Les noirs de carbone résultent de la combustion incomplète ou de la décomposition thermique d’hydrocarbures (résidus pétroliers lourds, huile de pétrole, goudron de houille, gaz naturel).

Les rendements des procédés de fabrication sont de l’ordre de 30 à 50 %. L’achat de la matière première pétrolière représente plus de 30 % du prix de vente.

Les unités de production ont une capacité moyenne de 75 tonnes par jour et par usine. Les principaux pays producteurs de noir de carbone sont les Etats-Unis, la Russie, le Japon, l’Allemagne…
La production mondiale de noir de carbone s’élève à 7 millions de tonnes par an. Plusieurs groupes fabriquent ce matériau. Nous pouvons citer Cabot, Columbian Carbon, Degussa et Timcal.

Le mécanisme de formation du noir de carbone est encore sujet à débat. Néanmoins, certaines étapes principales font l’unanimité et sont communes aux différents procédés existants :
- étape de nucléation avec formation de précurseurs : transformation d’un état moléculaire vers un système de particules (1 à 2 nm),
- étape d’agrégation des particules : collisions de particules produites lors de la nucléation pour créer des particules sphériques de 10 à 50 nm environ,
- étape d’agglomération des particules en chaîne ou chapelet de 1 mm de long environ.

Le tableau ci-dessous illustre les différents types de noirs obtenus selon les procédés de fabrication et les matières premières utilisées.

Résumé des différents types de noirs de carbone fabriqués.

Le noir de carbone est principalement produit selon deux méthodes : le procédé Oil Furnace Black, utilisé pour 95 % de la production mondiale et qui donne du noir de fourneau (Furnace black), et le procédé thermique. Les autres produits sont minoritaires et dérivent de modes de production ancestraux.

En effet, le procédé au tunnel (channel process) qui est le plus ancien, permet d’obtenir du noir de carbone par écrasement des flammes d’une rampe de brûleurs contre un tube d’acier refroidi par une circulation d’eau intérieure.

Fabrication des noirs thermiques

Les noirs thermiques sont obtenus par décomposition de gaz naturel (méthane, huiles aromatiques lourdes) vers 1300°C. Le procédé repose sur l’utilisation d’une paire de fours qui alternent toutes les 5 minutes environ une phase de préchauffage et de production de noir.
Le gaz naturel est injecté dans un four réfractaire chaud en absence d’air. La chaleur libérée par la matière réfractaire décompose le gaz naturel en noir de carbone et en hydrogène.
L’hydrogène est brûlé dans l’air pour préchauffer le second four. L’aérosol formé de gaz et de particules de noir est refroidi par pulvérisation d’eau (effet quench) puis filtré dans une boîte à filtres.

Le matériau carboné obtenu peut subir des traitements complémentaires : purification, granulation, conditionnement…

Ce mode de production conduit à de grosses particules (300 nm) de faible structure (petits agrégats).

Le noir d’acétylène, qui fait partie de la famille des noirs thermiques, est produit par décomposition exothermique de l’acétylène et produit un composé très pur à fort pouvoir conducteur de forme sphérique et très faiblement structuré (rares agrégats).

Fabrication des noirs de fourneau
Procédé Furnace

Le procédé au four, qui donne le noir de fourneau, a lieu en continu dans un réacteur fermé à température et pression minutieusement contrôlées. Le four comprend une flamme issue de matières premières brûlées (gaz naturel) avec un excès d’air.
Une fois les matières premières liquides introduites radialement dans un courant de gaz chauds, elles sont atomisées, vaporisées et enfin pyrolisées. La température atteint 1400 à 2000°C.
Des particules nanométriques de carbone se forment et s’agglomèrent entre elles. La réaction dure 1/100 à 1/10 de seconde selon le type de noir. La vitesse de réaction et la taille des agglomérats sont maîtrisées en refroidissant rapidement les gaz de combustion, contenant le noir de carbone, par pulvérisation d’eau (effet quench).
Le noir de carbone est entraîné vers une série de filtres à manche en fibre de verre spécial (par exemple, 3 m de long et 15-20 cm de diamètre) : la poudre de carbone est récupérée en vidant les filtres par circulation de gaz inversé à intervalles réguliers (2-3 minutes).
La poudre, dénommée « fluffy », est collectée et peut subir une granulation. Cette granulation facilite le stockage, la manipulation du matériau et la limitation de poussière. Elle se fait à l’eau ou avec un liant suivie d’un séchage des granulés sphériques (0,1 à 1 mm) dans un sécheur rotatif.
Fréquemment, le noir de carbone est associé à des résines plastiques types et certains additifs puis est mis sous forme de granulés afin de préparer des mélanges maîtres (masterbatch). Ces mélanges maîtres sont des concentrés de couleurs, d’additifs spéciaux enrichis d’un polymère pour faciliter la dispersion et la manipulation des composés lors de la mise en œuvre des plastiques.

Ce mode de fabrication par procédé Furnace permet d’obtenir des noirs de carbone à haute structure (nombreux agglomérats en chaîne, en chapelet) avec une forte surface spécifique.

Procédé MMM

Il existe une autre méthode de fabrication de noir de fourneau, procédé MMM, qui est un procédé au four modifié.
Les différences entre ces deux mécanismes résident dans un temps de réaction plus court pour le procédé MMM, dans l’absence de refroidissement par pulvérisation d’eau et dans le fait que la granulation n’utilise plus de liant ou d’additifs.

Ce type de procédé produit des noirs de carbone de haute structure (nombreux agglomérats en chaîne, en chapelet) avec des surfaces spécifiques plus faibles. Ainsi, le noir de carbone MMM serait plus facile à disperser et donnerait un meilleur aspect de surface à la pièce de plastique.

Remarques

Pour information, un mode de fabrication selon le procédé de gazéification Shell est référencé, mais peu d’informations existent à ce sujet. Il conduit à des noirs fortement agglomérés et très conducteurs.

Des études ont été menées conjointement entre laboratoires universitaires et fabricants de noirs de carbone pour développer un procédé plus écologique (réduction des émissions de gaz à effets de serre), plus économique en énergie et avec un meilleur rendement que le procédé Furnace. Ce projet est basé sur l’emploi d’un arc plasma comme source d’énergie.

Quelque soit le procédé utilisé, le matériau carboné peut subir des traitements complémentaires : purification, granulation, conditionnement… voire même d’oxydation de surface pour augmenter le nombre de groupements fonctionnels riches en oxygène adsorbés à la surface. Ce dernier exemple est mis en Å“uvre pour la fabrication d’encres et de revêtements.