TITRE : Polymérisation en suspension des alcoxyamines avec des monomères styréniques et (meth) acryliques.

La présente invention concerne un procédé de polymérisation en suspension des alcoxyamines avec des monomères styréniques et (meth)acryliques, les perles et compositions ainsi obtenues, ainsi que l’utilisation de ces perles et compositions.

La recherche de procédés conduisant à des matériaux toujours plus performants est nécessaire pour améliorer certaines de leurs propriétés.

Les copolymères à blocs sont des polymères dont la fabrication est difficile, mais ils présentent des avantages du fait même de leur structure en blocs, ce qui autorise l’établissement et l’ajustement de morphologies à l’échelle nanométrique. Leurs comportements physiques tel que mécanique, optique par exemple, et chimiques tels que leur résistance aux agents chimiques sont supérieurs aux homopolymères ou copolymères statistiques.

Certains procédés de synthèse permettent ou non de combiner ces comportements physiques et chimiques en propriétés ciblées.

Les chimies et procédés de synthèse utilisés pour les fabriquer peuvent être les polymérisations ionique, radicalaires contrôlée, condensation, opérés en masse, solvant, émulsion et suspension. Selon le cas la dispersité des copolymères à blocs obtenus peut s’approcher de 1. Dans le cadre de la présente invention la demanderesse s’intéresse aux compositions de copolymères à blocs (meth)acryliques et / ou styréniques préparés par la polymérisation radicalaire contrôlée des nitroxides (Nitroxide mediated polymerization, NMP) mettant en jeux des alcoxyamines, et plus particulièrement aux compositions de copolymères à blocs présentant au moins un bloc mou au sein des copolymères à blocs, c’est-à-dire présentant une Tg mesurée par DSC inférieure à 0°C et au moinsun bloc dur au sein des i copolymeres a blocs, c’est-a-dire présentant une Tg mesuree par DSC supérieure à 20 °C.

En NMP, on fait appel aux alcoxyamines qui en mettant en équilibre les radicaux avec un nitroxide libéré à une certaine température permettent de contrôler la polymérisation des blocs. On décrit cette technologie par exemple dans l’article de Nicolas J. et al, Progress in Polymer Science 38 (2013) 63- 235. Avec la chimie des alcoxyamines, la dispersité des copolymères à bloc peut varie de 1.2 à 2 selon la conversion à laquelle la polymérisation est conduite.

Pour éviter trop de dérive de la dispersité du copolymère à blocs obtenu, il faut parfois limiter la conversion. Il en résulte des monomères non convertis qu’il faut éliminer.

Par exemple pour préparer un copolymère di-bloc une alcoxyamine monofonctionnelle est mise en réaction dans un réacteur en présence d’un premier monomère ou groupe de monomères M1 dans un solvant ou non jusqu’à une conversion d’environ 70 %, puis on élimine les monomères M1 restant par évaporation généralement. La macro-alcoxyamine obtenue est ensuite mise en présence d’un deuxième monomère ou groupe de monomères M2 pour former le second bloc et suis le même processus de conversion/élimination de M2. On obtient alors un copolymère di-bloc PolyMI - PolyM2.

Cette méthode permet d’obtenir des produits avec des propriétés ciblée mais les conditions du procédé pénalisent certaines d’entre elles telles que optiques, ou thermique, sans qu’un lien puisse être fait entre des impuretés ou la nature exacte des copolymères à blocs ainsi fabriqués.

Un deuxième procédé dit émulsion a été tenté, mais le transfert à l’échelle industrielle est compliqué (synthèse, récupération du produit). Un troisième procédé dit suspension semble presenter des avantages quand il s’agit d’obtenir des compositions de copolymères permettant de maximiser certaines propriétés telles que mécaniques, thermiques ou optiques. Les compositions obtenues par ce procédé suspension diffèrent car une partie des monomères se retrouve sous forme d’homopolymère ou de copolymère statistique et non de copolymères à blocs.

La polymérisation en suspension consiste à polymériser le mélange réactionnel au sein de gouttelettes dispersée dans l’eau. On utilise pour cela une bonne agitation dans le réacteur et un agent dit « de suspension », autorisant la préparation de perles, ou billes dont les diamètres peuvent varier voire être ajustés de quelques microns à quelques centaines de microns.

A la différence des procédés masse ou solvant, il n’y a pas de solvant, et la présence d’eau dans le procédé suspension autorise la fabrication de matériaux de qualités optiques bien supérieures. L’utilisation de ces compositions est possible dans des applications où la qualité optique est recherchée quand des produits issus de la polymérisation en masse ou dans un solvant ne donne pas cette possibilité. Par ailleurs, les produits issus de ce procédé s’avèrent plus stables thermiquement dans le cadre de la présente invention.

A la différence d’un procédé masse ou solvant, stopper la conversion pour limiter la dérive de la dispersité n’est pas possible ou complexe à mettre en oeuvre dans un procédé suspension.

Lors de la synthèse du premier bloc Poly M1 , la conversion est maximisée quitte à subir une dérive de dispersité du bloc obtenu.

Dans la deuxième étape conversion du deuxième monomère ou groupe de monomères il convient de bien choisir les différents agents chimiques permettant la bonne conversion des monomères M2 en blocs de polymères en cherchant à minimiser les défauts qui peuvent apparaitre en extrémités de chaînes des copolymères obtenus. Dans Chemical Engineering Journal 316 (2017) 655-662, Ballard et al exposent la polymérisation en suspension de monomères méthacryliques en présence d’alcoxyamines.

