EP3755736A1 - Polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration - Google Patents
Polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissurationInfo
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- EP3755736A1 EP3755736A1 EP19711963.9A EP19711963A EP3755736A1 EP 3755736 A1 EP3755736 A1 EP 3755736A1 EP 19711963 A EP19711963 A EP 19711963A EP 3755736 A1 EP3755736 A1 EP 3755736A1
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Definitions
- the thermoplastic polyester according to the present invention therefore comprises a connecting agent.
- the branching agent may be selected from the group consisting of malic acid, sorbitol (D-Glucitol), glycerol, pentaerythritol, pyromellitic anhydride (1H, 3H-furo [3,4-f] [2 ] benzofuran-1,3,5,7-tetronone), pyromellitic acid (1,2,4,5-benzenetetracarboxylic acid), trimellitic anhydride, trimesic acid (1,3,5-benzenetricarboxylic acid) citric acid, trimethylolpropane (2-ethyl-2- (hydroxymethyl) propane-1,3-diol), and mixtures thereof.
- the branching agent is pentaerythritol.
- thermoplastic polyester according to the invention has a reduced viscosity in solution, measured using a Ubbelohde capillary viscometer at 25 ° C. in an equimassic mixture of phenol and ortho-dichlorobenzene after dissolution of the polymer at 135 ° C. agitation, the concentration of thermoplastic polyester introduced being 5 g / L, at least 0.75 dL / g and at most 1, 5 dL / g.
- the reduced viscosity in solution is at least 0.90 dL / g and at most 1, 3 dl / g.
- a molar amount of alicyclic diol units (B) other than the 1,4: 3,6-dianhydrohexitol units (A) ranging from 1 to 44 mol%, and preferably a molar quantity ranging from 15 to 44 mol%;
- thermoplastic polyester having improved resistance to the cracking phenomenon.
- the catalyst is used in suitable amounts to obtain a high viscosity polymer for obtaining the polymer composition.
- Antioxidant secondary may be trivalent phosphorus compounds such as Ultranox® 626, Doverphos® S-9228, Hostanox® P-EPQ, ADK Stab PEP-36A, ADK Stab PEP-8, ADK Stab 3010, Alkanox TNPP, Weston 600 or Irgafos 168.
- the post-polymerization step is carried out by PCS.
- Reactive extrusion may be carried out in an extruder of any type, such as a single-screw extruder, a twin-screw co-rotating extruder or a twin-screw counter-rotating extruder. However, it is preferred to perform this reactive extrusion using a co-rotating extruder.
- the sample is first heated under a nitrogen atmosphere in an open crucible of 10 ° to 320 ° C. (1 ° C. to 10 ° C.), cooled to 10 ° C. (1 ° C. then heated to 320 'O under the same conditions as the first stage.
- the glass transition temperatures were taken at the midpoint of the second heating.
- the possible melting temperatures are determined on the endothermic peak (onset of the peak) in the first heating.
- the polymer thus obtained has a reduced viscosity of 1.23 dl / g, a Tg of 94.0% and a molar ratio of isosorbide to diols of 10.5 mole%.
- the ratio of diethylene glycol units relative to the diols is in turn 2.0 mol%.
- thermoplastic polyester P2 is prepared according to the protocol below. In an 8L reactor are added 1004 g of ethylene glycol, 322 g of isosorbide, 2656 g of terephthalic acid, 0.51 g of tetraethylammonium hydroxide solution, 1.6 g of Hostanox PEPQ, 1.6 g of Irganox 1010, 1.07 g of germanium dioxide, 0.74 g of cobalt acetate, 0.97 g of pentaerythritol, and 16.3 g of Talc (Steamic 00SF) previously dispersed in ethylene glycol.
- ethylene glycol 1004 g of ethylene glycol, 322 g of isosorbide, 2656 g of terephthalic acid, 0.51 g of tetraethylammonium hydroxide solution, 1.6 g of Hostanox PEPQ, 1.6 g of Irganox 1010, 1.07 g of germanium dioxide, 0.
- the poly (ethylene-co-isosorbide) terephthalate resin thus obtained has a reduced viscosity of 0.63 dL / g, a Tg of 89.0% and a molar ratio of isosorbide to diols of 9.8 moles. %.
- the ratio of diethylene glycol units relative to the diols is in turn 2.4 mol%.
- the poly (ethylene-co-isosorbide) terephthalate resin thus obtained has a reduced viscosity of 0.63 dl / g, a Tg of 89.9 ° and a molar ratio of isosorbide to diols of 8.7 moles. % and a ratio of diethylene glycol units of 2.2 mole% relative to the diols.
- the cracking test implemented is based on ISO 22088: Determination of stress cracking in a given environment, Part 3: Method of the curved specimen.
- Thermoplastic polyester PI, PI ', P2, P2', P3 and P3 ' are dried under vacuum at 150' 0 and then injected in the form of test pieces 5A. The test pieces are then placed on the test supports.
- thermoplastic polyester according to the invention has no crack even after 5 weeks of exposure.
- thermoplastic polyester P3 has microcracks after 4 weeks and cracks after 5 weeks of exposure.
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Abstract
La présent invention se rapporte au domaine des polymères et concerne particulièrement un polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration, son procédé de fabrication ainsi que son utilisation pour la 5 fabrication d'articles plastiques. Le polyester thermoplastique comprend au moins un motif 1,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A), au moins un motif diol (B), autre que le motif 1,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A), au moins un motif acide dicarboxylique aromatique (C) et au moins un agent branchant, et présente une viscosité réduite en solution d'au moins 0,75 dL/g et d'au plus 1,5 dL/g. Ce polyester thermoplastique présente l'avantage 10 d'être particulièrement résistant au phénomène de fissuration et présente également des temps d'estérification et de polycondensation améliorés lors de son procédé de préparation.
Description
Polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration
Domaine de l’invention
La présent invention se rapporte au domaine des polymères et concerne particulièrement un polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration, son procédé de fabrication ainsi que son utilisation pour la fabrication d’articles plastiques.
Arrière-plan technologique de l’invention
Au fil du temps, les matières plastiques sont devenues incontournables et font partie du quotidien de millions de personnes. Les matières plastiques sont généralement un mélange de polymère susceptible d’être moulé, façonné, souvent à chaud et sous pression, afin d’obtenir des articles semi-finis ou finis. En raison de leur caractère, les matières plastiques peuvent être transformées à des cadences élevées en toutes sortes d’objets et trouvent ainsi des applications dans des domaines divers et variés. Certains polymères, en particulier les polyesters aromatiques, présentent des propriétés thermiques leur permettant d’être utilisés directement pour la fabrication de matériaux. Il s’agit par exemple du polyéthylène téréphtalate (PET). Toutefois, pour certaines applications ou dans certaines conditions d’utilisation, les propriétés du PET, notamment la résistance au choc ou la tenue thermique, nécessitent d’être améliorées. C’est ainsi que des PET modifiés glycol (PETg) ont été développés. Ce sont généralement des polyesters comprenant, en plus des motifs éthylène glycol et acide téréphtalique, des motifs cyclohexanediméthanol (CHDM). L’introduction de ce diol dans le PET lui permet d’adapter les propriétés à l’application visée, par exemple d’améliorer sa résistance au choc ou ses propriétés optiques.
D’autres PET modifiés ont également été développés en introduisant dans le polyester des motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol, notamment de l’isosorbide (PEIT). Ces polyesters modifiés présentent des températures de transition vitreuse plus élevées que les PET non modifiés ou les PETg comprenant des motifs cyclohexanediméthanol. En outre, les 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitols présentent l’avantage de pouvoir être obtenus à partir de ressources renouvelables telles que l’amidon.
Comme mentionné précédemment, il est parfois nécessaire d’adapter les propriétés du polyester afin que ce dernier soit compatible avec les contraintes imposées par certains procédés et par les applications qui en sont faites.
Par exemple, sous des contraintes environnementales comme l’action d’un stress chimique, tels que provoqué par la soude ou les terpènes, ou l’action d’un stress physique, tel qu’une contrainte mécanique, des déformations peuvent se manifester par l’intermédiaire de bandes de cisaillement, de craquelures ou de fissurations, que l’on appelle également phénomène de fissuration. Ce phénomène contribue à l’augmentation des irrégularités structurales et mène à une accélération d’endommagement et à une rupture fragile ou une instabilité plastique du polyester. Ainsi, l’augmentation de la résistance des polyesters à ce phénomène de fissuration relève donc d’un intérêt tout particulier.
