UTILISATION DANS UNE COMPOSITION DE LIANT HYDRAULIQUE,

D'UN CARBONATE DE CALCIUM BROYE A SEC AVEC UN COPOLYMERE

DE L'ACIDE (METH)ACRYLIQUE ET UNE FONCTION ALCOXY OU

HYDROXY POLYALKYLENEGLYCOL

La présente invention concerne le domaine des compositions à base de liants hydrauliques, contenant au moins une matière minérale qui est un carbonate de calcium obtenu par broyage à sec.

Le broyage en voie sèche (par opposition au milieu aqueux) du carbonate de calcium est décrit dans les documents "Beitrag zur Aufklarung der Wirkungsweise von Mahlhilfsmitteln" ("Freiberger Forschungshefte" VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig, Germany (1975)). et "Calcium Carbonate" (Birkhâuser Verlag, 2001).

Ce broyage, qui correspond à une diminution de la taille des particules individuelles de carbonate de calcium par action mécanique, est assisté par des agents de broyage qui peuvent être classés en 3 catégories suivantes.

La première comprend les acides faibles (formique, acétique, lactique, adipique comme cité dans le document FR 2 863 914, ou stéarique comme indiqué dans le document EP 0 510 890), et leurs sels (lignine sulfonate de sodium, acétate de sodium,...). La deuxième comprend les bases faibles, et notamment les aminés (voir le document GB 2 179 268). La troisième, et la plus usitée car la plus efficace, comprend les alcools à base de glycols, dont notamment le diéthylène glycol illustré dans les documents WO 2002/081 573 et US 2003/019 399.

Or, même s'ils demeurent les plus efficaces, ces derniers conduisent à des carbonates de calcium présentant une quantité de composés organiques volatiles (COV) élevée. Aussi, trouver une solution alternative à ces agents d'aide au broyage à base de glycols, tout en demeurant au moins aussi efficaces qu'eux au niveau de l'application finale, constituerait une forte contribution à l'état de la technique.

A cet égard, un premier objet de l'invention consiste en l'utilisation, dans une composition à base d'un liant hydraulique, d'un carbonate de calcium caractérisé en ce que ledit carbonate est broyé à sec en présence d'un agent d'aide au broyage d'une part, et en ce que l'agent d'aide au broyage d'autre part est un copolymère constitué :

a) d'au moins un monomère anionique choisi parmi l'acide acrylique, l'acide méthacrylique et leurs mélanges,

b) et d'au moins un monomère non ionique, de formule (I) :

(I) dans laquelle : m, n, p et q sont des entiers tels que : m, n, p < 150, q > 1, et 5 < (m+n+p)q < 150, et préférentiellement 15 < (m+n+p)q < 120, R ₁ représente l'hydrogène ou le radical méthyle ou éthyle, R ₂ représente l'hydrogène ou le radical méthyle ou éthyle, R représente un radical contenant une fonction insaturée polymérisable, appartenant préférentiellement au groupe des vinyliques ainsi qu'au groupe des esters acrylique, méthacrylique, maléique, ainsi qu'au groupe des insaturés uréthannes tels que les acryluréthanne, méthacryluréthanne, α-α' diméthyl-isopropényl-benzyluréthanne, allyluréthanne, de même qu'au groupe des éthers allyliques ou vinyliques substitués ou non, ou encore au groupe des amides ou des imides éthyléniquement insaturées, ou encore au groupe constitué par l'acrylamide et le méthacrylamide, R' représente l'hydrogène ou un radical hydrocarboné ayant 1 à 40 atomes de carbone, préférentiellement 1 à 4 atomes de carbone, R' étant très préférentiellement le radical méthyle, ou du mélange de plusieurs monomères de formule (I),

c) et éventuellement d'au moins un autre monomère choisi parmi l'anhydride (méth)acrylique, le (méth)acrylamide, ou parmi les esters (méth)acryliques, tels que préférentiellement les acrylates et méthacrylates ayant de 1 à 20 atomes de carbone dans leur radical ester, tels que très préférentiellement les acrylates de méthyle, d'éthyle, d'isopropyle, de n-propyle, d'isobutyle, de n-butyle, de ter- butyle, de 2-éthylhexyle, les méthacrylates de méthyle, d'éthyle, les méthacrylates hydroxylés tels que ceux d'hydroxyéthyle et d'hydroxypropyle, ou parmi des monomères vinyliques aromatiques tels que préférentiellement le styrène, l'α- méthylstyrène, le styrène sulfonate, ou l'acide acrylamido-2-méthyl-2-propane- sulfonique, ou parmi les monomères organophosphatés, tels que préférentiellement les phosphates d'acrylate et de méthacrylate d'éthylène glycol, ou les phosphates d'acrylate et de méthacrylate d'oxyéthylène et / ou d'oxypropylène glycol, et de leurs mélanges.

