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WO2011117522A1 - Procédé de préparation d'un matériau composite élastomérique - Google Patents

Procédé de préparation d'un matériau composite élastomérique Download PDF

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Publication number
WO2011117522A1
WO2011117522A1 PCT/FR2011/050574 FR2011050574W WO2011117522A1 WO 2011117522 A1 WO2011117522 A1 WO 2011117522A1 FR 2011050574 W FR2011050574 W FR 2011050574W WO 2011117522 A1 WO2011117522 A1 WO 2011117522A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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nanotubes
masterbatch
oil
weight
elastomeric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2011/050574
Other languages
English (en)
Inventor
Alexander Korzhenko
Amélie Merceron
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arkema France SA
Original Assignee
Arkema France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arkema France SA filed Critical Arkema France SA
Priority to BR112012024385A priority Critical patent/BR112012024385A2/pt
Priority to KR1020127024965A priority patent/KR20130019382A/ko
Priority to CN2011800158503A priority patent/CN102822246A/zh
Priority to JP2013500557A priority patent/JP2013523908A/ja
Priority to EP11715953A priority patent/EP2550317A1/fr
Publication of WO2011117522A1 publication Critical patent/WO2011117522A1/fr
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    • C08K5/103—Esters; Ether-esters of monocarboxylic acids with polyalcohols

Definitions

  • the present invention relates to a process for preparing a composite material containing an elastomeric resin base and nanotubes, in particular carbon, as well as the composite material thus obtained and its use for the manufacture of composite products.
  • Elastomers are polymers with rubber-elastic properties that find application in various fields, including the manufacture of automotive parts such as tires, seals or tubes, pharmacy, electrical industry, transportation or building. , for example. In some of these applications, it may be advantageous to give them electrical conduction properties and / or to improve their mechanical properties. To do this, it is possible to incorporate conductive fillers such as carbon nanotubes (or CNTs).
  • the document WO 2007/035442 describes a process for incorporating from 0.1 to 30% by weight, and preferably from 0.1 to 1% by weight, of CNT into a liquid or solid silicone resin base, consisting of dispersing these in the resin base using conventional mixing devices, roll mills or ultrasonics. The silicone resin is then hardened
  • the subject of the present invention is thus a process for preparing an elastomeric composite material, comprising the following steps:
  • this process may comprise other preliminary stages, intermediate or subsequent to those above, provided that they do not harm the dispersion of the nanotubes nor the integrity of the elastomeric matrix.
  • this method may for example include an intermediate step (b ') of forming the masterbatch in the form of granules, a fiber or a ribbon, which can then be cut to the desired size.
  • this method generally includes an additional step (c ') of vulcanization.
  • the invention also relates to the elastomeric composite material that can be obtained according to the above method.
  • a masterbatch capable of being obtained by kneading, in a compounding device, and then extrusion, a polymeric composition containing at least one oil and nanotubes.
  • This method comprises a first step of introducing, into a compounding device, at least one oil and nanotubes.
  • oil means a medium which is liquid at room temperature (25 ° C.) and atmospheric pressure and immiscible with water (formation of 2 phases visible to the naked eye at temperature ambient and atmospheric pressure).
  • This liquid medium has in particular a solubility in water, measured according to the method OECD TG 105, less than or equal to 1 mg / l.
  • This liquid medium may be more or less viscous; in particular, it has a dynamic viscosity at room temperature of between 0.1 cp and 500 cp and preferably between 0.3 and 300 cp. In a variant, it has a dynamic viscosity at room temperature of between 500 cP and 35000 cP.
  • oils which are generally miscible with one another.
  • These oils can be polar or, better, apolar.
  • oils suitable for use in the present invention include:
  • R 2 represents a hydrocarbon chain, branched or unbranched, optionally hydroxylated, containing from 3 to 30 carbon atoms, for example the oil of PurCellin® (cetostearyl alcohol octanoate), the isononanoate isononyl, benzoate of C12 to C15 alcohols, isostearyl benzoate, isopropyl myristate, octanoates, decanoates or ricinoleates of alcohols or polyalcohols; synthetic ethers such as petroleum ether; linear or branched, saturated or unsaturated C 6 -C 26 fatty alcohols, in particular branched or unsaturated fatty alcohols such as oleic alcohol or 1-octyl dodecanol;
  • silicone oils such as polydimethylsiloxanes, which are liquid at room temperature; polydimethylsiloxanes comprising alkyl or alkoxy groups, pendent and / or at the end of the silicone chain, groups having from 2 to 24 carbon atoms; phenyl silicones such as phenyl trimethicones, phenyl dimethicones, phenyl trimethylsiloxy diphenylsiloxanes, diphenyl dimethicones, diphenyl methyldiphenyl trisiloxanes;
  • oils of mineral origin such as linear or branched hydrocarbons, such as liquid paraffins and its derivatives, petroleum jelly, polydecenes, hydrogenated polyisobutene (in particular Parleam®), squalane;
  • polymers containing linear or branched hydrocarbon monomers for example C5 or C9, and / or aromatic hydrocarbon monomers (for example the product Wingtack 10);
  • cyclic hydrocarbons such as (alkyl) cycloalkanes and (alkyl) cycloalkenes in which the alkyl chain is linear or branched, saturated or unsaturated, having from 1 to 30 carbon atoms, such as cyclohexane, dioctylcyclohexane, 2,4- dimethyl-3-cyclohexene and dipentene;
  • aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, p-cymene, naphthalene, anthracene;
  • fluorinated oils such as perfluoroalkanes C8 to C24; fluorosilicone oils;
  • a mineral oil such as a paraffin oil such as that marketed by
  • the quantity of oil included in the masterbatch prepared in the first step of the process according to the invention may represent from 20 to 95% by weight, preferably from 50 to 90% by weight and better still from 70 to 85% by weight. by weight, based on the weight of the masterbatch.
  • the nanotubes used in the process according to the invention may be carbon nanotubes (hereinafter NTC) or nanotubes based on boron, phosphorus or nitrogen, or nanotubes containing more than one of these elements, or at least one of these elements in combination with carbon. It is advantageously carbon nanotubes. These have particular crystalline structures, tubular, hollow and closed, composed of atoms arranged regularly in pentagons, hexagons and / or heptagons, obtained from carbon.
  • CNTs generally consist of one or more sheets of graphene rolled up.
  • One-sided nanotubes Single Wall Nanotubes or SWNTs
  • multiwall nanotubes Multi Wall Nanotubes or MWNTs
  • the double-walled nanotubes can in particular be prepared as described by FLAHAUT et al in Chem.
  • the multi-walled nanotubes may themselves be prepared as described in WO 03/02456.
  • the nanotubes used according to the invention usually have a mean diameter ranging from 0.1 to 200 nm, preferably from 0.1 to 100 nm, more preferably from 0.4 to 50 nm and better still from 5 to 30 nm. and preferably a length of more than 0.1 ⁇ m and preferably 0.1 to 20 ⁇ m, for example about 6 ⁇ m. Their length / diameter ratio is advantageously greater than 10 and most often greater than 100.
  • These nanotubes therefore comprise in particular nanotubes known as "VGCF" (carbon fibers obtained by chemical vapor deposition or Vapor Grown Carbon Fibers).
  • the multi-walled carbon nanotubes may comprise from 5 to 15 sheets and more preferably from 7 to 10 sheets.
