Liquid to soft solid transition of cellulose nanocrystal suspensions in presence of micelle forming surfactants
Selüloz nanokristal süspansiyonlarının misel oluşturan sürfaktanlar aracılığılya sıvıdan yumuşak katı formuna geçmesi
- Tez No: 667595
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN ŞENSES
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Selüloz nanokristalleri endüstriyel ve bilimsel amaçlar için kullanılabilen çok yönlü nanomalzemelerdir. Zehirli olmayan, biyolojik bozunma gerçekleştirebilen bu yaygın nanomalzemeler sıra dışı mekanik, optik ve termal özellikleri sayesinde birçok uygulamada kullanılabilmektedir. Selüloz nanokristallerinin yüksek en boy oranı, hidrofilik kimyası ve modifiye edilebilen yüzeyi onları mükemmel reoloji ajanları haline getirir. Tuz, polimer ve sürfaktan varlığında selüloz nanokristallerinin sulu çözeltilerin tiksotropik özellikleri belirgin bir şekilde değişir ve hatta bu çözeltilerin bu kimyasallar aracılığıyla sıvıdan yumuşak katı formuna ani geçişleri yaygın bir şekilde gözlemlenir. Selüloz nanokristallerinin saf sulu çözeltileri üzerine çok fazla çalışma yapılmış ve davranışları anlaşılmış olmasına rağmen makro moleküllerin (sürfaktanların ve polimerlerin) bu çözeltilerle karıştırılması sonucu oluşan kompleksler (jeller) fazla çalışılmamıştır. Selüloz nanokristallerinin sulu çözeltilerinin jelleşme mekanizmalarını anlamak bu jellerin mekanik özelliklerini akort edebilmek adına önemlidir. Çalışmamız genel itibarıyla sürfaktanların özellikle konsantrasyonları kritik misel konsantrasyonu üzerindeyken selüloz nanokristalleriyle gerçekleşen etkileşimleri üzerinedir. İki çalışmadan oluşan bu tezin ilk çalışmasında selüloz nanokristallerinin 1-desil-3-metil imidazolyum klorit, [C10mim][Cl], ve 1-desil-3-metil imidazolyum ferrik tetraklorit, [C10mim][FeCl4], sürfaktanlarını içeren sulu süspansiyonlarının yığınsal reolojik analizi ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Bu iki sürfaktanın baş ve kuyruk gruplarının aynı olmasına rağmen tersyükünleri farklıdır, bu da benzer boyuta ve şekle sahip olan fakat farklı partiküller arası etkileşim gösteren iki farklı misel oluşumuna yol açmıştır. [C10mim][Cl] sürfaktanının oluşturduğu miseller pozitif yüklü ve bu miseller arasındaki etkileşim uzun etki alanlı Coulomb etkileşimidir. Fakat [C10mim][FeCl4] sürfaktanının oluşturduğu miseller neredeyse nötr ve kısa etki alanlı sert küre etkileşimi gerçekleştirmektedir. Çalışmamızda benzer kimyasal yapıdaki sürfaktanların oluşturduğu farklı yüzey zeta potansiyeline sahip miselleri inceleyerek ilk defa misel yükünün sulu selüloz nanokristallerinin süspansiyonlarının jelleşmesi üzerindeki etkisini değerlendirdik. Kritik misel konsantrasyonu civarında ve hafif üzerinde, pozitif miseller negatif selüloz nanokristalleriyle elektrostatik olarak etkileşime geçer ve negatif yüzeye yapışan pozitif miseller bir çapraz bağlanma noktası gibi davranırlar. Sonuç olarak negatif selüloz nanokristallerinin birbirlerine bağlanmasına sebep olup güçlü bir jel ağı yaratırlar. Daha yüksek konsantrasyonlarda oluşan serbest pozitif miseller çapraz bağlanma noktası olarak jel ağını güçlendiren diğer pozitif miselleri de iterek jel ağının sağlamlığının azalmasına sebep olur. Diğer tarafta ise nötr [C10mim][FeCl4] miselleri jel ağının yapısı üzerinde pozitif misellerin göstermiş olduğu bu güçlü zayıflatıcı etkiyi göstermemiştir. Tezde yer alan ikinci çalışmada ısıya duyarlı (PEO)100-b-(PPO)65-b-(PEO)100 molekül yapısına sahip bir blok kopolimer ve aynı zamanda noniyonik bir sürfaktan olan ticari ismiyle Pluronic F-127'in sulu selüloz nanokristalleriyle olan karışımları incelenmiştir. Bu sürfaktanların da misel oluşturmasıyla sulu selüloz nanokristalleri süspansiyonlarının sıvıdan yumuşak katı formuna geçtiği gözlemlenmiştir. Blok kopolimerin yapısından dolayı oluşan miseller de nötraldir. Pluronic F127'nin sulu çözeltileri kendinden ısıya duyarlıdır. Sulu çözeltiler kritik misel sıcaklığından yüksek sıcaklıklarda (oda sıcaklığına yakın sıcaklıklar) Pluronic F127 moleküllerinin misel oluşturmaya başlamasıyla beraber jelleşirler. Blok kopolimer konsantrasyonun artması kritik miselleşme sıcaklığını ve aynı zamanda sulu çözeltilerin jelleşme sıcaklığını da düşürür. Sulu Pluronic F127 çözeltilerinin vücut sıcaklığından çok düşük olmayan sıcaklıklarda sıvı olması ve işlenebilmesinden dolayısıyla biyomedikal uygulamalarda kullanılabilmeye uygundur. Selüloz nanokristalleri ile Pluronic F127'nin oluşturduğu kompleks de artan sıcaklıkla faz değişimi göstermektedir; fakat faz değişimi gösterdiği sıcaklık selüloz nanokristalleri konsantrasyonunun artmasıyla beraber de yükselmektedir. Selüloz nanokristallerinin faz değişim sıcaklığı üzerindeki bu etkisine karşın kompleksin termal ve mekanik tersine dönebilinirliği korunmaktadır. Oluşan kompleks kendini oluşturan her iki elementin de ilaç taşıyabilme yeteneğine sahip olmasından dolayı özellikle çifte ilaç terapisi için gelecek vaat etmektedir. Bu iki çalışmamız da misel oluşturan iyonik ve noniyonik sürfaktanların sulu selüloz nanokristalleri süspansiyonlarına katılmasının neticesi olarak karışımların sıvıdan yumuşak katı formuna geçişini göstermektedir. Bu geçiş selüloz nanokristallerinin ve sürfaktanların elektrostatik, hidrofilik ve hidrofobik etkileşimleri sonucunda oluşan jel ağıyla mümkündür. Etkileşim mekanizmalarını yöneterek tıp alanında kullanabilmek üzere selüloz nanokristalleri temelli biyolojik olarak uyumlu hücre dışı matrisler, ilaç ve gen transferi yapabilen sistemler ve endüstriyel alanlarda kullanabilmek üzere ise koruyucu kaplamalar yapabilmek mümkün olmaktadır.
