Noir de carbone

Noir de carbone
Photographie réalisée au Microscopie électronique en transmission de noir de carbone obtenu à partir de la pyrolyse de charbon
Général
Synonymes	C. I. 77266 C. I. Pigment Black 6 C. I. Pigment Black 7
No CAS	1333-86-4
No EINECS	215-609-9
No E	E152
SMILES
InChI
Apparence	sans odeur. granulés noirs ou poudre extremement fine. [1]
Propriétés chimiques
Formule brute	C  [Isomères]
Masse molaire[2]	12, 0107 ± 0, 0008 g·mol-1 C 100 %,
Propriétés physiques
T° fusion	ca. 3 550 °C[1]
Solubilité	dans l'eau : nulle[1]
Masse volumique	1, 8–2, 1 g·cm-3[1]
Précautions
Transport
-    1361
Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-être cancérogène pour l'homme[3]
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le noir de carbone (jadis plutôt appelé «noir de fumée») est une des formes amorphe et élémentaire du carbone, tel qu'il est présent dans les suies, ou sous forme de carbone colloïdal (contrairement au diamant et au graphite qui en sont des formes cristallines ^[4]). Il n'a pas d'odeur ^[4].
On nomme actuellement noir de carbone les particulièrement petites particules de carbone, plus pures que celles trouvées dans la suie. C'est forme de carbone élémentaire la plus commune et utilisée ^[4]. Il est massivement produit par l'industrie pétrolière ou de la carbochimie (La capacité mondiale était de plus de 10 million tonnes en 2005 ^[5]

C'est un des polluants de l'air lorsqu'il est émis par les moteurs (diesels essentiellement) via les pots d'échappement. Une partie est aussi perdue sur les routes avec l'usure des pneus.
Il est commercialisé pour certains usages, et alors fabriqué industriellement par combustion incomplète de produits pétroliers lourds (goudron, goudron d'houille, goudron de craquage d'éthylène, et une petite quantité d'huile végétale).

Il se présente sous forme de minuscules sphères de carbone, et presque encore plus fréquemment sous forme d'agrégats de ces sphères et dont les dimensions sont le plus souvent inférieures de 10 à 1000 nm. C'est un produit peut être cancérigène qui est surtout utilisé comme «charge» et pigment dans les pneus auxquels ils donne leur couleur noire (c'est 70 % à peu près de son usage).

Éléments de définition

Les anglophones distinguent clairement le "black carbon" (noir de carbone) et le "carbon black" (désignant plutôt la suie). Pour des raisons historiques, le noir de carbone a en premier lieu été reconnu comme une forme de suie, ce qu'il n'est plus.

• La suie, plus épaisse, plus hétérogène, et fréquemment grasse est constituée par une combustion incomplète dans des conditions non contrôlées. Elle contient des taux de goudrons, de cendres et d'impuretés plus élevés (jusqu'à 50 % ou alors plus, extractibles par solvant ^{[6] [7] [8]}). Elle est produite par la combustion incomplète de fuel dans les moteurs diesel, et dans la fumée de feux de bois et charbon.
• Le noir de carbone, plus homogène plus fin que la suie, et présentant des nodules dont la surface est plus lisse que les nodules trouvés dans la suie. Il est actuellement produit en condition contrôlées pour répondre aux besoins industriels.
  L'IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) le définit comme comme étant «des particules, nodules ou agrégats ayant une dimension inférieure à 1 000 nm»^[4]. Il est transformé en granules de 0, 1 à 1 mm pour en favoriser la manipulation et diminuer la formation de poussières toxiques.

Les noirs de carbone du commerce sont purs à 97-99 %, le reste étant constitué de traces de composés aromatiques (plus ou moins, selon le procédé de fabrication), d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de soufre qui liés chimiquement au carbone. «L'oxygène est lié à leur surface, en particulier sous forme de groupes fonctionnels acides ou basiques. La teneur en oxygène est de la plus haute importance pour les utilisations de ces produits» ^[4]. Les résidus aromatiques présents dans le noir de carbone sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP, le plus souvent moins de 1 000 ppm dans le noir de carbone de qualité industrielle, et fortement liés au carbone, et par conséquent a priori peu solubles dans les liquides physiologiques) ^[4]. Ils contiennent aussi des dérivés nitrés et soufrés de HAP ^[4].

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 principalement 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). Qui plus est , chimiquement, la suie contient un niveau de goudron et HAP plus élevé.