A ce titre, la publication de Sanches et al. « Environmental stress cracking behavior of bottle and fiber grade poly(ethylene terephthalate) », Polymer Engineering and Science (2008), 48(10), 1953-1952, décrit par exemple que la résistance au phénomène de fissuration des bouteilles peut être améliorée en augmentant notamment la masse molaire et le degré de cristallinité du polyéthylène téréphtalate.
Le document WO2014/183812 décrit une méthode de fabrication d’une bouteille de PET ayant une résistance améliorée au phénomène de fissuration sous contrainte environnementale. Particulièrement, il est décrit une méthode au sein de laquelle les parties amorphes de la bouteille en PET, ou les parties présentant un faible degré de cristallinité, sont traitées par application d’un solvant organique ou une solution aqueuse d’un solvant organique. Le solvant organique étant choisi parmi l’acétone, l’acétate d’éthyle, le pentan-2-one, le toluène, le propan-2-ol, le pentane, le méthanol et leurs mélanges.
Cette méthode présente cependant un double inconvénient en termes de coût et de temps en ce qu’elle nécessite l’utilisation d’un solvant organique et la mise en oeuvre d’une étape supplémentaire dans le procédé de fabrication de la bouteille via l’intermédiaire de l’application dudit solvant sur ladite bouteille. Ainsi, la bouteille ne possède pas intrinsèquement les propriétés de résistance au phénomène de fissuration.
La publication de Demirel et al. « Experimental study of preform reheat température in two-stage injection stretch blow molding », Polymer Engineering and Science (2013), 53(4), 868-873, décrit que la diminution des températures de rechauffage couplée et un maintien des profils de températures des préformes, assurent une grande résistance au phénomène de fissuration dans des bouteilles obtenues par injection soufflage en deux étapes. Des conditions de mises en oeuvre particulières au sein des procédés de fabrication des bouteilles en PET qui permettent de limiter le phénomène
de fissuration ont également été investiguées dans d’autres publications, comme par exemple la publication de Zagarola et al. « Blow and injection molding process set-ups play a key rôle in stress crack résistance for PET bottles for carbonated beverages ».
Cependant, bien que des solutions soient présentent, il existe toujours un besoin de développer des alternatives permettant de limiter le phénomène de fissuration, notamment dans les polyesters thermoplastiques comprenant des motifs 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitol pour lesquels aucune solution n’est développée à ce jour.
Ainsi, il est du mérite de la demanderesse d’avoir pu développer un nouveau polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration. Ce polyester thermoplastique étant également particulièrement avantageux en ce qu’il présente des temps de polymérisation et d’estérification plus courts que les polyesters thermoplastiques déjà connus.
Résumé de l’invention
Un premier objet de l’invention concerne un polyester thermoplastique comprenant :
- au moins un motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A),
- au moins un motif diol (B), autre que le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A),
- au moins un motif acide dicarboxylique aromatique (C),
ledit polyester thermoplastique étant caractérisé en ce qu’il comprend un agent branchant et en ce qu’il présente une viscosité réduite en solution d’au moins 0,75 dl_/g et d’au plus 1 ,5 dl_/g mesurée à l’aide d’un viscosimètre capillaire Ubbelohde à 25^ dans un mélange équimassique de phénol et d’ortho-dichlorobenzène après dissolution du polymère à 135 °C sous agitation, la concentration de polyester thermoplastique introduit étant de 5 g/L.
Ce polyester thermoplastique présente l’avantage d’être particulièrement résistant au phénomène de fissuration et présente également des temps d’estérification et de polycondensation améliorés. En effet, le polyester thermoplastique selon l’invention possède un temps de polycondensation plus court que les polyesters thermoplastiques équivalents à base de 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol ne contenant pas d’agent branchant.
Un second objet de l’invention concerne un procédé de fabrication du polyester thermoplastique précédemment mentionné, ledit procédé comprenant :
• une étape d’introduction dans un réacteur de monomères comprenant au moins un 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A), au moins un diol (B) autre que les 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitols (A) et au moins un acide téréphtalique (C), le ratio molaire ((A)+(B))/(C) allant de 1 ,05 à 1 ,5 ;
• une étape d’introduction dans le réacteur d’un agent branchant ;
• une étape d’introduction dans le réacteur d’un système catalytique ;
• une étape de polymérisation desdits monomères en présence de l’agent branchant pour former le polyester thermoplastique, ladite étape consistant en :
■ un premier stade d’oligomérisation pendant lequel le milieu réactionnel est agité sous atmosphère inerte à une température allant de 230 à 280‘O, avantageusement de 250 à 260‘O, par exemple 255 °C ;
■ un second stade de condensation des oligomères pendant lequel les oligomères formés sont agités sous vide à une température allant de 240 à 300‘O afin de former le polyester thermoplastique, avantageusement de 260 à 270‘O, par exemple 265‘Ό ;
• une étape de récupération du polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration.
• optionnellement, une étape de post condensation à l’état solide du polyester thermoplastique récupéré.
Enfin, un autre objet de l’invention concerne l’utilisation d’un polyester thermoplastique tel que défini précédemment pour la fabrication d’un article plastique, semi-fini ou fini. Cette utilisation est particulièrement avantageuse car en raison des propriétés améliorées du polyester thermoplastique selon l’invention, les articles plastiques obtenus présentent une meilleure résistance au phénomène de fissuration.
Description détaillée de l’invention
Un premier objet de l’invention concerne un polyester thermoplastique comprenant :
- au moins un motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A),
- au moins un motif diol (B), autre que le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A),
- au moins un motif acide dicarboxylique aromatique (C),
ledit polyester thermoplastique étant caractérisé en ce qu’il comprend un agent branchant et une viscosité réduite en solution d’au moins 0,75 dL/g et d’au plus 1 ,5 dl_/g mesurée à l’aide d’un viscosimètre capillaire Ubbelohde à 25‘O dans un mélange équimassique de phénol et d’ortho-dichlorobenzène après dissolution du polymère à 135 °C sous agitation, la concentration de polyester thermoplastique introduit étant de 5 g/L.
D’une manière surprenante, la Demanderesse a constaté que la présence d’un agent branchant permettait de prévenir, ou tout du moins de limiter, les phénomènes de
fissurations dans un polyester thermoplastique comprenant un motif 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitol. Le polyester thermoplastique selon la présente invention présente ainsi la particularité d’avoir une grande résistance au phénomène de fissuration. Sans vouloir être lié par une quelconque théorie, il semble que l’utilisation d’un tel agent branchant dans le polyester thermoplastique permettrait de créer des ramifications entre les différents motifs et de favoriser la relaxation des contraintes pouvant être imposées au polyester thermoplastique. Cette relaxation a pour conséquence visible la diminution, voir la prévention du phénomène de fissuration.
D’une manière également surprenante, la Demanderesse a constaté que la présence d’un agent branchant permettait de diminuer les temps d’estérification et de polycondensation du polyester thermoplastique ce qui représente un avantage en termes de procédé de fabrication. A la connaissance de la Demanderesse, c’est la première fois que la combinaison d’une résistance améliorée aux fissurations et d’un temps d’estérification et de polycondensation plus rapide est développée et mise en évidence au sein d’un seul et même polyester thermoplastique comprenant un motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol. De même, comparativement à des polyesters à base de PET, le polyester thermoplastique selon l’invention présente une tenue thermique améliorée.
Le polyester thermoplastique selon la présente invention comprend donc un agent branchant. L’agent branchant peut être choisi dans le groupe comprenant l’acide malique, le sorbitol (D-Glucitol), le glycérol, le pentaérythritol, l’anhydride pyromellitique (1 H,3H-furo[3,4-f][2]benzofurane-1 ,3,5,7-tétrone), l’acide pyromellitique (acide 1 ,2,4,5- benzènetétracarboxylique), l’anhydride triméllitique, l’acide trimésique (acide 1 ,3,5- benzènetricarboxylique), l’acide citrique, le triméthylolpropane (2-éthyl-2- (hydroxyméthyl)propane-1 ,3-diol), et leurs mélanges. De préférence, l’agent branchant est le pentaerythritol.
La quantité massique d’agent branchant au sein du polyester thermoplastique selon l’invention est comprise de 0,001 à 1 % par rapport à la quantité massique totale du polyester thermoplastique. De préférence, la quantité d’agent branchant est comprise de 0,005 à 0,5 %, de préférence encore, de 0,01 à 0,05 %, comme par exemple environ 0,03 % par rapport à la quantité massique totale du polyester thermoplastique.