  • Nanotubes can be purified and / or treated
  • the grinding of the nanotubes may in particular be carried out cold or hot and be carried out according to the known techniques used in devices such as ball mills, hammers, grinders, knives, gas jet or any other grinding system capable of reducing the size of the entangled network of nanotubes. It is preferred that this grinding step is performed according to a gas jet grinding technique and in particular in an air jet mill.
  • the purification of the nanotubes may be carried out by washing with a sulfuric acid solution, or another acid, so as to rid them of any residual mineral and metal impurities from their preparation process.
  • the weight ratio of the nanotubes to the sulfuric acid may especially be between 1: 2 and 1: 3.
  • the purification operation may also be carried out at a temperature ranging from 90 to 120 ° C, for example for a period of 5 to 10 hours. This operation may advantageously be followed by rinsing steps with water and drying the purified nanotubes.
  • Another way of purifying the nanotubes, intended in particular to remove the iron and / or magnesium they contain, is to subject them to a heat treatment at more than 1,000 ° C.
  • the oxidation of the nanotubes is advantageously carried out by putting them in contact with a solution of sodium hypochlorite containing from 0.5 to 15% by weight of NaOCl and preferably from 1 to 10% by weight of NaOCl, for example in a weight ratio of nanotubes to
  • Sodium hypochlorite ranging from 1: 0.1 to 1: 1.
  • the oxidation is advantageously carried out at a temperature below 60 ° C. and preferably at ambient temperature, for a period ranging from a few minutes to 24 hours. This oxidation operation may advantageously be followed by filtration and / or centrifugation, washing and drying steps of the oxidized nanotubes.
  • the nanotubes be used in the process according to the invention in the raw state. Furthermore, it is preferred according to the invention to use nanotubes obtained from raw materials of renewable origin, in particular of plant origin, as described in document FR 2 914 634.
  • the quantity of nanotubes included in the masterbatch prepared in the first step of the process according to the invention may represent from 5 to 80% by weight, preferably from 10 to 50% by weight and, better still, from 15 to 30% by weight. weight, relative to the weight of the masterbatch.
  • the masterbatch it is furthermore preferable for the masterbatch to contain only oil and nanotubes.
  • the masterbatch comprising the oil and the nanotubes further comprises one or more additives.
  • the additive (s) may be waxy or solid at atmospheric pressure and ambient temperature.
  • the glass transition temperature Tg may be between 25 ° C and 150 ° C, preferably between 35 ° C and 70 ° C.
  • the masterbatch comprises at least one tackifying resin.
  • resin tackifyinge is understood in the field of industrial bonding a thermoplastic resin that gives an adhesive the ability to cling to contact with a support.
  • Such resins are, for example, hydrocarbon resins, preferably C4-C9, aromatic and / or aliphatic resins.
  • the number-average molecular mass of the resins may be between 100 and 50000 g / mol, preferably between 400 and 2000 g / mol.
  • Examples of resins used as an additive in the masterbatch are NORSOLENE ® resins and WINGTACK ® from Cray Valley.
  • the hydrocarbon resins can be functionalized with, for example, hydroxyl, carboxyl, anhydride and / or amine functional groups.
  • the amount of additive (s), in particular of tackifying resin, included in the masterbatch prepared in the first step of the process according to the invention may represent from 1 to 80% by weight, of preferably 5 to 60% by weight and more preferably 20 to 50% by weight, based on the weight of the masterbatch.
  • the quantity of oil included in the masterbatch prepared in the first step of the process according to the invention may represent from 1 to 80% by weight, preferably from 5 to 50% by weight, and better still from 10 to 40% by weight. weight, relative to the weight of the masterbatch.
  • the oil and the nanotubes are introduced into a compounding device.
  • compounding device is meant, in the present description, an apparatus conventionally used in the plastics industry for the melt blending of thermoplastic polymers and additives to produce composites.
  • the polymeric composition and the additives are mixed using a high shear device, for example a co-rotating or counter-rotating twin-screw extruder or co-kneader.
  • the melt generally comes out of the apparatus in solid physical form agglomerated, for example in the form of granules, or in the form of rods, tape or film.
  • co-kneaders examples include the BUSS MDK 46 co-kneaders and those of the BUSS MKS or MX series sold by the company BUSS AG, all of which consist of a screw shaft provided with fins. , disposed in a heating sleeve optionally consisting of several parts and whose inner wall is provided with kneading teeth adapted to cooperate with the fins to produce shear of the kneaded material.
  • the shaft is rotated and provided with oscillation movement in the axial direction by a motor.
  • co-kneaders may be equipped with a granule manufacturing system, adapted for example to their outlet orifice, which may consist of an extrusion screw or a pump.
  • the co-kneaders that can be used according to the invention preferably have an L / D screw ratio ranging from 7 to 22, for example from 10 to 20, while the co-extruders rotary presses advantageously have an L / D ratio ranging from 15 to 56, for example from 20 to 50.
  • the introduction into the compounding device of the oil and the nanotubes can be done in different ways.
  • the nanotubes can be introduced into a feed hopper of the compounding device, while the oil is introduced via a separate introduction member.
  • the additives in particular the tackifying resin (s), may be introduced into the same feed hopper or into said separate introduction member.
  • the oil and the nanotubes can be introduced successively, in any order, into the same feed area of the mixer.
  • the aforementioned materials can be introduced simultaneously, in the same feed zone (for example the same hopper), after being homogenized in a suitable container to form a premix.
  • the premix can for example be obtained according to a method involving:
  • the first step of this process can be carried out in conventional synthesis reactors, paddle mixers, fluidized bed reactors or in Brabender mixers, Z-arm mixer or extruder. It is generally preferred to use a conical mixer, for example of the HOSOKAWA Vrieco-Nauta type, comprising a rotating screw rotating along the wall of a conical tank.
  • the contacting of the products in this first step is preferably carried out without the application of mechanical shearing forces.
  • a masterbatch comprising an additive such as a tackifying resin
  • this additive is in solid form at room temperature and atmospheric pressure, the temperature of the mixing step may be adapted to ensure the effective wetting of all compounds.
  • the nanotubes premixed with the oil are kneaded together, for example at ambient temperature, especially between 20 ° C. and 45 ° C., or at a temperature of between 80 ° C. and 110 ° C. (particularly when a solid tackifying resin is present).
  • the kneading in a compounding device of the mixture of nanotubes and oil makes it possible to obtain a homogeneous masterbatch by applying mechanical shearing forces and, when a co-kneader is used, thanks to the application of pressure of the products in the areas of the co-kneader that precede the restriction rings.
  • the mixing is followed by the extrusion of said masterbatch, especially in solid form at room temperature.
  • step (a) of the method according to the invention comprises the substeps consisting of:
  • This preferred embodiment of the invention is nondestructive for the nanotubes in the sense that the average length of the nanotubes in the final material relative to that of the nanotubes introduced is not affected by the application transformation undergone.
  • the Applicant has demonstrated that the process according to the invention makes it possible to obtain masterbatches which can be strongly dosed into nanotubes, such as CNTs, and which are easily manipulated, insofar as they are in agglomerated solid form, especially in the form of granules, at the end of step (b) of the process according to the invention.
  • These masterbatches can thus be transported in bags or drums from the production center to the processing center where they are diluted in an elastomeric matrix, according to step (c) of the process according to the invention.
  • This dilution step can be carried out by means of any device conventionally used in the elastomer industry, in particular using internal mixers, or mixers or roll mills (bi- or tri-cylindrical).
  • the quantity of masterbatch introduced into the elastomeric matrix depends on the level of nanotubes that it is desired to add to this matrix in order to obtain the desired mechanical and / or electrical and / or thermal properties.