Ce procédé en suspension utilise comme alcoxyamine la structure 3-(((2- cyanopropan-2-yl)oxy)(cyclohexyl)amino)-2,2-dimethyl-3 phenylpropanenitrile.

Elle permet la polymérisation radicalaire contrôlée des méthacrylates, mais s’agissant des acrylates, des conversions inférieures à 50 % sont observées car les acrylates donnent lieu à des réactions secondaires (Simula A. et al, European Polymer Journal 1 10 (2019) 319-329). Or l’introduction des acrylates dans les copolymères à blocs est intéressante car elle permet l’utilisation de monomères conduisant à des blocs de très basses Tg contrairement aux méthacrylates. Ainsi avec l’acrylate de butyle ou de 2 éthyle hexyle, des Tg très inférieures à -20 °C sont observées. Cela permet d’obtenir des matériaux qui présentent de bonnes résistance aux chocs.

Dans la présente invention la demanderesse s’intéresse à une famille d’alcoxyamine différente qui permet de polymériser de façon contrôlée les acrylates et /ou styréniques. Dans le cadre de l’invention, un premier bloc est préparé à l’aide de monomères acrylates et/ou styréniques, les autres blocs étant constitués de bloc constitués d’entités méthacrylates et/ou styréniques.

Lors de cette deuxième étape qui ne suis pas un processus contrôlé avec cette famille d’alcoxyamines, la demanderesse a cherché des conditions qui permettent une bonne conversion des méthacrylates tout en minimisant les réactions dites de disproportionation qui leur sont propres.

Ainsi, si la première étape suit un processus classique de conversion du premier bloc selon un processus contrôlé, la deuxième étape conduite principalement avec des méthacrylates se fait de façon non contrôlée car c’est une caractéristique de cette famille d’alcoxyamines utilisée dans le cadre de l’invention. De façon inattendue, la presence d’un mercaptan des le debut de cette deuxième étape ne contrarie pas le processus de polymérisation à partir du bloc Poly M1 , la synthèse du copolymère à blocs a bien lieu et des entités statistiques sont conjointement synthétisées La conversion est accélérée quand on la compare à des produits obtenus sans présence de mercaptan (figure 1 ). Les produits obtenus en présence de mercaptan lors de la deuxième étape sont bien plus stables thermiquement comme on peut le vérifier en analyse thermogravimétrique.

Dans la présente invention la demanderesse montre qu’il est possible de convertir jusqu’à 90 et même 95 % des monomères au sein du processus issu de la synthèse des différents blocs.

Les faibles proportions de monomères non convertis sont polymérisées à l’aide d’un amorceur soluble dans l’eau à la fin de la deuxième étape. Un tensio actif peut être ajouté dès la première étape. Ainsi, la demanderesse a pu vérifier que le polymère issu de ces faibles proportions de monomère vient s’agréger à la surface des perles produites, formant une coquille, facilitant le traitement aval de séparation et de séchage, problème que l’on rencontre lorsque l’amorceur soluble dans l’eau n’est pas présent.

Une autre difficulté apparait lors de l’utilisation des procédés masse ou solvant. Les copolymères obtenus présentent une viscosité élevée, ce qui complique les étapes de transformation, dans une extrudeuse ou une presse à injecter par exemple. A masse moléculaire équivalente, les compositions de l’invention présentent une meilleure fluidité que les produits obtenus avec un procédé masse.

Avec le procédé de l’invention on obtient donc une composition de copolymère à bloc et de polymère issus du processus radicalaire lié à la présence du mercaptan. Cette composition présente des caractéristiques d’enchainement des monomères ou seins des copolymères différents de celles obtenues à l’aides des autres procédés car les rapports de réactivité des monomères dans un procédé suspension sont differents (voir en particulier P. J. Dowding, B. Vincent : Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 161 (2000) 263-264. Ces compositions moins bien définies en structure que les copolymères à blocs issus du procédé masse sont donc nouvelles. Elles s’avèrent néanmoins performantes en présentant des propriétés optiques supérieures et de meilleures stabilités thermiques.

Ces nouvelles compositions de copolymères obtenues à l’aide du procédé de l’invention permettent des utilisations dans les applications nécessitant des qualités optiques, de la résistance thermique, des conditions de transformation aisées ou des performances mécaniques optimales. Elles sont utilisables en impression tridimensionnelle par frittage des perles.

Résumé de l’invention :

L’invention concerne un procédé de polymérisation en suspension de monomères (meth)acryliques et / ou styréniques pour obtenir des perles d’une composition comprenant au moins un copolymère à blocs comprenant les deux étapes de synthèses successives suivantes :

Etape 1 :

Dans un réacteur agité comprenant de l’eau, 0,5 à 4% massique d’un agent de suspension et de 0 à 10000 ppm d’un tensio-actif constituant la phase aqueuse, on introduit une phase organique constituée d’au moins une alcoxyamine et d’au moins un monomère acrylique et/ou styrénique avec un rapport molaire nitroxyde/ monomère compris entre 1/50 et 1/1000 et un rapport massique phase aqueuse/phase organique compris entre 3 et 10, la dite alcoxyamine étant porteuse d’au moins un nitroxide répondant à la formule suivante : [Chem 1 ]

Ra et Rb désignant des groupements alkyles identiques ou différents possédant de 1 à 40 atomes de carbone, éventuellement reliés entre eux de façon à former un cycle et éventuellement substitués par des groupements hydroxy, alcoxy ou amino,

RL désignant un groupement monovalent de masse molaire supérieur à 15.42 g/mol Ra et Rb désignant des groupements alkyles identiques ou différents possédant de 1 à 40 atomes de carbone, éventuellement reliés entre eux de façon à former un cycle et éventuellement substitués par des groupements hydroxy, alcoxy ou amino,

RL désignant un groupement monovalent de masse molaire supérieur à 15,42 g/mol.

