Malgré les progrès technologiques récents et le développement progressif des concepts d'économie circulaire, les marchés des produits de pyrolyse des pneus restent encore émergents. Cet article présente la définition du noir de carbone, détaille ses domaines d'application et évalue le potentiel du noir de carbone recyclé pour remplacer le noir de carbone vierge, nocif pour l'environnement.

À la fin de cet article, nous estimons la taille annuelle potentielle du marché du noir de carbone recyclé, en supposant modestement un taux de substitution du noir de carbone vierge de 20 %. Indice : les chiffres suggèrent que la production de noir de carbone recyclé est une activité rentable offrant de nombreuses opportunités.

Noir de carbone : Introduction et définitions

Le noir de carbone (NC) est traditionnellement utilisé comme agent de renforcement et charge dans les pneumatiques. Grâce à une meilleure compréhension de ses propriétés uniques, il est aujourd'hui employé dans une gamme d'applications beaucoup plus large et dans une grande variété de produits : pneus, bandes transporteuses, encres, tuyaux en plastique, tapis en caoutchouc, semelles de chaussures, etc. Le noir de carbone vierge ne contient que des traces d'impuretés et sa teneur en carbone est très proche de 100 %.

Le noir de carbone vierge (vCB) est un matériau se présentant sous forme de poudre noire fine, obtenu par combustion incomplète de produits pétroliers lourds tels que le goudron de craquage catalytique (FCC), le goudron de houille ou le goudron de craquage de l'éthylène. Le noir de carbone est une forme de carbone paracristallin possédant un rapport surface/volume élevé, bien qu'inférieur à celui du charbon actif. Son utilisation la plus fréquente est comme charge de renforcement dans les produits en caoutchouc, notamment les pneumatiques. Alors qu'une gomme vulcanisée de styrène-butadiène pure présente une résistance à la traction n'excédant pas 2 MPa et une résistance à l'abrasion négligeable, son incorporation à 50 % de noir de carbone (en poids) améliore sa résistance à la traction et sa résistance à l'usure.

Le charbon de bois (CC), ou noir de carbone brut de récupération (rCB brut), est un sous-produit de la pyrolyse. Ce matériau, de faible valeur, a des applications limitées, comme la production d'énergie dans les fours à ciment. Il est donc nécessaire de le raffiner pour répondre aux exigences des marchés et des applications finales, afin de l'utiliser comme produit technique dans des applications à haute valeur ajoutée.

ASTM International – un organisme de normalisation qui introduit des définitions clés de produits et de matériaux avec plus de 12 800 normes ASTM en vigueur dans le monde entier – a récemment publié une première norme relative au noir de carbone récupéré (rCB).

LeComité ASTM D36 sur le noir de carbone récupéré (rCB)Fondée en 2017, cette organisation a pour mission d'accompagner le secteur émergent du rCB en matière de qualité et de sécurité de ses produits. Plusieurs sous-comités sont chargés d'élaborer des normes relatives à la terminologie, aux recommandations, aux bonnes pratiques et aux méthodes d'essai.

La nouvelle norme ASTM (D8178) répond au besoin d'une terminologie commune permettant de distinguer clairement la valeur du noir de carbone recyclé (rCB) de celle du charbon de carbone (CC). Elle facilite également la communication concernant les performances du rCB dans les applications envisagées. La norme D8178 souligne l'importance des différences entre le charbon de carbone, le noir de carbone (tel que défini par la norme ASTM D3053), le noir de carbone recyclé brut et le noir de carbone recyclé (rCB).

Plus important encore, l'appellation « noir de carbone récupéré » (rCB) ne devrait s'appliquer que si le noir de carbone brut est débarrassé des métaux et des fibres et a été broyé, ce qui donne généralement au rCB des propriétés semi-renforçantes dans le caoutchouc.

Plusieurs procédés permettent d'affiner et de valoriser le noir de carbone recyclé (rCB) brut, en fonction des exigences finales du produit. Ces procédés peuvent se limiter au tamisage granulométrique et à la séparation des corps étrangers (métaux et fibres), ou encore utiliser des produits chimiques ou d'autres procédés pour éliminer certains composants du matériau. Le charbon de carbone raffiné issu de la pyrolyse des pneus peut être commercialisé sous l'appellation de noir de carbone recyclé (rCB) et transformé par divers procédés pour la fabrication de pièces. Il peut également être affiné pour être utilisé par l'industrie chimique comme pigment et charge dans les encres, les peintures et autres matériaux.

