CA3201832A1 - Materiaux thermodurcis issus de resines phtalonitriles specifiques pour applications a hautes temperatures - Google Patents
Materiaux thermodurcis issus de resines phtalonitriles specifiques pour applications a hautes temperaturesInfo
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Abstract
L'invention a trait à un matériau thermodurci issu du durcissement par traitement thermique d'une résine susceptible d'être obtenue par polycondensation, en milieu basique, d'au moins un composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle.
Description
MATÉRIAUX THERMODURCIS ISSUS DE RÉSINES PHTALONITRILES SPÉCIFIQUES POUR
APPLICATIONS A HAUTES TEMPÉRATURES
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention a trait à des matériaux thermodurcis résultant du durcissement de résines phtalonitriles spécifiques, des résines phtalonitriles spécifiques, des matériaux composites et des procédés de préparation de ceux-ci.
Les résines phénoliques classiques, également appelées communément résines phénoplastes, résultent de la polycondensation d'un composé phénolique (classiquement, du phénol) avec un composé aldéhyde (classiquement, le formaldéhyle, également désigné par le terme formol) s'accompagnant de la formation de molécules d'eau, cette polycondensation conduisant à des oligomères ou condensats comprenant un enchaînement de cycles aromatiques liés entre eux par le biais de groupes méthylènes, ces oligomères pouvant être ensuite ultérieurement transformés par polycondensation thermique en présence éventuelle d'un catalyseur en un réseau tridimensionnel, donnant lieu à un matériau durci très résistant. Du fait de cette résistance, ces matériaux peuvent trouver application dans les industries nécessitant la mise en oeuvre de matériaux résistants à des températures extrêmes de températures et de frottement (en particulier, les matériaux ablatifs), tel que cela est le cas de l'industrie aérospatiale et notamment pour la conception de tuyères de fusée, de pièces résistantes à la rentrée atmosphérique, de revêtements de protection thermique, en particulier des boucliers thermiques. Plus particulièrement, ces matériaux entrent classiquement dans la constitution de matériaux composites, dans lesquels ils forment la matrice polymère piégeant les charges, telles que des fibres de carbone, des fibres de verre.
Toutefois, les résines phénoliques classiques, utilisées avantageusement avant durcissement sous la forme résol, comprennent encore du formaldéhyde et du phénol libres (c'est-à-dire non encore condensés). Or le formaldéhyde est un composé
cancérigène mutagène reprotoxique (CMR) de catégorie lb, qui dès 2026, par la réglementation REACH, va entrer dans l'annexe XIV, ce qui signifie, en d'autres termes, l'interdiction de commercialisation de tous produits comprenant une teneur en forma ldéhyde au-delà de 0,1%.
APPLICATIONS A HAUTES TEMPÉRATURES
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention a trait à des matériaux thermodurcis résultant du durcissement de résines phtalonitriles spécifiques, des résines phtalonitriles spécifiques, des matériaux composites et des procédés de préparation de ceux-ci.
Les résines phénoliques classiques, également appelées communément résines phénoplastes, résultent de la polycondensation d'un composé phénolique (classiquement, du phénol) avec un composé aldéhyde (classiquement, le formaldéhyle, également désigné par le terme formol) s'accompagnant de la formation de molécules d'eau, cette polycondensation conduisant à des oligomères ou condensats comprenant un enchaînement de cycles aromatiques liés entre eux par le biais de groupes méthylènes, ces oligomères pouvant être ensuite ultérieurement transformés par polycondensation thermique en présence éventuelle d'un catalyseur en un réseau tridimensionnel, donnant lieu à un matériau durci très résistant. Du fait de cette résistance, ces matériaux peuvent trouver application dans les industries nécessitant la mise en oeuvre de matériaux résistants à des températures extrêmes de températures et de frottement (en particulier, les matériaux ablatifs), tel que cela est le cas de l'industrie aérospatiale et notamment pour la conception de tuyères de fusée, de pièces résistantes à la rentrée atmosphérique, de revêtements de protection thermique, en particulier des boucliers thermiques. Plus particulièrement, ces matériaux entrent classiquement dans la constitution de matériaux composites, dans lesquels ils forment la matrice polymère piégeant les charges, telles que des fibres de carbone, des fibres de verre.
Toutefois, les résines phénoliques classiques, utilisées avantageusement avant durcissement sous la forme résol, comprennent encore du formaldéhyde et du phénol libres (c'est-à-dire non encore condensés). Or le formaldéhyde est un composé
cancérigène mutagène reprotoxique (CMR) de catégorie lb, qui dès 2026, par la réglementation REACH, va entrer dans l'annexe XIV, ce qui signifie, en d'autres termes, l'interdiction de commercialisation de tous produits comprenant une teneur en forma ldéhyde au-delà de 0,1%.
2 Aussi, du fait de cette classification CMR, de la future réglementation REACH, il y a une réelle nécessité à proposer des résines phénoliques ou des substituts de celles-ci présentant une teneur en formaldéhyde réduite voire l'absence totale de formaldéhyde, en particulier pour minimiser voire éliminer les problèmes de toxicité liés à
ce produit, tout en présentant des propriétés de dégradation comparables ou supérieures.
A titre de substituts de résines phénoliques, il a été proposé des résines phtalonitriles qui résultent de la polycondensation d'un composé phtalonitrile (c'est-à-dire un composé benzénique présentant deux groupes nitriles en position ortho l'un de l'autre) par traitement thermique et en présence d'un catalyseur électrophile (par exemple, un acide de Bronsted ou un acide de Lewis) ou d'un catalyseur nucléophile (par exemple, un composé phénolique, un composé amine aromatique), les groupes nitriles réagissant via des mécanismes de polycondensation pour former des isoindolines, des triazines et des phtalocyanines comme décrit par Liu et al. (Polymer 2018, 143, 28-39) illustré sur le schéma réactionnel exposé ci-dessous :
NC CN Nu-1 CN _N
Nu ou E / \
Nu-n Isoindoline _ _ NC CN
Nu = catalyseur nucléoPhlle E = catalyseur electrophile NC
, e E
1!
,S
CN N-NO CN Phtalocyanbe ô
N CN
I -J
CN
Triazne Plus précisément, deux générations de résines phtalonitriles ont déjà vu le jour.
ce produit, tout en présentant des propriétés de dégradation comparables ou supérieures.
A titre de substituts de résines phénoliques, il a été proposé des résines phtalonitriles qui résultent de la polycondensation d'un composé phtalonitrile (c'est-à-dire un composé benzénique présentant deux groupes nitriles en position ortho l'un de l'autre) par traitement thermique et en présence d'un catalyseur électrophile (par exemple, un acide de Bronsted ou un acide de Lewis) ou d'un catalyseur nucléophile (par exemple, un composé phénolique, un composé amine aromatique), les groupes nitriles réagissant via des mécanismes de polycondensation pour former des isoindolines, des triazines et des phtalocyanines comme décrit par Liu et al. (Polymer 2018, 143, 28-39) illustré sur le schéma réactionnel exposé ci-dessous :
NC CN Nu-1 CN _N
Nu ou E / \
Nu-n Isoindoline _ _ NC CN
Nu = catalyseur nucléoPhlle E = catalyseur electrophile NC
, e E
1!
,S
CN N-NO CN Phtalocyanbe ô
N CN
I -J
CN
Triazne Plus précisément, deux générations de résines phtalonitriles ont déjà vu le jour.
3 La première génération a été synthétisée à partir de sel de bisphénol (A, F, S, A6F...) et de 4-nitrophtalonitrile, le durcissement (ou réticulation) de la résine étant réalisé en présence d'une diamine aromatique. Toutefois, ces monomères ont des températures de fusion élevées (185-230 C) et une faible fenêtre de processabilité ce qui limite leur mise en uvre. C'est pourquoi la deuxième génération a visé à
développer des monomères à faible point de fusion avec une large fenêtre de mise en oeuvre.
Pour cela, différentes stratégies ont été adoptées comme l'incorporation de liaisons éthers, l'introduction de rotules ou l'utilisation de monomères plus complexes, tels que décrit dans US 2017/0002146. Ces travaux ont mené, notamment, au développement d'une résine spécifique : la PEEK-like phtalonitrile . Cependant le monomère utilisé pour la synthèse de cette résine a un point de fusion autour de 200 C, corrélé à la nécessité
d'ajouter une diamine qui provoquera inévitablement la formation de porosité
dans le polymère et enfin les temps de cuissons longs et à haute température (jusqu'à
400 C).
Aussi la clé du développement des résines phtalonitriles est sans nul doute la synthèse de monomère à faible point de fusion couplé à des systèmes auto-catalysés. Parmi ces systèmes auto-catalysés, il a été mis en place des polybenzoxazines dérivées des phtalonitriles, tels décrits dans WO 2017/105890. Les polymères obtenus ont des performances intéressantes avec des Tds% > 450 C et des rendements carbones autour de 70 %.