Polymérisation monomères en suspension jusqu’à taux de conversion massique minimum de 80% à une température comprise entre 15°C et 140 °C. Etape 2 :

-Introduction dans la suspension polymérisée précédente d’au moins un monomère méthacrylique et /ou styrénique et au moins un mercaptan avec un rapport molaire mercaptan / nitroxyde compris entre 2/1000 et 8/1000 et avec un rapport massique des monomères (acryliques et /ou styréniques) / monomères méthacryliques et / ou styérinque compris entre 25/75 et 70/30. -Polymérisation sous agitation des monomères jusqu’ à un taux de conversion minimum 95 % à une température comprise entre 15° Cet 140 °C.

-Introduction d’un amorceur soluble dans la phase aqueuse pour achever la polymérisation jusqu’à un taux de conversion massique minimum de 99% avec un taux compris entre 0,1 et 2% par rapport à la masse de phase organique totale.

-Filtration, lavage puis séchage des perles. Description detaillee :

L’invention concerne la polymérisation en suspension de monomères et d’alcoxyamines porteuses d’un nitroxyde dont la formule générale (1 ) est la suivante:

[Chem 2]

Ra et Rb désignant des groupements alkyles identiques ou différents possédant de 1 à 40 atomes de carbone, éventuellement reliés entre eux de façon à former un cycle et éventuellement substitués par des groupements hydroxy, alcoxy ou amino, RL désignant un groupement monovalent de masse molaire supérieur à 15.42 g/mol, de préférence supérieur à 30 g/mol. Le groupement RL peut par exemple avoir une masse molaire comprise entre 40 et 450 g/mol. Il s’agit de préférence d’un groupement phosphoré de formule générale suivante :

[Chem 3] x

/P —

Y ^z dans laquelle X et Y, pouvant être identiques ou différents, peuvent être choisis parmi les radicaux alkyle, cycloalkyle, alkoxyle, aryloxyle, aryle, aralkyloxyle, perfluoroalkyle, aralkyle et peuvent comprendre de 1 à 20 atomes de carbone ; X et/ou Y peuvent également être un atome d’halogène comme un atome de chlore, de brome ou de fluor.

De manière avantageuse, RL est un groupement phosphonate de formule : [Chem 4] dans lequel Rc et Rd sont deux groupements alkyles identiques ou différents, éventuellement reliés de manière à former un cycle, comprenant de 1 à 40 atomes de carbone, éventuellement substitués ou non.

Le groupement RL peut également comprendre au moins un cycle aromatique tel que le radical phényle ou le radical naphtyle, substitué par exemple par un ou plusieurs radical(aux) alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone.

Les nitroxydes de formule 1 sont préférés car ils permettent d’obtenir un bon contrôle de la polymérisation radicalaire des monomères (méth)acryliques comme cela est enseigné dans WO 03/062293. Les alcoxyamines (2) de formule suivante ayant un nitroxyde de formule (1 ) sont donc préférées :

[Chem 5] dans laquelle :

Z désigne un groupement multivalent ;

A titre d’exemple de nitroxyde de formule (1 ) pouvant être porté par l’alcoxyamine (2), on peut citer :

- le N-tertiobutyl-1 -phényl-2-méthylpropyl nitroxyde,

- le N-(2-hydroxyméthylpropyl)-1 -phényl-2-méthylpropyl nitroxyde, - le N-tertiobutyl-1 -dibenzylphosphono-2,2-dimethyl-propyl nitroxyde

- le N-tertiobutyl- 1 -di(2,2,2-trifluoroéthyl)phosphono-2,2-diméthylpropyl- nitroxyde,

- le N-tertiobutyl [( 1 -diéthylphosphono)-2-méthylpropyl]nitroxyde,

- le N-(1 - méthyléthyl)- 1 -cyclohexyl-1 -(diéthyl-phosphono)nitroxyde,

- le N-(1 -phénylbenzyl)-[(1 -diéthylphosphono)-1 -méthyléthyl]nitroxyde,

- le N-phényl-1 -diéthylphosphono-2,2-diméthylpropylnitroxyde,

- le N-phényl-1 -diéthylphosphono-1 -méthyléthylnitroxyde,

- le N-(1 -phényl2-méthylpropyl)-1 - diéthylphosphonométhyléthylnitroxyde,

- ou encore le nitroxyde de formule

[Chem 6]

- Le nitroxyde de formule (3) est particulièrement préféré :

[Chem 7]

Il s’agit du N-tert-Butyl-1 -diethylphosphono-2, 2- dimethylpropyl Nitroxide.

Les alcoxyamines préférées porteuses de ces nitroxydes sont dérivées de la monomalcoxyamine (4) suivante :

[Chem 8]

Il s’agit de l’acide 2-([tert-butyl[1 -(diethoxyphosphoryl)-2,2- dimethylpropyl]amino]oxy)-2 methylpropionique. Cette alcoxyamine (4) est monofonctionnelle en alcoxyamine et donc en nitroxyde, elle conduit à des compositions de copolymeres diblocs dans le cadre de l’invention constituant une des préférence de l’invention.