On pourra désigner cet agent d'aide au broyage à travers l'expression de copolymère de l'acide (méth)acrylique avec un monomère portant une fonction alcoxy ou hydroxy polyalkylèneglycol.

Les exemples de la présente Demande démontrent que, en comparaison avec un carbonate de calcium broyé à sec avec un diéthylène glycol, un carbonate de calcium selon l'invention permet d'obtenir une composition à base de liant hydraulique tel qu'un mortier présentant un degré d'étalement bien plus important.

Cette utilisation est aussi caractérisée en ce que ledit copolymère est constitué, exprimé en pourcentage en poids des monomères (la somme des pourcentages en poids de tous les monomères étant égale à 100 %) :

a) de 0,5 % à 50 %, préférentiellement de 1 % à 25 %, très préférentiellement de 5 % à 20 %, d'au moins un monomère anionique choisi parmi l'acide acrylique, l'acide méthacrylique et leurs mélanges,

b) de 50 % à 99,5 %, préférentiellement de 75 % à 99 %, très préférentiellement de 80 % à 95 %, d'au moins un monomère non ionique, de formule (I) :

(I) dans laquelle : m, n, p et q sont des entiers tels que : m, n, p < 150, q > 1, et 5 < (m+n+p)q

< 150, et préférentiellement 15 < (m+n+p)q < 120,

R ₁ représente l'hydrogène ou le radical méthyle ou éthyle,

R ₂ représente l'hydrogène ou le radical méthyle ou éthyle, - R représente un radical contenant une fonction insaturée polymérisable, appartenant préférentiellement au groupe des vinyliques ainsi qu'au groupe des esters acrylique, méthacrylique, maléique, ainsi qu'au groupe des insaturés uréthannes tels que les acryluréthanne, méthacryluréthanne, α-α' diméthyl-isopropényl-benzyluréthanne, allyluréthanne, de même qu'au groupe des éthers allyliques ou vinyliques substitués ou non, ou encore au groupe des amides ou des imides éthyléniquement insaturées, ou encore au groupe constitué par Pacrylamide et le méthacrylamide, R' représente l'hydrogène ou un radical hydrocarboné ayant 1 à 40 atomes de carbone, préférentiellement 1 à 4 atomes de carbone, R' étant très préférentiellement le radical méthyle, ou du mélange de plusieurs monomères de formule (I),

et de 0 % à 50 % d'au moins un autre monomère choisi parmi l'anhydride (méth)acrylique, le (méth)acrylamide, ou parmi les esters (méth)acryliques, tels que préférentiellement les acrylates et méthacrylates ayant de 1 à 20 atomes de carbone dans leur radical ester, tels que très préférentiellement les acrylates de méthyle, d'éthyle, d'isopropyle, de n-propyle, d'isobutyle, de n-butyle, de ter- butyle, de 2-éthylhexyle, les méthacrylates de méthyle, d'éthyle, les méthacrylates hydroxylés tels que ceux d'hydroxyéthyle et d'hydroxypropyle, ou parmi des monomères vinyliques aromatiques tels que préférentiellement le styrène, l'α- méthylstyrène, le styrène sulfonate, ou l'acide acrylamido-2-méthyl-2-propane-

sulfonique, ou parmi les monomères organophosphatés, tels que préférentiellement les phosphates d'acrylate et de méthacrylate d'éthylène glycol, ou les phosphates d'acrylate et de méthacrylate d'oxyéthylène et / ou d'oxypropylène glycol, et de leurs mélanges.

Cette utilisation est aussi caractérisée en ce que ledit copolymère est obtenu sous forme acide et éventuellement distillé, et est éventuellement partiellement ou totalement neutralisé par un ou plusieurs agents de neutralisation disposant d'un cation monovalent ou polyvalent, lesdits agents étant choisis préférentiellement parmi l'ammoniaque ou parmi les hydroxydes et / ou oxydes de calcium, de magnésium, ou parmi les hydroxydes de sodium, de potassium, de lithium, ou parmi les aminés primaires, secondaires ou tertiaires aliphatiques et / ou cycliques telles que préférentiellement la stéarylamine, les éthanolamines (mono-, di-, triéthanolamine), la mono et diéthylamine, la cyclohexylamine, la méthylcyclohexylamine, l'amino méthyl propanol, la morpholine, et de manière préférentielle en ce que l'agent de neutralisation est choisi parmi la triéthanolamine et l'hydroxyde de sodium.

