Le noir de carbone est constitué de carbone élémentaire (98 à 99,7 %). Il peut aussi contenir des atomes d’hydrogène, d’oxygène, d’azote et de soufre liés chimiquement. Leur teneur en oxygène est de la plus haute importance pour les applications de ces produits. L’oxygène est lié à leur surface, surtout sous forme de groupes fonctionnels acides ou basiques.

Il se présente sous forme de poudre constituée de particules sphériques (10 à 500 nm) amorphes et agrégées (quelques dizaines à quelques centaines de particules, soit un diamètre moyen de 0,1 à 0,8 mm). Cette matière est considérée comme un colloïde. Les nodules élémentaires comprennent des feuillets graphitiques désordonnés et mal cristallisés qui rendent le matériau amorphe.

Cliché de microscopie électronique et représentation schématique d’un nodule de noir de carbone.

Schéma issu de « Introduction to Carbon Black », Timcal, http://www.timcal.com/html/corpo/products/pdf_doc/Ensaco/Part%201-%20CB%20Introduction%2004-Rev1.pdf#search=%22timcal%20introduction%20to%20carbon%22 (01/08/2006).

L’origine de l’agglomération des particules de noir est mal connue. Les nodules sphériques élémentaires de noir de carbone sont des solides mal cristallisés qui forment des agrégats désordonnés qui peuvent constituer par coalescence des grappes complexes. De fortes liaisons maintiennent la cohésion entre les particules qui passent d’agrégats à agglomérats (centaines à milliers d’agrégats solidement liés).

Illustration de la séquence de développement structural d’un noir de carbone.

Schéma adapté de « Introduction to Carbon Black », Timcal, http://www.timcal.com/html/corpo/products/pdf_doc/Ensaco/Part%201-%20CB%20Introduction%2004-Rev1.pdf#search=%22timcal%20introduction%20to%20carbon%22 (01/08/2006).

La surface spécifique d’un noir de carbone est comprise entre 10 m².g^-1 pour des particules de taille grossière et 500 m².g^-1 pour de fines particules.

Les noirs fins apportent une dureté supplémentaire au matériau dans lequel il est incorporé alors que les noirs de taille plus importante lui donnent de la souplesse. Ils ont donc un impact sur les propriétés viscoélastiques des mélanges.

Pour des pressions modérées de l’ordre de 10 MPa appliquées aux poudres de noir de carbone, les résistivités électriques observées sont de 10⁴ à 10^-1 ohm.cm. Cette valeur diminue avec la température et confère donc à ce matériau un caractère de semi-conducteur.

Vu la nature des matières premières, leurs méthodes de production, leur surface spécifique élevée et les propriétés de surface, les noirs de carbone commerciaux contiennent des quantités variables de sous-produits adsorbés, en particulier des composés aromatiques. Les produits chimiques classiquement adsorbés à la surface des noirs de carbone appartiennent aux classes suivantes de substances cancérogènes : les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les dérivés nitrés de HAP et les HAP contenant du soufre. La présence de ces composés peut augmenter sensiblement les dangers associés à l’exposition au noir de carbone.