Cette alcoxyamine (4) peut être additionnée sur des monomères di, tri ou multifonctionnels pour conduire à des alcoxyamines multifonctionnelles en alcoxyamine et donc en nitroxyde. De telles alcoxyamines multifonctionnelles sont décritent dans EP1526138. Ces alcoxyamines multifonctionnelles (5) constitent une deuxième préférence de l’invention avec une préférence pour les dialcoxyamines (6).

Avec des alkyles en C2-C10 diols diacrylates, on obtient des di-alcoxyamines typiques l’invention ; elle permettent de préparer des compositions de copolymères triblocs. De préférence on préférera les alkyle en C2 à Ce, et de façon encore préférée en C2-C4 ( éthane diol diacrylate, propane diol diacrylate, butane diol diacrylate). Le produit d’addition de l’alcoxyamine (4) sur le butane diol diacrylate est en particulier préféré et conduit à la dialcoxyamine (7) .

D’autres composés di ou multifonctionnels peuvent être utilisés pour préparées les di, tri ou multi aloxyamines utilisables dans le cadre de l’invention, qu’ils soient de type acryliques ou styréniques.

Les monomères utilisés pour la préparation des compositions de copolymères à blocs de l’invention sont choisis dans la liste suivante :

Les monomères de type (méth)acrylique et les monomères vinylaromatiques tels que le styrène ou les styrènes substitués notamment l’alpha- méthylstyrène, les styrènes silylés, les monomères acryliques tels que l'acide acrylique ou ses sels, les acrylates d'alkyle, de cycloalkyle ou d’aryle tels que l'acrylate de méthyle, d'éthyle, de butyle, d’éthylhexyle ou de phényle, les acrylates d’hydroxyalkyle tels que l’acrylate de 2-hydroxyéthyle, les acrylates d’étheralkyle tels que l’acrylate de 2-méthoxyéthyle, les acrylates d’alcoxy- ou aryloxy-polyalkylèneglycol tels que les acrylates de methoxypolyethyleneglycol, les acrylates d’ethoxypolyethyleneglycol, les acrylates de méthoxypolypropylèneglycol, les acrylates de méthoxy- polyéthylèneglycol-polypropylèneglycol ou leurs mélanges, les acrylates d’aminoalkyle tels que l’acrylate de 2-(diméthylamino)éthyle (ADAME), les acrylates fluorés, l’acrylates d’isobornyle, l’acrylate de 4 ter butyl cyclohexyle, les acrylates silylés, les acrylates phosphorés tels que les acrylates de phosphate d’alkylèneglycoljes acrylates de glycidyle, de dicyclopentenyloxyethyle, les monomères méthacryliques comme l'acide méthacrylique ou ses sels, les méthacrylates d'alkyle, de cycloalkyle, d’alcényle ou d’aryle tels que le méthacrylate de méthyle (MAM), de lauryle, de cyclohexyle, d’allyle, de phényle ou de naphtyle, les méthacrylates d’hydroxyalkyle tels que le méthacrylate de 2-hydroxyéthyle ou le méthacrylate de 2-hydroxypropyle, les méthacrylates d’étheralkyle tels que le méthacrylate de 2-éthoxyéthyle, les méthacrylates d’alcoxy- ou aryloxy-polyalkylèneglycol tels que les méthacrylates de méthoxypolyéthylèneglycol, les méthacrylates d’éthoxypolyéthylèneglycol, les méthacrylates de méthoxypolypropylèneglycol, les méthacrylates de méthoxy- polyéthylèneglycol-polypropylèneglycol ou leurs mélanges, les méthacrylates d’aminoalkyle tels que le méthacrylate de 2-(diméthylamino)éthyle (MADAME), les méthacrylates fluorés tels que le méthacrylate de 2,2,2- trifluoroéthyle, les méthacrylates silylés tels que le 3- méthacryloylpropyltriméthylsilane, les méthacrylates phosphorés tels que les méthacrylates de phosphate d’alkylèneglycol, le méthacrylate d’hydroxy- éthylimidazolidone, le méthacrylate d’hydroxy-éthylimidazolidinone, le méthacrylate de 2-(2-oxo-1 -i m idazol idi nyl)éthyle, l'acrylonitrile, l'acrylamide ou les acrylamides substitués, la 4-acryloylmorpholine, le N-méthylolacrylamide, le méthacrylamide ou les méthacrylamides substitués, le N- méthylolméthacrylamide, le chlorure de méthacrylamido-propyltriméthyle ammonium (MAPTAC), les méthacrylates de glycidyle, de dicyclopentenyloxyethyle, l’acide itaconique, l’acide maléique ou ses sels, l’anhydride maléique, les maléates ou hémimaléates d’alkyle ou d’alcoxy- ou aryloxy-polyalkylèneglycol, la vinylpyridine, la vinylpyrrolidinone, les (alcoxy) poly(alkylène glycol) vinyl éther ou divinyl éther, tels que le méthoxy polyethylene glycol) vinyl ether, le polyethylene glycol) divinyl ether, seuls ou en mélange d’au moins deux monomères précités.

De préférence il s’agit d’acrylates et de méthacrylates d’alkyles, l’acrylate de butyle en particulier, l’acrylate de 2-éthyle hexyle, l’acrylate et le méthacrylate d’isobornyle, l’acrylate de 4 ter butyl cyclohexyl, le méthacrylate de méthyle, les acide acryliques et méthacryliques et de façon encore préférée l’acrylate de butyle, le styrène, l’acide méthacrylique, et le méthacrylate de méthyle.

