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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
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BREVET D' II U'2vT'IAT la société : Corning Glass Works
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' Fabrication d'organo-siloxanes ". Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 12 décembre 1944 au non de Earl Leathen WARRICK.
Cette invention est relative à la fabrication d'organo- siloxanes moulables et durcissant par la chaleur.
Cette invention concerne la production de compositions plastiques qui sont adaptées pour l'emploi dans la fabrica- tion de parties structurelles ou non-structurelles nécessi- tant non seulement de la force, de la dureté et de la ténéci- té mais ausside la résistance aux hautes températures,aussi bien que des propriétés électriques désirables comme une résistivité électrique élevée et un faible facteur de puis- sance . De telles compositions plastiques, dans le but d'être considérées sérieusement au point de vue commercial doivent posséder des propriétés désirables de traitement.
Elles doivent en effet être moulables et durcir par la cha- leur, mais, plus que cela, elles doivent se mouler aisément sous faibles pressions et devenir solides à des températures
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relativement basses et dans un court espace de temps.
Quand on les emploie en relation avec des chargea comme de la laine de verre, les compositions plastiques doivent être suffisamment fluides à haute tempéature pour permettre une imprégnation uniforme de la charge, et suffisamment visqueu- ses à basse température pour ne pas s'éliminer de la charge.
De plus, quand la matière plastique est utilisée pour renfor- cer ou supporter un réseau en fibre de verre, etc, , elle de- vra adhérer aisément au verre dans les conditions d'utilisa- tion.
Le premier objet de cette invention est de produire une composition plastique durcissant par la chaleur qui est moulable à basse température et qui est adaptée pour être durcie quand elle est chauffée pendant un temps faible à une température relativement basse en un produit moulé qui possède de la force de structure, de la (ténacité, de la dureté aussi bien que de la stabilité aux hautes températures D'autres objets et avantages apparaîtront à partir dela des- cription suivante.
L'invention consiste en un procédé pour la fabrication de compositions résineuses, d'organo-siloxanes moulables et durcissant par la chaleur, caractérisé par l'hydrolyse d'un mélange ayant les formules générales CH3SiX3 et (CH3) 3SiY où X et Y sont des radicaux hyarolysables choisis dans la classe comprenant des halogènes et des radicaux alkoxy, les dits composés étant présents en proportions telles que le rapport carbene-silicium du mélange se trouve entre approximativement 1,05 et 1,30, la déshydratation du produit de l'hydrolyse du @@@ méthyl-silicium à une température inférieure à 100 C en présence d'un milieu acide dont le pH se trouve entre 0,3 et 2,0 jusqu'au point où il contient entre 0,3 et 5 % de grou-
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recueillement pes hydroxyles,
et le du produit résultant de la condensation du méthyl-silicium.
Le procédé suivant l'invention produit des compositions moulables durcissant par la chaleur qui sont adaptées pour donner des produits moulés de grande résistance aux hautes températures et qui sont spécialement aptes à servir en combinaison avec -un réseau en fibres de verre pour la production de matériau laminé de verre De plus, les nouvel- les compositions possèdent plusieurs propriétés électriques désirables comme un faible facteur de puissance, et une haute résistivité.
Ces nouvelles compositions soht des copo- lymères de méthyl-siloxane consistant essentiellement en unités de structure de deux espèces différentes qui corres- pondent en substance, respectivement aux formules CH3SiO3/2 et (CH3)3SiO1/2, les dites unités étant attachées l'une à l'autre par des liaisons silicium-oxygène, et ayant entre 0,3 et 5 % en poids de radicaux hydroxyles attachés au silicium, le rapport carbone-silicium des copolymères étant compris entre 1,05 et 1,30.
Les méthyl-siloxanes de cette invention peuvent être fondus en les chauffant à 200 C. sous ou sans pression pen- dant 1/2 à 1 heure, suivi d'un chauffage pendant 25-50 keures à 150 pour obtenir des produits moulés en substances infusi- bles limpides comme l'eau, transparents, Les produits moulés peuvent résister à des températures aussi élevées que 200 C pendant plus de cent heures. Ils possèdent@@@ la propriété non attendue de transmettre la lunière jusqu'à une limite in- férieure de 2150 A qui est considérablement plus faible que la plupart des verres plastiques .
