Le noir de carbone, aussi appelé noir de fourneau, noir thermique, noir au tunnel, noir d'acétylène, ou autrefois noir de fumée ou noir de lampe, est une forme amorphe et élémentaire du carbone ; on le trouve dans les suies et sous forme de carbone colloïdal. C'est la forme de carbone élémentaire la plus répandue et utiliséeFiche toxicologique de la Commission de la santé et de la sécurité du travail du Canada. Il n'a pas d'odeur.
Le noir de carbone est massivement produit par l'industrie de la pétrochimie, par combustion incomplète d'hydrocarbures (ex. : produits pétroliers lourds comme le goudron de houille) ou d'huile végétale ; la capacité mondiale était de plus de 10 millions de tonnes en 2005Auchter JF (2005). Chemical Economics Handbook: Carbon Black, Menlo Park, CA, SRI Consulting.. Les différents noirs de carbone se présentent sous forme de poudres constituées de particules sphériques de à , qui forment des agrégats de à ; ces agrégats peuvent former des agglomérats de à ou être transformés en granules de à .
Le noir de carbone est l'un des polluants de l'air quand il est émis par les pots d'échappement (des moteurs Diesel principalement) et par la combustion domestique ; à l'horizon 2020, dans la CEE, les petits appareils de chauffage des habitations deviendront la principale source d’émission de noir de carbone et produiront à peu près la moitié des émissions totales ; cette tendance pourrait s’accentuer si la combustion de la biomasse est préconisée comme mesure de protection du climatNoir de carbone, Conseil économique et social des Nations unies, voir notamment les pages 13 et 15.. L'usure des pneus sur les routes libère également du noir de carbone.
C'est peut-être un produit cancérigène.
Nuances entre suie et noir de carbone Pour des raisons historiques, le noir de carbone a d'abord été considéré comme une forme de suie, ce qu'il n'est plus ; d'ailleurs, les anglophones distinguent le carbon black (noir de carbone) et le black carbon (désignant plutôt la suie). Bien que tous deux soient obtenus par décomposition thermique ou par combustion partielle de matières contenant du carbone, la suie se distingue du noir de carbone de plusieurs façons : le noir de carbone, plus homogène et plus fin que la suie, présente des nodules dont la surface est plus lisse que les nodules trouvés dans la suie ; il est aujourd'hui produit en conditions contrôlées pour répondre aux besoins industriels ; la suie, souvent grasse, est plus épaisse et plus hétérogène que le noir de carbone ; elle est essentiellement un sous-produit indésirable formé par une combustion incomplète dans des conditions non contrôlées (ex. : fioul des moteurs Diesel, fumée de feux de bois et de charbon) ; elle contient des taux de goudrons, de cendres et d'impuretés plus élevés que le noir de carbone (jusqu'à 50 % voire plus, extractibles par solvantEuropean Committee for Biological Effects of Carbon Black (1982). A comparative Study of Soot and Carbon Black (Bulletin No. 2, January), Boston, MA, Cabot Corp.Voll M, Kleinschmit P (2002). Carbon. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, New York, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.Wang MJ, Gray CA, Reznek SA et al. (2003). Carbon black. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, New York, John Wiley & Sons, Vol 4, p 761–803.).
Fabrication Procédés lang=fr|500px|none|Schéma de procédé de noir de carbone thumb|Fabrication industrielle du noir de fumée ; illustration tirée des Leçons élémentaires de chimie (B.Bussard, H.Dubois), 1906. thumb|Ouvrier d'une usine produisant du noir de carbone (Texas, début des années 1940).
Les principaux processus industriel de fabrication sont : la décomposition thermique (incluant la détonation) de gaz naturel, produisant du noir thermique (thermal black) (particules de de diamètre), ou d'acétylène, produisant du noir d'acétylène (acetylene black) (particules de de diamètre) ; la combustion incomplète d'hydrocarbures de goudron, produisant du noir de fumée (ou noir de lampe, ou lamp black) (particules de de diamètre), de gaz naturel, produisant du noir tunnel (channel black) (particules de ), de gaz naturel ou d'huiles aromatiques, produisant du noir de fourneau (furnace black) (particules de de diamètre).
Le procédé produisant du noir tunnel est le plus ancien ; les procédés produisant du noir thermique ou du noir de fourneau sont les plus utilisés aujourd'hui. Enfin, il existe un procédé plasma (plus récent).
Les noirs de carbone du commerce sont purs à 97-99 %, le reste étant constitué de traces de composés aromatiques, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de soufre chimiquement liés au carbone.
Impuretés et résidus Les résidus aromatiques présents dans le noir de carbone sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ; leur teneur est généralement inférieure à dans le noir de carbone de qualité industrielle ; ils sont souvent fortement liés au carbone et donc a priori peu solubles dans les liquides physiologiques.
Les analysesVoir CIRC 1984, 1987, 2010 ont mis en évidence les impuretés suivantes :
Utilisations Plus de 35 types de noir de carbone de qualité différente sont commercialisés comme charge, essentiellement pour le caoutchouc, et environ 80 types différents sont vendus comme pigments ou pour des applications spéciales.
Le noir de carbone est utilisé comme pigment ou dans la fabrication des encres (encre de Chine, etc.) mais sert également de charge dans certains matériaux (caoutchouc pour les pneus) et dans certaines peintures, vernis, laques, plastiques, fibres, céramiques, émaux... Il a été très utilisé dans le papier carbone et les rubans noirs de machine à écrire, puis dans les poudres électrostatiques noires de photocopieuses (Toner).