Les monomères acryliques et styréniques sont utilisés pour la synthèse de l’étape 1 dans le cadre du procédé de l’invention, les monomères méthacryliques et styréniques sont utilisés pour la synthèse de l’étape 2 dans le cadre du procédé de l’invention.

Les monomères de l’étape 1 sont de préférence choisis parmi l’acrylate de butyle, l’acrylate de 2-éthyle hexyle et le styrène, seuls ou en combinaison, et les monomères de l’étape 2 sont choisis parmi le méthacrylate de méthyle, l’acide méthacrylique et le styrène, seuls ou en combinaison.

Dans l’étape 1 du procédé de l’invention, le rapport molaire nitroxyde/ monomère est compris entre 1/50 et 1/1000.

S’agissant des mercaptans utilisés dans l’étape 2 du procédé de l’invention, il s’agit de mercaptan de tout type noté R-SH avec R radical alkyle linéaire ou non fonctionnalisé ou non, possédant de 3 à 12 carbone et de préférence de 4 à 8 carbone. On peut citer en particulier le mercaptoéthanol, le mercaptopropanol, le mercaptobutanol, l’acide mercaptoacétique, l’acide mercaptopropionique, les butyle, octyle, n-dodécyle mercaptan seuls ou en combinaison. De façon préférée il s’agit de butyle ou d’octyle mercaptan seuls ou en mélanges.

L’agent de suspension utilisé dans le cadre de l’invention est un agent de suspension typique connu de l’homme du métier. Cela peut être de l’alcool polyvinylique, de la polyvinyle pyrrolidone, des copolymères d’acide (meth) acrylique, ou encore des copolymeres d’acide 2-acrylamido-2- méthylpropanesulfonique, de préférence l’alcool polyvinylique ou des copolymères de l’acide 2-acrylamido-2-méthylpropanesulfonique, et de façon encore préférée les copolymères d’acide 2-acrylamido-2- méthylpropanesulfonique. Cet agent de suspension est décrit dans EP0683182 à l’exemple 1 .

L’agent de suspension est présent quantité comprise entre 0,5 et 4% massique par rapport à la phase aqueuse.

De façon optionnelle, on peut rajouter des particules inorganiques pour améliorer la stabilité de la suspension.

Un tensio-actif peut être rajouté à la phase aqueuse en quantité comprise entre 0 et 10000 ppm par rapport à la phase aqueuse, de préférence entre 0 et 5000 ppm, de façon encore préférée entre 0 et 400 ppm. Il peut s’agir de tout type de tensio-actif ionique ou non ionique.

Un amorceur soluble dans l’eau est rajouté en fin de polymérisation, lorsque la suspension à polymériser a atteint une conversion supérieure à 95 %, choisi par exemple parmi les persulfates et en particulier le persulfate de potassium en quantité pouvant varier de 0,1 à 2% et de préférence entre 0,1 et 1 % massique par rapport à la phase organique totale.

L’amorceur soluble dans l’eau permet en fin de synthèse de convertir les derniers faibles pourcentages de monomères en une coquille qui se fixe sur les perles obtenues dans le procédé de l’invention.

Selon un aspect objet de l’invention, une quantité additionnelle des monomères de l’étape 2 comprise entre 1 et 10 % massique en rapport avec la quantité de monomères des étapes 1 et 2 et de préférence entre 3 et 7 % massique peut être rajoutée conjointement à l’amorceur soluble dans l’eau.

Le ratio massique de la phase aqueuse /phase organique dans l’étape 1 du procédé de l’invention est compris entre 3 et 10 et de préférence entre 4 et 8. Lors de I’etape 2 du procédé de l’invention, le rapport molaire des monomères (acryliques et/ou styréniques) / monomères méthacryliques est compris entre 25/45 et 70/30 et de préférence entre 25/75 et 55/45.

Lors de cette étape 2, un mercaptan est introduit avec un rapport molaire mercaptan/nitroxyde compris entre 0,2 et 0,8 et de préférence entre 0,4 et 0,6.

L’agitation est fonction du réacteur utilisé. Par exemple pour un réacteur de 20 litres avec un mobile d’agitation de type impeller, elle est de plusieurs centaines de tours par minute. Pour un réacteur de 5000 litres, elle est comprise entre 100 et 250 tours par minutes, toujours avec un mobile d’agitation de type impeller. D’autre type d’agitation peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention.

La température de polymérisation est comprise entre 15 et 150 °C et de préférence entre 100 et 135 °C, de façon encore préférée entre 125 et 135 °C.

La masse moléculaire en poids des compositions obtenues par le procédé de l’invention est comprise entre 5000 et 300000 g/mole et de préférence comprise entre 10000 et 200000 g/mole avec un indice de dispersité compris entre 2 et 4 et de préférence entre 2.5 et 3,3. Selon un aspect de l’invention, les compositions sont de préférences des compositions de copolymères di blocs et de copolymères statistiques issues d’une monoalcoxyamine.

Selon un autre aspect de l’invention, les compositions sont de préférences des compositions de copolymères triblocs blocs et de copolymères statistiques issues d’une dialcoxyamine.

L’invention concerne les perles obtenues à l’aide du procédé de l’invention. Elles se présentent sous forme de sphères dont le diamètre moyen en poids est compris entre 5 et 600|im et de préférence entre 50 et 400 pm, de façon encore préférée entre 50 et 250 pm, mesuré par diffraction laser en voie sèche a l’aide d’un appareil de la société Malvern. Les perles sont constituées d’un matériau nanostructuré consistant en une matrice d’un des blocs et une phase dispersée de l’autre bloc, et d’une coquille continue d’une phase dure de Tg > 20 °C, ladite coquille présentant une épaisseur varànt de 30 à 150 nm.

