Vergleich dielektrisch behinderter Entladungen bezüglich der physikalischen Eigenschaften und der Wirkung auf Holz und Holzwerkstoffe

Peters, Frauke

dc.contributor.advisor	Viöl, Wolfgang Prof. Dr.
dc.contributor.author	Peters, Frauke
dc.date.accessioned	2019-01-09T11:01:26Z
dc.date.available	2019-01-09T11:01:26Z
dc.date.issued	2019-01-09
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E553-0
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7196
dc.language.iso	deu	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc	570	de
dc.title	Vergleich dielektrisch behinderter Entladungen bezüglich der physikalischen Eigenschaften und der Wirkung auf Holz und Holzwerkstoffe	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Comparison of dielectric barrier discharges regarding their physical properties and the influence on wood and wooden materials	de
dc.contributor.referee	Viöl, Wolfgang Prof. Dr.
dc.date.examination	2018-10-22
dc.description.abstractger	In der Atmosphärendruck-Plasmabehandlung von Holz und Holzwerkstoffen werden schwerpunktmäßig drei Entladungsprinzipien basierend auf der dielektrisch behinderten Entladung verwendet. Diese unterscheiden sich maßgeblich in ihren Einsatzmöglichkeiten. So benötigt die koplanare Oberflächengleitentladung (CSBD) sehr glatte und ebene Oberflächen um den benötigten Entladungsabstand von unter 1mm realisieren zu können, ist dafür aber unabhängig von der Materialstärke. Die direkte dielektrisch behinderte Entladung (DDBD) wiederum reagiert relativ unempfindlich auf unebene Oberflächen, ist aber durch die zur Verfügung stehenden Hochspannungen auf Materialdicken in der Größenordnung von einigen Zentimetern limitiert. Die letzte Variante ist universell einsetzbar. Das Remote- Plasma (RP), das auch als Jet-System bezeichnet wird, ist unabhängig von den Materialbeschaffenheiten. Durch die Remoteanwendung kann diese Entladung im Abstand zur behandelnden Oberfläche gezündet werden. Hierbei werden die Plasmaspezies über einen Gasstrom auf die Oberfläche geleitet. Der Abstand zur Materialoberfläche beeinflusst dabei die Anzahl der reaktiven Plasmaspezies, da diese für größere Abstände eine größere Wahrscheinlichkeit für Rekombinationen haben. Bisherige Untersuchungen auf Holz und Holzwerkstoffen wurden meistens nur mit einer Plasmaquelle durchgeführt. Eine Vergleichbarkeit der Studien ist durch die Nutzung unterschiedlicher Geometrien und Spannungsquellen nicht gegeben. Diese Vergleichbarkeit wurde im Rahmen dieser Arbeit ermöglicht. Zu diesem Zweck wurden alle drei Entladungsarten mit den gleichen Elektroden und gleicher Spannungsquelle realisiert. Zudem wurde eine Angleichung der eingekoppelten Leistung durchgeführt. Der Vergleich der Entladungsarten wurde sowohl in plasmaphysikalischer Hinsicht über die Messungen der Plasmatemperaturen – Rotations-, Gas-, Vibrations- und Elektronentemperatur – und der reduzierten elektrischen Feldstärke geführt als auch unter dem Aspekt des Einflusses auf die Modifikation der Oberflächen von Holz und Holzwerkstoffen. Zudem wurden verschiedene Methoden der Temperaturbestimmung über optische Emissionsspektroskopie verglichen und hinsichtlich ihrer Eignung zur Temperaturbestimmung bei den betrachteten Plasmaentladungen bewertet. Die Temperaturen zeigten keine signifikanten Änderungen in Abhängigkeit der Entladungsart oder des behandelten Materials. Die berechneten Elektronentemperaturen liegen in einem Bereich von 49 000K bis 65 000K, was reduzierten elektrischen Feldstärken1 von 250Td bis 390Td entspricht. Für die Vibrationstemperatur wurde ein Wert von (2500 ± 300)K bestimmt. Die Rotationstemperatur, die näherungsweise die lokale Gastemperatur beschreibt, liegt unterhalb von 400K. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den über spektroskopische Methoden bestimmten Rotationstemperaturen mit den Werten erreicht, die über ein Glasfaserthermometer bestimmt wurden. Die durch Infrarotaufnahmen bestimmte Oberflächentemperatur nach einer 30 sekündigen Plasmabehandlung überstieg 320K nicht. Die Plasmabehandlung mit dem RP zeigte keine Erwärmung der Oberfläche (T = 300K). Der Einfluss der verschiedenen Plasmabehandlungen auf Ahorn, die hochdichte Faserplatte (HDF) und den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff (WPC) wurde durch die experimentielle Bestimmung der Oberflächenenergie nach der Methode von Fowkes, durch den pH-Wert sowie durch Haftfestigkeitstests quantifiziert. Dabei zeigten die CSBD und die DDBD vergleichbare Steigerungen der Oberflächenenergie, Senkungen des pH-Werts und Erhöhungen der Haftfestigkeit, wobei die Stärke der Änderungen materialspezifisch variierte. Die Plasmabehandlung mittels RP bewirkte, im Vergleich zur CSBD und DDBD, leicht geringere Änderungen der Oberflächeneigenschaften. Eine Ausnahme bildet die Behandlung einer WPC Variante. Hier konnte durch das RP eine bessere Haftfestigkeit erreicht werden als mit der CSBD. Zusammenfassend konnte ein Vergleich der Entladungsarten basierend auf den gleichen Elektroden und eingekoppelten Leistungen erfolgreich durchgeführt werden. In diesem Rahmen wurden die gleichen Temperaturen für alle drei Entladungsarten unter Berücksichtigung des Messfehlers bestimmt. Zwischen CSBD und DDBD gab es keine signifikaten Unterschiede in der Modifikation der Materialoberflächen. Die Modifikationen durch das RP waren im Allgemeinen geringer, mit Ausnahme einer Art von WPC.	de