  • the final composite material can thus contain from 0.5 to 5% by weight of nanotubes, for example.
  • This elastomeric matrix comprises an elastomeric resin base, as well as possibly various additives, such as other conductive fillers than nanotubes (especially carbon black and / or mineral fillers), lubricants, pigments, stabilizers, fillers or reinforcements, antistatic agents, fungicides, flame retardants, solvents and mixtures thereof.
  • additives such as other conductive fillers than nanotubes (especially carbon black and / or mineral fillers), lubricants, pigments, stabilizers, fillers or reinforcements, antistatic agents, fungicides, flame retardants, solvents and mixtures thereof.
  • elastomeric resin base is meant, in the present description, an organic or silicone polymer, which forms, after vulcanization, an elastomer capable of withstanding large deformations in a quasi-reversible manner, that is to say susceptible to be uniaxially deformed, preferably at least twice its original length at room temperature (23 ° C), for five minutes, and then recover, once the stress is relaxed, its initial dimension, with a remanent deformation less than 10% of its original size.
  • elastomers are generally composed of polymer chains interconnected to form a three-dimensional network.
  • thermoplastic elastomers are sometimes distinguished in which the polymer chains are connected to each other by physical bonds, such as hydrogen or dipole-dipole bonds, thermosetting elastomers, in which these chains are connected by covalent bonds, which constitute points of chemical crosslinking.
  • crosslinking points are formed by vulcanization processes using a vulcanizing agent which may for example be chosen, according to the nature of the elastomer, from sulfur-based vulcanization agents, in the presence of metal salts of dithiocarbamates.
  • the present invention relates more particularly to elastomeric resin bases containing or consisting of thermosetting elastomers optionally mixed with non-reactive elastomers, that is to say non-vulcanizable (such as hydrogenated rubbers).
  • the bases of elastomeric resin that can be used according to the invention can in particular comprise, or even consist of, one or more polymers chosen among: fluorocarbon or fluorosilicone elastomers; homo- and copolymers of butadiene, optionally functionalized with unsaturated monomers such as maleic anhydride, (meth) acrylic acid, acrylonitrile (NBR) and / or styrene (SBR); neoprene (or polychloroprene); polyisoprene; copolymers of isoprene with styrene, butadiene, acrylonitrile and / or methyl methacrylate; copolymers based on propylene and / or ethylene and in particular terpolymers based on ethylene, propylene and dienes (EPDM), as well as copolymers of these olefins with an alkyl (meth) acrylate or vinyl acetate; halogenated but
  • the composite material obtained after dilution of the masterbatch in the elastomeric matrix may be shaped according to any suitable technique, in particular by injection, extrusion, compression or molding, followed by a vulcanization treatment.
  • a vulcanizing agent may have been added to the masterbatch during the compounding step (in the case where its activation temperature is greater than the compounding temperature).
  • the composite material thus obtained can in particular be used for the manufacture of various composite products such as body seals or sealing, tires, noise plates, static dissipators, internal conductive layer for cables to high and medium voltage, or anti-vibration systems such as automobile shock absorbers, or in the manufacture of structural elements of bulletproof vests, without this list being limiting.
  • Example 1 Manufacture of a masterbatch
  • Example 2 Manufacture of a composite material
  • Example 1 The masterbatch obtained in Example 1 was incorporated at room temperature in polyisoprene using a roll mill. The amount of masterbatch added was determined to provide 5 parts by weight of CNT per 100 parts by weight of elastomeric matrix.
  • a vulcanization system was then added consisting of 5 parts by weight of zinc oxide; 2 parts by weight of stearic acid; 1.4 parts by weight of sulfur and 0.8 parts by weight of 2-bisbenzothiazole-2, 2'-disulphide (MBTS) per 100 parts by weight of resin.
  • a vulcanization treatment was then carried out in a DARRAGON press at 170 ° C. for 20 minutes.
  • the volume electrical resistivity of the composite material 2A, manufactured as described in Example 2 was measured according to the ISO 1853 standard. Tensile tests were also carried out on the specimens H2 with the cell at 1 kN at a speed of 50 mm / min (according to ISO 37). After cutting the specimens, their heel was tested in Shore A hardness according to ASTM D2240. Comparative tests were performed using:
  • Example 2C a composite material 2C made in a manner similar to Example 2, from a masterbatch prepared as described in Example 1, except that the CNTs were replaced by TIMCAL ENSACO® 250G carbon black,
  • other masterbatches containing up to 50% carbon nanotubes can be produced using different hydrocarbon resins. This is preferably judiciously chosen according to the elastomeric matrix in which the masterbatch is introduced.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de préparation d'un matériau composite renfermant une matrice élastomérique et des nanotubes, notamment de carbone, ainsi que le matériau composite ainsi obtenu et son utilisation pour la fabrication de produits composites. Elle se rapporte également à l'utilisation, pour conférer au moins une propriété électrique et/ou mécanique et/ou thermique à une matrice élastomérique, d'un mélange-maître susceptible d'être obtenu par malaxage, dans un dispositif de compoundage, puis extrusion, d'une composition polymérique renfermant au moins une huile et des nanotubes, notamment de carbone, et éventuellement une résine tackifiante.

Description

Procédé de préparation d' un matériau composite
élastomérique
La présente invention concerne un procédé de préparation d'un matériau composite renfermant une base de résine élastomérique et des nanotubes, notamment de carbone, ainsi que le matériau composite ainsi obtenu et son utilisation pour la fabrication de produits composites .
Les élastomères sont des polymères dotés de propriétés d'élasticité caoutchoutique qui trouvent une application dans divers domaines, dont la fabrication de pièces automobiles telles que des pneumatiques, des joints ou des tubes, la pharmacie, l'industrie électrique, les transports ou le bâtiment, par exemple. Dans certaines de ces applications, il peut être intéressant de leur conférer des propriétés de conduction électrique et/ou d'améliorer leurs propriétés mécaniques. Pour ce faire, il est possible de leur incorporer des charges conductrices telles que des nanotubes de carbone (ou NTC) .
Ainsi, le document WO 2007/035442 décrit un procédé pour incorporer de 0,1 à 30% en poids, et de préférence de 0,1 à 1% en poids, de NTC dans une base de résine siliconée liquide ou solide, consistant à disperser ceux- ci dans la base de résine à l'aide de dispositifs de mélangeage classiques, de broyeurs à cylindres ou d'ultrasons. La résine de silicone est ensuite durcie
(réticulée) pour obtenir un élastomère de silicone. La technique proposée dans ce document n'est toutefois pas aisément transposable à d'autres bases de résines élastomériques , et en particulier aux élastomères de nature oléfinique, tels que le caoutchouc naturel, le polyisoprène ou le polybutadiène . En effet, la faible densité apparente des NTC nécessite l'application d'une forte énergie mécanique pour les disperser dans ces résines, ce qui conduit à un fort réchauffement susceptible d'entraîner une dégradation de la matrice élastomérique .
En outre, la manipulation de NTC sous forme pulvérulente n'est pas commode pour le formulateur de produits élastomériques. Les différences de dimensions, de forme, et de propriétés physiques des NTC font par ailleurs que les propriétés toxicologiques des poudres de NTC ne sont pas encore parfaitement connues. Il serait donc préférable de pouvoir travailler avec des NTC sous forme solide agglomérée de taille macroscopique, par exemple forme de granulés, qui sont plus faciles à manipuler et à transporter qu'une poudre.