Cette utilisation est aussi caractérisée en ce que ledit copolymère est obtenu par des procédés de polymérisation radicalaire en solution, en émulsion directe ou inverse, en suspension ou précipitation dans des solvants, en présence de systèmes catalytiques et d'agents de transfert, ou encore par des procédés de polymérisation radicalaire contrôlée et préférentiellement par la polymérisation contrôlée par des nitroxydes (NMP) ou par des cobaloxymes, par la polymérisation par transfert d'atome radicalaire (ATRP), par la polymérisation radicalaire contrôlée par des dérivés soufrés, choisis parmi des carbamates, des dithioesters ou des trithiocarbonates (RAFT) ou des xanthates.

Cette utilisation est aussi caractérisée en ce que ledit copolymère peut éventuellement avant ou après la réaction de neutralisation totale ou partielle, être traité et séparé en plusieurs phases, selon des procédés statiques ou dynamiques connus de l'homme du métier, par un ou plusieurs solvants polaires appartenant préférentiellement au groupe constitué par l'eau, le méthanol, l'éthanol, le propanol, l'isopropanol, les butanols, l'acétone, le tétrahydrofurane ou leurs mélanges.

L'une des phases correspond alors au polymère utilisé selon l'invention.

Cette utilisation est aussi caractérisée en ce qu'on met en œuvre de 0,05 % à 5 %, préférentiellement de 0,1 % à 3 %, très préférentiellement de 0,1 % à 1 % en poids sec dudit copolymère, par rapport au poids sec de carbonate de calcium pendant le broyage à sec dudit carbonate.

Cette utilisation est aussi caractérisée en ce que la composition à base d'un liant hydraulique est un ciment, un béton ou un mortier.

Un deuxième objet de l'invention est constitué des compositions à base d'un liant hydraulique obtenues par utilisation du carbonate de calcium broyé à sec selon l'invention.

EXEMPLES

Dans ces exemples, tous les broyages sont réalisés selon une méthode bien connue de l'homme du métier (le document FR 2 901 491 décrivant une telle méthode). On se contente ici d'indiquer la granulométrie finale des particules de carbonate de calcium obtenues après broyage (l'homme du métier sachant en réalité comment adapter les paramètres du procédé en vue d'aboutir à une telle granulométrie ; on pourra toutefois se reporter aussi au document précité).

Dans chacun des essais n° 1 à 4, on réalise un mortier par mélange sous agitation, selon les connaissances de base de l'homme du métier, un sable normalisé (EN 196-1), du ciment (CEM 1 42.5 PM ES), de l'eau du robinet et un carbonate de calcium broyé selon l'art antérieur ou selon l'invention (les proportions sont données dans le tableau 1).

Cette préparation est utilisée pour remplir un mini-cône d'Abrams (poids minimum : 4 kg, diamètre supérieur : 50 mm, diamètre inférieur : 100 mm, hauteur : 150 mm). Le cône est posé sur une plaque en PVC humidifiée à l'aide d'une éponge. Le remplissage dure 2 minutes, le contenu du cône étant tassé en « piquant » 25 fois régulièrement la préparation à l'intérieur du cône à l'aide d'une tige métallique.

Le cône est ensuite soulevé dès la fin du remplissage ; son contenu s'étale sur la plaque en PVC. Après 30 secondes, l'étalement est déterminé en mesurant la longueur en mm de deux diamètres perpendiculaires de la galette ronde obtenue et en faisant la moyenne des 2.

Essai n° 1

Cet essai illustre l'art antérieur et met en œuvre un carbonate de calcium obtenu par broyage à sec en présence de 3000 ppm (par rapport au poids sec de carbonate de calcium) d'un agent de broyage de l'art antérieur qui est le diéthylène glycol. On obtient, après broyage, un carbonate de calcium dont 73,8 % et 48,5 % en poids des particules ont un diamètre moyen inférieur respectivement à 2 μm et 1 μm (tel que mesuré à partir d'un Sedigraph™ 5100).

