La présente invention concerne un polyamide comprenant des chaînes macromoléculaires de structure chimique différente, et un procédé de fabrication de celui-ci ainsi que des compositions le contenant..

Elle se rapporte plus particulièrement à un polyamide constitué par des unités polymériques présentant une configuration d'étoile, et éventuellement des unités linéaires polymériques.

L'utilisation de polyamides linéaires aliphatiques ou semi-aromatiques comme matière plastique formant la matrice d'une composition destinée à être mis en forme est connue depuis très longtemps. Pour améliorer les propriétés mécaniques de ces matières plastiques, ces compositions comprennent des charges sous forme de poudre ou de fibres, telles que par exemple des fibres de verre. Toutefois, ces charges provoquent une augmentation de la viscosité de la composition en milieu fondu, ou plus généralement limitent la vitesse d'écoulement de la composition quand celle-ci est injectée dans un moule. Pour obtenir un remplissage correct des moules ou une cadence de moulage rapide, il est nécessaire de limiter la quantité de charge dans la composition. Ainsi, les concentrations maximales admissibles sont généralement voisines de 40 % en poids.

Cet écoulement lent ou difficile des compositions chargées ou non a également comme conséquence un mauvais aspect de surface des pièces moulées. En effet, les charges telles que les fibres sont visibles en surface de la pièce. Pour remédier à ce problème, il a été proposé d'ajouter un polymère amorphe ou présentant une cinétique de cristallisation plus lente, à la matrice semi-cristalline, notamment quand cette dernière est un polyadipamide d'hexaméthylène.

II a également été proposé d'utiliser des polymères à faible poids moléculaire pour ainsi améliorer le remplissage des moules, comme par exemple dans le brevet US 5 274 033. Toutefois, les propriétés mécaniques du matériau sont diminuées. Des polyamides présentant une structure étoile obtenus avec des composés polyfonctionnels aromatiques sont décrits dans le brevet US 5346984. Cependant, ces polymères présentent une structure totalement en étoile et ont des poids moléculaires faibles. Ces deux caractéristiques limitent leur utilisation pour la fabrication de pièces moulées ou dans des applications industrielles et techniques car leurs propriétés mécaniques sont insuffisantes.

Un des buts de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un polyamide présentant une fluidité à l'état fondu élevée et des propriétés

mécaniques comparables ou améliorées par rapport à un polyamide linéaire classique Ce polyamide peut être utilisé comme élément ou composant d'une matrice polymérique dans une composition contenant un taux de charge élevé. Une telle composition a une bonne aptitude à être injectée pour la fabrication de pièces moulées.

A cet effet, l'invention propose un polyamide constitué par un mélange de chaînes macromoléculaires de formules I et II suivantes :

R,-p A ^~ X -6- Y ^~ Rf- Zh— R ₃ ^~ I d) m

dans lesquelles :

- Y est le radical | quand X et Z représentent le radical — Ç-

^R 5 o

- Y est le radical — Ç — quand X et Z représentent le radical ^ ^~ o ^R 5

- A est une liaison covalente ou un radical hydrocarboné aliphatique pouvant comprendre des hétéroatomes, et comprenant de 1 à 20 atomes de carbone, de préférence de 1 à 6 atomes de carbone.

- R2 est un radical hydrocarboné aliphatique ou aromatique ramifié ou non comprenant de 2 à 20 atomes de carbone. R3, R4 représentent l'hydrogène ou un radical hydrocarboné comprenant un groupement Ç ou ι o ^R 5

R5 représente l'hydrogène ou un radical hydrocarboné comprenant de 1 à 6 atomes de carbone

- R^ est un radical hydrocarboné comprenant au moins 2 atomes de carbone, linéaire ou cyclique, aromatique ou aliphatique et pouvant comprendre des hétéroatomes.