dc.description.abstracteng	There are mainly three discharge types known for the treatment of wood and wooden materials with atmosphere pressure plasmas. These differ significantly in their range of applications. The coplanar surface barrier discharge (CSBD) requires very smooth and planar surfaces, to realise the required discharge distance of below 1mm. It is, however, independent of the strength of the material. The direct dielectric barrier discharge (DDBD) works well on uneven surfaces, but is limited to material strengths in the order of a few centimeters, due to the available voltages. The third variant, called Remote-Plasma (RP) or jet system, is universally applicable and independent of material features. For the latter type, the plasma is ignited further away from the surface, and the plasma species are being directed towards it by a gas stream. So far, investigations on wood and wooden surfaces were mostly performed with single plasma sources. Different setups and power supplies make a comparison of the reported studies difficult. The aim of this work was therefore to provide a comparative analysis of the three different discharge types. To this end, all three plasma sources were realised with the same electrodes and power supply. Furthermore, the same power has been used in all cases. The three discharge types were characterised by comparison of plasma temperatures – rotational, gaseous, vibrational and electron temperature – as well as the reduced electrical field strength. Furthermore, the influence on the surfaces of wood and wooden materials were considered. Also, different methods to measure temperatures via optical emission spectroscopy were compared in terms of their applicability within the used plasma discharges. The temperatures did not show any significant differences depending on the discharge type or the treated material. The calculated electron temperatures are between 49 000K and 64 000K, which corresponds to reduced electrical field strengths between 250Td and 390Td. The vibrational temperature was determined to be (2500 ± 300)K. The rotational temperature, which can be used as approximation for the local gas temperature, lies below 400K. There was a good agreement between the rotational temperatures determined by emission spectroscopy and the gas temperatures measured with an optical fibre thermometer. The surface temperature after a 30 s plasma treatment determined by infrared imaging did not exceed 320K. Treatment with RP did not show any surface temperature increase at all (T = 300K). The influence of different plasma treatments on maple, high density fibreboard (HDF) and wood-plastic-composite (WPC) were investigated considering a change of surface energy, pH, and adhesive strength. In general, CSDB and DDBD showed similar plasma-induced increases of the surface energy and the adhesion strength as well as a decrease of the pH. The magnitude of the effect was material-dependent. Treatment with RP showed slightly reduced changes. An exception to this was one kind of WPC, where the increase of adhesion by the RP treatment was higher than the one caused by the CSBD treatment. In summary, a comparison between different discharge types could be achieved. In this framework, based on similar electrodes and power, the same types of temperatures were determined for all three discharge types, including the error measurement. There were no significant differences between CSDB and DBDD in terms of their effect on surfaces. Surface modifications with RP were in general slightly diminished, with exception of one kind of WPC.	de
dc.contributor.coReferee	Militz, Holger Prof. Dr.
dc.contributor.thirdReferee	Wieneke, Stephan Prof. Dr.
dc.subject.ger	Plasma	de
dc.subject.ger	Dielektrisch behinderte Entladung	de
dc.subject.ger	reduzierte elektrische Feldstärke	de
dc.subject.ger	Plasmabehandlung von Holz	de
dc.subject.ger	Oberflächenenergie	de
dc.subject.ger	Rotationstemperatur	de
dc.subject.ger	Vibrationstemperatur	de
dc.subject.ger	WPC	de
dc.subject.ger	Hochdichte Faserplatte HDF	de
dc.subject.ger	Ahorn	de
dc.subject.ger	pH Wert	de
dc.subject.ger	Nitratkonzentration	de
dc.subject.ger	Salpetersäure	de
dc.subject.ger	Pufferkapazität	de
dc.subject.ger	Gastemperatur	de
dc.subject.ger	Elektronentemperatur	de
dc.subject.ger	elektronische Temperatur	de
dc.subject.eng	dielectric barrier discharge	de
dc.subject.eng	plasma	de
dc.subject.eng	reduced electrical field strength	de
dc.subject.eng	plasma treatment of wood	de
dc.subject.eng	surface free energy	de
dc.subject.eng	rotational temperature	de
dc.subject.eng	vibrational temperature	de
dc.subject.eng	electron temperature	de
dc.subject.eng	electronical temperature	de
dc.subject.eng	maple	de
dc.subject.eng	wood plastic composite	de
dc.subject.eng	high density fibreboard	de
dc.subject.eng	remote plasma RP	de
dc.subject.eng	coplanar surface barrier discharge CSBD	de
dc.subject.eng	direct dielectric barrier discharge DDBD	de
dc.subject.eng	gas temperature	de
dc.subject.eng	pH	de
dc.subject.eng	nitrate concentration	de
dc.subject.eng	buffer capacity	de
dc.subject.eng	nitric acide	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E553-0-2
dc.affiliation.institute	Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie	de
dc.subject.gokfull	Forstwirtschaft (PPN621305413)	de
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Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie (inkl. GAUSS) [379]

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