Impuretés détectées par les analyses de noir de carbone

Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAH) ^[9])

Dérivés nitrés de HAP (nitro-PAHs) ^[10]

Confusions envisageables ^[4]

• graphite naturel (natural graphite) [7782-42-5] ou synthétique (synthetic graphite) [pas de CAS]
• Poudre de charbon de bois (charcoal powder) [16291-96-6]
• poussières de charbon (coal dust) [53570-85-7]
• poudre de charbon activé (activated charcoal) [64365-11-3] ou suractivé
• 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]

Les propriétés physicochimiques et toxicologiques de chacun de ces produits leurs sont propres et changent de celle du noir de charbon pur.

Fabrication

Deux processus industriel de fabrication existent :

1. la décomposition thermique (incluant la détonation) de gaz naturel (produisant du "Noir thermique" (Thermal Black) de 150–500 nm de diamètre) ou d'acétylène (produisant du "Noir d'acétylène" (Acetylene Black) de 35–70 nm de diamètre) ^[4].
2. la combustion incomplète de composés contenant carbone et hydrogène (hydrocarbures gazeux), par exemple des hydrocarbures de goudron (qui donnent le "Noir de fumée" (Lamp black), de 50–100 nm de diamètre), tandis que la combustion incomplète de Gaz naturel donnera le "Noir tunnel" (Channel Black) de plus fin (10–30 nm) et que celle de Gaz naturel Liquide aromatique donnera le "Noir de fourneau" (Furnace Black) dont le diamètre particulaire est d'environ 10 à 80 nm ^[4].

Quand 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, fréquemment 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 particulièrement 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. Qui plus est , 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 constitués de centaines à des milliers d'agrégats fortement unis entre-eux. Le noir de carbone commercial est sous forme d'agglomérats, lesquels ne se fragmenteront pas en agrégats. D'autre part.

Usages

Plus de 35 types de noir de carbone de qualité différente sont commercialisés comme charge, principalement pour le caoutchouc, et à peu près 80 types différents sont commercialisés comme pigments ou pour des applications spéciales ^[4].
Le noir de carbone est utilisé ^[4] comme pigment ou dans la fabrication des encres (encre de Chine, papier carbone, Toner, etc. ) mais sert aussi de charge dans certains matériaux (caoutchouc pour les pneus... ) et dans certaines peintures, vernis, laques, plastiques, fibres, céramiques, émaux...
Il a été particulièrement utilisé dans le papier carbone et les rubans noirs de machine à écrire, puis dans les poudres électrostatiques noires de photocopieuses ^[4].

Le noir de carbone est aussi utilisé en laboratoire afin d'augmenter le point de fusion de certains produits en solution.

Le noir de carbone est utilisé comme colorant alimentaire (E152) ^[11]

Un autre noir de carbone d'origine végétale (carbo medicinalis vegetalis) est aussi utilisé comme colorant alimentaire (E153) ^[12]. Pour cette utilisation est autorisé le charbon végétal produit par carbonisation de matières végétales telles que le bois, les résidus de cellulose, la tourbe, les noix de coco et d'autres enveloppes végétales.
Le noir de carbone est répertorié dans l'Inventaire Européen des Substances Chimiques Commerciales Existantes (EINECS) sous le numéro 215-609-9.

Contribution du noir de carbone au réchauffement climatique

Le noir de carbone agit fortement sur le climat. Selon la NASA et certains experts il serait le second responsable du réchauffement climatique après le dioxyde de carbone (CO₂) ^{[13] [14] [15] [16] [17]}, mais son impact pourrait éventuellement avoir été surestimé à cause de la présence conjointe de carbone brun ^[18] qui peut fausser les mesures d'absorption de l'infrarouge.
La durée de vie du noir de carbone dans l'air étant extrêmement courte, de l'ordre de quelques semaines. C'est pour cette raison que la réduction de ses émissions est peut-être la manière la plus rapide de ralentir le réchauffement climatique à court terme ^{[19] [20] [21]}

Les pays développés ont commencé à diminuer leurs émissions de noir de carbone depuis les années cinquante par l'adoption de mesures antipollution ^[22].
Les États-Unis émettent 6, 1% du noir de carbone mondial. Actuellement, la majorité du noir de carbone est issue des pays en développement. ^[23] et cela devrait s'accroitre. Les plus grands contributeurs sont l'Asie, l'Amérique Latine et l'Afrique. ^[24] La Chine et l'Inde sont responsable de 25 à 35% des émissions mondiales. ^[25]