- m est un nombre entier compris entre 3 et 8 (bornes incluses)

- n est un nombre compris entre 100 et 200 (bornes incluses)

- p est un nombre compris entre 100 et 200 (bornes incluses)

Selon une autre caractéristique préférée de l'invention, quand le radical R-j n'est pas un radical aromatique, le rapport massique entre le poids de chaînes polymériques

FEUILLE RECTIFIEE (REGLE 91) ISA/EP

de formule I et le poids total de chaînes polymériques de formules I et II est compris entre 0,10 et 1 .

Quand R-| représente un radical aromatique, le rapport massique ci-dessus est inférieure à 1 de préférence compris entre 0,1 et 0,9. Selon une caractéristique préférée de l'invention, le radical R2 est un radical pentaméthylénique. Dans ce mode de réalisation le polyamide a une structure type polycaproamide ou PA 6.

Toutefois, d'autres radicaux R2 peuvent être utilisés tels que les radicaux undécaméthylénique qui conduit à un polyamide à structure type PA 12. II est également possible d'obtenir des polyamides présentant des radicaux R2 comprenant 8 ou 10 atomes de carbone correspondant respectivement à des polyamides de structure type PA9 et PA11.

Plus généralement, les radicaux R2 qui sont des restes d'aminoacides ou de lactames sont convenables pour la présente invention. Selon encore une autre caractéristique préférée de l'invention, le radical R- _j est soit un radical cycloaliphatique tel que le radical tétravalent de cyclohexanonyle, soit un radical 1,1 ,1-triyle-propane, 1,2,3-triyle-propane triyle .

Comme autres radicaux R- _j convenables pour l'invention on peut citer, à titre d'exemple, les radicaux trivalents de phényle et cyclohexanyle substitués ou non, les radicaux tétravalents de diaminopolyméthylène avec un nombre de groupes méthylène compris avantageusement entre 2 et 12 tels que le radical provenant de l'EDTA

(acide éthylène diamino tétracétique), les radicaux octovalents de cyclohexanonyle ou cyclohexadinonyle, et les radicaux provenant de composés issus de la réaction des polyols tels que glycol, pentaérythritol, sorbitol ou mannitol avec l'acrylonitrile. Le radical A est, de préférence, un radical méthylénique ou polyméthylénique tel que les radicaux éthyie, propyle ou butyle, ou un radical polyoxyalkylènique tel que le radical polyoxyethylènique.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le nombre m est supérieur à 3 et avantageusement égal à 3 ou 4. Ainsi, les chaînes polymériques de formule I définissent un polyamide étoile comprenant des branches polyamides de type PA 6 dans un des modes de réalisation préférés de l'invention, et un noyau central constitué par un noyau cycloaliphatique. Ces chaînes polymériques de formule I sont, dans un des modes préférés de l'invention, en mélange avec des chaînes polyamides linéaires de formule ll. La longueur ou le poids moléculaire des chaînes linéaires de formule II ou des branches du polyamide étoile peut être élevé. Ainsi, le polymère linéaire comme la chaîne de chaque branche du polymère étoile présente un Mn avantageusement supérieur à 10 000.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du polyamide décrit ci-dessus. Ce procédé de fabrication consiste à réaliser une polycondensation d'un aminoacide ou d'un lactame de formules III et IV suivantes :

HOOC — R^ NI-L (HI)

. CO

(IV)

^' NH

en présence d'un composé polyfonctionnel de formule V

dans lesquelles les symboles R-|, R2, A, X et m ont les significations indiquées précédemment.

Selon l'invention, cette polycondensation est réalisée en présence d'un initiateur de polycondensation. La fonction réactive du composé multifonctionnel représentée par le symbole X-H est une fonction capable de former une fonction amide.