Le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) du polyester thermoplastique selon l’invention peut être l’isosorbide, l’isomannide, l’isoidide, ou un de leurs mélanges. De préférence, le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) est l’isosorbide. L’isosorbide, l’isomannide et l’isoidide peuvent être obtenus respectivement par déshydratation de sorbitol, de
mannitol et d’iditol. En ce qui concerne l’isosorbide, il est commercialisé par la Demanderesse sous le nom de marque POLYSORB® P.
Le motif diol (B) du polyester thermoplastique selon l’invention peut être un motif diol alicyclique, un motif diol aliphatique non cyclique ou un mélange d‘un motif diol alicyclique et d’un motif diol aliphatique non cyclique.
Dans le cas d’un motif diol alicyclique, également appelé diol aliphatique et cyclique, il s’agit d’un motif différent du 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol. Il peut ainsi s’agir d’un diol choisi dans le groupe comprenant le 1 ,4-cyclohexanedimethanol, le 1 ,2- cyclohexanedimethanol, le 1 ,3-cyclohexanedimethanol ou un mélange de ces diols. De préférence, le motif diol alicyclique est le 1 ,4-cyclohexanedimethanol. Le motif diol alicyclique (B) peut être dans la configuration c/s, dans la configuration trans ou peut être un mélange de diols en configuration c/s et trans.
Dans le cas d’un motif diol aliphatique non cyclique, il peut s’agir d’un diol aliphatique non cyclique linéaire ou ramifié, ledit diol aliphatique non cyclique pouvant également être saturé ou insaturé. Un diol aliphatique non cyclique linéaire saturé est par exemple l’éthylène glycol, le 1 ,3-propanediol, le 1 ,4-butanediol, le 1 ,5-pentanediol, le 1 ,6- hexanediol, le 1 ,8-octanediol et/ou le 1 ,10-decanediol. Un diol aliphatique non cyclique ramifié saturé est par exemple le 2-methyl-1 ,3-propanediol, le 2,2,4-trimethyl-1 ,3- pentanediol, le 2-ethyl-2-butyl-1 ,3-propanediol, le propylèneglycol et/ou le néopentylglycol. Un motif diol aliphatique insaturé est par exemple le cis-2-butene-1 ,4- diol. De préférence, le motif diol aliphatique non cyclique est l’éthylène glycol.
Le motif acide dicarboxylique aromatique (C) est choisi parmi les acides dicarboxyliques aromatiques connus de l’homme du métier. L’acide dicarboxylique aromatique peut être un dérivé des naphtalates, téréphtalates, furanoates ou encore d’isophtalates ou leurs mélanges. Avantageusement, l’acide dicarboxylique aromatique est un dérivé des téréphtalates et de préférence, l’acide dicarboxylique aromatique est l’acide téréphtalique.
Le ratio molaire motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) / somme des motifs 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitol (A) et des motifs diols (B) autre que les motifs 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitol (A), soit (A)/[(A)+(B)], est d’au moins 0,01 et d’au plus 0,90. Avantageusement, ce ratio est d’au moins 0,05 et d’au plus 0,65.
Le polyester thermoplastique selon l’invention présente une viscosité réduite en solution, mesurée à l’aide d’un viscosimètre capillaire Ubbelohde à 25°C dans un mélange équimassique de phénol et d’ortho-dichlorobenzène après dissolution du polymère à 135 °C sous agitation, la concentration de polyester thermoplastique
introduit étant de 5 g/L, d’au moins 0,75 dL/g et d’au plus 1 ,5 dL/g. De préférence, la viscosité réduite en solution est d’au moins 0,90 dL/g et d’au plus 1 ,3 dl_ g
Selon un mode de réalisation particulier, dans le polyester thermoplastique selon l’invention, le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) est l’isosorbide, le motif diol (B) est le cyclohexanediméthanol, et le motif acide dicarboxylique aromatique (C) est l’acide téréphtalique.
Selon un autre mode de réalisation particulier, dans le polyester thermoplastique selon l’invention, le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) est l’isosorbide, le motif diol (B) est l’éthylène glycol, et le motif acide dicarboxylique aromatique (C) est l’acide téréphtalique.
Le polyester thermoplastique de l’invention peut par exemple comprendre :
- une quantité molaire de motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) allant de 1 à 50% ;
- une quantité molaire de motifs diol (B) autre que les motifs 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitol (A) allant de 5 à 54% ;
- une quantité molaire de motifs acide téréphtalique (C) allant de 45 à 55%,
- une quantité massique d’agent branchant par rapport à la masse de polymère 0,001 à 1 %.
Les quantités des motifs étant exprimées par rapport à la quantité molaire totale du polyester thermoplastique et peuvent être déterminées par RMN 1 H ou par analyse chromatographique du mélange de monomères issus d’une méthanolyse ou d’une hydrolyse complète du polyester. De préférence, les quantités en différents motifs dans le polyester thermoplastique sont déterminées par RMN 1H.
Le polyester thermoplastique selon l’invention peut être semi-cristallin ou amorphe. Le caractère semi-cristallin du polymère dépend principalement des quantités en chacun des motifs dans le polymère. Ainsi, lorsque le polymère selon l’invention comprend de grandes quantités de motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A), le polymère est généralement amorphe, alors qu’il est généralement semi-cristallin dans le cas inverse.
Selon un mode de réalisation particulier, le polyester thermoplastique selon l’invention est semi-cristallin et peut ainsi comprendre :
- une quantité molaire de motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) allant de 0,5 à 10 moles % et de préférence, une quantité molaire de 1 à 7 moles
O/
/o ,
- une quantité molaire de motifs diol (B) autre que les motifs 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitol (A) allant de 25 à 54,5 moles % et de préférence, une quantité molaire allant de 31 à 54 moles % ;
- une quantité molaire de motifs acide téréphtalique (C) allant de 45 à 55 moles %,
- une quantité massique d’agent branchant par rapport à la masse de polymère de 0,001 à 1 %.
De préférence, lorsque le polyester thermoplastique selon l’invention est semi-cristallin, il présente une température de fusion allant de 190 à 270 °C, par exemple de 210 à 260 °C.
De préférence, lorsque le polyester thermoplastique selon l’invention est semi-cristallin, il présente une température de transition vitreuse allant de 75 à 120°C, par exemple de 80 à 100°C.
Les températures de transition vitreuse et de fusion sont mesurées par les méthodes classiques, notamment en utilisant la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) avec une vitesse de chauffe de l O'O/min. Le protocole expérimental est détaillé dans la partie exemples ci-après.
Avantageusement, lorsque le polyester thermoplastique selon l’invention est semi- cristallin, il présente une chaleur de fusion supérieure à 10 J/g, de préférence supérieure à 30 J/g, la mesure de cette chaleur de fusion consistant à faire subir à un échantillon de ce polyester thermoplastique un traitement thermique à 170°C pendant 10 heures puis à évaluer la chaleur de fusion par DSC en chauffant l’échantillon à 10°C/min.
Enfin, le polyester thermoplastique selon ce mode de réalisation présente notamment une clarté L* supérieure à 40. Avantageusement, la clarté L* est supérieure à 55, de préférence supérieure à 60, tout préférentiellement supérieure à 65, comme par exemple supérieure à 70. Le paramètre L* peut être déterminé à l’aide d’un spectrophotomètre, en utilisant le modèle CIE Lab.
Selon un autre mode de réalisation, le polyester thermoplastique selon l’invention est amorphe et peut ainsi comprendre :
- une quantité molaire de motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) allant de 1 1 à 54 moles %, et de préférence, une quantité allant de 1 1 à 40 moles
O/
/o ,
- une quantité molaire de motifs diol alicyclique (B) autre que les motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) allant de 1 à 44 moles %, et de préférence, une quantité molaire allant de 15 à 44 moles % ;
- une quantité molaire de motifs acide téréphtalique (C) allant de 45 à 55 moles %,
- une quantité massique d’agent branchant par rapport à la masse de polymère de 0,001 à 1 %.
De préférence, lorsque le polyester thermoplastique selon l’invention est amorphe, il présente une température de transition vitreuse allant de 100 à 210qC, par exemple de 1 10 à 160°C.
