Qu'est-ce que le noir de carbone ? Guide simple des principes de base

Le noir de carbone est une poudre noire pure, également appelée fumée de carbone. Il se compose de carbone élémentaire, d'une forme amorphe de carbone et d'un mélange d'hydrocarbures. carbone. Le noir de carbone est le principal matériau utilisé comme base dans de nombreuses industries. La combustion d'hydrocarbures par manque d'air produit du noir de carbone. Contrairement à la suie, le noir de carbone ne contient pas de contamination inorganique ni de résidus organiques extractibles.

Propriétés du noir de carbone

Le noir de carbone peut être considéré comme le nanomatériau le plus utilisé. Il se compose de structures microcristallines dont le diamètre varie de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres. Le tableau ci-dessous donne un aperçu complet des propriétés physico-chimiques du noir de carbone ; il résume les principales caractéristiques et les propriétés pertinentes pour les industries.

Taille des particules

La taille peut être définie comme le diamètre moyen des particules de noir de carbone, qui est généralement compris entre 10 et 200 nanomètres. Les dimensions varient en fonction de la distribution des particules et sont liées aux différents processus de production et à la nature des matières premières.

Structure

Le noir de carbone est constitué de "particules" primaires ou "nodules" qui fusionnent en entités colloïdales rigides appelées agrégats. Ces nodules sont constitués de micro-piles de graphite dont l'axe c est perpendiculaire à la surface.

Porosité

Les pores du noir de carbone sont de deux types : microporeux et mésoporeux. Les premiers ont une taille de pore inférieure à 2 nm, tandis que les seconds ont une taille de pore comprise entre 2 et 50 nm. Ces pores augmentent la résistance au vieillissement et à l'abrasion du caoutchouc.

Composition chimique

Les principaux composants du noir de carbone sont le carbone élémentaire (>97%), l'hydrogène, l'oxygène, le soufre et l'azote.

Chimie des surfaces

Les groupes fonctionnels d'oxygène (phénols, quinones, groupes carboxyles) à la surface du noir de carbone affectent sa réactivité, sa dispersion et ses propriétés électriques. L'oxydation du noir de carbone améliore la dispersion des pigments de noir de carbone tout en abaissant le pH et en modifiant la cinétique de sulfatation.

Densité

La densité du noir de carbone se situe entre la densité apparente et la densité réelle. Les différents types de noir de carbone ont des densités d'emballage différentes. Parmi eux, le noir de carbone vulcanisé et le noir de carbone pyrolytique ont des densités de tassement plus élevées, et le noir de carbone traité en surface en phase gazeuse a des densités de tassement plus faibles.

Couleur

Le noir de carbone est généralement divisé en noir de carbone fortement pigmenté, moyennement pigmenté, ordinaire et faiblement pigmenté en fonction de l'intensité de la couleur et de la taille des particules. Il présente de bonnes performances de dispersion, un bon pouvoir colorant et un fort pouvoir couvrant.

Solubilité

Il possède des propriétés de dissolution irréversibles et est difficile à dissoudre sous forme liquide. Toutefois, le noir de carbone proprement dit est partiellement dissous dans certaines conditions particulières.

Dissipation de la chaleur

La dispersion thermique du noir de carbone affecte les propriétés mécaniques, la résistance à la chaleur et la stabilité à l'oxydation des produits en caoutchouc. Le mélange mécanique et le traitement par voie humide ou sèche sont des méthodes typiques pour obtenir la dispersion du noir de carbone. Les dispersants, les modificateurs de surface et les méthodes de traitement sophistiquées permettent souvent de mieux répartir le noir de carbone.

À quoi sert le noir de carbone ?

Industries du pneu et du caoutchouc

Le noir de carbone est également un terme générique désignant une grande catégorie de produits de renforcement du caoutchouc. Aujourd'hui, le monde produit et consomme 70% de la production mondiale de noir de carbone destinée à l'industrie du pneu. Le noir de carbone est ajouté aux pneus afin d'améliorer leur résistance à l'abrasion, leur traction ou leur adhérence au sol, et de les renforcer pour qu'ils soient plus durables et plus stables.

Plastiques et revêtements

 Plastiques

Le noir de carbone est utilisé dans les plastiques suivants : polyéthylène, polypropylène, chlorure de polyvinyle et polypropylène. polystyrèneL'utilisation de ces produits permet d'améliorer les propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction et à l'abrasion, la conductivité électrique et la résistance à la chaleur et aux intempéries.

Revêtements

Il joue un rôle important dans revêtements pour la construction, les automobiles, les wagons de chemin de fer et les navires. En général, les revêtements doivent avoir les propriétés suivantes : une grande noirceur, de bonnes propriétés d'écoulement et une bonne stabilité contre la décantation.