Cette propriété résines ajoutée aux autres propriétés des @ telles que la ténacité, la résistance à la chaleur, l'sinabilité les rendent éminemment adaptés pour l'emploi dans les dispositif
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optiques.
Les copolymères du méthylsiloxane de compositions données ci-dessus sont aussi adaptés pour être utilisés en combinaison avec des charges telles que des fibres de verre, de l'aabeste,ou avec des produits textiles isolants électriques, comme du tissu en fibre de verre, du tissu d'asbeste, ou du tissu de coton. De telles combinaisons produisent des matériaux qui peuvent être moulés en des formes compliquées sans nécessiter de hautes pressions, de hautes températures ou des moules expansifs et qui peuvent être utilisés pour des parties structurelles ou non- structurelles .
Au lieu de moules expansifset de presses, des moules façonnés à partir de bois, de matières plasti- ques, de ciment, de plâtre de Paris, ou de matéères métalli- ques, peuvent être utilisés, en appliquant la pression par la méthode du sac de caoutchouc , en employant de l'air, de l'eau de la vapeur ou d'autres moyens.
Les produits laminés renforcés en verre ont un module de flexion de 0,5-2,0 x 106psl. Ils peuvent résister à des températures de 2500 pendant 100 heures. En rapport avec les propriétés électriques ils ont de faibles facteurs de puissance et haute résustuvuté. heur valeur d'absorption de l'humidité sont extrêmement basses.
Les propriétés désirables des nouvelles compositions sont dépendantes de la proportion relative d'unités de mono- et de tri-méthylsillcium et aussi de la quantité des groupes hydroxyles qu'elles contiennent. Le rapport des unités de monométhylsilicium à celles de triméthylsilicium devrait être tel que le rapport carpone-silicium de la composition se trouve entre 1,05 et 1,30. Si le rapport carbone-sili- cium est inférieur à 1,05 la composition est un matériau résineux, thermoplastique qui se durcit par le chauffage
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en un solide légèrement cassant.
D'un autre côté, si le rapport carbone-silicium est au-dessus de 1,30, les composi- tions s'échelonnent à partir des résines ne durcissant pas par la chaleur jusqu'à des fluides légers et stables
La teneur en groupes hydroxyles devrais/il être compri- se entre 0,3 et 5 % en poids des compositions . S'il y a moins que 0,3 %, les compositions durcissent trop lentement pour des usages pratiques et si elles sont supérieures à 5 % , les compositions tendent à devenir gel même en solution. A l'intérieur de ces intervalles de rapports car- bone-silicium et de teneurs en hydroxyles, cependant, les compositions indiquées ci-dessus durcissent vite et les produits transformés sont durs et tenaces et possèdent d'ex- cellentes propriétés électriques et mécaniques.
On comprendra que les compositions ci-dessus sont chauffées pour effectuer le durcissement en un produit mou- lé, la condensation des groupes hydroxyles se fait avec une diminution résultante de la teneur en hydroxyles.Cette dernière s'approche d'une valeur zéro et les résines devien- nent de plus en plus dures au fur et à mesure qu'on s'appro- che de cette valeur.
La méthode ptéférée de préparation des compositions de cette invention est selon les grandes lignes la suivante: On donnera ultérieurement les détails spécifiques de/ cette invention. On prépare un mélange des deux composés ayant respectivement les formules générales CH3SiX3 et (CH3)3SiY, en rapport molaire tel que le produit final de condensation ait un rapport carbone-silicium de 1,05 à 1,3, ou X et Y sont des radicaux hydrolysables choisis dans la classe com- prenant des halogènes et des radicaux alkoxy, et qui peuvent être les m'ornes ou être différents. Des exemples de tels composés sont le trichlorure de méthylsilicium, le chlorure
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de triaéthylsiliciuw, le mêthyltri,thoxysilane, le triméthyl- éthoxysilane, etc.
