Dynamics of Liquid Penetration Into Fibrous Materials
Title Alternative:Dynamics of Liquid Penetration Into Fibrous Materials
Loading...
Date
2011
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Technická Univerzita v Liberci
Abstract
Tato disertační práce se zabývá problematikou dynamiky průniku kapalin do vlákenných materiálů a to v rovině experimentální, pomocí počítačových simulací, ale i v konkrétní praktické aplikaci při výrobě kompozitních materiálů. Práce je rozdělena do tří hlavních částí. První část je zaměřena na dynamiku průniku kapalin do porézních materiálů obecně. Teoretická část obsahuje základní termíny a zákonitosti smáčení. Jsou zde popsány modely válcovité a radiální kapiláry jako dva základní modelové systémy pro lepší porozumění komplexnímu procesu pronikání kapek do porézních vlákenných i nevlákenných struktur. Je zde také část věnovaná možnostem podpory pronikání kapalin do porézních materiálů a to účinkem ultrazvuku. Experimentální část představuje nejprve navrženou jednoduchou a efektivní metodu pro studium dynamiky průniku kapek zejména do vlákenných materiálů s relativně velmi hrubým povrchem. Tato metoda je pak využívána k testování dynamiky průniku kapek do různých druhů netkaných textilií s ohledem na: (i) změny jejich geometrických parametrů (zaplnění, orientace vláken, průměr vláken); (ii) změny viskozity kapalin použitých ke smáčení a (iii) změny dynamiky průniku kapek do netkaných textilií při použití ultrazvuku. V druhé části je stručně představen Isingův model, metoda Monte Carlo, Kawasakiho kinetika a další termíny a zákonitosti nutné k uvedení do problematiky počítačových simulací procesů smáčení. Vlastní počítačové simulace a jejich vyhodnocení jsou součástí experimentů v této části práce. Tyto počítačové simulace jsou zaměřeny jak na procesy vedoucí k rovnováze (k čemuž jsou prioritně tyto simulace určeny) tak zejména na odhalení možnosti jejich využití v simulacích dynamických jevů - sledování dynamiky průniku kapalin do porézních materiálů. Tyto simulace jsou samozřejmě porovnávány zejména s teoretickými poznatky z první části této práce. Výroba a testování kompozitních materiálů s nanovlákennou výztuží je tématem poslední, třetí části předkládané disertační práce. V teoretické části jsou představena kompozitní nanovlákna, kompozity vyztužené uhlíkovými nanovlákny či nanotrubicemi a kompozity vyztužené elektrostaticky zvlákněnými nanovlákny. Právě elektrostaticky zvlákněná nanovlákna jsou pak použita jako jediná či sekundární výztuž kompozitních materiálů v experimentech, kde výrobní proces vyžadoval netradiční přístup a řešení několika nezvyklých problémů spojených se vstupem do "nano" oblasti vlákenných materiálů. Výsledný kompozitní materiál byl vyroben zejména jako konkrétní příklad využití teoretických znalostí, znalostí a zkušeností získaných z experimentů a simulací procesu smáčení uvedených v této disertační práci.
The thesis have brought a way to the recognition or clarification of some legalities from the branch of dynamics of liquid penetration into porous materials, its simulation by means of Auto models and its application on a "journey" to the solution of the factual problem with the production of composite materials reinforced with electrospun nanofibre layers. Thus the complete text is divided into three parts. The first part is focused on introduction of dynamics of liquid penetration into porous materials. Theoretical part dealt with basic terms and legalities of wetting. There are described model of cylindrical capillary and model of radial capillary as model systems for better understanding of drops penetration into complex porous or even textile structures. There is also part devoted to the enhancement of liquid penetration into porous materials with the intention of ultrasound usage. Experimental part should bring a design of a simple and an effective method for studying the dynamics of liquid penetration into fibre materials and its testing for a scale of nonwovens with different geometrical parameters (change of fibre volume fraction, change of orientation of fibres, change of fibre diameter?). The second part of the thesis shortly describes basic terms and legalities of automodels and Monte Carlo methods, examples of automodels usage for simulation of wetting phenomenon. Testing and evaluation of a possibility to use the simulation models for the observation of wetting dynamics follows the theoretical part as an introduction of thesis author the simulation study. The last part is devoted to nanofiber-reinforced composites. There are described composite nanofibers and nanocomposites reinforced by carbon nanotubes and electrospun nanofibers. Experimental part involves the description of a concrete solution for composite materials reinforced with electrospun nanofibre webs. The manufacturing process requires special approach because the electrospun nanofibre web brings several untraditional complications, which are necessary to solve. The entrance to the world of "nano" dimensions brings great challenges (problems), but evidently also several advantages in results. The thesis does not focus on testing and applied research in the branch of electrospun nanofibre reinforced composites. The work wants to show that it is possible to apply all theoretical knowledge, experimental and simulation skills for concrete examples.
The thesis have brought a way to the recognition or clarification of some legalities from the branch of dynamics of liquid penetration into porous materials, its simulation by means of Auto models and its application on a "journey" to the solution of the factual problem with the production of composite materials reinforced with electrospun nanofibre layers. Thus the complete text is divided into three parts. The first part is focused on introduction of dynamics of liquid penetration into porous materials. Theoretical part dealt with basic terms and legalities of wetting. There are described model of cylindrical capillary and model of radial capillary as model systems for better understanding of drops penetration into complex porous or even textile structures. There is also part devoted to the enhancement of liquid penetration into porous materials with the intention of ultrasound usage. Experimental part should bring a design of a simple and an effective method for studying the dynamics of liquid penetration into fibre materials and its testing for a scale of nonwovens with different geometrical parameters (change of fibre volume fraction, change of orientation of fibres, change of fibre diameter?). The second part of the thesis shortly describes basic terms and legalities of automodels and Monte Carlo methods, examples of automodels usage for simulation of wetting phenomenon. Testing and evaluation of a possibility to use the simulation models for the observation of wetting dynamics follows the theoretical part as an introduction of thesis author the simulation study. The last part is devoted to nanofiber-reinforced composites. There are described composite nanofibers and nanocomposites reinforced by carbon nanotubes and electrospun nanofibers. Experimental part involves the description of a concrete solution for composite materials reinforced with electrospun nanofibre webs. The manufacturing process requires special approach because the electrospun nanofibre web brings several untraditional complications, which are necessary to solve. The entrance to the world of "nano" dimensions brings great challenges (problems), but evidently also several advantages in results. The thesis does not focus on testing and applied research in the branch of electrospun nanofibre reinforced composites. The work wants to show that it is possible to apply all theoretical knowledge, experimental and simulation skills for concrete examples.
Description
katedra: KNT; rozsah: 125
Subject(s)
dynamika smáčení, netkané textílie, isingův model, metoda monte carlo, nanokompozity, elektrostatické zvlákňování, wetting dynamic, dewetting, nonwovens, ising model, method monte carlo, nanocomposites, electrospinning