A titre d'exemple de composés polyfonctionnels de formule V, on peut citer le composé 2,2,6,6-tétra-(β-carboxyéthyl)cyclohexanone, le composé diaminopropane - N,N, te :

ou les composés provenant de la réaction du trimethylol propane ou du glycérol avec l'oxyde de propylène et amination des groupes hydroxydes terminaux, ces derniers composés sont commercialisés sous le nom commercial JEFFAMINES T® par la société HUNTSMAN, et ont comme formule générale :

A — NH ₂

R,— A-NH ₂

\ A — NH ₂

Dans laquelle :

-R-l représente un radical 1 ,1 ,1-triyle propane, ou 1 ,2,3-triyle propane, - A représente un radical polyoxyéthylénique.

les initiateurs de polycondensation sont ceux classiquement utilisés dans la synthèse des polyamides par polycondensation d'un lactame ou d'un aminoacide, tel que la synthèse du polycaproamide. A titre d'exemple, on peut citer l'eau, les acides minéraux ou carboxyliques ou les aminés primaires comme initiateur de polycondensation.

Ce composé est ajouté avantageusement pour obtenir une concentration pondérale comprise entre 0,5 et 5 % en poids par rapport au mélange total.

La polycondensation est réalisée selon les conditions opératoires classiques de polycondensation des aminoacides ou lactames de formule III ou IV, quand celle-ci est réalisée en absence du composé multifonctionnel de formule V.

Ainsi, le procédé de polycondensation comprend brièvement :

• un chauffage sous agitation et sous pression du mélange des monomères (composés de formule III et/ou IV) et du composé de formule V avec l'initiateur (généralement de l'eau),

• Maintien du mélange à cette température pendant une durée déterminée, puis décompression et maintien sous un courant de gaz inerte (par exemple de l'azote) pendant une durée déterminée à une température supérieure au point de fusion du mélange pour ainsi continuer la polycondensation par élimination de l'eau formée. Selon le procédé de l'invention, la durée du maintien sous gaz inerte, ou en d'autres termes de finissage de la polycondensation permet de déterminer et contrôler la concentration en chaînes polymériques de formule I dans le mélange polyamide. Ainsi, plus le temps de maintien sera long plus la concentration en chaînes polymériques de formule I sera élevée. II est également évident que la concentration en chaînes polymériques de formule I ou polyamide étoile est fonction de la quantité de composé multifonctionnel de formule V ajoutée dans le mélange.

II est également possible, sans pour cela sortir du cadre de l'invention, d'ajouter au mélange de polycondensation d'autres monomères comprenant des fonctions susceptibles de former des fonctions amides pour ainsi obtenir des copolyamides ou polyamides modifiés.

Toutefois, quand ces monomères sont des diacides ou diamines, ils ne pourront être ajoutés qu'en faible quantité avantageusement à une concentration pondérale inférieure à 20 % par rapport au mélange total.

En sortie de polycondensation, le polymère est refroidi avantageusement par de l'eau, et extrudé sous forme de jonc. Ces joncs sont coupés pour produire des granulés.

Pour éliminer les monomères non polycondensés, notamment dans le cas où un des monomères est du caprolactame, les granulés sont lavés à l'eau puis séchés sous vide.

Le polymère obtenu peut être mis en forme selon les techniques habituelles de moulage, extrusion, filage pour produire des pièces moulées, films, fils.

Avantageusement, le polyamide de l'invention est utilisé comme élément ou composant d'une matrice en matière thermoplastique d'une composition destinée à être mise en forme pour la fabrication de pièces moulées.

Une telle composition est également un objet de l'invention. Selon l'invention, la composition comprend une matrice poiymérique, avantageusement en matière thermoplastique et des charges modifiant les propriétés de la matrice telles que ses propriétés mécaniques, d'ignifugation, de conductivité thermique, électrique ou magnétique, ou analogues. Comme exemples de charges usuelles, on peut citer les charges de renfort ou charges de remplissage. Selon l'invention, la matrice poiymérique comprend comme constituant unique ou non le polyamide conforme à l'invention.

Comme le polyamide conforme à l'invention présente un indice de fluidité à l'état fondu plus élevé que les polyamides linéaires connus, pour des masses moléculaires et des propriétés mécaniques similaires, la composition chargée peut être injectée plus facilement dans un moule , c'est-à-dire à des cadences plus élevées. Elle permet également d'obtenir un remplissage plus homogène et complet des moules, notamment quand ceux-ci ont une forme complexe.