Matériaux de conduction et électroniques

La conductivité du noir de carbone est liée à la structure, à la surface et à la densité de la taille des particules, principalement par le biais de canaux conducteurs et d'un mécanisme d'émission de champ.

Blindage EMI

La conductivité peut être réalisée par les composites noir de carbone-polymère, le noir de carbone étant utilisé comme matière première principale, avec l'ajout de certaines charges et d'adhésifs. En raison de ses qualités conductrices, antistatiques et de blindage contre les interférences électromagnétiques, le noir de carbone conducteur peut également être utilisé dans la production de matériaux de blindage électromagnétique.

Nuances de noir de carbone

En fonction de la taille des particules, de la structure (telle que la surface et les valeurs DBPA) et des propriétés d'utilisation, ses qualités sont généralement réparties dans les catégories suivantes :

Comment fabrique-t-on le noir de carbone ?

Four à charbon noir

Il est issu de la combustion incomplète de la matière première, l'huile, dans un réacteur.

Canal noir

Elle est produite à partir de gaz naturel et présente les avantages suivants : particules minuscules, grande surface spécifique, noirceur élevée et fort pouvoir colorant. Un plus grand nombre de groupes fonctionnels d'oxygène peut retarder le processus de vulcanisation du caoutchouc et améliorer la fluidité et l'imprimabilité de l'encre.

Noir thermique

Il est principalement fabriqué par craquage de gaz naturel à haute température dans des conditions sans oxygène et sans flamme. La surface spécifique de ce noir de carbone est faible, avec une faible teneur en oxygène à sa surface.

Quel est le prix du noir de carbone sur le marché ?

Coût des matières premières

Le noir de carbone utilise principalement des matières premières produites à partir du goudron de houille. Récemment, la fluctuation du prix du goudron de houille sur le marché a eu un impact direct sur les coûts de production. Au mois de mars de cette année, par exemple, le prix du goudron de houille a augmenté de 645 USD/tonne, ce qui a entraîné une hausse du coût du noir de carbone.

Relation entre l'offre et la demande sur le marché

Par conséquent, au début de l'année 2024, les fabricants de noir de carbone en Asie ont anticipé une augmentation significative de la demande et ont donc augmenté leur production en conséquence. Toutefois, il s'est rapidement avéré que le taux d'approvisionnement réel différait de celui qui avait été estimé, ce qui a entraîné une surabondance de l'offre sur le marché. Cela a entraîné une surabondance de l'offre sur le marché. Les conditions du marché se sont récemment améliorées en raison de la fin du trimestre et les prix se stabilisent désormais.

Noir de carbone ou graphite

Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du noir de carbone sont relativement actives, tandis que les propriétés chimiques du graphite indiquent la stabilité, la résistance aux températures élevées et à la corrosion. Graphite présente un comportement non soluble dans l'eau et les solvants organiques. À haute température, il réagit facilement avec l'oxygène ou le métal et forme respectivement des oxydes ou des carbures.

Propriétés physiques

Le graphite présente différentes structures d'agrégation en forme de chaîne ou de raisin, et son aspect principal est cristallin. Le graphite et le noir de carbone présentent tous deux une bonne conductivité électrique.

Propriétés optiques

Le graphite est relativement homogène en termes de noirceur et possède un fort pouvoir de diffusion de la lumière ; il ne peut donc pas être utilisé comme pigment efficace. La noirceur du noir de carbone provient principalement de sa capacité à absorber la lumière ; en général, plus la taille des particules est fine, plus la noirceur est élevée.

Impact du noir de carbone sur l'environnement

Consommation d'énergie

Le processus de fabrication du noir de carbone implique la combustion d'énormes quantités d'énergie telles que le pétrole et le gaz naturel. Cependant, la surconsommation d'énergie entraîne une surutilisation des ressources et des émissions de gaz à effet de serre.

Pollution de l'air

La production de noir de carbone émet des COV et des particules, qui contribuent à la dégradation de la qualité de l'air.

Substitution et durabilité

En raison de la nature du processus de création du noir de carbone, il est possible d'utiliser de l'énergie propre, solaire et éolienne, ainsi que d'incorporer des déchets usagés et des matériaux verts alternatifs.

Conclusion

Le noir de carbone est une substance indispensable à l'industrie moderne. En raison de sa haute coloration, de sa conductivité électrique élevée et de sa bonne dispersion thermique, il est devenu très important dans les caoutchoucs, les plastiques, les revêtements, les encres, etc. Le noir de carbone peut répondre aux besoins de différentes industries en ce qui concerne la pollution environnementale causée par la production, et il est toujours nécessaire d'explorer les moyens de l'améliorer.