Le polyester thermoplastique selon l’invention peut être de faible coloration et notamment présenter une clarté L* supérieure à 50. Avantageusement, la clarté L* est supérieure à 55, de préférence supérieure à 60, tout préférentiellement supérieure à 65, par exemple supérieure à 70.
Le caractère amorphe des polyesters thermoplastiques utilisés selon la présente invention se caractérise, par l’absence de raies de diffraction aux rayons X ainsi que par l’absence d’un pic de fusion endothermique en Analyse Calorimétrique Différentielle à Balayage.
Comme précédemment mentionné, polyester thermoplastique présente l’avantage d’être particulièrement résistant au phénomène de fissuration mais présente également des temps d’estérification et de polycondensation améliorés. En effet, le polyester thermoplastique selon l’invention possède des temps d’estérification et de polycondensation plus courts que les polyesters thermoplastiques équivalents à base de 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol ne contenant pas d’agent branchant.
Ainsi, un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un polyester thermoplastique selon l’invention, ledit procédé comprenant :
• une étape d’introduction dans un réacteur de monomères comprenant au moins un 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A), au moins un diol (B) autre que les 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitols (A) et au moins un acide téréphtalique (C), le ratio molaire ((A)+(B))/(C) allant de 1 ,05 à 1 ,5 ;
• une étape d’introduction dans le réacteur d’un agent branchant ;
• une étape d’introduction dans le réacteur d’un système catalytique ;
• une étape de polymérisation desdits monomères en présence de l’agent branchant pour former le polyester thermoplastique, ladite étape consistant en :
■ un premier stade d’oligomérisation pendant lequel le milieu réactionnel est agité sous atmosphère inerte à une température allant de 230 à 280 'Ό, avantageusement de 250 à 260 'Ό, par exemple 255 °C ;
■ un second stade de condensation des oligomères pendant lequel les oligomères formés sont agités sous vide à une température allant de 240 à 300‘O afin de former le polyester thermoplastique, avantageusement de 260 à 270 'Ό, par exemple 265‘Ό ;
• une étape de récupération du polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration.
• et optionnellement, une étape de post condensation à l’état solide du polyester thermoplastique récupéré.
Le premier stade d’oligomérisation du procédé se fait en atmosphère inerte, c’est-à- dire sous atmosphère d’au moins un gaz inerte. Ce gaz inerte peut notamment être du diazote. Ce premier stade peut se faire sous flux de gaz et il peut également se faire sous pression, par exemple à une pression absolue comprise entre 1 ,05 et 8 bars.
De préférence, la pression absolue va de 2 à 8 bars, tout préférentiellement de 2 à 6 bars, par exemple 3 bars. Dans ces conditions de pression préférées, on favorise la réaction de l’ensemble des monomères entre eux en limitant la perte de monomères lors de ce stade.
Préalablement au premier stade d’oligomérisation, une étape de désoxygénation des monomères est préférentiellement réalisée. Elle peut se faire par exemple une fois les monomères introduits dans le réacteur, en réalisant un vide puis en y introduisant un gaz inerte tel que l’azote. Ce cycle vide-introduction de gaz inerte peut être répété à plusieurs reprises, par exemple de 3 à 5 fois. De préférence, ce cycle vide-azote est réalisé à une température entre 60 et 80‘O afin que les réactifs, et notamment les diols, soient totalement fondus. Cette étape de désoxygénation présente l’avantage d’améliorer les propriétés de coloration du polyester thermoplastique obtenu à la fin du procédé.
Le second stade de condensation des oligomères se fait sous vide. La pression peut diminuer au cours de ce second stade de manière continue en utilisant des rampes de baisse de pression, par paliers ou encore en utilisant une combinaison de rampes de baisse de pression et de paliers. De préférence, à la fin de ce second stade, la pression est inférieure à 10 mbar, tout préférentiellement inférieure à 1 mbar. Comme
précédemment mentionné, il a été constaté de manière surprenante que la présence de l’agent branchant permettait d’obtenir un temps plus court au niveau de cette étape de polycondensation.
Le premier stade de l’étape de polymérisation a de préférence une durée allant de 20 minutes à 5 heures. Avantageusement, le second stade a une durée allant de 30 minutes à 6 heures, le début de ce stade consistant au moment où le réacteur est placé sous vide, c’est-à-dire à une pression inférieure à 1 bar.
Le procédé comprend en outre une étape d’introduction dans le réacteur d’un système catalytique. Cette étape peut se dérouler préalablement ou pendant l’étape de polymérisation décrite précédemment.
On entend par système catalytique, un catalyseur ou un mélange de catalyseurs, éventuellement dispersé(s) ou fixé(s) sur un support inerte.
Le catalyseur est utilisé dans des quantités adaptées pour obtenir un polymère de haute viscosité pour l’obtention de la composition polymère.
On utilise avantageusement lors du stade d’oligomérisation un catalyseur d’estérification. Ce catalyseur d’estérification peut être choisi parmi les dérivés d’étain, de titane, de zirconium, d’hafnium, de zinc, de manganèse, de calcium, de strontium, des catalyseurs organiques comme l’acide para-toluène sulfonique (APTS), l'acide méthane sulfonique (AMS) ou un mélange de ces catalyseurs. A titre d’exemple de tels composés, on peut citer ceux donnés dans la demande US201 1282020A1 aux paragraphes [0026] à [0029], et à la page 5 de la demande WO 2013/062408 A1.
De préférence, on utilise lors du premier stade de transestérification, un dérivé de zinc, ou un dérivé de manganèse d’étain ou de germanium.
A titre d’exemple de quantités massiques, on peut utiliser de 10 à 500 ppm de métal contenu dans le système catalytique lors du stade d’oligomérisation, par rapport à la quantité de monomères introduits.
En fin de transestérification, le catalyseur de la première étape peut être optionnellement bloqué par l’ajout d’acide phosphoreux ou d’acide phosphorique, ou alors comme dans le cas de l’étain (IV) réduit par des phosphites tels que le phosphite de triphenyle ou les phosphite des tris(nonylephenyle) ou ceux cités au paragraphe [0034] de la demande US201 1282020A1.
Le second stade de condensation des oligomères peut optionnellement être réalisé avec l’ajout d’un catalyseur. Ce catalyseur est avantageusement choisi parmi les dérivés d’étain, préférentiellement d’étain, de titane, de zirconium, de germanium,
d’antimoine, de bismuth, d’hafnium, de magnésium, de cérium, de zinc, de cobalt, de fer, de manganèse, de calcium, de strontium, de sodium, de potassium, d’aluminium, de lithium ou d’un mélange de ces catalyseurs. Des exemples de tels composés peuvent être par exemple ceux donnés dans le brevet EP 1882712 B1 aux paragraphes [0090] à [0094]
De préférence, le catalyseur est un dérivé d’étain, de titane, de germanium, d’aluminium ou d’antimoine.
A titre d’exemple de quantités massiques, on peut utiliser de 10 à 500 ppm de métal contenu dans le système catalytique lors du stade de condensation des oligomères, par rapport à la quantité de monomères introduits.
Tout préférentiellement, on utilise un système catalytique lors du premier stade et du second stade de polymérisation. Ledit système est avantageusement constitué d’un catalyseur à base d’étain ou d’un mélange de catalyseurs à base d’étain, de titane, d’antimoine de germanium et d’aluminium.
A titre d’exemple, on peut utiliser une quantité massique de 10 à 500 ppm de métal contenu dans le système catalytique, par rapport à la quantité de monomères introduits.
Selon le procédé de préparation, on utilise avantageusement un anti-oxydant lors de l’étape de polymérisation des monomères. Ces anti-oxydants permettent de réduire la coloration du polyester thermoplastique obtenu. Les anti-oxydants peuvent être des anti-oxydants primaires et/ou secondaires. L’anti-oxydant primaire peut être un phénol encombré stériquement tels que les composés Hostanox® 0 3, Hostanox® 0 10, Hostanox® 0 16, Hostanox 03, Ultranox® 210, Ultranox®276, Dovernox® 10, Dovernox® 76, Dovernox® 31 14, Irganox® 1010, Irganox® 1076, Irganox 3790, Irganox 1 135, Irganox 1019, Irganox 1098, Ethanox 330, ADK Stab AO-80 ou un phosphonate tel que l’Irgamod® 195. L’anti-oxydant secondaire peut être des composés phosphorés trivalents tels que Ultranox® 626, Doverphos® S-9228, Hostanox® P-EPQ, ADK Stab PEP-36A, ADK Stab PEP-8, ADK Stab 3010, Alkanox TNPP, Weston 600 ou l’Irgafos 168.