Il subsiste donc le besoin de disposer d'un moyen permettant de disperser, simplement et de façon homogène, des nanotubes dans une base de résine élastomérique, sans dégrader sensiblement ladite résine, à l'aide des dispositifs classiquement utilisés dans l'industrie des élastomères . Pour satisfaire ces besoins, il a déjà été proposé des pré-composites à base de NTC et de plastifiants, préparés notamment dans un mélangeur conique et destinés à être dilués dans une matrice élastomérique (FR 2 916 364) . Néanmoins, le choix des systèmes liant polymère/plastifiant est très limité pour les élastomères oléfiniques en termes de compatibilité. Or, la Demanderesse a découvert que les besoins précités pouvaient en variante être satisfaits en utilisant un mélange-maître à base d'huile, en particulier d'huile minérale, pour préparer des matériaux composites élastomériques .
La présente invention a ainsi pour objet un procédé de préparation d'un matériau composite élastomérique, comprenant les étapes successives :
(a) d'introduction, puis de malaxage, dans un dispositif de compoundage, d'au moins une huile et de nanotubes, pour obtenir un mélange-maître,
(b) d'extrusion dudit mélange-maître,
(c) de dilution du mélange-maître dans une matrice élastomérique .
Il est bien entendu que ce procédé peut comprendre d'autres étapes préliminaires, intermédiaires ou subséquentes à celles ci-dessus, pour autant qu'elles ne nuisent pas à la dispersion des nanotubes ni à l'intégrité de la matrice élastomérique. Ainsi, ce procédé peut par exemple inclure une étape intermédiaire (b') de mise en forme du mélange-maître sous forme de granulés, d'une fibre ou d'un ruban, qui peuvent ensuite être découpés à la dimension voulue. En outre, ce procédé inclut généralement une étape supplémentaire (c') de vulcanisation . L'invention a également pour objet le matériau composite élastomérique susceptible d'être obtenu suivant le procédé ci-dessus.
Elle a encore pour objet les utilisations de ce matériau composite.
Elle a enfin pour objet l'utilisation, pour conférer au moins une propriété électrique et /ou mécanique et /ou thermique à une matrice élastomérique, d'un mélange- maître susceptible d'être obtenu par malaxage, dans un dispositif de compoundage, puis extrusion, d'une composition polymérique renfermant au moins une huile et des nanotubes.
Le procédé selon la présente invention sera à présent décrit plus en détails.
Ce procédé comprend une première étape d'introduction, dans un dispositif de compoundage, d'au moins une huile et de nanotubes.
Par "huile", on entend, au sens de la présente invention, un milieu, liquide à température ambiante (25°C) et pression atmosphérique, non miscible à l'eau (formation de 2 phases visibles à l'œil nu à température ambiante et pression atmosphérique) . Ce milieu liquide présente notamment une solubilité dans l'eau, mesurée selon la méthode OECD TG 105, inférieure ou égale à 1 mg/1. Ce milieu liquide peut être plus ou moins visqueux ; en particulier, il présente une viscosité dynamique à température ambiante comprise entre 0,lcp et 500 cP et de préférence entre 0,3 et 300 cP . En variante, il présente une viscosité dynamique à température ambiante comprise entre 500 cP et 35000 cP .
Selon l'invention, on peut utiliser une ou plusieurs huiles généralement miscibles entre elles. Ces huiles peuvent être polaires ou, mieux, apolaires.
Des exemples d'huiles convenant à une utilisation dans la présente invention comprennent :
les huiles végétales à forte teneur (par exemple au moins 50% en poids) en triglycérides constitués d'esters d'acides gras et de glycérol, dont les acides gras peuvent avoir des longueurs de chaînes variées, ces dernières pouvant être linéaires ou ramifiées, saturées ou insaturées ; ces huiles sont notamment les huiles de germe de blé, de maïs, de tournesol, de lin, de karité, de ricin, d'amandes douces, de macadamia, d'abricot, de soja, de coton, de luzerne, de pavot, de potimarron, de sésame, de courge, d'avocat, de noisette, de pépins de raisin ou de cassis, d'onagre, de millet, d'orge, de quinoa, d'olive, de seigle, de carthame, de bancoulier, de passiflore, de rosier muscat ; ou encore les triglycérides des acides caprylique /caprique ;
les huiles de synthèse de formule R1COOR2 dans laquelle RI représente un groupe aryle ou le reste d'un acide gras supérieur, linéaire ou ramifié, comportant de
7 à 30 atomes de carbone et R2 représente une chaîne hydrocarbonée, ramifiée ou non, éventuellement hydroxylée, contenant de 3 à 30 atomes de carbone, comme par exemple l'huile de PurCellin® (octanoate de l'alcool cétostéarylique ) , 1 ' isononanoate d'isononyle, le benzoate d'alcools en C12 à C15, le benzoate d ' isostéaryle, le myristate d ' isopropyle, des octanoates, décanoates ou ricinoléates d'alcools ou de polyalcools ; les éthers de synthèse comme l'éther de pétrole ; les alcools gras, linéaires ou ramifiés, saturés ou insaturés, en C6 à C26, en particulier les alcools gras ramifiés ou insaturés comme l'alcool oléique ou 1 Octyl dodécanol ;
les huiles siliconées, telles que les polydiméthylsiloxanes , liquides à température ambiante ; les polydiméthylsiloxanes comportant des groupements alkyle ou alcoxy, pendants et/ou en bout de chaîne siliconée, groupements ayant de 2 à 24 atomes de carbone ; les silicones phénylées comme les phényl triméthicones , les phényl diméthicones , les phényl triméthylsiloxy diphénylsiloxanes , les diphényl diméthicones, les diphényl méthyldiphényl trisiloxanes ;
- les huiles d'origine minérale comme les hydrocarbures linéaires ou ramifiés, tels que les huiles de paraffine et de ses dérivés, la vaseline, les polydécènes, le polyisobutène hydrogéné (en particulier le Parleam®) , le squalane ;
- les polymères renfermant des monomères hydrocarbonés linéaires ou ramifiés, par exemple en C5, ou C9, et/ou des monomères hydrocarbonés aromatiques (par exemple le produit Wingtack 10) ;
les hydrocarbures cycliques comme les (alkyl ) cycloalcanes et les ( alkyl ) cycloalcènes dont la chaîne alkyle est linéaire ou ramifiée, saturée ou non, ayant de 1 à 30 atomes de carbone, tels que le cyclohexane, le dioctylcyclohexane, le 2 , 4-diméthyl-3- cyclohexène et le dipentène ;
- les hydrocarbures aromatiques comme le benzène, le toluène, le p-cymène, le naphtalène, l'anthracène ;
les huiles fluorées comme les perfluoralcanes en C8 à C24 ; les huiles fluorosiliconées ;
et leurs mélanges.
On préfère utiliser une huile minérale, comme une huile de paraffine telle que celle commercialisée par
TOTAL sous la dénomination commerciale EDC® 99-DW ou EDC® 95-11 ; cette huile présente une viscosité de 3,5 cPs .