Le mélange est versé lentement dans un milieu aqueux convenant pour hydrolyser complètement les deux composés. Les produits d'hydrolyse sont intercondensés en les chauffant à une température de préférence en des- sous de 100 C. pendant 1 à 20 heures en présence d'un cata- lyseur acide de force telle que le pH du milieu réagissant soit compris entre 0,3 et 2,0 , par quoi on produit une résine dont la teneur en hydroxyles se trouve dans l'inter- valle 0,3-5 %. Le produit de condensation est recueilli en traitant le mélange réagissant avec de l'eau en excès pour obliger le copolymère de méthylsiloxane à se précipiter sous forme ±ce d'un dépôt collant. Ce dernier est séparé, dissous dans un solvant convenable comme le benzène, lavé et séché.
La solution sèche de benzène est alors concen- trée jusqu'à ce qu'on ootienne un solide résineux 100 % non collant oujusqu'à ce qu'on produise une solution de la concentration désirée.
Pour une meilleure compréhension de l'invention on se réfèrera à l'exemple suivant .
On ajoutait un mélange de monométhyltriéthoxysilane et de triméthyléthoxysilane dans le rapport molaire de 9 à 1, en agitant, à une solution 50-50 de dioxane et d'eau, cette dernière étant présente en une quantité ±gale à deux fois celle théoriquement requise pour hydrolyser com- plètement les silanes . Le mélange dioxane-eau contenait suffisamment d'acide chlorhydrique pour faire une solution U,l normale. Les silanes étaient ajoutés à la solution aqueu- se en une période de deux heures, durant laquelle la tempé- rature s'élevait jusqu'à 55-60 C, aucun essi n'étant fait pour refroidir le mélange réagissant.
Après 1 'addition du mélange de silane au milieu hydrolysant, on plaçait le mé-
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un lange entier réagissant sur un bain-marie à 60 C. el'y maintenait pendant 7 heures. On diluait alors la solution résultante avec un volume égal d'eau obligeant un dépôt collant à se former. Les deux précipités étaient séparés et le précipité collant était dissous dans du benzène.
La solution de benzène était lavée complètement avec de l'eau froide distillée jusçu'à réaction neutre au tourne- sol et alors encorelavé une fois de plus. On utilisait du sulfate de soude anhydre pour sécher la solution de benzène . Quand le séchage était complet, la solution de benzène était concentrée sous pression réduitè avec un cou- rant d'air barbottant à travers le liquide à 100 (: , jusqu'à ce que le benzène soit complètement volatilisé. Le produit était un solide non collant.
L'analyse du produit solide montra qu'il possédait un rapport carbone-silicium de 1,17 ; teneur en chlore de 0,046 % {provenant de l'acide chlorhydrique cataly- seur); 2,50 % de radicaux éthoxyles et 2,08 % de groupes hydroxyles. Quand on chauffait ce produit à 200 C. il se transformait en une résine insoluble et infusible qui perdait 3,4% de son poids après trois heures à cette tem- pérature. On déterminait la résistance à la flexion du produit en appliquant des pellicules du produit sur des bandes de cuivre plaqué de cadmium et en chauffant à 200 C.
Ona trouvé que 40 heures à 200 C. étaient requises pour obliger la pellicule à se fendre en la pliant sur un mandrin de 5 millimètres. On mesurait la résistance au fendillement de la résine en chauffant le produit dans des couvercles de bidon en fer à 200 C, jusqu'à ce que le fendillement se produisît et on a trouvé qu'il fallait chauffer 245 heures.
Le procédé ci-dessus peut être modifié dans certaines limites sans affecter matériellement le caractère du pro- duit. Le rapport molaire des deux silanes de départ peut
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être varié d.: façon telle que le produit ait un rapport carbone-silicium de 1,05 à 1,3, Si on obtenait des rapports plus faibles,les produits avaient une tendance à donner des gels alors que des produits avec: des rapports plus élevés tendaient à être trop lents lors du durcissement sans égard aux conditions de l'hydrolyse.
La quantité d'eau employée dans le milieu d'hydrolyse doit être supérieure à celle théoriquement requise pour l'hydrolyse complète et, de préférence, doit être au moins
150 % de celle-ci dans le but d'assurer que le produit ait une faible teneur en groupes éthoxyles ou n'en contienne pas du tout. Car si la teneur en éthoxyles est supérieure à 3 %, la résistance du produit à la chaleur est affaiblie par suite de la facilita relative d'oxydation du radical éthoxyle aux températures élevées.