Il est également possible d’introduire, comme additif de polymérisation dans le réacteur, au moins un composé susceptible de limiter les réactions parasites d’éthérification tel que l’acétate de sodium, le tétraméthylammonium hydroxyde ou le tétraéthylammonium hydroxyde.
De même, il est également possible d’introduire dans le réacteur un ou plusieurs agents nucléants. L’agent nucléant peut être organique ou minéral et peut aussi bien
être ajouté dans le réacteur avant l’étape de polymérisation que pendant l’étape de polymérisation. Parmi les agents nucléants on peut citer : le talc, le carbonate de calcium, le benzoate de sodium, le stéarate de sodium, ainsi que les produits commerciaux Licomont®, Bruggolen®, et l’ADK Stab NA-05®.
Enfin, le procédé comprend une étape de récupération du polyester thermoplastique à l’issue de l’étape de polymérisation. Le polyester thermoplastique ainsi récupéré peut ensuite être mis en forme tel que décrit précédemment.
Selon un mode de réalisation particulier, une étape d’augmentation de masse molaire peut être réalisée après l’étape de récupération du polyester thermoplastique.
L’étape d’augmentation de masse molaire est réalisée par post-polymérisation et peut consister en une étape de polycondensation à l’état solide (PCS) du polyester thermoplastique semi-cristallin ou en une étape d’extrusion réactive du polyester thermoplastique semi-cristallin en présence d’au moins un allongeur de chaîne.
Ainsi, selon une première variante du mode de réalisation, lorsque le polyester est semi-cristallin, l’étape de post-polymérisation est réalisée par PCS.
La PCS est généralement réalisée à une température comprise entre la température de transition vitreuse et la température de fusion du polymère. Ainsi, pour réaliser la PCS, il est nécessaire que le polymère soit semi-cristallin. De préférence, ce dernier présente une chaleur de fusion supérieure à 10 J/g, de préférence supérieure à 20 J/g, la mesure de cette chaleur de fusion consistant à faire subir à un échantillon de ce polymère de viscosité réduite en solution plus faible un traitement thermique à 170 °C pendant 16 heures puis à évaluer la chaleur de fusion par DSC en chauffant l’échantillon à 10 K min.
Avantageusement, l’étape de PCS est réalisée à une température allant de 190 à 280^, de préférence allant de 200 à 250 'Ό, cette étape devant impérativement être réalisée à une température inférieure à la température de fusion du polyester thermoplastique semi-cristallin. De préférence, cette étape est réalisée après une cristallisation du polymère. L’étape de PCS peut se faire en atmosphère en inerte, par exemple sous azote ou sous argon ou sous vide.
Selon cette première variante, il a été remarqué de manière surprenante que la présence de l’agent branchant permettait d’améliorer la vitesse de la PCS, réduisant ainsi considérablement le temps de cette étape, ce qui constitue un avantage non négligeable en termes de coût de mise en oeuvre du procédé de préparation. De même, lorsque d’une étape de cristallisation est mise en oeuvre pendant la PCS, la
présence de l’agent branchant permet également d’obtenir un temps de cristallisation plus court du polyester thermoplastique.
Selon une deuxième variante du mode de réalisation, l’étape de post-polymérisation est réalisée par extrusion réactive du polyester thermoplastique semi-cristallin ou amorphe en présence d’au moins un allongeur de chaîne.
L’allongeur de chaîne est un composé comprenant deux fonctions susceptibles de réagir, en extrusion réactive, avec des fonctions, alcool, acide carboxylique et/ou ester d’acide carboxylique du polyester thermoplastique semi-cristallin. L’allongeur de chaîne peut par exemple être choisi parmi les composés comprenant deux fonctions isocyanate, isocyanurate, lactame, lactone, carbonate, époxy, oxazoline et imide, lesdites fonctions pouvant être identiques ou différentes. L’allongement de chaîne du polyester thermoplastique peut être effectué dans tous les réacteurs aptes à mélanger un milieu très visqueux avec une agitation suffisamment dispersive pour assurer une bonne interface entre la matière fondue et le ciel gazeux du réacteur. Un réacteur particulièrement adapté à cette étape de traitement est l’extrusion.
L’extrusion réactive peut être réalisée dans une extrudeuse de tout type, notamment une extrudeuse mono-vis, une extrudeuse bi-vis co-rotatives ou une extrudeuse bi-vis contrarotatives. Toutefois, on préfère réaliser cette extrusion réactive en utilisant une extrudeuse co-rotative.
L’étape d’extrusion réactive peut se faire en :
• introduisant le polymère dans l’extrudeuse de manière à faire fondre ledit polymère ;
• puis introduisant dans le polymère fondu l’allongeur de chaîne ;
• puis faisant réagir dans l’extrudeuse le polymère avec l’allongeur de chaîne ;
• puis récupérant le polyester thermoplastique semi-cristallin ou amorphe obtenu à l’étape d’extrusion.
Lors de l’extrusion, la température à l’intérieur de l’extrudeuse est réglée de manière à être à supérieure à la température de fusion du polymère. La température à l’intérieur de l’extrudeuse peut aller de 150 à 320 °C.
Le polyester thermoplastique obtenu après l’étape d’augmentation de masse molaire est récupéré puis mis en forme tel que décrit précédemment.
Un autre objet de l’invention concerne l’utilisation d’un polyester thermoplastique tel que défini précédemment pour la fabrication d’un article plastique, semi-fini ou fini.
L’article plastique peut être de tout type et être obtenu en utilisant les techniques classiques de transformation.
L’article selon l’invention peut par exemple être un film ou une feuille. Ces films ou feuilles peuvent être fabriqués par les techniques de calandrage, d’extrusion film cast, d’extrusion soufflage de gaine suivies ou non de techniques d’étirage ou d’orientation mono axiales ou polyaxiales. Ces feuilles peuvent être thermoformées ou injectées pour être employées par exemple pour des pièces comme les hublots ou capots de machines, le corps de différents appareils électroniques (téléphones, ordinateurs, écrans), ou encore comme vitres résistantes aux impacts.
D’une manière particulièrement avantageuse, l’article plastique fabriqué à partir du polyester thermoplastique selon l’invention peut être un récipient pour transporter des gaz, des liquides et/ou des solides. En effet, par l’intermédiaire des propriétés du polyester thermoplastique selon l’invention, ces articles plastiques qui sont généralement soumis à des contraintes environnementales de stress-physique ou d’un stress chimique par l’intermédiaire respectivement de la pression ou de la composition des contenus, présentent une résistance accrue aux phénomènes de fissuration.
De tel exemple de récipients sont par exemple des biberons, des gourdes, des bouteilles, par exemple de bouteilles d’eau gazeuse ou non, de bouteilles de jus, de bouteilles de soda, de bombonnes, de bouteilles de boissons alcoolisées, de flacons, par exemple de flacons de médicament, de flacons de produits cosmétiques, ces flacons pouvant être des aérosols, des plats, par exemple pour plats cuisinés, de plats pour micro-ondes ou encore de couvercles. Ces récipients peuvent être de toute taille et peuvent être fabriqués par les techniques connues de l’homme du métier comme par exemple l’extrusion soufflage, le thermoformage ou encore, l’injection soufflage.
L’invention est également décrite par l’intermédiaire des exemples ci-après, qui se veulent purement illustratifs et ne limitent en rien la portée de la présente invention.
Exemples
Les propriétés des polymères ont été analysées par l’intermédiaire des méthodes suivantes :
La viscosité réduite en solution
Evaluée à l'aide d'un viscosimètre capillaire Ubbelohlde à 25°C dans un mélange équimassique de phénol et d'ortho-dichlorobenzène après dissolution du polymère à 135‘O sous agitation. Pour ces mesures, la concentration de polymère introduite est de 5 g/L.
Couleur du polymère
Mesurée sur les granulés de polyester thermoplastique à l'aide d'un spectrophotomètre Konica Minolta CM-2300d en utilisant le modèle CIE Lab.
Le phénomène de fissuration
Mesuré selon la norme ISO 22088-3 :2006 relative à la détermination de la fissuration sous contrainte dans un environnement donné par la méthode de l’éprouvette courbée.
