Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2024.

Bibliography: pages 172-182.

Hybrid composites possess distinctive properties that render them suitable for various applications. Recently, hybrid polymers, which combine the unique attributes of polymers with those of other materials, have gained attention for their potential to enhance performance and offer novel functionalities. Notably, hybrid composites reinforced with natural fibers have garnered increasing interest due to their biodegradability, cost-effectiveness, and eco-friendliness. Numerous studies have highlighted the capacity of hybrid composites to modify their electrical and thermal properties through the addition of filler materials, thereby expanding their applicability.
This study was structured into two primary sections. The initial focus on extracting cellulose from sugarcane and investigating the dielectric properties of bagasse cellulose. Furthermore, the research delved into the development of a nanocomposite utilizing sugarcane cellulose and magnetite nanoparticles synthesized via the co-precipitation method. The size of the nanoparticles was examined using both TEM and XRD devices. To prepare the nanocomposite, a homogeneous mixture was achieved by dispersing 6 wt.% of magnetite (representing the maximum loading) and cellulose in distilled water using ultrasonication.
The findings revealed significant variations in the dielectric properties influenced not only by the crystallization properties of cellulose but also by the interfacial charges accumulated at the cellulose-magnetite interfaces at temperatures up to 120°C and within the frequency range of 100 Hz to 1 MHz. The universal Jonscher law provided a strong fit to the conductivity spectrum observed in both pure cellulose and cellulose/magnetite samples. The electrical conduction mechanism in pure cellulose was identified as ionic conduction, whereas in the cellulose/magnetite sample, it appeared to depend on temperature and frequency range. Additionally it was projected that at low temperatures, the contribution of small polaron hopping in the low-frequency range and associated barrier hopping (CBH) in the high-frequency regions would be prevalent in the cellulose/magnetite composite. Conversely, at high temperatures, the conduction mechanism shifted towards ionic conduction. Nyquist diagrams demonstrated that the addition of magnetite impacted the components of the equivalent circuit. Moreover, the electrical modulus analysis revealed relaxation phenomena in the cellulose sample. Theoretical modeling of electrical conductivity and electrical modulus was also conducted and compared with experimental values. Furthermore, cellulose was investigated with the addition of carbon nanofibers (CNFs) in the same ratio as before. Dielectric spectroscopy was employed to explore the effects of CNF relaxation and conduction mechanisms at different temperatures. Thermal stability was also assessed through thermal gravimetric analysis (TGA).
In the second section of this study, the thermal advantages of a blend utilizing magnetic nanomaterial were examined. PVC/PEO mixed with cobalt nanoparticles prepared using the chemical auto-combustion technique were analyzed using XRD and TEM methods. UV-VIS analysis also showed that the presence of cobalt enhanced the absorption coefficient and reducing the optical energy gap.
TGA analysis also revealed that the nanocomposite showed a thermal stability lower than pure blend sample with a simpler main decomposition peak and a faster decomposition rate. Kinetic analysis showed that the activation energy (163-168 KJ/mol) is consistent with the methods of Kissinger and Augis-Bennett/Boswell methods, aligning with existing literature.