Le noir de carbone est utilisé en laboratoire afin d'augmenter le point de fusion de certains produits en solution ; cette substance est fréquemment utilisée dans les opérations de purification, car absorbe les impuretés colorées dissoutes et fixe la matière en suspension, formant ainsi des agrégats d'impureté, facile à séparer par filtrationEddy Flamand et Jacques Bilodeau, Chimie organique : Expériences de laboratoire, corrigée, édition Modulo, 2008.
Le noir de carbone est utilisé comme colorant alimentaire (E152)., à ne pas confondre avec le charbon actif, d'origine végétale (carbo medicinalis vegetalis), utilisé dans l'industrie alimentaire sous le code E153.
Le noir de carbone est répertorié dans l'Inventaire européen des substances chimiques commerciales existantes (EINECS) sous le numéro 215-609-9.
Sa présence dans le sol ou des sédiments peut être source de coloration noire ou grise ou foncée. Elle est considérée comme indice et dépôts faisant suite à des incendies naturels ou anthropiques. On a récemment montré que dans certaines situations (sédiment marin oxygéné), jusqu'à plus de 60 % de ce carbone pouvait être lentement (millénaires) oxydé par l'oxygène dissous dans l'eauJack J Middelburg, Joop Nieuwenhuize & Peter van Breugel, Black carbon in marine sediments ; Marine Chemistry Volume 65, Issues 3–4, June 1999, Pages 245–252(résumé).
Il est utilisé pour améliorer les propriétés physiques (résistance aux ultraviolets) de certains polymères..
Santé et environnement
Santé humaine Le noir de carbone pose des problèmes sanitaires, notamment parce qu'inodore, et car .
Sa toxicité varie selon le diamètre et la quantité des particules en suspension dans l'air (l'inhalation est première voie de contamination) : les particules de moins de (micromètre) peuvent pénétrer profondément dans les alvéoles pulmonaires ; les particules de 1 à sont normalement interceptées par le mucus de la trachée et des bronches, mais pénètrent jusqu'aux bronchioles ; les particules de 5 à sont généralement stoppées dans le nez et la gorge ou le pharynx ; les très grosses particules (> ) ne pénètrent que rarement les voies respiratoires supérieures.
Le noir de carbone est un irritant mécanique pour les yeux et les voies respiratoires. Chez le rat, en cas d'inhalation prolongée, il ; ces effets n'ont pas été observés chez d'autres espèces de laboratoire (souris, hamsters, cochons d'Inde et singes). Ce dernier serait moins toxique que les suies ; comme pour toute poussière inorganique inerte, ou peu toxique et peu soluble, les effets fréquemment rapportés sont la toux, le phlegme et la bronchite chronique, lors d'exposition à de fortes concentrations. Des problèmes dermatologiques (incrustation de particules dans la peau) ont été rapportées à la suite de l'exposition de peau non protégée au noir de fumée.
Le noir de carbone est considéré par le CIRC comme « peut-être cancérogène pour l'homme » (première évaluation publié en 1996, confirmée en 2006). Les études américaines et européennes, incluant des études de cas-témoins et de cohortes, contenaient des preuves faibles et des résultats contradictoires donc insuffisants chez l'homme. En laboratoire, seule le rat femelle s'y montre significativement plus sensible, avec (le dioxyde de titane et le talc non amiantiforme inhalé en forte quantité ont 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. En 1996, l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) l'a désigné comme « non classifiable comme cancérogène pour l'homme ».
Les données épidémiologiques ou toxicologiques disponibles sont insuffisante pour évaluer un éventuel effet mutagène.
La ventilation (avec filtration si possible) ou le port d'un appareil de protection respiratoire (ex. : masque) permettent de réduire les risques pour la santé au travail. Le noir de carbone pourrait agir en synergie avec d'autres polluants comme l'ozone troposphériqueAnenberg, S. C., J. J. West, L. W. Horowitz, and D. Q. Tong. 2009. The global burden of anthropogenic ozone and fine particulate matter on premature human mortality. Environmental Health Perspectives, submitted..
Contribution au réchauffement climatique thumb|Cliché pris par la NASA en décembre 2009 montrant les particules de suie autour de la Terre.
Le noir de carbone (sous forme de suie) pourrait agir à la fois de façon directe et indirecte sur le climat ; directement, il pourrait être le deuxième responsable du réchauffement climatique après le dioxyde de carbone (CO2)Bond, T. C., E. Bhardwaj, R. Dong, R. Jogani, S. Jung, C. Roden, D.G. Streets, S. Fernandes, and N. Trautmann. 2007. “Historical emissions of black and organic carbon aerosol from energy-related combustion, 1850-2000.” Global Biogeochemical Cycles 21:GB2018.Bond, T. C. 2008. Targeting black carbon for climate reasons: what do we know about emissions, and is it enough to get started? Presentation to Princeton University Woodrow Wilson School 59e Policy Workshop. Princeton, NJ., mais son impact pourrait avoir été surestimé en raison de la présence conjointe de carbone brunAndreae, M. O. and A. Geleneser. 2006. “Black carbon or brown carbon ? The nature of light-absorbing carbonaceous aerosols.” Atmospheric Chemistry and Physics 6:3131–3148 (Résumé). qui peut fausser les mesures d'absorption de l'infrarouge ;