DSC
L’échantillon est tout d’abord chauffé sous atmosphère d’azote dans un creuset ouvert de 10 à 320 'O (l O'O.min-l ), refroidi à 10°C (l O'O.min-l ) puis réchauffé à 320 'O dans les mêmes conditions que la première étape. Les températures de transition vitreuse ont été prises au point médian (en anglais mid-point) du second chauffage. Les températures de fusion éventuelles sont déterminées sur le pic endothermique (début du pic (en anglais, onset)) au premier chauffage.
De même la détermination de l’enthalpie de fusion (aire sous la courbe) est réalisée au premier chauffage.
Les réactifs suivants ont été utilisés :
Monomères :
- Acide téréphtalique (pureté 99+%) de Accros
- Isosorbide (pureté >99,5%) Polysorb® P de Roquette Frères
- Ethylène glycol (pureté >99,8%) de Sigma-Aldrich
Catalyseurs :
- Dioxyde de germanium (>99,99%) de Sigma Aldrich
Additifs de polymérisation :
- Irganox 1010 de BASF SE : Anti-oxydant
- Hostanox PEPQ de Clariant : Anti-oxydant
- Acétate de sodium trihydrate (pureté >99,0%) : additif de polymérisation limitant les réactions d'éthérification
- Tetraéthylammonium hydroxyde en solution à 40% dans l'eau de Sigma Aldrich : additif de polymérisation limitant les réactions d'éthérification
Agent branchant:
- Pentaerythritol (99%) de Sigma Aldrich
Agents nucléants:
- Steamic 00SF (Talc) de la société Imerys
- NA-05 de la société ADEKA.
Exemple 1 A : Préparation d’un polyester thermoplastique selon l’invention
Un polyester thermoplastique P1 est préparé selon le protocole ci-après. Dans un réacteur de 100 L sont ajoutés :
- 1 1 ,44 kg d'éthylène glycol,
- 3,67 kg d'isosorbide,
- 29,00 kg d'acide téréphtalique,
- 4,33 g de solution de tetraéthylammonium hydroxyde,
- 17,60 g d’Hostanox PEPQ,
- 17,60 g d’Irganox 1010,
- 1 1 ,59 g dioxyde de germanium,
- 2,65 g d’acétate de cobalt et
- 10,59 g de pentaerythritol. Pour extraire l'oxygène résiduel des cristaux d'isosorbide, 4 cycles vide-azote sont effectués entre 60 et 80 °C. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 255‘O (4°C/min) sous 3 bars de pression et sous agitation constante. Le taux d'estérification est estimé à partir de la quantité de distillât collectée.
La pression est ensuite réduite à 0,7 mbar en 15 minutes et la température est amenée à 265 qC. Ces conditions de vide et de température ont été maintenues pendant 1 10 min.
Enfin, un jonc de polymère est coulé par la vanne de fond du réacteur, refroidi dans un bac d'eau thermo-régulé et découpé sous forme de granulés.
La résine de poly(éthylène-co-isosorbide) téréphtalate ainsi obtenue a une viscosité réduite de 0,60 dL/g, une température de transition vitreuse (Tg) de 90,3^ et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 10,3 moles %.
Les granulés de polymère obtenus présentent les caractéristiques de coloration suivantes : L*=69,0, a*=0,1 et b*=-2,3. Les granulés ainsi obtenus sont soumis à un traitement de post condensation à l’état solide (PCS) suivant le protocole suivant :
12,5 kg de granulés du polymère précédent sont introduits dans un rotavapor de 50 L. L’huile du bain est ensuite rapidement portée à 120 °C puis est progressivement chauffée à 145°C jusqu’à obtenir une cristallisation optimale des granulés au bout de 5,3 heures. Cette étape est réalisée sous un flux d’azote au débit 7,3 L/min.
Ensuite, le ballon est chauffé à 220qC sous un flux d’azote de 1 1 ,0 L/min, pendant 47h.
Le polymère ainsi obtenu présente une viscosité réduite de 1 ,23 dl_/g, une Tg de 94,0‘O et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 10,5 moles %. Le taux de motifs diéthylène glycol par rapport aux diols est quant à lui de 2,0 moles %.
Les granulés de polymère obtenus présentent les caractéristiques de coloration suivantes : L*=87,8, a*=-0,2 et b*=0,6.
Exemple 1 B : préparation d’un polyester thermoplastique comparatif sans agent branchant.
Afin de servir de comparatif au polyester thermoplastique PI , un polyester thermoplastique P1’ a été préparé et les quantités des différents composés sont reprises ci-après :
- 1 1 ,44 kg d'éthylène glycol,
- 3,67 kg d'isosorbide,
- 29,00 kg d'acide téréphtalique,
- 4,33 g de solution de tetraéthylammonium hydroxyde,
- 17,60 g d’Hostanox PEPQ,
- 17,60 g d’Irganox 1010,
- 1 1 ,59 g dioxyde de germanium et,
- 2,65 g d’acétate de cobalt.
Pour extraire l'oxygène résiduel des cristaux d'isosorbide, 4 cycles vide-azote sont effectués entre 60 et 80 qC. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 255 ‘O (4°C/min) sous 3 bars de pression et sous agitation constante. Le taux d'estérification est estimé à partir de la quantité de distillât collectée.
Puis, la pression est réduite à 0.7 mbar en 15 minutes et la température amenée à 265 qC. Ces conditions de vide et de température ont été maintenues pendant 1 10 min. Enfin, un jonc de polymère est coulé par la vanne de fond du réacteur, refroidi dans un bac d'eau thermo-régulé et découpé sous forme de granulés. La résine de poly(éthylène-co-isosorbide) téréphtalate ainsi obtenue a une viscosité réduite de 0,57 dL/g, une Tg de 91 , O^ et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 10,3 moles %. Les granulés de polymère obtenus présentent les caractéristiques de coloration suivantes : L*=69,7, a*=0,0 et b*=-2,1.
Les granulés ainsi obtenus sont soumis à un traitement de post condensation à l’état solide suivant le protocole suivant :
12.5 kg de granulés du polymère précédent sont introduit dans un rotavapor de 50L. L’huile du bain est ensuite rapidement portée à 120 °C puis est progressivement chauffée à 145°C jusqu’à obtenir une cristallisation optimale des granulés au bout de
6.5 heures. Cette étape est réalisée sous un flux d’azote au débit 7,3 L/min. Ensuite, le ballon est chauffé à 220^ sous un flux d’azote de 1 1 ,0 L/min, pendant 60h.
Le polyester thermoplastique P1’ ainsi obtenu présente une viscosité réduite de 1 ,18 dL/g, une Tg de 94,0°C et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 10,5 moles %. Le taux de motifs diéthylène glycol par rapport aux diols est quant à lui de 2,0 moles %.
Les granulés de polymère obtenus présentent les caractéristiques de coloration suivantes : L*=86,1 , a*=-0,1 et b*=0,1 .
Exemple 2A : Préparation d’un polyester thermoplastique selon l’invention
Un polyester thermoplastique P2 est préparé selon le protocole ci-après. Dans un réacteur de 8L sont ajoutés 1004 g d'éthylène glycol, 322 g d'isosorbide, 2656 g d'acide téréphtalique, 0.51 g de solution de tetraéthylammonium hydroxyde, 1 ,6 g d’Hostanox PEPQ, 1 ,6 g d’Irganox 1010, 1 ,07 g dioxyde de germanium, 0,74 g d’acétate de cobalt, 0,97 g de pentaerythritol, et 16,3 g de Talc (Steamic 00SF) préalablement dispersé dans l’éthylène glycol.
Pour extraire l'oxygène résiduel des cristaux d'isosorbide, 4 cycles vide-azote sont effectués entre 60 et 80 qC. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 255 ‘O (4°C/min) sous 5,7 bars de pression et sous agitation constante. Le taux d'estérification est estimé à partir de la quantité de distillât collectée.
Puis, la pression est réduite à 0,7 mbar en 90 minutes et la température amenée à 265 qC. Ces conditions de vide et de température ont été maintenues pendant 125 min. Enfin, un jonc de polymère est coulé par la vanne de fond du réacteur, refroidi dans un bac d'eau thermo-régulé et découpé sous forme de granulés.
La résine de poly(éthylène-co-isosorbide) téréphtalate ainsi obtenue a une viscosité réduite de 0,61 dL/g, une Tg de QO,d'Ό et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux
diols de 10,1 moles %. Le taux de motifs diéthylène glycol par rapport aux diols est quant à lui de 2,2 moles %.
