acrylamide),
- Segments latéraux poly[N-(2-hydroxy éthyl) acrylamide],
- Segments latéraux poly(N,N-diméthyl acrylamide),
- Segments latéraux poly(N,N-diéthyl acrylamide)
et plus particulièrement un copolymère en peigne tel que défini ci-dessus, dans lequel lesdits segments latéraux sont choisis parmi les segments latéraux suivants :
- Segments latéraux poly(N-isopropyl acrylamide),
- Segments latéraux poly[N-(2-hydroxy éthyl) acrylamide],
- Segments latéraux poly(N,N-diméthyl acrylamide) et
- Segments latéraux poly(N,N-diéthyl acrylamide).
L'exemple suivant illustre l'invention sans toutefois la limiter. Il met en évidence que l'on peut préparer des polymères peignes sans squelette acrylamide à segment latéraux de type N-alkyl acrylamide, qui soient thermo-épaississants. Préparation d'un copolymère en peigne à squelette du type ATBS, sur lequel sont greffés des segments latéraux polv(N-isopropyl acrylamide) ATBS-g-NIPAM.
(1 ) Préparation d'un télomère polv(N-isopropyl acrylamide)
On dissout dans un réacteur thermostaté, 435g de N-isopropyl acrylamide (NIPAM) dans un mélange tertio-butanol-eau (50/50 en volume) jusqu'à atteindre 1 .000g, que l'on agite sous barbotage d'azote pendant environ 1 heure et demi. On ajoute ensuite du chlorhydrate de 2-amino éthanethiol (AET.HCI) dans un rapport molaire NIPAM/AET.HCI déterminé d'environ 48/1 . La polymérisation est initiée avec du peroxyde de dilauroyie en portant la température à 60°C, puis on laisse le milieu réactionnel sous agitation et barbotage d'azote pendant encore 2 heures. On obtient un mélange réactionnel final blanc et pâteux
(2) Préparation du macromonomère
On ajoute au milieu réactionnel obtenu à l'étape (1 ) maintenu à une température de 10 °C, une solution de potasse (0,16N), dans le tertio-butanol, et du chlorure d'arcryloyle en maintenant le pH autou r de 9. En fin de réaction, la teneur en macromonomère de NIPAM est 17,8% massique et la teneur en eau de 10,7% massique.
(3) Synthèse du copolymère
On dilue 61 ,8 g du milieu réactionnel obtenu à l'étape (2) dans 170g de tertio- butanol dans le réacteur thermostaté à 15°C; On y ajoute 77g du sel d'ammonium de l'acide 2-acrylamido 2-méthyl propanesulfonique, puis 0,44g de triacrylate de triméthylol propane. La polymérisation est amorcée avec du peroxyde de dilauroyie et le milieu est laissé sous agitation pendant quatre heures en maintenant la température à 60°C.
Le polymère qui a précipité lors de la polymérisation est récupéré par filtration.
Après séchage on obtient le copolymère recherché sous forme de poudre.
On constate qu'une solution à 1 % massique du polymère dans l'eau est légèrement visqueuse. Après chauffage jusqu'à 80°C, il y a formation d'un gel qui est caractéristique d'un polymère thermo-épaississant.
Claims
1 . Procédé de préparation d'un copolymère en peigne dont le squelette est du type acide 2-acrylamido 2-méthyl propanesulfonique, sur lequel sont greffés des segments latéraux poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N,N-dialkyl acrylamide), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :
- Une étape (a) de réaction d'un composé de formule (II) :
CH2=C(R2)-C(=0)-N(R3)(R4) (II),
dans laquelle R2 représente un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, R3 un atome d'hydrogène ou un radical alkyle linéaire ou ramifié comportant de 1 à 4 atomes de carbone et R4, identique ou différent de R3, représente un radical alkyle linéaire ou ramifié comportant de 1 à 4 atomes de carbone, avec un composé limiteur de chaîne de formule (III) :
dans laquelle Ri représente un radical divalent comportant de 1 à 4 atomes de carbone, et Z représente une fonction susceptible de jouer le rôle d'agent de transfert de radicaux, en présence d'un initiateur de polymérisation, dans un mélange tertio-butanol-eau, pour obtenir un télomère poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N,N-dialkyl acrylamide), de formule (I) :
H2N-R Z-{CH2-C(R2)[C(=0)N(R3)(R4)]-}n-H (I) dans laquelle n représente un nombre entier supérieur ou égal à 2 et inférieur ou égal à 100, Z représente une fonction susceptible de jouer le rôle d'agent de transfert de radicaux, optionnellement
- Une étape (b) d'isolation et/ou de séchage dudit télomère de formule (I) obtenu à l'étape (a) ;
- Une étape (c) de réaction dans le tertio-butanol du télomère de formule (I) obtenu à l'étape (a), ou optionnellement à l'étape (b), avec un chlorure d'acide de formule (IV) :
CH2=C(R5)-C(=0)-CI (IV)
dans laquelle R5 représente un atome d'hydrogène ou un radical méthyle et dans un rapport molaire (IV) / (III) inférieur ou égal à 10 et supérieur ou égal à 1 tout en maintenant le pH du milieu réactionnel à une valeur comprise entre 8 et 10, pour obtenir une solution du macromonomère de formule (V):
CH2=C(R5)-C(=0)NH-R1-Z-{CH2-C(R2)[C(=0)N(R3)(R4)]-}n-H (V) optionnellement
- Une étape (d) d'isolation et/ou de séchage dudit macromonomère de formule (V) obtenu à l'étape (c) ;
- Une étape (e) de copolymérisation dans le tertio-butanol, du macromonomère de formule (V) issu de l'étape (c) ou de l'étape (d), avec le sel d'ammonium de l'acide 2- acrylamido 2-méthyl propanesulfonique et si désiré ;
- Une étape (f) de purification du copolymère peigne obtenu à l'étape (e).
2. Procédé tel que défini à la revendication 1 , pour lequel dans la formule (II), R2 et R3 représentent chacun un atome d'hydrogène, et R4 représente un radical isopropyle.
3. Copolymère en peigne dont le squelette est du type acide 2-acrylamido 2- méthyl propanesulfonique, sur lequel sont greffés des segments latéraux poly(N-alkyl acrylamide) ou poly(N ,N-dialkyl acrylamide), lesdits segments latéraux étant choisis parmi les segments latéraux suivants :
- Segments latéraux poly(N-méthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-éthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-propyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-isopropyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly[N-(2-hydroxy éthyl) méthacrylamide],
- Segments latéraux poly(N,N-diméthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N,N-diéthyl méthacrylamide),
- Segments latéraux poly(N-méthyl acrylamide),
- Segments latéraux poly(N-éthyl acrylamide),
- Segments latéraux poly(N-propyl acrylamide),
- Segments latéraux poly(N-isopropyl acrylamide),
- Segments latéraux poly[N-(2-hydroxy éthyl) acrylamide],
- Segments latéraux poly(N,N-diméthyl acrylamide) et
- Segments latéraux poly(N,N-diéthyl acrylamide).
4. Copolymère en peigne tel que défini à la revendication 3, dans lequel lesdits segments latéraux sont choisis parmi les segments latéraux suivants :
- Segments latéraux poly(N-isopropyl acrylamide),
- Segments latéraux poly[N-(2-hydroxy éthyl) acrylamide],
- Segments latéraux poly(N,N-diméthyl acrylamide) et
- Segments latéraux poly(N,N-diéthyl acrylamide).
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