La quantité d'huile incluse dans le mélange-maître préparé dans la première étape du procédé selon l'invention peut représenter de 20 à 95% en poids, de préférence de 50 à 90% en poids et, mieux, de 70 à 85% en poids, par rapport au poids du mélange-maître. Les nanotubes utilisés dans le procédé selon l'invention peuvent être des nanotubes de carbone (ci- après, NTC) ou des nanotubes à base de bore, de phosphore ou d'azote, ou encore des nanotubes renfermant plusieurs de ces éléments ou l'un au moins de ces éléments en combinaison avec du carbone. Il s'agit avantageusement de nanotubes de carbone. Ceux-ci possèdent des structures cristallines particulières, de forme tubulaire, creuses et closes, composées d'atomes disposés régulièrement en pentagones, hexagones et/ou heptagones, obtenues à partir de carbone. Les NTC sont en général constitués d'un ou plusieurs feuillets de graphène enroulés. On distingue ainsi les nanotubes mono-parois (Single Wall Nanotubes ou SWNT) et les nanotubes multi-parois (Multi Wall Nanotubes ou MWNT) . Les nanotubes à double paroi peuvent notamment être préparés comme décrit par FLAHAUT et al dans Chem.
Corn. (2003), 1442. Les nanotubes à parois multiples peuvent de leur côté être préparés comme décrit dans le document WO 03/02456. Les nanotubes mis en œuvre selon l'invention ont habituellement un diamètre moyen allant de 0,1 à 200 nm, de préférence de 0,1 à 100 nm, plus préfèrentiellement de 0,4 à 50 nm et, mieux, de 5 à 30 nm et avantageusement une longueur de plus de 0,1 pm et avantageusement de 0,1 à 20 pm, par exemple d'environ 6 pm. Leur rapport longueur/diamètre est avantageusement supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100. Ces nanotubes comprennent donc notamment les nanotubes dits "VGCF" (fibres de carbone obtenues par dépôt chimique en phase vapeur, ou Vapor Grown Carbon Fibers) . Leur surface spécifique est par exemple comprise entre 100 et 300 m2/g, de préférence entre 200 et 250 m2/g, et leur densité apparente peut notamment être comprise entre 0,01 et 0,5 g/cm3 et plus préfèrentiellement entre 0,07 et 0,2 g/cm3. Les nanotubes de carbone multi-parois peuvent par exemple comprendre de 5 à 15 feuillets et plus préfèrentiellement de 7 à 10 feuillets.
Un exemple de nanotubes de carbone bruts est notamment disponible dans le commerce auprès de la société ARKEMA sous la dénomination commerciale Graphistrength C100. Les nanotubes peuvent être purifiés et/ou traités
(en particulier oxydés) et/ou broyés, avant leur mise en œuvre dans le procédé selon l'invention. Ils peuvent également être fonctionnalisés par des méthodes de chimie en solution comme l'amination ou la réaction avec des agents de couplage.
Le broyage des nanotubes peut être notamment effectué à froid ou à chaud et être réalisé selon les techniques connues mises en œuvre dans des appareils tels que broyeurs à boulets, à marteaux, à meules, à couteaux, jet de gaz ou tout autre système de broyage susceptible de réduire la taille du réseau enchevêtré de nanotubes. On préfère que cette étape de broyage soit pratiquée selon une technique de broyage par jet de gaz et en particulier dans un broyeur à jet d'air.
La purification des nanotubes peut être réalisée par lavage à l'aide d'une solution d'acide sulfurique, ou d'un autre acide, de manière à les débarrasser d'éventuelles impuretés minérales et métalliques résiduelles, provenant de leur procédé de préparation. Le rapport pondéral des nanotubes à l'acide sulfurique peut notamment être compris entre 1 :2 et 1 :3. L'opération de purification peut par ailleurs être effectuée à une température allant de 90 à 120 °C, par exemple pendant une durée de 5 à 10 heures. Cette opération peut avantageusement être suivie d'étapes de rinçage à l'eau et de séchage des nanotubes purifiés. Une autre voie de purification des nanotubes, destinée en particulier à éliminer le fer et/ou le magnésium qu'ils renferment, consiste à les soumettre à un traitement thermique à plus de 1.000°C.
L'oxydation des nanotubes est avantageusement réalisée en mettant ceux-ci en contact avec une solution d 'hypochlorite de sodium renfermant de 0,5 à 15% en poids de NaOCl et de préférence de 1 à 10% en poids de NaOCl, par exemple dans un rapport pondéral des nanotubes à
1 'hypochlorite de sodium allant de 1:0,1 à 1:1. L'oxydation est avantageusement réalisée à une température inférieure à 60°C et de préférence à température ambiante, pendant une durée allant de quelques minutes à 24 heures. Cette opération d'oxydation peut avantageusement être suivie d'étapes de filtration et/ou centrifugation, lavage et séchage des nanotubes oxydés.
On préfère toutefois que les nanotubes soient utilisés dans le procédé selon l'invention à l'état brut. Par ailleurs, on préfère selon l'invention utiliser des nanotubes obtenus à partir de matières premières d'origine renouvelable, en particulier d'origine végétale, comme décrit dans le document FR 2 914 634.
La quantité de nanotubes incluse dans le mélange- maître préparé dans la première étape du procédé selon l'invention peut représenter de 5 à 80 % en poids, de préférence de 10 à 50% en poids et, mieux, de 15 à 30% en poids, par rapport au poids du mélange-maître.
Selon un premier mode de réalisation, on préfère par ailleurs que le mélange-maître ne renferme que de l'huile et des nanotubes. Selon un second mode de réalisation, on préfère que le mélange-maître comprenant l'huile et les nanotubes comprenne en outre un ou plusieurs additifs. Le ou les additifs peut (peuvent ) être cireux ou solide (s) à pression atmosphérique et température ambiante. La température de transition vitreuse Tg peut être comprise entre 25 °C et 150 °C, de préférence entre 35 °C et 70 °C. En particulier, on préfère que le mélange-maître comprenne au moins une résine tackifiante. Par « résine tackifiante », on entend dans le domaine du collage industriel une résine thermoplastique qui confère à une colle la capacité de s'accrocher au contact d'un support. De telles résines sont par exemple les résines d'hydrocarbures, de préférence en C4 à C9, aromatiques et/ou aliphatiques . La masse moléculaire moyenne en nombre des résines peut être comprise entre 100 et 50000 g/mol, de préférence entre 400 et 2000 g/mol. Des exemples de résines utilisables comme additif dans le mélange-maître sont les résines NORSOLENE® et WINGTACK® de la société Cray Valley. Les résines d'hydrocarbures peuvent être fonctionnalisées avec, par exemple, des fonctions hydroxyles, carboxyles, anhydrides et/ou aminés .
Selon ce second mode de réalisation, la quantité d ' additif ( s ) , en particulier de résine tackifiante, incluse dans le mélange-maître préparé dans la première étape du procédé selon l'invention peut représenter de 1 à 80% en poids, de préférence de 5 à 60% en poids et, mieux, de 20 à 50% en poids, par rapport au poids du mélange-maître .
La quantité d'huile incluse dans le mélange-maître préparé dans la première étape du procédé selon l'invention peut représenter de 1 à 80% en poids, de préférence de 5 à 50% en poids, et mieux de 10 à 40% en poids, par rapport au poids du mélange-maître. Selon la présente invention, l'huile et les nanotubes sont introduits dans un dispositif de compoundage . Par « dispositif de compoundage », on entend, dans la présente description, un appareillage classiquement utilisé dans l'industrie des matières plastiques pour le mélange à l'état fondu de polymères thermoplastiques et d'additifs en vue de produire des composites. Dans cet appareillage, la composition polymérique et les additifs sont mélangés à l'aide d'un dispositif à fort cisaillement, par exemple une extrudeuse à double vis co- rotatives ou contre-rotatives ou un co-malaxeur. La matière fondue sort généralement de l'appareillage sous une forme physique solide agglomérée, par exemple sous forme de granulés, ou sous forme de joncs, de bande ou de film.