La transformation du charbon de bois (CC) en noir de carbone réduit (rCB) est complexe et nécessite des technologies à forte intensité de capital. Le raffinage de ce matériau permet d'améliorer significativement ses propriétés, d'éliminer une très grande proportion de matières étrangères et de le convertir en un produit à haute valeur ajoutée capable de reproduire, dans une certaine mesure, les propriétés du noir de carbone vierge. Selon l'application et les performances requises, le rCB peut remplacer entre 10 % et 100 % du noir de carbone vierge (vCB) dans divers procédés de fabrication.

L'application idéale du noir de carbone recyclé (rCB) réside dans son utilisation par l'industrie du pneumatique. Cette dernière représente la majeure partie de la consommation mondiale de noir de carbone. Cependant, elle hésite à remplacer les fortes proportions de noir de carbone végétal (vCB) par du rCB ou à en intégrer de grandes quantités dans sa production, en raison de contraintes réglementaires, de problèmes d'image et de difficultés d'approvisionnement. Néanmoins, une nette tendance à l'adoption du rCB se dessine parmi les fabricants de pneumatiques. Michelin, entre autres, a acquis une participation importante dans une entreprise suédoise spécialisée dans la pyrolyse des pneumatiques et prévoit d'implanter une usine de production de rCB en Amérique du Sud.

Aperçu des utilisations du noir de carbone

Le noir de carbone vierge est utilisé depuis des décennies comme agent de renforcement dans les pneumatiques et est devenu un matériau clé pour l'ensemble de l'industrie du caoutchouc. Grâce à ses propriétés uniques, il est employé dans la majorité des industries du caoutchouc, tant pour les pneumatiques que pour d'autres produits, et son utilisation s'est étendue à la pigmentation, la stabilisation aux ultraviolets (UV) et les agents conducteurs dans une variété de produits de consommation courante et de spécialité haute performance. L'Association internationale du noir de carbone (ICBA) classe les utilisations du noir de carbone comme suit :

• Pneumatiques et produits industriels en caoutchouc : Le noir de carbone est ajouté au caoutchouc à la fois comme charge et comme agent de renforcement. Pour différents types de pneumatiques, il est utilisé dans les doublures intérieures, les carcasses, les flancs et les bandes de roulement, selon des spécifications adaptées aux performances requises. Le noir de carbone entre également dans la composition de nombreux produits industriels en caoutchouc moulés et extrudés, tels que les courroies, les tuyaux, les joints, les diaphragmes, les systèmes d'isolation des vibrations, les bagues, les ressorts pneumatiques, les butées de châssis, ainsi que divers types de coussinets, soufflets, balais d'essuie-glace, roues de convoyeur et œillets.
• Plastiques : Les noirs de carbone sont désormais largement utilisés pour les emballages conducteurs, les films, les fibres, les moulages, les tuyaux et les composés de câbles semi-conducteurs dans des produits tels que les sacs à ordures, les sacs industriels, les conteneurs photographiques, les films de paillis agricole, les films étirables et les applications de moulage thermoplastique pour l’automobile, l’électronique, les appareils ménagers et les conteneurs moulés par soufflage.
• Composés contre les décharges électrostatiques (ESD) : les noirs de carbone sont soigneusement conçus pour transformer les caractéristiques électriques d’isolants en conducteurs dans des produits tels que les emballages électroniques, les applications de sécurité et les pièces automobiles.
• Revêtements haute performance : Les noirs de carbone assurent la pigmentation, la conductivité et la protection UV pour plusieurs applications de revêtement, notamment dans les secteurs automobile (couches d’apprêt et vernis), maritime, aérospatial, décoratif, du bois et industriel.
• Toners et encres d'impression : les noirs de carbone améliorent les formulations et offrent une grande flexibilité pour répondre aux exigences spécifiques en matière de couleur.

Bien que le noir de carbone ait de nombreuses utilisations, les différentes applications requièrent des qualités et des propriétés différentes.

La qualité du noir de carbone dépend du procédé et du matériel utilisé. Par conséquent, lors du choix du matériel, il convient de prendre en compte la qualité de noir de carbone souhaitée et les exigences des applications concernées.

Potentiel du marché et principaux facteurs de demande de rCB

Étant donné que le rCB remplace partiellement ou totalement le vCB dans divers secteurs industriels, son potentiel de marché est déterminé par les marchés actuels du vCB. Selon plusieurs experts du secteur et nos propres estimations, la consommation mondiale de vCB a connu une croissance continue ces cinq dernières années, se situant entre 11 et 13 millions de tonnes par an. Cela représente un marché annuel total avoisinant les 16 milliards d'euros.