Par ailleurs, il a été envisagé d'utiliser, comme réactifs de départ, un mélange comprenant un composé novolaque et un composé phtalonitrile, ce dernier réagissant avec tout ou partie des ¨OH aromatiques du composé novolaque, comme décrit dans J. Applied. Polym. Sci. 2012, 125(1), 649-656. Ces résines requièrent toutefois l'utilisation de formaldéhyde, notamment, pour former le composé novolaque, ce qui peut engendrer des problèmes de santé pour l'opérateur. Le durcissement (ou réticulation) de la résine est auto-catalysée par les hydroxyles aromatiques non substitués et il a notamment été montré que, plus il y a de fonction hydroxyles aromatiques et plus la température de polymérisation est abaissée, tandis qu'augmenter la proportion du composé phtalonitrile augmente la température de polymérisation.
Au vu de ce qui existe et des inconvénients mentionnés ci-dessus, les
développer des monomères à faible point de fusion avec une large fenêtre de mise en oeuvre.
Pour cela, différentes stratégies ont été adoptées comme l'incorporation de liaisons éthers, l'introduction de rotules ou l'utilisation de monomères plus complexes, tels que décrit dans US 2017/0002146. Ces travaux ont mené, notamment, au développement d'une résine spécifique : la PEEK-like phtalonitrile . Cependant le monomère utilisé pour la synthèse de cette résine a un point de fusion autour de 200 C, corrélé à la nécessité
d'ajouter une diamine qui provoquera inévitablement la formation de porosité
dans le polymère et enfin les temps de cuissons longs et à haute température (jusqu'à
400 C).
Aussi la clé du développement des résines phtalonitriles est sans nul doute la synthèse de monomère à faible point de fusion couplé à des systèmes auto-catalysés. Parmi ces systèmes auto-catalysés, il a été mis en place des polybenzoxazines dérivées des phtalonitriles, tels décrits dans WO 2017/105890. Les polymères obtenus ont des performances intéressantes avec des Tds% > 450 C et des rendements carbones autour de 70 %.
Par ailleurs, il a été envisagé d'utiliser, comme réactifs de départ, un mélange comprenant un composé novolaque et un composé phtalonitrile, ce dernier réagissant avec tout ou partie des ¨OH aromatiques du composé novolaque, comme décrit dans J. Applied. Polym. Sci. 2012, 125(1), 649-656. Ces résines requièrent toutefois l'utilisation de formaldéhyde, notamment, pour former le composé novolaque, ce qui peut engendrer des problèmes de santé pour l'opérateur. Le durcissement (ou réticulation) de la résine est auto-catalysée par les hydroxyles aromatiques non substitués et il a notamment été montré que, plus il y a de fonction hydroxyles aromatiques et plus la température de polymérisation est abaissée, tandis qu'augmenter la proportion du composé phtalonitrile augmente la température de polymérisation.
Au vu de ce qui existe et des inconvénients mentionnés ci-dessus, les
4 auteurs de la présente invention se sont fixé pour objectif de proposer de nouveaux matériaux thermodurcis issus d'une résine, dont le durcissement est auto-catalysée, dont les réactifs de départ sont des monomères de faible masse moléculaire (comparativement à des monomères du type novolaque ou bisphénol) et qui se présente, avant durcissement, sous une forme liquide à température ambiante ou un solide vitreux à faible point de fusion, ledit matériau thermodurci étant résistant à hautes températures et présentant un rendement carbone supérieur à GO% après pyrolyse au-dessus de 950 C et une température de dégradation à 5% supérieure à 400 C.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ainsi, l'invention a trait à un matériau thermodurci issu du durcissement par traitement thermique d'une résine susceptible d'être obtenue par polycondensation, en milieu basique, d'au moins un composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle.
La résine utilisée pour les matériaux thermodurcis de l'invention présente les avantages suivants :
-le réactif de départ (en l'occurrence, le composé phtalonitrile susmentionné) est un réactif de faible poids moléculaire (comparativement à
ceux utilisés dans l'art antérieur, comme les réactifs bisphénol) ;
-la présence d'au moins un groupe hydroxyle sur le composé
phtalonitrile assure le rôle de catalyseur lors du durcissement (ou réticulation) ultérieure de la résine pour en faire un matériau thermodurci résistant à hautes températures ;
-l'utilisation, comme réactif de départ, d'un composé phtalonitrile confère, après durcissement de la résine, d'excellentes propriétés mécaniques.
Les matériaux thermodurcis conformes à l'invention sont des matériaux résistants à hautes températures et, en particulier, présentent un rendement carbone supérieur à 60% après pyrolyse au-dessus de 950 C et une température de dégradation à
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ainsi, l'invention a trait à un matériau thermodurci issu du durcissement par traitement thermique d'une résine susceptible d'être obtenue par polycondensation, en milieu basique, d'au moins un composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle.
La résine utilisée pour les matériaux thermodurcis de l'invention présente les avantages suivants :
-le réactif de départ (en l'occurrence, le composé phtalonitrile susmentionné) est un réactif de faible poids moléculaire (comparativement à
ceux utilisés dans l'art antérieur, comme les réactifs bisphénol) ;
-la présence d'au moins un groupe hydroxyle sur le composé
phtalonitrile assure le rôle de catalyseur lors du durcissement (ou réticulation) ultérieure de la résine pour en faire un matériau thermodurci résistant à hautes températures ;
-l'utilisation, comme réactif de départ, d'un composé phtalonitrile confère, après durcissement de la résine, d'excellentes propriétés mécaniques.
Les matériaux thermodurcis conformes à l'invention sont des matériaux résistants à hautes températures et, en particulier, présentent un rendement carbone supérieur à 60% après pyrolyse au-dessus de 950 C et une température de dégradation à
5% supérieure à 400 C.
Comme mentionné ci-dessus, les résines sont susceptibles d'être obtenues par polycondensation d'au moins un composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle.
Le composé phtalonotrile est, classiquement, un composé constitué
5 d'un cycle benzénique porteur de deux groupes nitriles en position ortho l'un de l'autre, ce cycle étant dans le cadre de l'invention, porteur également d'au moins un groupe hydroxyle, le ou les groupes hydroxyles étant, de préférence en position ortho par rapport à l'un des groupes nitriles, le cas échéant, le ou les autres carbones libres de ce cycle non lié(s) à le ou les groupes hydroxyles et aux deux groupes nitriles étant éventuellement lié(s) à un substituant choisi parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle, un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO. En d'autres termes, comporte, en outre, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
Plus spécifiquement, le composé phtalonitrile peut comprendre sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant (hormis, bien entendu, les deux groupes nitriles du composé phtalonitrile) ou peut comprendre, sur son cycle benzénique, un seul groupe -OH et un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe -CHO, avantageusement sans autre substituant (hormis, bien entendu, les deux groupes nitriles du composé phtalonitrile), le groupe -OH et le groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe -CHO étant, par exemple, en position para l'un par rapport à
l'autre.
En particulier, le composé phtalonitrile peut répondre à la formule suivante (I) suivante :
OH
NC
NC
(I)
Comme mentionné ci-dessus, les résines sont susceptibles d'être obtenues par polycondensation d'au moins un composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle.
Le composé phtalonotrile est, classiquement, un composé constitué
5 d'un cycle benzénique porteur de deux groupes nitriles en position ortho l'un de l'autre, ce cycle étant dans le cadre de l'invention, porteur également d'au moins un groupe hydroxyle, le ou les groupes hydroxyles étant, de préférence en position ortho par rapport à l'un des groupes nitriles, le cas échéant, le ou les autres carbones libres de ce cycle non lié(s) à le ou les groupes hydroxyles et aux deux groupes nitriles étant éventuellement lié(s) à un substituant choisi parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle, un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO. En d'autres termes, comporte, en outre, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
Plus spécifiquement, le composé phtalonitrile peut comprendre sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant (hormis, bien entendu, les deux groupes nitriles du composé phtalonitrile) ou peut comprendre, sur son cycle benzénique, un seul groupe -OH et un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe -CHO, avantageusement sans autre substituant (hormis, bien entendu, les deux groupes nitriles du composé phtalonitrile), le groupe -OH et le groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe -CHO étant, par exemple, en position para l'un par rapport à
l'autre.