Le polyamide de l'invention permet également de réaliser des compositions contenant un taux de charges élevé pouvant être égal jusqu'à 80 % en poids par rapport à la composition totale.

Une telle composition peut être injectée grâce à l'indice élevé de fluidité à l'état fondu du polyamide de l'invention. Les propriétés mécaniques de cette composition sont élevées car elles sont généralement améliorées quand le taux de charge augmente.

Comme charges de remplissage ou de renfort convenables pour l'invention, on peut citer les charges utilisées habituellement pour renforcer les compositions en matière poiymérique, telles que les charges fibreuses comprenant les fibres minérales telles que, par exemple, les fibres de verre, les fibres de carbone, les fibres de

céramique, les fibres en matière synthétique telles que les fibres en polyaramides, les charges en poudre comme le talc, la montmorillonite, le kaolin par exemple.

Des charges en poudre sont également utilisées pour améliorer l'ignifugation de la composition. De telles charges sont par exemple, des composés métalliques tels que l'hydroxyde de magnésium ou l'hydroxyde d'aluminium.

Les fibres de verre sont la charge de renfort préférée de l'invention. Selon une autre caractéristique préférée de l'invention la matrice poiymérique de la composition est constituée par un mélange du polyamide selon l'invention avec un ou plusieurs autres polymères, de préférence polyamides ou copolyamides. Comme autres polymères préférés de l'invention, on peut citer les polyamides semicristallins ou amorphes, tels que les polyamides aliphatiques, polyamides semi- aromatiques et plus généralement, les polyamides linéaires obtenus par polycondensation entre un diacide saturé aliphatique ou aromatique, et une diamine primaire saturée aromatique ou aliphatique, un lactame, un aminoacide ou un mélange de ces différents monomères.

A titre d'exemple, on peut citer comme autre polymères le polyadipamide d'hexaméthylène, les polyphtalamides obtenus à partir d'acide téréphtalique et/ou isophtalique tels que le polyamide commercialisé sous le nom commercial AMODEL, les copolyamides obtenus à partir d'acide adipique, d'hexaméthylène diamine et de caprolactame.

Dans ce mode de réalisation, la concentration pondérale en polyamide selon l'invention dans la matrice peut varier dans un domaine large et est avantageusement comprise entre 30 et 80 % de la masse totale de matrice poiymérique.

II est également avantageux, notamment dans ce cas, que le rapport massique en polyamide étoile (formule I) dans le polyamide de l'invention soit supérieur à 0,8, de préférence compris entre 0,9 et 1.

Les compositions de l'invention peuvent comprendre également tous les additifs usuels tels que ignifugeants, stabilisants chaleur et lumière, cires, pigments ou analogues. De telles compositions sont utilisées pour réaliser des pièces moulées pour l'industrie automobile, des composants électriques, des accessoires pour différentes activités telles que les activités sportives, par exemple.

D'autres détails, avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au vu des exemples donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif et d'illustration.

Exemple 1 - Synthèse d'un polyamide conforme à l'invention

La polymérisation est réalisée dans un autoclave chauffé et comprenant des moyens d'agitation.

4444 g de caprolactame et 136 g de 2,2,6,6-tétra-(β-carboxyéthyl)cyclohexanone sont ajoutés dans l'autoclave avec 160 g d'eau distillée

Le composé de cyclohexanone et son procédé de synthèse sont décrits dans l'article "The Chemistry of Acrylonitπle II - Reactions with Ketones" JACS 64 2850 (1942) de Herman Alexander Buison et Thomas W Riener

Le mélange, mis sous agitation, est chauffé à une température de 265°C sous 6 bars

II est maintenu à cette température et pression pendant 2 heures

La pression est ensuite diminuée, puis un balayage de l'autoclave par l'azote est réalisé pendant des durées variables, tout en maintenant la température à 265°C

La concentration en polymère étoile de formule I est déterminée pour chaque durée de balayage