Les perles présentant une coquille continue sont un aspect préféré des perles obtenues à l’aide du procédé de l’invention.

L’invention concerne également les compositions obtenues à l’aide du procédé de l’invention car elles sont différentes tant par leur aspect analytique que de par leurs propriétés de celles obtenues avec les autres procédés (solvant, masse, émulsion).

L’invention concerne également les utilisations des compositions de l’invention ou des perles de l’invention pour fabriquer des objets par moulage, injection compression, extrusion.

L’invention concerne également l’utilisation des perles obtenues avec le procédé de l’invention dans le domaine de l’impression tridimensionnelle dite de frittage laser pour former des objets.

La technologie de frittage de poudres sous un faisceau laser sert à fabriquer des objets en trois dimensions tels que des prototypes, des modèles, mais aussi des pièces fonctionnelles, notamment dans les domaines automobile, nautique, aéronautique, aérospatial, médical (prothèses, systèmes auditifs, tissus cellulaires...), le textile, l’habillement, la mode, la décoration, des boîtiers pour l’électronique, la téléphonie, la domotique, l’informatique, l’éclairage.

Dans la technique de frittage laser, on dépose une fine couche de poudre sur une plaque horizontale maintenue dans une enceinte chauffée à une certaine température. Le laser apporte l’énergie nécessaire à fritter les particules de poudre en différents points de la couche de poudre selon une géométrie correspondant à l'objet, par exemple à l'aide d'un ordinateur ayant en mémoire la forme de l'objet et restituant cette dernière sous forme de tranches. Ensuite, on abaisse la plaque horizontale d'une valeur correspondant a l'epaisseur d'une couche de poudre (par exemple entre 0,05 et 2 mm et généralement de l'ordre de 0,1 mm) puis on dépose une nouvelle couche de poudre et le laser apporte l’énergie nécessaire à fritter les particules de poudre selon une géométrie correspondant à cette nouvelle tranche de l'objet et ainsi de suite. La procédure est répétée jusqu'à ce que l’on ait fabriqué tout l'objet. On obtient à l’intérieur de l’enceinte un objet entouré de poudre non frittée. Les parties qui n'ont pas été frittées sont donc restées à l'état de poudre. Après complet refroidissement, on sépare l'objet de la poudre qui peut être réutilisée pour une autre opération.

Description des Figures :

[Fig 1 ] :

La figure 1 est la conversion du méthacrylate de méthyle lors de l’étape 2 du procédé de l’invention. La courbe avec cercles vides représente la conversion en présence de mercaptan tel que dans l’exemple 1 de l’invention, celle en cercles pleins représente la conversion lors de cette même étape sans mercaptan tel que dans l’exemple 2 comparatif.

[Fig 2] :

La figure 2 est le profil de dégradation en fonction de la température (TGA) du produit obtenu en présence de mercaptan. La température au pic de dégradation est de 314°C.

[Fig 3] :

La figure 3 est le profil de dégradation en fonction de la température (TGA) du produit obtenu en absence de mercaptan signalant un profil de dégradation beaucoup plus accentué qu’en présence de mercaptan. On peut noter que les dégradations sont plus nombreuses et s’opèrent à plus basse température (282, 290, 300 °C). [Fig 4] :

La figure 4 est une photo en microscopie à force atomique (AFM) d’une coupe d’une perle obtenue selon le procédé de l’invention avec un amorceur soluble dans l’eau (persulfate de potassium). On y distingue une couronne claire (PMMA) à l’extérieur de la perle. L’intérieur de la perle est constitué de phase dispersée claire (du PMMA) et d’une phase continue sombre (polyacrylate de butyle. De telles perles conduisent à une poudre facilement manipulable, non collante.

[Fig 5] :

La figure 5 est une photo en microscopie à force atomique (AFM) d’une coupe d’une perle obtenue selon le procédé de l’invention sans amorceur soluble dans l’eau. On y distingue une zone diffuse mal définie à l’extérieur de la perle. L’intérieur de la perle est constitué de phase dispersée claire (du PMMA) et d’une phase continue sombre (polyacrylate de butyle). De telles perles conduisent à une poudre difficilement manipulable, collante.

[Fig 6] :

La figure 6 correspond au profil normalisé du chromatogramme de LAC d’un bloc de PAbu. Ce Polyacrylate de butyle correspond au bloc préparé à l’issue de la première étape du procédé de l’invention. Il est donc ré activable pour la deuxième étape du procédé de l’invention. On l’obtient dans l’exemple 1 à l’étape 2.

[Fig 7] :

La figure 7 correspond au profil normalisé du chromatogramme de LAC d’une composition de l’invention. Le PAbu seul à quasiment disparu (16 minutes élution), tandis qu’apparait un pic à 35 minutes attribuable à un copolymère tribloc. A 32 minutes, apparait un pic qui est attribuable à une composition statistique riche en PMMA, provenant de l’intérieure de la perle et de la coquille.

[Fig 8] : La figure 8 correspond au profil normalise du chromatogramme de LAC d’une composition obtenue selon un procédé masse, tel que préparé dans l’exemple 3.

Elle comprend des proportions des proportions non négligeables de PAbu qui ne s’est pas transformé en tribloc. Cette composition est riche en tribloc (pic à 34 minutes. Des traces de composition riches en PMMA sont visibles avec un pic à 38 minutes.

