Свойства нановолокон Алюминан
1. Сравнение с конкурентами: таблица (PDF)
2. Описание нановолокон Алюминан
Гибкие нитевидные нанокристаллы (нановолокна) Алюминан синтезируются с высокоориентированной текстурой (рис. 1а, 1b, 1с) и имеют чрезвычайно высокое аспектное соотношение – длина в диапазоне сантиметров при нанометровых диаметрах. Морфология получаемого материала показана на рис. 1. Условия производства могут быть адаптированы для получения волокон в диапазоне диаметров от 5 нм до 20 нм. Диаметр нановолокон в каждой партии имеет относительно узкое статистическое распределение (рис. 1d). Отдельные волокна представляют собой монокристаллы или цепочки монокристаллов, имеющие структуру γ-Al2O3 (рис. 1е).
Гибкие нитевидные нанокристаллы (нановолокна) Алюминан синтезируются с высокоориентированной текстурой (рис. 1а, 1b, 1с) и имеют чрезвычайно высокое аспектное соотношение – длина в диапазоне сантиметров при нанометровых диаметрах. Морфология получаемого материала показана на рис. 1. Условия производства могут быть адаптированы для получения волокон в диапазоне диаметров от 5 нм до 20 нм. Диаметр нановолокон в каждой партии имеет относительно узкое статистическое распределение (рис. 1d). Отдельные волокна представляют собой монокристаллы или цепочки монокристаллов, имеющие структуру γ-Al2O3 (рис. 1е).
Рис. 1. Морфология материала нановолокон оксида алюминия:
а – фото,
b – растровая электронная микроскопия,
с – просвечивающая электронная микроскопия,
d– гистограмма выборки нановолокон по диаметру,
е – график рентгенофазового анализа
а – фото,
b – растровая электронная микроскопия,
с – просвечивающая электронная микроскопия,
d– гистограмма выборки нановолокон по диаметру,
е – график рентгенофазового анализа
Физико-химические свойства нановолокон оксида алюминия
Кратко следует указать, что нановолокна оксида алюминия сохраняют все химические свойства, характерные для алюмогелевых-оксидных композиций, примером которых может служить анодный оксид алюминия или седиментационный псевдобемит. Материал слабо устойчив в щелочах, и в концентрированных соляной и плавиковой кислотах. Нановолокна хорошо смачиваются большинством растворителей и образуют стабильные дисперсии, как в воде, так и в спиртах или растворах КПАВ, при этом водные коллоиды нановолокон оксида алюминия активно коагулируют в растворах АПАВ.
Отжиг нановолокон оксида алюминия приводит к удалению адсорбата воды и разрушению AlOOH на их поверхности, при этом чем выше температурный отжиг, тем химически более устойчивым становится материал. Эти данные были подтверждены синхронным термическим анализом (рис. 2). Эндотермический пик на графике ДСК при 87,2°С указывает на потерю материалом воды, имеющую в нормальных условиях физическую связь с твердотельной матрицей – в виде адсорбата. Экзотермический пик на 454,9°С указывает на химическую реакцию:
2AlOOH → Al2O3 + H2O,
которая приводит к убыли 1,61% массы из образца. Согласно пропорциям реакции, такое количество воды может потерять 5,18% материала, который находится в фазе AlOOH. Таким образом, в совокупности массовая доля воды в химически и физически связном состоянии в нановолокнах оксида алюминия – около 5-6% по массе. Эндотермические пики при 865,3°С и 1074,1°С указывают на фазовые переходы, изменяющие кристаллическую структуру.
2AlOOH → Al2O3 + H2O,
которая приводит к убыли 1,61% массы из образца. Согласно пропорциям реакции, такое количество воды может потерять 5,18% материала, который находится в фазе AlOOH. Таким образом, в совокупности массовая доля воды в химически и физически связном состоянии в нановолокнах оксида алюминия – около 5-6% по массе. Эндотермические пики при 865,3°С и 1074,1°С указывают на фазовые переходы, изменяющие кристаллическую структуру.
Рис. 2. Характерный график ТГ и ДСК для нановолокон оксида алюминия
Последним является известный по литературе фазовый переход в корунд, который полностью разрушает структуру нановолокон. Структура продемонстрирована на рис. 3, на материале, нагретом до 1400°С, чтобы полностью разрушить волокнистую текстуру и гарантировать прохождение фазового перехода.
Рис. 3. Нановолокна оксида алюминия после отжига при 1400°С:
а – просвечивающая электронная микроскопия
b – график рентгенофазового анализа
а – просвечивающая электронная микроскопия
b – график рентгенофазового анализа
Небольшое (16% по массе) количество моноклинной фазы мы связываем с характерной поверхностной фазой в полученных наночастицах.
Удельная поверхность
В зависимости от диаметра нановолокон удельная поверхность может колебаться от 54 до 210 кв.м/г. Это очень хорошо коррелирует с цилиндрической структурой материала и неплохо согласуется с соотношением для удельной поверхности цилиндра:
где ρ = 3,68 г/куб.см и d – диаметр нановолокон. Высокая удельная поверхность обеспечивается минимальным диаметром нановолокон. На сегодняшний день технология позволяет получить нановолокна оксида алюминия наименьшего диаметра (рис. 4) величиной 5 нм.
Рис. 4. Нановолокна оксида алюминия. Просвечивающая электронная микроскопия
Термостойкость нановолокон оксида алюминия
С целью устранения эффекта разрушения нановолокон оксида алюминия при температурах свыше 1200°С, нановолокна оксида алюминия были покрыты слоем углерода методом СVD. Нановолокна, покрытые углеродом, отжигались в обсыпке технического углерода (для защиты от окислительной среды) в печи при 1400°С. В результате был получен материал (рис. 5) нановолокнистого оксида алюминия внутри углеродных слоёв.
Рис. 5. Нановолокна оксида алюминия, декорированные углеродом после отжига при 1400°С. Просвечивающая электронная микроскопия
Данные РФА исследования этого образца указывают на то, что волокна оксида алюминия находятся именно в корундовой фазе. Широкие пики на графике связаны с углеродом, покрывающим нановолокна.
Модификация нановолокон оксида алюминия силиконами
Указанная выше особенность нановолокон оксида алюминия с наличием хемосорбированной воды в виде гидроксильных групп на поверхности нановолокон может быть использована для модификации поверхности. Модификация производится через гидролизуемые силоксаны наподобие отверждаемых силиконовых герметиков, при этом функциональная группа, привитая к силиконам, переносится на поверхность нановолокна вместе с гидролизованным остатком, из-за чего оно утолщается (рис. 6).
Рис. 6. Силанизированные нановолокна оксида алюминия. Просвечивающая электронная микроскопия
На сегодняшний день, помимо приведённой модификации, имеется ещё ряд модифицированных силиконами нановолокон оксида алюминия – это модификация бутил-аминовыми группами, метакриловыми группами, виниловыми группами и эпоксидными группами, что подтверждается соответствующими XPS-спектрами (рис. 7а-г).
Рис. 7а. XPS-спектр нановолокон оксида алюминия. Бутил-аминовые группы
Рис. 7б. XPS-спектр нановолокон оксида алюминия. Метакриловые группы
Рис. 7в. XPS-спектр нановолокон оксида алюминия. Виниловые группы
Рис. 7г. XPS-спектр нановолокон оксида алюминия. Эпоксидные группы