Santé et environnement

Il pose des problèmes de santé environnementale car il est inodore, et «la VEMP de 3, 5 mg/m3 peut aisément être atteinte en milieu de travail si des manipulations ou des opérations mécaniques génèrent un nuage de poudres ou de poussières. Cependant, la valeur de DIVS de 1 750 mg/m3 (valeur qui représente 500 fois la VEMP) ne devrait pas être aisément atteinte en milieu de travail. Qui plus est , étant potentiellement explosible, il n'y a pas uniquement la VEMP et la valeur de DIVS qui doivent être reconnues comme concentration dangereuse dans l'air en milieu de travail. En effet, il y a peu de données dans la documentation mais pour deux types de noir de carbone, la LIE dans l'air est de 50 g/m3 (noir de fourneau) et 375 g/m3 (noir thermique) quand soumis à une source d'ignition hautement énergétique (> 1 kJ). Cette concentration représente plus de 50 000 fois la VEMP. Notons que ce niveau de concentration et cette source d'ignition hautement énergétique sont rarement rencontrés en milieu de travail» ^[4]. Il pourrait agir en synergie avec d'autres polluants comme l'Ozone troposphérique ^[26]

Sa toxicité fluctue selon le diamètre et la quantité des particules en suspension dans l'air (l'inhalation est première voie de contamination)  : «Comme les particules de noir de carbone sont le plus souvent particulièrement petites et qu'elles forment des agrégats ou des agglomérats de 85 à plus de 1 000 nm (0, 085 à plus de 1 μm) de diamètre, une grande partie de celles-ci se retrouvera dans les alvéoles» ^[4] ;

• les particules de moins de 1 μm (micron) pénétrer profondément dans les alvéoles pulmonaires  ;
• les particules de 1 à 5 μm sont normalement interceptées par le mucus de la trachée, des bronches mais pénètrent jusqu'aux bronchioles ;
• les particules de 5 à 30 μm sont plutôt stoppées dans le nez et la gorge ou le pharynx ;
• les particulièrement grosses particules (> 30 μm) ne pénètrent que rarement les voies respiratoires supérieures ;

La ventilation (avec filtration si envisageable) ou le port d'un masque ou autre appareil de protection respiratoire permettent de diminuer les risques pour la santé au travail^[4].

C'est un irritant mécanique (sans être absorbé) pour les yeux et les voies respiratoires ^[4]. Chez le rat, en cas d'inhalation prolongée, il «entraînera une inflammation chronique et débalancera de façon irréversible la clairance pulmonaire provoquant une déposition de particules dans l'espace interstitiel des alvéoles»^[4]. Ces effets n'ont pas été observés chez d'autres espèces de laboratoire (souris, hamsters, cochons d'Inde et singes), le rat pourrait par conséquent être plus sensible que d'autres mammifères au noir de carbone. Ce denier serait moins toxique que les suies. Les effets souvent rapportés sont la toux, le phlegme et la bronchite chronique, lors d'exposition à de fortes concentrations, comme ce serait le cas pour toute poussières inorganiques inerte, ou peu toxique et peu soluble. Des problèmes dermatologiques (incrustation de particules dans la peau) ont été rapportées suite à l'exposition de peau (non protégée) aux au noir de fumée (lampblack).

Potentiel cancérogène et mutagène ? Quoique sans preuve de cancérogénicité pour l'homme, ce produit est reconnu par le CIRC comme «peut-être cancérogène pour l'homme» ; Il a été évalué par le CIRC (1ère évaluation publié en 1996) en situation de fabrication ou d'utilisation. Les études américaines et européennes disponibles (incluant des études de cas-témoins et cohortes contenaient de faibles niveaux de preuves et des résultats contradictoires par conséquent insuffisant chez l'homme ^[4]. En laboratoire seule le rat femelle (mais pas les souris) s'y montre significativement plus sensible, avec «incidence accrue de tumeurs bénignes et malignes» (le dioxyde de titane, le talc non amiantiforme inhalé en forte quantité à les mêmes effets). En injection sous-cutanée, un noir de carbone contenant des quantités détectables d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) a induit des sarcomes au site d'injection, contrairement aux études faites sans HAP détectables ^[4]. L'ACGIH (1996) l'a désigné comme "non classifiable comme cancérogène pour l'homme"^[4].
Les données épidémiologiques ou toxicologiques disponibles sont insuffisante pour évaluer un éventuel effet mutagène ^[4].

Dose létale 50 et concentration létale 50 (pour les données disponibles en 1996) ^[4].

• DL50 (Orale) pour le Rat : > 15, 4 g·kg^-1
• DL50 (Cutanée) pour le Lapin : > 3 g·kg^-1

Notes et références

Voir aussi

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