Les granulés ainsi obtenus sont soumis à un traitement de post condensation à l’état solide suivant le protocole suivant : 2,7 kg de granulés du polymère précédent sont introduit dans un rotavapor de 50L. L’huile du bain est ensuite rapidement portée à 120^ puis est progressivement chauffée à Mô'C jusqu’à obtenir une cristallisation optimale des granulés au bout de 3 heures. Cette étape est réalisée sous un flux d’azote au débit 3,3 L/min.
Ensuite le ballon est chauffé à 220°C sous un flux d’azote de 3,3L/min, pendant 31 h. Le polymère ainsi obtenu présente une viscosité réduite de 0,95 dL/g.
Exemple 2B : Préparation d’un polyester thermoplastique comparatif
Afin de servir de comparatif au polyester thermoplastique P2, un polyester thermoplastique P2’ a été préparé. Dans un réacteur de 8L sont ajoutés 1004 g d'éthylène glycol, 322 g d'isosorbide, 2656 g d'acide téréphtalique, 0,51 g de solution de tetraéthylammonium hydroxyde, 1 ,6 g d’Hostanox PEPQ, 1 ,6g d’Irganox 1010, 1 ,07 g dioxyde de germanium, 0,74 g d’acétate de cobalt et 16,3 g de Talc (Steamic 00SF) préalablement dispersé dans l’éthylène glycol.
Pour extraire l'oxygène résiduel des cristaux d'isosorbide, 4 cycles vide-azote sont effectués entre 60 et 80 qC. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 255 ‘O (4°C/min) sous 5,7 bars de pression et sous agitation constante. Le taux d'estérification est estimé à partir de la quantité de distillât collectée.
Puis, la pression est réduite à 0,7 mbar en 90 minutes et la température amenée à 265 qC. Ces conditions de vide et de température ont été maintenues pendant 200 min. Enfin, un jonc de polymère est coulé par la vanne de fond du réacteur, refroidi dans un bac d'eau thermo-régulé et découpé sous forme de granulés.
La résine de poly(éthylène-co-isosorbide) téréphtalate ainsi obtenue a une viscosité réduite de 0,63 dL/g, une Tg de 89,0‘O et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 9,8 moles %. Le taux de motifs diéthylène glycol par rapport aux diols est quant à lui de 2,4 moles %.
Les granulés ainsi obtenus sont soumis à un traitement de de post condensation à l’état solide suivant le protocole suivant : 2,8 kg de granulés du polymère précédent sont introduit dans un rotavapor de 50L. L’huile du bain est ensuite rapidement portée
à 120 °C puis est progressivement chauffée à 145°C jusqu’à obtenir une cristallisation optimale des granulés au bout de 4,3 heures. Cette étape est réalisée sous un flux d’azote au débit 3,3 L/min. Ensuite le ballon est chauffé à 220°C sous un flux d’azote de 3,3 L/min, pendant 40h. Le polymère ainsi obtenu présente une viscosité réduite de 0,93 dl_/g.
Exemple 3A : Préparation d’un polyester thermoplastique selon l’invention
Un polyester thermoplastique P3 est préparé selon le protocole ci-après. Dans un réacteur de 8 L sont ajoutés 977 g d'éthylène glycol, 270 g d'isosorbide, 2656 g d'acide téréphtalique, 1 ,02 g de solution de tetraéthylammonium hydroxyde, 1 ,6 g d’Hostanox PEPQ, 1 ,6 g d’Irganox 1010, 1 ,05 g dioxyde de germanium, 0,33 g d’acétate de cobalt, 0,96 g de pentaerythritol et 9,5 g de NA05.
Pour extraire l'oxygène résiduel des cristaux d'isosorbide, 4 cycles vide-azote sont effectués entre 60 et 80 qC. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 255 ‘O (4°C/min) sous 5,7 bars de pression et sous agitation constante. Le taux d'estérification est estimé à partir de la quantité de distillât collectée.
Puis, la pression est réduite à 0,7 mbar en 90 minutes et la température amenée à 265 qC. Ces conditions de vide et de température ont été maintenues pendant 190 min. Enfin, un jonc de polymère est coulé par la vanne de fond du réacteur, refroidi dans un bac d'eau thermo-régulé et découpé sous forme de granulés.
La résine de poly(éthylène-co-isosorbide) téréphtalate ainsi obtenue a une viscosité réduite de 0,63 dl_/g, une Tg de 89,9‘O et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 8,7 moles % et un taux de motifs diéthylène glycol de 2,2 moles % par rapport aux diols.
Les granulés ainsi obtenus sont soumis à un traitement de de post condensation à l’état solide suivant le protocole suivant : 2,7 kg de granulés du polymère précédent sont introduit dans un rotavapor de 50 L. L’huile du bain est ensuite rapidement portée à 120 °C puis est progressivement chauffée à 145°C jusqu’à obtenir une cristallisation optimale des granulés au bout de 3,6 heures. Cette étape est réalisée sous un flux d’azote au débit 3,3 L/min. Ensuite le ballon est chauffé à 220°C sous un flux d’azote de 3,3L/min, pendant 42h.
Le polymère ainsi obtenu présente une viscosité réduite de 1 ,20 dL/g, une Tg de 92,1‘O et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 8,8 moles % et un taux de motifs diéthylène glycol de 2,2 moles % par rapport aux diols.
Exemple 3B : Préparation d’un polyester thermoplastique comparatif
Afin de servir de comparatif au polyester thermoplastique P3, un polyester thermoplastique P3’ a été préparé. Dans un réacteur de 8 L sont ajoutés 977 g d'éthylène glycol, 270 g d'isosorbide, 2656 g d'acide téréphtalique, 1 ,02 g de solution de tetraéthylammonium hydroxyde, 1 ,6 g d’Hostanox PEPQ, 1 ,6 g d’Irganox 1010, 1 ,05 g dioxyde de germanium, 0,33 g d’acétate de cobalt.
Pour extraire l'oxygène résiduel des cristaux d'isosorbide, 4 cycles vide-azote sont effectués entre 60 et 80 qC. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 255 ‘O (4qC/min) sous 5,7 bars de pression et sous agitation constante. Le taux d'estérification est estimé à partir de la quantité de distillât collectée.
Puis, la pression est réduite à 0,7 mbar en 90 minutes et la température amenée à 265 qC. Ces conditions de vide et de température ont été maintenues pendant 170 min. Enfin, un jonc de polymère est coulé par la vanne de fond du réacteur, refroidi dans un bac d'eau thermo-régulé et découpé sous forme de granulés.
La résine de poly(éthylène-co-isosorbide) téréphtalate ainsi obtenue a une viscosité réduite de 0,64 dl_/g, une Tg de dq,d'Ό et un taux molaire d’isosorbide par rapport aux diols de 8,7 moles % et un taux de motifs diéthylène glycol de 2,2 moles % par rapport aux diols. Les granulés ainsi obtenus sont soumis à un traitement de de post condensation à l’état solide suivant le protocole suivant : 2,4 kg de granulés du polymère précédent sont introduit dans un rotavapor de 50 L. L’huile du bain est ensuite rapidement portée à 120^ puis est progressivement chauffée à 145°C jusqu’à obtenir une cristallisation optimale des granulés au bout de 5 heures. Cette étape est réalisée sous un flux d’azote au débit 3,3 L/min. Ensuite le ballon est chauffé à 220°C sous un flux d’azote de 3,3L/min, pendant 40h.
Le polymère ainsi obtenu présente une viscosité réduite de 1 ,09 dl_/g et une Tg de 92,0 qC. Les taux d’isosorbide et de diéthylène glycol restent inchangés.
Exemple 4 : Evaluation de la résistance à la fissuration des polyesters thermoplastiques préparés.
Afin de comparer la résistance au phénomène de fissuration, les différents polyesters thermoplastiques préparés dans les exemples précédents sont soumis à un test de fissuration.
Le test de fissuration mis en oeuvre est basé sur la norme ISO 22088 : Détermination de la fissuration sous contrainte dans un environnement donné, partie 3 : Méthode de l’éprouvette courbée.
Les polyester thermoplastiques PI , PI’, P2, P2’, P3 et P3’ sont séchés sous vide à 150 'O puis injectés sous forme d’éprouvettes 5A. Les éprouvettes sont ensuite placées sur les supports de test.
Pour induire la fissuration, deux milieux ont été testés sur les éprouvettes:
- Milieu 1 : citronellol pur à 38°C,
- Milieu 2 : émulsion eau/citronellol selon un ratio 98/2 à 38 'Ό.