En particulier, le composé phtalonitrile peut répondre à la formule suivante (I) suivante :
OH
NC
NC
(I)
6 dans laquelle R représente H, -OH, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, et de préférence, R représente -OH, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO
ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
Plus précisément, le composé phtalonitrile peut être un composé, dans lequel R est un groupe ¨OH, auquel cas il répond à la formule (II) suivante :
OH
NC
NC
OH
(Il) ce composé étant dénommé également 2,3-dicyanohydroquinone.
Le composé phtalonitrile peut être également un composé, dans lequel R représente un groupe 0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, auquel cas il répond à la formule (III) suivante :
OH
NC
NC
-CHO
(III) le groupe ¨CHO occupant l'un des atomes de carbone libres du cycle benzénique, avec de préférence, ce groupe ¨CHO occupant la position para, moyennant quoi il répond à la formule (IV) suivante :
ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
Plus précisément, le composé phtalonitrile peut être un composé, dans lequel R est un groupe ¨OH, auquel cas il répond à la formule (II) suivante :
OH
NC
NC
OH
(Il) ce composé étant dénommé également 2,3-dicyanohydroquinone.
Le composé phtalonitrile peut être également un composé, dans lequel R représente un groupe 0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, auquel cas il répond à la formule (III) suivante :
OH
NC
NC
-CHO
(III) le groupe ¨CHO occupant l'un des atomes de carbone libres du cycle benzénique, avec de préférence, ce groupe ¨CHO occupant la position para, moyennant quoi il répond à la formule (IV) suivante :
7 OH
NC
NC
o C HO
(IV) ce composé étant dénommé 3-(4-formylphénoxy)-hydroxyphtalonitrile.
Selon un premier mode de réalisation, les résines de l'invention peuvent, avantageusement, être obtenues par polycondensation d'un seul composé
phtalonitrile tel que défini ci-dessus, les résines comprenant, ainsi, des condensats du seul composé phtalonitrile et, plus particulièrement :
-lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant sur ledit cycle, tel que le composé de formule (II) définie ci-dessus ; ou -lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, outre un groupe -OH, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, avantageusement, sans autre substituant sur ledit cycle, tel que le composé de formule (III) ou (IV) telles que définies ci-dessus.
Des résines avantageuses conformes à l'invention et répondant aux spécificités du premier mode de réalisation sont des résines résultant de la polycondensation, en milieu basique, du composé de formule (II) ci-dessus ou du composé de formule (IV) ci-dessus.
Selon un deuxième mode de réalisation, les résines de l'invention peuvent être obtenues par polycondensation d'un composé phtalonitrile tel que défini ci-dessus et d'au moins un autre composé, qui peut être :
NC
NC
o C HO
(IV) ce composé étant dénommé 3-(4-formylphénoxy)-hydroxyphtalonitrile.
Selon un premier mode de réalisation, les résines de l'invention peuvent, avantageusement, être obtenues par polycondensation d'un seul composé
phtalonitrile tel que défini ci-dessus, les résines comprenant, ainsi, des condensats du seul composé phtalonitrile et, plus particulièrement :
-lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant sur ledit cycle, tel que le composé de formule (II) définie ci-dessus ; ou -lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, outre un groupe -OH, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, avantageusement, sans autre substituant sur ledit cycle, tel que le composé de formule (III) ou (IV) telles que définies ci-dessus.
Des résines avantageuses conformes à l'invention et répondant aux spécificités du premier mode de réalisation sont des résines résultant de la polycondensation, en milieu basique, du composé de formule (II) ci-dessus ou du composé de formule (IV) ci-dessus.
Selon un deuxième mode de réalisation, les résines de l'invention peuvent être obtenues par polycondensation d'un composé phtalonitrile tel que défini ci-dessus et d'au moins un autre composé, qui peut être :
8 -selon une première variante, un composé benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe -OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants, tel qu'un groupe amine, un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle, cette première variante étant particulièrement appropriée, lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, avantageusement, sans autre substituant sur ledit cycle (hormis, bien entendu les groupes nitriles et le ou les groupes hydroxyles du composé phtalonitrile), tel que le composé de formule (III) ou (IV) telles que définies ci-dessus ;
-selon une deuxième variante, un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants, tel qu'un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe -CHO, cette deuxième variante étant particulièrement appropriée, lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant sur ledit cycle (hormis, bien entendu, les deux groupes nitriles du composé phtalonitrile), tel que le composé de formule (II) définie ci-dessus.
Plus particulièrement, le composé benzénique de la première variante définie ci-dessus peut répondre à la formule (V) suivante :
OH
_________________________________________________________ (R1), (V) dans laquelle n est un entier allant de 0 à 5, de préférence, allant de 0 à 2, et, le cas échéant, le RI- ou les R1, identiques ou différents, représente(nt) un groupe ¨OH, un groupe NH2 ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
-selon une deuxième variante, un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants, tel qu'un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe -CHO, cette deuxième variante étant particulièrement appropriée, lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant sur ledit cycle (hormis, bien entendu, les deux groupes nitriles du composé phtalonitrile), tel que le composé de formule (II) définie ci-dessus.
Plus particulièrement, le composé benzénique de la première variante définie ci-dessus peut répondre à la formule (V) suivante :
OH
_________________________________________________________ (R1), (V) dans laquelle n est un entier allant de 0 à 5, de préférence, allant de 0 à 2, et, le cas échéant, le RI- ou les R1, identiques ou différents, représente(nt) un groupe ¨OH, un groupe NH2 ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
9 Pour précision, lorsque n est égal à 0, cela signifie que le composé
benzénique n'est pas substitué, hormis le groupe ¨OH présent sur la formule (en d'autres termes, le composé benzénique correspond ainsi au phénol). Lorsque n est un entier allant de 1 à 5, cela signifie que le composé benzénique est, en plus du groupe ¨OH, substitué par 1 à 5 substituants choisis parmi les groupes -OH, NH2 ou alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
Des composés benzéniques avantageux répondant aux spécificités de la première variante sont le phénol, le résorcinol, le phloroglycinol (ou benzène-1,3,5-triol), le 2-hydroxyméthylphénol.
Des résines avantageuses et répondant aux spécificités de la première variante du deuxième mode de réalisation sont des résines résultant de la polycondensation, en milieu basique, du composé phtalonitrile de formule (IV) définie ci-dessus et du composé de formule (V) définie ci-dessus, tel que le phénol, le résorcinol, le phloroglucinol, le 2-hydrométhyl-phénol, l'obtention de ces résines pouvant être schématisée par le schéma réactionnel suivant :
OH
OH
NC
Base Resine NC
O
Quant à la deuxième variante, le composé benzénique défini ci-dessus peut répondre à la formule (VI) suivante :
CHO
(VI) dans laquelle R2 représente ¨CHO, ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe 5 -CHO et, avantageusement, -CHO ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
Des composés benzéniques avantageux répondant aux spécificités de la deuxième variante sont le téréphtalaldéhyde ou le 4,4'-oxydibenzaldéhyde de formules respectives (VII) et (VIII) suivantes :
benzénique n'est pas substitué, hormis le groupe ¨OH présent sur la formule (en d'autres termes, le composé benzénique correspond ainsi au phénol). Lorsque n est un entier allant de 1 à 5, cela signifie que le composé benzénique est, en plus du groupe ¨OH, substitué par 1 à 5 substituants choisis parmi les groupes -OH, NH2 ou alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
Des composés benzéniques avantageux répondant aux spécificités de la première variante sont le phénol, le résorcinol, le phloroglycinol (ou benzène-1,3,5-triol), le 2-hydroxyméthylphénol.
