Particules ultra-fines de noirs de carbone

Les noirs de carbone sont des poudres formées de carbone élémentaire sous forme de particules primaires, presque sphériques agrégées puis regroupées en agglomérats. Une partie peut pénétrer jusqu’à l’alvéole, une fraction des particules peut être qualifiée d’ultra-fines.

Production
Propriétés physiques et chimiques des noirs de carbone
Principaux secteurs d’utilisation dans le monde
Niveaux d’exposition atmosphérique en milieux de travail
Propriétés toxicologiques des noirs de carbone

Le noir de carbone est souvent confondu avec la suie :
cette dernière est un sous produit incontrôlé de la combustion incomplète de toutes sortes de matières carbonées ( organiques), et présente une composition imprécise et variable elle peut contenir plus de 50% de cendres.

Un noir de carbone présentant une forte capacité d’agrégation est dit de structure élevée:
La structure est déterminée par la taille, le forme des particules agglomérées, le nombre de particules par agrégat et leur masse moyenne.

L’unité de base du noir de carbone est l’agrégat:
Chaîne de particules qui ont fusionné au hasard pour former une structure en branches.

 

Production

Noirs de carbone les plus courants

  • Noir de fumée ( lamp black)
    • initialement produit en Chine par combustion incomplète dans des lampes à huile destinées à fournir le pigment de l’encre de Chine, en 1912 on a découvert ses qualités exceptionnelles de renforcement des pneumatiques.
  • Le noir «tunnel» ( channel black)
    • Produit à partir de gaz naturel vers la fin du 19ème siècle.
    • C’est la forme la plus commercialisée au début du 20ème pour le caouchouc et les pigments ( sa production est actuellement interrompue sauf en Allemagne).
    • Ses particularités: granulométrie très fine ( inférieur à 30nm), faible degré d’agrégation, taux élevé de substances volatiles: environ 5 %.
  • Le «noir d’acétylène»
    • C’est l’un des noirs de carbone le plus pur et qui possède un caractère conducteur marqué.
    • Il est obtenu par craquage de l’acétylène.
    • Il présente une très forte agrégation.
  • Le «noir de fourneau»
    • C’est la forme la plus commercialisée:
    • Produit surtout par combustion incomplète de gaz naturel ou de résidus pétroliers lourds.
  • Le «noir thermique»
    • Obtenu par chauffage d’une chambre réfractaire suivi d’une injection de gaz naturel qui génère la formation de carbone et d’hydrogène.
    • C’est celui qui présente les particules les moins fines.

 

Propriétés physiques et chimiques des noirs de carbone

Toutes les formes commercialisées sont insolubles dans l’eau et les solvants organiques.

La grande diversité des noirs de carbone peut entraîner des comportements différents:
dépôt au niveau des voies respiratoires, toxicité, etc

Impuretés

  • Les noirs de carbone compte tenu des matières premières utilisées et de leur mode de production contiennent des substances adsorbées:
    Composés aromatiques: hydrocarbures aromatiques polycycliques et leurs composés nitrés et soufrés.
  • Des traces de composés inorganiques peuvent être présentes:
    calcium, fer, potassium, plomb, arsenic, chrome, sélénium).

 

Principaux secteurs d’utilisation dans le monde

  • Additif et agent de coloration dans les caoutchoucs et les plastiques:
    Charge organique qui modifie les propriétés physique, électriques, mécaniques des résines.
  • Production la plus importante:
    Industrie des pneumatiques: 70 %
    Le noir de carbone représente 25% de la masse d’un pneu.
  • Autres caoutchoucs pour automobile: 10%.
  • Caoutchoucs industriels :10%.
  • Plastiques: 4%.
  • Pigments pour peintures, plastiques, papiers,ciments encres et céramiques.
  • Additif dans les vernis à ongles.
  • Encres d’impression: 3,5%.
  • Peintures et émail.
  • Baguettes de soudage.
  • Papier carbone.
  • Finition du cuir.
  • Agent de filtration.
  • Conducteurs d’électricité et piles sèches.
  • Raffinage du pétrole:
    le coke (carbone presque pur) est présent en résidu des opérations de cracking;

Niveaux d’exposition atmosphérique en milieux de travail

L’homme serait principalement exposé à des agrégats et des agglomérats de noir de carbone.

Les plus fortes expositions sont observées chez les ajusteurs-soudeurs, emballeurs, agents de nettoyage.

Les expositions sont très variables dans les chaînes de production, et d’un site géographique à l’autre.

Valeur limite d’exposition professionnelle

  • En France, il n’existe pas de valeur limite réglementaire;
  • Il existe une valeur limite de moyenne d’exposition équivalente à celle retenue par l‘ACGIH:
    • VME de 3,5 mg/m3.

Propriétés toxicologiques des noirs de carbone

Noirs de carbone: cancérogènes possibles pour l’homme

Les noirs de carbone ont été classés en 2B : cancérogènes possibles pour l’homme, par le CIRC en 1996; Une réévaluation en 2006 par le CIRC a confirmé cette classification.

  • Dans les secteurs de la production en Grande Bretagne et en Allemagne:
    excès de risque de cancers bronchopulmonaires
    comparés aux taux attendus nationaux.
  • Quelques études suggèrent l’existence d’un excès de risque de cancer de la vessie, du rein, de l’estomac et de l’oesophage:
    les données ont été considérées comme insuffisantes.
  • Une étude sur des dockers italiens ayant manipulé des sacs de noir de carbone a montré des cas de mésothéliomes et de mélanomes qui à priori ne sont pas liés à ces opérations.
  • Chez l’animal: on constate un excès de cancers pulmonaires chez des rongeurs exposés par inhalation.
  • Des études chez l’homme confirment le dépôt de noir de carbone dans les voies respiratoires.
  • De légères modifications radiologiques ont été observées, ainsi que des bronchites chroniques, et une diminution de la fonction respiratoire chez des travailleurs exposés.

Toxicité du noir de carbone ultra-fin

Le noir de carbone ultra-fin induit une cytotoxicité accrue et différée dans le temps par rapport à du noir de carbone fin.

Les études disponibles montrent que le noir de carbone ultra-fin provoque:

  • Plus d’effets toxiques que le noir de carbone de granulomètrie plus grossière.
  • Des effets inflammatoires.
  • Des atteintes des macrophages des alvéoles: altération de la phagocytose, cytotoxicité…
  • Des effets toxiques dont l’importance est surtout liée à la surface spécifique plus qu’à la masse des particules.

Les particules ultra-fines de noir de carbone semblent avoir une tendance moindre que d’autres à pénétrer l’interstitium pulmonaire.
En revanche, elles entraînent une réaction macrophagique accrue, et des phénomènes inflammatoires alvéolaires notables.

Ceci pose la question de leurs effets potentiels à long terme.

Les informations figurant dans cet article sont extraites du livre:
«Les nanoparticules: un enjeu majeur pour la santé au travail?»
Sous la direction de Benoît Hervé-Bazin
INRS, édition EDP sciences, 2007.



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