Pour chaque polyester thermoplastique, les résultats sont confirmés avec 3 éprouvettes. L’effet des milieux sur les éprouvettes est observé au cours du temps en un score de 1 à 5 est attribué selon l’échelle suivante :
1 : Pas de fissures,
2 : Apparition de micro-fissures
3 : Quelques microfissures et fissures
4 : Phénomène de fissuration important
5 : Phénomène de fissuration très important.
Les résultats sont présentés dans les tableaux 1 à 3 ci-dessous.
Tableau 1 A. Comparatif des polyesters thermoplastiques P1 et PT avec le milieu 2
Tableau 1 B. Comparatif des polyesters thermoplastiques P1 et PT avec le milieu 1
Dans le milieu 2, le polyester thermoplastique P1 selon l’invention ne présente aucune fissure, même après 49 jours. A l’inverse, pour le polyester thermoplastique PT ne contenant pas d’agent branchant des microfissures apparaissent après 7 jours et des fissures après 35 jours.
Ces résultats sont confirmés avec le milieu 1 plus agressif de citronellol pur, pour lequel le polyester thermoplastique P1 ne présente aucune fissure même après 26 jours, à l’inverse du polyester thermoplastique PT pour lequel des microfissures apparaissent après 1 h seulement, et des fissures après 6 jours. Tableau 2. Comparatif des polyesters thermoplastiques P2 et P2’
Les résultats montrent que le polyester thermoplastique selon l’invention P2 ne présente aucun phénomène de fissuration, même après 49 jours dans le milieu 2.
Inversement, dans ce même milieu 2, le polyester thermoplastique P2’ laisse apparaitre des microfissures après 24h, des fissures après 7 jours, et un phénomène important de fissuration est observé à partir de 42 jours d’exposition.
Cette comparaison avec le milieu 2 démontre de nouveau l’efficacité des polyesters thermoplastiques selon l’invention en termes de résistance à la fissuration.
Tableau 3A. Comparatif des polyesters thermoplastiques P3 et P3’ avec le milieu 2
Tableau 3B. Comparatif des polyesters thermoplastiques P3 et P3’ avec le milieu 1
Dans le milieu 2, le polyester thermoplastique selon l’invention ne présente aucune fissure même après 5 semaines d’exposition. A l’inverse, le polyester thermoplastique P3’ présente des microfissures après 4 semaines et des fissures après 5 semaines d’exposition.
Ces résultats sont confirmés avec le milieu 1 qui est plus agressif vis-à-vis des contraintes exercées et pour lequel le polyester thermoplastique P3 selon l’invention ne présente aucune fissure même après 5 semaines d’exposition, alors que pour le polyester thermoplastique comparatif P3’ des microfissures apparaissent après 2h, des fissures après 24h, et un phénomène important de fissuration après seulement 4jours. Les tests de fissuration mis en oeuvre dans cet exemple permettent ainsi de confirmer la grande résistance des polyesters thermoplastiques selon l’invention vis-à-vis des phénomènes de fissuration.
Exemple 5 : Comparatif du temps des différentes étapes de préparation des polyesters P2 et P2’.
Cet exemple a pour objectif de mettre en évidence l’effet de l’agent branchant dans le polyester thermoplastique selon l’invention sur le temps d’estérification, de polycondensation, de cristallisation et de post condensation à l’état solide.
Les différents temps des étapes de préparation des polyesters thermoplastiques P2 et P2’ sont repris dans le tableau 4 ci-dessous :
Tableau 4
Comme mis en évidence dans le tableau comparatif, la présence de l’agent branchant permet une amélioration de l’ensemble des temps qui ont été comparés. S’agissant du temps de post condensation à l’état solide, l’amélioration de la vitesse se traduit par une diminution importante du temps nécessaire pour réaliser cette étape puisque 9h de moins sont observées pour le polyester thermoplastique P1. Cet exemple démontre ainsi que l’utilisation de l’agent branchant selon l’invention dans un procédé de fabrication de polyester thermoplastique comprenant notamment des motifs 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol procure un avantage non négligeable en termes de temps, et donc par conséquent, en termes de coût de fabrication.
Claims
1 . Polyester thermoplastique comprenant :
- au moins un motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A),
- au moins un motif diol (B), autre que le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A),
- au moins un motif acide dicarboxylique aromatique (C),
ledit polyester étant caractérisé en ce qu’il comprend un agent branchant et en ce qu’il présente une viscosité réduite en solution d’au moins 0,90 dL/g et d’au plus 1 ,3 dL/g mesurée à l’aide d’un viscosimètre capillaire Ubbelohde à 25qC dans un mélange équimassique de phénol et d’ortho-dichlorobenzène après dissolution du polymère à 135 °C sous agitation, la concentration de polyester introduit étant de 5 g/L.
2. Polyester thermoplastique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le motif 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A) est l’isosorbide, l’isomannide, l’isoidide, ou un de leurs mélanges.
3. Polyester thermoplastique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le motif diol (B) est un motif diol alicyclique, un motif diol aliphatique non cyclique ou un mélange d‘un motif diol alicyclique et d’un motif diol aliphatique non cyclique.
4. Polyester thermoplastique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le motif diol alicyclique est choisi dans le groupe comprenant le 1 ,4- cyclohexanedimethanol, le 1 ,2-cyclohexanedimethanol, le 1 ,3-cyclohexanedimethanol ou un mélange de ces diols, de préférence, le motif diol alicyclique est le 1 ,4- cyclohexanedimethanol.
5. Polyester thermoplastique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le motif diol aliphatique non cyclique est choisi dans le groupe comprenant l’éthylène glycol, le 1 ,3-propanediol, le 1 ,4-butanediol, le 1 ,5-pentanediol, le 1 ,6-hexanediol, le 1 ,8-octanediol, 2-methyl-1 ,3-propanediol, le 2,2,4-trimethyl-1 ,3-pentanediol, le 2-ethyl-
2-butyl-1 ,3-propanediol, le propylèneglycol, le néopentylglycol, le cis-2-butene-1 ,4-diol, de préférence, l’éthylène glycol.
6. Polyester thermoplastique selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le motif acide dicarboxylique aromatique (C) est choisi dans le groupe comprenant les dérivés des naphtalates, des téréphtalates, des furanoates des isophtalates ou leurs mélanges.
7. Polyester thermoplastique selon la revendication 6, caractérisé en ce que motif acide dicarboxylique aromatique (C) est l’acide téréphtalique.
8. Polyester thermoplastique selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’agent branchant est choisi parmi l’acide malique, le sorbitol, le glycérol, le pentaerythritol, l’anhydride pyromellitique, l’acide pyromellitique, l’anhydride triméllitique, l’acide trimésique, l’acide citrique, le triméthylolpropane, et leurs mélanges.
9. Procédé de fabrication du polyester thermoplastique selon l’une des revendications 1 à 8, ledit procédé comprenant :
• une étape d’introduction dans un réacteur de monomères comprenant au moins un 1 ,4 : 3,6-dianhydrohexitol (A), au moins un diol (B) autre que les 1 ,4 : 3,6- dianhydrohexitols (A) et au moins un acide téréphtalique (C), le ratio molaire ((A)+(B))/(C) allant de 1 ,05 à 1 ,5 ;
• une étape d’introduction dans le réacteur d’un agent branchant ;
• une étape d’introduction dans le réacteur d’un système catalytique ;
• une étape de polymérisation desdits monomères en présence de l’agent branchant pour former le polyester thermoplastique, ladite étape consistant en :
■ un premier stade d’oligomérisation pendant lequel le milieu réactionnel est agité sous atmosphère inerte à une température allant de 230 à 280 °C, avantageusement de 250 à 260‘Ό ;
■ un second stade de condensation des oligomères pendant lequel les oligomères formés sont agités sous vide à une température allant de 240 à 300‘O afin de former le polyester thermoplastique, avantageusement de 260 à 270‘Ό ;
• une étape de récupération du polyester thermoplastique présentant une résistance améliorée au phénomène de fissuration.
10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’augmentation de masse molaire par post-polymérisation, ladite étape étant réalisée par polycondensation à l’état solide du polyester thermoplastique.
1 1. Utilisation d’un polyester thermoplastique selon l’une des revendications 1 à 8, ou obtenu selon le procédé de l’une des revendications 9 ou 10, pour la fabrication d’un article plastique semi-fini ou fini.
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