Des résines avantageuses et répondant aux spécificités de la première variante du deuxième mode de réalisation sont des résines résultant de la polycondensation, en milieu basique, du composé phtalonitrile de formule (IV) définie ci-dessus et du composé de formule (V) définie ci-dessus, tel que le phénol, le résorcinol, le phloroglucinol, le 2-hydrométhyl-phénol, l'obtention de ces résines pouvant être schématisée par le schéma réactionnel suivant :
OH
OH
NC
Base Resine NC
O
Quant à la deuxième variante, le composé benzénique défini ci-dessus peut répondre à la formule (VI) suivante :
CHO
(VI) dans laquelle R2 représente ¨CHO, ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe 5 -CHO et, avantageusement, -CHO ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
Des composés benzéniques avantageux répondant aux spécificités de la deuxième variante sont le téréphtalaldéhyde ou le 4,4'-oxydibenzaldéhyde de formules respectives (VII) et (VIII) suivantes :
10 (VII) (VIII) Des résines avantageuses et répondant aux spécificités de la deuxième variante du deuxième mode de réalisation sont des résines résultant de la polycondensation, en milieu basique, du composé phtalonitrile de formule (II) définie ci-dessus et du composé de formule (VI) définie ci-dessus (en particulier, le composé de formule (VII) ou de formule (VIII) définies ci-dessus), l'obtention de ces résines pouvant être schématisée par le schéma réactionnel suivant :
OH CHO
NC
Base =
Résine NC
OH
R2 étant tel que défini ci-dessus.
OH CHO
NC
Base =
Résine NC
OH
R2 étant tel que défini ci-dessus.
11 En particulier, les résines peuvent être des résines obtenues exclusivement par la polycondensation d'un ou plusieurs composés phtalonitriles tels que définis ci-dessus et éventuellement d'un ou plusieurs autres composés tels que définis ci-dessus (c'est-à-dire sans autre ingrédient intervenant dans la réaction de polycondensation en tant que telle).
Le procédé d'obtention d'un matériau thermodurci conforme à
l'invention comprend, classiquement une étape de durcissement de la résine conforme à
l'invention par chauffage de cette dernière à une température de durcissement, par exemple, une température allant de 150 C à 350 C, par exemple, une température de 350 C, le traitement thermique ayant lieu, de préférence, sous atmosphère inerte, tel qu'une atmosphère de N2, ladite température pouvant être atteinte au cours d'un ou plusieurs cycles de chauffages.
Parmi les résines utilisées pour les matériaux thermodurcis conformes à
l'invention, certaines sont nouvelles et constituent un des objets de l'invention, ces résines étant des résines susceptibles d'être obtenues par polycondensation, en milieu basique :
-d'au moins un composé phtalonitrile porteur sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et d'au moins un autre composé, qui est un composé
benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle ; ou -d'un seul composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et comportant, en outre, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨C HO.
Le procédé d'obtention d'un matériau thermodurci conforme à
l'invention comprend, classiquement une étape de durcissement de la résine conforme à
l'invention par chauffage de cette dernière à une température de durcissement, par exemple, une température allant de 150 C à 350 C, par exemple, une température de 350 C, le traitement thermique ayant lieu, de préférence, sous atmosphère inerte, tel qu'une atmosphère de N2, ladite température pouvant être atteinte au cours d'un ou plusieurs cycles de chauffages.
Parmi les résines utilisées pour les matériaux thermodurcis conformes à
l'invention, certaines sont nouvelles et constituent un des objets de l'invention, ces résines étant des résines susceptibles d'être obtenues par polycondensation, en milieu basique :
-d'au moins un composé phtalonitrile porteur sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et d'au moins un autre composé, qui est un composé
benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle ; ou -d'un seul composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et comportant, en outre, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨C HO.
12 Les caractéristiques énoncées pour les résines utilisées dans les matériaux thermodurcis conformes à l'invention peuvent être reprises ici, dès lors qu'elles sont valables pour ces résines en tant que telles.
L'invention a également trait à un procédé de fabrication d'une résine conforme à l'invention comprenant une étape de mise en contact d'au moins un composé
phtalonitrile tel que défini ci-dessus avec au moins une base suivie d'une étape de chauffage à une température appropriée pour obtenir la polycondensation dudit au moins un composé phtalonitrile.
Les spécificités du composé phtalonitrile décrites ci-dessus au sujet des résines objets de l'invention (définies comme des résines susceptibles d'être obtenues par un procédé) sont également valables pour le procédé objet de l'invention.
Plus spécifiquement, la ou les bases mise(s) en oeuvre dans le cadre du procédé de l'invention peu(ven)t être une base organique et, plus particulièrement, une base organique comprenant un groupe amine, tel que de la triéthylamine, ou un groupe amidine, tel que le 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène de formule (IX) suivante :
co (IX) La ou les bases est (sont), de préférence, présente(s) en une teneur allant de 5 à 100% molaire par rapport au nombre de moles de composé(s) phtalonitrile(s) présent(s) initialement (c'est-à-dire avant que la réaction de polycondensation n'ait démarré).
Plus spécifiquement, la ou les bases peu(ven)t être présente(s) à
hauteur de 50 à 100% molaire par rapport au nombre de moles de composé(s) phtalonitrile(s) présent(s) initialement (c'est-à-dire avant que la réaction de polycondensation n'ait démarré) et, encore plus spécifiquement, peu(ven)t être présente(s) à hauteur de 50%.
La température appropriée pour obtenir la polycondensation du ou des
L'invention a également trait à un procédé de fabrication d'une résine conforme à l'invention comprenant une étape de mise en contact d'au moins un composé
phtalonitrile tel que défini ci-dessus avec au moins une base suivie d'une étape de chauffage à une température appropriée pour obtenir la polycondensation dudit au moins un composé phtalonitrile.
Les spécificités du composé phtalonitrile décrites ci-dessus au sujet des résines objets de l'invention (définies comme des résines susceptibles d'être obtenues par un procédé) sont également valables pour le procédé objet de l'invention.
Plus spécifiquement, la ou les bases mise(s) en oeuvre dans le cadre du procédé de l'invention peu(ven)t être une base organique et, plus particulièrement, une base organique comprenant un groupe amine, tel que de la triéthylamine, ou un groupe amidine, tel que le 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène de formule (IX) suivante :
co (IX) La ou les bases est (sont), de préférence, présente(s) en une teneur allant de 5 à 100% molaire par rapport au nombre de moles de composé(s) phtalonitrile(s) présent(s) initialement (c'est-à-dire avant que la réaction de polycondensation n'ait démarré).
Plus spécifiquement, la ou les bases peu(ven)t être présente(s) à
hauteur de 50 à 100% molaire par rapport au nombre de moles de composé(s) phtalonitrile(s) présent(s) initialement (c'est-à-dire avant que la réaction de polycondensation n'ait démarré) et, encore plus spécifiquement, peu(ven)t être présente(s) à hauteur de 50%.
La température appropriée pour obtenir la polycondensation du ou des
13 composé(s) phtalonitrile(s) et, le cas échéant, du ou des autres composés définis ci-dessous, peut être fixée, avantageusement, à une valeur supérieure ou égale à
80 C et, plus spécifiquement, peut aller de 80 C à 130 C, la température pouvant être maintenue pendant une durée d'au moins une heure et, plus spécifiquement, de 1 heure à
heures.
Avant la mise en contact avec la ou les bases, le ou les composés phtalonitriles peuvent être solubilisés dans un solvant organique, par exemple, un solvant alcoolique, comme l'éthanol, un solvant nitrile, comme l'acétonitrile ou un solvant sulfoxyde comme le diméthylsulfoxyde, le choix du solvant dépendant, bien entendu, du ou des composés phtalonitriles engagés dans le procédé de l'invention.
En outre, selon la résine souhaitée, il peut être ajouté, en sus du composé phtalonitrile et de la base, avant l'étape de chauffage, au moins un autre composé, tel que :
-selon une première variante, un composé benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe -OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants, tel qu'un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle, cette première variante étant particulièrement appropriée, lorsque le composé
phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO
ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, avantageusement, sans autre substituant sur ledit cycle (hormis, bien entendu les groupes nitriles et le ou les groupes hydroxyles du composé phtalonitrile), tel que le composé de formule (III) ou (IV) telles que définies ci-dessus ;
-selon une deuxième variante, un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants, tel qu'un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe -CHO, cette deuxième variante étant particulièrement appropriée, lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant sur ledit cycle
80 C et, plus spécifiquement, peut aller de 80 C à 130 C, la température pouvant être maintenue pendant une durée d'au moins une heure et, plus spécifiquement, de 1 heure à
heures.
Avant la mise en contact avec la ou les bases, le ou les composés phtalonitriles peuvent être solubilisés dans un solvant organique, par exemple, un solvant alcoolique, comme l'éthanol, un solvant nitrile, comme l'acétonitrile ou un solvant sulfoxyde comme le diméthylsulfoxyde, le choix du solvant dépendant, bien entendu, du ou des composés phtalonitriles engagés dans le procédé de l'invention.
