Thermal and acoustic properties of cellulose fibrous materials

[С. Павловић]

186 листова

Физика - Примењена физика / Physics - Applied physics

У овој докторској дисертацији проучаване су термичке и акустичке особине целулозних влакнастих материјала различитих структурних и физичких особина, израђених од памука, конопље, вискозе и њихових мешавина и испитиване су њихове акустичке карактеристике после третирања у плазми. Такође су теоријски и експериментално детаљно разматрани процеси и механизми реакција у плазми и на граници између две средине, плазме и материјала, који доводе до модификација површине целулозних влакнастих материјала, а услед којих се мењају њихове акустичке особине. Измерене су динамичке термичке особине целулозних влакнастих плетених материјала, топлотна дифузивност и топлотна апсорбивност, помоћу нове експерименталне методе која је први пут примењена а која се заснива на Њутновом закону хлађења. Добијени резултати мерења динамичких термичких карактеристика испитиваних целулозних материјала су затим представљени, анализирани, поређени и изведени су одређени закључци. У циљу одређивања акустичких особина целулозних влакнастих материјала извршена су мерења коефицијента апсорпције звука изабраних узорака целулозних влакнастих материјала методом преносне функције, помоћу уређаја са звучном цеви са два микрофона, који је конструисан на основу стандарда ISO 10534-2, дефинисаног од стране Међународне Организације за Стандарде (ISO). Третирање целулозних влакнастих материјала извршено је у ниско-температурној, радио- фреквентној плазми са гасом аргоном и са мешавином гасова, аргона и азота. Резултати мерења звучног коефицијента апсорпције (SAC) целулозних влакнастих материјала пре и после третирања у плазми са гасом аргоном, показaли су повећање коефицијента апсорпције звука (SAC) скоро у целом опсегу датих фреквенција звука. Промена коефицијента апсорпције звука узорака третираних у плазми са аргоном, показује да се повећава њихова способност да апсорбују механичку енергију звука после третирања у плазми. Да би се детаљније испитали процеси који се дешавају у плазма реактору за време третирања материјала у плазми, механизми процеса који се дешавају приликом интеракција честица плазме и површине третираних целулозних влакнастих материјала као и морфолошке, физичке и хемијске промене на површини влакана целулозних материјала које су услед тих интеракција настале, извршена су додатна мерења и анализе. Истовремено са третирањем узорака у плазми извршена је и OES (oптичка емисиона спектроскопија) дијагностика за све примењене услове у плазма реактору. Такође је израчуната и функција расподеле електрона по енергијама (EEDF), за све примењене услове у плазми помоћу предходно развијеног и коришћеног модела симулације за транспорт електрона, ексцитацију и јонизацију атома аргона путем судара са електронима у RF-плазми. Да би испитали макро-структурне промене третираних материјала извршене су додатне анализе површине материјала помоћу електронског скенирајућег микроскопа (SEM). За детаљније испитивање утицаја третирања у плазми на природне целулозне материјале, анализирали смо промену хемијског састава до које долази на површини третираних материјала. У ту сврху користили смо рендгенску фотоелектричну спектроскопију (XPS) и рендгенски енергетски-дисперзиони спектроскоп (EDАX). У овој тези приказани су добијени експериментални и теоријски резултати и изведени су закључци о могућим морфолошким, физичким и хемијским променама на површини третираних целулозних материјала које доводе до повећања њихове способности да апсорбују звучне таласе.

In this doctoral dissertation we studied the thermal and acoustic characteristics of cellulose fibrous materials with different structural and physical properties, made of cotton, hemp, viscose and their mixture and examined their acoustic characteristics after plasma treatment. Processes and reactions mechanisms that take place in plasma and at the surface border between the two mediums, plasma and material, leading to modification of cellulose fibrous materials surface and changes in their acoustic characteristics due to that modification, were also theoretically and experimentally investigated. Dynamic thermal characteristics of cellulose knitted fabrics, thermal diffusivity and thermal absorptivity were also measured by a new experimental method that was applied for the first time and which is based on the Newton's law of cooling. The obtained experimental results of the dynamic thermal characteristics of cellulose materials are then presented, analyzed, compared and some conclusions were presented. In order to determine the acoustic characteristics of cellulose fibrous materials, we measured sound absorption coefficient of selected samples of cellulose fibrous materials using transmission function method device with the sound tube with two microphones, which has been designed as per the ISO 10534-2, defined by the International Standards Organization (ISO). Plasma treatment of cellulose fibrous materials was carried out in low- temperature, radio-frequency plasma conditions, with pure argon gas and with the mixture of gases, argon and nitrogen. The obtained experimental results of sound absorption coefficient (SAC) for cellulose fibrous materials before and after argon plasma treatment show the increase in the sound absorption coefficient (SAC) in almost the entire sound frequencies range. The change in sound absorption coefficient of material samples after argon plasma treatment, indicates the increase in their ability to absorb the mechanical energy of sound after the plasma treatment. The additional investigation and measurements of the processes that occur in the reactor during the plasma treatment, mechanisms of the plasma particle interactions with cellulose fibrous materials surface, as well as morphological, physical and chemical changes at the fiber surface in cellulose materials, which due to these interactions occurred, were performed. Alongside the sample treatment in plasma, OES (optical emission spectroscopy) diagnostics was performed for all applied conditions in a plasma reactor. The electron energy distribution function (EEDF) is also calculated for all the applied plasma conditions by using a previously developed and used model simulation for electron transport, excitation and ionization of argon atoms by collisions with free electrons in the RF-plasma. To examine the macro-structural changes in the treated materials, additional analysis of surface materials using electron microscopes (SEM) are conducted. For more in-depth examination of the impact of plasma treatment on natural fibrous cellulose materials, we analyzed the changes in chemical composition that occur at the surface of the treated materials. For that purpose we used X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray energy dispersive spectroscopy (EDAX). These experimental and theoretical results are presented in this thesis as well as the important conclusions about the possible morphological, physical and chemical changes on the treated cellulose material surface that lead to an increase in their ability to absorb sound waves.

целулозна влакна, конопља, памук, коефицијент апсорпције звука, топлотна дифузивност, топлотна ефузивност, третирање у плазми, аргон, азот, текстилни материјали, плазма модификација, парамери плазме, радиофреквентно пражњење, акустичка и топлотна изолација

cellulose fibers, hemp, cotton, sound absorption coefficient, thermal diffusivity, thermal absorptivity, plasma treatment, argon, nitrogen, textile materials, plasma modification, plasma conditions, RF discharge, acoustics and thermal insulation

621.315.61:533.9(043.3)

Tekst