[Fig 9] :

La figure 9 correspond au profil normalisé du chromatogramme de LAC d’une composition de PMMA. Les pics visibles en début d’élution (avant 10 minutes) proviennent d’impuretés attribuées à des traces de solvants et autres additifs présents dans le grade commercial utilisé pour l’analyse et ne doivent pas être pris en compte.

Description des Méthodes de mesure :

-Microscopie à force atomique. L’utilisation de cette microscopie permet de visualiser les zones molles et les zone dures, d’un échantillon, ici un rabotage de perle emprisonné dans de la résine epoxy. Les échantillons sont observs en mode « tapping ».

- La chromatographie liquide d’adsorption (LAC) est une méthode chromatographique.

La chromatographie liquide d’adsorption est une technique pour séparer les mélanges complexes de polymères dont chacun de ses constituants peut être élué en fonction de sa composition chimique donc indépendamment de sa masse-molaire.

Les échantillons sont injectés dans l’appareil HPLC ALLIANCE 2695 de WATERS.

L’éluant est un Gradient (Hexane/THF) acidifiés 5% acide acétique et stabilisés au BHT.

La colonne polaire utilisée est une colonne SunFire Prep Silica 5|im 4.6*250mm (CAP-Sunfire-02).

Le débit est de 1 ml/mn et le volume d’échantillon injecté est de 30pl. Le detecteur utilise est un detecteur Agilent ELSD (Evaporative Light Scattering Detector) 380 et un Waters 2487 Dual UV 254 nm.

Pour la chromatographie liquide d’adsorption, les échantillons de polymères ont été préparés à 2 g/l dans le THF. Les échantillons du PMMA et du PABu vont servir d’étalons afin que l’on puisse les identifier à la fin de l’analyse du tribloc PMMA-PABu/PMMA. Un volume de 30 pL est injecté.

Indice de jaunissement : Il est mesuré selon la norme YIE313 (NF ISO 7724- 3 1988). L’indice de jaune (Yl) est mesuré sur un Colorquest HunterLab (conditions : Illuminant: D65, Angle d'observation: 10°, Mode d'observation: Transmission).

Masses moléculaires. Elles sont mesurées par SEC, avec utilisation d’étalons polystyrène.

Exemples :

Exemple 1 (invention) : synthèse d’une composition selon le procédé de l’invention :

L’alcoxyamine de départ utilisée est la N-(2-methylpropyl)-N-(1 - diethylphosphono-2,2-dimethylpropyl)-0-(2-carboxyprop-2-yl)h ydroxylamine dont la formule développée est la suivante :

[Chem 9]

Elle est disponible chez Arkema sous la dénomination Blocbuilder® MA

On procède aux étapes suivantes :

1 : Addition du Blocbuilder MA® sur le butane diol diacrylate pour former une dialcoxyamine (7) appelée diamins, point de départ du copolymère tribloc. 2: Synthèse d’un polyacrylate de butyle di alcoxyamine (PABu) par reaction de l’acrylate de butyle sur la di alcoxyamine.

3: Synthèse en suspension d’une composition de copolymère tribloc PMMA- PAbu-PMMA.

1/ Synthèse de la diamins :

La diamins est préparée dans l’éthanol à partir du Blocbuilder MA® (Arkema) et du butanedioldiacrylate (BDMA). Un réacteur d’1 L est inerté à l’azote. 1 14g d’éthanol sont introduits dans un réacteur, 60g de Blocbuilder MA® et 15,7g de BDMA. Le réacteur est agité à 100rpm et chauffé à 80 °C (1 bar) pendant 4h. Le taux de solide est de 35%. La température est abaissée à 25 °C. Après évaporation de l’éthanol, la diamins est récupérée et peut être utilisée en l’état.

2/ Synthèse du bloc Poly(acrylate de butyle), étape 1 du procédé de l’invention :

Un réacteur de 5L est utilisé.

La phase aqueuse est préparée directement dans le réacteur et agité à 500rpm pendant 30minutes.

Phase aqueuse :

Eau déminéralisée : 1800g

Agent de suspension : copolymère d’acide 2-acrylamido-2- méthylpropanesulfonique : 15,3g (305,8g pour une solution à 5%) tensioactif : on utilise un alcool en C12-C14 polyéthoxylé (50 unités éthoxylées) disponible par exemple chez Cognis, le Disponil® LS500) : 0,5g La phase organique est préparée dans un autre contenant : diamins : 16,1 g

Acrylate de butyle : 350g

La phase organique est ajoutée après avoir alterné des cylces de vide et d’azote dans le réacteur. La suspension est alors chauffée avec le cycle suivant :

Segment 1 T° initiale 20 T°finale 130

Temps 90

Segment 2 T° initiale 130

T°finale 130

Temps 50

Segment s T° initiale 130

T°finale 20

Temps 45

3/ Synthèse d’une composition de copolymère Polyméthacrylate de méthyle- Poly(acrylate de butyle)- Polyméthacrylate de méthyle, étape 2 du procédé de l’invention :

La phase organique est préparée à partir de méthacrylate de méthyle et de mercaptan.

Méthacrylate de méthyle : 397,5g

Octyl mercaptan et butyle mercaptan (50/50) : 1 ,6g

La phase organique est introduite dans le réacteur par dépression.

Le mélange est chauffé suivant le cycle :

T° initiale 20°

T° finale 130°

Temps 90 min

Segment 1 T°initiale 130°

T° finale 130°

Temps 90 min

Segment s T°initiale 130°

T° finale 20°

Temps 60 min

4/ synthèse de l’écorce :

L’écorce est formée d’après la recette suivante :

Eau déminéralisée : 92g

Persulfate de potassium : 0,73g La polymerisation a lieu a 85 °C pendant 1 h30.