La concentration de l'acide chlorhydrique employé comme catalyseur dans le procédé ci-dessus peut aussi êtreva- riée jusqu'à une certaine limite . Un trouve cependant que la teneur résiduelle en hydroxyle des résines est en relation linéaire avec lepH du milieu dans lequel on prépare la résine, le plus élevé est le pH du milieu le plus faible est la teneur en hydroxyle de la résine résultante . Dans le but d'obtenir une teneur en hydroxyle de 0,3 à 5,0 %, il est nécessaire que le pH du milieu réagissant setrouve com- pris entre environ 0,3 et 2,0 . Au lieu d'acide chlorhydri- que, on peut employer un catalyseur acide quelconque qui produira le pH indiqué ci-dessus.
Il estdésirable dans beaucoup d'exemples d'établir la concentration propre d'acide pour l'hydrolyse et la condensation du mélange de silane par addition graduelle de l'acide . C'est-à-dire l'hydrolyse initiale des silanes est accomplie en présence d'un acide dont la concentration
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ou la force est insuffisante pour établir le pH convenable En conséquence, on ajoute plus d'acide, soit lemême ou un acide différent, pour élever l'acidité jusqu'au pH convenable où la condensation est effectuée pour produire une résine de teneur désirée en hydroxyle . Par une telle addition graduelle, on obtient des résines qui en solution ont une viscosité beaucoup plus élevée que celles que l'on ob- tient par addition de l'acide en une seule fois.
Cette haute viscosité est désirable quand la résine doit être employée dans la fabrication de pièces laminées moulées en verre de résine .
L'addition graduelle du catalyseur acide peut être illustrée par l'exemple suivant. L'hydrolyse du mélange de silane était effectuée en présence d'acide oxalique 0,66 N Après que l'addition du mélange de silane au milieu hydroly- sant est effectuée (ce qui nécessite deux heures) on chauffe le mélange réagissant sur un bain-marie à 60 pendant une heure. Alors on ajoutait suffisamment d'acide chlorhydrique pour établir le pH propre dans le milieu réagissant. Le mélange était ensuite chauffé à 60 C. en agitant pendant 5 heures supplémentaires. Alors en recevait le produit comme décrit ci-dessus .
Ba viscosité dans une solution à 65 % de benzène était de 330 centistokes ce qui contraste avec les 18 centistokes obtenues par l'emploi de l'acide chlorhydri- que dans delà conditions comparables.
On peut employer dans le procédé ci-dessus un solvant quelconque miscible avec l'eau ou un mélange de solvants.
Cependant, chaque solvant a un effet spécifique sur le pH du milieu réagissant de façon telle que quelques expériences préliminaires sent nécessaires dans le but de déterminer quelles concentrations en acides donneront les valeurs de pH requises. A côté du dioxane, de l'alcool éthylique, de l'éther diéthylique et du benzène peuvent être employés avec un égal succès . En vue d'illustrer la spécificité de différents
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solvants, on dit que l'alcool éthylique tend à supprimer l'ionisation des acides plus que la dioxane. En consé- quence, quand on utilise de l'alcool, on doit employer une normalité d'acide quelque peu supérieure .
Le temps et la tempéaturedechauffage du mélange réagissant peuvent aussi être variés dans certaines limites..
En général le plus long est le chauffage, la plus élevée est la viscosité des produits. répandant, par c haulfage con- tinuel la teneur en hydroxylefaiblit et peut to:nber en- dessous de la valeur indiquée précédement comme étant criti- que. De plus, un trop long chauffage peut avoir pour résul- tat la gélification . Le solvant particulier employé a aussi un effet sur le temps requin pour obtenir un produit d'une certaine viscosité et d'une certaine teneur en hydroxyle.
La température peut aussi 'être différente de 60 C. Si elle est plus basue, un temps plus long est nécessaire pour attein- dre le point final désiré; si elle est plus haute, un temps plus court est nécessaire . cependant, des températures au- dessus de 100 c. doivent être évitées étant donné que la gélification doit probablement apparaître . Les temps et températures particuliers requis pour obtenir le produit dési- ré peuvent-être aisément déterminés par des essais prélimi- naires .