En outre, selon la résine souhaitée, il peut être ajouté, en sus du composé phtalonitrile et de la base, avant l'étape de chauffage, au moins un autre composé, tel que :
-selon une première variante, un composé benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe -OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants, tel qu'un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle, cette première variante étant particulièrement appropriée, lorsque le composé
phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO
ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO, avantageusement, sans autre substituant sur ledit cycle (hormis, bien entendu les groupes nitriles et le ou les groupes hydroxyles du composé phtalonitrile), tel que le composé de formule (III) ou (IV) telles que définies ci-dessus ;
-selon une deuxième variante, un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants, tel qu'un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe -CHO, cette deuxième variante étant particulièrement appropriée, lorsque le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes -OH, avantageusement sans autre substituant sur ledit cycle
14 (hormis, bien entendu, les deux groupes nitriles du composé phtalonitrile), tel que le composé de formule (II) définie ci-dessus, cet ajout étant effectué avant l'étape de chauffage à la température appropriée pour obtenir la polycondensation du ou des composés phtalonitriles et du ou des autres composés tels que définis ci-dessus.
Les exemples spécifiques de composés de la première variante et de la deuxième variante fournies ci-dessus dans la partie descriptive des résines en tant que telles sont également valables pour la partie descriptive du procédé en tant que tel.
Selon le ou les autres composés utilisés, cet ajout peut être effectué
après que le ou les composés phtalonitriles et la ou les bases aient été mis en contact (ce qui peut être le cas, par exemple, lorsque le composé phtalonitrile répond à
la formule (II) et l'autre composé répond à la formule générale (VI)), peut être effectué
simultanément à
la mise en contact avec la ou les bases (ce qui est le cas, par exemple, lorsque le composé
phtalonitrile répond à la formule générale (III) et l'autre composé est du phénol, du résorcinol, du phloroglucinol) ou encore peut être effectué avec le ou les composés phtalonitriles pour former un mélange, auquel est (sont) ajoutée(s) la ou les bases (ce qui est le cas, par exemple, lorsque le composé phtalonitrile répond à la formule générale (III) et l'autre composé est du 2-hydroxyméthylphénol ou du 2-aminophénol).
Selon la nature de l'autre composé, il peut y avoir une opération de chauffage destinée à le fondre avant sa mise en contact avec le ou les composés phtalonitriles et la ou les bases ou une opération de chauffage à reflux de l'autre composé avec le ou les composés phtalonitriles, de sorte à avoir un mélange homogène.
Plus spécifiquement, l'étape de mise en contact et l'étape de chauffage sont réalisées en la seule présence, d'un ou plusieurs composés phtalonitriles tels que définis ci-dessus, éventuellement d'un ou plusieurs autres composés tels que définis ci-dessus, d'un ou plusieurs solvants organiques et d'une ou plusieurs bases telles que définies ci-dessus (ce qui signifie, en d'autres termes, qu'elle ne nécessite pas d'autres ingrédients).
Le ou les autres composés, lorsqu'ils sont présents, peuvent être utilisés selon un rapport molaire (autre(s) composé(s)/composé(s) phtalonitrile(s)) allant de 0,25 à 1.
Après l'étape de chauffage du procédé de l'invention, la température est ramenée, classiquement à température ambiante.
Après l'étape de chauffage du procédé de l'invention et une fois le 5 retour à la température ambiante, le procédé de l'invention peut comprendre une étape de distillation de la résine, cette distillation permettant notamment d'éliminer le ou les solvants organiques.
Parmi le ou les autres composés susmentionnés et utilisables dans le cadre du procédé de l'invention, certains sont nouveaux et constituent un des objets de 10 l'invention, ces composés étant des composés intermédiaires utilisables pour la fabrication d'une résine conforme à l'invention et répondant à la formule (III) suivante :
OH
NC
NC
-CHO
(III) le groupe ¨CHO occupant l'un des atomes de carbone libres du groupe
Les exemples spécifiques de composés de la première variante et de la deuxième variante fournies ci-dessus dans la partie descriptive des résines en tant que telles sont également valables pour la partie descriptive du procédé en tant que tel.
Selon le ou les autres composés utilisés, cet ajout peut être effectué
après que le ou les composés phtalonitriles et la ou les bases aient été mis en contact (ce qui peut être le cas, par exemple, lorsque le composé phtalonitrile répond à
la formule (II) et l'autre composé répond à la formule générale (VI)), peut être effectué
simultanément à
la mise en contact avec la ou les bases (ce qui est le cas, par exemple, lorsque le composé
phtalonitrile répond à la formule générale (III) et l'autre composé est du phénol, du résorcinol, du phloroglucinol) ou encore peut être effectué avec le ou les composés phtalonitriles pour former un mélange, auquel est (sont) ajoutée(s) la ou les bases (ce qui est le cas, par exemple, lorsque le composé phtalonitrile répond à la formule générale (III) et l'autre composé est du 2-hydroxyméthylphénol ou du 2-aminophénol).
Selon la nature de l'autre composé, il peut y avoir une opération de chauffage destinée à le fondre avant sa mise en contact avec le ou les composés phtalonitriles et la ou les bases ou une opération de chauffage à reflux de l'autre composé avec le ou les composés phtalonitriles, de sorte à avoir un mélange homogène.
Plus spécifiquement, l'étape de mise en contact et l'étape de chauffage sont réalisées en la seule présence, d'un ou plusieurs composés phtalonitriles tels que définis ci-dessus, éventuellement d'un ou plusieurs autres composés tels que définis ci-dessus, d'un ou plusieurs solvants organiques et d'une ou plusieurs bases telles que définies ci-dessus (ce qui signifie, en d'autres termes, qu'elle ne nécessite pas d'autres ingrédients).
Le ou les autres composés, lorsqu'ils sont présents, peuvent être utilisés selon un rapport molaire (autre(s) composé(s)/composé(s) phtalonitrile(s)) allant de 0,25 à 1.
Après l'étape de chauffage du procédé de l'invention, la température est ramenée, classiquement à température ambiante.
Après l'étape de chauffage du procédé de l'invention et une fois le 5 retour à la température ambiante, le procédé de l'invention peut comprendre une étape de distillation de la résine, cette distillation permettant notamment d'éliminer le ou les solvants organiques.
Parmi le ou les autres composés susmentionnés et utilisables dans le cadre du procédé de l'invention, certains sont nouveaux et constituent un des objets de 10 l'invention, ces composés étant des composés intermédiaires utilisables pour la fabrication d'une résine conforme à l'invention et répondant à la formule (III) suivante :
OH
NC
NC
-CHO
(III) le groupe ¨CHO occupant l'un des atomes de carbone libres du groupe
15 phényle, un exemple spécifique étant le composé pour lequel le groupe ¨CHO occupe la position para, ce composé répondant à la formule (IV) suivante :
OH
NC
NC
o CHO
(IV)
OH
NC
NC
o CHO
(IV)
16 ce composé étant dénommé
3-(4-formylphénoxy)-6-hydroxyphtalonitrile.
Les composés de formule (IV) peuvent être obtenus par un procédé
comprenant une étape de réaction, en milieu basique (par exemple, du carbonate de potassium), du 2,3-dicyanohydroquinone avec un composé benzénique porteur d'un groupe ¨CHO et d'un groupe nucléofuge, par exemple, un atome d'halogène (et plus spécifiquement, un atome de fluor), cette réaction étant une réaction de substitution nucléophile aromatique pouvant être représentée par le schéma réactionnel suivant :
OH OH
X
NC NC
+ Base NC NC
OH CHO 0, CHO
X représente un groupe nucléofuge.
A l'issue du procédé de l'invention, la résine obtenue est une résine comprenant des condensats de composé(s) phtalonitrile(s) et, le cas échéant, des condensats de composé(s) phtalonitrile(s) et d'autre(c) composé(s) tel(s) que défini(s) ci-dessus.
L'invention a trait également à un matériau composite consistant en une matrice en un matériau thermodurci tel que défini ci-dessus, ladite matrice piégeant une ou plusieurs charges.
Le procédé d'obtention d'un matériau composite conforme à l'invention comprend, classiquement, les étapes successives suivantes :
-une étape d'ajout à la résine adéquate d'une ou plusieurs charges ;
-une étape de durcissement de la résine comprenant une ou plusieurs charges par chauffage de cette dernière à une température de durcissement, par exemple une température allant de 150 C à 350 C, par exemple, une température de 350 C, moyennant quoi il résulte un matériau composite comprenant une matrice résultant du durcissement de la résine et la ou les charges dispersées dans la matrice, ladite
3-(4-formylphénoxy)-6-hydroxyphtalonitrile.