Cette concentration est déterminée par la méthode mise au point par FARINA et al. et décrite dans le compte rendu de la 4° Convention Italienne sur la Science de la Macromolécule

En résumé, cette méthode consiste à calculer le rapport massique de polymère étoile dans le mélange par détermination de la concentration en groupes terminaux

Mw aminés et/ou acides et calcul de l'indice de polymoleculaπté D qui est égal a

Mn

En effet, d'après un article de W SWEENY et J ZIMERMAN publié dans "ENCYCLOPEDIA OF POLYMER SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol 10 pp194, l'équation classique du calcul de l'indice D pour un mélange de polymères est

dans laquelle

^X W1 représente la fraction en poids du polymère de poids moléculaire en nombre Mn -\ et d'indice de polymoléculaπté D-| Cette équation convient également très bien pour les composes polymériques contenant un composant multifonctionnel En fait, si on a un mélange de polymère linéaire de fonctionnalité (f) égale à 2 et de polymère étoile de fonctionnalité (f) supérieure à 2 on peut faire les hypothèses suivantes

- le mélange est composé uniquement de chaînes totalement linéaires et de chaînes totalement de type étoile.

- la longueur des chaînes linéaires est égale à celle d'une branche du polymère étoile. Selon ces hypothèses, l'équation (1) a été transformée par M. FARINA en une équation (2) suivante :

° = ² - ^f- ² *L ^» " ^'1) , " ^{'2) X} W2 ⁽²⁾

avec : M _n 2 = f ^• Mn1 , D1 = 2 , D2 = 1 +-γ Avec une telle équation il est possible de calculer la relation entre D et la fraction en poids de X _{W 2} de polymère étoile dans le mélange poiymérique. Cette relation est une fonction du coefficient de fonctionnalité (f) du composé multifonctionnel comme représentée dans la figure 1 annexée.

L'équation (2) peut être transformée en introduisant des paramètres expérimentaux tels que la concentration molaire Co du composé multifonctionnel et la concentration exprimée en milliéquivalent par kilogramme des fonctions terminales N1H2 et COOH :

_D = 2 - f (M) ² ( ^V f C ^C o ⁰ +rpκ,u ^H - ₂ ι]) ^{/2 + (f"1 ) (f"2)} , f C ^C o°-+JJIN. _M HΠjJ Ainsi, il est aisé de calculer D et d'autres paramètres importants tels que :

Le polymère fondu est ensuite extrudé sous forme de jonc puis refroidi rapidement à l'eau et découpé en granulés.

Ces granulés sont lavés avec de l'eau distillée pendant environ 16 heures pour éliminer le caprolactame non polymérisé et séché à 100°C sous vide pendant 48 heures.

Différents polymères ont été fabriqués avec des taux de polyamide étoile variables.

Les conditions d'obtention et les caractéristiques de ces polymères sont rassemblées dans le tableau I ci-dessous.

Tableau I

Les propnétés rheologiques et mécaniques de ces polymères sont rassemblées dans le tableau II ci-dessous

Tableau II

(1 ) Viscosité relative mesurée à partir d une solution à 1 % de polymère dans H ₂ S0 ₄ à 96% (2) Indice de fluidité (MFI) déterminé selon la norme ASTM D1238

Ces résultats montrent clairement que pour des masses moléculaires équivalentes, l'indice de fluidité en milieu fondu augmente de manière drastique quand la concentration en composé multifonctionnel atteint environ 0,50 %.

Exemple 2 : Compositions chargées

Des compositions comprenant une matrice en polyamide sont chargées avec des fibres de verre par mélange à l'état fondu en extrudeuse bi-vis type WERNER et PFLEIDERER ZSK 40. Ainsi des compositions contenant 50 % en poids de fibres de verre sont réalisées respectivement avec un PA 6 classique, ou un polyamide conforme à l'invention présentant un rapport massique en polymère étoile égal soit à 0,78, soit à 0,98.