Si, dans le procédé ci-dessus, les silanes de départ sont remplacés par des halogénures du methylsilicium tels que du trichlorure de méthylsilicium et du chlorure de tri- méthylsilicium, le procédé général doit être modifié à cause de la formation d'acide chlorhydrique comme sous-produit de l'hydrolyse . Le volume du milieu réagissant doit quand les silanes de départ sont des chlorures, être ajusté de manière telle que le pH de la solution tombe dans l'inter- valle précédemment spécifié. Ou si la quantité d'acide chlor-
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hydrique est insuffisante pour produire le pH désiré,alors on doit ajouter plus d'acideavant dechauffer.
Quand les produits du procédé ci-dessus sont dissous dans du benzène pour faire une solution à 65 % ils ont des viscosités s'échelonnant de 10 à 1000 centistokes à 25 C.
Sous eette forme ils sont convenables pour l'imprégnation de tissus en fibres de verre pour faire des produits lami- nés en verre de résine poàr l'emploi dans la manufacture de parties non-structurelles ou structurelles telles que des planches de panneaux, etc. De préférence, la viscosité est dans le voisinage de 1000 centistokes . Pour obtenir les meilleurs résultats on doit employer le procédé suivant.
La solution de ré sine est peinte sur le tissu en fibres de verre ou sur le ruban et alors on laisse à l'air pour per- mettre au benzène de se volatiliser. On sèche d'abord le tissu enduit de résine en chauffant à 150 C. pendant 1/2 heure, si) la teneur en hydroxyle est d'environ 2 % et à 200 C. pendant 1/2 heure si la teneur en hydroxyle est infé- rieur à 2 %. Il est alors empilé avec d'autres tissus en fibres de verre traités d'une fa con analogue, et placés entre des guides sous une plaque d'acier pour les maintenir en position mais sous pression faible ou nulle (moins que 0,6 kg par centimètre carré). L'empilage est alors chauffé à 250 C. pendant 1/2 heure. Le module de flexion des produits laminés moulés s'échelonne de 0,79 à 2,29 x 106.
Après avoir été maintenue à 250 C. pendant 110 heures on a trouvé qu'un produit laminé ayant un module de flexion de 0,79 x 106 avant d'avoir été chauffé à un module de flexion de 1,02 x 106.
Les produits durcissant par la chaleur peuvent aussi être tnonlés sous pression si on le désire. A une solution de benzène à 65 % on ajoutait 18 % d'asbeste, 5 % d'acide bori-
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que et 1 % de stéarate de calcium, les pourcentages étant basés sur la teneur en résine de la solution. L'acide borique est seulement nécessaire si la teneur en hydroxyle de la résine est inférieure à 1 %. On broyait le mélange résultant. Après le broyage, on plaçait le mélange pour le sécher dans un four à 115 C.et sous une pression de 2,5- 5 cm d'eau . Le produit solideétait de nouveau broyé et séché dans les mêmes conditions . Un le plaçait alors dans un moule à 250 C. et sous une pression de 70 kg. par centi- mètre carré pendant 1 heure .
On permettait au produit moulé de se refroidir jusqu'à 200 C. et alors on .L'expul- sait. Sa forcede flexion à l'étatmoulé était 4640;après huit heures à 250 C. elle était de 4740. Sa dureté était de 87 sur l'échelle M de Roc;kwell.
Les produits résineux de cette invention sont aussi utiles comme matières imprégnantes pour les matériaux textiles comme du coton employé dans l'isolement électri- que. De telles applications comprennent les lacets de coton employés sur les avions et d'autres câbles à haute tension, la toile de Cambrai vernie, etc. Quand on les utilise comme matière d'imprégnation , les résines de cette invention sont de préférence dissoutes dans un solvant volatil tel que de l'alcool, le toluène, les naphtes aromatiques, ou les mélanges d'alcools et d'hydrocarbures.
Après application sous cette forwe le solvant volatil est évaporé abandonnant un enduit résineux.
Un peut fabriquer des produits extrêmement utiles, tels que des poudres demoulage et des p ei ntur es en incor- . orant des charges dans les résines de l'invention. En général, on préfère des charges inorganiquedans le but de prendre avantage de la résistance à la chaleur des résines. De telles charges produisent des effets cataly-
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tiques qui sont spécifiques de la charge particulière.
