Noir de carbone

Numéro CAS : 1333-86-4

Identification

Description


Principaux synonymes

Noms français :

  • Noir d'acétylène
  • Noir de carbone
  • Noir de fourneau
  • Noir de fumée
  • Noir thermique
  • Noir tunnel

Noms anglais :

  • Carbon black
  • Channel black
  • Furnace black
  • Lamp black
  • Thermal black.
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Le noir de carbone appartient à une forme amorphe du carbone alors que le diamant et le graphite appartiennent à une forme cristalline du carbone. Le noir de carbone est une forme de carbone élémentaire obtenu industriellement. Il se présente sous forme de très petites particules. À cause de sa grande utilisation il est la forme de carbone élémentaire le plus fortement répandu. Le noir de carbone est produit dans des conditions minutieusement contrôlées. Le tableau suivant compare les divers procédés chimiques industriels produisant les différents types de noir de carbone dont le noir de fourneau (Furnace Black), qui est celui le plus utilisé.

Procédé chimique

Type de noir de carbone

Diamètre (nm)

Produit de départ

Combustion incomplète

Noir de fumée (Lamp black)

50-100

Hydrocarbures de goudron

Noir tunnel (Channel Black)

10-30

Gaz naturel

Noir de fourneau (Furnace Black)

10-80

Gaz naturel
Liquide aromatique

Décomposition thermique

Noir thermique (Thermal Black)

150-500

Gaz naturel

Noir d'acétylène (Acetylene Black)

35-70

Acétylène

Lorsqu'il s'agit de définir la grosseur des particules de noir de carbone, on constate que dans la documentation, qu'elles sont incorrectement identifiées comme étant des particules exceptionnellement petites, souvent définies comme étant ultrafines (plus petites que 0,1 µm ou 100 nm en diamètre aérodynamique). Lors du procédé de fabrication, les premières particules à se former dans le réacteur sont très petites et identifiées comme étant des nodules (nanoparticules d'environ 15 à 300 nm ou 0,015 à 0,300 µm). S'ensuit une séquence rapide d'élaboration d'une structure complexe à l'intérieur même du réacteur. Les nodules, presque sphériques, s'agglomèrent en agrégats (environ 85 à 500 nm) qui deviennent des structures de base indivisibles de noir de carbone. De plus, des forces électriques maintiennent des liens entre les agrégats eux-mêmes pour former des agglomérats (de 1 µm à plus de 100 µm) eux-mêmes formés de centaines à des milliers d'agrégats fortement adhérés entre-eux. Le noir de carbone commercial est sous forme d'agglomérats, lesquels ne se fragmenteront pas en agrégats. D'autre part, le noir de carbone est défini par l'IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) comme étant des particules, nodules ou agrégats ayant une dimension inférieure à 1 000 nm. Le noir de carbone est de plus transformé en granules pour en faciliter la manipulation et réduire la formation de poussières. La grosseur de ces granules est généralement de l'ordre de 0,1 à 1 mm.

Formation d'un agglomérat

Adapté de : International Carbon Black Association, Carbon Black User's Guide, Safety, Health, & Environmental Information. International Carbon Black Association. (2004).

La teneur en carbone élémentaire de la plupart des noirs de carbone varie entre 97 et 99 %. Les noirs de carbone peuvent aussi contenir d'autres éléments chimiques comme l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le soufre qui sont liés chimiquement au carbone. L'oxygène est lié à leur surface, surtout sous forme de groupes fonctionnels acides ou basiques. La teneur en oxygène est de la plus haute importance pour les utilisations de ces produits. Selon la nature des matières de départ utilisées pour leur fabrication, leurs méthodes de production, leurs aires de surface élevées et les propriétés de leur surface, les noirs de carbone commerciaux contiennent typiquement des quantités variables de sous-produits adsorbés à leur surface, en particulier des composés aromatiques. Ils appartiennent aux classes suivantes : les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les dérivés nitrés et soufrés de HAP.