Des exemples de co-malaxeurs utilisables selon l'invention sont les co-malaxeurs BUSS MDK 46 et ceux de la série BUSS MKS ou MX, commercialisés par la société BUSS AG, qui sont tous constitués d'un arbre à vis pourvu d'ailettes, disposé dans un fourreau chauffant éventuellement constitué de plusieurs parties et dont la paroi interne est pourvue de dents de malaxage adaptées à coopérer avec les ailettes pour produire un cisaillement de la matière malaxée. L'arbre est entraîné en rotation, et pourvu d'un mouvement d'oscillation dans la direction axiale, par un moteur. Ces co-malaxeurs peuvent être équipés d'un système de fabrication de granulés, adaptés par exemple à leur orifice de sortie, qui peut être constitué d'une vis d'extrusion ou d'une pompe. Les co-malaxeurs utilisables selon l'invention ont de préférence un rapport de vis L/D allant de 7 à 22, par exemple de 10 à 20, tandis que les extrudeuses co- rotatives ont avantageusement un rapport L/D allant de 15 à 56, par exemple de 20 à 50.
L'introduction, dans le dispositif de compoundage, de l'huile et des nanotubes peut se faire de différentes manières .
Ainsi, dans une première forme d'exécution de l'invention, les nanotubes peuvent être introduits dans une trémie d'alimentation du dispositif de compoundage, tandis que l'huile est introduite via un organe d'introduction séparé. Les additifs, en particulier la(les) résine(s) tackifiante ( s ) , peuvent être introduits dans la même trémie d'alimentation ou dans ledit organe d'introduction séparé.
Dans une seconde forme d'exécution de l'invention, l'huile et les nanotubes (et les additifs éventuels tels que la(les) résine(s) tackifiante ( s ) ) peuvent être introduits successivement, dans un ordre quelconque, dans la même zone d'alimentation du mélangeur. En variante, les matériaux précités peuvent être introduits simultanément, dans la même zone d'alimentation (par exemple la même trémie) , après avoir été homogénéisés dans un récipient approprié pour former un pré-mélange.
Dans cette dernière variante, le pré-mélange peut par exemple être obtenu suivant un procédé impliquant :
1- la mise en contact de l'huile avec les nanotubes en poudre, par exemple par dispersion des nanotubes dans l'huile, par introduction goutte-à-goutte de l'huile dans la poudre de nanotubes ou par nébulisation de l'huile à l'aide d'un pulvérisateur sur la poudre de nanotubes, et 2- le séchage du produit obtenu.
La première étape de ce procédé peut être réalisée dans des réacteurs de synthèse traditionnels, des mélangeurs à pales, des réacteurs à lit fluidisé ou dans des appareils de mélange de type Brabender, mélangeur bras en Z ou extrudeuse. On préfère généralement utiliser un mélangeur conique, par exemple de type Vrieco-Nauta d'HOSOKAWA, comprenant une vis rotative tournant le long de la paroi d'une cuve conique. La mise en contact des produits dans cette première étape est réalisée de préférence sans application de forces mécaniques de cisaillement . Dans le cas où l'on réalise un mélange-maître comprenant un additif tel qu'une résine tackifiante, il peut être envisagé d'ajouter cet additif lors de cette première phase de procédé. Si cet additif se trouve sous forme solide à température ambiante et à pression atmosphérique, la température de l'étape de mélange pourra être adaptée pour assurer le mouillage efficace de tous les composés.
Après introduction dans le dispositif de compoundage, les nanotubes prémélangés avec l'huile sont malaxés ensemble, par exemple à température ambiante, notamment entre 20 °C et 45 °C, ou à une température comprise entre 80 °C et 110 °C (en particulier lorsqu'une résine tackifiante solide est présente) . Le malaxage dans un dispositif de compoundage du mélange de nanotubes et d'huile permet d'obtenir un mélange-maître homogène grâce à l'application de forces mécaniques de cisaillement et, lorsqu'un co-malaxeur est utilisé, grâce à la mise sous pression des produits dans les zones du co-malaxeur qui précèdent les bagues de restrictions. Le malaxage est suivi de l'extrusion dudit mélange-maître, notamment sous forme solide à température ambiante.
Ainsi, selon un mode de réalisation, l'étape (a) du procédé selon l'invention comprend les sous-étapes consistant en :
1- la mise en contact de l'huile avec les nanotubes sans application de forces mécaniques de cisaillement,
2- l'introduction du pré-mélange de nanotubes et d'huile, et son malaxage par application de forces mécaniques de cisaillement, dans un dispositif de compoundage, pour obtenir un mélange-maître.
Ce mode de réalisation préféré de l'invention est non destructif pour les nanotubes dans le sens que la longueur moyenne des nanotubes dans le matériau final par rapport à celle des nanotubes introduits n'est pas affectée par la transformation applicative subie.
Dans tous les cas, la Demanderesse a mis en évidence que le procédé selon l'invention permettait d'obtenir des mélanges-maîtres qui peuvent être fortement dosés en nanotubes, tels que des NTC, et qui sont aisément manipulables , dans la mesure où ils se présentent sous forme solide agglomérée, notamment sous forme de granulés, à l'issue de l'étape (b) du procédé selon l'invention. Ces mélanges-maîtres peuvent ainsi être transportés en sacs ou en fûts du centre de production au centre de transformation où ils sont dilués dans une matrice élastomérique, conformément à l'étape (c) du procédé selon l'invention. Cette étape de dilution peut être réalisée au moyen de tout dispositif classiquement utilisé dans l'industrie des élastomères, en particulier à l'aide de mélangeurs internes, ou de mélangeurs ou broyeurs à cylindres (bi- ou tricylindriques ) . La quantité de mélange-maître introduite dans la matrice élastomérique dépend du taux de nanotubes que l'on souhaite ajouter à cette matrice en vue d'obtenir les propriétés mécaniques et/ou électriques et/ou thermiques recherchées. Le matériau composite final peut ainsi contenir de 0,5 à 5% en poids de nanotubes, par exemple.
Cette matrice élastomérique comprend une base de résine élastomérique, ainsi qu'éventuellement divers additifs, tels que d'autres charges conductrices que les nanotubes (notamment du noir de carbone et/ou des charges minérales), des lubrifiants, des pigments, des stabilisants, des charges ou renforts, des agents antistatiques, des fongicides, des agents ignifugeants, des solvants et leurs mélanges.
Par « base de résine élastomérique », on entend, dans la présente description, un polymère organique ou siliconé, qui forme, après vulcanisation, un élastomère capable de supporter de grandes déformations de façon quasi-réversible, c'est-à-dire susceptible d'être soumis à une déformation uniaxiale, avantageusement d'au moins deux fois sa longueur d'origine à température ambiante (23°C), pendant cinq minutes, puis de recouvrer, une fois la contrainte relâchée, sa dimension initiale, avec une déformation rémanente inférieure à 10% de sa dimension initiale . Du point de vue structural, les élastomères sont généralement constitués de chaînes polymériques reliées entre elles, pour former un réseau tridimensionnel. Plus précisément, on distingue parfois les élastomères thermoplastiques, dans lesquels les chaînes polymériques sont reliées entre elles par des liaisons physiques, telles que des liaisons hydrogène ou dipôle-dipôle, des élastomères thermodurcissables , dans lesquels ces chaînes sont reliées par des liaisons covalentes, qui constituent des points de réticulation chimique. Ces points de réticulation sont formés par des procédés de vulcanisation mettant en œuvre un agent de vulcanisation qui peut par exemple être choisi, selon la nature de 1 'élastomère, parmi les agents de vulcanisation à base de soufre, en présence de sels métalliques de dithiocarbamates ; les oxydes de zinc combinés à de l'acide stéarique ; les résines phénol-formaldéhyde bifonctionnelles éventuellement halogénées, en présence de chlorure d'étain ou d'oxyde de zinc ; les peroxydes ; les aminés ; les hydrosilanes en présence de platine ; etc .