Les composés de formule (IV) peuvent être obtenus par un procédé
comprenant une étape de réaction, en milieu basique (par exemple, du carbonate de potassium), du 2,3-dicyanohydroquinone avec un composé benzénique porteur d'un groupe ¨CHO et d'un groupe nucléofuge, par exemple, un atome d'halogène (et plus spécifiquement, un atome de fluor), cette réaction étant une réaction de substitution nucléophile aromatique pouvant être représentée par le schéma réactionnel suivant :
OH OH
X
NC NC
+ Base NC NC
OH CHO 0, CHO
X représente un groupe nucléofuge.
A l'issue du procédé de l'invention, la résine obtenue est une résine comprenant des condensats de composé(s) phtalonitrile(s) et, le cas échéant, des condensats de composé(s) phtalonitrile(s) et d'autre(c) composé(s) tel(s) que défini(s) ci-dessus.
L'invention a trait également à un matériau composite consistant en une matrice en un matériau thermodurci tel que défini ci-dessus, ladite matrice piégeant une ou plusieurs charges.
Le procédé d'obtention d'un matériau composite conforme à l'invention comprend, classiquement, les étapes successives suivantes :
-une étape d'ajout à la résine adéquate d'une ou plusieurs charges ;
-une étape de durcissement de la résine comprenant une ou plusieurs charges par chauffage de cette dernière à une température de durcissement, par exemple une température allant de 150 C à 350 C, par exemple, une température de 350 C, moyennant quoi il résulte un matériau composite comprenant une matrice résultant du durcissement de la résine et la ou les charges dispersées dans la matrice, ladite
17 température pouvant être atteinte au cours d'un ou plusieurs cycles de chauffages.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront du complément de description qui suit et qui se rapporte à des modes de réalisation particuliers.
Bien entendu, ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'invention et n'en constitue en aucun cas une limitation.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation d'un composé phtalonitrile de formule (II) suivante :
OH
NC
NC
OH
correspondant au 2,3-dicyanohydroquinone (symbolisé, dans cet exemple et les suivants, par l'abréviation 2,3-DCNHQ), la polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation du 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène (symbolisé, dans cet exemple et les suivants, par l'abréviation DBU).
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à
40 C, jusqu'à obtention d'un résine brune (3,51 g).
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ, la polycondensation étant mise
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront du complément de description qui suit et qui se rapporte à des modes de réalisation particuliers.
Bien entendu, ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'invention et n'en constitue en aucun cas une limitation.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation d'un composé phtalonitrile de formule (II) suivante :
OH
NC
NC
OH
correspondant au 2,3-dicyanohydroquinone (symbolisé, dans cet exemple et les suivants, par l'abréviation 2,3-DCNHQ), la polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation du 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène (symbolisé, dans cet exemple et les suivants, par l'abréviation DBU).
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à
40 C, jusqu'à obtention d'un résine brune (3,51 g).
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ, la polycondensation étant mise
18 en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine (Et3N).
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g; 0,005 mol) est ajoutée. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un solide noir fusible (2,48 g) ayant une température de fusion de 170 C.
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ et de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g; 0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g; 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine orange (2,96 g).
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ et de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g; 0,005 mol) est ajoutée. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé
à 90 C
durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine brune (2,96 g).
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g; 0,005 mol) est ajoutée. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un solide noir fusible (2,48 g) ayant une température de fusion de 170 C.
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ et de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g; 0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g; 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine orange (2,96 g).
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ et de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g; 0,005 mol) est ajoutée. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé
à 90 C
durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine brune (2,96 g).
19 Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ et du 4,4'-oxydibenzaldéhyde, la polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation de DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g;
0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, le 4,4'-oxydibenzaldéhyde (1,18 g; 0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine brune (4,51 g).
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ et du 4,4'-oxydibenzaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g; 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, le 4,4'-oxydibenzaldéhyde (1,18 g; 0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C
durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine brune (4,20 g).
Cet exemple est un exemple non conforme à l'invention illustrant la préparation d'une résine issue de la polycondensation d'hydroquinone, de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, l'hydroquinone (1,12 g; 0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g; 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide 5 à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine noire (3,73 g).
Cet exemple est un exemple non conforme à l'invention illustrant la 10 préparation d'une résine issue de la polycondensation d'hydroquinone, de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, l'hydroquinone (1,12 g; 0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g;
15 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g; 0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C
durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine noire (5,92 g).
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g;
0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, le 4,4'-oxydibenzaldéhyde (1,18 g; 0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine brune (4,51 g).
Cet exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé phtalonitrile 2,3-DCNHQ et du 4,4'-oxydibenzaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2,3-DCNHQ (1,63 g;
0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g; 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, le 4,4'-oxydibenzaldéhyde (1,18 g; 0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C
durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine brune (4,20 g).
Cet exemple est un exemple non conforme à l'invention illustrant la préparation d'une résine issue de la polycondensation d'hydroquinone, de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, l'hydroquinone (1,12 g; 0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,76 g; 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g;
0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide 5 à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine noire (3,73 g).
Cet exemple est un exemple non conforme à l'invention illustrant la 10 préparation d'une résine issue de la polycondensation d'hydroquinone, de téréphtalaldéhyde, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, l'hydroquinone (1,12 g; 0,01 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,51 g;
15 0,005 mol) est ajouté. Une fois le mélange homogène obtenu, du téréphtalaldéhyde (0,67 g; 0,005 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C
durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'une résine noire (5,92 g).
20 EXEMPLE 7 Cet exemple illustre la préparation d'un produit intermédiaire pour la préparation d'une résine conforme à l'invention, ce produit intermédiaire répondant à la formule (IV) suivante :
21 OH
NC
H
ce produit intermédiaire correspondant au 3-(4-formylphénoxy)-6-hydroxyphtalonitrile et étant symbolisé, par la suite, FPHP, dans cet exemple et les exemples suivants.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 250 mL sous azote sont introduits la 2,3-dicyanohydroquinone (8,60 g; 0,053 mol), le diméthylsulfoxyde DMSO
(50 mL) et le 4-fluorobenzaldéhyde (7,99 g; 0,063 mol). Le mélange est agité
et, une fois homogène, le carbonate de potassium (21,81 g; 0,158 mol) est ajouté puis le milieu est chauffé à 110 C durant 4 heures. En fin de réaction, le chauffage est arrêté
et le mélange est distillé sous vide à 75 C et 5 mbar, afin d'éliminer l'excès de 4-fluorobenzaldéhyde ainsi qu'une partie du DMSO. Le résidu est transféré dans un Erlenmeyer et 500 mL d'eau sont ajoutés et le pH est ramené à environ 5 à l'aide d'une solution de HCI (1 M). Ensuite, la phase organique est extraite 3 fois avec de l'acétate d'éthyle puis les phases organiques sont rassemblées, séchées sur MgSO4, filtrées et concentrées sous vide. La poudre obtenue est ensuite gardée 12 heures à 50 C et sous un vide de 1 mBar. Le 3-(4-formylphénoxy)-6-hydroxyphtalonitrile est alors obtenu (m=11,94 g;
rendement=85%).
Le produit est utilisé tel quel sans purification supplémentaire.
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation du DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (0,81 g; 0,003 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,23 g; 0,0015 mol) est
NC
H
ce produit intermédiaire correspondant au 3-(4-formylphénoxy)-6-hydroxyphtalonitrile et étant symbolisé, par la suite, FPHP, dans cet exemple et les exemples suivants.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 250 mL sous azote sont introduits la 2,3-dicyanohydroquinone (8,60 g; 0,053 mol), le diméthylsulfoxyde DMSO
(50 mL) et le 4-fluorobenzaldéhyde (7,99 g; 0,063 mol). Le mélange est agité
et, une fois homogène, le carbonate de potassium (21,81 g; 0,158 mol) est ajouté puis le milieu est chauffé à 110 C durant 4 heures. En fin de réaction, le chauffage est arrêté
et le mélange est distillé sous vide à 75 C et 5 mbar, afin d'éliminer l'excès de 4-fluorobenzaldéhyde ainsi qu'une partie du DMSO. Le résidu est transféré dans un Erlenmeyer et 500 mL d'eau sont ajoutés et le pH est ramené à environ 5 à l'aide d'une solution de HCI (1 M). Ensuite, la phase organique est extraite 3 fois avec de l'acétate d'éthyle puis les phases organiques sont rassemblées, séchées sur MgSO4, filtrées et concentrées sous vide. La poudre obtenue est ensuite gardée 12 heures à 50 C et sous un vide de 1 mBar. Le 3-(4-formylphénoxy)-6-hydroxyphtalonitrile est alors obtenu (m=11,94 g;
rendement=85%).