Bien que la suie et le noir de carbone soient tous deux obtenus par décomposition thermique ou par combustion partielle de matières contenant du carbone, la suie se distingue du noir de carbone de plusieurs façons : elle est essentiellement un sous-produit indésirable de la combustion de sources multiples de carburants (bois, charbon, produits pétroliers), elle est obtenue sans procédé définit et sans contrôle de qualité (degré de pureté et régularité de la grosseur des particules). De plus, chimiquement, la suie contient un niveau de goudron plus élevé.

Le noir de carbone (carbon black) [1333-86-4], a l'apparence et certaines caractéristiques de plusieurs substances similaires. Les substances suivantes sont très souvent identifiées, à tort, comme étant du noir de carbone :

  • graphite naturel (natural graphite) [7782-42-5]
  • graphite synthétique (synthetic graphite) [pas de CAS]
  • charbon de bois en poudre (charcoal powder) [16291-96-6]
  • poussières de charbon (coal dust) [53570-85-7]
  • charbon activé (activated charcoal) [64365-11-3]
  • noir animal (bone black) [8021-99-6]
  • suie (soot) [pas de CAS]
  • coke en poudre (coke powder) [7440-44-0]
  • coke de pétrole calciné (calcined coke (petroleum)) [64743-05-1]

Pour chacune d'entre elles, il existe une identification propre ainsi que des propriétés chimiques et toxicologiques spécifiques.

Utilisation et sources d'émission 8 9 12 13

Le noir de carbone est surtout utilisé comme agent de renforcement dans les produits de caoutchouc tels que les pneus, les boyaux, les bandes transporteuses, les câbles et autres accessoires mécaniques en caoutchouc. Il est aussi utilisé comme pigment noir dans les encres d'imprimerie, de lithographie et de typographie; dans le papier carbone et le ruban des machines à écrire, dans les peintures (incluant les poudres électrostatiques), les revêtements et enduits, les vernis, les laques, les plastiques, les fibres, les céramiques, les émaux, les papiers, les disques d'enregistrement et l'encre en poudre à photocopieur. Il est aussi employé à l'apprêtage du cuir et à la fabrication de batteries de piles sèches, d'électrodes et de balais de carbone, de conducteurs électriques, de produits en caoutchouc et en plastique conductibles et antistatiques, de blindage contre l'interférence électromagnétique, de vidéodisques et de bandes vidéo. Il sert à stabiliser les polyoléfines contre les rayons ultraviolets. Finalement, il sert à la fabrication de matériaux isolants résistant aux hautes températures.

Il existe au moins 35 types de noir de carbone de qualité différente, qui sont utilisés principalement dans les produits de caoutchouc, et environ 80 types différents qui sont employés comme pigments ou ayant une application spéciale.

La présence de carbone élémentaire dans l'atmosphère urbaine est une source environnementale d'exposition. Cependant, ce type de carbone est identifié comme étant du "black carbon" qui est différent du noir de carbone "carbon black", et qui s'apparente plutôt à de la suie. Les différences entre le noir de carbone et le "black carbon" sont de trois types. Premièrement, les nodules de noir de carbone ont une surface plus uniforme que celles du "black carbon" qui ont un aspect rugueux. Deuxièmement, les particules de noir de carbone s'agglomèrent alors que celles du "black carbon" restent des particules entités individuelles qui sont diluées dans l'atmosphère. Finalement, les particules de noir de carbone contiennent beaucoup moins d'impuretés que celles du "black carbon".

Une confusion existe dans la littérature concernant la traduction du terme "black carbon" et sur l'identité de cette substance, plusieurs auteurs font référence à du noir de carbone. Le "black carbon" provient essentiellement de la combustion de matières organiques comme le carburant diesel, le bois et le charbon. La NASA le tient en partie responsable des changements climatiques terrestre.

Références

La cote entre [ ] provient de la banque ISST du Centre de documentation de la CSST.