La présente invention concerne plus particulièrement les bases de résine élastomérique renfermant, ou constituées par, des élastomères thermodurcissables éventuellement en mélange avec des élastomères non réactifs, c'est-à-dire non vulcanisables (tels que les caoutchoucs hydrogénés).
Les bases de résine élastomérique utilisables selon l'invention peuvent notamment comprendre, voire être constituées par, un ou plusieurs polymères choisis parmi : les élastomères fluorocarbonés ou fluorosiliconés ; les homo- et copolymères du butadiène, éventuellement fonctionnalisées par des monomères insaturés tels que l'anhydride maléique, l'acide (méth) acrylique, 1 ' acrylonitrile (NBR) et/ou le styrène (SBR) ; le néoprène (ou polychloroprène ) ; le polyisoprène ; les copolymère d'isoprène avec le styrène, le butadiène, 1 ' acrylonitrile et/ou le méthacrylate de méthyle ; les copolymères à base de propylène et/ou d'éthylène et notamment les terpolymères à base d'éthylène, de propylène et de diènes (EPDM) , ainsi que les copolymères de ces oléfines avec un (méth) acrylate d'alkyle ou l'acétate de vinyle ; les caoutchoucs butyle halogénés ; les élastomères de silicone tels que les poly (diméthylsiloxanes ) à extrémités vinyliques ; les polyuréthanes ; les polyesters ; les polymères acryliques tels que le poly (acrylate de butyle) porteur de fonctions acide carboxylique ou époxy ; ainsi que leurs dérivés modifiés ou fonctionnalisés et leurs mélanges, sans que cette liste ne soit limitative.
On préfère selon l'invention utiliser un homo- ou copolymère oléfinique. Le matériau composite obtenu après dilution du mélange-maître dans la matrice élastomérique peut être mis en forme selon toute technique appropriée, notamment par injection, extrusion, compression ou moulage, suivie d'un traitement de vulcanisation. Un agent de vulcanisation peut avoir été ajouté au mélange-maître pendant l'étape de compoundage (dans le cas où sa température d'activation est supérieure à la température de compoundage) . On préfère toutefois qu'il soit ajouté à la matrice élastomérique avant ou pendant sa mise en forme, de façon à disposer de plus de latitude pour ajuster les propriétés du matériau composite. Le matériau composite ainsi obtenu peut notamment être utilisé pour la fabrication de divers produits composites tels que des joints de carrosserie ou d'étanchéité, de pneus, de plaques anti-bruit, de dissipateurs de charges statiques, de couche conductrice interne pour des câbles à haute et moyenne tension, ou de systèmes anti-vibratoires tels que des amortisseurs automobiles, ou encore dans la fabrication d'éléments de structure de gilets pare-balles, sans que cette liste ne soit limitative.
L'invention sera mieux comprise à la lumière des exemples non limitatifs et purement illustratifs suivants . EXEMPLES
Exemple 1 : Fabrication d'un mélange-maître
On a introduit, dans le puits d'alimentation de zone 1 d'un co-malaxeur BUSS® MDK 46 (L/D = 11), des nanotubes de carbone (Graphistrength C100 d'ARKEMA) . Une quantité pondérale d'huile minérale (EDC® 99 DW de TOTAL) représentant quatre fois celle des NTC a été introduite dans la pompe d'injection de la première zone de l'appareil, avant la première bague de restriction. Le malaxage a été effectué à température ambiante. En sortie du co-malaxeur, on a obtenu des joncs solides qui ont été découpés pour obtenir un mélange-maître sous forme de granulés solides renfermant 20% en poids de NTC et 80% en poids d'huile.
Exemple 2 : Fabrication d'un matériau composite
On a incorporé à température ambiante le mélange-maître obtenu à l'Exemple 1 dans du polyisoprène, à l'aide d'un mélangeur à cylindres. La quantité de mélange-maître ajoutée a été déterminée de manière à apporter 5 parties en poids de NTC pour 100 parties en poids de matrice élastomérique .
On a constaté que l'incorporation du mélange-maître était aisée et conduisait à un matériau composite homogène ne collant pas aux cylindres. Un système de vulcanisation a alors été ajouté, constitué de 5 parties en poids d'oxyde de zinc ; 2 parties en poids d'acide stéarique ; 1,4 parties en poids de soufre et 0,8 partie en poids de 2- bisbenzothiazole-2 , 2 ' -disulfure (MBTS) , pour 100 parties en poids de résine. Un traitement de vulcanisation a ensuite été effectué dans une presse DARRAGON à 170°C pendant 20 minutes
(150 bars) . On a ainsi obtenu un matériau composite élastomérique .
Exemple 3 : Evaluation des propriétés électriques et mécaniques du matériau composite
On a mesuré la résistivité électrique volumique du matériau composite 2A, fabriqué comme décrit dans l'Exemple 2, suivant la norme ISO 1853. Des essais de traction ont par ailleurs été réalisés sur les éprouvettes H2 avec la cellule à 1 kN à une vitesse de 50 mm/min (selon la norme ISO 37) . Après découpe des éprouvettes, leur talon a été testé en dureté Shore A selon la norme ASTM D2240. Des essais comparatifs ont été effectués en utilisant :
- comme témoin, du polyisoprène (échantillon 2B) dépourvu de charges conductrices,
- un matériau composite 2C fabriqué de façon similaire à l'Exemple 2, à partir d'un mélange-maître préparé comme décrit à l'Exemple 1, excepté que les NTC ont été remplacés par du noir de carbone ENSACO® 250G de TIMCAL,
- un matériau composite 2A' fabriqué de façon similaire à l'Exemple 2, mais incluant seulement 2 parties en poids de
NTC pour 100 parties en poids de résine (soit 2 phr) .
Les résultats de ces essais sont rassemblés dans le Tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1
Caractérisation du matériau composite élastomérique
Figure imgf000022_0001
De ces essais, il ressort que l'introduction de 5 phr (soit 3,7% en poids) de NTC dans le matériau composite n'augmente pas sensiblement la dureté du matériau, par rapport au matériau composite 2A' n'en contenant que 2 phr, puisque le matériau 2A reste extrêmement souple, tout en réduisant très nettement la résistivité du matériau jusqu'à le rendre conducteur et en augmentant fortement son module à 100%. Par comparaison, le matériau 2C renfermant la même quantité de noir de carbone n'est pas conducteur et son module à 100% n'est pas plus élevé que celui du témoin 2B.
Exemple 4 : Fabrication d'un mélange-maître avec une résine tackifiante solide
On a introduit, dans le puits d'alimentation de zone 1 d'un co-malaxeur BUSS MDK 46 (L/D = 11), des nanotubes de carbone (Graphistrength C100 d'ARKEMA) et une résine d'hydrocarbure solide (Norsolene M1080 produite par la société Cray
Valley) . Une huile minérale (EDC® 99 DW de TOTAL) a été introduite dans la pompe d'injection de la première zone de l'appareil, avant la première bague de restriction. Le malaxage a été effectué à une température de 100°C. En sortie du co-malaxeur, on a obtenu des joncs solides qui ont été découpés pour obtenir un mélange-maître sous forme de granulés solides renfermant 30% de nanotubes de carbone, 40% d'huile minérale et 30% de résine d'hydrocarbure, par rapport au poids total du mélange-maître.