Essai n° 2

Cet essai illustre l'art antérieur et met en œuvre un carbonate de calcium obtenu par broyage à sec en présence de 3000 ppm (par rapport au poids sec de carbonate de calcium) d'un agent de broyage de l'invention qui est un polymère composé, en pourcentage en poids, de 81,5 % de méthacrylate de méthoxy polyéthylène glycol de poids moléculaire 2000, de 4,9 % d'acide méthacrylique, et de 13,6 % d'acide acrylique. On obtient, après broyage, un carbonate de calcium dont 74,5 % et 44,1 % en poids des particules ont un diamètre moyen inférieur respectivement à 2 μm et 1 μm (tel que mesuré à partir d'un Sedigraph™ 5100).

Essai n° 3

Cet essai illustre l'art antérieur et met en œuvre un carbonate de calcium obtenu par broyage à sec en présence de 1400 ppm (par rapport au poids sec de carbonate de calcium) d'un agent de broyage de l'art antérieur qui est le diéthylène glycol. On obtient, après broyage, un carbonate de calcium dont 47,1 % et 30,0 % en poids des particules ont un diamètre moyen inférieur respectivement à 2 μm et 1 μm (tel que mesuré à partir d'un Sedigraph™ 5100).

Essai n° 4 Cet essai illustre l'art antérieur et met en œuvre un carbonate de calcium obtenu par broyage à sec en présence de 1400 ppm (par rapport au poids sec de carbonate de calcium) d'un agent de broyage de l'invention qui est un polymère composé, en pourcentage en poids, de 81,5 % de méthacrylate de méthoxy polyéthylène glycol de poids moléculaire 2000, de 4,9 % d'acide méthacrylique, et de 13,6 % d'acide acrylique. On obtient, après broyage, un carbonate de calcium dont 45,4 % et 28,0 % en poids des particules ont un diamètre moyen inférieur respectivement à 2 μm et 1 μm (tel que mesuré à partir d'un Sedigraph™ 5100).

Le polymère mis en œuvre dans les essais n° 2 et 4 est obtenu par des techniques de polymérisation bien connues de l'homme du métier.

Dans un 1 ^er bêcher sont introduits à température ambiante et sous agitation : 259,02 g de méthacrylate de méthoxy polyéthylène glycol de poids moléculaire égal à 2000 g/mol,

une solution contenant 15,36 g d'acide méthacrylique et 274,39 g d'eau, une solution contenant 69,86 g d'eau brute et 50,25 g d'acide acrylique.

Dans un 2 ^ème bêcher sont introduits à température ambiante et sous agitation : 2,38 g d'acide thiolactique (98.5 % de pureté massique) et 52,14 g d'eau. Dans un 3^ ⁶ un bêcher sont introduits à température ambiante et sous agitation : 2,84 g de persulfate d'ammonium (NtLO ₂ S ₂ O ₈ et 51,90 g d'eau.

Dans un 4^ ⁶ bêcher sont introduits à température ambiante et sous agitation : 0,56 g de persulfate d'ammonium (NH ₄ ) ₂ S ₂ O ₈ et 10,87 g d'eau.

Dans un réacteur cylindrique simple enveloppe, surmonté d'une colonne réfrigérante, d'un système d'agitation à ancre et de 3 entrées, sont introduits 351,39 g d'eau, et de 295,61 g d'isopropanol. Le milieu réactionnel est chauffé sous agitation (230 tours/min) à 84 ± 2°C. Le contenu des 3 premiers béchers est introduit dans le milieu réactionnel en 2 heures. Les canules d'introduction sont ensuite rincées avec 20,84 g d'eau (cette eau va directement dans le milieu réactionnel). On ajoute ensuite au milieu réactionnel, la solution du 4^ ⁶ bêcher et on cuit 1 heure à 84 ± 2°C (à 230 tours/min). En fin de réaction, on rince avec 52,13 g d'eau. On augmente ensuite la température et on distille 604,78 g. On fait redescendre la température entre 50 et 60°C et on ajoute au milieu réactionnel 69,34 g d'hydroxyde de sodium à 50 % massique dans l'eau. Le milieu est enfin dilué avec 20,85 g d'eau. On refroidit avant d'obtenir le polymère de l'invention.

Les compositions de chaque mortier et les valeurs d'étalement sont reportées dans le tableau 1.

Tableau 1

En comparant les essais 2 par 2 (1 à 2, et 3 à 4), on constate que l'étalement des mortiers dans le cadre de l'invention est bien plus important que pour les mortiers formulés avec les carbonates de calcium de l'art antérieur.