تمتلك المركبات الهجينة خصائص مميزة تجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات. في الآونة الأخيرة، اكتسبت البوليمرات الهجينة، التي تجمع بين السمات الفريدة للبوليمرات وتلك الخاصة بالمواد الأخرى، الاهتمام لقدرتها على تحسين الأداء وتقديم وظائف جديدة. والجدير بالذكر أن المركبات الهجينة المعززة بالألياف الطبيعية قد حظيت باهتمام متزايد بسبب قابليتها للتحلل البيولوجي وفعاليتها من حيث التكلفة وصديقتها للبيئة. وقد سلطت العديد من الدراسات الضوء على قدرة المركبات الهجينة على تعديل خواصها الكهربائية والحرارية من خلال إضافة مواد الحشو، وبالتالي توسيع نطاق تطبيقها.
تم تنظيم هذه الدراسة في قسمين أساسيين. كان التركيز الأولي على استخلاص السليلوز من قصب السكر ومن ثم دراسة الخصائص العازلة لسليلوز تفل قصب السكر. علاوة على ذلك، ركزت الدراسة على تطوير مركب نانوي يستخدم سليلوز قصب السكر والجسيمات النانوية من الماجنتيت التي تم تصنيعها عبر طريقة الترسيب المشترك و فحص حجم الجسيمات النانوية باستخدام كل من أجهزة الميكروسكوب الالكتروني TEM وحيود الأشعة السينية XRD. ومن أجل تحضير مركب النانو، تم الحصول على خليط متجانس عن طريق تشتيت 6% من الماجنتيت (كحد أقصى) والسليلوز في الماء المقطر باستخدام الموجات فوق الصوتية.
كشفت النتائج عن اختلافات كبيرة في الخواص العازلة تتأثر بكل من خصائص تبلور السليلوز و بالشحنات البينية المتراكمة عند السطوح البينية بين السليلوز و الماجنتيت ذلك عند درجات حرارة تصل إلى 120 درجة مئوية وفي نطاق التردد من 100 هرتز إلى 1 ميجا هرتز. قدم قانون جونشر العالمي توافقًا قويًا مع طيف الموصلية الملحوظ في كل من عينات السليلوز النقي والسليلوز/ الماجنتيت. تم تحديد آلية التوصيل الكهربائي في السليلوز النقي على أنها توصيل أيوني، بينما في عينة السليلوز/ الماجنتيت اعتمدت على درجة الحرارة ونطاق التردد. بالإضافة إلى ذلك، كان من المتوقع أنه في درجات الحرارة المنخفضة، فإن مساهمة قفز البولارون الصغير في درجات الحرارة المنخفضة سيكون نطاق التردد وما يرتبط به من قفز الحاجز (CBH) في المناطق عالية التردد سائدًا في مركب السليلوز / الماجنتيت. وعلى العكس من ذلك، عند درجات الحرارة المرتفعة، تحولت آلية التوصيل نحو التوصيل الأيوني. أظهرت مخططات نيكويست أن إضافة الماجنتيت أثرت على مكونات الدائرة المكافئة. علاوة على ذلك، كشف تحليل المعاملات الكهربائية عن ظاهرة الاسترخاء في عينة السليلوز. كما تم إجراء النمذجة النظرية للتوصيل الكهربائي والمعامل الكهربائي ومقارنتها بالقيم التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، تم دراسة السليلوز مع إضافة ألياف الكربون النانوية (CNFs) بنفس النسبة السابقة. تم استخدام التحليل الطيفي العازل لاستكشاف تأثيرات استرخاء CNF وآليات التوصيل عند درجات حرارة مختلفة. تم تقييم الثبات الحراري أيضًا من خلال تحليل الوزن الحراري (TGA).
في الجزء الثاني من هذه الدراسة، تم فحص المزايا الحرارية للمزيج باستخدام المواد النانوية المغناطيسية. تم تحليل PVC/PEO الممزوج بجسيمات الكوبالت النانوية المحضرة باستخدام تقنية الاحتراق الذاتي الكيميائي التي تم فحصها باستخدام طرق XRD وTEM, وأظهر تحليل UV-VIS أيضًا أن وجود الكوبالت يعزز معامل الامتصاص ويقلل فجوة الطاقة الضوئية.
كما أظهر TGA أيضًا أن المركب النانوي أظهر ثباتًا حراريًا أقل من (200-350 درجة مئوية) من المزيج النقي مع ذروة التحليل الحركي أن طاقة التنشيط (163-168 كيلو جول/مول) تتوافق مع طرق كيسنجر وأوغيس بينيت/بوسويل، وتتماشى مع الأدبيات الموجودة.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.