Özet (Çeviri)
Cellulose nanocrystals (CNC) are versatile nanomaterials benefited widely for both industrial and scientific purposes. Their abundance, non-toxicity, biodegradability, extraordinary mechanical, optical, and thermal properties make them suitable for a wide range of applications. Particularly, high aspect ratio, hydrophilicity, easy modification of surface properties make CNC ideal rheology modifiers. In presence of salts, polymers and surfactants, thixotropic features of aqueous CNC suspension alter drastically, and liquid to soft solid phase transition is often observed. Even though rheological properties of neat aqueous CNC suspensions are widely studied and understood, there is an undiscovered area about gelation in presence of macromolecules, like polymers and surfactants. Understanding gelation mechanism is crucial to tailor mechanical properties of the complex CNC mixtures. Our study is focused on surfactant – CNC interactions especially when the surfactant concentration is higher than critical micelle concentration. This thesis is the result of two different studies. In the first one, the bulk rheology (performed in both linear and transition from linear to non-linear viscoelastic region) of aqueous CNC suspensions in the presence of cationic surfactants of 1-decyl-3-methyl imidazolium chloride and 1-decyl-3-methyl imidazolium ferric tetrachloride was studied separately. The head and tail groups of these surfactants are identical, the only difference is the counterions, which led to formation of identical micelles of identical size and shape but with varying interparticle interactions. Micelles of [C10mim][Cl] are strongly positively charged and stabilized via long-range Coulomb repulsion whereas [C10mim][FeCl4] surfactants form nearly neutral micelles interacting with short-range hard-sphere type interaction. We, therefore, evaluate directly, for the first time, the effect of micelle charge on the gelation of CNC suspensions using the same surfactant system. At intermediate surfactant concentrations (slightly above CMC), positively charged micelles electrostatically interact with negative CNC and adhere to their surface; therefore, micelles behave as crosslinking points and gel network becomes strong. However, at high surfactant concentrations well above critical micelle concentration, the charged micelles repel each other and result in much weaker gel networks. Such a drastic weakening effect was absent in presence of neutral micelles. In the second study, thermo-responsive block copolymer with the molecular structure of (PEO)100-b-(PPO)65-b-(PEO)100 (which is also a non-ionic surfactant commercially named Pluronic F127) is mixed with aqueous CNC suspensions and liquid to soft solid phase transition was observed as micellization takes place. The micelles are neutral due to nature of block copolymer. Pluronic F127's aqueous solutions are thermo-responsive; they undergo gelation due to Pluronic F127 micelle formation taking place at above critical micelle temperature (CMT), near the room temperature. CMT and therefore gelation temperature go down as Pluronic F127 concentration increases. Since the critical temperature is lower than body temperature yet still high enough for processibility at room temperature, Pluronic F27 is suitable for biomedical applications. Gel point of the complex is increased with increasing CNC concentration and thermal and mechanical reversibility of the complex is also preserved. The resultant Pluronic F127 / CNC solutions are promising materials for especially dual drug therapy in which both Pluronic F127 and CNC can be utilized as drug carriers. Our studies demonstrate that addition of ionic and non-ionic surfactants and polymers to aqueous CNC suspensions can have a dramatic influence on the phase change due to network formation by electrostatic, hydrophilic, or hydrophobic interactions. Designed by manipulating these interactions, CNC-based hydrogels can be used in tissue engineering, drug and gene delivering systems in medicine as well as protective coatings in the industry.
Benzer Tezler
- Sert latekslerden film oluşumunun faton soğurma yöntemi ile çalışılması
Başlık çevirisi yok
FİGEN KENEROĞLU
- İyonlaşabilen gruplar içeren N-izopropilakrilamid kopolimer jellerinin sentez ve karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
SEVAL ARAS
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimyagerlik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANDAN ERBİL
- Complex dynamics of sheared active particle suspensions
Aktif partikül süspansiyonlarının kesme akışı altında karmaşık dinamikleri
AYTEN GÜLCE BAYRAM
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LUCA BIANCOFIORE
- Yeni tip katı-katı faz değişim maddeleri olarak poli(stiren-ko-allilalkol)-graft-yağ asidi kopolimerlerinin sentezi, karakterizasyonu ve ısıl enerji depolama özelliklerinin belirlenmesi
Synthesis, characterization and determination of heat storage properties of poly(styrene-co-ally alcohol)-graft-fatty acid copolymers as novel solid-solid phase change materials
ÖZGÜR LAFCI
- Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLTEKİN GÖLLER
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN TEKİN