Les paramètres de réalisation du mélange et de l'extrusion sont rassemblés dans le tableau III suivant : Tableau III

Les propriétés de ces compositions sont rassemblées dans le tableau IV ci-après

Tableau IV

(1 ) mesurée selon la norme ASTM 0648 sous une charge de 1 ,82 N/mm ² (2) Ce test consiste à injecter la composition dans un moule en forme de spirale d'épaisseur 1 mm et de largeur 40 mm sous une presse 8ATTENFELD de 180 tonnes à une température de 270°C, une température de moule de 80°C et une pression d'injection de 80 Kg/cm ² La durée d'injection est de 1 ,5 secondes Le résultat du test est déterminé par la longueur de moule remplie correctement par la composition

De même, une composition comprenant 60 % en poids de fibres de verre et comme matrice un polyamide de type PA6 avec un rapport massique en polymère étoile égal à 0,78 est préparée selon le procédé décrit précédemment avec des conditions de mélange et extrusion suivantes -Température . 250 °C

-Vitesse de rotation de la vis : 260 tours par mm -Débit de la composition . 40 Kg/h

Les propriétés de cette composition sont indiquées dans le tableau V ci-dessous en comparaison avec une composition comprenant 60% en poids de fibres de verre et comme matπce un polyamide PA6 linéaire avec poids moléculaire identique

Tableau V

Exemple 3 : Synthèse d'un deuxième type polymère conforme à l'invention

Selon un mode opératoire identique à celui de l'exemple 1 un polyamide conforme à l'invention est fabriqué à partir d'un mélange de monomères suivant : - 4444 g de caprolactame - 54 g de 1,3 diaminopropane - N,N,N',N' acide tétraacétique

- 160 g d'eau distillée Les propriétés du polymère (G) obtenu sont rassemblées dans le tableau VI ci- dessous.

Exemple 4 : Synthèse d'un troisième type polymère conforme à l'invention

Selon un mode opératoire identique à celui de l'exemple 1 un polyamide conforme à l'invention est fabriqué à partir d'un mélange de monomères suivant : . 4444 g de caprolactame

- 71 g de JEFFAMINES T 403 commercialisée par la société HUNTSMAN - 160 g d'eau distillée

Les propriétés du polymère (H) obtenu sont rassemblées dans le tableau VI ci- dessous.

Un polymère (J) a été fabriqué avec les mêmes composés de l'exemple ci-dessus mais en utilisant 142 g de JEFFAMINES au lieu de 71 g. Les propriétés de ce polymère sont rassemblées dans le tableau VI.

A titre d'exemple comparatif, un polymère de type polyamide classique a été réalisé dans les mêmes conditions mais en utilisant comme monomères uniquement un mélange contenant 4444 g de caprolactame et 160 g d'eau. Les propriétés de ce polymère 2 sont indiquées dans le tableau VI.

Tableau VI

(1 ) Viscosité relative mesurée à partir d'une solution à 1 % de polymère dans H ₂ S0 ₄ à 96% (2) Indice de fluidité (MFI) déterminé selon la norme ASTM D1238

Exemple 5 : Compositions chargées

Des compositions ont été préparées par extrusion avec une extrudeuse WERNER ZSK 40 à une température de 250°C d'un mélange comprenant comme matrice poiymérique un polymère préparé aux exemples 3 et 4 et, 50 % en poids par rapport à la masse de la composition totale de fibres de verre.

Les propriétés de ces compositions sont rassemblées dans le tableau VII ci- dessous :

Tableau VII

(1) mesurée selon la norme ASTM D648 sous une charge de 1 ,82 N/mm ²

(2) Ce test consiste à injecter la composition dans un moule en forme de spirale d'épaisseur 1mm et de largeur 40 mm sous une presse ΘATTENFELD de 180 tonnes à une température de 270 ^* C, une température de moule de 80*C et une pression d'injection de 80 Kg/cm ² . La durée d'injection est de 1 ,5 secondes. Le résultat du test est déterminé par la longueur de moule remplie correctement par la composition.