Modelling the surface interaction of cellulosic materials with CO2 plasmas

[В. Станковић]

125 стр.

Физика - Примењена физика /Physics - Applied Physics

Циљ истраживања ове докторске дисертације јесте развој симулације интеракције јона плазме са површинама целулозних узорака односно са молекулима понављајућих целулозних структура полимерних ланаца целулозе. У ту сврху моделирано је RF гасно пражњење, RF плазма, у атмосфери CO2 радног гаса методом „Честица у ћелији“ (енгл. „PIC“). Након тога вршене су Монте Карло симулације у циљу израчунавања брзине стварања јона у прикатодној облати. Потом је развијен рачунарски код којим се моделира интеракција јона плазме, одређеног дела прикатодне области, са површином целулозних узорака. Симулирана интеракција омогућава нам да за одређене улазне параметре добијемо податке о броју раскинутих хемијских веза од интереса. Почетно поглавље истраживања ове дисертације обухвата детаљан теоријски приказ плазма процеса који одржавају гасно пражњење, врло важну прикатодну област у погледу третирања целулозних узорака као и спектроскопске методе за анализу третираних узорака. У наредним поглављима описане су коришћене методе („PIC“ и Монте Карло метода) са објашњењем употребљених техника и физичких законитости на којима су засноване. Затим је представљен нов рачунарски код којим се моделира интеракција у циљу добијања жељене хемијске структурне промене целулозних узорака. У последњем поглављу изложени су резултати добијени: моделирањем CO2 (RF) плазме методом „PIC“, Монте Карло методом и развијеном симулацијом интеракције. Такође, дата је и експериментална верификација извршених симулација које предвиђају одређени степен промена површинских структура плазмом третираних узорака. Анализа експериментално третираних целулозних узорака RF плазмом извршена је FTIR методом којом се идентификује проценат трансмисије инфрацрвеног зрачења у зависности од експериментално примењене снаге напајања

This doctoral dissertation's research aims to develop a simulation of the plasma-ion interaction with the surfaces of cellulose samples, in other words, with the molecules of repeating cellulose structures of cellulose polymer chains. For this purpose, the RF gas discharge, RF plasma, was modelled in the atmosphere of CO2 working gas using the "Particle in cell" method. After that, Monte Carlo simulations were performed in order to calculate the rate of ion formation in the near-cathode region. Afterwards a computer code has been developed to model the interaction of plasma ions, a certain part of the near-cathode area, with the surface of cellulose samples. The simulated interaction allows us to obtain some broken chemical bonds of interest for certain input parameters. The initial research chapter of this dissertation includes a detailed theoretical description of the plasma processes that maintain the gas discharge, the very important near-cathode area in terms of the treatment of cellulose samples as well as spectroscopic methods for the analysis of treated samples. The following chapters describe the methods used ("PIC" and the Monte Carlo method) with an explanation of the techniques utilized and the physical laws on which they are based. Then, a new computer code has been presented by which the interaction coud be modeled in order to obtain the desired chemical structural change of cellulose samples. The last chapter presents the results obtained: by modelling the CO2 (RF) plasma using the "Particle in the Cell" method, then by the Monte Carlo method, and results obtained by the developed interaction simulation. Also, experimental verification of the performed simulations, which predict a certain degree of changes in the surface structures of plasma-treated samples, is given. Analysis of experimentally treated cellulosic samples with RF plasma has been performed using the FTIR method, which identifies the percentage of infrared radiation transmission depending on the experimentally applied power supply.

моделирање плазме, CO2 гас, RF плазма, „Честица у ћелији“, прикатодни пад потенцијала, плазма-јони, целулозне структуре, коефицијент брзине побуђивања и јонизације, индукован диполни момент, раскидање полимерних ланаца

plasma modelling, CO2 gas, RF plasma, "Particle in a cell", near-cathode potential drop, plasma-ions, cellulose structures, excitation and ionization rate coefficient, induced dipole moment, breaking of polymer chains

533.913:544.558(043.3)

Tekst