Dans la préparation des poudres de moulage la résine est ordinairement libérée du solvant. On la chauffe alors jusqu'à 175-18000 et on ajoute la charge sous une simple agitation. Les charges qui ont la plus, grande activité catalytique épaississent immédiatement la ré- sine et après 15 ou 20 minutes il est impossible de conti- nuer à agiter , Par refroidissement, la masse devient cassante et est convenable pour la pulvérisation.
Un a trouvé que les charges suivantes sont particulièrement effi- cace dans l'accélération du séchage de la résine : la pou- dre d'aluminium métallique, la poudre de carborundum (220 mailles), la poudre de fer, le bleu de plomb, l'oxy- de de zinc, l'oxyde de magnésium, l'alumine hydratée, l'alumine anhydre, le carbonate de baryum, le carbonate de calcium, le silène, la poudre de cuivre, la poudre de pierre ponce, le schiste rouge micronisé, et la celite .
L'intervallede teneur des charges est de 40 parties en poids pour 100 parties en poids de résine avec des charges à grandexx surface comme du silane jusqu'à 285 parties en poids de charges aussi lourdes que la poudre defer. On a trouvé que des panneaux moulés faits avec les charges ci-dessus incorporées dans les résines selon l'invention sent particulièrement résistants aux ébranlements thermi- ques, certains d'entre eux résistants lorsqu'étant refroi- dis en partant de 2500C dans l'eau froide.
On peut aussi préparer des peintures pour les hautes températures ou émaux à partir des nouvelles résines ,en y incorporant des charges *En préparant de telles peintures il est préférable de sécher à l'avance la résine exempte de solvant et le mélange de charge pendant un certain temps à 2000C. pour éliminer les parties volatiles de la résine.
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Les produits préséchés résultants sont alors dilués avec du toluène de préférence par broyage dans un broyeur à couleur à trois rouleaux. Quand on l'applique à, du verre ou des métaux la combinaison résine-charge sèche pour devenir non collante à, la température ambiante. Une cuis- son ultérieure n'est pas nécessaire. Les pellicules résul- tantes résistent au crevassement ou aux brisures après 70- 90 heures à 250 C. Elles restent inaltérées si on les immerge pendant plusieurs heures dans l'eau bouillante. Si on les plonge à partir de 250 C. dans l'eau, elles ne présentent aucun changement.
La teneur en hydroxyle des matériaux résineux décrits ci-dessus peut être calculée à partir du volume de méthane libéré quand on traite an échantillon de résine par de
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l'iodure de méthylmagnésiusil. n se référant à l'expres- sion suivante :
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-¯¯3 - ######y Pressiori saro<ùétr x17 0$ ¯ Volume Méthane x 273 + te,no, ambiante 76ü m
244 x Poids de l'échantillon un peut déterminer le volume de méthane libéré quand
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on traite la résine par de l'iodure de méthylsagnésiusi par le procédé suivant. L'appareil utilisé et la prépara- tion des réactifs employés sont décrits en détail dans
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"kicrothethods oi Quantitative Org8.nic -ilementary Anolysis" , hiederl and 1,iederl, pp. ;63-37'I, (;ïohn Wiley and Sons, In., 1,'.
Y. ) - un connecte directement à partir d'un four à. 110 un flacon à réaction à l'appareil et on fait passer un courant d'azote jusqu'à ce que le flacon et les liaisons aient atteint la température ambiante. un enlève le fla- con, on le bouche, on le pèse et on y verse rapidement
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l'échantillon. Après avoir été rebouché, le flacon est de nouveau pesé et remis en communication avec l'appareil. La pression de vapeur de la plupart des échantillons est suf- fisamment basse pour permettre une circulation continue ddazote. Dans beaucoup de cas, la température doit être constante , Le niveau de mercure est placé à zéro et l'appa- reil est fermé.
En abaissant la boule de nivellement on crée un vide suffisant pour admettre des parties de l'iodure de méthyl magnésium, De faibles parties de ce dernier sont ajoutées en agitant jusqu'à ce que l'addition de celui-ci soit accompagnée seulement par la même augmentation de volume du système . Les matériaux résineux doivent en général, être chauffé par un bain-marie autour du flacon de réaction.
La température ambiante doit être réobtenue avant de faire la lecture finale . On peut calculer le volume de méthane libéré en soustrayant le volume d'iodure de méthylmagnésium ajouté, de l'augmentation de volume du système entier.
REVENDICATIONS.
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