La suspension est ensuite récupérée. Les billes sont filtrées et lavées 2 fois avec de l’eau et séchées dans une étuve à 50 °C.

Le produit possède les propriétés suivantes :

Masse molaire au pic : Mp = 1 10 000 g/mol

Masse molaire en nombre : Mn= 55 000 g/mol

Masse molaire en masse : Mw = 160 000 g/mol

Polydispersité : Ip = 2,9

La composition massique déterminée par RMN est 45% de PABu, et 55% PMMA.

Exemple 2 (comparatif) :

L’exemple 1 est répété mais sans addition de mercaptan à l’épape 3.

Le procédé de l’invention permet d’améliorer la cinétique (figure 1 ) et conduit à une meilleure stabilité de la composition obtenue (figures 2 et 3). La présence d’un mercaptan lors de l’étape 3 est déterminante pour la stabilité de la composition obtenue.

Exemple 3 : procédé de synthèse en masse.

Une composition comparative d’un copolymère tribloc préparé avec le procédé masse est effectuée.

Dans un réacteur de 1 L équipé d'une double enveloppe, 320 g (soit 2,5 mol) d'acrylate de butyle et 6.8 g (soit 7.1 mmol) de polyalcoxyamine préparée à l'exemple 1 étape 1 sont introduits à température ambiante. Après plusieurs dégazages à l'azote, le milieu réactionnel est porté à 115°C et cette température est maintenue par régulation thermique pendant 5 h. Des prélèvements sont réalisés tout au long de la réaction afin de déterminer la cinétique de la polymérisation par gravimétrie (mesure d'extraits secs) et suivre l'évolution des masses moléculaires en fonction de la conversion. Lorsque la conversion de 80 % est atteinte, le milieu réactionnel est refroidi a 60°C, et l'acrylate de butyle résiduel est éliminépar évaporation sous vide.

A 60 °C, 391 g (soit 3,7 mol) de méthacrylate de mâhyle et 78 g de toluène sont alors additionnés. Le milieu réactionnel est ensuite chauffé à 95 °C pendant 2 h (conversion=50%). Après retour à 60 ° Cet dilution avec 78 g de toluène, le copolymère PMMA-PAbu-PMMA est soutiré du réacteur et les monomère et solvant résiduels sont éliminés par évaporation sous vide.

Le copolymère obtenu présente une Masse moléculaire au pic (Mp) de 100000 g/mole.

Exemple 4 : Evaluation de l’indice de jaune sur des mélanges 50/50 massiques de PMMA avec des compositions de l’invention de l’exemple 1 et des compositions obtenues selon l’exemple 3. Ces mélanges sont obtenus par extrusion puis injection d’éprouvettes à 240 °C. Lindice de jaune (Yl) est mesuré sur un Colorquest HunterLab (conditions : Illuminant: D65, Angle d'observation: 10°, Mode d'observation: Transmission).

Le résultat du tableau 1 en indice de jaune montre une qualité bien supérieure de l’échantillon du mélange utilisant la composition de l’invention. Un faible indice de jaune est toujours recherché dans les applications optiques.

[Tableau 1 ]

Exemple 5 ! La demanderesse a comparé la rhéologie des compositions obtenues selon l’exemple 1 de l’invention et selon l’exemple 3 en mesurant indice de fluidité (MFI, melt index flow).

Les résultats sont montrés au tableau 2. Ils démontrent que les compositions présentent des caractéristiques différentes. A masse moléculaire en poids similaire, les compositions de l’inventions apparaissent plus fluides ce qui présente un avantage pour la transformation. [Tableau 2]

Exemple 6.

Stabilité de mélange avec un polyoxymethylene (POM) :

- Mélange POM/Copolymères à blocs ou compositions de l’invention :

Les copolymères à blocs sont utilisés pour améliorer les propriétés chocs des polymères de commodité. Les copolymères à blocs possèdent un bloc à basse température de transition vitreuse (<0°C, par exemple acrylate de butyle) et un bloc avec une température de transition vitreuse élevée (>90°C, comme PMMA). Ils permettent d’améliorer la résistance aux chocs de plusieurs matériaux, comme le polyoxyméthylène. Quelques pourcents de copolymères sont ajoutés au polymère pour obtenir un matériau aux propriétés chocs améliorés. Cependant, les copolymères à blocs synthétisés en voie solvant peuvent dégrader le polyoxyméthylène et entraîner la formation de formaldéhyde lors de la mise en oeuvre des matériaux (mélanges formés en température). La synthèse en voie aqueuse selon le procédé de l’invention permet à la composition obtenue de limiter la dégradation du POM lors des étapes de mélanges et d’obtenir un matériau aux propriétés améliorées.

Des mélanges ont été réalisés à 200 °C contenant 10Q puis 98% de POM et 2% d’une composition de l’exemple 1 de l’invention et de 2% de copolymère de l’exemple 3. La formation de formaldéhyde est mesurée par UHPLC/UV (phase mobile acétonitrile/H20, mode isocratique 50/50). La méthode consiste en l’extraction aqueuse du formaldéhyde du POM formulé et une dérivatisation avec de la 2,4-dinitrophenylhydrazine (DNPH) afin de quantifier le composé avec un détecteur UV (tableau 3). L’addition de la composition de l’invention n’affecte pas la stabilité du POM (pas de dégradation observée par formation de formaldéhyde lors des mélanges à 200 °C) ; tableaj 3.

[Tableau 3]