Nanofibers of aluminum oxide

1.

Nanofibers of aluminum oxide

2.

Nafen is produced from melt:
industrial-scale technology
2

3.

TEM micrographs / SAXS data
small-angle scattering
(SAXS);
also indicate high degree
of alignment
3

4.

Nafen nanofibers : summary of properties
Parameter
Phase
Mean fiber diameter, nm
Fiber length, mm
Specific surface area (BET), m2/g
Purity, %
Bulk density, g/cm3
value
gamma / chi
~ 15:85 *
7-10
1–150
100-150
99.7
0.1 to 0.4
* - phase composition can not be accurately quantified because of lack
of structure model for -phase
4

5.

Is it unique?
AL2O3 (Alumina) Nanotubes
Reference 1:
AlOOH “aerogel” (FEI)
Reference 2:
Nano Technology Inc. (Korea):
99360 :
1
200n
m
“diameter is approximately 5-10
nm, and the aspect ratio is in
the 50 to 200 range”
5

6.

Mechanical properties of
individual fiber
CNTs (Wiki):
Young's modulus on the
order of 270 - 950 GPa
and tensile strength
of 11 - 63 GPa
6

7.

Phase analysis (XRD)
Typical diffraction patterns for lowtemperature phases of alumina
- chi is identified by the peak at
2 =42.8
-
Diffraction patterns
of two samples of Nafen
the phase is identified as mostly chi,
with some gamma
crystallite (CSR) size 50-100 nm
Nafen
Nafen fibers
fibers are
are
polycrystalline
polycrystalline alumina
alumina in
in
gamma
gamma and
and chi
chi phases
phases
7

8.

High-temperature phase transformation (XRD)
emperature XRD
At
At 1200–1400
1200–1400 C,
C, transformation
transformation to
to
alpha
alpha phase
phase occurs
occurs
10
8

9.

о
(Рис.3.4Б),
(Рис.3.4Б), т.е.
т.е. есть
есть ии зубцы,
зубцы, ии плоские
плоские участки
участки поверхности.
поверхности. Угол
Угол 120
120о характерен
характерен для
для
The surface is ‘saw-shaped’ (TEM)
плоскостей
плоскостей плотнейшей
плотнейшей упаковки
упаковки атомов
атомов кислорода
кислорода (111).
(111). Напомним,
Напомним, что
что для
для
традиционного
традиционного
-Al
-Al22O
O33,,
полученного
полученного
прокаливанием
прокаливанием
гиббсита,
гиббсита,
характерна
характерна
пластинчатая
пластинчатая форма
форма кристаллитов
кристаллитов сс развитой
развитой гранью
гранью 111.
111.
ционные
ционные картины
картины образцов
образцов 29/11
29/11 ии 22.
22.
гласно
гласно микроскопии
микроскопии высокого
высокого разрешения
разрешения волокна
волокна
о
убцов
убцов равен
равен 120
120о)) (Рис.3.4А),
(Рис.3.4А), либо
либо перекручены
перекручены
о
ие участки
кие
участки поверхности.
поверхности. Угол
Угол 120
120о характерен
характерен для
для
атомов
атомов кислорода
кислорода (111).
(111). Напомним,
Напомним, что
что для
для
нного
нного
прокаливанием
прокаливанием
гиббсита,
гиббсита,
характерна
характерна
А
А
ББ
развитой
развитой гранью
гранью 111.
111.
о
Рис.3.4А.
Рис.3.4А. Волокно,
Волокно, зубчатые
зубчатые края,
края, угол
угол 120
120о (вид
(вид сверху
сверху на
на плоскость
плоскость (111)).
(111)).
Рис.3.4Б.
Рис.3.4Б. Перекрученное
Перекрученное волокно.
волокно. Одна
Одна часть
часть сс зубчатыми
зубчатыми краями
краями (вид
(вид сверху
сверху на
на
плоскость
(111),
вторая
с
ровными
краями
(вид
сбоку
на
упаковку
полоскостей
(111))
плоскость (111), вторая с ровными краями (вид сбоку на упаковку полоскостей (111))
[111]
11
11
А
А
о
ол 120
гол
120о (вид
(вид сверху
сверху на
на плоскость
плоскость (111)).
(111)).
дна
часть
с
зубчатыми
краями
дна часть с зубчатыми краями (вид
(вид сверху
сверху на
на
ББ
Рис.
Рис. 5.8.
5.8. Ориентация
Ориентация фасеток
фасеток увеличенного
увеличенного размера
размера (5
(5 нм
нм ии более).
более).
9

10.

Main application:
reinforcing filler for thermoset-based adhesives
EP-PP copolymers:
“as co-monomer”
Surface treatment type affects
the performance, including level of
TOD stability enhancement
100
2
без Нафена
0.13 % Нафена
3 % Нафена
Напряжение, МПа
7
3
6
80
70
60
Exo
8
90
без Нафена
Наф.-1, 0.01 %
Наф.-1, 3 %
Наф.-2, 1.5 %
1
50
5
ТГА
9
40
4
30
3
20
2
10
1
100
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
200
300
400
0
500
o
900
T, C
Удлинение, %
790% / 5.8 MPa
940% / 8.0 MPa
Refefence:
N.M. Bravaya et al.,
J. Appl. Polymer Sci. (2017) –
accepted for publication
10

11.

Technological challenges & solutions
Ultrasonic dispersion and/or
targeted surface treatment
(functionalization) allows good
(almost to single fiber) level of
dispersion
11

12.

Surface chemistry
1
H MAS NMR:
three types of surface protons:
- terminal
- bridge
- hydrogen-bonded
IR spectroscopy / CO absorption:
only weak and medium-strength
Brønsted and Lewis centers are present:
max Q(LC) = 39 kJ/mole - considerably lower
than for “conventional” Al2O3 types
12

13.

Nafen as support for heterogeneous catalysts:
first trials
1) HDC of halogen-aromatic compounds:
application for waste treatment
(unpublished)
2) Emulsion hydrogenation
of substituted phenols
(unpublished data):
23 compounds tested
Nafen-supported catalyst
showed up to 95% yield and
up to 94% selectivity
Cl-benzene
cyclohexane
benzene
Temperature
2) Low-temp CO-oxidation
95% conversion already
with unmodified commercial
catalyst
13

14.

Nafen as support for heterogeneous catalysts:
potential / advantages
1) low-T Al2O3 polymorph
2) relatively high SSA and “highly-defective” surface:
allows easy anchoring of catalytically active components
3) low acidity: no / minimal side reactions selectivity
4) surface chemistry can be tailored:
- three subtypes of Nafen available
- functionalization is possible
5) ready masterbatches for liquid dispersion type processes
can be produced
6) “bonus” reinforcement effect (?)
14

15.

Thank You for Attention
15