Selon la méthode décrite dans cet exemple, on peut produire d'autres mélanges-maîtres renfermant jusqu'à 50% de nanotubes de carbone en utilisant différentes résines d'hydrocarbures. Celle-ci est de préférence judicieusement choisie en fonction de la matrice élastomérique dans laquelle le mélange-maître est introduit.
A titre d'exemple Matrice élastomère Résine d'hydrocarbure
recommandée dans le mélange- maître
Caoutchouc butyle Wingtack® STS,
Caoutchouc naturel Norsolene® M1080
Polyisoprène
Caoutchouc chlorobutyle Wingtack 86
EPDM Wingtack® ET, STS 86 et 95
EVA Wingtack 86
Polybutadiène Wingtack 86
SBR, SBS, SIR Wingtack 86
Les propriétés électriques et mécaniques d'un matériau composite à base de polyisoprène, grade SKI 3S contenant 3phr de NTC introduit à partir du mélange-maître de l'exemple 4, ont été déterminées dans les mêmes conditions que celles indiquées dans l'exemple 3.
Tableau 2
Control Avec 3 phr NTC
Dureté (unités 34 49
Shore A)
Allongement (%) 700 610
Résistance à la 3,3 7,0 rupture (MPa)
Module à 100% (MPa) 0, 42 0, 77
Résistivité >1Q12 105 surfacique SRM 110
(ohm)
Résistivité >1Q12 4 x 106 volumique (ohm. cm) Exemple 5 : Fabrication d'un mélange-maître
On a introduit, dans le puits d'alimentation de zone 1 d'un co-malaxeur BUSS MDK 46 (L/D = 11), des nanotubes de carbone (Graphistrength C100 d'ARKEMA. Un polymère hydrocarboné liquide Wingtack 10 produit par la société Cray Valley et une huile minérale (EDC 99 DW de TOTAL) ont été introduites par deux pompes d'injection dans la première zone de l'appareil, avant la première bague de restriction. Le malaxage a été effectué à une température de 50 °C. En sortie du co- malaxeur, on a obtenu des joncs solides qui ont été découpés pour obtenir un mélange-maître sous forme de granulés solides renfermant 35% de nanotubes de carbone, 15% d'huile minérale et 50% de polymère hydrocarboné liquide, par rapport au poids total du mélange-maître.
Selon la méthode décrite dans cet exemple, on peut produire d'autres mélanges-maîtres renfermant jusqu'à 50% de nanotubes de carbone en utilisant différents polymères hydrocarbonés liquides, seul ou en mélange avec une huile minérale.
Les mélanges-maîtres décrits dans les exemples 4 et 5 sont utilisés dans la fabrication de matériaux composites élastomériques selon le protocole décrit à l'exemple 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation d'un matériau composite élastomérique, comprenant les étapes successives :
(a) d'introduction, puis de malaxage, dans un dispositif de compoundage, d'au moins une huile et de nanotubes, tels que des nanotubes de carbone, pour obtenir un mélange-maître,
(b) d'extrusion dudit mélange-maître,
(c) de dilution du mélange-maître dans une matrice élastomérique .
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'huile est choisie parmi :
- les huiles végétales renfermant au moins 50% en poids de triglycérides constitués d'esters d'acides gras et de glycérol ;
les huiles de synthèse de formule R1COOR2 dans laquelle RI représente un groupe aryle ou le reste d'un acide gras supérieur, linéaire ou ramifié, comportant de
7 à 30 atomes de carbone et R2 représente une chaîne hydrocarbonée, ramifiée ou non, éventuellement hydroxylée, contenant de 3 à 30 atomes de carbone ;
les éthers de synthèse ;
- les alcools gras, linéaires ou ramifiés, saturés ou insaturés, en C6 à C26 ;
les huiles siliconées ;
les huiles d'origine minérale ;
les polymères renfermant des monomères hydrocarbonés linéaires ou ramifiés et/ou des monomères hydrocarbonés aromatiques ;
les hydrocarbures cycliques comme les ( alkyl ) cycloalcanes et les ( alkyl ) cycloalcènes dont la chaîne alkyle est linéaire ou ramifiée, saturée ou non, ayant de 1 à 30 atomes de carbone ;
- les hydrocarbures aromatiques ;
les huiles fluorées comme les perfluoralcanes en C8 à C24 ;
les huiles fluorosiliconées ;
et leurs mélanges.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'huile est une huile minérale.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les nanotubes représentent de 5 à 80% en poids, de préférence de 10 à 50% en poids et, mieux, de 15 à 30% en poids, par rapport au poids du mélange-maître .
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans l'étape a) on introduit en outre au moins un additif pouvant être cireux ou solide à pression atmosphérique et température ambiante, telle qu'une résine tackifiante.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes , caractérisé en ce que le dispositif de malaxage est une extrudeuse à double vis co-rotatives ou contre-rotatives ou un co-malaxeur.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice élastomérique renferme une base de résine élastomérique comprenant un ou plusieurs polymères choisis parmi : les élastomères fluorocarbonés ou fluorosiliconés ; les homo- et copolymères du butadiène, éventuellement fonctionnalisées par des monomères insaturés tels que l'anhydride maléique, l'acide (méth) acrylique,
1 ' acrylonitrile (NBR) et/ou le styrène (SBR) ; le néoprène (ou polychloroprène ) ; le polyisoprène ; les copolymère d'isoprène avec le styrène, le butadiène, 1 ' acrylonitrile et/ou le méthacrylate de méthyle ; les copolymères à base de propylène et/ou d'éthylène et notamment les terpolymères à base d'éthylène, de propylène et de diènes (EPDM) , ainsi que les copolymères de ces oléfines avec un (méth) acrylate d'alkyle ou l'acétate de vinyle ; les caoutchoucs butyle halogénés ; les élastomères de silicone tels que les poly (diméthylsiloxanes ) à extrémités vinyliques ; les polyuréthanes ; les polyesters ; les polymères acryliques tels que le poly (acrylate de butyle) porteur de fonctions acide carboxylique ou époxy ; ainsi que leur dérivés modifiés ou fonctionnalisés et leurs mélanges.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la base de résine élastomérique est choisie parmi les homo- et copolymères oléfiniques.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (a) comprend les sous-étapes consistant en :
1- la mise en contact de l'huile avec les nanotubes sans application de forces mécaniques de cisaillement,
2- l'introduction du pré-mélange de nanotubes et d'huile, et son malaxage par application de forces mécaniques de cisaillement, dans un dispositif de compoundage pour obtenir un mélange-maître.
10. Matériau composite élastomérique susceptible d'être obtenu suivant le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
11. Utilisation du matériau composite selon la revendication 10 pour la fabrication de joints de carrosserie ou d'étanchéité, de pneus, de plaques anti¬ bruit, de dissipateurs de charges statiques, de couche conductrice interne pour des câbles à haute et moyenne tension, ou de systèmes anti-vibratoires tels que des amortisseurs automobiles, ou dans la fabrication d'éléments de structure de gilets pare-balles.
12. Utilisation, pour conférer au moins une propriété électrique et/ou mécanique et/ou thermique à une matrice élastomérique, d'un mélange-maître susceptible d'être obtenu par malaxage, dans un dispositif de compoundage, puis extrusion, d'une composition polymérique renfermant au moins une huile et des nanotubes, notamment de carbone, et éventuellement une résine tackifiante.
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