L'utilisation la plus courante du noir de carbone volatil (vCB) concerne les applications du caoutchouc et du plastique (en raison de ses propriétés de charge et de renforcement). Grâce à sa capacité à renforcer le caoutchouc, il est largement utilisé dans l'industrie de la fabrication des pneumatiques. Dans d'autres applications du caoutchouc et du plastique, il est utilisé comme charge. Dans ce cas, la charge est un agent de dilution et sert principalement à réduire les coûts de production. Ces applications représentent plus de 95 % de la consommation mondiale totale de noir de carbone. Environ 4 % du noir de carbone est utilisé comme pigment pour encre en raison de ses excellentes propriétés colorantes, et le reste est utilisé dans d'autres applications.

Graphique : Marchés d’utilisation finale du noir de carbone

L'industrie du pneumatique demeure le plus grand consommateur de noir de carbone vierge, avec une consommation totale d'environ 9 millions de tonnes ces dernières années. Ce secteur est dominé par un petit nombre d'acteurs majeurs qui exercent une forte influence sur les fournisseurs. Il représente environ 70 % de la consommation mondiale de noir de carbone. Dans cette catégorie, les pneus tourisme représentent 45 % de cette consommation, les pneus pour camions et autobus 32 %, et les autres types de pneus (hors route, motos, avions, etc.) 23 %.

Les produits en caoutchouc autres que les pneumatiques représentent le deuxième segment de consommation de noir de carbone, soit 20 % du total, près de 2 à 2,5 millions de tonnes par an. Ce segment englobe toutes les applications du caoutchouc, à l'exception des pneumatiques et des pneus rechapés, et se diversifie largement dans plusieurs industries qui fabriquent des produits pour les courroies en caoutchouc, les câbles, le caoutchouc industriel et d'autres industries utilisant du noir de carbone dans leurs activités de formulation.

Les plastiques et les encres constituent des marchés de niche et représentent près de 10 % de la consommation de noir de carbone volumique (vCB), soit 1 à 1,2 million de tonnes par an. Ce segment se caractérise également par une grande diversité d'applications finales et de qualités de noir de carbone, ainsi que par des formulations sur mesure permettant d'atteindre des performances spécifiques. Dans ce segment, le vCB est principalement utilisé comme pigment ou charge de performance.

Nos recherches indiquent que, dans certaines applications (par exemple, les mélanges-maîtres pour plastiques, les produits de toiture, les encres, etc.), il est possible de remplacer jusqu'à 100 % du noir de carbone vierge. D'autres applications présentent des taux de remplacement plus modestes. Par exemple, dans les flancs des pneus de voitures particulières, 30 à 50 % du noir de carbone vierge pourraient être remplacés par du noir de carbone recyclé.

En supposant un taux de substitution de 20 %, nous estimons que le volume annuel du marché mondial du rCB peut représenter environ 3,2 milliards d'euros.

Cela fait de la pyrolyse axée sur la production de rCB une activité rentable. Bien que le succès de cette activité dépende de multiples facteurs tels que la technologie de production et la qualité du produit, de vastes opportunités de marché s'offrent aux opérateurs de pyrolyse.

Nous entrevoyons un fort potentiel pour le noir de carbone recyclé sur le marché mondial du noir de carbone, et nous sommes convaincus que cette croissance est inévitable compte tenu de l'évolution politique constante des économies développées vers des technologies durables et respectueuses de l'environnement. Aujourd'hui, les nouveaux acteurs du marché ont une occasion unique de façonner l'industrie du noir de carbone recyclé et d'en devenir les leaders pour les décennies à venir.

Des efforts concertés sont nécessaires pour stimuler le potentiel de l'industrie

Toutefois, pour encourager l'utilisation du noir de carbone recyclé par l'industrie et accélérer le développement de la filière du noir de carbone recyclé, une action concertée de tous les acteurs est indispensable. Cette filière repose fortement sur la réglementation et la recherche. Cette dernière est nécessaire pour permettre aux opérateurs de pyrolyse d'obtenir une production plus homogène et stable, tandis que la réglementation favoriserait l'intégration de la filière dans le cadre de l'économie circulaire.

Les contraintes réglementaires dans les grandes industries étaient principalement dues au manque de normalisation du noir de carbone recyclé (rCB). Heureusement, l'ASTM progresse sur ce sujet et élabore des normes spécifiques pour le rCB. Les méthodes classiques de caractérisation du noir de carbone, basées sur la structure et la surface spécifique, ne permettant pas toujours d'évaluer précisément les performances des produits à base de noir de carbone recyclé dans le caoutchouc, l'ASTM s'attachera à définir des méthodes d'essai spécifiques pour le rCB. Par ailleurs, le rCB est un produit durable dans une perspective d'économie circulaire et présente différents avantages selon les applications.