Le produit est utilisé tel quel sans purification supplémentaire.
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation du DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (0,81 g; 0,003 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le DBU (0,23 g; 0,0015 mol) est
22 ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à
40 C, jusqu'à obtention d'un résine noire (3,73 g).
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus, la polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,07 g;
0,004 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,20 g; 0,002 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un résine orange (1,69 g) avec formation d'un précipité à
température ambiante mais qui se résorbe lors d'un chauffage.
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du phénol, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,20 g;
0,0045 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le phénol (0,285 g; 0,003 mol) et la triéthylamine (0,152 g; 0,0015 mol) sont ajoutés. Le mélange résultant est agité
mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à
température ambiante puis distillé sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un résine jaune (2,94 g).
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du résorcinol, la
sous vide à
40 C, jusqu'à obtention d'un résine noire (3,73 g).
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus, la polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,07 g;
0,004 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis la triéthylamine (0,20 g; 0,002 mol) est ajouté. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante puis distillé
sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un résine orange (1,69 g) avec formation d'un précipité à
température ambiante mais qui se résorbe lors d'un chauffage.
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du phénol, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,20 g;
0,0045 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le phénol (0,285 g; 0,003 mol) et la triéthylamine (0,152 g; 0,0015 mol) sont ajoutés. Le mélange résultant est agité
mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à
température ambiante puis distillé sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un résine jaune (2,94 g).
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du résorcinol, la
23 polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,20 g;
0,0045 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le résorcinol (0,330 g; 0,003 mol) et la triéthylamine (0,152 g; 0,0015 mol) sont ajoutés. Le mélange résultant est agité
mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à
température ambiante puis distillé sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un résine orange (2,76 g).
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du phloroglucinol, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,20 g;
0,0045 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le phloroglucinol (0,382 g;
0,003 mol) et la triéthylamine (0,152 g; 0,0015 mol) sont ajoutés. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante et un solide vitreux marron (2,81 g) est obtenu.
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du 2-hydroxyméthylphénol (2-HMP), la polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation de la DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2-HMP (0,627 g;
0,005 mol) est fondu à 130 C puis le FPHP (1,34 g; 0,005 mol) est introduit avec une très faible quantité d'éthanol pour avoir un milieu homogène. Enfin le DBU (0,038 g; 0,25 mmol) est ajouté et le milieu gardé 30 minutes à 130 C sous agitation mécanique et sans réfrigérant. Une résine brune (3,71 g) est ensuite récupérée.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,20 g;
0,0045 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le résorcinol (0,330 g; 0,003 mol) et la triéthylamine (0,152 g; 0,0015 mol) sont ajoutés. Le mélange résultant est agité
mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à
température ambiante puis distillé sous vide à 40 C, jusqu'à obtention d'un résine orange (2,76 g).
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du phloroglucinol, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,20 g;
0,0045 mol) est présolubilisé dans l'acétonitrile (10 mL) puis le phloroglucinol (0,382 g;
0,003 mol) et la triéthylamine (0,152 g; 0,0015 mol) sont ajoutés. Le mélange résultant est agité mécaniquement et chauffé à 90 C durant 24 heures. Le mélange est ensuite ramené à température ambiante et un solide vitreux marron (2,81 g) est obtenu.
Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du 2-hydroxyméthylphénol (2-HMP), la polycondensation étant mise en uvre en milieu basique avec l'utilisation de la DBU.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le 2-HMP (0,627 g;
0,005 mol) est fondu à 130 C puis le FPHP (1,34 g; 0,005 mol) est introduit avec une très faible quantité d'éthanol pour avoir un milieu homogène. Enfin le DBU (0,038 g; 0,25 mmol) est ajouté et le milieu gardé 30 minutes à 130 C sous agitation mécanique et sans réfrigérant. Une résine brune (3,71 g) est ensuite récupérée.
24 Le présent exemple illustre la préparation d'une résine issue de la polycondensation du composé FPHP préparé à l'exemple 7 ci-dessus avec du 2-aminophénol, la polycondensation étant mise en oeuvre en milieu basique avec l'utilisation de la triéthylamine.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,34 g;
0,005 mol), le 2-aminophénol (0,55 g; 0,005 mol) et l'éthanol (10 mL) sont introduits. Le milieu est chauffé à reflux durant 1 heure puis la triéthylamine (0,256 g; 2,5 mmol) est ajoutée et le chauffage poursuivi 24 heures. Le chauffage est ensuite arrêté, le milieu ramené à température ambiante et distillé sous vide à 40 C jusqu'à l'obtention d'un résine rouge (3,82 g).
Les résines obtenues dans les exemples précédents ont été soumises à
un durcissement par traitement thermique sous atmosphère inerte, le traitement thermique comprenant la succession de deux cycles jusqu'à atteindre la température de 350 C, le premier cycle comprenant les opérations suivantes : 40 heures à 65 C; 40 heures à 80 C; 21 heures à 95 C; 8 heures à 120 C; 5 heures à 150 C et 36 heures à
175 C et le second cycle comprenant les opérations suivantes : 1 heure à 200 C; 1 heure à 250 C; 1 heure à 300 C et 1 heure à 350 C.
Les produits obtenus à l'issue du premier cycle et du second cycle ont été analysés par analyse thermogravimétrique réalisée au moyen de l'appareil fourni par TA Instruments, l'analyse consistant en une rampe sous argon à 20 C/minute jusqu'à 1000 C, le résidu obtenu à l'issue de ce traitement étant qualifié par le rendement carbone (%C) et la température à 5% massique de dégradation (Td5%).
Le tableau 1 ci-dessous illustre les résultats pour le produit obtenu à
l'issue du premier cycle.
[Table 1]
Exemple %C (%) Tc15% ( C) Comparatif 1 35 273 Comparatif 2 36 248 Le tableau 2 ci-dessous illustre les résultats pour le produit obtenu à
l'issue du second cycle.
[Table 2]
Exemple %C (%) Tc15% ( C) Le FHPH de l'exemple 7 n'a pas été caractérisé par le cycle jusqu'à
175 C, car ce cycle possède des températures en dessous de son point de fusion qui se situe autour de 220 C.
Les résines comparatives de l'exemple comparatif 1 et de l'exemple comparatif 2 n'ont pas été cuites à 350 C car, par DSC, aucun exotherme résiduel n'est observé après le cycle jusqu'à 175 C. Par ailleurs à 350 C elles commencent à se dégrader, ce qui démontre qu'insérer des motifs phtalonitriles permet d'accroître notamment la stabilité thermique du matériau.
Par ailleurs, il ressort que les matériaux thermodurcis jusqu'à 350 C des résines conformes à l'invention présentent un rendement carbone supérieur à
60% après pyrolyse au-dessus de 950 C et une température de dégradation à 5% supérieure à 400 C, ce qui atteste de matériaux résistant à hautes températures.
Pour ce faire, dans un ballon monocol de 50 mL, le FPHP (1,34 g;
0,005 mol), le 2-aminophénol (0,55 g; 0,005 mol) et l'éthanol (10 mL) sont introduits. Le milieu est chauffé à reflux durant 1 heure puis la triéthylamine (0,256 g; 2,5 mmol) est ajoutée et le chauffage poursuivi 24 heures. Le chauffage est ensuite arrêté, le milieu ramené à température ambiante et distillé sous vide à 40 C jusqu'à l'obtention d'un résine rouge (3,82 g).
Les résines obtenues dans les exemples précédents ont été soumises à
un durcissement par traitement thermique sous atmosphère inerte, le traitement thermique comprenant la succession de deux cycles jusqu'à atteindre la température de 350 C, le premier cycle comprenant les opérations suivantes : 40 heures à 65 C; 40 heures à 80 C; 21 heures à 95 C; 8 heures à 120 C; 5 heures à 150 C et 36 heures à
175 C et le second cycle comprenant les opérations suivantes : 1 heure à 200 C; 1 heure à 250 C; 1 heure à 300 C et 1 heure à 350 C.
Les produits obtenus à l'issue du premier cycle et du second cycle ont été analysés par analyse thermogravimétrique réalisée au moyen de l'appareil fourni par TA Instruments, l'analyse consistant en une rampe sous argon à 20 C/minute jusqu'à 1000 C, le résidu obtenu à l'issue de ce traitement étant qualifié par le rendement carbone (%C) et la température à 5% massique de dégradation (Td5%).
Le tableau 1 ci-dessous illustre les résultats pour le produit obtenu à
l'issue du premier cycle.
[Table 1]
Exemple %C (%) Tc15% ( C) Comparatif 1 35 273 Comparatif 2 36 248 Le tableau 2 ci-dessous illustre les résultats pour le produit obtenu à
l'issue du second cycle.
[Table 2]
Exemple %C (%) Tc15% ( C) Le FHPH de l'exemple 7 n'a pas été caractérisé par le cycle jusqu'à
175 C, car ce cycle possède des températures en dessous de son point de fusion qui se situe autour de 220 C.
Les résines comparatives de l'exemple comparatif 1 et de l'exemple comparatif 2 n'ont pas été cuites à 350 C car, par DSC, aucun exotherme résiduel n'est observé après le cycle jusqu'à 175 C. Par ailleurs à 350 C elles commencent à se dégrader, ce qui démontre qu'insérer des motifs phtalonitriles permet d'accroître notamment la stabilité thermique du matériau.
Par ailleurs, il ressort que les matériaux thermodurcis jusqu'à 350 C des résines conformes à l'invention présentent un rendement carbone supérieur à
60% après pyrolyse au-dessus de 950 C et une température de dégradation à 5% supérieure à 400 C, ce qui atteste de matériaux résistant à hautes températures.
Claims (29)
1. Matériau thermodurci issu du durcissement par traitement thermique d'une résine susceptible d'être obtenue par polycondensation, en milieu basique, d'au moins un composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle.
2. Matériau thermodurci selon la revendication 1, dans lequel le ou les groupes hydroxyles est (sont) en position ortho par rapport à l'un des groupes nitriles.
3. Matériau thermodurci selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le composé phtalonitrile comporte, en outre, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
4. Matériau thermodurci selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes ¨OH.
5. Matériau thermodurci selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel le composé phtalonitrile comporte, sur son cycle benzénique, un seul groupe ¨OH
et un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe -CHO.
et un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe -CHO.
6. Matériau thermodurci selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composé phtalonitrile répond à la formule (l) suivante :
dans laquelle R représente H, -OH, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
dans laquelle R représente H, -OH, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
7. Matériau thermodurci selon la revendication 1, 2, 4 ou 6, dans lequel le composé phtalonitrile répond à la formule (II) suivante :
8. Matériau thermodurci selon la revendication 1, 2, 3, 5 ou 6, dans lequel le composé phtalonitrile répond à la formule (III) suivante :
9. Matériau thermodurci selon la revendication 8, dans lequel le composé phtalonitrile répond à la formule (IV) suivante :
10. Matériau thermodurci selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la résine est obtenue par polycondensation d'un seul composé
phtalonitrile tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
phtalonitrile tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
11. Matériau thermodurci selon la revendication 10, dans lequel le composé phtalonitrile répond à la formule (II) telle que définie à la revendication 7 ou à la formule (III) ou (IV) telles que définies respectivement aux revendications 8 ou 9.
12. Matériau thermodurci selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, dans lequel la résine est obtenue par polycondensation d'un composé
phtalonitrile tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et d'au moins un autre composé, qui est un composé benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN
comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe -OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
9, dans lequel la résine est obtenue par polycondensation d'un composé
phtalonitrile tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et d'au moins un autre composé, qui est un composé benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN
comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe -OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
13. Matériau thermodurci selon la revendication 12, dans lequel le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
14. Matériau thermodurci selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le composé benzénique répond à la formule (V) suivante :
dans laquelle n est un entier allant de 0 à 5, et, le cas échéant, le R1 ou les RI-, identiques ou différents, représente(nt) un groupe ¨OH, un groupe NH2 ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
dans laquelle n est un entier allant de 0 à 5, et, le cas échéant, le R1 ou les RI-, identiques ou différents, représente(nt) un groupe ¨OH, un groupe NH2 ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle.
15. Matériau thermodurci selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel le composé benzénique est le phénol, le résorcinol, le phloroglycinol ou le 2-hydroxyméthylphénol.
16. Matériau thermodurci selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, dans lequel la résine est obtenue par polycondensation d'un composé
phtalonitrile tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et d'au moins un autre composé, qui est un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
9, dans lequel la résine est obtenue par polycondensation d'un composé
phtalonitrile tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et d'au moins un autre composé, qui est un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
17. Matériau thermodurci selon la revendication 16, dans lequel le composé phtalonitrile comprend, sur son cycle benzénique, deux groupes -OH.
18. Matériau thermodurci selon la revendication 16 ou 17, dans lequel le composé benzénique répond à la formule (Vl) suivante :
dans laquelle R2 représente ¨CHO, ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
dans laquelle R2 représente ¨CHO, ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
19. Matériau thermodurci selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, dans lequel le composé benzénique est le téréphtalaldéhyde ou le 4,4'-oxydibenzaldéhyde.
20. Résine susceptible d'être obtenue par polycondensation, en milieu basique :
-d'au moins un composé phtalonitrile porteur sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et d'au moins un autre composé, qui est un composé
benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle ; ou -d'un seul composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et comportant, en outre, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
-d'au moins un composé phtalonitrile porteur sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et d'au moins un autre composé, qui est un composé
benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle ; ou -d'un seul composé phtalonitrile porteur, sur son cycle benzénique, d'au moins un groupe hydroxyle et comportant, en outre, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe ¨CHO, un groupe ¨0-phényle ou un groupe ¨0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
21. Procédé de fabrication d'une résine telle que définie à la revendication 20 comprenant une étape de mise en contact d'au moins un composé
phtalonitrile tel que défini à la revendication 20 avec au moins une base suivie d'une étape de chauffage à une température appropriée pour obtenir la polycondensation dudit au moins un composé phtalonitrile et, après l'étape de chauffage et une fois le retour à la température ambiante, une étape de distillation.
phtalonitrile tel que défini à la revendication 20 avec au moins une base suivie d'une étape de chauffage à une température appropriée pour obtenir la polycondensation dudit au moins un composé phtalonitrile et, après l'étape de chauffage et une fois le retour à la température ambiante, une étape de distillation.
22. Procédé selon la revendication 21, dans lequel la ou les bases est (sont) une base organique comprenant un groupe amine, tel que de la triéthylamine, ou un groupe amidine, tel que le 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène.
23. Procédé selon la revendication 21 ou 22, dans lequel la ou les bases sont présentes en une teneur allant de 5 à 100% molaire par rapport au nombre de moles de composé(s) phtalonitrile(s) présent(s) initialement.
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 21 à 23, comprenant avant l'étape de chauffage, l'ajout d'au moins un autre composé, qui est :
-un composé benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe -OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle ; ou -un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
-un composé benzénique non porteur de groupe(s) ¨CN comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe -OH et éventuellement comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe amine ou un groupe alkylène porteur d'un groupe hydroxyle ; ou -un composé benzénique comprenant, sur son cycle benzénique, au moins un groupe ¨CHO et, éventuellement, comprenant, sur son cycle benzénique, un ou plusieurs substituants choisi(s) parmi un groupe ¨CN, un groupe phényle, un groupe phényle porteur d'un groupe -CHO, un groupe -0-phényle ou un groupe -0-phényle porteur d'un groupe ¨CHO.
25. Procédé selon la revendication 24, dans lequel le ou les autres composés sont utilisés selon un rapport molaire (autre(s) composé(s)/composé(s) phtalonitrile(s)) allant de 0,25 à 1.
26. Composé intermédiaire utilisable pour la fabrication d'une résine telle que définie selon la revendication 20, qui est un composé de formule (III) suivante :
le groupe ¨CHO occupant l'un des atomes de carbone libres du groupe phényle.
le groupe ¨CHO occupant l'un des atomes de carbone libres du groupe phényle.
27. Composé intermédiaire selon la revendication 26, qui est un composé répondant à la formule (IV) suivante :
28. Matériau composite consistant en une matrice en un matériau thermodurci tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, ladite matrice piégeant une ou plusieurs charges.
29. Matériau composite selon la revendication 28, dans lequel la ou les charges consistent en des fibres de carbone.
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